[논문]제주와 강원 지역의 낙뢰특성 및 풍력발전기의 낙뢰피해 비교 연구

양달승; 김경보; 고경남

doi:10.9726/kspse.2014.18.5.137

제주와 강원 지역의 낙뢰특성 및 풍력발전기의 낙뢰피해 비교 연구
A Comparative Study on Lightning Characteristics and Lightning Damage to Wind Turbines of Jeju and Gangwon Region 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.5, 2014년, pp.137 - 143

양달승 (한국남부발전(주) 남제주화력발전소) , 김경보 (제주지역사업평가원) , 고경남 (제주대학교 대학원 풍력공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

An investigation on lightning characteristics and damage to wind turbines was performed on Jeju and Gangwon regions. The lightning data from January 2010 to September 2013 detected by IMPACT ESP were collected and analyzed in detail. Hangyeong and Seongsan wind farms of Jeju province and Taebaek, Changjuk, Taegisan and Gangwon wind farms of Gangwon province were selected for this study. Lightning rates and lightning damage events at the six wind farms were compared with each other. Lightning maps for the two regions were drawn using lightning frequency data. As a result, lightning frequency of Gangwon region was higher than that of Jeju region, while lightning strength of Gangwon was weaker than that of Jeju. Lightning rates were assessed to be good for all of the six wind farms. No lightning damage to wind turbines occurred at the two wind farms of Jeju, while some lightning damage to wind turbines took place at the four wind farms of Gangwon.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 우리나라에서 가장 많은 풍력발전 용량을 보유하고 있는 제주도와 강원도에서의 낙뢰특성 및 이로 인한 풍력발전기의 피해 사례를 비교하고, 나아가 두 지역에서의 낙뢰피해 대책을 세울 때 도움이 되는 분석 결과를 제공하고자 한다.

제안 방법

이 연구에서는 풍력단지설계 S/W인 WindPRO에서 낙뢰율을 평가하는 방식에 따라 낙뢰율이 20을 초과하면 Critical, 10 ~ 20인 경우 Caution, 10보다 작으면 Good으로 평가하였다.¹¹⁾이 연구에서 2013년에는 9월까지만 낙뢰 데이터가 취득되었으므로, 부족한 나머지 10월 ~ 12월의 낙뢰횟수는 이전 3년간 같은 달 동안 발생한 낙뢰 비율의 평균으로 보상하여 전체 낙뢰율을 계산하였다.
낙뢰율은 단위 km² 당 1년에 몇 번 낙뢰가 발생하는지를 나타낸다. 풍력단지의 낙뢰영향범위 설정은 풍력단지에서 동, 서, 남, 북으로 가장 먼 거리에 위치한 풍력발전기를 기준으로 사각형 범위를 만들고, 그 경계선으로부터 풍력발전기의 최고 높이의 3배 떨어진 사각형을 낙뢰율 평가 면적으로 정하였다.⁴⁾

대상 데이터

전국 7개소에 설치되어 있는 이 장비의 낙뢰 위치 탐지 정확도는 육상에서 500 m 이내이고, 탐지 효율은 90% 이상이다.¹⁰⁾ 이 연구에서는 이로부터 탐지된 최근 3년 9개월(2010년 1월 ~ 2013년 9월)동안의 낙뢰데이터를 기상청으로부터 제공받아 분석하였다.
Fig. 1은 본 연구에서 설정한 제주 지역의 범위 이며 육, 해상을 포함하는 북위 33°06‘~33°36’, 동경 126°06‘~127°00’ (면적: 5,574 ㎢)이다.
북위 37°00‘~37°45’, 동경 128°06’~ 129°06‘ (면적: 7,351 ㎢)범위이고, 연구대상 풍력 단지들은 강원(GW), 태기산(TGS), 태백(TB) 및 창죽(CJ) 풍력단지를 포함한다.

성능/효과

(1) 제주 지역과 강원 지역에서 시간대별 낙뢰 발생비율은 대체로 반대 경향을 보여주었다. 낙뢰 발생 빈도는 강원 지역이 제주 지역에 비해서 높았으나 낙뢰강도는 제주 지역이 강원 지역 보다 높았다.
(2) 낙뢰율은 연구대상 6개의 풍력단지 모두 우수한 Good이였다. 제주도의 한경 풍력단지가 가장 낮은 낙뢰율을 보인 반면, 강원도의 태기산 풍력단지가 가장 높은 낙뢰율을 보였다.
6 kA인 ±0 등급에서 ±1000 kA 이상인 ±15 등급 까지 있고 절대 값이 큰 등급일수록 낙뢰강도가 높다.⁸⁾ 두 지역 모두 정극성(+) 낙뢰에 비해 부극성(-) 낙뢰가 높은 빈도를 보이고 있다. 또한 낙뢰 강도는 정극성과 부극성 모두 제주 지역이 강원 지역보다 높다.
(2) 낙뢰율은 연구대상 6개의 풍력단지 모두 우수한 Good이였다. 제주도의 한경 풍력단지가 가장 낮은 낙뢰율을 보인 반면, 강원도의 태기산 풍력단지가 가장 높은 낙뢰율을 보였다. 제주 지역의 한경 및 성산 풍력단지에서는 낙뢰로 인한 풍력발전기의 피해가 없었고, 강원 지역의 4개 풍력 단지에서는 한 번 이상 낙뢰로 인한 피해가 발생하였다.
해에 따라 낙뢰발생 횟수가 불규칙한 경향을 보이고 있다. 제주지 역은 3년 9개월 동안 총 25,667회 낙뢰가 발생했으며 강원지역은 총 62,269회 발생하였으므로, 강원도의 면적이 제주도의 1.32배인 것에 비해 발생 횟수는 2.43배인 것을 알 수 있다.

