2012년 말 현재 세계의 풍력발전 설비 용량은 2억 8,248만kW에 달한다. 일본의 풍력발전 설비 용량도 2012년 말 현재 261만kW에 달한다. 그러나 풍력발전 시스템은 강풍과 낙뢰 등 자연 현상에 의한 피해를 받기 쉬워 설치 후에 계획대로 발전은 불가능하고, 또 수리에 많은 비용이 필요하다는 이유로 사업자가 지속적인 발전 사업을 단념하는 사례도 있다. 여기서는 풍력발전 설비의 뇌보호 상황을 소개한다.

지구환경 문제인 온실가스 배출을 억제하기 위해 화석연료를 대체하는 재생 가능 에너지의 이용 확대가 요구되고 있다. 자연에너지를 이용한 풍력발전도 그중 하나다. 

풍력발전은 재생 가능 에너지 중에서도 발전 비용이 저렴해 도입 속도가 빠르게 진행되고 있다. 

2012년 말 현재 세계의 풍력발전 설비 용량은 2억 8,248만kW에 달한다. 일본의 풍력발전 설비 용량은 2012년 말 현재 261만kW에 달한다. 

그러나 풍력발전 시스템은 강풍과 낙뢰 등 자연현상의 피해를 받기 쉬워 설치 후에 계획대로 발전하는 것이 불가능하다.

또 수리에 많은 비용이 든다는 이유로 사업자가 지속적인 발전 사업을 단념하는 사례도 있다. 여기서는 풍력발전 설비의 뇌보호 상황을 소개한다. 

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풍력발전 설비의 뇌해 발생 상황과 원인

대표적인 풍력발전 시스템을 그림 1에 나타냈다. 풍차는 굴뚝이나 고층 빌딩, 송전 철탑과 마찬가지로 높은 구조물이어서 낙뢰의 위험이 있다. 때문에 신에너지산업총합개발기구(이하 NEDO)는 풍력발전 도입을 확대하기 위해 사업자에게 보조금을 주는 등 다양한 지원책을 실시하는 동시에 도입이 끝난 풍력발전 시스템의 가동 상황을 조사하여 공표하고 있다. 

▲ 그림 1. 대표적인 풍력발전 시스템

출처 : NEDO 「풍력발전 도입 가이드북(2008년 2월 개정 제9판)」, 2008

(1) 뇌피해 상황

NEDO의 조사에 따르면, 풍력발전 설비의 고장·사고 중 가장 많은 것은 자연현상에 의한 것으로, 전체의 3분의 1을 차지한다. 고장 요인은 그림 2와 같이 낙뢰에 의한 것이 가장 많아 24.7%를 차지한다. 

▲ 그림 2. 고장·사고 발생 요인

출처 : NEDO 「2007년도 풍력발전 시설의 고장·사항 정보수집·해석 업무

보고서」, 2008

또 최근의 풍차는 대형화가 진행되어 낙뢰를 받기 쉬운 구조로 됐다. 일본에서 일어나는 뇌피해의 대부분은 일본 서해 연안 지역이다. 

표 1은 고장 발생 부위별 사고 발생 상황을 나타낸 것이다. 이 표에서 * 표시를 한 고장이 많은 부위는 낙뢰의 영향을 받기 쉬운 부위이다. 제어장치는 약전 회로 등에 뇌서지가 침입하여 고장이 난다. 

▲ 표 1. 고장 발생 부위별 집계(2004~2007년도)

(2) 블레이드의 뇌피해

블레이드 끝부분은 너셀보다 더 높은 위치에 달한다. 때문에 블레이드 끝부분 근처는 우레의 직격탄을 받기 쉽다. 

그림 3은 낙뢰에 의해 순간적으로 블레이드가 파열하여 분파(噴破)한 예이다. 그림 4는 낙뢰로 인해 끝부분이 깨진 사례로 낙뢰에 의한 직접적인 손상은 크진 않지만 그대로 운전을 계속하면 블레이드 회전 시의 공기 저항에 의해 깨진 부분이 확대되어 더 크게 손상된다. 

블레이드가 수리 불가능한 상태가 됐을 경우, 고액의 블레이드를 새로 만들고 특수 重機를 이용하여 교환해야 한다. 때문에 거액의 수리비용이 발생하여 사업을 그만두는 사례도 있다. 

▲ 그림 3. 크게 손상된 블레이드

▲ 그림 4. 블레이드 끝부분 손상(열상)

(3) 제어장치의 뇌피해

전자정보 통신기술의 발달로 고도의 풍차 제어장치가 제작되어 발전 사업의 효율이 높아졌다. 그리고 풍차는 발전한 전력을 계통 측으로 송전하기 때문에 연계점에서 풍력발전 설비와 계통 측은 전선로로 이어진다. 또 풍차를 감시, 제어하는 통신선 등이 풍차에 인입된다. 

