[재생 가능 에너지와 뇌보호 시스템] 재생 가능 에너지 발전설비와 접지

게재월 | 2014 - 07 조회146788 추천0

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재생 가능 에너지를 신뢰성이 있는 발전 에너지원으로서 안정적으로 운용하기 위해서는 종래의 전력설비와 마찬가지로 뇌보호 문제를 충분히 고려해야 한다. 여기서는 재생 가능 에너지(지열, 해상풍력, 소형 풍력, 해류·조류·파력)를 이용한 발전설비의 뇌보호 대책을 위한 기초적 특성이 되는 접지의 개념을 설명한다. 


전 세계적으로 재생 가능 에너지의 적극적인 이용에 대한 관심이 높아지고 있으며, 지금까지 유용하게 이용되어 온 에너지원을 근거로 전력을 취하기 위한 기술개발과 실증시험 및 사업화가 급물살을 타고 있다. 

풍부한 일사량과 지열자원, 주변이 바다로 둘러싸인 일본은 막대한 재생 가능 에너지 자원국이지만, 동시에 세계 굴지의 우레 다발 국가이다. 지금까지 종래형 발전 방식 중심의 전력 계통 신뢰성 향상을 위해 일본 특유의 우레 성상을 고려한 뇌보호 기술발전에 많은 노력을 기울여 왔다. 재생에너지를 신뢰성이 있는 발전 에너지원으로서 안정적으로 운용하기 위해서는 종래의 전력설비와 마찬가지로 뇌보호 문제를 충분히 고려해야 한다. 


지열발전


지하수가 마그마에 접한 암석대를 거쳐 뜨거워져 생기는 지열 저류층의 뜨거운 물을 이용하여 지열발전이 이루어진다. 마그마의 활동은 화산 지역에서 활발하며, 많은 화산이 존재하는 일본은 23.47GW로 세계 제3위의 추정 매장 자원을 보유한 세계 굴지의 지열자원 대국이다. 

지열발전은 기력(汽力)발전의 일종으로 증기 생산기구와 대형 공랭 복수기의 존재를 제외하면 싱글 플래시 방식의 지열발전소는 화력발전과 구성이 유사하며(그림 1 참조), 접지에 관한 개념도 화력발전소에 준한다. 접지 및 뇌보호에 관련된 지열발전소의 특이성으로는 산악 지역에 건설되기 때문에 대지저항률이 높아 접지 저항을 낮추기 어렵다는 경향을 들 수 있다. 


▲ 그림 1. 지열발전소의 설비


한편, 지열발전소는 지열 자원을 취하기 위해 생산정 및 에너지 취득 후의 뜨거운 물을 지하 저류층으로 되돌리는 환원정이 필요하고, 사업용으로는 깊이가 3,000m에 미치는 것도 있다. 또 생산정(井)은 수년마다 갱신이 필요해 조사정을 포함하면 구내에는 상당수 크고 긴 접지 전극에 상당하는 것이 존재한다. 전식을 피하기 위해 터빈 건물 등의 접지 구조체와 갱정이 직접적으로 접속되어야 하는 것은 아니지만, 구내 전체가 깊은 층의 접지공사를 실시하는 것과 같은 기능을 하는 것을 기대할 수 있다. 

지열발전 설비 중에서는 상설 냉각탑 및 터빈 건물, 가설이지만 장기간에 걸쳐 구내에 설치되는 갱정 굴삭조가 대형 설비의 부류가 된다. 주된 우레의 침입 경로가 될 수 있을 것으로 상정된다. 


풍력발전


(1) 해상 풍력발전

해상은 육상에 비해 넓고 풍황 환경이 양호해 타넷발전소(Thanet. 영국, 발전 용량 3MW×100기)를 비롯하여 많은 대규모 해상 윈드 팜이 유럽에서 순조롭게 가동되고 있다. 또 건설 부재의 크기에 관한 제약이 육지 수송보다 적기 때문에 대형 풍차 로터를 사용할 수 있는 것도 해상화의 장점이다.

주위에 비해 돌출된 높은 구조물인 해상 풍차가 악천후에 뇌격의 대상이 되는 것은 자명하다. 풍차 로터가 대형화되고 있으며, 개발이 진행되고 있는 7MW급 풍차의 로터 직경은 160m를 넘을 예정이어서 해상 풍차의 피뢰 빈도는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 

풍차의 접지가 충분치 않을 경우, 뇌전류가 리셉터를 통해 블레이드 내부의 다운 컨덕터를 통과하지 않고, 염분의 영향으로 블레이드면을 주행하여 의도치 않은 곳에서 블레이드 내부로 침입하여 블레이드가 손상된다. 그러나 일반적인 해수의 저항률은 0.2Ωm 정도이며, 해상풍력발전소의 기초부는 상시 파도에 씻기기 때문에 양호한 자연 접지가 실현되는 것은 뇌보호상 유용하다. 

