스크랩 최충석 교수의 전기화재 발생의 오해와 진실<3> 배전선로의 낙뢰 피해 예방 및 공사비 절감

[그리움]

가공지선과 특고압 중성선 겸용의 가공중성지선 사용으로 해결

전기에너지를 발전소에서 생산하여 주택 및 공장 등의 수용가로 안전에게 공급하기 위해서는 적절한 전력계통 및 전선로가 필요하다. 전선로는 전압의 종류에 따라 특별고압전선로, 고압전선로 및 저압전선로 등으로 분류되며, 설치 형태에 따라 가공전선로, 옥상전선로, 옥측전선로, 지중전선로 등 다양한 종류가 있다. 이와 같은 여러 종류의 전선로 중에서 변전소에서 직접 수용가에 전력을 분배하는 것을 배전선로(electric power distribution line)라 말하며, 기타의 선로는 송전선로라 한다. 그리고 전기에너지를 배전하기 위해서는 전선, 개폐기, 보안장치 등을 설치할 때 사용되는 기구를 배선기구라 한다. 전력계통은 발전, 송전, 배전 등으로 나누며, 배전선로는 발전소, 변전소 또는 송전선 등에서 다른 발전소 또는 변전소를 지나지 않고 전력 수용 장소까지 이르는 전선로이다. 일반적으로 현장에서 배전이라고 하는 것은 2차 변전소에서 수용가까지의 전력 공급을 의미한다. 배전선로에서 배전계통을 구성하는 것은 배전용 변전소, 고압배전선로, 배전용 변압기, 저압 배전선로 및 인입선 등이 있다. 그리고 부하의 접속방법에 따라서 직렬식과 병렬식이 있으며, 대부분 병렬식을 채택하고 있다. 또한 교류식에는 단상 2선식, 단상 3선식, 3상 3선식, 3상 4선식 등이 있다. 배전전압은 손실의 절감과 수용가 부하 용량의 증가에 따라 1차측은 주로 22.9kV를 공급하여 수용가의 조건에 따라 440V, 380V, 220V 등으로 배전한다. 가공 배전선로에 사용되는 대부분의 전주는 철근 콘크리트주가 이용되고 있으며, 지중 배전선로는 지하에 전력케이블을 매설하는 방식을 적용한다. 현행 설치되어 있는 배전선로의 원인별 고장 현황은 <표 1>과 같으며, 뇌격에 의한 사고는 전체 사고의 약 8.7%를 점유하며 매년 증가하는 경향을 나타낸다. 또한 설비별 배전선로의 고장 현황은 <표 2>와 같으며, 낙뢰 및 열화 등의 원인으로 판단되는 전선, 가공지선 등에서 발생한 고장이 전체 고장의 약 30%를 점유한다.

배전선로에 설치하는 가공지선(overhead ground wire)은 벼락으로부터 전선로를 보호하기 위하여 도체 위쪽에 도선과 평행하게 가설한 금속선을 말하며, 중선선(neutral line)은 다상(多相) 교류의 전원의 중성점에서 인출한 전선으로 대지에 접지한다. 전압선의 전압은 각각 1/2 또는 1/이 되며, 중성선의 전류는 0이 되기 때문에 전압 변동률, 전력손실 등을 줄일 수 있다. 특히 특고압 배전선로의 중성선은 불평형 전류 및 고장 전류 등의 귀로의 목적으로 시설하고 있다. 가공배전선로의 주요 고장원인의 하나인 낙뢰는 전력설비의 최대 위협요인이며, 안전한 전력 공급을 저해하는 결과를 초래한다. 국내 22.9㎸-Y 배전계통에서 가공지선은 낙뢰 차폐를 위해 가공지선지지대를 사용하여 특고압 전력선 상부에 안전성이 낮은 계주(繫柱) 형태로 설치하고 있다. 가공지선과 특고압 중성선은 모든 전주에 접속하여 200m 마다 50Ω 이하로 접지한 전기적 병렬 회로와 같은 기능을 하지만 다른 위치에 중복 시설되어 통신선의 공가 설비와 함께 전주의 하중을 증가시키고 있다. 또한 가공지선은 임피던스가 큰 아연도강연선을 사용함으로써 낙뢰뿐만 아니라 불평형 전류 및 고장 전류에 의해 열화(劣化)되어 단선고장이 빈번히 발생하고 있어 선종(線種) 및 굵기를 고려하여 시공할 필요성이 있다.

