『해저케이블 보호설비 최적 설계기술 개발』 신규 R&D 착수

1. 개 요

해저케이블 보호설비는 해양 위해인자(선박 앵커, 파랑 등)로부터 육지-도서간 또는 도서-도서간 전력을 보내기 위해 설치한 해저케이블의 안전성을 확보하기 위한 시설물이다. 현재 국내 HVDC 해저케이블은 Fig. 1과 같이 1998년 해남~제주 #1 HVDC, 2013년 진도~제주 #2 HVDC가 건설되어 제주 부하의 약 30~40%를 공급하고 있으며, 제주지역 전력공급 안정도 향상 및 전력 구매비용을 절감시키고 있다. 또한, 완도-제주 #3 HVDC가 계획되어 건설사업을 진행하고 있다.
해저케이블의 파손을 방지하기 위한 보호설비는 수심, 파랑, 조류, 지반 등과 같은 해양 환경조건에 따라 다양한 형태로 개발되어 적용되고 있다. 국내 서남해 연안 해저지반의 많은 영역은 연약지반의 형태이기 때문에 Fig. 2와 같이 해저케이블을 일정한 깊이까지 해저지반을 굴착해서 매설하는 공법이 가장 많이 적용되고 있으며, 암반과 같은 단단한 지반조건이거나 수심이 깊어 매설이 어려운 경우는 해저케이블 상부에 사석을 축조하는 연성 보호공법, 철근콘크리트 구조물을 지반에 착저시키는 강성 보호공법 등 다양하게 적용하고 있다. 한편, 해저케이블 매설 보호공법 적용구간에 대한 선박 앵커의 투묘와 주묘, 양식장 설치에 사용되는 앵커추의 해저지반 관입은 매설된 해저케이블 손상에 가장 큰 위해요소로 알려져 있다. 이와 같은 해저 관입형 위해인자에 대하여 매설형 해저케이블 보호공법을 합리적으로 실현하기 위해서는 다양한 해저지반과 해양환경을 고려한 실증시험을 수행해야 한다. 그러나 실증시험은 시간과 비용이 매우 많이 소요되기 때문에 수치 시뮬레이션을 이용한 앵커 관입깊이의 해석적 검토가 반드시 필요한 상황이다.
따라서, 한전 전력연구원에서는 선박 앵커, 파랑 등의 해양 위해인자로부터 해저케이블의 안전성을 확보하고 경제적인 보호공법의 설계 및 시공을 위하여 해저케이블 보호설비의 설계기준 및 수치해석기술 개발에 대한 신규 연구 과제를 착수하였다. 이를 통해 해저케이블 건설 및 유지보수 비용을 절감하고 정전사고를 예방함으로써 도서 지역의 안정적 전력공급 및 슈퍼그리드 사업 등 신성장 동력 창출에 기여하고자 한다.