한편, 호수나 하구 등의 담수·기수(汽水) 지역에서는 100Ωm를 초과하여 일반적인 토양의 저항률과 별로 차이가 없다. 때문에 담수 지역에 설치되는 풍력발전 설비는 일반적인 육상 전기설비와 마찬가지로 주의를 기울여 접지 대책을 검토해야 한다. 

유럽과 같이 넓고 얕은 강이나 바다 연안 지역이 없는 일본에서 해상 윈드 팜 사업을 전개하기 위해서는 해상풍력뿐 아니라 해상 서브스테이션의 부체(浮體)화 기술 및 그에 대응한 바다 속 송전 케이블 기술의 확립이 필수적이다(그림 2 참조). 부체식 전력설비와 육상 개폐소는 장거리 바다 속 케이블에 의해 연접되어 해상 윈드 팜 접지 시스템에는 케이블 시스도 포함된다. 


▲ 그림 2. 부체식 해상 풍력발전 설비의 예


(2) 소형 풍력발전

2012년에 시작한 고정가격매수제도에 따라 일반 주택에서도 1기당 수백W~수kW 정도의 소형 풍력발전 설비의 도입 사례가 증가하고 있다(그림 3 참조). 지상고가 높아질수록 풍황이 좋기 때문에 고수익을 기대한다면 가능한 풍차를 높게 설치하는 것이 당연하다. 


▲ 그림 3. 일반 주택에 설치된 소형 풍력발전 설비


일반적으로 판매되고 있는 소형 풍력발전기에는 대형 풍차와 같은 리셉터나 다운 컨덕터는 장비되지 않아 만일의 낙뢰 시에는 블레이드나 발전기의 손상은 피할 수 없다. 

발전설비 자체의 피해에 대해서는 비용대효과 측면에서 허용해야 한다는 의견도 있지만, 실내 배선 계통 및 연계 계통으로의 피해 확대나 인적 피해를 방지하기 위해 SPD(서지 방호 디바이스)의 설치를 권장한다. 또 지역적으로 뇌격 빈도가 높은 지역이나 풍력발전기의 지상고가 주위에 비해 높을 때는 피뢰침 등 외부 뇌보호 시스템의 도입을 고려해야 한다. 


해류·조력·파력발전


바다 속에 회전 날개를 갖는 해류·조력발전 설비나 기준 해수면을 넘는 파도의 운동에너지를 이용하는 파력발전 설비의 대부분은 바다 속에 있는 것이 일반적이기 때문에 발전 기구 자체가 직접적으로 우레의 피해와 맞닥뜨릴 가능성은 낮다. 

그림 4는 대용량 해류발전 플랜트의 개념도를 나타낸 것이다. 500kW 터빈 4기를 기본 유닛으로 하고, 총 설비용량에 따라 복수의 유닛이 연속해서 접속된다. 발전설비로의 우레 침입 경로로 가정되는 것은 유지보수용 헬리콥터 발착장이나 환경 센서, 통신 안테나 등 해상부의 돌기 부위, 또는 발전설비 간의 지상 수전설비를 접속하는 송전 케이블로 제한된다. 전자는 선박 전기설비의 접지 개념을 응용함으로써 쉽게 대책을 세울 수 있다. 후자는 현재 연구가 진행되고 있는 해상 윈드 팜의 케이블 부설·접지와 같은 대책을 실시하게 된다. 


▲ 그림 4. 대용량 해류 발전 플랜트


이상으로 몇 가지 재생 가능 에너지를 이용한 발전설비 관련 접지·뇌보호의 개념을 소개했다. 접지는 오래된 기술이자 새로운 기술 분야이다. 기존의 전력설비를 위한 접지 기술·내뢰 기술에 관한 지식의 대부분은 재생 가능 에너지 발전에서도 유용하지만, 각 발전 방식 특유의 미해결 또는 미확인 기술적 과제도 많다. 대용량 발전설비로서 재생 가능 에너지 발전설비를 인식해야 한다. 


야마부키 코이치(山吹 巧一)

와카야마공업고등전문학교 전기정보공학과 준교수


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