해저케이블

왜 배우는가: 도서 지역 전력 공급과 해상풍력 연계가 늘면서 해저케이블의 설계·포설 기술이 실무에서 점점 중요해지고 있다. 시험에서는 구조, 절연 방식, 외장, 포설 방식을 함께 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제130회 3교시 3번, 제125회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 해저케이블은 바다 밑에 포설하여 섬과 육지, 섬과 섬을 전기적으로 연결하는 전력케이블이다.

핵심 키워드

• 해저케이블(Submarine Cable)
• 연피 방수층
• 외장 철선
• 포설 깊이
• 광유니트
• 자가발전 도서
• 도서 통합운영
• 원가회수율

2. 개념 풀이

해저케이블은 물속에 깔아 두는 케이블이다. 육지에서 떨어진 섬에 전기를 보내거나, 가까운 섬끼리 발전설비를 묶을 때 쓴다. 육상 케이블과 달리 물의 침투, 닻과 어업 활동에 의한 손상, 조류에 의한 움직임을 견뎌야 한다. 그래서 절연층 외부에 방수 구조와 기계적 보호 구조가 추가된다.

정식 정의는 다음과 같다. 해저케이블은 도체, 절연체, 차폐층, 방수층, 외장층으로 구성되며, 해저면 또는 해저 매설 상태에서 전력을 송전하거나 배전하는 케이블이다. 전력 송전용과 통신용이 있고, 이 항목은 전력 송배전용을 다룬다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 연피 방수층: 절연체 바깥에 납 합금을 압출하여 씌운 층이다. 물이 절연체로 들어가는 것을 막는다. 고전압 케이블에서 주로 쓰인다.
• 외장 철선: 방수층 바깥의 강선 층이다. 인장과 충격을 흡수하고 해저에서 케이블을 보호한다. 철선에는 역청(아스팔트)을 입혀 부식을 늦춘다.
• 광유니트: 광섬유를 넣은 튜브 단위다. 케이블 중심부나 구성 사이에 넣어 전력선 상태와 온도를 감시하거나 통신에 쓴다.
• 포설: 케이블을 배에 실어 해저에 깔고, 필요하면 해저면 아래에 묻는 작업이다.

교류 케이블에서는 교류 자계가 외장 철선에 와전류 손실을 만든다. 그래서 교류용 케이블은 스테인리스, 구리, 황동 같은 비자성 금속을 쓰기도 한다. 이 점은 직류 케이블과 구조를 가르는 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

도서 지역은 육지 계통에서 멀어 전력 공급이 어렵다. 한국의 자가발전 도서는 내연발전과 태양광 발전으로 전기를 공급하는 곳이 많다. 이 방식은 연료 수송이 어렵고, 염해와 경년열화가 빠르며, 매연과 소음 같은 환경 문제가 생긴다.

발전 비용도 문제다. 한국전력이 관리한 자가발전 도서 65개소의 2016년 원가회수율은 27% 수준이었다. 발전 분야 비용이 결손액의 큰 부분을 차지했고, 운영비에서 고정비 비중도 높았다. 이 때문에 거리가 가까운 여러 도서의 발전설비를 한곳에 모으고, 해저케이블로 묶는 방안이 검토되었다.

해저케이블 통합운영은 연료 수송과 설비 유지보수를 줄이는 효과가 있다. 발전기를 줄이면 고정비도 낮아진다. 다만 모든 도서에 적용되는 것은 아니다. 거리, 최대부하, 기존 발전설비의 상태를 함께 따져 경제성을 판단해야 한다. 근거리이면서 최대부하가 작은 도서들에서 통합운영의 경제성이 높게 나타난다.

해상풍력과 해상 변전소가 늘면서 해저케이블의 역할도 넓어졌다. 육지로 전력을 보내는 송전선과 해상 발전단지를 잇는 구간이 필요해졌다. 해저에서 전력을 장거리로 보내는 경우에는 고전압 직류 방식이 쓰이기도 한다. 수심 2,000m 이내에서는 케이블을 매설하는 경우가 일반적이다.

해저케이블은 설치비가 높고 고장 탐지와 수리가 어렵다. 그래서 설계 단계에서 방수, 기계적 보호, 포설 방식을 함께 검토해야 한다. 시험에서는 이 세 가지를 설치 환경과 연결해 설명하는 답안이 점수를 얻는다.

