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전압 등급이 내부에서 외부로 전원 케이블 구성을 결정하는 방법

전압 분류는 가장 중요한 단일 설계 매개변수입니다. 전원 케이블 , 도체, 절연체, 차폐 및 재킷 등 모든 레이어에서 구성 결정을 내리게 됩니다. 전력케이블은 크게 저압(LV, 최대 1kV), 중압(MV, 1kV ~ 35kV), 고압(HV, 35kV 이상)으로 구분됩니다. 전압 등급이 올라갈 때마다 단순히 절연체 벽 두께를 늘리는 것 이상의 건설 요구 사항이 도입됩니다.

저전압 레벨에서 주요 절연 기능은 전류가 흐르는 도체와의 접촉을 방지하고 존재하는 적당한 전기장 변화도를 견디는 것입니다. 0.7~1.0mm의 PVC 및 XLPE 절연 벽은 0.6/1kV 정격 케이블에 충분합니다. 이 전압에서의 전계 분포는 상대적으로 균일하며 전계 등급 레이어에 대한 요구 사항은 없습니다. 그러나 중전압 케이블은 도체 표면 불규칙성(연선 가장자리, 표면 산화, 미세한 돌출부)의 전계 집중으로 인해 시간이 지남에 따라 절연체를 부식시키는 부분 방전이 발생할 수 있는 전기장 강도에서 작동합니다. 이것이 MV 케이블에 도체 스크린이 필요한 이유입니다. 즉, 절연체에 연속적이고 균일한 등전위 표면을 제공하여 전기장을 원활하게 하는 도체 위에 직접 도포된 반도체 화합물 층입니다. 절연체 외부 표면의 해당 절연 스크린은 절연-차폐 인터페이스에서 동일한 기능을 수행합니다.

MV 케이블의 절연 스크린은 종단 방법에 따라 접착(비박리) 또는 반접착(박리 가능)되어야 합니다. 벗겨낼 수 없는 스크린에는 절연 표면에 흠집이 생기지 않도록 케이블 끝 부분에 절단 도구와 주의 깊은 기술이 필요합니다. 박리 가능한 스크린을 사용하면 반도체 층을 깨끗하게 벗겨낼 수 있지만 스크린 절연 경계에서 습기 유입을 방지하기 위해 관리해야 하는 정의된 인터페이스가 도입됩니다. 15kV 이상의 전압에서 절연 스크린 위의 금속 스크린은 케이블의 전체 용량성 충전 전류를 전달해야 하며, 이는 긴 케이블 길이에 걸쳐 중요해집니다. 이는 오류 전류 요구 사항과 관계없이 스크린 도체 단면적을 결정하는 요소입니다.

중전압 전원 케이블 응용 분야의 XLPE 및 EPR 절연체 비교

중전압용 전원 케이블 즉, 가교 폴리에틸렌(XLPE)과 에틸렌 프로필렌 고무(EPR) 단열재 사이의 선택은 가장 중요한 재료 결정 중 하나이며 가격만을 기준으로 결정되는 경우가 많습니다. 이는 까다로운 환경에서 지속적으로 성능 불일치로 이어집니다. 각 재료는 특정 적용 조건에 따라 완전히 다른 성능 프로필을 가지고 있습니다.

두 재료의 가장 실질적으로 중요한 차이점은 수목 저항입니다. 수목은 수분 및 AC 전기장 스트레스가 있는 상태에서 폴리에틸렌 기반 절연체를 통해 전파되는 수지상 분해 채널입니다. 표준 XLPE는 습식 설치 또는 직접 매립 설치에서 10~20년의 사용 기간 동안 수목 현상에 취약합니다. 나무 형성을 억제하는 첨가제가 포함된 나무 지연 XLPE(TR-XLPE) 화합물은 유틸리티 배전 케이블에 널리 사용되고 있지만 비용이 추가되고 제조업체가 특정 화합물 제제를 조달하고 인증해야 합니다. EPR은 근본적으로 다른 분자 구조와 투습 특성을 지닌 고무 화합물로, 별도의 첨가물 없이도 본질적으로 물나무 현상에 대한 저항력이 있습니다. 직접 매설, 침수된 도관 또는 해저 응용 분야에 설치된 케이블의 경우 EPR의 내습성은 비용 프리미엄에 관계없이 기술적으로 올바른 선택입니다.

