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전력의 안정공급을 지원하는 가공송전기술1
2014년 11월 1일 (토) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2014년 11월호 - 전체 보기 )

전력의 안정공급을 지원하는 가공송전기술1


일본에서의 전력공급은 세계 최고 수준의 품질을 유지하며, 정전시간 및 정전 횟수가 타 외국에 비해 매우 적다. 그 이유로는 애자, 피뢰기, 갤러핑 대책의 루스 스페이서가 중요한 역할을 수행하고 있기 때문이다. 본고에서는 가공송전선 설비의 관점에서 본, 전력의 안정공급을 지원하는 기술로서 애자,  피뢰기, 갤러핑 대책의 루스 스페이서에 대해 소개한다. 
번역·정리 김대근 기자

일본에서의 연간 정전시간은 1세대당 약 16분(2007년도 기준)이며, 타 외국과 비교 시 현격하게 낮은 수준이다. [미국(캘리포니아) 162분, 영국 100분, 프랑스 7분,독일37분] 그러나 뇌해 및 염해,설해 등의 자연현상과 조류(鳥類)에 의한 피해, 그리고 인적사고 등 공급지장으로 이어질 수 있는 원인은 결코 적지 않다. 그래도 우리들이 평소와 같이 전기를 사용할 수 있는 것은 전기의 안정공급을 지원하는 기술이 존재하기 때문이다. 이번에는 이러한 기술 중에서 특히 가공송전선의 기술에 착안하여 총 2회에 걸쳐 소개하기로 한다. 이번 1편에서는 전력의 안정공급을 지원하는 가공송전선의 기술로서 송전선의 자연재해에 대한 설비기술을 소개한다. 수많은 설비 중에서 필자는 일본 가이시 주식회사에서의 애자 및 피뢰기에 대해, 그리고 아사히 전기 주식회사에서의 갤러핑 대책용 스페이서에 대해 소개한다. 
 
애자 
애자는「전기도체를 절연하고 지지(支持)하기 위한 절연체와 이와 일체로 세워진 금구(金具)로 구성되는 절연지지물」[전기규격조사회(JIS) 규격]로 정의 내려져 있다. 현재의 전력계통에서의 애자는 철탑, 전주 등의 지지물에 설치되어 있으며, 전선을 지지함과 동시에 전선과 지지물을 절연하여 전력의 안정공급에 중요한 역할을 담당하고 있다. 애자는 구조, 용도, 재료, 형상별로 분류된다. 본고에서는 현수애자([그림 1] 참조)의 구조와 형태에 초점을 맞춘다. 일본 국내에서 사용되는 현수애자는 원판형 자기(磁器)의 상부에 캡, 하부에 핀이 시멘트로 접합된 것으로서 철탑으로 송전선을 지지하여 양쪽을 전기적으로 절연하는 제품이며, 상호간의 캡과 핀을 연결하여 사용되고 있다. 현수애자는 그 형태에 따라 용도를 분류할 수 있다.([그림 2] 참조) 내염립(耐鹽笠)은 자기 표면의 오손 ·습윤으로 자기 표면의 절연저항이 떨어져 오손 성능이 저하되는 것을 막는 데 중점을 두었으며, 표준립(標準笠)보다 표면누설거리를 길게 하기 위하여 주름의 골을 깊게 하고, 동시에 갓(笠) 안쪽으로 오손물이 침입하기 어렵게 되어 있다. 또 해외에서는 사막지구의 모래 오손 대책으로서 에어로 갓 및 바깥주름의 갓이 있는데, 에어로 갓은 아래쪽 주름의 수를 없앰으로써 갓 안쪽으로 모래가 퇴적되기 어려운 형태로 되어 있으며, 바깥주름의 갓은 표면누설거리를 길게 하기 위하여 우세(雨洗)효과를 기대할 수 있는 바깥쪽에 주름을 형성한 모양으로 되어 있다. 또 송전선에는 앞의 현수애자와 더불어 장간애자도 많이 사용되고 있는데 이 둘의 차이점으로는 구조에 따른 강도설계를 들 수 있다. 현수애자는 자기의 압축강도가 인장강도 대비 약 10배 발현되는 특성을 살린 구조로 되어 있으며, 캡과 핀에 인장하중이 가해지면 자기의 두부(頭部)에는 압축 스트레스가 가해지는 설계로 되어 있다. 한편, 장간애자는 양단의 캡에 인장하중이 가해지면 자기 부분에는 인장 스트레스가 가해지는 구조이므로 인장 스트레스를 주체로 한 설계로 되어 있다. 애자 전체의 특징으로서 유약에 의한 시유(施釉)를 들 수 있다. 유약의 주목적에는 다음의 3가지가 있다. 

