앞선 포스팅에서 케이블의 시스(Sheath)에 발생하는 유기전압(Induced Voltage)과 순환전류(Circulating Current)에 대하여 알아보았습니다. 이번 포스팅에서는 이러한 유기전압이나 순환전류를 제어할 수 있는 방법에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
1. Cable Bonding System의 개요
CABLE의 BONDING은 고압 CABLE에 있는 SHEATH (SCREEN)을 대지에 접지하는 것을 의미합니다. IEEE 575에 BONDING SYSTEM에 대하여 자세히 나와 있습니다. 상세한 내용이 필요하신 분은 IEEE 575를 찾아보시기 바랍니다.
BONDING SYSTEM에는 여러가지 형태가 있지만 주요하게 다음 3가지만 살펴보려고 합니다.
1) SOLID BONDING SYSTEM
CABLE의 양단에서 SHEATH를 모두 접지하는 것.
2) SINGLE POINT BONDING SYSTEM
CABLE의 한쪽만 접지하고 다른쪽은 비접지로 두는 것.
3) CROSS BONDING SYSTEM
CABLE의 구간을 3등분하여 각 구간의 SHEATH를 CROSS 하여 3상 유기전압의 합이 ZERO가 되도록 유도하는 방법.
2. SOLID BONDING SYSTEM (양단 접지방식)
CABLE SHEATH 양쪽을 모두 접지하는 방식입니다.
간단한 그림으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
상기 영문 자료를 아래와 같이 번역해 보았습니다.
1) 단순한 방법임.
2) CABLE의 스크린 (시스)를 양쪽 끝에서 접지 시스템에 연결함. (LINK BOX를 이용)
3) 가장 일반적인 방법임.
4) 스크린에 심각한 순환전류가 발생함.
전선에 흐르는 전류와 상간의 간격에 비례하여 커짐
CABLE의 허용 전류를 감소 시킴
5) 간격이 좁은 삼각배치 (TREFOIL)로 설치하는 것이 좋다.
6) 시스에 흐르는 전류는 CABLE의 길이에 무관하다.
(CABLE이 길면 저항도 커지기 때문에 시스의 전류는 변하지 않는다.)
장점은 다음과 같습니다.
1) 경제적인 설치 방법
2) 원거리에서의 지락 발생 시 지락 전류의 통로 제공
3) SVL이 필요 없음
4) 전자기장의 방사 감소
단점은 다음과 같습니다.
1) 순환전류가 흐름
2) 시스에 열이 발생하고 손실이 증가함
3) 허용전류가 감소하고 케이블 굵기가 증가함
4) 한쪽에서 EGVR이 발생시 다른 쪽으로 전위 상승이 전가됨.
(EGVR - Earth Grid Voltage Rise)
TERMINATION 작업이 잘못되어 순환전류가 흘러서 CABLE의 절연과 외피가 소손된 사진
SINGLE CORE CABLE의 경우에는 순환전류가 많이 발생하고 이로 인해서 CABLE 소손등의 사고가 발생할 가능성이 높은 관계로 SOLID BONDING은 바람직하지 않으며 THREE CORE CABLE에만 적용이 가능합니다.
2. SINGLE POINT BONDING(편단 접지방식)
일반적으로 SINGLE CORE CABLE에 적용이 됩니다.
편단접지는 케이블의 한쪽 시스만 접지에 연결하고 다른 쪽은 접지를 하지 않는 방식입니다. 접지를 하는 쪽은 보통의 단말 처리처럼 AMOUR는 CABLE GLAND에서 접지로 연결하고 SHEATH는 편조선에 연결해서 외부로 빼내고 이를 접지에 연결하면 끝납니다.
그런데 접지를 하지 않는 쪽은 특별한 조치가 필요합니다.
첫째로 CABLE GLAND에 AMOUR를 접속하고 나면 CABLE GLAND가 접지에 연결되지 않도록 해야 하는데
이를 위해서
1) GLAND PLATE를 부도체로 해야 하거나 (백크라이트등)
2) CABLE GLAND를 절연형으로 사용하거나
3) AMOUR를 CABLE GLAND에 접속되지 않도록 자르는 방법을 적용합니다.
두 번째로는 SHEATH를 단말처리 후 접지에 연결하지 않고 절연시켜 둡니다.
CABLE GLAND를 사용하지 않는 경우에는 단말처리 시 AMOUR와 SHEATH가 서로 접촉되지 않도록 주의 깊게 분리시켜 외부로 인출한 후에 각각 절연처리 하여야 합니다. 즉 AMOUR와 SHEATH 간에 순환전류가 흐르지 않도록 방지하고자 하는 것입니다.
편단접지 (SINGLE POINT BONDING)의 특징은 다음과 같습니다.
