공중 전력선 및 탑: 유형 설계 및 안전
초고압 교류 변전소 외에도 더 자주 마주치는 것은 전력 송배전선입니다. 높은 탑이 산과 바다를 가로지르며 멀리까지 이어져 도시와 마을에 도달합니다. 이 또한 흥미로운 주제입니다—오늘은 송전선과 그를 지탱하는 탑에 대해 알아보겠습니다.
전력 송전 및 배전
먼저 전력이 어떻게 공급되는지 이해해봅시다. 전력 산업은 주로 발전, 송전, (변전) 배전, 소비의 네 단계로 구성됩니다.
발전에는 다양한 종류의 발전기가 포함됩니다—석탄화력이나 수력 발전소와 같은 전통적인 것부터 풍력 및 태양광 에너지와 같은 현대적인 것까지 모두 발전 범주에 속합니다.
송전은 송전선과 탑을 통해 이루어집니다.
변전(또는 변환)은 주로 변압기를 사용합니다. 발전소에서의 승압 변압기는 장거리 송전을 위해 전압을 높이고, 배전 측에서는 지역 배전망과 최종 사용자에게 적합한 전압으로 낮춥니다.
배전은 소비자 측에서 다양한 승압 변압기, 중·저압 장비, 스위치 기어, 배선 등을 포함합니다.
소비는 가정용 전기 제품뿐만 아니라 시설, 건물, 산업 시설 등에서의 전력 사용을 의미합니다.
구조적으로 보면, 송전선은 주로 두 가지 유형으로 나뉩니다: 상공 송전선과 케이블 선로입니다. 아래는 전력 송전 시스템의 도식도입니다:
장거리 전력 송전에 적합한 전압 수준은 무엇일까요? 송전 손실을 줄이고 효율성을 높이기 위해 보통 500 kV 이상의 교류 전압이 사용됩니다. 500 kV에서 750 kV 사이의 전압은 초고압(EHV) AC 송전으로 분류되며, 1000 kV AC 시스템은 초고압(UHV) AC 송전으로 알려져 있습니다. 반면 중압부터 110 kV–330 kV 범위의 선로는 일반적으로 배전선으로 분류됩니다. 이러한 분류는 증가하는 전력 수요, 시스템 용량, 지역 에너지 분포 패턴에 따라 달라질 수 있습니다.
전압 수준은 선간 전압을 의미합니다—즉, 세 개의 위상(A, B, C) 중 어느 두 위상 간의 전압입니다. 가정에서 사용하는 220 볼트는 위상 전압이며, 한 위상과 지면 간의 전압입니다. 실제로 주거용 전력 공급은 380 볼트 선간 전압 시스템에서 시작됩니다. 건물 입구에서 세 위상(A, B, C)이 분리되어 각 위상이 주거 건물의 다른 단위를 공급할 수 있습니다. 도시나 주택 단지에서 흔히 볼 수 있는 사각형 상자 구조는 패드 마운트(또는 상자형) 변전소입니다(아래 그림 참조).
상자형 변전소는 중압 장비, 변압기, 저압 배전 장치를 통합합니다. 도시 중압 배전망(보통 10 kV 또는 20 kV)을 주거용 또는 시설용으로 적합한 380 V 전력으로 변환합니다. 배선을 보지 못할 수도 있는데, 중국의 도시 배전망은 대부분 지하 케이블을 사용하기 때문입니다. 그러나 일부 오래된 주거 지역이나 농촌 지역에서는 변압기와 연결된 상공선로가 건물이나 개인 소비자에게 연결되는 것을 볼 수 있습니다.
개방 공간에서는 우리가 흔히 보는 상공 송전선은 탑과 도체로 구성됩니다. 다양한 탑 유형이 있으며, 송전선은 직류(DC) 또는 교류(AC)로 분류됩니다.
중국의 전력 생산과 소비는 지리적으로 불균형적입니다. 석탄, 풍력, 태양광, 수력 등의 풍부한 에너지 자원은 서부 광활한 지역에 집중되어 있지만, 주요 부하 중심지는 수천 킬로미터 떨어진 중앙 및 동부 지역에 위치해 있습니다. 이러한 지리적 불일치는 장거리 전력 송전이 필수적인 해결책이 됩니다.
