송전선로의 진동특성

송전선로의 진동특성   1. 개요 가공 송전선로에 5m/s 정도의 미풍이 전선과 직각에 가까운 방향으로 불때에는 그 전선주위에 공기의 소용돌이가 생기고 이 때문에 전선의 연직방향으로 교번력 이 작용해서 전선은 상하로 진동하게 된다. 이 진동수가 전선의 경간 및 단위길이당 무게등에 의해서 정해지는 고유진동수와 같게 되면 공진을 일으켜서 진동을 지속하게 되는 현상 실측에 의하면 진동주파수는 중공전선에서는 4～15Hz, ACSR에서는 6～25Hz에서 진동의 경도가 가장 많이 일고 있다고 한다. 또 진동의 절점간의 거리는 3～ 10m 정도이고 상하로 진동되는 진폭은 전선지름 의 0.5～2배 정도라고 한다.    2. 송전선 진동의 종류 및 특성 다도체 송전선로에 가해지는 진동으로서는 미풍진동, 서브스판(Sub-span)진동, 갤로핑(Galloping)진동, 단락전자력에 의한 진동 등이 있다.    가. 미풍진동의 특성 ① 현수 지지점 부근에서 전선에 피로를 누적시켜 소선을 단선시킴 ② 주로 단도체에서 발생하는 진동현상으로 다도체의 경우는 소도체간의 간섭 때문에 크게 발생되지 않는 것이 일반적이다.    나. 서브스판(Sub-span)진동의 특성 ① 전선의 직경이 커잘수록 진동이 쉽게 발생됨 ② 전선수평방향으로 진동하는 현상으로 풍속이 커질수록 진동폭은 크게 변함 ③ 풍속 10m/s 이상에서 발생된다고 보고되고 있으나 실제 풍속 10m/s에서 는 스페이셔 댐퍼 특성으로 인해 진동진폭이 크게 감쇠됨 ④ 스폐이셔 댐퍼 설치 간격과 전선의 장력에 따라 진동현상이 다르게 발생됨 ⑤ 실선로에 대한 진동특성중 가장 심도있게 고려하여야 한다.    다. 갤럽핑(Galloping) 진동의 특성 ① 주로 착빙설에 의한 공기 역학적 불안정성과 강풍에 의해 발생 ② 가공전선에 착빙이나 착설에 의해 그 형상이나 표면의 상태가 공기의 흐름 에 대해 상하 비대칭인 경우 발생 ③ 착설의 빙화(氷花), 고드름의 부착, 진눈깨비, 습설(濕雪),의 착빙화, 상승 기류에 의한 착빙, 전선의 사풍등에 의해 발생    라. 단락전자력에 의한 진동 특성 ① 다도체 송전선로에서 1상에 연결된 수본의 도체가 근접 병행해서 있는 곳 에 전기적으로 전류에 의한 전자 흡인력과 정전 반발력의 양자가 동시에 작용하여 발생됨. ② 장력이 증가할수록 진동진폭이 작아짐 ③ 장력이 증가할수록 전선간의 충돌현상이 늦게 나타나며 전선간의 충돌지속 시간도 상당히 짧아진다.    3. 송전선 진동에 대한 대책 현재 상기와 같이 송전선에서 발생되는 각종 기계적 및 전기적 진동의 대책 으로는 단도체 선로에서는 댐퍼(Damper), 다도체 선로에서는 스페이서댐퍼 (Spacer-Damper)인데 이것이 잘못 설치가 되거나 설계상 문제가 있게되면 전 선이 단선되어 선로유지 및 보수상의 어려움은 물론 대형사고를 이어질 수 있 는 매우 중요한 송전설비중의 하나이다. 스페이서댐퍼의 강도설계에서는 단락전자력과 서브스판진동에 의해 결정된 다고 볼 수 있다. 미풍진동과 갤럽핑 진동의 경우 스페이서댐퍼에 미치는 하중 이 크지 않기 때문에 일반적으로 설계에서는 고려하지 않는다. 앞으로 상기 진동 대책의 일환으로 기존 스페이서댐퍼에 대한 구조변경, 진동흡수재 보완제작, 고강도재료 개발이 필요한 실정이며 전선 진동에 따라 동일하게 움직이는 크램프 및 볼트류의 구조변경 등이 필요한 실정이다. 미숙하지만 송전선 설계, 시공업무에 다년간 유경험자로서 기회가 주어진다면 기존 설비의 잘못된 부분이나 금구류 구조상 문제가 있는 부분을 수정하는데 소임을 다 할 생각이다. 끝.   [345kV 가공선로 진동현상] 일반적으로 가공선로의 소도체 구성방법으로는 2도체 수평배열, 3도체 삼각 배열, 4도체 정사각 배열, 6도체 정육각 배열 등 다양한 구성방식이 있다. 이같이 2개 이상의 소도체가 구성되는 가공선로에서 발생되는 진동현상은 몇 가지가 있으나, 국내에 서는 주로 아래의 그림과 같이 스페이서댐퍼 사이에서 발생하는 진동현상인 서브스판진동(subspan oscillation)이 대부분이다. 서브스판진동은 스페이서와 스페이서 사이의 경간에서 1~2개의 루프를 형성하면서 풍상측 도체 와 풍하측 도체의 위상이 서로 180°차이를 갖고 타원궤적을 그리며 진동하는 특징이 있으며, 서브스판의 진폭이 클 경우에는 스페이서댐퍼 클램프 또는 현수클램프의 전선지지점에 곡응력에 의한 전선의 피로현상이 누적되어 전선의 수명을 단축시키거나 단선사고를 일으키게 된다. [서브스판진동 발생에 미치는 영향] 1. 소도체 수와 배열 다도체 송전선로에서 가장 많이 적용되고 있는 소도체 수는 2도체, 3도체, 4도체 이며, 최근에는 초고압 선로의 도입으로 6도체, 8도체 구성도 있다. 이러한 소도체 구성 중에서 서브스판진동에 가장 민감한 구성은 4도체 구성이고, 다음이 3도체, 2도체 순이다. 일반적으로 서브스판진동은 8m/s이상의 풍속에서 발생하는 것으로 보고되고 있으나, 정방형 4도체 구성에서는 4m/s 정도의 낮은 풍속에서도 발생하는 것으로 보고 되고 있다. 3도체 구성은 후류역에 놓이는 도체가 작고, 후류역에 놓이게 되는 범위도 작아 비교적 안정한 것으로 고려된다. 이같이 서브스판진동은 소도체 수와 소도체의 배열구성과 밀접한 관계가 있다. 2. 소도체 간격 소도체의 풍상측(windward)과 풍하측(leeward) 도체의 간격[a]은 도체직경[d]에 대한 간격의 비, 즉 a/d로 나타낼 수 있는데 일반적으로 10~20 범위 이다. a/d값이 어느 이상이 되면 풍하측 도체가 후류역의 범위에 놓이지 않게 되어, 후류에 의한 진동 발생이 작거나 없어진다. 2도체와 3도체 구성에서는 a/d가 16~18범위에서, 4도체 구성에서는 20이상이면 안정한 것으로 보고되고 있다. 이같이 소도체 간격은 서브스판진동 발생에 직접적인 영향을 미치는데, 소도체 구성 중에서 345kV 4도체의 경우가 서브스판진동 발생에 가장취약한 구조이어서, 실제 송전선로 중에서 가장 진동이 잘 발생하는 선로이다. 소도체 간격은 코로나발생, 송전용량 등의 관점에서 결정되는데, 서브스판진동이 우려되는 특정 구간에 대해서는 소도체 간격을 전기적인 설계측면을 떠나 설계하는 것도 진동에 대한 송전선로 신뢰도 측면에서 고려할 필요가 있다. 3. 다도체 구성의 비틀림 정도 풍상측 도체에 의한 공기역학적 차폐효과의 세기와 특성이 풍하측 도체에 미치는 영향은 후류역 내에 풍하측 도체의 위치에 따라 변한다. 후류의 특성은 다도체가 바람에 대해 수평일 때 진동이 약해지는 경향이 있다. 진동발생에 대해 불안정 영역이 되는 기울림 정도는 5~15범위이다. 기울임은 풍하측 도체가 풍 상측도체의 후류 위쪽에 있으면 정방향, 낮은 쪽에 있으면 부방향이라 한다. 4도체 구성에서는 부방향, 2도체 구성에서는 정방향의 기울림에서 이런 불안정 영역이 발생하는 것으로 보고 되고 있다. 이러한 현상은 송전선로의 가선조건에 따라 쉽게 나타날 수 있는 현상이기도 하다. 4. 지형특성 서브스판진동 발생은 지형특성과도 밀접한 관련이 있다. 