최근 제주도를 비롯한 도서지역의 전력 사용량 증가 및 해상풍력 발전단지 개발 등으로 인해 해저 동력케이블의 신규 설치가 검토되고 있다. 해저에 설치되는 동력케이블의 보호를 위해서는 선박의 투묘, 주묘, 어로 작업 등에 대한 특성을 기반으로 매설 깊이를 산출해야 한다. 그러나 우리나라는 아직까지 해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 규모와 관련된 설계기준이 전무한 실정이다. 본 연구에서는 해저 동력케이블과 유사한 국내 해저배관의 보호를 위한 설계기준을 분석하고, 동력케이블의 설치 환경을 고려한 긴급 투묘의 형태별 분류를 토대로 위험도매트릭스 모델을 개발하여 보호 대상 선박의 규모를 해당 해역을 통항하는 선박의 크기별 누적함수 규모에 따라 설계하였다. 해저 동력케이블 보호 기준에는 설치 해역의 수심과 조류 등의 환경 조건, 투묘와 주묘 등과 같은 해양사고 조건 등을 연계하였고, 선박의 운항 환경을 항계, 연안해역과 근해해역으로 구분하여 동력케이블의 구체적인 보호 대상 선박의 규모를 검토하였다. 대상 선박의 규모 결정에 대한 적정성 및 유용성 차원에서 완도에서 제주구간에 신설 예정인 제3호 해저 동력케이블에 적용하여 검증하였다. 이러한 해저 동력케이블과 해저배관 등의 보호를 위한 대상 선박의 선정 기준은 향후 매설깊이 설정에 따른 앵커 중량 선정은 물론 해저케이블 물리적 보호시스템 개발에도 활용될 것으로 기대된다.
최근 제주도를 비롯한 도서지역의 전력 사용량 증가 및 해상풍력 발전단지 개발 등으로 인해 해저 동력케이블의 신규 설치가 검토되고 있다. 해저에 설치되는 동력케이블의 보호를 위해서는 선박의 투묘, 주묘, 어로 작업 등에 대한 특성을 기반으로 매설 깊이를 산출해야 한다. 그러나 우리나라는 아직까지 해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 규모와 관련된 설계기준이 전무한 실정이다. 본 연구에서는 해저 동력케이블과 유사한 국내 해저배관의 보호를 위한 설계기준을 분석하고, 동력케이블의 설치 환경을 고려한 긴급 투묘의 형태별 분류를 토대로 위험도 매트릭스 모델을 개발하여 보호 대상 선박의 규모를 해당 해역을 통항하는 선박의 크기별 누적함수 규모에 따라 설계하였다. 해저 동력케이블 보호 기준에는 설치 해역의 수심과 조류 등의 환경 조건, 투묘와 주묘 등과 같은 해양사고 조건 등을 연계하였고, 선박의 운항 환경을 항계, 연안해역과 근해해역으로 구분하여 동력케이블의 구체적인 보호 대상 선박의 규모를 검토하였다. 대상 선박의 규모 결정에 대한 적정성 및 유용성 차원에서 완도에서 제주구간에 신설 예정인 제3호 해저 동력케이블에 적용하여 검증하였다. 이러한 해저 동력케이블과 해저배관 등의 보호를 위한 대상 선박의 선정 기준은 향후 매설깊이 설정에 따른 앵커 중량 선정은 물론 해저케이블 물리적 보호시스템 개발에도 활용될 것으로 기대된다.
Recently, the installation of submarine power cables is under consideration due to the increase of electric power usage and the development of the offshore wind farm in island areas, including Jeju. In order to protect power cables installed on the seabed, it is necessary to calculate the burial dep...
Recently, the installation of submarine power cables is under consideration due to the increase of electric power usage and the development of the offshore wind farm in island areas, including Jeju. In order to protect power cables installed on the seabed, it is necessary to calculate the burial depth based on the characteristics of anchoring, dragging and fishing, etc. However, there is no design standard related to the size of target ships to protect the cables in Korea. In this study, we analyzed the design standards for the protection of domestic submarine pipelines similar to submarine cables, and developed the risk matrix based on the classification by emergency anchoring considering the installation environment, then designed the size of target ships according to the cumulative function scale by ship size sailing through the sea concerned. Also, we linked marine accident conditions, such as anchoring, dragging, etc. and the environmental conditions such as current, sea-area depth of installation etc. to the criteria of the protection of submarine cable, and examined the size of specific target ships by dividing the operating environment of ships into harbor, coastal and short sea. To confirm the adequacy and availability of the size of target ships, we verified this result by applying to No. 3 submarine power cables, which is to be installed in the section from Wando to Jeju Island. This result is expected to influence in the development of a protection system for submarine cables and pipelines as well as the selection of anchor weight according to the determination of burial depth.
