전력 케이블의 단락 사고 시 케이블 보호에는 어떤 사항을 고려해야 할까?

반도체 및 전기차 등 전력 시장이 확대됨에 따라 전기를 송, 배전시키는 전력 케이블의 역할이 높아졌습니다. 이러한 전력 케이블에 대해 단락 사고 발생 시 케이블을 보호할 수 있는 방법 및 고려 사항에 대해 포스팅해보려고 합니다.

<목차> 1. 전력 케이블 보호의 목적 2. 단락 사고 시 케이블 보호 관련 고려 사항  2.1 단락전류  2.2 도체온도 및 도체크기  2.3 최대 사고 전류 제거시간

 

1. 전력 케이블 보호의 목적

최근에는 송전과 배전을 위한 전력 회로에 절연 케이블이 많이 사용되고 있고, 전력의 크기와 사용 전압 레벨이 점점 높아지면서 내재된 사고의 위험도도 증가하고 있습니다. 케이블의 온도 상승은 수명을 단축시키며, 가장 큰 사고 원인이 됩니다. 따라서 케이블 규격 선정 시에는 예상할 수 있는 최대 전류를 흘릴 수 있는 것으로 선택하고, 과부하와 단락전류를 대비하여 온도 상승을 방지하는 적절한 보호 방식을 적용해야 합니다.

과부하는 연결된 부하나 설비의 수가 늘면 일어나며, 단락 사고는 사고 부위에 막대한 양의 열에너지가 방출되어 과다한 온도 상승이 발생하고, 수명이 단축됩니다. 또한 외부 요인들도 손상을 일으킬 수 있습니다. 이러한 사고의 가장 큰 원인은 사람, 장비, 동물, 곤충, 곰팡이가 일으킨 것입니다.

케이블의 보호는 사람과 기기 보호가 필요하며, 목표는 모두 케이블의 연속 운전을 보장하기 위한 것입니다. 과전류에 대한 보호는 한시성 과전류 장치를 사용하며, 단락 사고의 보호는 고속도로 동작하는 장치를 사용합니다. 케이블 보호는 다양한 형태가 있으며, 여기서는 케이블 규격 선정과 사고 보호 방법을 살펴보겠습니다.

 

2. 단락 사고 시 케이블 보호 관련 고려 사항

단락사고를 보호하기 위해서는 다음과 같이 고려해야 합니다. 케이블이 과열로부터 보호되기 위해서는 단락사고가 발생한 지점이 케이블 선로 자체에 있을 수도 있으며, 또는 케이블을 통하여 접속된 기기에서 발생할 수도 있습니다. 단락전류가 흐르는 동안 I^2R의 열과 금속 Shield 나 Sheath의 온도가 상승합니다. 단락전류는 빠른 시간 내에 차단되므로 금속 도체에 발생된 열이 절연체로 전달되는 양이 매우 적고, 도체의 온도 상승에 소모되는 것으로 간주되고 있으며, 이에 따른 단락 사고 시 케이블 보호에는 다음 사항을 고려해야 합니다.

 

① 케이블의 최대허용 단락전류

② 절연체에 손상을 주지 않는 최대허용 도체온도

③ I^2R 값과 열용량에 영향을 주는 도체 크기

④ 최대 고장 제거시간 또는 사고전류 지속시간

 

2.1 단락전류

1) 단락전류의 크기 및 감쇠

단락전류의 크기는 적절히 결정되어야 하며, 사고 초기를 정점으로 하여 시간이 갈수록 감쇠하게 됩니다. 초기 피크 전류는 비대칭 단락전류라고 하고, 이어서 차과 도전류, 과도전류 및 대칭 분 전류(지속 단락전류)로 나뉘며, 지수함수적으로 감쇠합니다. 이는 사고점과 발전기 사이의 등가 임피던스의 리액턴스와 저항값의 비가 클수록, 즉 X/R값이 클수록 감쇠정도가 더 크게 됩니다.

 

2) 최대 단락전류

일반적으로 순시 동작형 과전류 계전기와 고압 차단기로 보호되는 케이블에서는 차과도 전류값을 선간 단락 시의 최대 전류로 사용합니다. 보호 장치는 고속도 동작형으로 사용되고 고장 제거 시간이 0.2초 이상 걸리는 경우에는 비대칭 분을 적용하거나 감쇠된 대칭 분 전류를 적용할 수 있습니다. 또한, 그 크기 계산이 불가능할 경우에는 차과도 전류를 적절히 조정한 값을 이용할 수도 있습니다. 이는 사용하기 전 테스트를 거쳐야 하며, 그 값은 연결되는 케이블의 종류 및 길이, 그리고 고압 차단기의 설정값 등에 따라 상이할 수 있습니다.

 

3) 기기 정격에 따른 단락 고장 전류

경제적 어려움이 적거나 설계상의 여유가 많은 경우, 차단기 및 퓨즈들의 순간 정격 및 차단용량을 케이블의 규격 선택 및 보호를 위한 기준으로 사용합니다. 가장 일반적으로 사용하는 차단장치들의 전류 정격은 케이블 크기 결정 시 최대 허용 단락 전류로 사용되며 고장 지속 시간과 관계가 있습니다. 예를 들어, 그림 8.2에서 AWG No.4/0의 경우 0.1초 차단장치를 사용할 경우 최대 허용 단락 전류는 40,000 [A]가 됩니다.