현행 특고압 배전선로의 시설은 <그림 1>과 같으며, 22.9kV-Y 특고압 배전선로의 가공지선은 아연도강연선(FS 22mm2)을 사용하여 전주 최상부에 설치하며, 특고압 전력선과 중성선이 그 하부에 각각 설치된다. 특고압 전력선과 중성선과의 거리는 1.2m이며, 전선 상호간의 간격은 최소 560mm 이다. 가공지선은 매 전주 완철과 특고압 중성선에 접속하여 200m 마다 50Ω 이하로 접지하고 있다. 그러나 ACSR(강심알루미늄전선)에 비해 임피던스가 큰 가공지선(아연도강연선)은 낙뢰 또는 불평형 전류 및 고장전류에 의한 열화로 단선고장의 발생 빈도가 높다. 그리고 200m 마다 접지를 실시하므로 비접지 전주의 경우 뇌과전압 상승 등 낙뢰차폐에 비효율적이며, 접지 전주의 경우도 개별 접지 저항값 50Ω을 유지되도록 되어 있어서 접지 공사비가 과다 소요되고 있다. 특히 특고압 중성선과 저압 중성선을 공용하는 개소에 특고압 중성선의 허용전류를 초과하여 저압 부하전류가 흐르는 경우 변압기 2차 중성선 접속점의 단선 고장 원인이 되고 있다.

즉, 배전선로의 공사비 절감 및 낙뢰 피해를 최소화하기 위해 대원전기주식회사(www.dw-elec.co.kr)는 지난 5년 동안 지식경제부 연구과제 수행과 현장 실증선로 시범구성 등의 연구를 거쳐 가공지선과 특고압 중성선을 겸용하는 가공중성지선을 특고압 전력선 상부에 설치하는 기술을 <그림 2>와 같이 개발하였다. 전력신기술 제87호는 특고압 전력선의 낙뢰 차폐각을 확보하는 위치에 멀티캡 또는 가공지선지지대를 사용하여 가공지선과 특고압 중성선을 겸용하는 가공중성지선을 설치하는 기술이다. 이를 통해 저압 중성선과 공용하지 않도록 하여 변압기 2차 중성선 접속점의 단선고장 요인을 개선하였다. 전력신기술 제87호는 직격뢰 및 유도뢰에 대하여 MATLAB(Matrix Laboratory)의 수치해석, 배전계통 영향 등 이론적 연구 분석과 EMTP (Electro Magnetic Transients Program)의 시뮬레이션, 축소모의 실험 및 실증실험을 거쳐 기술적 타당성이 검증되었다. 또한 기존선로와의 연계, 낙뢰 영향, 특고압 및 저압계통의 안정성 등을 평가하기 위해 4년 동안 낙뢰발생 및 고장 등이 빈번한 충북소재의 ○○ D/L을 선정하여 2009년 7월부터 한전의 실부하 배전계통에 실증선로를 구성하여 운영 중에 있으며, 현재까지 실증 선로구간에서 무사고 무고장으로 계통 운영의 안정성이 검증된 기술이다. 전력신기술 제87호는 매 전주 접지하는 배전선로 구성기술로 2선을 1선으로 기능을 통합 운영함으로써 전선 조수(組數) 및 장주의 단순화로 전주에 걸리는 하중감소, 전주절손 예방과 시공품질 향상 및 원가절감 등의 효과가 있다. 도전성이 우수한 강심알루미늄전선(ACSR)을 가공중성지선으로 사용하여 특고압 전력선 상부에 가선하여 매 전주 접지함으로 낙뢰 차폐효과를 향상시킬 뿐만 아니라 뇌격전류 분류효과 향상으로 전력선 단선 고장이 감소되어 배전계통의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

따라서 지난 5년 동안 이론적 검증 및 현장 실증 시험을 통해서 기술의 우수성이 입증된 전력신기술 제87호를 배전전선로의 구성 및 전력계통 등에 적용한다면 경비 절감 및 시스템 안전성 향상 등에 크게 기여할 것으로 기대된다.