Recently, the installation of submarine power cables is under consideration due to the increase of electric power usage and the development of the offshore wind farm in island areas, including Jeju. In order to protect power cables installed on the seabed, it is necessary to calculate the burial depth based on the characteristics of anchoring, dragging and fishing, etc. However, there is no design standard related to the size of target ships to protect the cables in Korea. In this study, we analyzed the design standards for the protection of domestic submarine pipelines similar to submarine cables, and developed the risk matrix based on the classification by emergency anchoring considering the installation environment, then designed the size of target ships according to the cumulative function scale by ship size sailing through the sea concerned. Also, we linked marine accident conditions, such as anchoring, dragging, etc. and the environmental conditions such as current, sea-area depth of installation etc. to the criteria of the protection of submarine cable, and examined the size of specific target ships by dividing the operating environment of ships into harbor, coastal and short sea. To confirm the adequacy and availability of the size of target ships, we verified this result by applying to No. 3 submarine power cables, which is to be installed in the section from Wando to Jeju Island. This result is expected to influence in the development of a protection system for submarine cables and pipelines as well as the selection of anchor weight according to the determination of burial depth.
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문제 정의
해저 동력케이블 보호적인 측면에서는 최대 선박으로 결정하는 것이 바람직하나 경제성과 기술적인 측면에 한계가 존재하기 때문에 일률적 적용은 현실적으로 어렵다. 따라서 실질적인 앵커 투묘 가능성과 불확실성에 적용 가능한 확률모델을 구축하는 정량적 평가 기법을 검토한다.
후속 연구로 해상풍력 발전단지의 해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 선정 등에 활용 가능 여부를 점진적으로 검증할 계획이다. 또한, 절대적인 보호가 요구되는 해저동력케이블과 해저 파이프라인 등의 설계기준으로 확장될 수 있도록 앵커 투묘와 관련한 불확실성에 대한 이론적 모델을 개발하고자 한다.
해저 동력케이블의 보호 및 설계기준과 관련하여 국내에서 설계기준은 전무한 상태이며, 과거 경험적 방법과 해외 사례를 중심으로 설치되고 있다. 본 연구에서는 해저 동력케이블 설치 해역의 구간별 특성, 선박 통항량 기반의 TCP, 해양사고, 환경 요소 등을 종합적으로 고려한 평가 매트릭스 기반의 보호 수준을 선택하여 대상 선박을 선정하는 방안을 제안하였다.
이에 따라 본 연구에서는 국내외 해저 동력케이블 설계기준을 분석하고, 설치 해역의 선박 통항량, 해양사고, 항행 환경 특성 등을 반영한 통항 선박의 누적통계함수 기반의 대상 선박을 결정하는 보호 대상을 제안하였다. 또한, 제주~완도구간의 설치 예정인 제3호 해저 동력케이블에 본 연구 내용을 적용하여 각 구간별 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 규모를 선정하고 연구 결과의 타당성을 검증하였다.
제안 방법
(2) 통항 선박에 대한 조사 분석에 따른 누적확률함수(Traffic Cumulative Possibility, TCP)을 바탕으로 대상 선박의 선정규모를 TCP100, TCP ME, TCP90, TCP50, TCP mode로 구분하여 제시하였다. 또한, 2017년 우리나라 입항 선박에 대한 톤수별 TCP를 산출하여 최근 5년 해양사고 발생 톤수별 빈도함수와 연계하여 TCP90과 TCP50의 타당성을 확인하였다.
(3) 해저 동력케이블의 설치 해역의 특성, 선박 통항량에 따른 투묘 가능성과 개연성을 기반으로 위험도 평가 매트릭스를 개발하여 5단계의 보호 수준을 결정하였다. 동력케이블의 설치 해역, 해양사고 분석 및 선박 통항에 대한 TCP 산출이 확정되면 보호 수준에 따른 대상 선박의 규모가 선정되도록 기준을 제안하였다.
대상 해역의 구간별로 교통조사 결과를 분석하여 대형선으로부터 누적확률함수(Traffic Cumulative Possibility, TCP)을 이용한다. 이는 앵커 투묘 가능성 또는 위험성에 따른 합리적인 보호 수준이 확인되면, TCP 레벨에 따라 대상 선박의 규모를 확정하는 결정론적 방식으로 Table 1과 같이 구분된다.
