IEC 60287 케이블 사이징 - Armour Loss 계산

 

이번 포스팅은 IEC 60287 케이블 사이징의 마지막 단계인 Armour loss에 대해서 설명드리겠습니다. 저는 예전에 포스팅을 작성한 것으로 생각하고 잊고 있었는데 어느 분이 왜 Armour loss는 안 올리냐고 질문 주셔서 확인해 봤더니 누락되었더군요.

 

1. Loss factor for non-magnetic armour or reinforcement

Armour나 Reinforcement의 구분은 두가지로 보통 합니다. magnetic이냐 non-magnetic 이내로 구분을 합니다. 자성이 있는 재질과 자성이 낮은 재질의 Loss가 다르기 때문입니다. 기본적으로는 magnetic material은 사용하지 않는 것이 원칙입니다. Single core cable에서는 non-magnetic material만 사용하고 3상 밸런스가 잘되어 자속이 강하지 않은 3상 케이블에서는 magnetic material도 사용을 허용하고 있습니다. 즉 single core cable의 armour는 aluminum 재질을 사용하고 three core cable의 경우에는 steel armour를 사용합니다. 먼저 non-magnetic armour에 대한 loss를 검토해 보겠습니다.

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IEC 60287에서 발췌한 위 설명을 보면 Sheath의 loss와 reinforcement의 loss를 합쳐서 계산하는 것이 일반적인 절차라고 설명합니다. 식 2.3에서 sheath와 reinforcement의 저항이 병렬로 연결된 것으로 보아서 하나의 sheath 저항 Rs로 대체하고 있습니다. sheath와 reinforcement의 직경에 대한 등가 직경은 2.3.11의 식으로 구하고 있습니다. 이 절차는 single, twin 그리고 다수의 core를 가진 케이블에도 적용이 됩니다.

 

아래 수식들은 single core cable의 한 예에 대한 통합 sheath loss와 등가 직경 그리고 등가 저항에 대한 수식입니다.

 

2. Loss factor for magnetic armour or reinforcement

이번에는 magnetic armour에 대한 loss에 대해서 알아보겠습니다. 아래의 두식은 일반적으로 많이 사용되는 케이스에 대한 것입니다. 이 Loss는 기본적으로 양단접지 (Solid bonding)에 대한 것입니다. 아래 2.4.2.1의 제목을 확인해 보세요.

 

첫번째는 초고압 케이블을 포설할 때는 주로 single core cable을 사용하고 lead sheath를 많이 적용합니다. 여기에 steel wire armour가 적용된 경우에 대한 수식입니다. 그런데 실제로 초고압 케이블에서는 lead sheath를 쓰면 steel wire armour는 적용하지 않는 것이 일반적입니다. lead sheath가 reinforcement의 역할을 겸해서 하기 때문입니다. 그리고 보통 ELP 등의 배관 내에 포설하는 이유도 있어 보입니다.

 

위의 수식 중 두번째는 일반적으로 고압 계통에 많이 쓰는 three core cable이면서 steel wire armour (SWA)가 적용된 케이블에 대한 loss를 계산하는 수식입니다.

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아래의 샘플 계산은 three core cable - steel wire armour인 케이블에 대한 loss factor를 계산해 본 것입니다. 주로 많이 사용하는데 왜 SWA를 사용해도 loss가 문제가 안 되는지 알아보려고 계산해 보았습니다.

 

여기서 나온 0.096이라는 값은 큰지 작은지 비교를 하기 위해서 IEC 60287에 나온 loss factor와 비교를 해보겠습니다.

 

위의 값은 IEC 60287-1-1에 나오는 값으로 single core cable의 sheath loss에 대한 값입니다. 제일 작은 가운데 케이블의 loss factor가 1.50입니다. 이 두값을 비교해 보면 크기가 어떤지 알 수 있겠습니다.

 

1.5 /0.096 = 15.6 이 됩니다. 즉 1/15.6 만큼 작다는 이야기입니다. SWA를 사용해도 loss를 걱정하지 않아도 될 만큼 충분히 작은 값으로 판단할 수 있습니다.

 

3. 결론

아래 참고 자료에 링크를 붙인 사이트에 의하면 magnetic armour와 non-magnetic armour의 차이는 eddy current loss에 의한 것입니다. magnetic armour의 경우에는 armour에 흐르는 순환전류에 의해서 eddy current가 만들어질 때 자화가 잘 되기 때문에 eddy current가 많이 발생하게 되고 non-magnetic armour의 경우에는 자화가 안되기 때문에 eddy current에 의한 loss가 무시할 정도라고 보는 것입니다. 아래의 설명에서 magnetic armour에서 loss를 계산하는 방식을 설명하고 있습니다. 더 자세한 설명은 아래 링크를 참조하기 바랍니다.

 

 

기본적으로 Armour나 Reinforcement는 기능적인 면에서는 Sheath와 다르게 볼 수 있지만 loss의 측면에서는 동일한 역할을 한다고 보아야 합니다. 즉 Sheath와 Armour를 하나의 요소로 합쳐서 본다는 말입니다. 각각의 재질에 따라서 loss의 크기는 다르게 나오지만 Armour는 loss가 없다든지 작다든지 하는 판단은 쉽게 해서는 안 됩니다.

 

그래서 케이블의 loss에 의한 위험을 줄이려면 반드시 편단접지 (single point bonding)이나 Cross-bonding을 채택해야 합니다. 양단 접지 (solid bonding)을 하게 되면 이 loss에 의해서 발생된 전압으로 큰 전류가 흘러서 케이블을 손상 시킬 가능성이 아주 높습니다. sheath 와 armour 모두 동일한 방식으로 접지를 고려해야 합니다.

 

Single core cable이 single point bonding (편단접지)가 되어 있다면 기본적으로 순환전류 (Circulating current)가 흐르지 않기 때문에 Armour에 의한 loss도 고려할 필요가 없어집니다. 그러면 Armour가 magnetic material 인지 non-magnetic material 인지도 상관할 필요가 없어집니다. 이 내용은 참고로만 알아두시면 되겠죠.

 

 

 

참고 자료

1. IEC 60287
2. https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=110738