2. 국내외 기술현황

현재 국내 해저케이블과 보호설비에 대한 정량적인 설계기준은 전무한 실정이나, 해양수산부의 ‘항만 및 어항 설계 기준(2014)’에서 해저 배관(파이프라인)에 대한 설계기준은 존재한다. 이는 항만시설물 및 어항시설물 또는 연안정비 시설물의 계획 및 설계에 대한 전반적인 기준을 제시하고 있으며, 해저 배관의 매설 및 보호에 관한 내용을 기술하고 있다. 또한, 해저케이블에 대한 국내 관련 설계기준은 한국 전력공사의 ‘송⋅배전 해저케이블 건설절차서(2012)’가 유일하여 그동안 경험적⋅정성적 설계를 수행해 왔으나, 해저케이블의 안전성 향상 및 경제적 설계를 추구하기 위한 노력에 한계가 있으므로 해저케이블의 안전성과 보호설비의 경제성(시공성)을 고려한 정량적 설계기술 개발이 필요하다.
국내와 마찬가지로 국외 해저케이블 관련 기준도 보호설비에 대해 상세하게 규정하고 있지 않으나, 가장 대표적인 기준은 노르웨이의 DNV와 영국의 CBRAM 코드이다. 특히, DNV 코드 내 해저케이블 보호설비 관련 기준은 DNV-RP-J301과 DNV-RP-F107에 일부 존재하나 매우 정성적인 권고사항이며, 보호설비에 대한 설계나 지침은 없는 실정이다.
DNV-RP-J301 코드는 천해지역의 해상풍력 등 신재생에너지 사업에 적용될 수 있는 해저케이블의 계획, 조사, 설계, 케이블 제작, 시공, 운영 및 유지 단계에 적용될 수 있는 종합지침서로써, 해저케이블 계획을 위한 사전조사 요구사항과 설계단계에서 해저케이블의 보호설비에 대한 권고사항 등을 제시하고 있다. 해저케이블의 위해인자는 기능, 환경 및 사고 위해인자 등에 대해 정의하고 각 인자에 대한 종류를 구분하고 있으며, 보호설비의 설계요구사항에 대한 가이드라인을 제시하고 있다. 또한, 해저케이블의 매설깊이 산정을 위한 BPI 및 Threat line에 대한 적용방법을 Fig. 3과 같이 제시하고 있다. BPI에 대한 개념은 1997년에 처음 도입되었으며, 대부분의 어구를 보호할 수 있는 매설지수(Burial Protection Index)를 기준으로 지반의 특성을 고려하여 도표화 하였다.
CBRAM 코드는 해저케이블의 매설깊이 산정을 위한 설계지침으로써, 매설깊이 산정에 적용되고 있는 BPI 및 Threat Line의 한계성을 확률적으로 개선하였다. 기존 매설깊이 산정에서 고려하지 않았던 사항들에 대하여 확률론적인 정성적/정량적 분석을 통하여 해저케이블의 위험도를 분석하고, 해저케이블 수명기간 중 최적의 비용을 추구하는 매설 깊이를 산정하도록 제시하고 있다. 요컨대, DNV-RP-J301과 CBRAM 코드는 해저케이블 보호설비와 관련된 유일한 국외 기준이지만, 매우 정성적인 권고사항 수준이므로 보호설비에 대한 정량적인 설계에 적용하기는 어려운 실정이다.
따라서, 본 연구과제에서는 국내외 관련된 설계기준 및 지침서를 최대한 준용하여 국내 해양환경을 반영한 해저케이블 보호설비의 정량적인 설계기술을 개발하고자 한다. 이를 통해 글로벌 수준 설계기술로 도약하고, 해저케이블의 안전성을 고려한 선진화된 최적의 설계 프로세스를 구축하여 건설비용을 획기적으로 절감시키고자 한다.
한편, 독일의 TenneT사에서는 해상 풍력발전을 위한 해저케이블 매설깊이 설계를 위하여 다양한 선박의 앵커를 대상으로 해상 실증시험을 수행하였으며, 호주 AMOG사에서는 해저케이블의 매설깊이를 산정할 수 있는 육상 실증 시험장을 구축하여 이를 바탕으로 수치해석 프로그램을 개발하였다. 이들은 자사의 기술을 보호하기 위하여 설계 및 수치해석과 관련된 노하우, 알고리즘, 산정기법 등 일체의 정보공개를 하지 않고 있다.