(3) 해저 동력케이블의 설치 해역의 특성, 선박 통항량에 따른 투묘 가능성과 개연성을 기반으로 위험도 평가 매트릭스를 개발하여 5단계의 보호 수준을 결정하였다. 동력케이블의 설치 해역, 해양사고 분석 및 선박 통항에 대한 TCP 산출이 확정되면 보호 수준에 따른 대상 선박의 규모가 선정되도록 기준을 제안하였다.
이에 따라 본 연구에서는 국내외 해저 동력케이블 설계기준을 분석하고, 설치 해역의 선박 통항량, 해양사고, 항행 환경 특성 등을 반영한 통항 선박의 누적통계함수 기반의 대상 선박을 결정하는 보호 대상을 제안하였다. 또한, 제주~완도구간의 설치 예정인 제3호 해저 동력케이블에 본 연구 내용을 적용하여 각 구간별 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 규모를 선정하고 연구 결과의 타당성을 검증하였다.
Kim(2000)은 해당 해역의 조류에 의한 해저의 침식, 닻에 의한 해저충격력, 닻의 파주 깊이를 기초로 해저구조물의 안전성을 평가하였다. 이에 따라 앵커의 종류와 선박 재화중량톤수에 따른 매설깊이를 다음과 같이 ASS형과 AC-14형으로 구분하여 제안하였다.
해저 동력케이블 설치 예정 해역에 대한 최근 10년간의 해양사고 유형별, 선박 규모별, 사고 원인별 조사·분석을 실시해야 한다.
1) 해역
해저 동력케이블 설치 해역을 선박의 통항량과 연계하여 3개 Level로 구분하였다. Level 1은 국내 연안항의 항계까지의 수역으로 선박의 투묘 가능성이 매우 높은 해역이다.
이론/모형
대상 선박의 규모 선정을 위해서는 매설 예정 해역을 중심으로 인근 3마일 범위 내에 최근 1년 동안의 교통량 또는 각 계절별 최소 3일 이상의 통항 선박을 심층적으로 조사분석해야 한다. 구체적인 해상교통량 조사 및 분석 방법 등은 현재 시행되고 있는 해상교통안전진단의 해상교통관측 조사(Ministry of Oceans and Fisheries, 2017b) 방법을 이용한다.
영국과 스코틀랜드 정부에서 기획한 OWA(Offshore Wind Accelerator)의 해저 동력케이블의 위험도 평가(Cable Burial Risk Assessment, CBRA) 방법으로 해저 케이블의 손상 확률을 다음 식(3)과 같이 산출하고 있다(Carbon Trust, 2015).
성능/효과
(1) 국내·외 해저 동력케이블 관련 연구와 기준 등을 분석한 결과, 해저 동력케이블의 매설깊이는 앵커 종류, 매설심도지수, 매설 위험도평가 등의 방법이 이용되고 있으나 대상 해역의 환경요소, 보호 수준 및 선박 통항량 기반의 대상 선박 기준은 없었다.
대상 해역의 외력(바람, 조류, 파랑) 속도에 따라 선박의 앵커 및 표류 방향이 결정되며, 외력이 강할수록 선박의 비상 상황에서 앵커 투묘의 확률이 증가한다.
6과 같으며, TCP90에 해당되는 총톤수 3만톤 미만의 선박이 전체 해양사고의 98 ~ 99%를 차지했다. 또한, TCP50에 해당하는 총톤수 3,000톤 미만의 선박이 95 ~ 96%를 차지하는 것으로 확인되었다. 이는 TCP90, TCP50 수준에서 대상 선박을 선정하여도 전체해양사고 선박의 98% 및 95%를 보호할 수 있음을 시사하고 있다.
최근 5년간 전국에서 발생한 해양사고 10,548척(Korean Maritime Safety Tribuna, 2018b)을 대상으로 2017년도 입항 선박의 TCP와 연계하여 분석한 결과는 Fig. 6과 같으며, TCP90에 해당되는 총톤수 3만톤 미만의 선박이 전체 해양사고의 98 ~ 99%를 차지했다. 또한, TCP50에 해당하는 총톤수 3,000톤 미만의 선박이 95 ~ 96%를 차지하는 것으로 확인되었다.
후속연구
다만, 연구 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 대상 선박의 선정에 인용되는 AIS 기반의 교통량, 해양사고 및 해상교통환경 등을 종합적으로 분석함에 있어 해양수산부에서 지정한 해상교통안전진단 대행기관 수준의 전문성을 갖춘 공신력 있는 기관에서 제시된 자료를 사용할 필요가 있을 것으로 사료된다.
