동심중성선케이블

왜 배우는가: 동심중성선케이블(CNCV)은 22.9kV-Y 다중접지 배전계통의 지중 배전선로와 수용가 인입에 널리 쓰이는 전력케이블이다. 중성선 역할과 지락전류 통로를 한 케이블에 겸하므로 배전계통 구성과 사고 대책을 묻는 문제에서 반복해 출제된다. 종류별 구조 차이를 이해해야 설계와 시공 문제에 답할 수 있다.

출제 이력: 제135회 2교시 1번, 제126회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 동심중성선케이블(CNCV)은 절연층 외부에 동심원 형태의 중성선을 배치하여 중성선과 지락전류 통로를 겸하는 22.9kV-Y 배전용 전력케이블이다.

핵심 키워드

• 동심중성선: 절연체 바깥에 연동선을 나선형으로 감은 중성선층
• 다중접지(MEN): 중성선을 여러 지점에서 접지하는 계통 방식
• 지락전류: 상이 대지와 접촉할 때 중성선을 통해 흐르는 전류
• 수밀구조: 중성선층과 도체에 물 침투를 막는 구조
• 차수테이프: 중성선 상하에 감는 발포성 부풀음 테이프
• CNCV-W: 도체까지 수밀 처리한 현행 대표 케이블
• 22.9kV-Y: 중성점을 가진 Y결선 배전전압 계통

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 케이블 한 가닥 안에 중성선을 함께 넣은 전력케이블이다. 절연층 바깥을 동선으로 감싸서, 세 상의 케이블 중성선을 한 곳에서 묶어 3상 4선식 배전을 가능하게 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 동심중성선 CV케이블은 CV케이블의 차폐층(동테이프)을 동선으로 대체하여 다중접지계통의 중성선으로 쓰고, 부하전류와 과대한 지락전류를 흘릴 수 있도록 제작한 케이블이다.

동심중성선은 절연체 외부에 연동선을 나선형으로 꼬아 배치한 층이다. 중성선 역할과 차폐 역할을 동시에 맡는다. 이 층이 있으면 지락 시 고장전류가 케이블 내부 경로로 되돌아가므로 케이블과 접속부의 소손을 줄인다.

다중접지는 중성선을 여러 지점에서 대지에 접지하는 방식이다. 배전선로 중성선의 전위 상승을 억제하고, 지락 시 보호계전기가 고장을 빠르게 검출하도록 돕는다.

수밀구조는 물이 케이블 내부로 스며드는 것을 막는 설계다. 지중선로는 침수가 잦아 수분이 들어가면 절연이 열화하고 트리잉이 생기므로 이 구조가 필요하다. 도체 소선 사이에 수밀 컴파운드를 충전하고, 중성선층 상하에 차수테이프를 감는 방식으로 구현한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 배전선로는 가공선이 주류였고 절연은 종이 또는 고무 계열이었다. 지중화가 확대되면서 절연체가 가교폴리에틸렌(XLPE)으로 바뀌었다. XLPE는 절연 성능이 우수하지만 수분에 약하여 수트리와 수트리 열화가 문제가 되었다.

다중접지 22.9kV-Y 계통에서는 1선 지락 시 과대한 지락전류가 흐를 수 있다. 일반 CV케이블은 차폐층만으로 이 전류를 감당하기 어려웠다. 이에 차폐층을 동선 중성선으로 대체한 동심중성선 케이블이 도입되었다.

지중선로에서는 케이블 상부에 중량물이 얹히고 땅속 수분이 침투할 기회가 많다. 이 때문에 중성선층 수밀처리(CNCV)와 도체 수밀처리(CNCV-W)가 차례로 발전했다. 구조 변천은 주로 침수 대책과 지락 내력 강화를 목표로 한다.

국내에서는 한국전력의 표준규격이 기준이 되어 CVCN, CNCV, CNCV-W 순서로 구조가 발전했다. 현재는 CNCV-W가 대체 표준으로 쓰인다. 따라서 답안에서는 구조 변천의 이유를 '수분 침투 방지와 지락 내력 확보'로 정리하면 된다.

