다물체 동역학을 이용한 갤로핑시 철탑 하중설계에 관한 연구

Abstract

착빙설에 의한 송전선로의 고장은 슬릿점프, 수하현상, 애자섬락 등 다양하지만 갤러핑에 의한 전선고장이 전체의 약 70%를 차지할 정도로 지배적이다. 갤러핑이란 송전선로의 진동현상 중 하나로, 송전선 단면에 비대칭적인 형태로 달라붙은 착빙 및 착설이 비행기 날개와 같은 작용을 하게 되어 전선이 공기역학적으로 불안정한 상태가 되게 하는데, 이때 강한 풍하중이 작용하여 송전선의 자체 무게와 장력으로 인해 발생한 과도한 진동을 갤러핑이라고 한다. 송전선의 갤로핑 현상은 대게 0.1~1Hz의 낮은 주파수와 10m 이상인 이도의 1배 이상의 큰 진폭을 가진다. 갤로핑에 의한 진동이 발생하면 아크로 인한 전선 고장사고의 발생이 예측되며 장시간 지속시 지지부의 파괴로 이어져 1톤이 넘는 송전선로 자체가 낙하하거나 송전탑에 과도하중을 가하여 철탑붕괴등의 대형사고로 이어질 수 있다. 이를 예방하기 위해 갤로핑현상에 대한 동역학적 해석과 이를 통한 송전선로의 안정성확보가 필요하다. 송전선로의 동역학적 해석을 위해 상용 다물체동역학 해석 프로그램 (RecurDyn)을 이용하여 송전선로를 다수의 집중질량과 스프링 및 댐퍼요소로 모델링하였으며 동적해석에 앞서 케이블 처짐해석을 통해 모델링한 송전선로와 설계값을 통해 정적해석 결과를 검증하였다. 동적해석을 위해 필요한 송전선 내부의 동적감쇠는 송전선의 자유진동실험과 Rayleigh댐핑을 이용하여 모델링하였다. 착빙형상의 경우 자연상태에서 발생하기 쉽고 갤로핑 발생가능성도 높은 타원형으로 선정하였고 도체간 거리가 공기력 계수에 미치는 영향을 분석하기 위해 단도체, 복도체, 4도체, 6도체의 4가지 경우에 대하여 유동해석을 수행하였다. ANSYS Fluent를 이용하여 송전선 단면에 대해 영각을 변화시키며 유동해석을 수행하여 영각에 따른 항력 및 양력계수를 도출하였으며 그 결과를 이용하여 송전선에 작용하는 풍하중을 모델링하였다. 영각을 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과 송전선로의 운동을 세가지 유형으로 분류하고 갤로핑이 발생한 영각을 정의하였다. 송전선로의 갤로핑현상이 송전탑에 미치는 영향을 분석하기 위하여 송전탑을 유연체로 모델링하였으며 모드해석을 통해 송전탑의 모드형상 및 고유진동수를 도출하였다. 송전선 갤로핑으로 인해 송전탑에 가해지는 하중의 진동수와 송전탑의 고유진동수가 일치하여 공진이 발생하는 경우에 대하여 갤로핑 시뮬레이션을 수행하여 갤로핑현상이 발생하였을 때 철탑하중설계를 위하여 송전탑에 발생하는 응력과 변위를 분석하였다.