인프라, 뇌해로부터 안전한가?

벼락은 지진·해일보다는 피해가 크지 않지만 안전한 사회를 구축하기 위해 뇌해로부터 인프라를 보호하는 것은 매우 중요하다. 특히 풍력발전이나 태양광발전 설비는 옥외에 설치되기 때문에 직접 벼락에 노출될 염려가 있어 한층 더 신뢰도 높은 뇌해 대책이 필요하다. 더불어 아직 해명되지 않은 벼락의 지역성이나 벼락 파라미터간 관계 등 벼락의 성상을 상세하게 규명해 내는 것이 더욱 중요하다.

오자키 마사히코(尾崎 雅彦)
시즈오카대학 공학부 전기전자공학과 객원 교수


송전선 뇌해 대책
송전선 뇌해 대책은 안정된 전력 수송을 위해 없어서는 안 되는 중요한 기술이다.
그 역사 또한 100년이 넘는다. 과거 뇌해 대책이라고 하면 절연 레벨을 강화하는 외에 가공 지선 설치와 접지 저항 저감이 주요 방법이었다.
그러나 최근 10년 사이에 송전용 피뢰장치가 보급되면서 뇌해 대책 방법이 크게 변하고 있다.
한편 벼락으로 인한 송전선의 지락이 원인이 되어 발생하는 순시전압저하가 반도체 공장 등에 커다란 피해를 주고 있다.

(1) 송전용 피뢰장치
송전용 피뢰장치는 벼락으로 인한 과전압을 안전하게 지면으로 흘려보내고 뇌 과전압이 소멸된 후에는 계속해서 흐르려고 하는 사고 전류를 스스로 차단해 원래의 절연 상태로 회복시키는 자기 복귀 기능을 가지고 있다. 피뢰장치는 변전소의 기기 보호나 고압 배전선의 사고 방지 대책용으로 이용됐으나 최근에는 송전선에서도 적용되고 있다(사진 1 참조).




(2) 순시전압저하의 발생과 그 대책
송전선에 낙뢰하여 애자나 아크 혼(arcing horn)이 플래시 오버되면 지락 상태가 되어 송전 중이던 전기가 대지로 흐르게 된다.
이때 계통으로 이어지는 수전 전압이 순간적으로 저하하는 현상이 발생한다.
변전소에서 사고 회선을 잘라내면 전압은 회복되지만, 그 전에 수 밀리 초에서 수 백 밀리 초간에 발생한 수전단 전압 저하를 순시전압저하라고 한다.
지금까지 순시전압저하 대책이라고 하면 뇌운이 접근하면 중요 부하를 자가용 발전설비로 전환하는 방식이 이용됐다.
최근에는 파워 일렉트로닉스를 이용해 순시전압저하를 검출하면 고속으로 중요 부하로부터 상용 전원을 분리, 축전장치로 전기를 공급하도록 전환하는 방식이 보급됐다.


고압 배전선의 뇌해 대책

고압 배전선의 뇌해는 대책이 강화됨에 따라 감소 경향을 보이고 있지만, 각 기재별 피해 특징이나 대책 정도는 전력회사마다 크게 다르다.
이것은 벼락의 빈도가 지역에 따라 크게 다른 것이 한 원인이고, 각 기업의 뇌해 대책에 대한 역사적 경위나 기재 제조를 대부분 지역 산업이 담당하고 있는 것도 원인 중 하나이다.

(1) 피해 원인
배전선의 피해 원인으로는 다음의 3가지를 생각할 수 있다.
① 유도뢰 : 인근의 수목이나 건물에 낙뢰가 발생, 이 뇌 방전에서 나온 전자파의 영향으로 간접적으로 뇌 과전압이 발생한다.
② 직격뢰 : 문자 그대로 배전선 구조물에 직접 낙뢰하는 경우다. 송전선 뇌해 대책에서는 직접 전력선(상도체)에 떨어지는 경우와 가공 지선에 떨어지는 경우를 나누어 취급하는 것이 보통이지만, 배전선에서는 모두 직격뢰로 취급하는 경우가 많다.
③ 역류뢰 : 필자가 약 20년 전에 이름붙인 피해 원인이다. 휴대전화 기지국이나 TV 안테나 등 높은 구조물에 낙뢰 시, 그곳에 전기를 공급하는 배전선 측에 뇌 전류의 일부가 역류해 피해가 발생하는 경우이다. 

(2) 카메라 관측을 통한 배전선 뇌해 실적
필자가 1994년경에 배전선 낙뢰를 카메라로 관측하도록 전력회사에 권유한 지 20년 가까이 지났는데 각 기업의 관측을 통해 앞에서 말한 직격뢰, 역류뢰에 의한 피해 발생 상황을 파악할 수 있게 됐다(사진 2 참조).



