[재생 가능 에너지와 뇌보호 시스템] 뇌해 메커니즘의 해명과 대책

게재월 | 2014 - 07 조회141484 추천0

목록으로 글자확대하기 글자축소하기

과거 주로 인체와 건축물에 관련된 뇌해는 19세기 후반 들어 송전선과 배전선의 뇌해 문제로 발전했고 고도 정보화 시대에 접어들어서는 다기능 전화나 PC 등 정보통신기기의 뇌해가 급증했다. 특히 재생 가능 에너지 설비인 풍력발전 설비나 태양광발전 설비도 뇌(천둥)에 직접 노출돼 있어 이에 대한 신뢰도 높은 뇌해 대책이 필요하다. 


과거에는 뇌 재해 문제라고 하면 주로 인체와 건축물에 관련된 것이었다. 19세기 후반 들어 인류가 전기에너지를 이용하면서 전기를 수송하는 송전선과 배전선의 뇌해가 가장 보편적이면서 심각한 피해로 부상했다. 또 오늘날의 고도 정보화 시대에 접어들어서는 다기능 전화나 PC 등 정보통신기기의 뇌해가 급증했다. 우리가 조사한 자료에서도 가전제품의 뇌해가 최근 십수 년 사이에 급증했다. 

실외에 노출된 인프라 설비의 변화가 뇌해 양상에 영향을 미치고 있다. 최근 급격하게 증가한 휴대전화 기지국와 관련해서는 기지국 내부의 설비 피해뿐 아니라 배전선을 통해 연결되는 주택의 피해도 두드러졌다. 

특히 재생가능 에너지 설비인 풍력발전 설비나 태양광발전 설비도 뇌(천둥)에 직접 노출돼 있어 이에 대한 신뢰도 높은 뇌해 대책이 필요하다. 


뇌해 양상의 변천


(1) 전력설비의 피해

송전선에 대해서는 비교적 설비의 변경이 적어 피해의 양과 질 모두 크게 변하지 않았지만, 최근 송전용 피뢰 장치가 개발되어 66~154kV급에서 적용되고 있어 2회선에 걸친 사고는 현저하게 감소했다. 공급 지장에 이르는 뇌사고 자체는 원래 적었지만 순시전압저하 대책으로는 상당한 효과가 기대된다. 

고압 배전선은 뇌해 대책이 진전됨에 따라 피해가 감소해 왔다. 그중에는 애자와 주상 변압기 등의 모든 기기에 피뢰 소자를 설치하는 플래시 오버 방지책을 적용함으로써 단순한 플래시 오버 사고가 거의 없어진 전력회사도 있다. 이 경우, 뇌사고 건수는 크게 줄었지만, 그렇다고 피해가 없어진 것은 아니다. 피해를 더 줄이기 위해서는 뇌 에너지에 의한 피뢰기 소손이나 수목에 낙뢰한 경우의 배전선 측격 등 희소 빈도의 피해 발생 원인을 고려할 필요가 있다. 


(2) 가전기기의 뇌해

가전기기의 뇌 피해는 수십 년 전에 비해 2배 이상 증가한 것으로 조사됐다. 이것은 전기·전자기기의 내압이 작아진 것과 뇌 과전압 억제용 SPD(서지 방호 디바이스)의 내량이 통과 전류보다 작은 경우가 있는 것이 영향을 준 것으로 생각한다. 

후자의 원인은 지금까지 무시되어 왔지만, 겨울철 뇌 지역에서 발생한 사고 조사에 따르면 낙뢰 개소에서 상당히 멀리 떨어진 주택이 피해를 입는 등 SPD의 내량 부족을 고려해야 한다.

 

(3) 급증하는 재생 가능 에너지 설비의 뇌해

풍력발전 설비와 관련해서는 풍황이 좋은 일본 서쪽 연안에서 뇌해가 다발한다. 이곳에서 자주 발생하는 계절뢰는 뇌가 높은 구조물에서 뇌운 쪽으로 진전하는 성상이 있기 때문에(그림 1 참조), 높이가 높아지면 뇌격 횟수가 현저히 증가한다. 10년 이상 전에 건설된, 뇌해 대책이 없는 풍차의 경우 날개(블레이드)가 순간적으로 폭렬하여 낙하하는 등 매우 위험한 피해도 있다. 


