고압 케이블에는 Sheath 나 Screen이라고 하는 부분이 있습니다. 이 Sheath에 대한 이해를 정확히 하지 않으면 공장 운전 중에 많은 문제가 발생하게 됩니다. 이번 포스팅에서는 이 고압 케이블의 Sheath에 대하 이해하고 어떻게 설계에 반영해야 하는지를 알아보겠습니다.
1. 케이블 시스의 존재 목적
케이블 시스의 목적은 다음과 같습니다.
케이블 시스
1) 케이블의 절연물에서 발생하는 전기장의 스트레스를 제어하기 위함
2) 중성선 전류와 고장전류의 복귀 경로로 사용
3) 정전기장을 케이블 내로 국한 시키는 용도 (정전기장을 가둠)
4) 전자기 복사를 줄이는 용도 (양쪽을 모두 접지한 경우)
5) 안전을 위해서 위험한 고전압을 대지전위 내로 패쇄함
만약 시스가 없는 고압 케이블이 대지에 접촉이 되면 도체 주변의 정전기장이 접촉 부위에 집중되게 되어 코로나 방전이 발생하게 되고 이로 인해 절연이 파괴되며 지락 사고가 발생하게 됩니다. 또한 위의 5번 항처럼 절연이 파괴된 케이블에 시스가 있으면 사람이 접촉해도 대부분의 전류가 시스를 통해서 대지로 흐르기 때문에 큰 사고를 예방할 수 있습니다.
2. 유도 전압 (Induced Voltage)
케이블에 시스가 있으면 중심도체와 시스 간에 전자기연결 (Electromagnetic coupling)이 발생하여 Faraday의 법칙에 따라 시스에 유기 전압이 발생합니다.
시스에 유도되는 전압의 크기에 대해서는 IEEE575에 잘 나타나 있습니다. 복잡한 원론적 수식이 있지만 여기서는 일반적으로 케이블 포설에 적용되는 삼각배치 (TREFOIL)와 수평배치 (FLAT) 시의 유기전압에 대한 수식을 설명합니다.
1) 삼각배치 (TREFOIL FORMATION) 시의 유기전압
2) 수평배치 (FLAT FORMATION) 시의 유기전압
3) 두 가지 배치 비교
위의 샘플 계산에서 보면 삼각배치에서는 모든 상에서 유기전압이 동일하고 수평배치에서는 가운데 상이 삼각배치와 동일하지만 다른 상은 값이 더 커지는 것을 확인할 수 있습니다.
IEEE 575에서도 이와 같은 결과가 보이는 수계산용 그래프를 제공하고 있습니다. 아래 그림에서 그래프를 이용해서 수계산을 한 결과를 보여주고 있습니다. 그래프 상에서 보면 수평배치의 외부 전선과 수평배치의 가운데 전선 및 삼각배치의 전선들이 서로 다른 전압 커브를 가지고 있음을 보여주고 있습니다.
이번 글에서는 케이블 시스의 목적과 어떻게 유기전압이 시스에 발생하는 지와 그 유기전압의 크기는 얼마나 되는지를 확인해 보았습니다. 다음 글에서는 적정한 크기의 유기전압이 얼마인지와 그 유기전압으로 인해 흐르게 되는 전류는 얼마나 큰지를 체크해 보겠습니다.
앞의 글에서 시스의 목적과 시스에 유기되는 전압의 계산 방법에 대하여 알아보았습니다. 이번 글에서는 최대 허용 유기전압이 얼마인지 확인해 보고 도 이 유기전압으로 인해서 흐르게 되는 전류의 크기는 얼마인지 확인해 보도록 하겠습니다.
3. 허용 유기 전압
IEEE 575에는 각 국가별로 허용하는 유기전압을 보여주고 있습니다. 나라별로 많이 다름을 알 수 있습니다.
그래서 Engineering Practice로 다음과 같이 적용하고 있습니다.
1) 132kV System 이하는 65V 까지는 허용되는 것으로 합니다.
2) 400kV System 이하는 150V까지 허용하고 있습니다.
3) 최대 허용 전압은 200V 이하로 합니다.
4) 단 각 국가별 규정이 있으면 그 규정을 준수합니다.