 

4) 지락사고 전류 및 감쇠

전기 계통에서 앞서 설명한 선간 단락전류와 근본적으로 동일한 지락사고에 의한 단락전류가 발생하는 경우, 계산방법이 달라지며 직접 접지 계통에서의 지락사고 전류는 선간 단락사고와 비슷합니다. 또한, 중성 점을 저저항으로 접지한 경우 접지 저항기의 정격 전류값에 의해 직류 성분의 감쇠가 매우 빨라 고장 전류의 비대칭 효과가 제한이 됩니다.

중성점 고저항 접지 또는 비접지 계통에서는 지락사고 전류가 매우 적어도, 아크(Arc)의 지속을 방지하고 건전상의 전압 상승 및 지속으로 인한 다른 회로에 대한 사고를 방지하기 위해서는 신속한 사고 검출과 차단이 필요합니다.

 

2.2 도체온도 및 도체크기

1) 도체 온도의 상승

굵기, 고장전류의 크기 및 지속 시간에 따라 도체의 온도 상승이 계산되며, 도체에 발생된 열이 절연체로 전혀 전달되지 않는 경우라고 가정할 때(단락사고 순간 등과 같이 단시간에 많은 열이 발생될 경우) 이는 다음과 같이 수학적으로 표현될 수 있습니다.

여기서 I : 전류, CM : 도체 면전(Cicular-mils), t : 시간, Fac : 교류전류/직류전류 Ratio, C : 도체에 따른 계수 [Cu : 0.0297, Al : 0.0125], Tc : 온도계수[Cu: 234도, Al : 228도]를 나타냅니다.

 

2) Shield 및 Sheath의 온도 상승

위의 도체에서와 같은 조건에서 지락 사고 시, 사용된 금속 종류에 따라 케이블의 Shield 및 Sheath의 온도 상승은 지락전류의 크기, Shield 및 Sheath의 단면적, 그리고 전류 지속시간의 함수로 표시됩니다.

 

3) 단락 시 최대온도 상승한도

평상시 운전 중의 온도에 따라 절연물의 보호를 위해 도체의 최대 허용 온도는 아래 표에 따라 절연체 종류별로 정해져 있습니다.

[표. 단락 시 최대허용 온도]

절연물의 종류	상시 허용 온도 To(°C)	단락 시 허용 온도 To(°C)
Rubber	75	200
Rubber	90	250
Silicone Rubber	125	250
Thermoplastic	75	150
Thermoplastic	85	200
Paper	85	200
Varnished Cloth	85	200

4) 온도-전류-시간 특성

온도-전류-시간 관계를 기반으로 하여 보호장치 및 차단장치의 총 고장 제거 시간에 따라 케이블의 도체 선정이 달라지는 것을 알 수 있습니다. 예로서 8 Cycles 차단기 채용 시동(Cu) 케이블 AWG No.2/0(70 mm²)인 경우 21,000 [A]까지 가능하고, 보다 사이즈가 큰 No.4/0(100 mm²)을 선정해야 동일한 성능을 가집니다. 5 Cycles 차단기를 채용 시 동(Cu) 케이블에서는 사이즈가 보다 작은 AWG No.1/0을, AI 케이블인 경우 No.3/0을 적용할 수 있으며, 최대 단락 고장 전류가 차단장치의 차단용량 전류보다 적은 경우에는 전선의 굵기가 더 가는 케이블을 선택할 수 있음을 알 수 있습니다.

 

5) 초기온도

초기 온도는 온도가 과전류나 고장전류가 흐르기 전 보고되는 상태를 의미합니다. 이러한 상태에서 평상시 최대 부하로 인해 도체의 온도가 정격 전류가 흐를 때보다 낮을 시 고장 전류를 더 오래 흘릴 수 있으며, 허용된 값보다 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다. 그러나 외기 온도와 부하가 시간별로 변하기 때문에 도체의 정확한 초기 온도를 알 수 없기 때문에 보수적인 선택에서는 케이블 도체의 굵기를 낮추지 않습니다. 그러나 경제적인 선택으로 부하와 외기 온도를 예측하여 보정 계수(Kt)를 구하여 최대 허용 단락 전류값에 곱하여 보정된 값을 적용합니다. 예를 들어 초기 온도가 50°C이고, 최대 허용 단락 온도가 200°C인 경우에는 Kt는 0.899이며, 보정된 허용 단락 전류는 Isc x 0.899이므로 허용 단락 전류가 20,000 [A]이면 보정된 허용 단락 전류는 20,000[A] × 0.899이므로 17,900 [A]로 더 굵기가 가는 전선을 사용할 수 있게 됩니다.

 

2.3 최대 사고 전류 제거시간

단락사고를 방지하기 위해 보호장치의 신뢰성과 동작 속도가 높아야 한다. 보호 방식으로는 가장 가까운 거리에 있는 케이블 선로에 대한 1차 적인 보호(주보호) 및 그다음의 선로 또는 구간에 대한 후보 보호를 담당하는 방식이 적용되며, 이때 주보호는 보통 순시 차단되도록 하고 후보 보호에서는 한시 차단되도록 합니다.

총 고장 제거시간은 사용되는 보호장치에 따라 다음과 같이 고려합니다.

• 계전기와 차단기 사용 시: (과전류계전기 동작시간) + (보조계전기 동작시간) + (차단기 전류차단시간)
• 직접 동작형 차단기 사용시: (차단기 전류차단 시간)
• 퓨즈 사용 시: (퓨즈의 총 고장 제거시간)

보호장치의 총 고장 제거시간은 계전기의 종류와 차단기 또는 퓨즈의 종류에 따라 달라질 수 있습니다.