▲ 그림 1. 겨울철 우레와 여름철 우레의 예


최근의 풍차에는 피뢰침의 역할을 하는 리셉터라고 하는 수뢰부와 인하 도선을 설치하는 것이 보통이며, 그에 따라 대규모 피해는 줄어들었다. 그러나 정도는 심하지 않지만 아직까지도 날개의 뇌해는 발생하고 있으며, 그 원인은 충분히 해명되지 않고 있다. 또 풍차 뇌격 시에는 풍차에 연계된 전원선, 제어나 측정을 위한 통신선에 큰 전류가 역류하여 보호에 사용되는 피뢰기나 SPD가 자주 소손된다. 

모든 태양광발전 설비가 높은 곳에 위치한 것은 아니므로 뇌해가 급증하지는 않겠지만, 태양광발전 설비의 보급이 확대됨에 따라 결코 무시할 수 없는 상태가 될 것으로 예상된다. 면적이 넓은 태양광발전소에 뇌격이 있을 경우 피해가 확대되지 않도록 충분히 고려해야 한다. 


(4) 고도정보화 관련 설비의 증가

고도정보화 사회를 맞아 뇌해 양상도 변했다. 사무실, 공장, 학교, 일반 주택, 수처리 설비를 비롯하여 설비의 전자회로는 이전과는 비교할 수 없을 정도로 뇌의 영향을 받기 쉽다. 특히 휴대전화의 보급으로 철탑에 설치된 기지국이 급증하여 뇌해를 무시할 수 없게 됐다. 또한 자동 화재경보기 등 보안 설비의 뇌해도 크게 증가했다. 


(5) 스마트그리드, 스마트 커뮤니티의 뇌보호

최근 주목받고 있는 스마트그리드, 스마트 커뮤니티, 스마트홈 등은 모두 ICT 기기가 핵심이 되고 있는 만큼 고도정보화 설비의 뇌해 대책이 중요하다. 반대로 스마트그리드 등에서는 거기에 설비되는 센서를 이용하여 낙뢰 정보를 입수, 해석함으로써 낙뢰 위치를 정도 있게 파악하여 조기에 낙뢰 지점의 탐사와 설비 보수에 도움을 줄 수 있다. 각 가정, 공장과 사무실에는 전자 미터(여기서는 스마트미터와 동일)가 빠르게 보급될 것으로 생각된다. 이들 전자 미터에는 저전압에서 동작하는 전자회로가 포함되며, 이것은 뇌 서지에 민감하다. 때문에 뇌해 대책으로서 SPD의 성능과 설치 개소의 선정이 중요하다. 

최근 연구에 따르면 SPD에 의해 방전시킨 뇌전류의 통과 경로에 따라서는 전자적인 영향에 의한 오동작도 큰 문제가 된다고 한다. 사이버 테러와 달리 뇌는 돌발적이고, 또 같은 상황을 반복하지 않기 때문에 신호의 전송 방식을 바꿈으로써 오동작 확률을 줄일 수 있다. 

 ‌

뇌해 대책을 위한 피해 조사


뇌해 사고를 당하면 ‘뇌가 떨어져 피해가 발생했다’라고 간단히 정리하여 피해 개소만 대책을 세우는 것으로 끝나버리는 경우가 많다. 그러나 앞으로는 합리적인 뇌해 방지를 위해 어디에 낙뢰하여 어떤 경로를 거쳐 뇌 서지가 피해 개소에 침입했는지 확실히 파악하는 것이 중요하다. 

뇌의 성상은 천차만별이며, 또 뇌격을 받는 구조물의 내뢰 성능도 설비마다 크게 다르기 때문에 구체적인 피해에 대해서는 상세 조사를 하는 것이 중요하다. 

아래에서는 뇌해의 원인 조사할 때 주의해야 할 사항에 대해 설명한다. 


(1) 인간의 감각

뇌해 조사를 하다 보면, 직접 목격한 사람으로부터 ‘바로 눈앞에 낙뢰가 떨어져 불똥이 한동안 떠 있었다’는 이야기를 들은 적이 있다. 그러나 오랫동안 뇌 관측을 해왔지만 이런 현상을 본 적이 없으며, 뇌 사진 콘테스트에서 심사원으로 활동하면서 많은 뇌격 사진을 봤지만 역시 이런 현상을 파악하지는 못했다. 

