전기 송전 네트워크 – 초고압 및 고압 상공 전선

전기 송전망과 상공 전선

전력 시스템에서 초고압(EHV, 전압 V&ge;150 kV)과 고압(HV, 60 kV &le; V <150 kV)은 에너지 송전에 일반적으로 사용된다. 이러한 고전압 수준의 사용은 송전선을 통과하는 전류를 줄이는 데 도움이 된다. 쥴의 법칙에 따르면, W=RI²t=UIt, 여기서 W는 열로 소모되는 에너지를 나타내며, R은 도체의 저항, I는 전류, t는 시간, 그리고 U는 전압이다. 전류를 줄임으로써 도체의 단면적을 줄일 수 있으며, 이로 인해 쥴 효과로 인한 전력 손실도 최소화할 수 있다.

송전망은 일반적으로 발전소와 변전소에서 시작한다. 상공 전선이 많은 지역에서 주요 구성 요소인 반면, 도시에서는 공간 제약과 미관상의 이유로 지하 절연 케이블이 종종 필요하다.

초고압(EHV) 및 고압(HV) 상공 전선은 주로 다음과 같은 주요 요소로 구성된다:

• 금속 타워: 전체 상공 전선 시스템의 구조적 지지를 제공하며, 도체가 적절한 높이와 간격을 유지하도록 한다.

• 절연체: 도체에서 금속 타워로의 전류 흐름을 방지하여 전기적인 절연과 안전성을 유지한다.

• 도체: 전기 전류를 운반하는 역할을 한다. 상공 전선에서 일반적으로 사용되는 도체 유형에는 알루미늄 강재 강화 도체(ACSR)가 포함되며, 이는 EN 50189, 50889, 61232, 50182 등의 유럽 표준을 준수한다. 또한 AL2, AL3, AL4, AL5로 지정된 알루미늄 합금 도체(AAAC)는 EN 50182 및 50183에 명시되어 있다.

• 코로나 링: 도넛 모양의 장치다.

• 접지 연결: 전기적 충전물의 안전한 분산을 보장하고, 고장 시 접지 경로를 제공한다.

전력 송전 설비는 코로나 방전의 형성을 최소화하는 목표로 설계된다. 그림 1에서 보여지는 것처럼 코로나 링은 이에 중요한 역할을 한다. 전기장을 더 넓은 영역에 걸쳐 퍼뜨림으로써 코로나 임계값 아래로 필드 기울기를 낮추어 코로나 방전을 효과적으로 억제한다. 이렇게 함으로써 코로나 관련 전력 손실뿐만 아니라 청각 노이즈와 전자기 간섭을 줄이고, 전송 시스템의 전체 효율성과 신뢰성을 향상시킨다.

상공 전선의 번개 보호와 OPGW 케이블의 역할

상공 전선에 가장 큰 위협 중 하나는 번개다. 이러한 전선은 전체 길이에 걸쳐 번개 직격의 위험에 노출되어 있어, 변전소에서만 서지 아레스터를 설치하는 것은 충분하지 않다. 전송 시스템의 신뢰성과 안전성을 보장하기 위해서는 추가적인 보호 조치가 필요하다.

이 문제를 해결하기 위해 "번개 대공 보호 선"이 상공 전선의 전체 경로에 설치된다. 이들 중 광전력 접지 와이어(OPGW) 케이블은 이중 기능 덕분에 널리 사용된다. OPGW 케이블은 중심부에 하나 이상의 광단일 모드 섬유를 포함하는 관 형태의 구조를 가지고 있다. 이 중심 섬유 조립체는 여러 겹의 강철과 알루미늄 선으로 둘러싸여 있다.

OPGW 케이블의 도전성 외부층은 전기 보호에 중요한 역할을 한다. 이들은 인접한 송전탑을 지면과 연결하여 번개 전류를 위한 저저항 경로를 만든다. 이를 통해 주 전송선에 대한 직접적인 번개 직격을 효과적으로 차단하고, 주 전송선의 손상을 줄일 수 있다.

동시에 OPGW 케이블 내부의 광섬유는 중요한 통신 이점을 제공한다. 이러한 섬유는 고속 데이터 전송에 사용될 수 있으며, 전력 유틸리티 부문의 다양한 요구사항을 충족한다. 내부 응용 프로그램으로는 송전선의 보호 및 제어, 실시간 모니터링 및 잠재적인 문제에 대한 빠른 대응 등이 있다. 또한 음성 및 데이터 통신 요구사항을 지원하여 전력망의 다른 부분 사이의 원활한 조정을 가능하게 한다.

광섬유 자체는 우수한 절연 특성을 가지고 있어, 전력 송전선과 번개로부터의 전기 유도로부터 본질적인 보호를 제공한다. 또한 외부 노이즈와 교차 간섭에 매우 강하여 전송 데이터의 무결성을 보장한다. 더욱이 광섬유는 극히 낮은 전송 손실을 가지므로, 긴 거리와 고속 데이터 전송에서도 유의미한 신호 감소 없이 이상적이다.

그림 2는 OPGW 케이블의 일반적인 예를 보여주며, 그 독특한 구조와 전기 보호 및 통신 기능을 결합하는 방법을 강조함으로써 현대 상공 전송선 시스템에서 필수적인 구성 요소임을 보여준다.

특정 국가에서는 72.5 kV의 전압 수준에서 작동하는 오래된 상공 전선에 대해 특정한 번개 보호 방법이 과거에 사용되었다. 역사적으로, 변전소에 인접한 처음 4~5개 스팬만 보호 조치가 적용되었으며, 이 목적을 위해 알루미늄 강재 강화 도체(ACSR) 케이블이 사용되었다. 그러나 이제 이 솔루션은 폐기되었다. 광전력 접지 와이어(OPGW) 케이블이 더 선호되며, 이는 효과적인 번개 보호뿐만 아니라 변전소 간의 데이터 통신을 가능하게 하여 더 포괄적이고 다목적의 솔루션을 제공한다.

절연 케이블은 일반적으로 크로스링크 폴리에틸렌(XLPE) 절연을 특징으로 한다. 이러한 케이블은 일반적으로 알루미늄 도체를 사용하며, 단상 응용을 위해 설계된다. XLPE 절연은 우수한 전기적 특성, 기계적 강도, 내구성을 제공하여 전력 송전에 적합하다.

초고압(EHV) 및 고압(HV) 송전망은 종종 "링" 구성을 채택한다. 그림 3에서 보여지는 것처럼, 이 구조는 상당한 복잡성을 특징으로 한다. 링 구성은 전력 분배의 신뢰성과 유연성을 향상시키며, 더 나은 부하 공유와 송전망의 유지보수 및 운영을 용이하게 한다. 고장이나 유지보수 작업 시 전력을 재경로할 수 있어 전력 공급의 중단을 최소화하고, 더 안정적이고 효율적인 송전 시스템을 보장한다.