전력케이블 손실

왜 배우는가: 전력케이블은 지중송전과 변전소 인입에 널리 쓰여, 손실이 송전효율과 발열, 송전용량을 직접 좌우한다. 기술사 시험에서는 저항손·유전체손·연피손을 구분해 원리와 저감 대책을 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제136회 1교시 9번, 제117회 1교시 3번, 제110회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력케이블 손실은 도체의 저항손, 절연체의 유전체손, 금속 시스의 연피손(와전류손·순환전류손)으로 나뉘는 전력 손실이다.

• 저항손: 도체 전류에 의한 줄열 손실
• 유전체손: 교류 전압 하의 절연체 내부 손실, 유전정접(tanδ)으로 표현
• 연피손: 금속 시스에 유기된 와전류·순환전류에 의한 손실
• 표피효과: 교류에서 전류가 도체 표면으로 몰리는 현상
• 근접효과: 인접 도체의 자계로 전류 분포가 치우치는 현상
• 시스 유기전압: 도체 전류로 금속 시스에 유기되는 전압
• 편단접지·크로스본드 접지: 시스 전류와 유기전압을 줄이는 접지 방식
• 유전정접(tanδ): 충전전류에 대한 손실전류의 비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 케이블에 보낸 전력 중 일부가 열로 바뀌어 사라지는 것이다. 손실은 송전효율을 떨어뜨리고, 발열로 절연체 수명을 줄이며, 허용전류(송전용량)를 제한한다.

정식 정의는 다음과 같다. 케이블 손실은 도체에 흐르는 전류에 의한 저항손, 교류 전압이 걸린 절연체에서 발생하는 유전체손, 금속 시스에 전류가 유기되어 발생하는 연피손의 합이다.

저항손은 도체의 저항과 전류 제곱에 비례하는 줄열이다. 도체의 전기저항률이 작을수록, 단면적이 클수록 줄어든다. 그래서 지중 케이블에는 도전율이 우수한 연동선을 쓴다. 가공선에는 알루미늄 합금연선(ACSR, STACIR, TACSR)을 쓴다.

유전체손은 두 전극 사이에 절연체를 넣고 교류 전압을 가할 때 생긴다. 이상적인 유전체에서는 전압과 전류의 위상차가 90°이라 손실이 없다. 실제 절연체는 누설전류, 유전분극, 부분방전 때문에 위상차가 90°보다 작아지고, 그 차이만큼 손실전류가 흐른다. 이때 손실전류와 충전전류의 비를 유전정접(tanδ)이라 하며, tanδ = I_R / I_C로 쓴다. 절연체가 열화되면 tanδ가 커지고 손실과 온도가 함께 오른다.

연피손은 금속 시스에 와전류가 유기되어 생긴다. 단심 케이블의 시스에서 주로 발생하며, 3심 케이블은 세 상의 자속이 상쇄되어 연피손을 무시할 수 있다. 연피손은 시스 재료의 저항률이 낮을수록, 전류와 주파수가 클수록 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 전압이 올라가고 도심 송전이 늘면서 케이블 사용이 증가했다. 지중 송전은 가공 송전에 비해 선로 정전용량이 크고 발열이 쉬워서 손실 관리가 더 중요하다. 손실을 낮추지 않으면 같은 전력을 보낼 때 케이블 굵기와 발열 설계 여유가 커진다.

케이블은 도체·절연체·시스로 이루어진 다층 구조다. 그래서 손실 원인이 여러 층에 걸쳐 있다. 설계 단계에서는 도체 단면적과 재질을 정하고, 절연체의 유전 특성을 관리하고, 시스 접지 방식을 선택해 손실을 함께 줄여야 한다.

따라서 케이블 손실은 단일 원인이 아니라 저항손·유전체손·연피손을 구분해 각각 원인과 저감 대책으로 설명하는 것이 기술사 답안의 기본 구조가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

전력케이블의 손실은 도체에서 생기는 저항손, 절연체에서 생기는 유전체손, 금속 시스(연피)에서 생기는 연피손으로 나뉜다. 세 손실은 발생 원리가 달라 저감 대책도 다르므로 구성요소별로 나누어 이해해야 한다.

표의 세 손실 중 저항손이 가장 크고, 지중케이블에서는 시스 손실과 유전체손의 비중이 커진다. 각 손실은 독립적으로 더해져 케이블 총손실을 이룬다.

저항손은 도체에 전류 I가 흐를 때 생기는 손실이다. 한 상당 저항손은 다음과 같다.