이들 전력선, 통신선 및 접지선 등이 뇌서지의 출입구가 되어 제어장치 내에 뇌서지가 침입, 제어장치 등을 손상시킨다. 교환 수리가 간단하고 손실액도 적지만 낙뢰로 제어장치류가 손상되어 강풍에 적절한 제어가 불가능해 블레이드나 타워가 손상되는 2차 피해로 발전하는 사례도 있다. 

그림 5는 제어장치 내에 뇌서지가 침입하여 회로 소자가 손상된 사례이다. 

▲ 그림 5. 풍차 제어장치의 뇌피해

(4) 일본 서해 연안의 뇌피해

일본의 서해 연안은 겨울철에 시베리아에서 불어오는 계절풍이 풍력발전에 적합해, 많은 풍차가 건설되고 있다. 한편 계절풍은 서해 연안에 눈과 우레(계절뢰)를 발생시키기도 한다. 

그림 6과 같이 계절뢰에 의한 뇌피해 건수는 여름철 우레에 의한 뇌피해 건수보다 많다. 여름철 우레에 비해 겨울철 우레는 뇌전류의 지속 시간이 긴 경우가 많고, 그중에는 여름철 우레의 100배 이상이 되는 경우도 있다. 

▲ 그림 6. 계절별 뇌피해 건수

출처 : NEDO 「풍력발전 설비의 뇌해 대책에 관한 조사」,

2005년 및 2006년

따라서 전하량이 커져 뇌피해의 위험성도 증가한다. 실제로 겨울철 우레에서는 IEC의 보호 레벨Ⅰ로 정해진 방전 전하(300C)를 크게 상회하는 낙뢰도 몇 건 관측된 바 있다. 

또 기상 조건에 따라서 겨울철 우레는 여름철 우레보다 높은 구조물인 풍차에 낙뢰를 받기 쉬워 낙뢰 피해 발생률은 여름철 우레에 비해 4배 이상이라는 보고도 있다. 

풍력발전 설비의 뇌해 대책

풍력발전 설비의 뇌해 대책은 뇌피해의 위험과 발전 사업에 미치는 영향, 대책 비용 등을 고려하여 실시하는 게 일반적이며, 피해 발생 시에 가장 심각한 영향을 미치는 것은 블레이드의 피해이다. 

(1) 블레이드의 뇌해 대책

블레이드의 뇌해 대책으로 자주 이용되는 효과적인 방법은 블레이드의 끝부분에 리셉터라 불리는 수뢰부를 설치하여 날개 내에 배치한 인하 도선을 통해 뇌전류를 안전하게 접지극 시스템으로 방류시키는 방법이다. 

리셉터(수뢰부)는 직경 수cm 정도의 금속 원반 모양을 블레이드 끝부분의 표면에 설치하는 일반적인 방법, 블레이드 끝부분을 금속으로 씌우는 방법, 끝부분을 금속으로 하는 방법이 채용되고 있다. 

일반적인 리셉터에 비해 블레이드 끝부분을 금속으로 씌우거나 끝부분을 금속으로 하는 방법은 블레이드 끝부분의 뇌보호 방법으로 효과가 크다. 또 리셉터를 여러 곳에 설치하는 방법(멀티 리셉터)은 내뢰 효과가 있다. 

블레이드의 뇌해 대책은 리셉터, 블레이드 내의 인하 도선 외에 타워 등의 인하 도체, 충분히 낮은 접지저항을 갖는 접지극과 조합하여 외부 뇌보호 시스템으로서 기능하도록 실시하는 것이 중요하다. 

IEC 61400-24에서는 보호 레벨Ⅰ로서 방전 전하 300C, 비에너지는 10MJ/Ω으로 규정하고 있지만, 일본의 겨울철 우레에 대해서는 전하량 600C, 비에너지는 20MG/Ω에서 대책이 강구되는 경우가 많다. 

멀티 리셉터를 채용하거나 블레이드 끝부분을 금속으로 함으로써 대책 효과는 높아졌다. 그러나 에너지가 큰 뇌격을 받으면 블레이드 끝부분이 금속이라도 그림 7과 같이 작은 손상이 발생한다. 

▲ 그림 7. 중뢰 대책(끝부분 금속) 블레이드 끝이 손상된 예

출처 : 「뇌해 대책을 위한 풍력발전 접지 시스템」, 전기학회기술보고,

No1270호, 2012

손상된 곳에 따라서는 블레이드가 회전하는 도중에 손상 부분이 넓어질 가능성이 있다. 따라서 뇌격을 받은 후에는 신속하게 풍차를 정지시켜 손상 부분을 점검하여 2차 피해를 막는 것이 바람직하다. 

(2) 너셀, 타워의 뇌해 대책

너셀의 뇌해 대책으로서 중요한 것은 너셀 위에 있는 풍향풍속계의 외부 뇌보호 대책으로, 피뢰침을 설치하여 보호한다. 너셀 내의 기기 설비는 너셀을 패러데이 케이지로 내부를 등전위 본딩화하고 서지 방호 디바이스(이하 SPD)를 이용하여 과전압 보호를 강구한다. 