4. 순환 전류 (Circulating Current)
시스의 양단이 모두 접지되는 경우에는 시스에 유기되는 전압이 대지나 접지선을 따라서 형성된 폐루프를 따라서 순환 전류를 흘리게 됩니다. 이 순환전류는 Core 도체에 흐르는 전류가 발생시키는 자기장을 감소시키는 방향으로 흐르게 됩니다. 이 법칙을 Lenz의 법칙이라고 합니다.
시스에 흐르는 전류를 계산하는 방법을 정확히 설명하는 곳은 본 적이 없습니다. 실제로 시스에 흐르는 전류를 계산하려면 시스에 유기되는 전압을 계산한 후에 시스의 저항과 시스와 연결된 폐루프의 모든 저항을 더해서 전압을 저항 값으로 나누면 전류가 나올 겁니다.
그런데 여기서 정확한 전류값을 구하는 것은 큰 의미가 없기 때문에 제가 개인적으로 검토해서 찾아낸 방법을 제시하려고 합니다. 제 방법이 마음에 들지 않으시는 분은 앞에 설명드린 대로 실제 저항값을 찾아서 계산하시면 됩니다.
석유화학 플랜트는 접지를 매우 중요하게 생각하여 모든 공장과 변전소의 지하에 메시접지를 설치하고 따라서 케이블의 양단을 모두 접지 했다는 것은 땅에 묻힌 접지선을 따라서 폐루프가 형성된다는 것을 의미합니다. 보통 95SQ 이상의 접지선을 매설하기 때문에 저항이 매우 낮을 것이 분명합니다.
이 점을 아래의 계산에서 배후에 두고 대지 접지선 귀로의 저항은 무시하고 계산한다고 보시면 됩니다.
IEC 60287-1-1 과 1-3 에 보면 Circulation current를 구하기 위해서 직접 전류를 계산하기보다는 Loss factor를 이용하는 방법을 사용하고 있습니다. 이 Loss Factor는 다음과 같이 계산됩니다.
그리고 이렇게 구해진 Loss Factor를 가지고 IEC 60287-1-3에 있는 다음 수식을 이용해서 Sheath에 흐르는 전류를 계산할 수 있습니다.
IEC 60287-1-3 에는 다음과 같은 샘플 계산이 있습니다. 위의 수식을 가지고 계산해서 IEC60287-1-1에서 준 값과 비교해 보면 계산이 정확한지 알 수 있습니다.
실제로 계산한 값은 FLAT FORMATION과 TREFOIL FORMATION에 대하여 각각 다음과 같습니다. 직접 계산해 보시는 것이 수식을 이해하는데 도움이 됩니다.
각 케이블 배치에 따라서 CIRCULATING CURRENT가 얼마나 흐르는지 확인할 수가 있습니다. CORE 전류의 25% 에서 65%까지 매우 큰 전류가 흐름을 볼 수 있었습니다.
따라서 이런 CIRCULATING CURRENT에 대한 고려 없이 케이블의 양단을 접지하는 것은 매우 위험하고 시간이 지나면 화재의 위험이 높아지는 것을 알 수 있습니다.
다음에 설명할 SHEATH BONDING SYSTEM을 보면 잘 이해하시겠지만 고압 케이블은 3C 케이블이 아닌 SINGLE CORE CALBE 인 경우에는 공장 내에서는 반드시 한쪽만 접지하고 나머지 반대쪽은 절연해야 함을 명심해야 합니다.
'전기 Engineering > 전기 시스템의 계산과 분석' 카테고리의 다른 글
| IEC60287에 따른 케이블 사이징 개념 설명 (0) | 2023.10.21 |
|---|---|
| Cross Bonding의 실제 적용과 효과 및 SVL 선정 방법 (1) | 2023.10.19 |
| 케이블 본딩 시스템(Cable Bonding System)의 모든 것 (1) | 2023.10.18 |
| 저압 전동기의 보호 방식에 대하여 (Low Voltage Motor Protection) (0) | 2023.09.28 |
| 고압 전동기 고장 보호의 기초 (차동 과전류와 지락) (1) | 2023.09.07 |
