고압케이블 차폐층 접지

왜 배우는가: 고압케이블의 차폐층은 전계를 균일하게 하고 절연체 내부 전계 집중을 막아 절연 수명을 지키는 핵심 부품이다. 차폐층을 어떻게 접지하느냐에 따라 감전, 차폐층 과전압, 유도 노이즈, 시스 순환전류 손실이 달라지므로 실무 설계와 기술사 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제132회 2교시 5번, 제110회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고압케이블 차폐층 접지는 도체차폐층과 절연체 바깥의 금속 차폐층(시스)을 대지에 연결하여 전계를 가두고 차폐층 전위를 대지 전위로 고정하는 것을 말한다.

키워드

• 차폐층(Shield Layer): 절연체 내외부 반도전층과 금속 차폐층을 통칭하는 구성 요소
• 접지 방식: 한쪽 접지, 양단 접지, 크로스 본딩 접지 등 차폐층을 대지에 연결하는 형태
• 유기전압(Induced Voltage): 차폐층에 자속·정전 결합으로 유도되는 전압
• 시스 순환전류(Sheath Circulating Current): 양단 접지 시 차폐층 루프에 흐르는 전류
• 정전 유도(Electrostatic Induction): 도체의 전압이 차폐층과 주변 도체에 전하를 유도하는 현상
• 표피 효과(Skin Effect): 교류 전류가 도체 표면으로 몰리는 현상
• 전계 완화(Field Grading): 반도전층으로 절연체 표면과 내부의 전계 집중을 줄이는 작용

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 케이블의 금속 껍질을 땅과 어떻게 이어 주느냐의 문제다. 껍질을 땅에 붙이면 케이블 바깥으로 전기장이 새지 않고, 사람이 닿아도 껍질 전압이 낮게 머문다.

정식으로는 전력케이블은 도체, 도체차폐층, 절연체, 절연체차폐층, 금속 차폐층(시스), 외피로 구성된다. 차폐층은 도체에서 나오는 전계를 금속 차폐층 안쪽에 가두어 케이블 외부 전계를 0에 가깝게 만든다. 이때 차폐층의 전위를 대지 전위(0V)에 가깝게 고정하는 것이 접지다.

차폐층은 전계를 균일하게 하고 외부 전계를 차단하는 도체 층이다. 접지는 차폐층을 대지에 연결해 차폐층 전위를 고정하는 작업이다. 두 용어를 나눠 쓰면 설계 기준의 차폐 성능과 접지 방식의 차이가 명확해진다.

반도전층은 절연체와 도체 사이의 미세한 공극에서 발생하는 부분방전을 억제한다. 반도전층이 접지된 금속 차폐층과 같은 전위를 가지면 절연체 표면 전계가 고르게 분포한다.

유기전압은 차폐층이 열린 회로일 때 나타나는 전압이다. 차폐층 한쪽을 접지하면 다른 쪽 끝에 유기전압이 나타나고, 양단을 접지하면 차폐층에 전류가 흐른다. 이 전압과 전류의 크기가 접지 방식 선택의 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 고압 케이블은 차폐 구조가 단순했다. 전압이 높아지고 절연 두께가 늘면서 절연체 내부의 전계 집중이 절연 파괴의 주요 원인이 되었다. 이에 따라 반도전층과 금속 차폐층을 조합한 방사형 전계 구조가 표준이 되었다.

케이블 길이가 길어지면서 차폐층 접지 문제가 커졌다. 장거리 선로에서 차폐층 한쪽을 접지하면 차폐층 끝의 유기전압이 커지고, 양단 접지는 순환전류로 손실을 키운다. 이 문제를 해결하기 위해 케이블 차폐층을 교차 연결하는 크로스 본딩 방식이 도입되었다.

도시 지중화와 고압 배전 확대로 차폐층 접지 방식의 중요성은 더 커졌다. 차폐층 접지가 잘못되면 감전 사고, 차폐층 절연 파괴, 접지 계통의 노이즈 문제가 동시에 발생한다. 따라서 설계 단계에서 접지 방식을 정하고 시공·점검에서 접지 상태를 확인하는 것이 필수다.

