전기 전선 및 케이블 관련 기초 지식 2부

태양광이든 풍력이든 발전소 관련 일을 하다 보면 전기 관련 기초 지식이 매우 중요하다는 점을 알게 됩니다. 전공이 전기가 아닌 저 같은 엔지니어들은 전기를 처음부터 공부해야 한다는 엄청난 압박감을 가질 수 밖에 없습니다. 하지만 현업에서 누가 공부할 시간을 곱게 줄 리가 없습니다. 알아서 틈틈이 공부해야 하고, 특히 전기는 전공이 아니면 접근하기 정말 어려운 학문이라는 점도 깨닫게 됩니다.

 

전기 엔지니어들에게 열심히 설명을 들어봐도 잘 모르는 것은 마찬가지 입니다. 그들은 눈에 보이지도 않는 전기를 어떻게 공부한 것인지 모르겠지만 같은 공대생인 저에게 아무리 쉽게 설명해줘도 저는 이해가 전혀 되지 않습니다. 전자기력을 통일하신 맥스웰 형님이 실로 대단할 따름입니다. 물론 쿨롱 형님과 앙페르 형님도 빼 놓을 수 없는 천재들이십니다.

 

어쨌든 전기 이론을 배우는데 실패하더라도 전선과 케이블에 대해서는 잘 알고 있어야 합니다. 설계와 시공의 시작과 끝이기 때문입니다. 게다가 안전 관련 문제에도 핵심 설비이므로 가장 잘 알고 있어야 할 자재입니다.

 

기초부터 차근차근 시작하시는데 무리 없도록 설명하겠습니다.

 

 

CV-3C 케이블과 CVT 케이블의 구분

CV케이블의 3심과 CVT케이블을 어떻게 구분하는지를 해설합니다. CV-3C와 CVT를 비교하면 CVT에 많은 이점이 있습니다.

시공성이 좋다

CV케이블에 비해, CVT케이블은 3개보다 선이 되어 있기 때문에, 구부리기 쉬워 시공성이 좋습니다. 외경 치수가 약간 크지만 수 mm 정도이며 큰 영향은 없습니다. 단말 처리를 행하는 경우에는, CVT 케이블의 「보다」를 풀어, CV-1C 케이블과 같이 각각 단심으로서 취급할 수 있습니다.

방열 성능이 높고 허용 전류가 큽니다.

CVT 케이블은 CV-1C를 더 합친 구조이며, CV 케이블과 같이 방열을 억제하는 개재물이 존재하지 않습니다. 방열 성능이 높고, 허용 전류도 높게 설정되어 있습니다.

비용에 큰 차이가 없습니다.

건설물가본에서 비교해도 CV케이블과 CVT케이블의 금액 차이가 거의 없습니다. 허용 전류가 크고, 시공성이 양호하기 때문에, 간선을 계획하는 경우, CVD 케이블이나 CVT 케이블을 사용하면 좋습니다.

선간 단락 사고로 이행하기 어렵다.

CVT 케이블은 단심 케이블마다 가교 폴리에틸렌 시스로 보호되어 있기 때문에, 1선 지락 사고가 발생했을 경우, 공통 시스로 보호하고 있는 CV 케이블에 비해 「선간 단락」으로 이행하기 어렵다 라는 이점이 있습니다.

케이블 사이즈 선정 및 시공

CV케이블 및 CVT케이블은 큐비클에서 전등 분전반·동력 제어반까지의 간선이나, 판에서 대형 전기 기기로의 전원 공급용 배선으로서 사용됩니다. 간선 설계를 할 경우, 간선 사이즈가 너무 크면 시공성이 악화되기 때문에 케이블 사이즈는 200sq~200sq 정도를 상한으로 설계하는 것을 기본으로 합니다.

250~325sq의 CV케이블은 외경이 크게 무겁기 때문에 구부리기 어려운 시공성이 나쁩니다. 대용량 케이블에 많은 부하를 부담시키면 간선 사고로 인한 정전 범위가 넓어지기 때문에 위험이 큽니다. 정전 피해의 확대 방지의 관점에서도, 1개의 간선으로 공급하는 면적을 지나치게 크게 하지 않는 것이 중요합니다.