1) 한쪽만 견고하게 접지에 연결합니다.
2) 케이블 스크린 (시스)의 폐회로가 구성되지 않아서 순환 전류가 흐르지 않습니다.
3) 접지된 쪽은 전압이 발생하지 않으나 접지 되지 않은 쪽에는 유기전압이 발생합니다.
4) 옵션으로 사고전류의 귀로를 위해서 접지연결도체 (EARTH CONTINUITY CONDUCTOR)가 요구될 수 있습니다.
5) 사고 조건에서 케이블 절연을 보호하기 위해서 비접지 쪽에 SVL (SHEATH VOLTAGE LIMITER)를 설치해야 합니다.
6) 접지연결도체 (EARTH CONTINUITY CONDUCTOR)는 중간지점에서 연가(TRANSPOSITION)를 해야 합니다. 이는 이 도체에 흐르게 되는 순환전류를 감소시키기 위함입니다. 아래 그림은 접지연결도체 (EARTH CONTINUITY CONDUCTOR)의 배치 예입니다. (IEEE 575)
7) 유기전압은 CABLE에 흐르는 전류와 CABLE의 길이에 비례하여 커 집지니다.
8) 접지 측은 접지계 전압에 대해서 전압이 "0"가 되고, 비접지 측은 전압이 발생합니다.
9) 스크린에 순환전류가 발생하지 않습니다.
10) 접지연결도체에 흐르는 순환전류는 큰 의미는 없는 수준인데 이는 연가를 통해 부분적으로 보상이 되었기 때문입니다.
11) 유기전압의 크기는 도체에 흐르는 전류의 크기에 따라 커지므로 지락사고가 있으면 아주 높은 전압이 발생합니다.
시스에 유기되는 전압의 특성은 다음과 같습니다.
1) 지락사고 시에 비접지 측의 전압에는 다음 두 가지 요소가 포함되어 있습니다.
(a) 도체의 고장전류에 의해 유기된 전압
(b) 고장이 발생한 쪽에서의 EGVR (Earth Grid Voltage Rise), 즉 고장전류가 흘러서 접지계의 전압이
상승해서 나타나는 전압
2) 비접지 측에서 나타나는 고전압은 아크를 유발하고 케이블의 외피 (Outersheath)의 손상을 야기합니다.
3) SVL (Sheath Voltage Limiter)는 낙뢰나 스위칭 서지 혹은 고장전류등에 의한 과도과전압으로 시스 접속 절연물과 케이블 외피 (Outersheath)에서 발생할 수 있는 섬락이나 절연파괴를 방지하기 위해서 개발되었습니다.
편단접지 (SINGLE POINT BONDING)의 장단점은 다음과 같습니다.
장점은 순환전류가 발생하지 않고, 열이 발생하지 않고, 경제적인 접지 방법이라는 것입니다.
단점은
(a) 비접지 측에 유기전압이 발생하고
(b) 고장 시 유기전압이 켜지면 SVL을 설치해야 하며
(c) 접지연결도체가 요구될 수 있고
(d) 자기장이 양단접지에 비해서 커진다는 점입니다.
유기전압은 케이블에 흐르는 전류의 크기와 케이블의 길이에 비례하여 커집니다.
이러한 이유로 인해서 편단접지가 적용되는 적정한 케이블의 길이는 500M입니다. (한 드럼에 감긴 케이블 길이)
3. SPLIT SINGLE POINT BONDING SYSTEM (분리형 편단접지방식)
SINGLE POINT BONDING의 단점이 케이블 길이의 제한입니다. 500M 정도로 제한이 되는데 이러한 단점을 완하기 위해 고안된 방법이 SPLIT SINGLE POINT BONDING 방법입니다.
케이블의 가운데 접속점 (SPLICING POINT)에서 시스를 서로 연결하지 않고 분리한 다음 SVL을 설치하여 접지와 연결하면 평상시에는 시스가 분리되어 있다가 과전압이 유기되면 SVL이 동작하여 선로의 시스가 접지에 연결되어 대지로 전류를 흘려보내는 방식입니다.
이 방법의 장점은 500M의 두 배인 1000M까지 적용이 가능하며 유기전압은 500M 분만 전압이 발생하여 관리 가능한 범위 내로 유지시킬 수 있습니다. 즉 SINGLE POINT BONDING의 장점을 그대로 유지하면서 길이만 두 배까지 적용할 수 있는 것입니다. 전압이 발생하는 형태는 아래 그림과 같습니다.
아래 그림은 첫 번째는 SINGLE POINT BONDING이고 두 번째와 세 번째 그림은 SPLIT SINGLE POINT BONDING입니다. SPLIT 방식은 접지를 가운데서 하는 것과 양단에서 하는 두 가지 방법이 있습니다.