XLPE의 유전 상수가 낮으면 중전압 및 고전압에서 긴 케이블을 사용할 때 전송 효율성이 향상됩니다. 부하가 연결되지 않은 경우에도 흐르는 용량성 충전 전류가 유전 상수에 비례하기 때문입니다. 충전 전류가 케이블의 열 전류량(일반적으로 33kV에서 10~15km보다 긴 케이블)의 의미 있는 부분을 나타내는 케이블 시스템에서 XLPE의 낮은 εr은 사용 가능한 부하 전달 용량으로 직접 변환됩니다.

전원 케이블의 외장 선택: 강철 와이어, 강철 테이프 및 알루미늄 와이어 비교

전원 케이블이 장력 당김, 되메움재로 인한 압축, 굴착 기계의 충격 또는 장기간에 걸쳐 지지 구조물에 놓인 케이블의 압력 등 설치 응력을 견뎌야 할 때마다 장갑을 통한 기계적 보호가 필요합니다. 외장 유형 선택은 사양 단계에서 흔히 간과되는 방식으로 기계적 성능뿐만 아니라 케이블의 AC 전기적 동작, 무게 및 내식성에 영향을 미칩니다.

강철 와이어 갑옷(SWA)

강철 와이어 갑옷은 외부 재킷 아래의 침구 층 위에 나선형으로 적용된 개별 아연 도금 또는 스테인레스 스틸 와이어로 구성됩니다. SWA는 모든 갑옷 유형 중 가장 높은 인장 강도를 제공하므로 장거리 도관을 통해 당겨지는 케이블이나 설치 장력을 받는 해저 케이블과 같이 설치 중에 축 방향으로 당기는 힘이 큰 케이블에 적합한 선택입니다. 와이어 수와 직경은 목표 파단 하중을 달성하도록 선택됩니다. 대형 전력 케이블의 경우 50~200kN의 SWA 차단 하중을 달성할 수 있습니다. 그러나 단일 코어 AC 전원 케이블의 강철 와이어 갑옷은 상당한 자기 손실 메커니즘을 생성합니다. 갑옷은 전류 전달 도체 주위에 폐쇄 자기 회로를 형성하고 갑옷 와이어의 유도 전류가 열을 생성합니다. 단일 코어 케이블에서 SWA 손실은 도체 손실의 30~50%에 도달하여 유효 전류용량을 심각하게 감소시킬 수 있습니다. 이러한 이유로 약 70mm² 도체 단면적을 초과하는 단일 코어 AC 케이블은 강철 대신 AWA(알루미늄 와이어 외장)를 사용해야 합니다.

강철 테이프 갑옷(STA)

강철 테이프 갑옷은 반경방향 압축 저항과 파쇄력에 대한 보호를 제공하기 위해 서로 반대 방향으로 적용된 두 개의 겹치는 강철 테이프를 사용합니다. STA는 SWA보다 가볍고 더 경제적이지만 최소한의 인장 강도를 제공합니다. 이는 당김 설치 등급이 아니며 축 하중이 가해지면 압축이 풀립니다. STA는 우발적인 충격과 설치류 공격에 대한 기계적 보호가 주요 관심사이지만 상당한 당김 장력이 예상되지 않는 안정적인 지면에 직접 매립된 케이블에 적합합니다. 또한 테이프-온-테이프 구조는 와이어 아머보다 덜 균일한 적용 범위를 제공하므로 집중된 충격력이 침투할 수 있는 테이프 레이어 사이에 나선형 간격이 남습니다.

알루미늄 와이어 아머(AWA)

알루미늄 와이어 아머는 인장 성능 측면에서 SWA와 기계적으로 동일하지만(알루미늄의 낮은 인장 강도를 보상하기 위해 와이어 직경이 약간 더 큼) 단일 코어 AC 케이블의 자기 손실 문제를 제거합니다. 알루미늄은 비자성이므로 AWA는 도체 주위에 자기 회로를 형성하지 않으며 상당한 유도 전류 손실을 발생시키지 않습니다. AWA는 또한 SWA보다 훨씬 가볍습니다. 알루미늄 밀도는 강철 밀도의 약 1/3이므로 대규모 설치 시 설치 무게와 케이블을 당기는 노력이 줄어듭니다. 트레이드오프는 화학적으로 공격적인 토양 환경에서의 내식성입니다. 알루미늄 갑옷은 알루미늄 갑옷과 접촉하는 강철 구조물 사이의 갈바닉 부식이 갑옷 성능 저하를 가속화할 수 있는 산성 토양이나 전기화학적 활동이 있는 지역에서 견고한 기초와 외피 보호가 필요합니다.

