가공전선로/철탑
작성일 : 2023년 11월 07일 (Tuesday)
차를 타고 고속도로를 지나다보면, 고개를 올려다 보면 까마득한 높이에 전선이 보이고, 저 멀리 내다보면 그 전선을 지탱하고 있는 철탑을 심심치 않게 발견할 수 있다. 그 철탑들에 연결된 전선에는 고압(66kV, 154kV, 345kV, 765kV)의 전기가 흐르고 있다. 그 전기는 배전용 변전소를 향하고, 변전소는 그 전달받은 전기를 22.9kV로 전압을 낮추고, 최종적으로 각 사용처 직전의 전주의 변압기가 220V로 변환시켜 사용처는 220V의 전기를 공급받는 형태이다.
고압 사용 이유
발전소에서 발전된 용량을 일부러 승압해서 송전하는 이유는 도선의 저항에 의한 손실을 최소화하기 위해서이다. 모든 도선에서 전압을 일정하게 유지해주기 위해서는 기전력이 필요한데, 도선에 저항과 비례한 손실, 도선 내 전계의 세기 등을 고려하면 전압을 높여서 송전하는 것이 이득이다. 하지만, 고압으로 송신하는 것에도 어느정도 한계가 있다. (전압이 높아질수록 줄열이 증가함) 따라서, 적당한 전압으로 승압하고, 허용전류 및 하중 등을 고려하여 적당한 도선을 선택해야 한다.
철탑의 종류
철탑은 사각 철탑, 방형 철탑, 우두형 철탑, 문형 철탑, 회전형 철탑, MC 철탑이 존재한다. 사각 철탑은 단면이 사각형인 철탑, 방형 철탑은 마주보는 두 면이 동일한 모양을 가진 것으로 직육면체의 형태를 가지고 있는 철탑을 말하고, 문형철탑은 간트리 타워라고도 하는데 아래에 화물 등이 지나다닐 수 있는 철탑을 말한다. 우두형 철탑과 회전형 철탑은 선의 간격을 사각철탑, 방형철탑과 대비하여 원래의 철탑 기둥의 너비보다 더 넓힐 수 있는 장점이 존재한다.
철탑은 용도에 따라서 A형(직선 철탑), B형(각도 철탑), C형(각도 철탑), D형(인류 철탑;불평균 장력을 버틸수 있는 철탑), E형(내장 철탑)으로 나눈다. A형은 직선 선로 (수평 각도가 3도 이하), B 형은 수평 각도 3도 초과시 사용되는 철탑, B형은 3도~20도에서 사용하고, C형은 20도 초과시 사용한다. D형은 전선로가 끝나는 지점에 적용하고, E형은 장경간이나 10기에 1기씩 기계적 강도를 보강시킬 때 사용된다.
애자 (insulator, 절연체)
전기기사에서는 한자어를 많이 다룬다. 애자는 전선에서 사용하는 절연체로 접시(Bowl)를 거꾸로 뒤집어서 여러개 겹쳐놓은 듯한 형태를 지닌다. 이 형태를 지닌 이유는 이 유튜브 쇼츠에 잘 설명되어 있으니 참고하자.
애자는 영상에서 보다시피 절연체이면서, 전선을 지지물에 원하는 높이로 고정하는 역할도 수행한다. 애자는 섬락 전압(전기 불꽃이 만들어 지는 전압) 에 따라 성능을 평가할 수 있는데 이는 유중 (절연유), 충격 (뇌충격), 건조, 주수(비온 뒤) 별로 나누어 평가한다. 종류에 관계없이 유중 > 충격 > 건조 > 주수 순으로 섬락전압이 낮아진다.
종류
애자의 종류는 용도에 따라서 다양하다. 아래는 위키피디아에 나오는 용도에 따른 구분이다. 현수애자, 장간애자, 내무애자는 현수애자와 형태가 거의 유사하다. 현수애자는 애자련의 개수에 따라서 모든 전압의 전선에 사용가능하고, 핀애자는 주로 66kV 이하의 선로에 사용된다.
