수직간선 선정

왜 배우는가: 수직간선은 초고층 건축물에서 변전실과 층별 분전반을 잇는 전력 공급의 척추이며, 길이와 부하가 커서 전압강하·발열·화재 확산·유지관리 문제가 한꺼번에 얽힌다. 그래서 기술사 시험에서 정의, 선정 기준, 부설방법의 문제점과 대책을 묶어 반복해 묻는다.

출제 이력: 제138회 2교시 2번, 제124회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 수직간선은 변전실에서 초고층 건축물의 층별 분전반까지 세로 방향으로 전력을 공급하는 주간선으로, 길이가 길고 부하가 집중되어 전압강하·발열·화재 확산을 함께 고려해 선정한다.

핵심 키워드

• 수직간선: 변전실이나 저압 배전반에서 각 층 분전반으로 수직 방향 전력을 보내는 간선이다.
• 초고층 건축물: 법령상 정의에 따라 층수와 높이 기준을 넘는 건축물이다.
• 전압강하: 선로 임피던스와 전류의 곱으로 생기는 말단 전압 저하다.
• 허용전류: 도체가 연속 흘릴 수 있는 최대 전류로, 전선 굵기 선정의 기준이 된다.
• 부설방법: 금속관, 금속덕트, 케이블트레이, 버스덕트 등 간선을 설치하는 방식이다.
• 내화 성능: 화재 시 간선이 일정 시간 동작을 유지하도록 하는 성능이다.
• 수직 샤프트: 간선이 지나는 전용 수직 공간으로, 전기 샤프트라고도 한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 수직간선은 건물의 전기가 아래층 변전실에서 위층까지 올라가는 세로 방향의 굵은 전기 통로다. 초고층 건물은 이 통로가 수백 미터에 이르므로 한 가닥 케이블만 따져서는 안 되고, 전압과 전류, 발열, 설치 공간을 함께 계산해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 수직간선은 저압 배전반 또는 변압기 2차측에서 출발하여 각 층의 분전반, 또는 충전설비에 이르는 세로 방향 주간선이다. 간선 계획의 목표는 허용전류와 전압강하를 동시에 만족하면서 화재와 유지보수에 불리하지 않은 경로와 부설방식을 정하는 것이다.

여기서 전압강하는 간선의 길이가 길수록 커지므로 초고층에서 특히 중요하다. 허용전류는 도체 온도가 절연 한계를 넘지 않는 최대 전류를 뜻하며, 주위온도와 배열, 묶음 수에 따라 줄어든다. 기계적 강도는 설치 중 자중과 진동을 견디는 능력으로, 수직 방향으로 긴 케이블일수록 자중에 의한 응력이 커진다는 점을 함께 본다.

초고층의 수직간선은 보통 여러 조로 나누어 병렬 구성하고, 각 조가 한 층 또는 한 구역을 담당하도록 한다. 한 조가 고장나도 전체 공급이 끊기지 않도록 하기 위해서다. 이 구성 방식은 뒤의 선정 기준과 직접 이어진다.

3. 등장 배경과 필요성

초고층 건축물은 도시의 고밀도 개발과 수직 확장에 따라 늘었다. 높이가 커지면 전력 수요가 층마다 집중되고, 간선이 지나야 하는 수직 거리가 늘어난다. 그 결과 간선 설계의 여유와 보호 대책이 일반 건축물보다 엄격해졌다.

국내에서는 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법에 따라 초고층 건축물의 재난관리 체계가 마련되어 있다. 지방자치단체 조례도 이 특별법의 정의를 받아 초고층 건축물과 지하연계 복합건축물을 같은 뜻으로 쓴다. 따라서 수직간선 설계에서도 해당 건축물이 법상 초고층 건축물에 해당하는지를 먼저 확인해야 한다.

또 초고층 화재에서는 연기와 열이 수직 샤프트를 따라 빠르게 번진다. 간선이 수직 샤프트를 통과하면 그 자체가 연소 경로가 될 수 있다. 이 때문에 간선의 부설 방식은 전기적 기능뿐 아니라 방화구획과 내화 성능을 함께 만족해야 하는 문제로 바뀌었다. 최근에는 이 점이 설계 기준의 중요한 판단 요소가 되었다.

과거에는 간선을 단순히 전선 굵기와 관로 면적으로 정했지만, 현재는 전압강하, 고조파에 의한 중성선 과열, 화재 시 기능 유지까지 함께 본다. 이런 변화 때문에 수직간선 선정은 설계자가 종합적으로 판단하는 과제가 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

수직간선은 저층부의 수전설비나 변전실에서 고층 각 층의 분전반까지 전력을 보내는 주간선이다. 초고층 건축물은 전력 공급 거리가 길고 부하가 층마다 몰려 있으므로, 간선의 구성요소를 전원측과 부하측으로 나누어 파악해야 한다.

간선의 원리는 전류가 흐를 때 생기는 발열과 전압강하를 제한하는 데 있다. 수직 길이가 길면 전압강하가 누적되므로 중간에서 전원을 나누는 방식이 쓰인다. 발열은 허용전류 안에서 정해지고, 전압강하는 경로 길이와 전류의 곱으로 커진다.

전압강하 계산식은 다음과 같다. 단상 기준으로 e = \frac{35.6 L I}{1000 A} 를 쓰고, 여기서 e는 전압강하(V), L은 전선 길이(m), I는 전류(A), A는 전선 단면적(mm²)이다. 3상은 35.6 대신 30.8을 쓴다.

수직간선 설계 절차는 다음과 같다.

• 층별·구역별 부하를 집계하고 수용률을 적용한다.
• 설계전류를 구하고 허용전류가 이를 넘는 전선 굵기를 고른다.
• 수직 길이로 전압강하를 계산해 허용 범위 안인지 확인한다.
• 중간 분전반 위치와 샤프트 면적을 정한다.
• 과전류 차단기와 지지재를 선정하고 내진 지지를 검토한다.

계산 예제는 다음과 같다. 주어진 값은 3상 4선식, 전류 I = 200A, 전선 길이 L = 150m, 단면적 A = 95mm²이다. e = \frac{30.8 \times 150 \times 200}{1000 \times 95} = 9.7V 이다. 380V 기준 약 2.6%로 일반적인 허용 범위 안이며 상식 범위에 맞는다.

5. 관련 법령·기준·표준

초고층 건축물의 정의와 재난관리 체계는 「초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법」(약칭 초고층재난관리법)에 있다. 이 법 제2조제1호가 초고층 건축물을 정의하고, 각 지방자치단체 조례는 이를 그대로 인용한다. 간선 설계는 전기 설비 기준인 한국전기설비규정(KEC)과 건축 전기설비 설계기준을 따른다. 소방 관련 간선은 화재안전기준(NFTC)의 배선 기준을 따른다.

초고층 건축물의 정의 기준은 다음과 같이 정리한다.

간선 설계의 주요 기준값은 다음과 같다.

초고층 건축물의 개정 연혁은 법률과 지자체 조례가 정기적으로 바뀌는 점에 주의한다.

6. 유형과 비교

수직간선은 건물 높이와 용도, 부설 경로에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 방식마다 전압강하와 화재 시 회로 건전성, 시공성이 다르므로 비교 기준을 먼저 세워야 한다.