지중케이블 냉각방식

왜 배우는가: 지중케이블은 전류가 흐르면 줄열과 유전손실열로 발열하는데, 땅속은 열이 잘 빠져나가지 않아 허용전류가 크게 떨어진다. 냉각방식 선택이 송전용량과 설비 투자비를 좌우하므로 실무 설계와 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제118회 1교시 5번, 제112회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지중케이블 냉각방식은 케이블에서 생긴 줄열과 유전손실열을 외부로 빼내어 도체 온도를 절연체 허용 온도 이내로 유지하는 방법이다.

핵심 키워드

• 허용전류: 절연체 최고 허용 온도를 넘지 않는 최대 연속 전류
• 열저항: 열이 케이블에서 대지로 빠져나가는 경로의 저항
• 자연냉각: 별도 장치 없이 주변 토양이나 공기로 열을 방산시키는 방식
• 강제통풍: 전력구나 관로에 송풍기로 공기를 보내 열을 빼는 방식
• 수냉식: 냉각수를 순환시켜 케이블 주변의 열을 직접 가져가는 방식
• 토양 열저항률: 케이블이 묻힌 흙이 열을 얼마나 막는지 나타내는 값
• 군 배치 감쇠: 케이블이 서로 붙어 있을 때 발열이 겹쳐 허용전류가 줄어드는 효과

2. 개념 풀이

지중케이블은 전기를 보내면 뜨거워진다. 열이 빠져나가지 못하면 절연층이 열화되어 수명이 짧아진다. 그래서 열을 빼내는 방법을 설계 단계에서 정해 두어야 하며, 이것이 냉각방식이다.

정식으로는 지중케이블의 허용전류를 도체 온도가 절연체 최고 허용 온도를 넘지 않는 최대 전류로 정의한다. 이 값은 도체에서 대지까지 열이 흐르는 경로의 열저항 합으로 정해진다. 냉각방식은 이 경로의 열저항을 낮추거나, 열을 강제로 옮겨 온도 상승을 억제하는 기술의 총칭이다.

개략식으로는 허용전류 I=\sqrt{\Delta\theta / (R\,T)} 로 표현한다. \Delta\theta는 도체 온도와 주위 온도의 차(℃), R은 도체의 교류 저항(Ω/m), T는 케이블·되메움재·토양을 합한 열저항(K·m/W)이다. 식에서 보듯 T를 줄이면 허용전류가 커진다. 냉각방식은 바로 이 T 항을 낮추는 수단이다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 열저항: 케이블 절연층, 시스, 되메움재, 토양 각각의 열저항이 직렬로 더해진 값이다. 토양 부분의 기여가 가장 크므로 토양 특성이 핵심 변수다.
• 절연체 최고 허용 온도: 가교폴리에틸렌(XLPE) 케이블의 상시 최고 허용 온도는 90℃로 쓰는 것이 일반적이다. 이 온도를 넘으면 수트리 성장과 열폭주 위험이 커진다.
• 자연냉각과 강제냉각: 자연냉각은 열을 토양에 방산시키는 방식이고, 강제냉각은 송풍이나 냉각수 순환으로 열을 외부에 빼는 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

도심 전력 수요가 늘면서 가공선을 설치할 수 없는 시가지와 대형 건물 밀집 지역에 지중 송배전 설비가 확대되었다. 지중선은 경관과 안전 측면에서 장점이 있지만, 열이 땅속에 갇히기 쉬워 같은 도체 단면적의 가공선보다 허용전류가 낮아지는 구조적 약점이 있다.

이 약점은 여러 조건이 겹칠 때 심해진다. 첫째, 케이블을 다발로 묶거나 한 관로에 여러 회선을 넣으면 군 배치 감쇠가 생긴다. 둘째, 토양이 건조하면 토양 열저항률이 커져 열이 빠지지 않는다. 셋째, 매설 깊이가 깊어지면 열이 방산되는 경로가 길어져 허용전류가 줄어든다. 넷째, 전력구나 터널 내부는 열이 공기 중에 쌓여 주변 온도가 올라간다.