또 배전선 근방에 낙뢰한 경우에는 배전선에 피해가 발생하는 경우가 거의 없다는 사실도 밝혀졌다. 현재는 많은 전력회사에서 카메라 관측을 실시하고 있는데, 그 결과 낙뢰가 직격해도 거의 절반 정도는 피해가 발생하지 않는 것으로 확인됐다.


뇌의 성상과 뇌해 대책

광파이버를 이용한 절연형 신호 전송과 디지털 오실로스코프의 보급으로 뇌 전류 파형 관측이 훨씬 간단해졌으며 더불어 메모리 수의 비약적 증가로 관측 시간이 확대되고 정밀도가 향상됐다.
이 장치를 이용해 아래와 같은 항목에서 내뢰 설계에 더욱 공헌할 수 있는 데이터를 얻고 있다.

(1) 후속 뇌격의 특성
뇌 방전은 1회의 뇌격으로 끝나지 않고, 수 십 밀리 초 간격으로 2회, 3회 뇌격이 계속되는 경우가 많다(그림 1 참조).



보통은 첫 번째 뇌격의 파고값이 두 번째, 세 번째 이어지는 뇌격(후속 뇌격)보다 2배 이상 크기 때문에 지금까지는 주로 첫 번째 뇌격을 대상으로 뇌해 대책을 세워왔다.
그러나 후속 뇌격의 파두장이 꽤 짧기 때문에 전류의 경사는 반대로 후속 뇌격이 첫 번째 뇌격의 2배 정도이다.
송전선이나 배전선에 발생하는 뇌 과전압은 파고값 뿐만 아니라 경사에도 크게 영향을 받고, 최근 연구에서는 후속 뇌격이 보다 큰 뇌격 전압을 발생시킬 가능성이 있다는 것이 밝혀지면서 그다지 관심이 없었던 뇌격 파두장과 파고값의 상관 데이터도 벼락의 파라미터로서 중요하게 인식되고 있다.

(2) 전하량과 에너지
송전선에 생기는 직격뢰나 역 플래시 오버에 의해 발생하는 사고뿐 아니라 벼락의 직격을 방지하기 위해 설치된 가공 지선이, 전하량이 큰 벼락으로 인해 소선이 끊어지는 등의 피해가 생기는 경우가 있다(사진 3 참조).



또한 앞서 소개한 송전용 피뢰장치도 대전류·대전하량의 통전에 의해 내부 소자가 고장을 일으키는 경우도 있다. 배전선 고압 피뢰기의 소손은 특히 겨울철 벼락이 자주 발생하는 지역에서 흔히 볼 수 있다.


건축물의 뇌해 대책

건축물의 뇌해 대책에 관해서는 국제전기표준회의 IEC TC81(뇌 보호)에서 규격화했으며 최근에는 피뢰침(외부 뇌 보호) 부재 등에 관한 유럽의 상세 규정을 국제 규격화하는 방향으로 심의가 이루어지고 있으며 순차적으로 관련 국제 규격이 만들어지고 있다. 건축물의 뇌 보호는 송전선보다 더 오래 전부터 검토되어 왔는데, 이 분야에도 관측 기술의 향상이나 서지(surge)·전자계 해석 기술의 고도화를 반영해 신기술이 도입되고 있다.

(1) FDTD 등 과도 전자계 해석 적용
과도 전자계 해석이 최근 약 10년 사이에 크게 발전해 다양한 건축물에 적용되고 있다.
도쿄 스카이트리의 본래 목적은 TV 방송용 전파 발신인데 여기에는 고도의 전자회로로 구성된 통신장치가 설비돼 있다.
뇌격 시 통과하는 전류의 유도로 인해 그것들이 파괴되거나 노이즈에 의해 오동작할 가능성도 있다.
이 문제에 대해서도 최근 개발된 과도 전자계 해석 프로그램을 이용해 사전에 서지나 노이즈 레벨을 검토할 수 있고, 통신장치의 설치 장소 검토에 도움이 되고 있다.

(2) 수평 방향 뇌격
뇌격이 수평 방향으로 진전하는 경우(사진 4 참조)도 IEC TC81 규정 등에서 고려하고 있지만 정량적으로 그 위험도를 부여하고 있지는 않다.



실질적으로는 전기 기하학 모델을 응용한 회전 구체법을 건축물 피뢰침 설계에 이용하고 있지만, 수평 방향으로 침입해 오는 뇌격을 충분히 고려했다고 볼 수는 없다.
중요한 고층 건축물에서도 정상부의 모서리 부분 파손 등이 눈에 띈다(사진 5 참조).