또 뇌 방전 시에 구전광(ball lightning)이라는 공중에 둥근 볼과 같은 발광물이 보인다는 말을 들기도 하며 실제로 ‘ball lightning’을 다룬 문헌도 많다. 실제로는 잔상 등 눈의 생리현상에 의한 것이 대부분이다. 그림 2는 배전선의 역류뢰 피해의 일례를 나타낸 것인데, 높은 건물로 낙뢰했을 때 배전선 쪽에 전류가 흘러 피뢰기가 소손한 경우다. 소손한 피뢰기의 빛이 구 형상으로 보이기 때문에 구전광이라고 주장할 가능성이 있다. 


▲ 그림 2. 배전선의 뇌전류 역류에 의한 뇌전기 소손


(2) 확실한 근거로 판단

낙뢰 개소의 특정에 대해 확실한 것이라고 하면 사진과 비디오 영상일 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 우레 사진 콘테스트에서는 일반인이 촬영한 사진이 많이 투고되고 있으며, 학술적으로는 상당히 가치가 있다. 

뇌방전을 촬영할 경우, 두 방향에서 사진을 촬영하여 어느 지점에 낙뢰했는지를 확실히 판명한다. 


(3) 뇌 서지의 전반(轉搬)

어디에 낙뢰가 떨어질까? 이것을 밝힌 이론은 아직 확립되어 있지 않다. 그러나 낙뢰된 후의 현상은 기본적으로 서지 전반 이론에 따른다. 

설비의 전기회로적 모델링이 어느 정도 구축되어 있으면, 각부를 흐르는 전류나 발생하는 과전압은 범용 회로 해석 프로그램(EMTP)이나 과도 전자계 해석 프로그램 등에 의해 시뮬레이션이 가능하다. 


(4) 어떻게 낙뢰점, 플래시 오버 개소를 찾을까?

인간의 육안은 보통의 현상에서는 뛰어난 기능을 발휘하지만, 낙뢰 장소를 인식하기란 어렵다. 낙뢰 방향은 멀리 있는 것도 가까운 곳에 떨어진 것처럼 보인다. 이것은 밤에 화재가 가깝게 보이는 이치와 같다. 낙뢰 지점의 최종 결정은 인간의 판단에만 의존하지 않는 것이 중요하다. 

뇌전류가 통과한 곳을 찾아내려면 뇌피해물의 위치가 중요한 정보가 되지만, 다른 방법으로는 아래와 같은 것이 있다. 

● 콘크리트의 결손 : 콘크리트는 뇌전류가 흐르면 쉽게 결손한다. 보통은 흠이 생겨도 큰 문제는 없기 때문에 무시하기 쉬운데, 낙뢰 위치나 뇌전류의 통과 경로를 추정하는 데 큰 도움이 된다. 그림 3에 콘크리트 기둥과 콘크리트 건물의 결손을 나타냈다. 다른 쪽 홈의 콘크리트도 뇌전류의 통과에 의해 결손하는 경우가 있다. 


▲ 그림 3. 콘크리트 기둥과 콘크리트 건물의 결손


● 금속의 용손 : 피뢰침 등의 금속 부분은 보통은 여름철 낙뢰로 인해 큰 용손을 일으키는 일은 없다. 낙뢰가 있은 후 날짜가 경과하지 않았다면, 낙뢰점의 녹이 없어지고 빛나기 때문에 낙뢰점으로 판단할 수 있는 경우도 있다. 겨울철 낙뢰 등 전하량이 매우 큰 뇌전류에서는 금속이 용손하는 경우도 있다. 그림 4는 송전선의 가공 지선이 전하량이 큰 뇌전류에 의해 용손된 흔적을 나타낸 것이다. 


▲ 그림 4. 송전선 가공 지선의 뇌전류에 의한 용손


뇌해, 작으면 유도뢰?


매스컴에서 뇌해를 설명할 때나 전문가 중에서도 피해가 작은 경우에 유도뢰에 의한 피해라고 판단하고 원인 규명이 끝났다고 말하는 경우가 있다. 그러나 유도뢰라는 단어로는 거의 원인울 규명할 수 없다. 