또 베어링 등은 내외륜 간에 뇌전류가 흐르면 스파크가 발생하여 베어링의 전동면이 손상되어 베어링이 불량이 될 우려가 있기 때문에 뇌전류를 바이패스하는 대책이 강구한다. 

(3) 전력선·통신선의 뇌해 대책

기본적인 개념은 보호 대상물에 뇌서지의 침입을 막고, 뇌서지 전류가 집중되지 않도록 분산시켜 방류하는 것이다. 

전력선의 뇌해 대책은 전력선에의 가공 지선을 설치하고 인입구에 SPD를 설치함으로써 뇌서지의 침입을 막는 것이 주요 대책이다. 피뢰기 용량을 증가시키는 것도 효과적이다. 

통신선도 전력선과 마찬가지로 장치 등의 인입구에 SPD를 설치하거나 또는 광섬유화해 통신선에서 침입되는 뇌서지를 막을 수 있다. 

또 등전위화를 철저히 하고, 통신 회전과 가입자 보안기를 다조화(多條化)해 복수의 경로로 유출 전류를 분류시키는 대책이 효과적이다. 

이렇게 함으로써 전력선과 통신선이 접속되는 제어장치, 전력변환장치나 각종 장치가 보호된다. 

(4) 기타 뇌해 대책

① 접지극 시스템을 이용한 대책

접지 도체를 풍차 기초의 철근에 접속하고 풍차의 철근 콘크리트 기초를 접지극으로 이용하는 것이 일반적이다. 대지저항률이 높아 풍차 기초만으로는 충분한 접지 저항을 얻을 수 없는 경우에는 기초 주위에 환상(環狀) 접지, 망상(網狀) 접지 등의 접지극을 매설하여 기초 철근과 접속함으로써 등전위화와 접지 저항을 줄일 수 있다. 인접한 풍차의 접지극 시스템과 연속 접속하는 것도 효과적이다. 

② 피뢰탑을 이용한 대책

풍차 근방에 풍차보다 높은 피뢰철탑을 건설하여 풍차에 뇌격이 미치는 것을 줄이는 대책이다. 뇌운이 엄습하는 방향이 특정 방향에 집중된 경우(풍상 측에 피뢰탑이 있는 경우)에는 일정한 뇌보호 효과를 얻을 수 있다. 그러나 높은 탑을 건설해야 하는 만큼, 보호 대상인 풍차가 많아지면 비용이 높아지는 문제가 있다. 

뇌보호 사례

뇌보호 사례로서 피뢰탑을 설치한 이시가와현 카호쿠군 우치나다쵸의 우치나다 풍력발전소의 예를 소개한다. 

이 풍력발전소는 2003년에 운전을 시작해 호쿠리쿠 지방 서해 연안의 표고 약 40m의 사구지 위에 1500kW 풍차 1기가 있고, 그 서쪽에 피뢰탑이 있다(그림 8 참조). 그리고 운전 개시 초기부터 피뢰탑의 효과 검증을 겸해 뇌 관측을 실시했다. 

▲ 그림 8. 풍차와 피뢰탑

서쪽에서 바람이 불 때는 피뢰탑에 낙뢰되는 일이 많다. 그림 9는 피뢰탑에 낙뢰하여 풍차가 보호되는 예이다. 서쪽 이외의 풍향일 때는 낙뢰 위험성이 증가하지만, 우치나다 풍력발전소에서의 뇌전류 관측 결과는 전체적으로 에너지가 큰 우레는 피뢰탑에 낙뢰하는 경향을 나타냈으며, 피뢰탑은 그 역할을 수행한다. 

▲ 그림 9. 피뢰탑의 낙뢰 사진 제공 : 우치나다쵸

문제의 검증과 풍력발전소에서의 뇌 관측에 의해 풍력발전소의 뇌해 대책에 뇌해 블레이드(리셉터)를 도입, 서해 연안의 겨울철 우레 지역에서는 피뢰기의 용량 증대, 접지 시스템을 효과적으로 사용하여 등전위화, 피뢰탑을 설치하는 등의 대책을 세움으로써 우레에 의한 큰 문제는 감소했다. 그러나 우레는 자연현상이기 때문에 해명되지 않은 일도 많아 완전한 대책은 어려우며 그림 7과 같은 작은 손상은 앞으로도 일어날 것으로 보인다. 

따라서 이러한 손상이나 문제가 발생했을 때 저렴하고 신속한 수리 복구 수법을 구축하는 것이 과제이다. 이 수법을 구축할 수 있다면 지금 이상으로 풍력발전이 도입될 것으로 보인다.

미노와 마사유키(箕輪 昌幸)

아이치공업대학 공학부 전기과학 전기공학 전공 교수

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