고도 정보사회의 뇌해 대책

고도 정보사회가 가속됨에 따라 가전제품의 피해가 증가하고 있는데, 그 원인으로는  다음을 들 수 있다.
① 기기의 내전압 저하
② 전원선, 통신선, 안테나 설비, 감시 제어선 등의 폭주, 즉 네트워크화의 진전
③고도의 통신 정보기기 보급
여기에 대한 대책으로는 과전압을 적정한 값으로 억제하는 서지 방호 디바이스(SPD)가 주로 이용된다.
통신선 측을 통한 뇌 과전압 침입은 통신선에 광파이버 케이블을 사용해서 절연하는 방법이 있다.
이 방법은 메탈 케이블로 뇌해를 충분히 방지할 수 없는 경우에 매우 효과적이다.
일본에서는 전원선 측을 통한 서지 침입을 막기 위해 내뢰 트랜스(절연 트랜스의 내뢰 서지 특성을 향상시킨 것)를 이용하는 경우도 있다. SPD 등과의 역할 분담을 명확히 하는 등 지금부터 검토해야 할 과제도 있다.


재생에너지 발전설비, 스마트그리드의 뇌해 대책

풍력발전이나 태양광발전 설비는 직접 벼락에 노출되는 옥외에 건설되는 설비이므로 보급이 진행됨에 따라 합리적인 뇌해 대책이 더욱 더 중요해질 수밖에 없다.
최근 화제가 되고 있는 스마트그리드의 경우도 배전 계통에 고도의 감시·제어장치가 설치되면 신뢰도 높은 뇌해 대책이 필요하다.

(1) 풍력발전 설비의 뇌해 문제
풍력발전 설비의 경우는, 건설된 지 10년 이상 된 피뢰시설이 전무한 시설에서 현재까지도 뇌해가 빈발하고 있는 상황이다(사진 6 참조).



특히 바람의 상태가 좋은 서쪽 연안에서 피해가 많이 발생하고 있다. 서해 연안에서 다발하는 겨울철 벼락은, 벼락이 지상의 높은 구조물에 먼저 닿는 성상이 있기 때문에, 높이가 증가하면 극단적으로 뇌격 횟수도 증가한다.
기존에는 에너지(전하량)가 큰 벼락에 관심이 집중됐으나 작은 벼락도 날개에 충분한 손상을 입힐 수 있기 때문에 주의를 기울어야 한다.
날개에 수전부를 설치하는 방법은 완전하지는 않아도 상당히 효과가 있기 때문에, 설치 방법의 평가나 날개의 재료 개발이 한층 더 필요해 지는 항목이다.

(2) 태양광발전 설비의 뇌해 문제
태양광발전 설비의 경우는 앞으로의 급속한 확대가 리스크를 급증시키지는 않기 때문에 풍력발전 설비와 같은 특별한 방식이 필요하지는 않다. 면적이 넓은 태양광발전소에서 뇌격이 있을 경우 피해가 확대되지 않도록 주의해야 한다.

(3) ‌스마트그리드, 스마트 커뮤니티와 뇌해
급속하게 확대되고 있는 재생에너지를 이용한 전력 계통 연계나 가정에서의 에너지 절약을 실천하는 데 있어 ‘현명한 전력 계통’이라고도 정의를 내릴 수 있는 스마트그리드의 역할이 커지고 있다.
이로 인해 벼락의 영향에 직접 노출되는 배전선 상에 각종 계측·제어·통신기기가 지금 이상으로 배치된다. 또 각 가정이나 공장·오피스에는 전자 미터가 급속하게 보급될 것으로 예상된다.
이들 설비에는 저전압으로 작동하는 전자회로가 포함돼 있어 뇌 서지에 민감하다. 따라서 서지 방호 디바이스(SPD)의 성능과 설치 위치 선정이 효과적인 뇌 보호에 중요한 역할을 담당하게 된다. 최근 연구에서는 SPD에 의해 방전된 뇌 전류의 전자적인 영향으로 일어나는 오동작도 커다란 문제가 되는 것으로 밝혀졌다.
재생 가능 에너지가 더욱 확대 보급되기 위해서는 걸림돌인 뇌해 대책 기술을 반드시 확립해야 한다.  
뇌해는 고도의 정보사회인 현재와 30년 이전을 비교하면 그 양상이 크게 변화했음을 알 수 있다. 또 전력설비나 철도 등 중요 인프라는 시대가 변해도 그 기능은 변하지 않은 것이 많다.
뇌 보호 기술자에게는 종래와 변함없는 설비 대책에 대해서는 신뢰성을 떨어뜨리지 않고 대책 효과를 경제적으로 실현하는 것, 새로운 설비에 대해서는 효과적인 대책 방법 제안이 요구된다.
때문에 아직 해명되지 않은 벼락의 지역성이나 벼락 파라미터간 관계 등 벼락의 성상을 상세하게 규명해 내는 것이 더욱 중요하다. 

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