전기 사용 기기들의 증가와 함께 낙뢰의 예방에 관한 중요성도 함께 증가하고 있다. 이중 낙뢰 위치 표정 시스템은 낙뢰의 시각·위치·전류 값 등을 측정하는 시스템으로 이를 통해 송전선 고장 원인 특정, 송전선 순찰 점검 등에 활용이 가능하다. 본고에서는 도후쿠전력에서 실시하고 있는 차세대 낙뢰 위치 표정 시스템의 실용화에 관해 기술했다.
번역·정리 전화영 객원기자 글 도호쿠전력㈜ 사카모토 쇼조(坂本將造), 혼마 노리야스(本間規泰)
참조 ≪電氣評論≫ 제96권 12호
낙뢰 위치 표정 시스템(LLS: Lightning Location System)은 낙뢰에서 방사되는 LF대 전파를 여러 지점에 설치한 센서에서 수신해 도래 방위와 수신 시각을 측정하고, 그것을 토대로 낙뢰의 시각·위치·전류값 등을 실시간으로 측정하는 시스템이다. 또한, 전파 파형을 기준 파형과 대조해 구름방전이나 노이즈를 제외하고 낙뢰만을 관측한다. 시스템 개요는 <그림 1>과 같다. 도호쿠전력㈜는 1991년도에 전파 도래 방위를 토대로 한 이 시스템을 일본에서 최초로 도입해 당사 관내 전역의 낙뢰 상황을 관측하기 시작했다. 1994년도에는 전파 도래 방위와 수신 시각을 이용해 낙뢰 위치를 표정하는 시스템으로 갱신해 정확도를 높였다. 이후 관측 결과는 낙뢰 활동의 실황 파악, 송전선 고장 원인 특정, 송전선 순찰 점검에 참고 자료로 사용하고, 낙뢰 빈도 등의 통계는 뇌 대책의 기초 자료로 활용해 왔다. 그러나 도호쿠전력㈜ 구역의 절반을 차지하는 동해 쪽은 겨울철에 발생하는 낙뢰의 포착률이 낮아 개선을 바라는 목소리가 있었다. 그리하여 송전선 고장에 대응하는 전파를 조사했더니, 잘 알려진 여름철 낙뢰에서 방사되는 전파와는 양상이 다른 복잡한 파형이었다. 이 같은 종류의 전파를 방사하는 낙뢰는 호쿠리쿠(겗陸) 지역에서 관측된 겨울철 낙뢰와 마찬가지로‘상향 낙뢰’로 추정됐다. 이러한 조사를 바탕으로 2002년도부터 Vaisala사, ㈜산코샤와 공동으로 최신 센서를 사용한 차세대 시스템 개발에 착수해 겨울철 낙뢰를 포착하고 표정 정확도가 높은‘차세대 낙뢰 위치 표정 시스템’을 실용화했다. 본고에서는 주로 이 시스템의 겨울철 낙뢰 포착률과 표정 정확도 향상에 대해 소개한다.
기존 시스템
기존 시스템의 표정 원리와 구성｜초기 LLS는 센서인 수직 전계 안테나와 루프형 자계 안테나로 낙뢰에서 방사된 전파의 도래 방위를 측정하고, 센서 2국에서 측정한 전파 도래 방위를 토대로 삼각 측량의 원리를 이용해 전파 방사원인 낙뢰의 위치를 추정하는 구조였다. 다만, 3국 이상의 센서 데이터를 사용할 경우에는 표정이 한 점으로 정해지지 않아 해석 장치의 각 센서에서 측정한 전파 도래 방위의 차이의 이승의 합이 최소가 되는 위치를 탐색하는‘최적화 표정’을 행한다. 전파 도래 방위 오차는 도래 방위에 의존하지만, 센서 근방 환경이 바뀌지 않는 한 그 특성이 변하지 않기에 오차의 방위 특성을 피드백하는 것으로 표정 오차를 줄였다. 시스템 전체의 표정 정확도를 높이려면 많은 낙뢰에 이 최적화 표정 방법을 적용하는 것이 바람직하나, 낙뢰에서 방사되는 전파의 피크 값은 10㎄~100㎄ 범위를 중심으로 분포하는 뇌 전류 값에 비례하기에 표정에 참가하는 센서가 3국 이상이 되도록 센서의 다이내믹 레인지Dynamic Range와 설치 간격을 맞춰야 한다. 다만, 표정에 유효한 전파는 방사 성분이라서 낙뢰로부터 약 10㎞ 이상 떨어진 지점에 센서를 설치한다. 한편, 전파 도래 방위 오차가 표정 정확도에 미치는 영향은 센서에서 낙뢰까지 거리에 비례하기에, 센서 설치 간격을 좁힐수록 표정 정확도가 높아진다. 그러나 이는 센서수의 증가, 즉 비용 증가를 초래한다. 그렇기에 이러한 조건을 종합적으로 고려해 센서 배치와 설정을 최적화하고 도호쿠(東겗) 전역의 낙뢰 관측을 가능케 한 시스템이 바로 1991년도에 운용을 시작한 최초의 LLS다. 