- 송전선용
- 현수애자 : 일반 송전선용
- 장간애자 : 철도에서 주로 활용
- 내무애자 : 염분, 먼지, 안개 등으로 인한 습기 때문에 절연이 저하되는 것을 막으려고 설계한 애자
- 배전선용
- 핀애자
- 옥내배선용
- 놉애자
- 클리트 애자
- 차단기, 피뢰기용
- 지지애자
현수(Suspension) 애자
현수애자는 철탑에서 여러 개의 애자를 연결해서 늘어뜨린 형태로 사용하는 애자를 말한다. 즉, 애자련(連 : 잇닿을 련(연))을 사용하는 형태로 사용하려는 전선의 전압에 따라 애자련의 개수가 정해진다. 아래의 표는 250mm의 표준 애자 기준이다.
| 전압 (kV) | 22.9 | 66 | 154 | 345 | 765 |
|---|---|---|---|---|---|
| 애자 개수 | 2~3 | 4~6 | 9~11 | 18~23 | 38~43 |
현수애자에서 전압부담은 전선과 바로 맞닿아 있는 부분이 가장 크다. 아이러니 하게도, 전압부담이 최소인 애자는 철탑에서 가장 가까운 애자가 아닌 전선으로부터 $\frac{2}{3}$되는 지점이라고 한다.
장간애자 / 내무애자
장간애자는 장경간에 사용되는 애자를 말하고, 내무애자는 안개 등에 내성이 있도록 제작된 애자를 말한다. 두 애자는 형태가 유사하다.
핀애자
핀애자는 애자에 핀을 넣고 부착하는 형태이다. 주로 도체에서 지면으로의 누설을 방지하기 위한 애자이다. 건축물 등에 핀을 꽂고, 전선을 지지하는 역할을 수행한다.
놉(knob) 애자 / 클리트 애자
놉애자 역시 핀애자와 마찬가지로 전선과 전선 간에 설치하는 애자가 아닌, 전선과 지면 사이에 설치되는 애자이다. 구조 상 실내에서만 사용가능하다.
클리트 애자는 두 전선을 각 홈에 끼워서 절연시키는 형태로, 실내에서 사용되는 형태이다.
지지 (POST) 애자
지지 애자는 말 그대로 연결된 전선 등을 지지할 수 있는 애자로 영어로는 Post Insulator 라고 한다. 즉, 기둥형 애자이다.
보호
애자는 위에서 설명했다시피 전선과 전선, 전선과 지면 사이에 누설이 발생하지 않도록 하는 역할을 수행한다. 따라서, 번개와 같은 외부적인 요소로부터 회로를 보호하는 것이 목적이 아니기에 애자를 번개 등으로부터 보호하기 위해서 초호각/소호각(Arching horn)을 사용한다.
또한, 바람으로부터도 보호가 필요하다. 바람이 불어서 전선이 흔들리면 순간적으로 장력이 커져서 단선 사고가 발생할 수 있고, 철탑에도 무리가 갈 수 있다. 따라서, 전선의 흔들림 (진동)을 방지하기 위해서 댐퍼(Damper), 아머로드(Armour Rod), 클램프 등을 사용한다.
가공 전선의 설치 방법 : 이도
철탑을 전선으로 연결할 때, 일직선으로 연결하지 않고 보통 약간 늘어뜨린 형태로 연결한다. 철탑과 철탑간을 일직선으로 연결했을 때의 최고점 대비 내려온 높이를 이도(Dip)라고 한다. 이도가 너무 작으면, 전선의 장력이 증가해서 단선 사고의 위험이 있으므로 적당한 이도를 갖도록 해야 한다.
이도와 관련된 공식들은 다음과 같다.
$$ D = \frac{WS^{2}}{8T} $$
$$ T = \frac{인장 하중}{k} $$
$$ L = S + \frac{8D^{2}}{3S} $$
$$ h = H - \frac{2}{3}D $$
이도 공식
위 식에서 길이의 단위는 m, 무게의 단위는 kg이다. D는 이도, W는 전선 1m 당 무게, S는 두 철탑 경간, T는 전선의 수평 장력, k는 안전율, H는 지지점(철탑에서 전선이 연결된 곳)의 높이, L은 전선의 길이, h는 지지점의 평균 높이를 의미한다.
안전율은 도선의 종류에 따라 다른데, 안전율이 클수록 이도는 커져야 한다.
전선 하중 계산 방법
전선의 하중은 벡터 연산으로 계산하면 된다. 전선 위에 눈이나 얼음 등이 쌓인 경우는 전선의 무게에 그 무게까지 합산하여 계산한다. 바람이 불면, 바람에 의한 하중을 더하면 된다.
겨울철 단락 사고 보호
겨울철에 전선위 눈이 녹아서 고드름이 형성되는 경우에 다른 상의 전선과 단락사고를 일으킬 수 있는데 이를 방지하기 위해 L1, L2, L3 상이 서로 단락되지 않도록 서로 오프셋을 준다. 예를 들어서, 철탑에서 L1은 L2 대비 -1m, L3는 L2 대비 +1m 해주면 고드름이 수직으로 형성되어도 단락되지 않는다.