또한, 우리나라 연안해역은 VTS 관제가 실행되고 있어 실질적으로 해도 상에 해저 동력케이블을 표시된 해역에 긴급 투묘한 사례는 거의 찾아볼 수 없었으나 투묘의 불확실성과 개연성은 존재하므로 합리적 수준의 보호 기준을 필요할 것으로 판단된다.
해양사고 분석을 기초로 실질적인 투묘 사례를 집중분석하여, 실질적인 투묘가 수행된 선박을 우선적인 보호 대상 선박으로 결정해야 한다. 또한, 해양사고 발생 해역이 빈번한 해역, 충돌, 접촉 등 긴급한 투묘로 연결될 수 있는 대상선박을 2차적인 잠재적 보호 대상으로 검토해야 한다.
후속 연구로 해상풍력 발전단지의 해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 선정 등에 활용 가능 여부를 점진적으로 검증할 계획이다. 또한, 절대적인 보호가 요구되는 해저동력케이블과 해저 파이프라인 등의 설계기준으로 확장될 수 있도록 앵커 투묘와 관련한 불확실성에 대한 이론적 모델을 개발하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2017년 제주도의 여름철 최대 전력수요는 몇 kW인가?
2 %로 전국에서 가장 높은 것으로 나타났다. 이에 따라 제주도의 여름철 최대 전력수요는 2011년 62만kW에서 2017년 89만kW로 6년간 약 143%가 상승한 것으로 발표되었다(National Statistical Office, 2018).
2008~2017년까지 10년간 제주도 주민등록 인구증가율은 얼마인가?
2018년 8월 통계청에서 발표한 2017년 기준 우리나라 인구주택총조사 결과에 따르면 제주시의 인구 증가율은 전년도 대비 3.0 % 증가하였으며, 2008~2017년까지 10년간 제주도 주민등록 인구증가율은 17.2 %로 전국에서 가장 높은 것으로 나타났다. 이에 따라 제주도의 여름철 최대 전력수요는 2011년 62만kW에서 2017년 89만kW로 6년간 약 143%가 상승한 것으로 발표되었다(National Statistical Office, 2018).
해저 동력케이블의 보호를 위해서 무엇을 기반으로 매설 깊이를 산출해야 하는가?
최근 제주도를 비롯한 도서지역의 전력 사용량 증가 및 해상풍력 발전단지 개발 등으로 인해 해저 동력케이블의 신규 설치가 검토되고 있다. 해저에 설치되는 동력케이블의 보호를 위해서는 선박의 투묘, 주묘, 어로 작업 등에 대한 특성을 기반으로 매설 깊이를 산출해야 한다. 그러나 우리나라는 아직까지 해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 규모와 관련된 설계기준이 전무한 실정이다.
참고문헌 (13)
Ahn, S. H.(2012), A Study on the Submarine Cable Protection Methods Considering Sea Condition and Utilization Characteristics, Doctor's thesis, Pukyong National University, pp. 1-4.
Carbon Trust(2015), Cable Burial Risk Assessment Methodology, pp. 21-29.
Det Norske Veritas(2010), Risk Assessment of Pipeline Protection, DNV-RP-F107, pp. 5-10.
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Jie, W. and F. Yao-Tian(2012), Study on Safety Monitoring System for Submarine Power Cable on the Basis of AIS and Radar Technology, Physics Procedia 24, pp. 961-965.
Kim, D. S.(2000), A Study on the Safety of Sea Bed Structures in Coastal Area, Master's thesis, Korea Maritime and Ocean University, pp. 1-7.
Korean Maritime Safety Tribunal(2018a), Marine accident location information.
Korean Maritime Safety Tribunal(2018b), Marine accident statistics annual report, Occurrence status of marine accidents by vessel tonnage, Table 44.
Ministry of Oceans and Fisheries(2017a), Statistical Yearbook of Marine Fisheries, Arrival of vessels by tonnage, p. 378.
Ministry of Oceans and Fisheries(2017b), Guidelines for the implementation of marine traffic safety diagnosis.
Mulyadi, Kobayashi, Wakabayashi, Pitana, Wahyudi and Prasetyo(2013), Estimation Methods for Dragged Anchor Accident Frequency on Subsea Pipelines in Busy Port Areas, Journal of Marine Science and Technology No. 20, pp. 173-183.
National Statistical Office(2018), 2017 National Population and Housing Census, pp. 1-12.
P.G.Allan(1998), Selecting Appropriate Cable Burial Depths, Presented at IBC Conference on Submarine Communications, pp. 8-11.
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