이 시스템에서는 도호쿠 지역을 둘러싸도록 센서 9대를 배치해 감도를 Medium, 전자계 파형 처리를 개시하는 신호 강도의 역치 値를 표준의 절반으로 해 소전류 낙뢰에 대한 감도를 표준의 2배로 하는 한편, 도호쿠 전역에서 최대 300㎄ 낙뢰를 표정할 수 있는 다이내믹 레인지를 확보했다. 또한, 낙뢰를 중심으로 하는 정삼각형 정점에 근방 센서가 위치할 때 표정 조건이 가장 좋기에 그러한 센서 배치를 목표로 했다. 이때 전파의 도래 방위에 영향을 주는 구조물이나 환경 노이즈가 적고 평탄한 토지를 선정했다. 다만, 일반 전력 설비와 같이 보수할 수 있게 센서는 도호쿠전력㈜ 구역 내에 설치했다. 그 후 센서를 GPS 시계를 탑재한 IMPACT 타입(현재 Vaisala사 제품)으로 갱신한 것 말고도 일부 센서를 재배치했다(<그림 2> 참조). IMPACT 센서는 전파 도래 방위뿐 아니라 전파 수신 시각도 측정하는데, 전파의 전반傳搬거리에 비례해 늦다. 해석 장치는 앞서 설명한 최적화 표정 방법으로 각 센서에서 측정한 전파 수신 시각에서 되돌아가 산출한 낙뢰 발생 시각의 차이의 이승의 합이 최소가 되는 전파 방사원의 위치를 탐색해 이를 낙뢰 위치로 한다. 정확도는 전파 수신 시각 정확도에만 의존하기에, 도래 방위를 토대로 한 표정처럼 낙뢰에서 센서까지 거리는 상관이 없어 센서 설치 간격에 제약이 없으나, 최적화 표정에 필요한 3국 이상의 센서가 표정에 참가해야 한다. 최적화 표정 방법에서는 전파 도래 방위와 수신 시각을 함께 다룰 수 있어 센서가 2국이라 할지라도 4개의 정보를 이용해 높은 정확도로 표정할 수 있다. 다만, 전파 수신 시각을 토대로 한 표정 결과는 전파 도래 방위를 토대로 한 것보다 정확도가 높아 전파 도래 방위의 역할은 실질적으로 전파 수신 시각에 큰 오차가 있을 때 체크하거나 표정의 보조에 지나지 않게 됐다. 이러한 갱신으로 표정의 정확도와 신뢰도를 월등히 높인 시스템은 1994년도부터 올해(2011년)까지 18년 가깝게 안정적으로 가동했다. 이만큼 장기간동일 사양의 LLS로 얻은 낙뢰 데이터는 일본에 없으며, 도호쿠 지역의 낙뢰 기초 자료로 앞으로도 활용할 예정이다.
기존 시스템의 과제｜IMPACT 센서로 구성된 기존 시스템은 안정된 시스템이었다. 그러나 전파 파형이 복잡하고, 저항이 있는 대지를 따라 전파가 전반할 때 고주파 감쇄 등으로 네트워크 주변에서 표정 오차가 수㎞에 이르는 경우도 있음을 알게 됐다. 한편, 동해 연안 지역에서는 겨울철에 송전선 뇌 고장을 일으킨 낙뢰를 표정하지 못하는 경우가 많아 포착률 개선을 요구하는 목소리가 있었다. 그리하여 2002~2004년도 겨울철에 발생한 송전선 뇌 고장에 대응하는 표정 결과를 조사했더니, 낙뢰에 동반되는 전파를 특정할 수 있는 95건 중 표정은 59건으로, 포착률은 62%로 추정됐다. 연도별 포착률은 <표 1>과 같다. 그러나 사고를 일으켰다고 추정되는 제1뇌격을 표정하지 못한, 설령 표정했다고 해도 수신 시각이나 전류 추정 오차가 큰, 또는 극성을 오판정한 사례가 있어 이를 제외하면 포착률은 56%까지 떨어졌다. 또한, 전파 파형에서 방전이 뻗어 나가는 방향을 상향과 하향으로 나눠 보면, 하향 낙뢰의 포착률은 건수가 적은 양극성 낙뢰를 별도로 할 경우 여름철과 비슷한 95%였으나, 상향 낙뢰의 포착률은 낮았으며 특히 음극성에서는 23%였다. 이 결과를 바탕으로 겨울철 낮은 포착률의 원인은 상향 낙뢰의 포착률이 낮기 때문으로 추정했다(<표 2> 참조). 센서는 관측한 전파가 낙뢰에 동반되는 것이라는 사실을 판별하기 위해 상승 시간 등의 파형 특징을 보이는 파라미터를 기준과 대조한다. 