전선 허용전류

왜 배우는가: 허용전류는 전선 선정의 기본 조건이며, 과전류로 인한 절연 열화와 화재를 막는 핵심 기준이다. 저압 배선설계와 간선 설계, 전동기 회로 설계 등 거의 모든 배선 문제의 출발점이라 시험에서 반복해 출제된다. 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제에서 모두 묻는다.

출제 이력: 제132회 3교시 5번, 제102회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

허용전류는 도체가 연속하여 흘릴 수 있는 최대 전류로, 절연물의 최고 허용온도를 넘지 않도록 정한 값이다.

• 허용전류
• 절연물 최고 허용온도
• 주위온도 보정계수
• 복수회로 보정계수(군집계수)
• 전압강하
• 과부하 보호
• KEC 배선설비

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전선에 얼마까지 전기를 흘려도 되는지를 정한 값이다. 전선에 전류가 흐르면 도체 저항 때문에 열이 난다. 이 열로 절연물 온도가 올라가면 절연이 약해지고 결국 누전이나 화재로 이어진다.

정식으로는 허용전류를 도체의 연속 사용 시 절연물이 견딜 수 있는 최고온도를 넘지 않는 최대 전류로 정의한다. 값은 도체 재질과 단면적, 절연물 종류, 설치 방법, 주위온도, 포설 조건에 따라 달라진다.

허용전류의 원리는 줄열이다. 발열량은 Q = I^2 R t 로 계산되며, 전류의 제곱에 비례한다. 따라서 전류가 조금만 커져도 발열이 크게 늘어난다. 도체가 굵을수록 저항 R 이 작아져 같은 전류에서 발열이 줄어든다. 발열과 방열이 균형을 이루는 온도가 절연물 허용온도 이하가 되도록 허용전류를 정한다.

절연물 최고 허용온도는 절연 재료가 열에 견딜 수 있는 상한 온도다. 폴리에틸렌 계열 절연체와 PVC 계열 절연체는 허용온도가 다르므로 같은 굵기라도 허용전류가 다르다. 열가소성 절연물과 가교 폴리에틸렌(XLPE) 절연물을 비교하면 XLPE 쪽이 더 높은 온도를 견딘다.

주위온도 보정계수는 기준 주위온도와 실제 주위온도의 차이를 반영하는 계수다. 기준 온도보다 높은 곳에서는 방열이 줄어 허용전류를 낮춰야 한다.

복수회로 보정계수는 여러 회로가 한 곳에 모여 있을 때 서로 발생시키는 열이 겹쳐 방열이 나빠지는 것을 반영한다. 같은 전선이라도 여러 가닥이 한 트레이나 배관에 묶이면 허용전류를 낮춰 적용한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기 화재는 여러 원인이 있지만 허용전류를 넘는 과전류에 의한 발열 화재가 빈번하다. 배선이 증가하고 전력 부하가 커지면서 전선을 얼마나 굵게 할지, 어떤 조건에서 줄여 쓸지에 대한 기준이 필요해졌다.

과거에는 허용전류를 전기설비기술기준 체계 안에서 판단했다. 현재는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용되어 배선설비의 허용전류 선정 기준은 KEC 를 따른다. 기준의 목적은 전선이 열과 기계적 응력에 견디고, 절연이 파괴되지 않도록 설계 단계에서 전류 한도를 정하는 것이다.

전선 굵기는 허용전류, 전압강하, 기계적 강도를 함께 보고 결정한다. 허용전류는 발열 안전의 기준이고, 전압강하는 기기 동작 전압의 기준이다. 기계적 강도는 설치와 사용 중 파손을 막는 기준이다. 세 가지 중 가장 큰 단면을 요구하는 조건을 택하는 것이 일반적이다.

4. 구성요소·원리·절차

허용전류는 도체에 흐르는 전류가 I²R 줄열을 만들고, 그 열이 절연체와 주변으로 방산되어 절연체의 최고허용온도에 도달하는 전류값이다. 따라서 허용전류는 도체, 절연체, 설치 조건의 세 요소로 결정된다.

도체가 같은 단면적이면 구리가 알루미늄보다 저항이 낮아 허용전류가 크다. 단면적이 커지면 저항이 줄고 표면적이 넓어져 방열도 유리해진다. 절연체는 도체가 녹는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 열화하므로 실용 허용전류는 절연물 온도 한계가 정한다.

원리는 열평형이다. 전류 I가 커지면 발열 I²R이 커지고 절연체 온도가 올라간다. 방열이 나쁜 설치 조건에서는 같은 전류에서도 온도가 더 올라간다. 복수회로가 가까이 묶이면 각 회로가 서로 열을 더해 방열이 줄어들므로, 개별 회로 허용전류를 집합 보정계수로 낮춘다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 설계 부하 전류 I_B 를 부하 용량과 전압으로 산정한다.
• 설치방법과 주위온도를 확인하고 기준 허용전류 I_t 를 고른다.
• 주위온도와 집합 조건의 보정계수를 곱해 실제 허용전류 I_z 를 구한다.
• IB ≤ In ≤ Iz 를 만족하도록 보호장치 정격 I_n 을 정한다.
• 전압강하를 검토한 뒤 전선 굵기를 확정한다.

$I_z = I_t \times C_a \times C_g$

I_z 는 보정 후 허용전류(A), I_t 는 기준 허용전류(A), C_a 는 주위온도 보정계수, C_g 는 복수회로 집합 보정계수이다. 보정계수가 1보다 작으므로 I_z 는 항상 I_t 보다 작다.

5. 관련 법령·기준·표준

허용전류 산정 기준은 한국전기설비규정(KEC) 의 배선설비 조항에 있다. KEC는 2021-01-01부터 시행되었으며, 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 국제 저압 전기설비 기준을 기초로 하므로 보정계수 체계가 국제 규격과 같은 구조다.

기준 주위온도는 설치 장소에 따라 다르다. 공기 중 설치는 기중 기준을, 지중 매설은 지중 기준을 적용한다. 주위온도가 기준보다 높으면 보정계수로 허용전류를 낮춘다.

절연체 허용온도는 절연 재료의 열적 안정성으로 정해진다. 같은 도체라도 PVC 절연과 XLPE 절연은 허용전류가 다르다. 허용온도가 높은 절연체일수록 같은 단면적에서 더 큰 전류를 흘릴 수 있다.

허용전류는 절연체 최고허용온도와 설치 조건의 보정으로 결정된다.

6. 유형과 비교

허용전류는 설치 방법과 절연물에 따라 달라진다. 같은 도체라도 발생한 열이 밖으로 빠져나가는 조건이 다르기 때문이다. 설치 방법별로 열 방출 경로가 달라서 허용전류 값이 크게 바뀐다.

표1은 설치 방법별 열 방출 특성을 비교한 것이다. 기중에서는 공기가 전선 주위를 자유롭게 흐르므로 허용전류가 가장 크다. 관로와 지중은 열이 갇히거나 흙을 통해서만 빠지므로 보정이 필요하다.