⑴ 압축유에 의한 강도 향상 
⑵ 색·광택에 의한 미관 
⑶ 오손물의 부착 경감, 우세효과
 
일반적으로 유약의 열팽창률은 자기의 열팽창률보다 작게 하여 시유 자기는 무유(無釉) 자기에 비해 파괴응력이 커진다. 또 유색을 통해 환경과의 조화를 도모할 수 있으며, 유색이 다른 현수애자를 규정수마다 현수애자들 사이에 배치함으로써 연결 개수의 파악에도 활용되고 있다. 일본 국내에서는 화이트 및 라이트 그레이(밝은 회색)가 많이 이용되고 있지만, 최근에는 환경조화의 관점에서 브라운(갈색) 계열의 수요도 생기고 있다. 또한, 유약에 의해 표면을 평활하게 할 수 있어 표면이 오염을 덜 타고 오손물이 비에 씻겨 내려가기 쉬어져 오손 성능의 저하를 막는 역할도 수행하고 있다.


피뢰기
 
일본에서의 송전선의 공급지장 사고 원인은 40% 이상이 낙뢰이며, 피뢰기는 전력의 안정공급을 실현하는 데 있어 필수 불가결하다. 낙뢰에 의한 송전선로의 고장 프로세스는 다음과 같다. 철탑에 낙뢰가 발생하면 철탑-전력선 간의 전위차가 상승하여 애자 장치용 아크혼에서 플래시 오버(불꽃방전)가 발생한다. 이때 계통에서의 속류(續流)가 흘러들어 지락고장이 발생, 변전소의 보호시스템이 동작하고 그 회선을 차단하여 공급지장이 생긴다. 따라서 낙뢰 사고에 있어서는 애자 장치용 아크혼의 플래시 오버를 막기 위한 뇌서지 과전압에 대한 대응이 최우선 과제가 된다. 그에 이용되는 것이 피뢰기이다. 피뢰기는 뇌격 시에 애자 장치용 아크혼에 발생하는 뇌서지 과전압을 억제하여 플래시 오버를 방지하고, 뇌서지 전류가 통과한 후, 계통에서의 교류전류(속류)를 스스로 차단하는 기능을 갖추고 있다. 피뢰기는 그 구조의 차이로부터「외부 갭식 피뢰기」와「갭리스식 피뢰기」의 2가지로 분류할 수 있다. 양자의 특징을 [표 1]에 나타냈다. 초기의 계통에는 변전소에만 피뢰기가 설치되어 있었지만, 낙뢰에 의한 공급지장 사고를 줄이기 위해 갭리스식 피뢰기가 송전선에 설치되었다. 그 후 [표 1]에 있는 과제를 해결하기 위해 외부 갭식의 피뢰기가 개발되었다. 그 피뢰 요소부는 직렬갭으로 상시 계통에서 분리되어 있기 때문에 외피의 과전 열화 없이 외피에 실리콘 고무 등의 유기절연 재료를 이용하여 경량화를 도모할 수 있었다. 또. 과대한 동작책무에 의해 피뢰 요소부가 고장나도 직렬갭이 있기 때문에 재송전이 가능하다. 이상의 이점들로부터 현재 송전선로에 사용되는 피뢰기는 외부 갭식이 주류를 이루고 있다. 피뢰기의 내부에는 산화아연소자가 이용되고 있다. 산화아연소자의 전류·전압 특성 그래프를 [그림 3]에 나타냈다. 산화아연소자의 전류·전압 특성은 비선형 특성을 가지고 있다. 외부 갭식 피뢰 장치에서는 애자 장치용 아크혼의 전압차가 상승하면 피뢰장치의 직렬갭이 방전된다. 이때 산화아연소자의 전류·전압 특성에 의해 뇌전류가 흘러 아크혼의 전위상승 억제로 플래시 오버를 방지할 수 있다. 뇌전류 통과 후 산화아연소자가 고저항체가 되기 때문에 속류는 매우 작게 억제되어 직렬갭으로 1/2 사이클 이내에 차단 가능하다. 