앞서 이야기한 송전선 고장에 대응하는 전파 중 포착하지 못한 전파의 파형 파라미터를 조사했더니, 상승 시간이 기준보다 긴 사례가 18%, 피크에서 제로 수준을 크로스하기까지의 시간이 기준보다 짧은 사례가 7%, 피크에 대한 역극성으로의 진동 크기가 기준보다 큰 사례가 7%였다. 이 결과를 두고 낮은 포착률의 원인 중 하나를 파형 파라미터가 낙뢰 판별 기준과 맞지 않기 때문으로 추정했으나, 포착률을 설명하는 데는 불충분했다. <그림 3>은 음극성 상향 낙뢰에서 방사된 전파 파형의 일례다. 뇌운의 전하가 대지에 흘렀을 때 대진폭의 펄스가 방사된 것으로 추정되나, 그 전에 약 1㎳ 사이에 다수의 펄스가 보인다. 이 기간은 센서 신호 처리에서 데드 타임인 4㎳보다 짧아서 주 펄스에 선행하는 펄스로 신호 처리가 개시되면 주 펄스를 처리할 수가 없다. 바로 이 점이 센서 포착을 어
렵게 한다고 관찰 결과 추정했다.
차세대 시스템
기본 사양｜도호쿠전력㈜는 기존 시스템의 과제를 해결하고자 Vaisala사의 최신 LS 센서 6대와 해석 장치 TLP의 네트워크로 차세대 시스템을 새롭게 구축했다(<그림 2> 참조). 이 시스템은 앞서 <기존 시스템의 표정 원리와 구성>에서 설명한 내용을 바탕으로 전파 수신 시각만으로 낙뢰 위치를 표정하는 것으로 설계해 인접하는 센서가 정삼각형에 가까운 형태를 구성하는 범위에서 설치 간격을 최대한으로 넓혀 센서를 설치했다. 이때 표정 성능을 최대한 발휘하기 위해 2국은 도호쿠전력㈜ 구역 바깥에 설치했다. 그 결과, 센서 설치 간격은 기존 시스템의 약 1.5배에 해당하는 약 200㎞가 됐기에, 유효한 최적화 표정을 위해 기존 시스템과 마찬가지로 센서 신호 처리의 역치를 표준의 절반 이하로 한 것 말고도 센서 감도를 기존 Medium Gain(Gain 2)의 1.5배(Gain 3)로 설정했다.
겨울철 낙뢰 포착률 향상｜겨울철 낙뢰의 낮은 포착률에 대해 추정한 지식을 토대로 2002년도에 도호쿠전력㈜는 Vaisala사, ㈜산코샤와 공동으로 겨울철 낙뢰를 포착할 수 있는 시스템 개발에 착수했다. 당시 Vaisala사는 차세대 센서 LS 시리즈 개발을 추진했는데, 파형 처리의 디지털화로 복잡한 파형 처리가 가능해진 동시에 신호 처리에서 데드 타임이 해소될 전망이었다. 따라서 Vaisala사의 LS 센서 개발에 병행해 도호쿠전력㈜가 관측한 겨울철 낙뢰에 동반되는 전파 파형을 토대로 LS700x 센서를 실정에 맞게 바꿨다. <그림 4>는 음극성 상향 낙뢰에서 방사된 전파를 도호쿠전력㈜의 관측 장치와 LS700x 센서에서 기록한 파형을 겹쳐 나타낸 것이다. 그림 속 마크는 LS700x 센서가 특정한 펄스의 개시점과 피크값을 나타낸다. 감도 조정은 하지 않았으나, LS700x 센서는 주 펄스와 그 직전의 펄스 양쪽 모두를 관측해 각각의 개시점과 피크를 특정함을 알 수 있다. 2010년 11~12월, 기존 시스템과 병행해 실증 시험 중인 차세대 시스템으로 겨울철 낙뢰를 표정했다. 양쪽 시스템의 표정 결과를 비교한 것이 <표3>이다. 지난번 기존 시스템에서 포착률이 낮았던 대전류 낙뢰는 -CG 1건, +CG 1건, -GC 2건, +GC 2건으로 총 6건 발생했으며, 기존 시스템이 -GC 1건과 +GC 1건의 상향 낙뢰 2건을 표정하지 못한 데 비해 차세대 시스템은 전체 건수를 표정했다. 개별 낙뢰에 대한 센서별 응답을 살펴보면 양쪽 시스템의 표정 상황을 자세히 알 수 있다. 예를 들어 사례 5의 -GC의 경우, 기존 시스템에서는 9국 중 2국만이 포착했으나, 2국의 전파 수신 시각만으로는 낙뢰 위치를 표정할 수 없기에 표정 여부를‘부否’로 표기했다. 이에 비해 차세대 시스템에서는 6국 전체가 포착해 높은 신뢰도로 표정했다. 여기서 포착 가능한 센서 수에 대한 포착한 센서 수의 비율을 보면, 기존 시스템은 18/45=0.4, 차세대 시스템은 35/36=0.97로 센서의 겨울철 낙뢰 포착률이 월등히 높아졌다고 할 수 있다.