차폐층 접지는 ‘전계 제어’, ‘안전’, ‘손실 저감’의 세 목적을 가진다. 이 셋의 균형을 맞추는 것이 접지 방식 선정의 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

고압케이블의 차폐층(Shield, 차폐층) 접지는 케이블 구조 중 금속 차폐층을 대지에 연결하는 것을 말한다. 차폐층은 도체와 함께 전계를 가두고, 접지된 차폐층은 전계를 대지 전위로 고정한다. 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

금속차폐층은 케이블 한쪽 또는 양쪽에서 접지된다. 접지 방식에 따라 차폐층에 흐르는 시스 전류와 시스 유기전압이 달라진다. 원리는 두 가지다. 첫째, 도체 전류에 의한 자속과 차폐층 전류가 서로 상쇄되어 외부 자계를 줄인다. 둘째, 접지된 차폐층이 전계를 가두어 외부 기기와 작업자에게 전압이 걸리지 않게 한다. 차폐층 접지는 전계를 대지 전위로 가두고 외부 유도전압을 억제하는 것이다.

차폐층 접지 절차는 다음 순서로 이루어진다.

• 케이블 종단 및 접속부에서 차폐층을 노출하고 절연 처리한다.
• 차폐층 접지선을 접지극에 연결하여 접지 저항을 확보한다.
• 접지 방식(단일접지, 양단접지, 크로스본딩)을 선로 길이와 조건에 맞게 선정한다.
• 접지선은 차폐층 전류 용량 이상으로 선정하고 접속부 절연접속(IJ) 여부를 확인한다.
• 준공 시 차폐층 전압과 시스 전류를 측정하여 이상 여부를 확인한다.

차폐층 접지의 핵심 공식은 차폐층 유기전압이다. 케이블 길이 L(m), 상 간 거리 D(m), 전류 I(A), 주파수 f(Hz)에서 시스 유기전압은 대략 E_s = 2 \times 10^{-4} \times I \times L \times \ln(2D/r)로 근사한다. 여기서 r은 차폐층 평균 반지름(m)이다. 단선접지에서는 접지점 반대편 끝에 유기전압이 가장 크게 나타나므로, 이 값이 사용 전압 기준을 넘지 않도록 접지 방식을 정한다. 단위는 V이다.

5. 관련 법령·기준·표준

고압케이블 차폐층 접지는 전기설비 기준과 케이블 제조·시공 기준을 함께 따른다. 전기설비 기준에서는 고압 전로의 접지공사 종류와 접지선 굵기를 규정한다. 현행 체계는 한국전기설비규정(KEC)이며, 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다. 접지공사 종류는 제1종에서 제3종, 특별 제3종으로 나뉘고 접지저항 기준은 종별로 다르다.

위 표의 고압 케이블 금속체는 고압 옥측·옥외 배선의 방호장치 금속체와 케이블 피복에 대용하는 금속체에 해당하며, 제1종 접지공사를 적용한다. 표의 접지저항 수치는 일반적인 접지 기준이며 실제 적용은 접지 종별과 설비 조건에 따른다.

차폐층 접지 방식의 연혁은 다음과 같다. 초기에는 단일접지 방식이 널리 쓰였다. 장거리 선로로 확대되면서 크로스본딩 방식이 도입되어 유기전압을 줄였다. 양단접지는 시스 손실이 커져 현재는 거의 쓰이지 않는다. 이 연혁은 학습 자료의 설명과 일치한다.

케이블 접지 관련 국제 기준으로 IEC 계열 케이블 규격이 쓰이지만, 번호와 세부 조항은 확인된 것만 참고한다. 국내 설계에서는 KEC와 한국전력 배전 기준을 우선 적용한다.

6. 유형과 비교

차폐층 접지방식은 시스(금속 차폐층)를 몇 개소에서 접지하고 시스 회로를 어떻게 연결하느냐로 나뉜다. 대표 방식은 일단접지, 양단접지, 크로스본딩이다.

일단접지는 한쪽만 접지해 시스 순환전류가 흐르지 않는다. 대신 접지점에서 멀어질수록 유도전압이 커지고, 고장 시 비접지단 전압이 크게 오른다. 그래서 발전소·변전소의 짧은 인출선로에 주로 쓴다.