전등 부하나 동력 부하는, 1간선당 50kVA~60kVA를 상한으로 하여 간선 계획하면, 150sq~200sq의 케이블을 많이 채용할 수 있고, 정전시의 피해도 분산할 수 있습니다. 전선 사이즈는 비교적 작아져 경제적인 설계가 가능해집니다.

굽힘 반경의 충분한 확보

케이블은 가요성이 있고, 자유롭게 굴곡하기 때문에 시공성이 좋지만, 극단적인 굴곡을 행하면 그 부분이 전기적인 약점이 되어, 성능 열화로 이어질 우려가 있습니다. CV 케이블은 시스의 안쪽에 구리 테이프가 감겨져 있고, 극단적인 굴곡을 행하면, 구리 테이프가 벗겨져 버려 실드 성능이 손실될 우려가 있습니다.

케이블을 구부릴 경우 고정된 상태에서 6D(D:케이블 외경) 이상, 시공 중에는 10D 이상을 확보합니다. 굽힘 반경을 너무 작게 하고, 급격한 굽힘을 수반하는 시공을 행하면 케이블의 열화로 이어집니다. 콜게이트 케이블 등의 특수 가장이 된 케이블은 일반 CV 케이블에 비해 더 큰 굽힘 반경을 필요로 합니다.

허용 장력

CV 케이블을 부설하는 경우, 케이블 랙의 통선이나 전주간의 가공 배선 등, 케이블에 대해 강한 장력을 가해 버리는 시공이 행해집니다. 케이블을 과도한 힘으로 당기면 외장에 물리적 손상을 입히고 열화로 인한 절연 불량의 원인이 됩니다.

시공시·운반시 등을 포함해, 어떠한 경우라도 케이블에 대해서 가능한 한 장력을 주지 않는 것이 이상적이지만, 전혀 장력을 가하지 않고 시공하는 것은 불가능합니다. 허용 장력은 하기의 계산식으로 구해지므로, 손상을 받지 않는 범위에서 당기도록 계획하면 좋습니다.

· 구리 도체의 허용 장력[N] = 7×케이블 심선수×도체 단면적[m2]×9.8

· 알루미늄 도체의 허용 장력[N] = 4×케이블 심선수×도체 단면적[m2]×9.8

수명과 열화 진단

CV 케이블은 내후성이 높기 때문에 옥외 노출 배선이 가능합니다. 단, 직사 광선을 강하게 받는 장소이면, 풍우나 자외선에 의해 피복이 열화되기 때문에, 실내 부설의 경우에 비해 기대 수명은 짧아집니다.

실내 부설을 하고 허용 전류를 초과하지 않도록 관리되고 있다면 20~30년의 수명을 기대할 수 있습니다. 직사광선이나 풍우를 받는 옥외에서 사용하는 경우는 15~20년까지 기대수명을 짧게 설정해야 합니다. 또한, 단락 사고 등의 대전류가 흐른 케이블은 현저하게 성능이 열화되기 때문에 수년간 이상 검출이 될 가능성이 있습니다.

사용연수에 한하지 않고 절연저항측정이나 내압시험에 의해 현저한 절연저항 값의 감소가 보이거나 내압시험시에 이상한 킥 현상이 발생한다면 수명으로 판단하여 교환을 계획해야 합니다.

CV케이블의 열화 요인은, 과전압이나 과전류 등의 전기적 요인뿐만 아니라, 충격이나 진동에 의한 기계적인 요인, 고온하에 노출되는 것에 의한 성능의 저하, 약품이나 기름에 의한 화학적 요인 등을 들 수 있습니다.

물 트리 현상

물 트리 현상은 CV 케이블을 구성하는 폴리에틸렌에 대해 발생하는 열화 현상입니다. 물이 상시 존재하는 환경에서 장기간 케이블에 통전했을 경우, 케이블 내외의 돌기나 간극, 공극이나 제조상 발생하는 이물에 의해, 본래 일정해야 할 전계가 부정이 되어, 이 부정 부분을 기점으로 하고, 절연 물체의 안팎을 향해 가지가 늘어나도록 열화가 진행됩니다. 이것이 나무처럼 보이기 때문에 '물 나무(water tree)'라고 불리고 있습니다.