표정 정확도 향상｜기존 IMPACT 센서에서는 파형 특징을 몇 개의 파라미터로 표현해 낙뢰 판별과 수신 시각 측정을 한 데 비해 LS 센서에서는 FPGA로 고도의 파형 처리가 가능해져 <그림 4>와 같이 복잡한 파형을 자세히 파악할 수 있게 됐다. 전파 수신 시각은 그동안은 상승이 역치를 넘는 시각과 피크 시각에서 추정했으나 LS700x 센서에서는 파형의 상승 양상에서 개시점을 추정하도록 바뀌었다. 또한, TLP131에서는 전파 도래 방위와 수신 시각을 토대로 최적화 위치를 표정하는 것은 기존 시스템과 같으나, 낙뢰에서 방사된 전파가 대지 도전율이나 기복의 영향을 받아 변형으로 생기는 전파 수신 시각의 오차를 보정하는 기능을 새롭게 추가했다.
이처럼 센서와 해석 장치의 성능 향상 그리고 센서의 최적 배치로 표정 정확도를 높였다. LLS로 표정된 하향 다중뢰에서는 제1~제4뇌격이 실제로는 대지 부근의 방전로가 다른 다지점 낙뢰가 많다는 보고를 바탕으로 제5뇌격 이후의 표정 위치의 차이를 조사했더니 기존 시스템에서는 오차가 0.5~1㎞였으나, 차세대 시스템에서는 송전선의 평균 경간 길이 약 300m 이내로 들어와 실용상에 있어 충분한 표정 정확도로 개선됐음을 확인했다.
운용｜차세대 시스템의 운용 형태는 <그림 5>와 같다. TLP131과 LS700x 센서 접속은 기존 전용선에서 LAN으로 바꿨다. 그 덕분에 향후 다른 LLS와도 센서 공유가 가능한 구조가 됐다. LS700x 센서와 해석 장치 TLP131 상태는 다른 감시 장치로 모니터하고, 이상 시 감시자에게 알람을 전달한다. 이런 구조를 통해 고장 시 빠르게 대처하고 있다. 또한, 해석 장치 TLP131의 백업으로 구식 해석 장치 LP2000을 설치해 시스템의 신뢰성을 높였다. 표정 데이터는 지금까지처럼 사내에서 활용하는 것 말고도 홈페이지에 공개하고 있다. 센서 데이터는 TLP131에 보존해 시스템 평가 개량에 활용 중이다.
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도호쿠전력㈜은 겨울철 낙뢰에서 방사되는 전파의 관측 결과를 바탕으로 Vaisala사, ㈜산코샤와 공동으로 LS700x 센서를 실정에 맞게 바꿔 겨울철 낙뢰의 포착률을 높인 차세대 시스템을 개발해 본격 운용에 들어갔다. 이 시스템은 노이즈가 적은 환경에 센서를 최적 배치하고 감도 등을 최적화해 기존 9대보다 적은 6대 센서로 효율을 높여 구성했다. 또한, LS700x 센서의 전파 수신 시각 정확도를 높이고, 해석 장치 TLP131에서 전파가 전반할 때 대지에서 받는 영향을 보정해 표정 정확도도 높였다. 그러나 상향 낙뢰의 표정에 대해서는 전류 추정 모델이 확립되지 않았고, 하향 낙뢰에서 이용하는 전파로 전류 추정을 할 수는 없기에 낙뢰에서 전파가 방사되는 기구를 해명하는 일이 남았다. 그 외에도 상향 낙뢰를 포함한 낙뢰 판별, 다중뢰 판별, 표정 정확도 등의 평가와 개선이 필요하다. 이를 위해 앞으로도 시스템을 평가 개량해 완성도를 높이고 낙뢰 사고 대응의 신속화와 뇌 대책의 효율화에 이바지하도록 최선을 다할 계획이다.
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