4. CROSS BONDING SYSTEM(크로스 본딩 방식)
크로스 본딩 방식은 "연속적인 삼상 도체의 각각 연속적인 차폐 회로에서, 기본적인 구간에 케이블을 서로 교차하여 본딩 하는 방법"이라고 설명이 나옵니다.
케이블 시스의 접지는 결국 케이블의 길이 문제로 귀결됩니다. SOLID BONDING은 3상 케이블에만 적용하는 것으로 설명을 드렸고 단상 케이블은 SINGLE POINT BONDING 이 기본적인 방법인데 이 경우 케이블 길이 500M 이하라는 제약이 있습니다. 이를 해소하려고 SPLIT SINGLE POINT BONDING이라는 방법을 고안해서 1000M 까지는 해결이 되었는데 문제는 더 긴 거리는 어떻게 해야 하는 것이죠. 수전을 받으려는데 변전소가 5KM 떨어져 있다면 어떻게 해야 할까요? 이때 적용되는 방법이 CROSS BONDING SYSTEM입니다. 거리가 얼마나 멀던지 문제가 안됩니다. 그래서 일반적으로 154KV 이상 수전하게 되면 거의 CROSS BONDING SYSTEM을 적용하게 됩니다.
CROSS BONDING SYSTEM에 대하여 설명하도록 하겠습니다.
1) CROSS BONDING은 최고의 시스 접지 시스템입니다.
2) 하나의 주요 구간 (MAJOR SECTION) 안에 3개의 부속 구간 (MINOR SECTION)이 있는 형태입니다. 주요 구간은 케이블의 거리에 따라 개수가 결정됩니다.
3) 각각의 부속구간에서 각 상 전류에 의해 발생한 유기전압이 3개의 부속구간에서 더해지면 전압이 "0"으로 중화됩니다. 이유는 시스가 A상에서 B상으로 다음에는 C상으로 연결되어 A, B, C 상의 3상이 합해지는 결과가 되기 때문입니다. 아래 그림에서 설명이 됩니다.
4) 부속구간 (MINOR SECTION)의 길이는 일반적으로 하나의 드럼에 감기는 케이블 길이로 500M가 기준이 됩니다.
5) 시스가 구간으로 분리되는 위치는 각 드럼의 케이블을 서로 연결하는 지점과 동일합니다.
6) 주요 구간 (MAJOR SECTION)에서의 시스 접지는 직접 접지 (SOLIDLY EARTHING) 입니다.
7) 하나의 주요구간 내에서 합쳐지는 유기전압을 동일하게 하기 위해서 케이블을 연가 (TRANSPOSE) 해야 합니다.
8) 모든 구간에서 시스의 연결을 위해서 LINK BOX를 사용해야 합니다. 즉 주요 구간이나 부속구간이나 모든 구간에서 접속을 할 때는 LINK BOX를 시용해서 연결합니다. (아래 그림 참조)
LINK BOX 설치 장소
9) 모든 PHASE에서 임피던스가 동일해야 합니다. (즉 케이블 길이가 동일해야 하고 연가를 하는 이유)
10) 시스를 CROSS BONDING 하는 것 외에 케이블 자체 CORE를 연가 (TRANSPOSE) 해야 하는 이유
- 연가를 하지 않으면 각상에 유기되는 전압의 크기가 달라져서 정확한 중성화 (NEUTRALIZATION)가 되지 않음)
- 케이블은 최적의 중성화 (유기전압 "0")를 이루기 위해서 케이블 CORE의 연가와 시스의 CROSS BONDING이 모두 이루어져야 합니다.
두 개의 CROSS 가 존재하는 CROSS BONDING SYSTEM
11) 유기전압의 크기는 주요 구간 (MAJOR SECTION)의 시스를 따라서 변화합니다. (위 그림 참조)
12) 이상적으로는 순환 전류가 흐르지 않습니다.
13) 이상적으로는 직접접지가 된 쪽에서부터 반대쪽 끝까지 전압이 발생하지 않습니다.
장거리 지중 송전은 당연히 CROSS BONDING SYSTEM을 적용하게 됩니다. 대부분의 154KV 수전 라인은 일반적으로 1KM 이상의 거리를 필요로 하기 때문에 CROSS BONDING을 적용합니다. 이 154KV 케이블 설계는 케이블 업체에서 수행하고 또한 케이블 루트 설계도 전문 설계업체에서 수행하는 경우가 대부분입니다. 그러나 전기 엔지니어라면 이러한 방식에 대하여 충분히 이해를 하고 전문 업체의 도면을 검토할 수 있는 능력을 갖추어야 합니다. 이 포스팅이 도움이 되기를 바랍니다.
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