최근 대규모 풍력 및 태양광 기지의 급속한 발전에 따라 장거리 전력 송전의 수요가 계속 증가하고 있습니다. 전력 공급의 척추인 초고압(UHV) 그리드 건설이 가속화되면서 중국의 에너지 전환과 지속 가능한 발전에 강력한 동력을 제공하고 있습니다. 이러한 모든 장거리 송전 시스템은 송전탑과 상공선로를 통해 그리드를 연결합니다.
상공 송전선
상공 송전선은 절연체와 하드웨어를 사용하여 탑에서 도체를 매달아 도체와 지면 또는 건물 사이의 안전한 거리를 확보합니다. 송전선의 주요 기능은 전기 에너지를 전달하고 발전소와 변전소를 연결하며 병렬 운전을 가능하게 하고 전력 시스템을 통합된 네트워크로 결합하는 것입니다.
상공선로는 투자 비용이 낮고 건설이 빠르며 설치가 간단하고 고장 및 위험 요소를 쉽게 식별할 수 있으며 유지 보수가 쉽다는 장점이 있습니다. 장거리 송전에 있어 상공선로는 높은 전력 용량으로 인해 주로 사용됩니다. 송전 거리가 길수록 요구되는 전압 수준이 높아집니다.
그러나 상공선로는 널리 분포되어 있고 야외 환경에서 지속적으로 작동하므로 주변 조건과 자연 요인에 자주 영향을 받습니다. 이를 통해 번개, 바람, 얼음 축적, 오염 플래시오버, 외부 간섭, 도체 진동, 새 관련 사고 등 다양한 운영 고장이 발생합니다.
또한, 고압 스위치 기어를 작업할 때 엔지니어들은 주로 고압(HV), 초고압(EHV), 초고압(UHV) 시스템을 다루는데, 대부분 이러한 시스템은 상공선로를 통해 연결됩니다. 따라서 고압 장비의 기술 요구 사항은 선로 상태—예를 들어 작동 환경 및 서비스 조건—과 밀접하게 관련되어 있습니다. 상공선로의 특성과 고장 행동을 이해하는 것이 고압 장비의 기술 사양을 이해하는 데 필수적입니다.
상공 송전선 구성 요소
상공 송전선의 주요 구성 요소는 기초, 탑, 도체, 절연체, 하드웨어(피팅), 번개 방호 장치(예: 상공 접지선, 서지 아레스터), 접지 시스템입니다. 현대적인 선로는 OPGW와 전력선 통신 시스템과 같은 보조 구성 요소도 포함할 수 있습니다.
(1) 도체
도체는 전류를 전송하고 전기 에너지를 전달합니다. 표준 선로에서는 각 위상당 하나의 도체가 일반적입니다. 그러나 EHV 및 고용량 송전선의 경우 두 개, 세 개, 네 개 이상의 부도체(주로 원형 배열)를 사용하는 복합 도체가 일반적으로 채택됩니다. 이렇게 하면 코로나 방전을 줄이고 전력 손실을 최소화하며 라디오, 텔레비전, 기타 통신 신호에 대한 간섭을 줄입니다.
(2) 차폐(접지)선 및 접지 시스템
차폐선은 송전탑의 상단에 매달려 각 탑의 접지 시스템과 다운 컨덕터를 통해 연결됩니다. 번개가 칠 때 차폐선은 위상 도체 위에 위치하여 번개를 가로채 접지 시스템을 통해 지면으로 안전하게 전류를 분산시킵니다. 이렇게 하면 도체에 직접 번개가 칠 확률을 줄이고 선로 절연체가 과전압 손상을 입지 않도록 보호하여 안정적인 작동을 보장합니다. 차폐선은 일반적으로 110 kV 이상의 선로 전체 길이에 설치되며 주로 도금 강철 줄로 만들어집니다.
(3) 탑(피론)
탑은 도체와 차폐선 및 관련 하드웨어를 지탱하고 도체, 탑, 지면, 교차 구조물 또는 건물 사이의 안전한 전기 간격을 유지합니다.
(4) 절연체 및 절연체 줄
절연체는 송전선의 주요 절연 구성 요소입니다. 절연체는 도체를 지탱하거나 매달아서 탑과 전기적으로 분리하여 신뢰할 수 있는 유전강도를 보장합니다. 기계적 스트레스, 전기 전압, 부식성 대기 가스에 노출되어 있어 절연체는 충분한 기계적 강도, 절연 성능, 열화 저항성을 가져야 합니다.