단락 전류 정격: 전원 케이블의 의미 및 계산 방법

모든 전원 케이블에는 모든 설치에서 충족되어야 하는 두 가지 고유한 전류 정격이 있습니다. 즉, 정상 작동을 위한 연속 전류 정격(전류 용량)과 오류 조건을 위한 단락 전류 정격입니다. 단순화된 케이블 선택 프로세스에는 단락 정격이 없는 경우가 많지만, 설치 지점에서 예상되는 오류 전류를 견딜 수 없는 케이블은 첫 번째 오류 발생 시 화상을 입어 화재, 장비 손상 및 인명 위험을 초래할 수 있습니다.

단락 전류 정격은 단열 가열 가정을 기반으로 계산됩니다. 즉, 짧은 오류 기간(일반적으로 보호 장치가 오류를 해결하기 전 0.1~3초) 동안 의미 있는 열이 절연체나 주변 매체로 전달되는 시간이 충분하지 않기 때문에 본질적으로 모든 오류 에너지가 도체를 가열합니다. 단열 온도 상승 방정식은 허용 가능한 단락 전류(I), 도체 단면적(S), 고장 기간(t) 및 도체의 재료 상수와 관련됩니다.

오류 발생 시 허용되는 최고 도체 온도는 절연 재료에 의해 제한됩니다. XLPE 및 EPR은 최대 단락 도체 온도를 250°C(최대 연속 작동 시 시작 온도 90°C 기준)로 허용하는 반면, PVC 절연 케이블은 도체 단면적에 따라 160°C 또는 140°C로 제한됩니다. 이러한 제한은 도체 자체가 살아남는 경우에도 이를 초과하면 돌이킬 수 없는 절연 손상(용해, 탄화 또는 기계적 무결성 손실)이 발생하기 때문에 존재합니다. IEC 60364-5-54 및 IEC 60949 표준은 다양한 절연 시스템을 갖춘 구리 및 알루미늄 도체에 대한 특정 상수를 제공합니다.

단락 정격에 대해 중요하고 일반적으로 간과되는 측면은 공급 지점이 아닌 케이블 설치 지점의 최대 예상 오류 전류에 대해 검증해야 한다는 것입니다. 예상 사고 전류는 중간 케이블과 변압기의 임피던스로 인해 소스로부터의 거리에 따라 감소합니다. 변압기에서 200m 떨어진 케이블은 변압기 단자의 케이블보다 오류 전류가 낮으므로 더 먼 위치에서 단락 요구 사항을 충족할 수 있는 더 작은 단면을 허용합니다. 시스템 전체에 보수적인 단일 값을 적용하는 대신 각 케이블 세그먼트에서 이 계산을 수행하면 도체 단면적 요구 사항과 전체 설치 비용을 의미 있게 줄일 수 있습니다.

할로겐 프리 난연성 전원 케이블: 필요한 위치 및 표준에서 실제로 테스트하는 내용

무할로겐 난연제(HFFR) 또는 저연 무할로겐(LSHF/LS0H) 케이블 사양은 건설 및 인프라 프로젝트에서 점점 일반화되고 있지만, 지정에 따른 테스트가 무엇을 측정하는지, 무엇을 측정하지 않는지 완전히 이해하지 못한 채 사양이 적용되는 경우가 많습니다.

표준 PVC 절연 케이블은 연소 시 PVC 화합물의 염소가 연소 생성물과 반응하여 염화수소(HCl) 가스를 방출합니다. HCl은 부식성이 있어 인체에 독성이 있는 농도보다 훨씬 낮은 농도에서도 전자 장비를 손상시킵니다. 터널, 선박, 데이터 센터, 지하 운송 시스템 등 밀폐된 공간에서 케이블 연소로 인해 방출된 HCl은 공간 전체의 전자 시스템을 파괴하고 화재 발생 후 몇 달 동안 환경을 부식시킬 수 있습니다. HFFR 화합물은 PVC를 금속 수산화물 난연 충전제(일반적으로 알루미늄 삼수화물 또는 수산화 마그네슘)를 함유한 폴리올레핀 기반 재료로 대체합니다. 이는 가열 시 수증기를 방출하고 산성 가스를 생성하지 않고 연소 구역을 냉각시킵니다.

HFFR 케이블 성능을 관리하는 주요 표준은 다음과 같습니다.