뇌방전로에서의 전자적 유도가 아닌 직접 선로나 건물에 떨어진 뇌격이라도 그 일부의 전류가 흘러들면 작은 뇌전류나 과전류는 언제든 생긴다. IEC 규정에서도 ‘유도 과전압 대응 SPD’라는 표현이 있는데, 이것도 썩 좋은 표현은 아닐 수 있다. 단순히 큰 것과 비교하면 작은 용량의 SPD라는 것이다. 

고압 배전선 근방에 낙뢰하여 그 전자적인 영향에 의해 배전선에 전압이 생기는 경우를 제외하고는 필자의 경험으로는 뇌전류에서의 전자적 영향으로 간접적 장치의 절연을 위협하는 과전류가 생겼다고 단언할 수 있는 경우는 별로 없다. 

유도뢰라고 설명함으로써 피해의 원인을 처리하여 진짜 뇌해 메커니즘을 적당히 해명하고 넘어가면 기술의 진보는 없다. 가능하면 확실히 정의된 경우가 아니고서는 ‘유도뢰에 의한 피해’라는 표현은 하지 않는 편이 좋다. 


뇌성상의 해명


(1) 뇌성상과 뇌해 대책

우레의 성상에 대해서는 현재도 계속해서 관측되고 있으며, 새로운 관측 결과도 이어지고 있다. 뇌방전은 1회의 뇌격으로 끝나지 않고, 수십mm/초 간격으로 제2, 제3의 뇌격으로 이어지는 경우가 많다(그림 5 참조). 


▲ 그림 5. 뇌방전의 진전 과정 예(다중뢰)


보통 제1뇌격은 전류 파고값이 제2, 제3의 후속 뇌격보다 2~3배 정도 크기 때문에 지금까지 제1 뇌격을 주요 대상으로 뇌해 대책을 강구했다. 그러나 후속뇌격은 시작이 급준하고, 회로에 의해 큰 뇌과전압이 발생할 가능성이 있다는 것은 명확하다. 또한 뇌전류의 파두 길이와 파고값의 상관관계도 우레의 편차로서 중요하다고 인식되고 있다. 

앞서 소개한 송전용 피뢰장치에서는 대전류·대전하량의 통전에 의해 내부 소자가 붕괴되는 일도 있다. 배전선에서는 고압 피뢰기의 소손이 겨울철 뇌지역에서 특히 눈에 띈다. 때문에 어느 지역에서 전하량이 많은 우레가 발생하는지 명확히 할 필요가 있다. 이것에 대해서는 동해 연안을 중심으로 활발한 관측이 이어지고 있다. 그림 6에 계속 시간이 긴 겨울철의 뇌전류를 예로 들었는데 이 전류의 전하량은 통상 여름철의 100배 이상이 된다. 


▲ 그림 6. 장시간 지속 뇌전류(겨울철 우레 : 여름철 우레의 수백 배의 계속 시간)


(2) 겨울철 우레는 이단아

여름철 우레에서 전류의 파고치, 전하량 등이 지역에 따라 변하는지 아닌지에 대해 일반적인 정설은 없지만, 큰 차이는 없다고 취급되는 것이 보편적이다. 그러나 일본 서해 연안에 늦가을에서 겨울에 걸쳐 발생하는 소위 겨울철 우레의 성상은 보통의 여름철 우레와 ‘같은 우레일까?’라고 생각될 정도로 다르다. 차이는 여러 가지인데, 뇌해 대책상 중요하다고 생각되는 점은 다음 3가지이다. 

· 높은 구조물에 낙뢰 집중

· 1회의 뇌방전 전하량이 극단적으로 큰 것이 있다.

· 뇌전류 파고치가 큰 것이 있다.


사회 전체적으로 뇌해 대책-최소 생산원가


뇌해 대책은 대상 지역의 뇌성상과 낙뢰 빈도에 크게 영향을 받는다. 대상 국가나 지역의 문화, 습관, 경제 발전 정도에 따라서도 크게 변화한다. 또 뇌해 대책을 고려할 경우에는 기존의 규칙에 따를 필요가 있지만, 이 규칙을 취급하는 관청이 하나가 아닐 경우가 있다. 


