케이블 굵기 결정의 첫 번째 포스팅은 주로 전압 강하에 의한 케이블 사이즈 결정 방법이었습니다. 두 번째 포스팅은 최소 케이블 굵기에 대한 내용입니다. (Minimum Cable Sizing) 고압 시스템에서 이 최소 케이블 굵기 결정은 매우 중요한 요소로서 전동기의 용량과 상관없이 단락 용량으로 케이블의 최소 사이즈가 아주 굵게 결정되기 때문에 잘 활용하면 경제적인 설계를 할 수 있습니다.
1. 규격별 계산식
최소 케이블 사이징은 케이블이 단락 전류가 흘렀을 경우에도 견딜 수 있는 시간을 확인하는 수식이며 이 수식은 ICEA에서 발행한 ANSI/ICEA P-32-382에 나와있습니다. 원 수식은 미국 표준이라서 단위가 다른데 아래 수식은 IEC 기준으로 표시한 것입니다.
KEC에는 다음과 같이 설명하고 있습니다.
2. 단락 전류의 지속 시간 (t)
단락전류에 견딜 수 있는 케이블의 사이즈를 결정하는 데는 단락 전류의 지속 시간이 매우 중요한 요소가 됩니다. 아래의 그림에서 케이블 사이즈를 결정하는 식과 한 프로젝트에서 주어진 단락 전류의 지속 시간을 보여주고 있습니다.
케이블의 사이즈를 결정하는 두 가지 요소가 단락 전류와 그 지속시간입니다. 단락 전류는 계산을 통해서 구해지지만 지속시간은 여러 가지 원인에 의해서 결정됩니다. 기본적인 시간이 위에 나타나 있지만 꼭 그대로 적용해야 하는 것은 아닙니다. 일반적으로 석유화학 공장 프로젝트에서 보면 주로 t=200ms로 지정되어 있는 경우가 많습니다. 그런데 이 시간은 차단기 (CIRCUIT BREAKER)라는 장치가 보호계전기가 단락 전류를 감지하고 차단 명령을 내린 후 완전히 차단될 때까지의 시간을 나타냅니다.
차단기가 아닌 퓨즈가 사용된다면 시간은 달라집니다.
일반적으로 그 시간은 다음과 같습니다.
1) 차단기 - 200ms
2) 퓨즈 (VCS 용 포함) - 4ms
3) MCCB - 50ms
그런데 위의 시간은 어떤 규정으로 정해진 것이 아닙니다. 즉 차단기의 트립 시간을 얼마로 볼 것인가는 매우 주관적인 부분이 포함됩니다. 슈나이더의 자료를 참고해 보겠습니다.
위의 표를 보면 사고가 나고 차단되는데 소요되는 시간은 다음과 같습니다.
50/51 Relay 동작 시간 - 50ms
Sepam의 output relay 동작 - 10ms
차단기 동작 시간 - 60ms
여유 마진 - 20ms
그래서 1차로 Relay가 동작해서 차단기가 Open 되기까지 걸리는 시간은 총 140ms입니다. 실제로 다른 업체의 자료를 찾아보면 100ms 가 안 되는 경우도 많습니다. Schneider는 Rising time을 50ms로 했지만 상당히 길게 잡았습니다. 그래도 140ms, 우리가 여유를 조금 더 주어도 180ms 해도 되는 것 아닙니까?
저의 경우에 태국에서 프로젝트를 했을 때 이 시간이 주어지지 않았습니다. 200ms를 적용하니까 120sq 가 나와서 180ms로 해서 95sq로 낮추어 적용한 경험이 있습니다. 충분한 근거가 있는 자료입니다.
위 그림에서 보면 Breaker Fail이 발생해서 상단의 차단기가 동작하는데 걸리는 시간까지 그려져 있습니다. 상단까지 모두 합해서 230ms로 계산했습니다. 제가 봤던 중동의 한 업체는 1 sec를 요구하기도 했습니다. 그러면 케이블이 240sq로 굵어지는 것을 확인했었습니다. 이렇게 케이블이 굵어지면 그 가격만 해도 만만치 않습니다.
6600V 이하에서 일반적으로 1000kW 이하의 전동기는 VCS (Vacuum Contactor Switch)를 사용합니다. 당연히 Fuse가 붙어 있습니다. 그래서 단락 보호의 경우 Fuse의 동작시간이 적용됩니다. 대체로 4ms입니다. 그리고 단락 전류도 제한이 되는 부분이 있습니다. 4ms가 적용되면 케이블 사이즈는 거의 25sq 면 충분합니다. 조금 크게 잡으면 35sq입니다. 태국 프로젝트에서는 발주처가 VCS 사용을 금지해서 모두 VCB를 적용했는데 비용이 엄청 증가했었습니다.
3. 케이블에 흐르는 단락 전류
케이블에 흐르는 단락 전류는 Bus에서 계산된 값과 다릅니다. 그런데 단락이 전동기 단자에서 발생할지 케이블 자체의 문제로 초기 부분에서 발생할지는 아무도 모릅니다. 물론 전동기 단자에서가 가능성이 높겠죠. 그렇지만 우리는 최악의 경우에도 문제가 없도록 설계하고 있습니다. 그래서 Bus 단락 전류 값을 적용합니다. 단 예외가 있습니다. Motor의 기여도가 아주 높은 경우입니다. 10MW 이상의 전동기가 적용된다면 이 기여도는 아주 높아집니다. 이때는 Bus의 단락 전류에서 전동기의 단락 전류를 뺀 나머지 전류만 케이블에 흐른다고 보아도 문제가 없습니다.
한 프로젝트에서 Motor Starter를 프로젝트 초기에 사업주가 발주를 했는데 31.5KA로 발주했었습니다. 그런데 설계를 하면서 단락 전류가 40KA로 늘었습니다. 기기는 이미 제작을 해서 큰비용을 들여야 수정이 가능했습니다. 그런데 고민하다가 방법을 찾았습니다. 즉 Motor 기여분을 빼면 31.5KA로 충분한 것을 증명해서 기기를 수정하지 않을 수 있었습니다.
4. 저압 시스템에서의 적용
일반적으로 석유화학 공장에서 저압 시스템에는 최소 단락 전류를 적용하지 않습니다. 고압 케이블에만 적용합니다. 저압에는 케이블 중에 충분히 단락 전류를 견디는 것도 있겠지만 아주 작은 사이즈의 케이블도 많아서 경제성이 없습니다. 실제로 상세히 검토해 보지는 않았지만 차단기의 저항과 차단기 통과 전류치를 고려한다면 어느 정도는 이 전류에 견딜 수 있습니다. 변압기나 배전반의 주요 케이블은 충분히 견딜 수 있는 굵기로 선정이 되지만 저압의 모든 전선을 다 검토하는 것은 불필요할 것으로 생각됩니다. KEC에 보면 고압과 저압의 기준이 명확하지 않은 것 같습니다.
전기 설계 시에 규격을 자세히 이해하는 것이 중요한 것은 잘 모르면 최대치로 설계하여 설계 마진을 많이 넣는 비 경제적인 설계를 할 수 밖에 없지만 자세히 알면 부분적으로 피해 갈 수 있는 부분을 찾을 수 있고 이로 인해 경제적인 설계를 할 수 있기 때문입니다. 발주처를 설득할 때도 이런 상세한 규격 지식으로 충분히 설명하고 이해시킬 수 있습니다.
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