 
갤러핑 대책 
송전선에는 바람에 의해 다양한 힘이 작용하기 때문에 유효한 대책을 마련하지 않으면 전선 및 철탑이 소손되어 정전사고로 이어지게 된다. 겨울철에 기압의 편차가 커지는 일본에서는 겨울에 강풍이 불기 쉽다. 빙설이 부착된 송전선에 강풍(10분간 평균으로 7~20m/s)이 작용하면, 드물게 진동이 증폭되어 저주파에서 진폭이 큰 흔들림이 발생하는 경우가 있다. 이 현상을 갤러핑이라고 한다. 갤러핑 시의 힘의 작용을 [그림 4]에 나타냈다. 그림에서 검은 동그라미는 송전선의 단면을 나타낸다. 갤러핑을 [그림 4]를 토대로 설명한다. 바람에 휘날리는 빙설이 송전선에 부착되면 서서히 풍상(風上) 방향으로 발달하게 된다. 송전선에 빙설이 부착된 상태에서 상방향으로의 진동이 발생하면 그림의 오른쪽과 같은 상태가 되고, 바람은 송전선 및 빙설의 아래쪽에 부딪혀 송전선을 위로 밀어 올린다. 반대로 송전선이 하강하는 때에는 그림의 왼쪽과 같은 상태가 되기 때문에 바람은 송전선을 아래로 끌어내린다. 이렇게 해서 송전선이 움직이는 방향과 힘의 방향이 일치하게 됨으로써 진동이 증폭된다. 이때의 상하방향의 전체 진폭이 약 10m가까이에달하는 경우도 있다. 또 실험에서는갤러핑 발생 시에 1개의 송전선에 6000kgf나 되는 장력 변동이 발생한 예가 있다. 실제 송전선에서는 갤러핑에 의한 커다란 진폭이 원인으로 정전 등의 전기적 사고가 발생한 사례가 있어 그 대책 강구가 무엇보다 중요하다고 하겠다. 갤러핑은 강설과 강풍이 함께 발생하는 지점에서 보이는 현상이기 때문에 발생 지역이 한정되어 있다. 하지만 기상 요소가 복잡하기 때문에 언제 발생할지를 예측하는 일은 어렵다. 갤러핑을 원격 검지하는 방법은 개발되고 있지만, 많은 경우에는 갤러핑 발견자의 통보에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 갤러핑에 의한 사고를 막기 위해서는 사고를 미연에 방지해야만 한다. 갤러핑의 원인이 되는 빙설의 부착을 억지하기 위해, 현재까지 아래와 같은 대책들이 시도되어 왔다. 
 
⑴ 발수성 테이프를 감는다. 
⑵ 플라스틱링(난착설(難着雪) 링)을 장착한다. 
⑶ 자성재료에 의한 발열로 눈을 녹인다. 
⑷ 제설장치를 이용한다.
 