(1) 순시 전압 저하 대책

일본에서는 장시간 정전은 거의 일어나지 않기 때문에 공장 등에서의 순시 전압 저하 대책으로서 축전지(콘덴서를 포함)와 파워 일렉트로닉스 기기를 조합한 무정전전원장치가 매우 효과적이다. 한편, 개발도상국에서는 장시간 정전이 많이 발생하기 때문에 우레가 접근했을 경우에는 자가용 발전기로 전환하는 것이 일반적인 방법이다. 


(2) 통신설비와 배전선

‘산 정상의 부하 공급 배전선의 뇌해 방지 대책’을 보면, 겨울철 낙뢰를 받은 산 정상의 무선중계소 철탑에서 전원을 공급하는 배전선에 뇌전류가 역류하는 것이 원인이 되어 배전선의 뇌해가 빈발하는 것을 알 수 있다. 

그런데 최근 10년 사이에 낮은 지대를 포함하는 다양한 장소에서 휴대전화 기지국 철탑이 세워지고 있다. 이것들이 낙뢰될 경우에는 통신설비의 뇌해도 문제가 되지만, 전원을 공급하고 있는 저압 배전선에 뇌전류가 역류하여 주변의 일반 주택에까지 뇌해가 미친다. 이 피해에 대해서는 근본적인 대책이 확립되어야 하지만, 문제는 통신사와 전력회사, 즉 관할 관청도 총무성과 경제사업성에 걸쳐 있다. 원래는 양자의 유관기관에서 충분한 공동 작업을 하여 사회적인 코스트 미니멈(최소 생산원가)을 추구해야 하지만, 유감스럽게도 본격적인 뇌해 대책 협조가 확립되지 않은 것이 현상이다. 


(3) 경험의 응용, 개발도상국에 전개

일본은 다른 기술과 마찬가지로 뇌해 대책 선진국이다. 특히 전력설비나 유선 통신설비에 대해서는 오래 전부터 연구가 활발히 진행, 수준도 세계에서 손꼽힐 정도다. 

그러나 각종 뇌해 대책 기기를 최적으로 적용하여 현재의 설비 형태를 갖추었다기보다는 시대마다 신뢰성의 요구가 높아짐에 따라 임기응변식으로 대책 설비를 강화했다. 

현 시점에서 코스트 퍼포먼스를 고려할 경우, 최적인지 아닌지는 검토의 여지가 있다. 일본에서의 설비 개보수 시, 또 개발도상국의 신설 설비 등에서는 향후 적용하는 뇌해 대책 지침으로서 종래의 뇌해 대책을 그대로 답습하지 않고 효과의 중복을 피해 대책을 최적화하는 것에 역점을 둬야 한다. 


(4) 뇌해 대책에서의 리스크 매니지먼트

앞서 설명한 것과도 관련이 있지만, 신뢰도 수준을 고려하여 뇌해 대책을 세우는 것이 중요하다. 전기·전자기기의 뇌보호를 위해 SPD를 이용하지만, 직격뢰용 클래스Ⅰ, 유도뢰용 클래스Ⅱ의 적용이 뇌보호 존과 아울러 고려하며, 어느 정도의 지침도 나와 있다. 

그러나 배전선이나 통신선을 전달하는 경우에는 자택의 TV 안테나 등에 낙뢰했을 경우에는 SPD가 처리해야 하고, 뇌전류의 값은 매우 커져 클래스Ⅱ의 SPD로는 부족하다. 

자택에 낙뢰할 가능성이나 뇌전류가 1,000A 정도에서 30만A로 폭넓은 것 등은 뇌해 대책 시 리스크 매니지먼트의 개념을 반영해 처리해야 하는 것을 나타낸다. 

그러나 현재 IEC TC81 등에서 논의되고 있는 리스크 매니지먼트 수법이, 반드시 대상이 되는 건축물이 낙뢰하는 환경을 정확히 표현하고 있는 것은 아니며, 또 직격 빈도는 적어도 낙뢰의 피해를 극단적으로 피할 필요가 있는 경우에는 대책을 바꿔야 한다.  


요코야마 시게루(橫山 茂)

시즈오카대학 공학부 전기전자공학과 객원교수


本 記事는 日本 OHM社가 發行하는  「OHM」誌와의 著作權協約에 依據하여 提供받은 資料입니다.

목록으로

게재월 | 2014 - 07 조회 141484 추천 0

기사 미리보기