XLPE 케이블

왜 배우는가: XLPE 케이블은 현재 고압·특고압 지중 송배전의 주력 절연 케이블이어서 실무 설계와 시공에서 가장 많이 쓰인다. 시험에서는 구조·특성과 함께 시스 유기전압 저감 대책이 반복해서 출제되므로 기본 구조와 특성을 정확히 알아 두어야 한다.

출제 이력: 제125회 2교시 2번, 제100회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장은 다음과 같이 쓴다.

XLPE 케이블은 폴리에틸렌을 가교(교차결합)시켜 열경화성 특성을 부여한 절연체를 쓰는 전력 케이블이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 가교폴리에틸렌(XLPE)
• 열경화성 절연체
• 허용운전온도 90℃
• 도체·내부 반도전층·절연체·외부 반도전층·차폐층·외피
• 수트리(Water tree) 열화
• 시스 유기전압
• 편단접지·크로스본드 접지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 XLPE 케이블은 전기를 흘려 보내는 구리·알루미늄 도체를 가교 폴리에틸렌으로 감싼 케이블이다. 절연체가 녹지 않고 열에 견디도록 만든 것이 핵심이다.

정식 정의로는 폴리에틸렌(PE) 분자 사슬 사이를 화학적 또는 전자선 방식으로 가교 결합시킨 절연재를 사용하는 전력 케이블을 말한다. 가교 결합으로 분자가 망 구조를 이루면 열을 받아도 용융되지 않는다.

가교(Cross-linking) 는 PE 분자 사이에 공유결합을 만드는 공정이다. 가교 후 PE는 열가소성에서 열경화성 플라스틱이 된다. 열가소성 PE의 허용운전온도는 70℃로 제한되지만, XLPE는 90℃ 허용운전온도를 갖는다.

수트리(Water tree) 는 절연체에 수분과 전계가 함께 작용해 생기는 가지 모양의 열화 현상이다. XLPE의 대표적 약점이며, 제조 기술 발전으로 점차 개선되고 있다.

반도전층(Semi-conductive layer) 은 도체와 절연체 사이, 절연체와 차폐층 사이에 두는 얇은 층이다. 전계를 고르게 만들고 공극 방전을 억제한다.

시스(Sheath) 는 케이블 외부의 금속 차폐층이다. 금속 시스는 도체 전류에 의해 전압이 유기되므로 접지 방식과 연결해 이해해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

PE는 전기적 특성은 우수하지만 열가소성이어서 고온 운전에 한계가 있었다. 전력 케이블은 허용운전온도가 높아야 송전 전류를 크게 흘릴 수 있으므로, 이 한계를 극복할 재료가 필요했다.

1950년대 미국에서 가교 PE가 개발되어 절연재로 쓰이기 시작했다. 이후 고온 특성과 전기적 성능이 함께 좋아져 고압 케이블의 주류 절연재가 되었다. 기존 종이 절연 케이블이나 오일 절연 케이블에 비해 보수가 쉽고 중량이 가벼워 지중 배전에 적합하다.

수트리 같은 열화 문제가 드러나면서 제조 공정의 청정도와 가교 방식이 개선되었다. 최근에는 초고압 케이블로 적용이 넓어지면서 절연 신뢰성 확보가 중요한 쟁점이 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

XLPE 케이블은 도체, 내부반도전층, 절연체, 외부반도전층, 차폐(시스), 외피로 구성된다. 각 층이 전계를 고르게 하고 수분과 외력으로부터 절연을 보호하는 역할을 나눠 맡는다.

내부·외부 반도전층은 절연체와 일체로 압출되어 계면의 공극을 없앤다. 공극이 있으면 그곳에서 부분방전이 발생해 절연이 열화되므로 이 층이 핵심이다. 금속 차폐는 접지되어 고장전류와 누설전류의 귀로가 된다.

원리는 다음과 같다. 도체에 전압이 걸리면 절연체 내부에 방사형 전계가 생긴다. 반도전층이 이 전계를 원통 대칭으로 고르게 펴 주므로, 절연체 내부 전계 집중이 줄어든다. XLPE는 열경화성이므로 고온에서 형상을 유지하고, 허용운전온도가 PE의 70℃보다 높은 90℃ 이다.

제조 절차는 다음 순서로 진행된다.

• 도체 연선을 준비하고 내부반도전층을 압출한다.
• 폴리에틸렌에 가교제를 혼합해 절연체를 압출한다.
• 가교 공정(화학적 또는 증기 가교)으로 분자 사슬을 망상 구조로 결합한다.
• 외부반도전층을 압출하고 차폐 테이프 또는 와이어를 감는다.
• 외피를 씌우고 부분방전·절연내력 시험을 한다.

가교 공정에서 잔류 가교 부산물과 이물질이 남으면 수트리(Water tree)의 원인이 되므로, 고순도 원료와 청정 압출이 필수다.

5. 관련 법령·기준·표준

XLPE 케이블의 설계와 시공은 한국전기설비규정(KEC)과 한국전력공사 기술기준을 따른다. 고압 이상 전력케이블의 시스 접지와 유기전압 제한은 전기설비기준과 한전 배전·송전 설계기준의 적용을 받는다. 아래 표는 본 절의 기준 수치를 모은 것이다.

시스 유기전압 100V 기준은 종단부 접촉 시 인체 감전 위험을 줄이기 위한 값이다. 편단접지는 한쪽만 접지하고 타단을 개방하며, 양단접지는 유기전압을 줄이지만 시스 전류와 손실이 커지므로 장거리에는 쓰지 않는다. 이 차이를 답안에서 함께 설명하면 채점 요소를 충족한다.

다음 표는 두 접지 방식을 비교한다.

편단접지는 구조가 단순하고 시스 전류가 없지만, 개방단의 유기전압을 관리해야 한다. 크로스본드 접지는 시공이 복잡하고 절연접속함과 SVL(시스 전압 제한기)이 필요하지만 장거리에서 유기전압과 손실을 함께 줄인다.

6. 유형과 비교

XLPE 케이블은 구조와 용도에 따라 전압급, 도체 수, 시스 접지 방식으로 나눠 본다. 같은 XLPE 절연이라도 배전용 저압·고압 케이블과 송전용 초고압 케이블은 절연 두께, 차폐층, 시스 처리가 다르다.