이번 포스팅에서는 일반적으로 초고압 케이블의 사이징에 사용되는 IEC 60287에 따른 케이블 사이징에 대하여 설명드리도록 하겠습니다. 초고압 케이블의 사이징은 보통 케이블 업체에서 수행합니다. LS전선이나 대한전선 등의 초고압 케이블 제조 업체에는 초고압 케이블 시스템을 설계하는 팀이 따로 있어서 케이블을 수주하면 전체 케이블 시스템을 설계하여 필요한 모든 자재를 함께 공급하고 있기 때문에 엔지니어링 회사에서 별도로 계산을 할 필요가 없습니다.
그러나 33kV 급이나 그 이하에서는 이러한 케이블 설계를 해주지 않기 때문에 엔지니어가 직접 해야 합니다. 이 초고압 케이블 시스템을 설계하는 방법을 이해하고 케이블 회사의 계산을 검토할 수 있고 또 Medium Voltage 급의 Long Line을 설계하는 방법을 배우게 되기를 바랍니다.
목차
1 Cable Sizing Basis (케이블 계산의 기초)
2 Conductor Loss (도체 손실)
3 Insulation Loss (유전체 손실)
4 Sheath & Screen Loss (시스와 스크린의 손실)
5 Thermal Resistance (열 저항)
6 Sample Calculation (예제)
1. 케이블 계산의 기초
1) 허용 전류 계산 공식
아랫부분은 IEC 60287-1-1에서 복사한 것입니다. 이 내용이 가장 기본이 되는 것이기 때문에 하나씩 번역해서 살펴보겠습니다.
AC 케이블의 허용 전류 값은 주변 온도를 넘어선 온도 상승의 표현으로부터 유도됩니다. (즉 Δθ라는 표현입니다)
이 수식에 포함된 변수 하나하나를 자세히 이해해야 전체 수식의 의미를 이해할 수 있습니다. 위에 영문으로 설명된 것을 풀어서 아래에 설명하겠습니다.
I 도체에 흐르는 전류 (A)
Δθ 주변 온도 이상으로 상승한 도체의 온도 (K)
주) 주변 온도라는 것은 정상 상태에서 케이블이 설치되었거나 설치될 주변 매질의 온도입니다. 이 주변 온도는 근처의 열 소스에 의한 온도 상승을 포함합니다. 그러나 그 소스에 의해서 온도가 상승된 중간 단계의 매질들에 의한 온도 상승은 포함되지 않습니다.
R 최대 운전 온도에서의 단위 길이당 도체의 AC 저항 (Ω/m)
Wd 도체를 둘러싼 절연물의 단위 길이당 유전체 손실 (W/m)
T1 도체와 시스 사이의 단위 길이당 열저항 (K.m/W)
T2 시스와 아모 사이의 베딩에 대한 단위 길이당 열저항 (K.m/W)
T3 케이블 외피의 단위 길이당 열저항 (K.m/W)
T4 케이블 표면과 이를 둘러싼 외부의 물질 사이의 단위 길이당 저항 (K.m/W)
n 케이블 내에서 전류가 흐르는 도체의 개수 (같은 사이즈로 같은 전류가 흐를 것)
λ1 케이블 내의 모든 도체의 총 손실에 대한 금속 시스의 손실의 비율
λ2 케이블 내의 모든 도체의 총 손실에 대한 아모의 손실의 비율
2) 아래 그림은 도체의 구성을 보여줍니다.
아래 그림을 참조하여 위의 각 요소가 어디에 위치하는지를 생각해 볼 수 있습니다.
아래 그림이 위의 여러 변수나 요소들의 관계를 보여줍니다.
Wc는 도체에서 발생하는 손실로 도체의 저항 R에 의해서 계산됩니다.
Ws는 시스의 손실이고 Wa는 아모의 손실입니다. 위 식에서는 λ1과 λ2로 표현되고 있습니다.
위의 수식을 허용 전류 값으로 표현한 것이 아래의 수식입니다. 이 수식을 계산하면 우리가 알고 싶은 케이블이 흘릴 수 있는 최대 전류 값이 나오게 됩니다.
3) 이상에서 설명한 것을 정리하면 아래와 같습니다.
허용 전류를 계산하는데 필요한 주요 요소는 아래의 4가지로 정리가 됩니다.
1. 도체손 - AC 저항, 표피효과, 근접효과에 의해 발생함
2. 절연손 - 유전체에 의한 손실
3. 본딩 방법에 따른 시스와 스크린의 손실
4. 열저항 - 도체와 시스, 시스와 아모, 외부시스와 외부환경에 의한 저항 손실
IEC 60287에 의한 허용전류 계산에 대하여 이번 포스팅에서는 그 기초를 살펴보았습니다. 사용한 수식이 무엇인지 그리고 그 수식에 포함된 각종 변수는 어떤 것이 있는지, 그 관계는 어떤지 등을 살펴보았습니다. 후속 포스팅에서 각 주요 손실을 계산하는 방법을 살펴보고 최종적으로는 샘플 계산을 통해서 확인하는 과정을 가지도록 하겠습니다.
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