(5) 하드웨어(피팅)
송전선 하드웨어는 도체와 접지선을 지지, 고정, 연결, 보호하는 중요한 역할을 합니다. 견고하고 신뢰할 수 있는 연결을 보장합니다. 하드웨어는 기능에 따라 5가지 주요 유형으로 분류됩니다: 선 클램프, 커넥터 피팅, 스플라이스 피팅, 보호 피팅, 가이 와이어 피팅.
(6) 기초
기초는 탑을 지면에 고정하여 기울거나 무너지거나 침하되지 않도록 합니다.
이러한 구성 요소들에 대해 추후 논의에서 자세히 살펴보겠습니다.
(7) 탑(피론)
송전선과 탑은 다양한 유형이 있으며, 전압 수준은 1000 kV까지 도달합니다. 탑 재료에는 목재, 콘크리트, 강철 격자, 강관 구조물이 포함되며, 형태와 디자인은 다양합니다. 송전선의 목적은 최소한의 손실로 한쪽에서 다른 쪽으로 전력을 전달하는 것입니다. 따라서 동일한 전압 클래스 내에서 선로는 임피던스를 최소화하고 도체 단면적을 최대화하도록 설계됩니다. 탑은 선로를 지지하고 접지 고장의 원인이 될 수 있는 다른 도체 물체와의 접촉을 방지하기 위해 높고 구조적으로 안정적으로 건설됩니다. 아래 이미지는 일반적인 탑 유형을 보여줍니다.
공학 응용에서 실제 기능에 따라 탑은 여러 유형으로 분류됩니다: 직선(현수) 탑, 각도(코너) 탑(방향 변경용), 종단 탑(변전소 연결용), 전위 탑(위상 회전용), 대폭 탑(대형 강, 호수, 해협 횡단용). 각 탑의 기초에는 기초가 있습니다. 도체는 절연체 줄을 통해 크로스암에 매달립니다.
강철 격자 탑을 자세히 보면 양쪽으로 작은 "뿔"이 위로 뻗어 있는 것을 볼 수 있습니다. 이는 전력 송전을 위한 것이 아니라 번개 방호용 상공 접지선(차폐선)입니다.
송전탑은 다양한 형태를 가지고 있습니다. 단일 회로 선로의 경우, 수평으로 배열된 도체를 가진 "와인글라스" 타입과 삼각형 도체 배열을 가진 "캣헤드" 타입이 일반적입니다. 제한된 통행권이 있는 지역이나 경제적으로 발달한 지역에서는 땅이 부족하여 동일한 구조에서 두 개 또는 네 개의 회로를 운반하는 컴팩트 탑이 자주 사용됩니다. 초고압(UHV) DC 송전선의 경우, 양극과 음극이 각각 한쪽에 걸쳐있는 T형 탑도 있습니다.
송전선 통로는 고압 상공 전력선의 가장 바깥쪽 도체로부터 측면으로 확장되는 띠 모양의 영역을 의미합니다. 그 폭은 전압 수준에 따라 결정되며 전력시설 보호 규정에 따라 규제됩니다. 예를 들어, 500 kV 선로의 보호 구역은 20미터 너비입니다. 이 구역 내에서는 제한된 농작 활동은 허용되지만, 가연성 물질을 쌓거나 건물을 짓는 것은 엄격히 금지됩니다.
또한, 송전탑에 설치된 많은 스파이크 형태의 장치와 작은 "풍차" 장치를 보았을 수도 있습니다. 이것들은 무엇을 위한 것일까요? 이것은 모두 새를 방지하기 위한 것입니다! 새 방지 스파이크는 새가 둥지를 짓는 것을 막고, 작은 회전 "풍차" 장치는 새를 쫓아내는데, 이러한 장치는 일반적으로 탑에 설치됩니다.
송전탑의 구조는 새가 둥지를 짓기에 이상적인 장소를 제공합니다. 그러나 새의 배설물은 도전성이 있습니다. 절연체 줄에 배설물이 묻으면 도체와 지면 사이에 도전 경로가 형성되어 플래시오버, 접지 고장, 심지어 위상 간 단락을 일으킬 수 있습니다. 따라서 전력선은 "분노한 새"에 매우 취약합니다. 또한, 송전선(또는 통로) 근처의 높은 나무도 안전 운전을 위협할 수 있으므로, 예를 들어 지상 간격 위반이나 단락을 일으키는 것으로 정기적으로 가지치기가 필요합니다.