물 트리에 의한 열화 현상은 외도수 트리, 내도수 트리, 보우타이상 물 트리의 3종류가 있습니다. 외도수 트리는 외부 반도 전층의 돌기로부터 내부로 침식하는 열화, 내도수 트리는 내부 반도 전층의 돌기로부터 외부로 침식하는 열화입니다. 보우타이상 물 트리는 절연체 내부의 공극이나 이물질로부터 침식하는 열화입니다.

물 트리 현상은 1980년 초기 이전에 생산된 낡은 CV케이블에 다발하고 있는 열화 사례의 하나입니다. 물 트리의 발생에 의해 절연 열화가 현저해지고, 절연 파괴 사고의 원인이 되기 때문에, 케이블의 절연 저항 측정이나 누설 전류 측정의 열화 진단을 정기적으로 행하여, 케이블의 보전을 행하는 것이 중요합니다.

최근, 절연체의 계면 돌기를 감소시킴으로써, 전계 국부 집중에 의한 물 트리의 발생을 억제하는 기술이 개발되고 있습니다. 내부 반도전층·가교 폴리에틸렌 절연체·외부 반도전층의 3개를 동시에 압출하는 “3층 동시 압출”에 의한 가공법이 확립되어, 물 트리의 발생은 극복되고, 물 트리를 원인으로 한 사고는 거의 발생하지 않는 것으로 알려져 있습니다.

방개 대책

물이나 열, 전기적인 스트레스 이외에도 물리적 손상에 의해 내용연수가 짧아지는 경우가 있습니다. CV케이블에 한하지 않고, 케이블류는 개미의 피해를 받습니다.

흰개미의 피해가 많은 지역에서는 지중전선을 흰개미에 먹고 심선이 노출되어 지락사고를 일으키는 사고가 발생합니다. 방개 케이블을 채용하거나 홈통에 방 개제를 포함한 모래를 충전하는 등 흰개미 대책을 실시하면 효과적입니다. 가이장 케이블을 사용하는 것도 흰개미 대책으로서 유효합니다.

절연저항 측정·시험

CV 케이블을 건전한 상태로 유지하기 위해서는 열화 진단이 필수적입니다. 케이블에 대해 정기적으로 절연 저항 측정에 의한 진단을 실시하여 건전성을 확인하는 것이 효과적입니다.

전로를 정전시키고, 절연 저항계에 의해 케이블의 일단으로부터 시험 전압을 인가하고, 케이블의 절연 저항값을 측정합니다. 내선규정에서는 1메그옴 이상, 국토교통성 기준에서는 5메그옴 이상의 절연저항값을 유지하도록 정해져 있습니다.

신품이라면, 100 메그옴 이상의 절연 저항값을 확인할 수 있지만, 수십년 사용한 케이블에서는, 수십 메그옴까지 절연 저항값이 저하될 수도 있습니다. 신품을 측정하고, 100메그옴 미만의 수치가 계측되는 것 같으면, 절연 성능이 저하되어 있는 원인을 확인해 두면 좋습니다.

절연저항 측정을 할 경우 케이블에 500V의 전압을 인가하여 측정합니다. 부하를 분리하여 케이블에만 전압을 인가할 수 있으면 문제없지만, 전로에 전기 기기, 컴퓨터의 전자 기기가 접속되어 있으면, 500V를 인가함으로써 파손될 우려가 있습니다. 측정 정밀도가 나빠지지만 125V 범위에서 전압을 인가하면 기기의 고장은 회피할 수 있습니다.

전압별 CV 케이블 선정

CV케이블은 전압에 따른 절연성능을 가지는 제품을 선정하여야 합니다. 고전압에 대응할수록 절연성능이 강화되어, 시스나 절연체가 두꺼워지기 때문에 시공성이 악화됩니다. 전선관의 점적률도 높아져 방열 성능이 저하됨으로써 허용 전류에 악영향을 미칩니다.

고압 전로에서의 CV 케이블 선정

고압전로에 CV케이블 또는 CVT케이블을 사용하는 경우 6.6kV의 전압을 인가할 수 있는 고압케이블을 선정하여야 합니다.