4. 구성요소·원리·절차

동심중성선케이블(CNCV)은 CV케이블의 차폐층 역할을 하던 금속 차폐(동테이프)를 동선 여러 가닥으로 바꾸어 중성선을 겸하도록 만든 케이블이다. 중성선은 도체 둘레에 나선형으로 감겨 있어 부하 전류의 귀로 역할과 다중접지 계통의 지락 전류 통로 역할을 함께 맡는다. 그래서 22.9kV-y 다중접지 계통에서 3상 4선식 배전을 가능하게 한다.

구성요소는 아래 표와 같이 나뉜다. 각 요소의 역할을 함께 이해해야 답안에서 구조를 설명할 수 있다.

동작 원리는 다음과 같다. 정상 시 부하 전류는 도체를 통해 흐르고, 중성선층에는 불평형 전류만 흐른다. 지락 사고가 나면 고장 전류가 중성선층을 통해 전원으로 돌아가므로 도체 소손이나 외장 손상을 막을 수 있다. 중성선의 단면적은 지락 전류를 흘릴 수 있도록 정해지며, 케이블 수명 기간 동안 후비보호 장치(차단기·퓨즈)가 동작할 만큼의 금속량을 확보해야 한다.

핵심 원리는 다음과 같다.

• 중성선층이 다중접지 계통의 중성선 역할을 함께 한다.
• 중성선 금속층이 지락 전류 귀로가 되어 후비보호 장치를 동작시킨다.
• 수밀 구조는 수트리·수트리 진행에 따른 절연 파괴를 늦춘다.

케이블 설치와 사고 처리의 절차는 다음과 같다.

• 설계 단계에서 고장 전류 크기와 차단기·퓨즈의 동작 특성을 확인한다.
• 중성선 금속량과 접지 방식(직접접지 또는 다중접지)을 정한다.
• 중성선층의 접지 개소와 차폐 접지 방식을 정해 순환전류를 줄인다.
• 시공 시 중성선 권선과 차수테이프를 손상 없이 감고 종단 접속재를 연결한다.
• 지락 사고 발생 시 중성선으로 고장 전류를 귀로시키고 보호계전기가 신속히 차단한다.

이 절차에서 수밀 처리는 시공 품질의 핵심이다. 차수재가 손상되면 중성선층을 따라 수분이 종방향으로 침투하여 절연이 열화된다.

중성선층이 지락 전류 귀로와 중성선 역할을 동시에 수행한다

전력 손실 측면에서 중성선층에는 부하 불평형 전류와 유도전류가 흐르므로 손실을 고려해야 한다. 중성선 단면적이 작으면 지락 전류가 금속 차폐를 과열시켜 열화를 촉진할 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

동심중성선케이블은 한국전력 표준규격과 국내 배전설비 관련 기준에 따라 설계·시공된다. 설계 기준은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)을 따르며, 수변전설비 인입선은 전기사업자의 공급 조건을 함께 적용한다.

케이블 종류별 명칭과 특징은 다음과 같다.

기준 수치와 조건은 다음과 같다.

• 시스템 전압: 22.9kV-y 다중접지 계통에 적용한다.
• 중성선 접지: 다중접지 또는 직접접지로 운용한다.
• 수밀 구조: 중성선층 상하 부풀음테이프와 도체 수밀컴파운드를 적용한다.
• 절연체: 가교폴리에틸렌(XLPE)을 적용한다.
• 옥외 수직 포설: 관로 및 입상주 등 수직 포설 장소에 적합하다.

개정 연혁은 다음과 같다. 시설기준이 강화되면서 CVCN은 사용이 줄었고, 수밀 기능을 갖춘 CNCV-W가 현재 표준으로 쓰인다. 2021-01-01부터 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)으로 체계가 바뀌었다.

CNCV-W: 도체·중성선 모두 수밀 구조가 현재 기준의 핵심이다.

6. 유형과 비교

동심중성선케이블은 중성선층의 수밀 처리 수준과 도체 수밀 처리 여부에 따라 CVCN, CNCV, CNCV-W로 구분된다. 구조가 바뀐 순서대로 종류가 나뉘며, 현재 현장에서는 수밀성이 가장 높은 형식이 기본으로 쓰인다.