$P_l = I^2 R$

여기서 P_l은 상당 저항손(W), I는 도체 전류(A), R은 교류 저항(Ω/m 환산 후 선로 길이 곱)이다. 도체 저항은 저항률이 작고 단면적이 클수록 줄어든다. 따라서 도전률이 우수한 연동선을 지중케이블 도체로 쓰고, 가공선에는 알루미늄 합금 연선(ACSR, STACIR, TACSR)을 쓴다. 교류에서는 표피효과로 전류가 표면 쪽으로 몰려 실효 저항이 직류보다 커진다. 표피효과는 주파수가 높고 도체 직경이 클수록 커지며, 연선 구조는 이를 줄인다.

유전체손은 두 전극 사이 절연체에 교류 전압이 걸릴 때 생긴다. 이상적인 유전체는 전압과 전류의 위상차가 90°여서 손실이 없다. 실제 절연체는 누설전류, 유전분극, 부분방전 때문에 위상차가 90°보다 작아지고 손실전류가 흐른다. 이때 충전전류 I_c에 대한 손실전류 I_R의 비를 유전정접(tanδ)이라 한다.

$\tan\delta = \frac{I_R}{I_c}$

유전체손은 P_d = \omega C V^2 \tan\delta 로 나타내며, 여기서 \omega는 각주파수(rad/s), C는 케이블 정전용량(F), V는 대지전압(V)이다. 절연이 열화되면 tanδ가 커지므로 유전체손과 발열이 함께 증가한다. 이 때문에 tanδ 측정은 절연진단의 기본 항목이 된다.

연피손은 금속 시스에 와전류가 유기되어 생기는 손실이다. 단심케이블은 도체 전류에 의한 자속이 시스와 쇄교하므로 시스에 전압이 유기되고, 시스를 양단 접지하면 큰 순환전류가 흐른다. 연피손은 시스 저항률이 낮을수록, 전류와 주파수가 클수록 증가한다. 저감 방법은 다음과 같다.

• 단심케이블을 근접 시공하고 간격을 유지하여 자속 쇄교를 줄인다.
• 케이블을 연가하여 시스 유기전압의 벡터합을 0에 가깝게 만든다.
• 시스를 편단접지하거나 크로스본드 접지하여 순환전류 경로를 끊는다.
• 3심 케이블은 세 상의 자속이 상쇄되어 연피손을 무시할 수 있다.

단심케이블에서 시스 와전류손실은 자속에 의해 시스 내부에 생기는 와전류가 발열하는 손실이고, 시스 순환전류손실은 양단 접지 시 시스 루프로 흐르는 순환전류가 발열하는 손실이다. 두 손실의 합이 연피손이다.

3심 케이블 연피손 무시

단심케이블은 시스를 편단접지 또는 크로스본드 접지하여 시스 손실을 줄인다

5. 관련 법령·기준·표준

전력케이블의 손실과 시스 전압 저감은 한국전기설비규정(KEC)과 한국전력의 지중송전 설계 기준이 다룬다. 케이블 정상상태 허용전류와 손실 계산은 IEC 60287 방식과 Neher-McGrath 방식이 널리 쓰인다. 두 방식은 부하계수, 열저항, 3심 케이블 절연저항 계산에서 차이가 있어 같은 지중 시스템에 대해 결과가 다를 수 있다.

시스 유기전압 관련 기준은 다음과 같다.

편단접지는 한쪽만 접지하고 타단을 개방하는 방식으로, 시스 순환전류가 없어 손실이 적지만 개방단 유기전압이 높다. 크로스본드 접지는 케이블을 구간별로 분할하고 시스를 교차 연결하여 유기전압의 벡터합을 줄이는 방식이다. 양단접지는 유기전압을 크게 낮추지만 순환전류 손실이 커서 장거리 케이블에 쓰지 않는다.

개정 연혁으로는 화재·전기 관련 기준이 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)으로 통합된 것이 중요하다. 옛 전기설비기술기준의 판단기준은 이 시점에 대체되었다. 세부 조문 번호는 확인되지 않아 기준 이름만 기재한다.

6. 유형과 비교

전력케이블 손실은 발생 원인에 따라 도체손(저항손), 유전체손, 연피손(시스손)으로 나뉜다. 세 손실은 전류·전압·주파수 조건과 케이블 구조에 따라 크기가 달라지므로, 손실의 종류별로 발생 원리와 저감 방법을 구분해 두어야 답안에서 혼동이 없다.