3. 연구개발 목표 및 내용

#1 HVDC는 시공 후 약 20년이 경과하면서 설비노후에 따른 유지보수에 어려움을 겪고 있고, 해양 위해인자에 대해 설치한 보호설비는 태풍, 파랑과 같은 자연적 요인과 양식장 설치에 사용되는 앵커추, 선박의 앵커 등과 같은 인위적인 요인에 의해 불량 개소가 증가하고 있는 실정이다. 향후 해저케이블 건설사업 시 이와 같은 문제가 다시 반복되지 않도록 해저케이블의 파손사고를 선제적으로 예방할 수 있는 설계기술과 보호설비의 시공성을 함께 고려할 수 있는 설계기준을 반드시 확보하는 것이 본 연구과제의 최종 목표이다.
한편, Fig. 4와 같이 정부의 ‘그린 뉴딜’ 정책 관련 해상풍력발전사업, 신재생에너지 발전사업, 동북아 슈퍼그리드 사업 등 해저케이블의 건설수요 급증이 예상되므로 독자적인 기술력을 선제적으로 확보하고, 향후 해외시장 진출을 위한 교두보를 마련하고자 한다.
해저케이블 보호설비는 해저지반을 굴착해서 해저케이블을 일정한 깊이까지 매설하는 공법을 기본원칙으로 하며, 매설심도 확보가 불가능한 경우에 사석, 콘크리트 등 기타 보호설비를 적용하고 있다. 그러므로 해저 지반조건에 따른 해저케이블의 매설심도 산정은 매우 민감하고 중요한 사항이다. 영국의 BPI(Burial Protection Index)는 Fig. 5와 같이 매설심도를 간략하게 산정할 수 있는 가장 대표적인 방법이나 주관에 따라 각기 다른 결과로 산정되고 다층 지반은 적용이 불가능하다. 또한, Fig. 6과 같은 호주 AMOG 사의 매설심도 산정 프로그램은 안강망 앵커, 양식장 앵커추 등 국내 해양환경에 적용이 어렵고, 일체의 정보공개를 하지 않기 때문에 신뢰도를 검증할 수 없다. 따라서, 국내 해양환경 및 다층지반을 고려한 객관적인 매설심도의 기준과 수치해석기술을 개발하여 매설심도에 대한 설계기술을 확보할 예정이며, 이에 대한 설계원칙은 다음과 같다.
매설심도 설계원칙: 침식깊이(파랑 등) + 관입깊이(앵커 등) ≤ 매설심도(매설깊이×안전율)
해저케이블의 안전성을 확보하기 위해 설치하는 매설, 연성, 강성 등 보호설비의 대부분은 해양환경 및 위해인자에 따라 Fig. 7과 같이 2~3가지로 조합된 복합 보호설비로 설치되고 있으나, 복합된 보호설비의 영향을 반영하지 않고 과거의 경험적 관행으로 설계단면을 결정하여 시공하고 있다. 그리고 해저케이블 건설사업 시 수행하는 실증시험은 시간과 비용이 매우 많이 소요되기 때문에 Fig. 8과 같은 수치해석을 활용한 설계로의 전환이 반드시 필요하며, 해저케이블의 안전성과 보호설비의 경제성을 동시에 고려한 최적 설계를 위해서는 복합 보호설비에 대한 동적 해석을 반드시 수행해야 한다. 따라서, 선박 앵커 등 위해인자-해수-보호설비-지반-해저케이블 간 상호영향을 고려한 복합 보호설비의 동적 상호작용 해석기술은 반드시 확보해야 할 핵심기술이다.
요컨대, 본 연구과제에서는 해저케이블의 매설심도 설계기술, 복합 보호설비의 동적 상호작용 해석기술 등을 개발하여 해저케이블의 안전성을 확보함과 동시에 보호설비의 경제적인 건설이 가능한 설계기준을 수립하고자 한다.

4. 활용방안 및 기대효과

본 연구과제를 통해 개발되는 해저케이블 보호설비의 설계기준 및 수치해석기술은 해저케이블 건설사업 및 보강공사에 활용될 예정이다. 해저케이블 보호설비의 정량적인 설계기준을 수립함으로써, 해저케이블의 안전성과 보호설비의 경제성(시공성)을 고려한 최적 설계를 통해 해저케이블 건설사업의 설계 및 건설비용 절감(5%↓, 270억/100km)이 예상된다. 또한, 국내 HVDC 해저케이블 사고는 제주지역의 정전 및 막대한 복구비용이 발생함에 따라, 해저케이블 보호설비의 파손사고를 사전에 예방하고, 해저케이블의 안전성 확보를 통해 도서지역의 안정적인 전력공급을 달성할 수 있을 것으로 전망된다. 향후 그린 뉴딜정책, 신재생 발전사업, 동북아 슈퍼그리드 등 국내외 신성장 동력 창출에도 적극적으로 활용할 예정이다.

Fig. 1.
Installation status of HVDC submarine cables in Korea
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Fig. 2.
Concept of submarine cable burial protection method
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Fig. 3.
BPI(Burial Protection Index) and threat line of DNV-RP-J301 code
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Fig. 4.
Korean ‘Green New Deal’ policy
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Fig. 5.
BPI burial depth calculation(UK)
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Fig. 6.
Burial depth calculation program(Australia AMOG)
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Fig. 7.
Complex protection system(Cable+Pipe+Burial+Structure)
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Fig. 8.
Dynamic interaction analysis of protection system
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References

DNV (2014). “DNV-RP-J301 - Subsea Power Cables in Shallow Water Renewable Energy Applications”, DNV Recommended Practice, Norway.
Jang, J. B., Kang, H. N., Kim, J. H. (2020). "Evaluation of Anchor Penetration Depth based on Numerical Analysis for Burial Protection Method of Submarine Cables." Journal of Coastal Disaster Prevention, Vol. 7, pp. 139-146. (in Korean).
crossref
KEPCO (2006). Diving Inspection Report for Maintenance Construction of HVDC Transmission Line Marine Area on Jeju Section, KEPCO Report, (in Korean).
KEPCO (2012). Transmission and Distribution Submarine Cable Construction Procedure, KEPCO Standard, (in Korean).
MSC Software (2017). MSC Nastran 2017 - Explicit Nonlinear (SOL700) User’s Guide, California, USA.
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