• IEC 60332-1(단일 케이블 화염 확산): 정의된 불꽃이 60초 동안 적용될 때 단일 케이블이 스스로 소화되는지 테스트합니다. 이는 난연제를 함유한 거의 모든 케이블이 통과할 수 있는 최소 임계값입니다. 이 테스트를 통과했다고 해서 그룹화된 케이블을 사용한 실제 설치에서의 성능이 나타나는 것은 아닙니다.
• IEC 60332-3(그룹화된 케이블 화염 확산 - 카테고리 A, B, C, D): 정의된 화염 아래에서 사다리 트레이에 설치된 케이블 묶음을 20분 동안 테스트합니다. 카테고리 A는 설치된 케이블의 최대 용량(미터당 7리터)을 나타내며 가장 까다롭습니다. 카테고리 A IEC 60332-3을 통과하면 실제 케이블 트레이 설치 시 화염 확산 성능을 나타내는 의미 있는 지표입니다.
• IEC 60754-1 및 -2(할로겐 함량): 산성 가스 방출 및 연소 가스의 pH를 테스트합니다. IEC 60754-2를 충족하는 케이블은 연소 테스트에서 pH가 4.3 이상이고 전도도가 10μS/mm 미만으로 할로겐 함량이 낮음을 확인합니다. 이는 HFFR과 표준 난연성 PVC 케이블을 구별하는 테스트입니다.
• IEC 61034(연기 밀도): 3m × 3m × 3m 테스트 챔버에서 연소 중인 케이블 샘플의 연기를 통한 빛 투과율을 측정합니다. 최소 60% 투과율은 건물 화재 시 대피 가시성과 관련된 저연 지정 기준입니다.

중요한 점은 "난연제"와 "할로겐 프리"가 특정 케이블에 결합될 수도 있고 결합되지 않을 수도 있는 독립적인 특성이라는 점입니다. 케이블은 특별한 난연성 없이 할로겐이 없을 수도 있고(난연성 필러가 없는 순수 폴리올레핀), 할로겐이 없어도 난연성일 수도 있습니다(표준 FR-PVC). LSHF 또는 HFFR을 지정하려면 두 속성이 동시에 필요하며 조달 문서는 라벨링에만 의존하기보다는 통과해야 하는 특정 IEC 테스트 표준을 참조해야 합니다. 이러한 용어는 시장 전체에 걸쳐 일관되게 정의되지 않기 때문입니다.

맞춤형 전원 케이블 설계: 애플리케이션 요구 사항을 구성 사양으로 변환

맞춤형 전원 케이블 조달은 정격 전압과 도체 단면적을 지정하는 것 이상의 요구 사항 정의부터 시작됩니다. 적절하게 지정된 맞춤형 전원 케이블은 6개의 상호 의존적인 매개변수 그룹을 포괄하며, 각 매개변수 그룹은 제조업체가 사용할 수 있는 설계 공간을 제한합니다.

• 전기적 매개변수: 시스템 전압(U0/U), 의도한 설치 조건(자유 전류용량 아님)에서의 최대 연속 전류, 예상 단락 전류 및 오류 제거 시간, 중립 크기에 영향을 미치는 고조파 함량과 같은 모든 전력 품질 제약 조건.
• 기계적 설치 조건: 설치 방법(직접 매설, 전선관, 케이블 트레이, 공중선, 잠수함), 설치 중 인장 장력, 최소 굽힘 반경, 설치 후 케이블이 지속적인 움직임을 경험할지 여부, 전선관 충진 비율 또는 케이블 트레이 부하 제한에 의해 부과되는 무게 또는 직경 제약.
• 환경 노출: 주변 온도 범위, 습도 및 물 노출, UV 노출 기간 및 강도, 화학적 접촉(특정 물질 나열), 매설 케이블의 토양 저항성(전류 용량 및 부식 방지 요구 사항 모두에 영향을 미침) 및 설치류 공격 보호가 필요한지 여부.
• 화재 성능 요구 사항: 설치에 화염 확산 제한(IEC 60332 범주), 화재 시 회로 무결성(IEC 60331 - 비상 전원 공급과 같이 화재 중에도 계속 작동해야 하는 케이블), 산성 가스 제한(IEC 60754) 또는 연기 밀도 제한(IEC 61034)이 필요한지 여부.
• 규제 및 인증 요구 사항: 케이블이 충족해야 하는 국가 또는 지역 표준(IEC, BS, UL, CSA, GB/T) 및 유사한 참조 케이블이 아닌 주문한 특정 구성에 대해 공인 테스트 하우스의 제3자 인증이 필요한지 여부.
• 서비스 수명 기대: 20년, 30년 또는 40년의 설계 수명은 단열재 선택(XLPE 열 노화 속도 대 EPR)과 설계 검증에 필요한 가속 노화 테스트 수준에 영향을 미칩니다. 인프라 애플리케이션용 케이블은 종종 40년의 서비스 수명으로 지정되며, 이를 위해서는 장기적인 열 안정성을 입증하는 절연재 가계 데이터가 필요합니다.