그러나 (1)과 (2)는 송전선에 비해 내용년수(耐用年數)가 짧고, (3)은 저전류에서 발열이 적다는 과제가 있다. 또 (4)는 정기적으로 실시해야하며, 유지보수 관리가 필요하다. 이와 같이 착빙설을 완전하게 방지하는 방법은 현재로서는 개발되어 있지 않다. 그 때문에 착설이 되어도 갤러핑이 발생하기 어려운 구조가 필요하다. 통상의 가공 송전선은 2~8개의 전선을 묶어 송전용량을 크게 하는 다도체 송전선으로 되어 있다. 전선끼리의 접촉 방지 및 일정간격 유지를 위해 다도체 송전선에는 일정 거리마다 스페이서가 설치되어 있다. ([그림 5] 참조) 그림은 송전선이 8개(8도체)인 경우에 설치되는 스페이서이다. 스페이서를 장착함으로써 각 송전선의 간격은 유지되지만, 송전선이 일체(一體)가 되기 때문에 [그림 4]에서 보이는 것처럼 자려진동이 발생하는 경우가 있다. 이를 방지하기 위해 갤러핑 방지용 스페이서가 실용화되어 있다. [그림 6]에 기존형과 갤러핑 방지용 스페이서를 나타냈다. [그림 6]의 왼쪽 장치는 루스 스페이서라고 부른다. 그림의 스페이서는 4도체용으로 4개의 송전선 고정부 중에 풍상(風上) 측(바람이 불어오는 쪽)의 2개가 일정 범위 내에서 회전 가능하도록 설계되어 있다. 회전 각도는 최대 ±80°이다. 소재는 알루미늄으로 송전선과 동종의 금속을 사용함으로써 접촉부의 부식을 방지하고 있다. 루스 스페이서는 일부의 송전선 고정 부분이 회전 가능하기 때문에 착빙설이 발생한 경우에는 송전선의 무게 중심이 변화하여 송전선이 뒤틀리게 된다. 이 때문에 착빙설은 균일한 형태로 발달하기 어렵게 된다. 그리하여 갤러핑 발생 조건을 충족하는 항력 및 양력([그림 4]에서 전선이 받는 힘)이 발생하기 어렵게 된다. 회전 가능 범위는 원통형 착설 방지를 목적으로 하고 있으며, 인공착설의 실험에서 결정되었다. 시험선에서의 실증시험에 의해 회전부가 풍하측에 있는 경우보다 풍상측에 있는 경우가 갤러핑 억제효과가 높은 것으로 나타났다. 또한 실증시험에서는 루스 스페이서를 설치함으로써 통상의 스페이서에 비해 상하방향의 진폭은 1/2, 최대 장력 변동은 1/3 정도가 되는 것을 확인했다. 루스 스페이서의 개발단계에서는 실증시험 외에 시뮬레이션도 함께 진행되어 한쪽만 회전하는 방식이 유효하다고 판단되었다. 실험용 모델의 제작에 있어서는 가동 부분의 회전 용이성을 조정하는 것이 난제였다. 갤러핑이 발생하기 쉬운 지역에서는 향후 루스 스페이서로의 변경이 예상되기 때문에 그에 대한 개량도 큰 과제이다. 그 하나로, 무게가 보통 스페이서의 약 1.3배이기 때문에 경량화를 통해 자재의 운반비용 및 설치시간의 단축 등 공사비용의 경감을 기대할 수 있다. 또한 가동 부분이 증가함에 따라 늘어나는 볼트 체결을 줄이는 방법도 공사비용의 경감에 유효하다.


 
전력의 안정공급을 향한 꾸준한 개선 및 개량 작업이 계속 진행되고 있다. 다음 2편에서는 전력공급을 운용하는 입장에서의 뇌해 대책으로, 가공 송전선 설비의 변천 및 낙뢰에 대한 내전화(耐電化), 그리고 사고예측의 기술에 관해 소개한다. 
 
 
 
 

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