이 상황에서 설계자는 케이블 단면적을 키우는 방법만으로는 한계가 있음을 안다. 단면적을 늘리면 재료비와 공사비가 크게 늘고, 같은 단면적에서 송전용량을 더 얻으려면 열을 빼내는 방법을 함께 써야 한다. 그래서 냉각방식은 단순한 부속 설비가 아니라 지중 송전용량을 결정하는 설계 변수로 다뤄진다.

또한 전력망 고도화로 부하가 집중되는 구간이 많아지면서 열 관리의 중요성이 커졌다. 과부하가 반복되면 절연체가 열화되고, 열화된 절연체는 다시 발열과 절연 파괴를 키운다. 냉각방식은 이 악순환을 끊어 케이블 수명을 지키는 역할을 한다.

정리하면, 지중화 확대, 열 축적 조건의 가중, 설비 투자비 절감의 요구가 맞물려 냉각방식의 필요성이 생겼다. 시험에서는 이 배경을 먼저 말한 뒤 방식의 종류와 특징으로 넘어가면 답안 흐름이 자연스럽다.

4. 구성요소·원리·절차

지중케이블의 허용전류는 도체에서 발생한 손실열이 주변 매질로 빠져나가는 열저항 경로에 따라 정해진다. 냉각방식은 이 열저항을 낮추거나 케이블 주위의 열을 강제로 빼내는 방법이다. 방식별 열 제거 매체가 무엇인지에 따라 구성요소가 달라진다.

자연냉각은 별도 설비 없이 되메움재의 열전도 특성에 의존한다. 열저항이 큰 흙에서는 허용전류가 크게 떨어지므로 되메움재 개량이 함께 쓰인다. 강제통풍은 전력구 내부 공기를 순환시켜 열을 외부로 배출한다. 수냉식과 유냉식은 물 또는 절연유를 관 내부로 순환시켜 케이블 표면 열을 직접 흡수하므로 냉각 효과가 가장 크다. 대신 펌프, 냉각기, 배관 설비의 고장과 누설 관리가 추가로 필요하다.

손실열과 열저항의 관계로 허용전류를 정리한다. 도체 손실 W_c = I^2R(I: 도체 전류[A], R: 도체 교류저항[Ω/m])와 유전체 손실 W_d[W/m]의 합이 케이블에서 발생하는 총 열량 W[W/m]이다. 케이블의 도체 온도 상승 \Delta\theta[℃]는 총 열저항 T[K·m/W]와 W의 곱으로 나타낸다. 이를 정리하면 다음과 같다.

$I = \sqrt{\frac{\Delta\theta - W_d\,T_d}{R\,T}}$

여기서 \Delta\theta는 도체 최고허용온도와 주위 온도의 차[℃], T_d는 유전체 손실 경로의 열저항[K·m/W], T는 도체에서 주위 매질까지의 총 열저항[K·m/W]이다. 냉각방식은 T를 낮추거나 주위 온도를 낮춰 \Delta\theta를 키우는 방법으로 허용전류를 높인다.

냉각 설계는 다음 절차로 진행한다.

• 부하 전류, 포설 조건(매설 깊이, 회선 수, 배열)을 입력한다.
• 도체 손실과 유전체 손실을 계산해 총 발열량 W를 구한다.
• 케이블의 최고허용온도를 설정하고 주위 온도 한계를 정한다.
• 열저항 계산 결과를 바탕으로 자연냉각으로 충분한지 판단한다.
• 부족하면 강제통풍, 수냉, 유냉 중 방식을 선정한다.
• 냉각 후 열저항 T를 다시 계산하고 허용전류 I를 검토한다.
• 운전 중 온도 감시와 설비 점검 주기를 정한다.

냉각방식 선정의 핵심은 허용전류를 제한하는 열저항 경로를 찾아 그 경로를 줄이는 것이다.

5. 관련 법령·기준·표준

지중케이블 냉각과 허용전류의 기준은 국내 전기설비 기준과 국제 산정 표준으로 나뉜다. 국내에서는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용된다. 옛 「전기설비기술기준의 판단기준」은 이때 대체되었다. 허용전류 산정은 IEC 60287 계열의 열회로 계산법을 기준으로 하는 경우가 많다. 허용전류, 열저항률, 최고허용온도가 핵심 용어다.