6개의 매개변수 그룹이 모두 정의되면 제조업체는 개별 요소를 과도하게 엔지니어링하지 않고도 각 제약 조건을 충족하는 구성을 개발할 수 있습니다. 한 영역의 사양을 과도하게 지정하고 다른 영역을 과소 사양하는 것은 맞춤형 케이블 조달에서 흔히 발생하는 오류입니다. 최대 인장 강도를 위한 외장을 지정했지만 화학 물질 노출 환경을 생략한 구매자는 명시된 모든 사양을 충족함에도 불구하고 산성 산업 토양에서 3년 이내에 부식되는 강철 외장 케이블을 받을 수 있습니다.

중압 전력 케이블의 스크린 접합 방법과 손실 및 안전성에 미치는 영향

중전압 전원 케이블의 금속 스크린 또는 외장은 두 가지 목적으로 사용됩니다. 용량성 충전 전류 및 고장 전류에 대한 복귀 경로를 제공하고 케이블 외부의 전기장을 거의 0으로 제한하여 인력과 인접한 장비를 보호합니다. 스크린이 케이블 종단 및 연결부에서 접착되는 방식(스크린 접착 방법)은 케이블 시스템의 열 발생, 전류 용량 및 인력 안전에 주요하면서도 종종 과소평가되는 영향을 미칩니다.

단일 지점 결합 시스템에서 케이블 스크린은 한쪽 끝만 접지에 연결되고 반대쪽 끝은 플로팅 상태로 유지됩니다(또는 서지 보호 장치를 통해 접지에 연결됨). 이는 견고하게 결합된 시스템에서 화면 손실의 주요 원인인 순환 전류가 화면을 통해 흐르는 것을 방지하고 화면의 I²R 손실이 제거되므로 고체 결합에 비해 케이블 전류용량을 10~30% 늘릴 수 있습니다. 단점은 정상 부하에서 접지된 끝에서 접지되지 않은 끝까지 스크린을 따라 전압이 축적된다는 것입니다. 이 "유도 피복 전압"은 케이블 길이, 부하 전류 및 위상 간 간격에 따라 증가하며 실제 작동 중에 접지되지 않은 스크린 끝 부분에 접촉할 수 있는 인력이 안전한 한계 내에 있는지 확인하기 위해 계산되어야 합니다. 긴 케이블 시스템의 경우 개방형 끝에서 유도된 전압은 최대 부하에서 수백 볼트에 도달할 수 있으므로 스크린 끝 접근성을 주의 깊게 관리하고 과도 전환 또는 오류 조건 중에 과전압을 방지하기 위해 서지 전압 제한기를 사용해야 합니다.

교차 결합은 거의 동일한 세 개의 작은 부분으로 나누어진 긴 케이블 시스템에 사용됩니다. 3개 케이블 위상의 스크린은 각 마이너 섹션 조인트에서 전환됩니다. 즉, 위상 A 스크린은 위상 B 스크린에 연결되고, 위상 B는 위상 C에, 위상 C는 위상 A에 연결됩니다. 따라서 세 개의 마이너 섹션에 걸쳐 각 스크린은 각 위상의 양의 시퀀스 전압 기여의 1/3을 볼 수 있습니다. 섹션의 길이가 동일하면 세 스크린 세그먼트의 유도 전압이 거의 완전히 상쇄되어 순환 스크린 전류가 거의 0에 가깝고 주요 섹션 끝에서 유도 전압이 거의 0에 가깝습니다. 크로스 본딩은 단일 지점 본딩의 저손실 이점과 솔리드 본딩의 낮은 대기 전압 이점을 결합하여 11kV 이상에서 약 500m보다 긴 케이블 회로에 선호되는 방법입니다. 각 조인트에 1개가 아닌 6개의 스크린 연결과 같은 설치 복잡성이 더 높고 설계 중 섹션 길이 균등화에 주의가 필요합니다.