4. 구성요소·원리·절차

해저케이블은 바다 밑에 포설되어 해수, 파도, 어구, 선박 닻 등 외부 충격과 수압에 노출된다. 따라서 도체, 절연체, 시스, 금속 차폐, 외장(아머링)이 각각 전기적 기능과 기계적 보호 기능을 나누어 맡는다. 육상 케이블과 달리 물이 절연층으로 침투하는 것을 막는 구조가 핵심이다.

가장 기본이 되는 구성은 도체에서 외장까지 바깥으로 갈수록 보호 기능이 강해지는 순서다. 도체는 전류를 흘리고, 절연체는 도체와 대지 사이의 전기적 절연을 맡는다. 절연체 바깥의 차폐와 시스는 전계를 균등하게 하고 수분 침투를 막으며, 외장은 인장과 충격을 견딘다.

표의 구성은 케이블 종류에 따라 달라진다. 교류 케이블은 교번 자계가 외장에 손실을 일으키므로 비자성 금속(스테인리스, 동, 황동)을 쓰는 경우가 있다. 이 차이를 답안에서 같이 언급하면 좋다.

원리는 다음과 같다. 해저에서는 절연체 내부로 수분이 들어가면 수트리(water tree)가 생겨 절연이 빠르게 떨어진다. 그래서 금속 시스나 수밀 구조로 물의 경로를 끊는 것이 설계의 출발점이다. 대전류가 흐르는 케이블에서는 도체 발열이 절연체 온도를 올리므로 허용온도 관리가 함께 필요하다.

수밀 시스와 외장은 물 침투와 기계적 손상을 막기 위한 해저케이블 고유의 구성이다

포설 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 해저 지형과 어업 활동을 조사하여 경로를 정한다.
• 케이블 제조 후 포설선에 적재하고 해상에서 연속 포설한다.
• 수심과 해저 조건에 따라 매설(트렌칭) 또는 표면 포설을 선택한다.
• 해안 접속부와 해저 접속함을 시공하고 시험한다.
• 절연저항, 내전압 등 시험 후 운용에 들어간다.

매설 깊이는 어업 및 저층 트롤 피해를 줄이기 위한 보호 수단이다. 외국 자료에서도 2,000m 이내 수심에서 해저 매설이 일반적이라고 하며, 국내 도서 구간은 수심과 지형에 따라 정한다. 도서 간 22.9kV 해저케이블은 3심 또는 단심 구조를 쓰며, 수심이 깊어질수록 외장과 시스의 보호 등급을 높인다.

공식 측면에서 해저케이블의 허용전류는 도체 발열과 열저항으로 정해진다.

$I = \sqrt{\frac{\Delta\theta}{R_{ac}\,(T_1 + T_2 + T_3 + T_4)}}$

여기서 I는 허용전류(A), \Delta\theta는 도체 최고허용온도와 주위 온도의 차(℃), R_{ac}는 교류저항(Ω/m), T_1~T_4는 절연체·시스·외장·외부 매질의 열저항(K·m/W)이다. 해저에서는 주위 해수 온도가 낮아 열 방출이 좋지만, 매설 상태에서는 토양 열저항이 커져 허용전류가 줄어든다.

5. 관련 법령·기준·표준

해저케이블을 직접 규율하는 단일 법령은 많지 않다. 전기설비 기준은 전기사업법 체계 아래의 기술기준과 한국전기설비규정(KEC)이 적용되고, 해저 포설과 해양 이용은 해양 관련 법규와 함께 본다. 아래 표는 확인된 범위의 기준을 정리한 것이다.

XLPE 절연체 최고허용온도 90℃를 기준으로 삼는 것이 일반적이며, 단기 과부하 시에는 별도 상한을 적용한다. 개정 연혁은 KEC 시행(2021-01-01)과 화재안전기준의 2022-12-01 체계 변경이 대표적이며, 해저케이블 자체의 개정 이력은 해당 분야 최근 동향에서 다룬다.

외국 기준과의 비교는 이름과 개념 차이만 본다. 국제 해저 전력케이블 설계에서는 외장 재질과 시스 구조를 수심과 연계해 정하는 원칙이 공통적으로 쓰인다.

6. 유형과 비교

해저케이블은 절연 방식, 전압 등급, 설치 목적에 따라 나뉜다. 발송배전 실무에서는 교류(AC)와 직류(DC), 그리고 절연체 종류(유침지 절연, 가교폴리에틸렌 절연)로 나누어 설명하는 것이 일반적이다. 아래 표는 답안에서 자주 비교하는 항목을 정리한 것이다.