통계적인 측면에서 보면 다음과 같은 조건의 지형에서 진동이 잘 발생하는 것으로 보고되고 되고 있다. ▶ 매우 광활한 지역 ▶ 바다 또는 호수에 근접된 지역 ▶ 경과지의 지형이 심한 기복이 없고 장애물이 적은 지역 ▶ 송전선로와 직각방향으로 흩어짐이 없이 바람이 부는 지역 ▶ 일정한 풍속의 바람이 부는 지역 현재까지 진동발생 조사현장을 확인한 바에 따르면 상기와 같은 지형조건에서 서브스판진동이 많이 발생되었다. [서브스판진동 발생 다발 소경간 진동저감 대책] 1. 서브스판진동 발생 다발 소경간(subspan)과 영향 일반적으로 철탑과 철탑사이의 한 경간을 놓고 볼 때, 서브스판진동이 발생하면, 여러 개의 소경간에서 동시에 발생하는 것이 일반적이나 선로구성 또는 경과지 조건에 따라서는 유독 한 경간 중에서 특정 소경간에서만 서브스판진동이 빈번하게 자주 발생하는 경우가 있다. 이 소경간을 서브스판진동 발생 다발 소경간이라 한다. 345kV 실선로에서 진동발생 현황을 조사한 바에 따르면, 이러한 소경간이 적지 않게 있는 것으로 알려지고 있다. 또한 진동발생 다발 소경간에서 발생되는 진동은 대체적으로 진동이 크고 자주 발생하기 때문에 전선에 미치는 영향도 클 것으로 짐작해 볼 수 있다. 이런 소경간에서는 스페이서댐퍼 위치에서 전선이 쉽게 단선되거나 스페이서댐퍼가 손상되는 사고가 발생하기 때문에, 가급적 빠른 시일 내에 진동저감 대책을 세우는 것이 필요하다. 2. 진동발생 다발 소경간 진동저감 방안 서브스판진동 발생 다발 소경간에 대한 진동저감 대책으로는 다음과 같이 방법을 고려해 볼 수 있다. ① 스페이서댐퍼의 설치위치를 재조정하거나 추가 설치하는 방법 ② 해당 소경간에 복도체용 스페이서를 설치하는 방법 ③ 특수대책(소도체 간격 확대, 마름모형상으로 소도체배열 등)을 세우는 방법 상기와 같은 방법 중에서 가장 쉽게 적용할 수 있는 방법은 두 번째 방법이다. 즉, 진동발생 다발 소경간에 대해 복도체용 스페이서를 적절하게 설치하면, 소경간의 거리가 좁아져서 서브스판진동 발생이 저감될 수 있다는 관점이다. 이 경우 복도체 스페이서를 어떻게 설치할 것인지가 논점이 된다. 두 번째 방법에 의해 진동발생이 저감될 수 있는지를 먼저 확인하기 위해 진동발생 다발 소경간이 확인된 영포선로 310호 철탑의 첫 번째 소경간에 아래의 간격표 표3과 같이 복도체용 스페이서를 설치하였다. 표 3에서 굵은 숫자가 복도체용 스페이서 설치간격이다. 복도체용 스페이서는 4도체에서 상부 2도체와 하부2도체에 각각 설치하였으며, 상하 소도체간에는 설치하지 않았다. 또한 실험적인 개념에서 복도체용 스페이서를 설치하였기 때문에, 1/3지점을 기준으로 비대칭 간격에 의해 설치를 하였다. 표 3과 같이 복도체용 스페이서를 설치하여 약 6개월 정도 설치하여 관측해 본 결과 서브스판진동발생이 거의 없었으며, 발생하여도 진폭이 적어 전선에 영향을 미치지 않을 정도이었다. 이와 같이 실험적인 차원에서 이루어진 복체용 스페이서를 이용한 진동발생 다발 소경간에 대한 진동저감 실험은 매우 효과적인 것으로 나타났다. 3. 결론 서브스판진동 발생 다발 소경간에 대한 대책으로 복도체용 스페이서댐퍼의 활용방안을 제시하여 보았고, 이의 타당성을 검증하기 위해 실험적인 측면에서 한 경간을 대상으로 실험하여 진동발생현상을 측정한 결과 매우 효과적인 것으로 나타남에 따라, 이의 방법을 확대 적용하는 것이 필요할 것으로 여겨져 앞으로는 보다 세부적인 연구 및 실험을 추진할 계획이다. 즉, 복도체용 스페이서의 적정설치 위치, 복도체용 스페이서 설치에 따른 인접 소경간에 미치는 영향, 복도체용 스페이서의 최대 설치 경간 수 등 다양한 조건에서 실험 및 분석을 통해 서브스판진동 발생 다발 소경간에 대한 진동저감대책(안)을 제시하고자 한다.