후속연구

(3) 제주도가 강원도에 비해 낙뢰율이 낮지만 낙뢰피해로부터 안전한 지역이라고 할 수는 없으며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
특히 제주도 동쪽 육상 및 해상에서는 낙뢰 횟수가 1,000회 이상 급격히 증가하고 있다. 따라서 향후 제주도 동쪽 지역에 풍력단지를 건설할 경우 낙뢰에 대한 대비를 철저히 해야 할 것이다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	낙뢰로 인한 풍력발전기의 피해를 최소화하고 낙뢰보호 기술 표준을 확립하고자 무엇을 제정하였나?	이러한 낙뢰로 인한 풍력발전기의 피해를 최소화하고 낙뢰보호 기술 표준을 확립하고자 국제전 기기술위원회(IEC)에서는 2002년에 낙뢰보호에 관한 기술시방서를 발간하였고, 2010년에는 국제표준인 IEC 61400-24를 제정하였다. 4)
	제주도와 강원도에서의 낙뢰특성 및 풍력발전기의 낙뢰 피해 비교 연구 결과는?	(1) 제주 지역과 강원 지역에서 시간대별 낙뢰 발생비율은 대체로 반대 경향을 보여주었다. 낙뢰 발생 빈도는 강원 지역이 제주 지역에 비해서 높았으나 낙뢰강도는 제주 지역이 강원 지역 보다 높았다. 제주도는 동쪽 지역일수록 낙뢰가 많이 발생한 반면, 강원도에서는 서쪽 지역일수록 낙뢰가 많이 발생하였다. (2) 낙뢰율은 연구대상 6개의 풍력단지 모두 우수한 Good이였다. 제주도의 한경 풍력단지가 가장 낮은 낙뢰율을 보인 반면, 강원도의 태기산 풍력단지가 가장 높은 낙뢰율을 보였다. 제주 지역의 한경 및 성산 풍력단지에서는 낙뢰로 인한 풍력발전기의 피해가 없었고, 강원 지역의 4개 풍력 단지에서는 한 번 이상 낙뢰로 인한 피해가 발생하였다. 태기산 및 강원 풍력 발전단지에서는 직격뢰에 의한 블레이드의 손상이 발생하였고, 태백및 창죽 풍력단지의 경우는 유도뢰에 의한 서지의 영향으로 전기, 전자, 제어, 통신기기의 손상이 발생하였다. (3) 제주도가 강원도에 비해 낙뢰율이 낮지만 낙뢰피해로부터 안전한 지역이라고 할 수는 없으며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
	풍력발전기의 피해 부위는?	1) Nakao 2) 는 2004 년부터 2007년까지 일본에 설치된 풍력발전기 3,618기에 대한 고장 및 사고원인을 조사한 결과 낙뢰로 인한 고장이 가장 많았다고 보고 하였다.또한 덴마크, 독일, 스웨덴에서의 조사 결과에 따르면 낙뢰가 원인이 되어 발생하는 풍력발전기의 피해 부위는 주로 블레이드, 전력시스템, 제어시스템으로 분류할 수 있었다. 3)

참고문헌 (12)

B. McNiff, 2002, "Wind Turbine Lightning Protection Project 1999-2001", National Renewable Energy Laboratory, pp.12.
Nakao tooru, 2011, Phenomenon of failures and accidents in wind power plant, p.6.
Eunshin Byon, Yu Ding, 2010, "Optimal Maintenance Strategies for Wind Turbine Systems Under Stochastic Weather Conditions", IEEE Transations on Reliablility, pp. 4-6.
IEC 61400-24, 2010, "Wind Turbine - Part 24: Lightning Protection"
K. N. Ko, M. H. Park and J. C. Huh, 2013, "An Analysis of Wake Effect in a Wind Farm", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 17, No. 2, pp.13-20.

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B. S. Kim, W. J. Kim, S. Y. Bae, J. H. Park and M. E. Kim, 2011, "Aerodynamic Design and Performance Analysis of Multi-mw Class Wind Turbine Blade", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.25, No.8, pp.1-9.

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K. H. Lee, J. H. Park, J. W. Jin, K. R. Kwon and K. H. Choi, 2012, "Economic Analysis of Jeju Offshore Pilot Run Wind Farm by Sensitivity Analysis", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 16, No. 5, pp.13-19.

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K. N. Ko, K. B. Kim and J. C. Huh, 2008, "Characteristics of Lightning Occurred over Jeju Island for 2004-2006 and an Effect of Lightning on Wind Turbine Generator System", Journal of the Korean Solar Energy Society, pp. 82-90.
J. H. Han, K. N. Ko and J. C. Huh, 2013, "Lightning Characteristics and Lightning Rate Evaluation of Wind Farm by Lightning of Jeju Island for 2008-2012", Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 33, No. 5, pp. 60-68.

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Jung Eun-Sil, Lee Jong-Ho, Kim Byeongsun, Kwon Doosun, 2002, "Characteristics of Total Lightning Detection System and Data Usage Plan", Atmosphere, Vol.12, No.3, pp.580-583.
WindPRO Online help, http://help.emd.dk/knowledgebase/.
D. A. Rivkin and Laurel Silk, 2013, "Wind Turbine Operations, Maintenance, Diagnosis, and Repair", Jones & Bartlett Learning, Massachusetts, pp.139-148.

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