고압 케이블은 절연 성능을 높이기 위해 저압용 케이블에 비해 외장이 두껍고 중량도 크게 설계되어 있습니다. 저압의 CV 케이블이나 CVT 케이블과 같은 사이즈의 전선관에는 수용할 수 없기 때문에, 외경 사이즈로부터 전선관의 점적률을 계산해, 무리없이 입선을 할 수 있는 사이즈로 합니다.

저압에 비해 고압 케이블에서는 마무리 외경이 1.3배 정도 커집니다. CVT60sq를 전압의 높이로 비교했을 경우, 저압 케이블에서는 외경 34mm, 고압 케이블에서는 외경 50mm, 특별 고압 케이블에서는 외경 69mm가 됩니다. 내화 케이블은 더욱 크기가 커지므로 주의를 요합니다.

관련 자료

허용 전류 일람표(기중·가공 부설)

CV 케이블 또는 CVT 케이블의 허용 전류 일람은 아래와 같지만, 수치는 기중에서의 가공 부설을 전제로 하고 있습니다. 케이블 랙에 복수단 또는 인접하여 부설하는 경우에는, 저감율을 예상해야 합니다. 전선관에 수납하거나, 지중 매설하는 경우도 허용 전류가 낮아지기 때문에, 부설 장소에 따라 보정을 행할 필요가 있는 것에 주의를 요합니다.

사이즈	CV-1C	CV-2C	CV-3C	CVD	CVT
2.0	31	28	23	-	-
3.5	44	39	33	-	-
5.5	58	52	44	-	-
8	72	65	55	-	-
14	100	91	77	91	86
22	130	120	100	120	110
38	190	170	140	165	155
60	255	255	190	225	210
100	355	310	260	310	290
150	455	400	340	400	380
200	545	485	410	490	465
250	620	560	470	565	535
325	725	660	555	670	635

전력 케이블에 대한 전선관로의 사이즈 선정표

케이블을 전선관에 수용하는 경우, 일정한 공극을 확보하지 않으면 허용 전류의 저하, 삽입이나 인출을 할 수 없게 되어 피복에 상처를 입는 등의 문제의 원인이 되기 때문에, 일반적으로 전선관의 면적 의 32%를 초과하지 않도록 전선을 수용하도록 선정합니다.

수납하는 전선의 마무리 외경을 가산하고, 전선의 단면적에 대하여 충분한 여유를 확보할 수 있도록 선정하면 좋습니다.

종별	사이즈	마무리 외경	후강 전선관	배관용 탄소강강관	경질 염화비닐관	웨이브 부착 경질 합성 수지관
600V CV-2C	2.0	10.5	28	25	28	30
	3.5	11.5	28	25	28	30
	5.5	13.5	28	25	28	30
	8	15.0	28	25	28	30
	14	16.5	28	25	28	30
	22	19.5	36	32	36	30
	38	24.0	42	40	42	40
	60	29.0	54	50	54	50
	100	37.0	70	65	70	65
	150	43.0	70	65	70	65
	200	50.0	82	80	82	80
	250	54.0	92	90	82	100
	325	60.0	92	90	92	100
600V CV-3C	2.0	11.0	28	25	28	30
	3.5	12.5	28	25	28	30
	5.5	14.5	28	25	28	30
	8	16.0	28	25	28	30
	14	17.5	28	25	28	30
	22	21.0	36	32	36	40
	38	25.0	42	40	42	40
	60	31.0	54	50	54	50
	100	40.0	70	65	70	65
	150	46.0	70	80	82	80
	200	54.0	82	90	100	100
	250	58.0	92	90	100	100
	325	65.0	104	100	100	100
600V CVT	14	21.0	36	32	36	40
	22	24.0	36	40	42	40
	38	28.0	42	50	54	50
	60	33.0	54	50	54	65
	100	41.0	70	65	70	65
	150	47.0	82	80	82	80
	200	55.0	92	90	100	100
	250	60.0	92	90	100	100
	325	66.0	104	100	100	100
6.6kV CVT	22	42.0	70	65	70	65
	38	46.0	70	80	82	80
	60	50.0	82	80	82	80
	100	57.0	92	90	100	100
	150	65.0	104	100	100	100
	200	72.0	-	125	125	125
	250	76.0	-	125	125	125
	325	85.0	-	150	150	150