지중케이블 시스 접지

왜 배우는가: 지중송전케이블의 시스 접지는 유도전압과 과전압을 제어하고 감전과 절연 파괴를 막는 핵심 설계다. 154kV 이상 장거리 지중선로에서는 손실과 보호협조까지 함께 고려해야 하므로 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제139회 3교시 2번, 제116회 2교시 3번, 제95회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

지중케이블 시스 접지는 도체 전류로 시스에 유기되는 전압을 제어하고 과전압과 감전 위험을 줄이기 위해 금속 시스를 대지 또는 다른 시스와 연결하는 방식이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 시스 유기전압
• 시스 순환전류
• 양단접지
• 편단접지
• 크로스본드접지
• 시스전압제한기(SVL)
• 접촉전압
• 절연접속부

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 케이블 도체에 전류가 흐르면 주변에 자속이 생기고, 그 자속이 금속 시스에 전압을 만든다. 이 전압이 시스 유기전압이다. 시스 끝을 그대로 두면 사람이 접촉할 때 감전 위험이 있고, 절연 접속부에서는 절연이 깨질 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 시스 접지는 케이블 금속 시스를 대지와 연결하거나 시스 상호간을 연결하여 시스의 전위를 일정 수준 이하로 유지하고, 시스에 흐르는 전류의 경로를 정하는 설계이다. 시스 접지의 목적은 유기전압 억제, 과전압 제한, 고장전류 귀로 확보의 셋이다.

시스 순환전류는 양단을 접지했을 때 시스 폐회로에 흐르는 전류다. 이 전류는 열과 손실을 만들어 송전용량을 떨어뜨린다. 따라서 접지방식은 유기전압을 낮추는 것과 순환전류를 줄이는 것 사이에서 선택한다.

크로스본드접지는 케이블을 같은 길이의 소구간 세 개로 나누고 시스를 상호 교차 접속하는 방식이다. 세 구간의 유기전압 벡터 합이 0에 가까워지도록 하여 시스 전압과 순환전류를 함께 줄인다.

Sheath Voltage Limiter(SVL)는 정상 상태에서는 높은 임피던스로 시스를 분리하고, 서지가 들어오면 도통하여 시스 전압을 제한하는 장치다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 용량이 커지고 전압이 154kV 이상으로 높아지면서 지중케이블 단면적과 도체 전류가 늘었다. 그 결과 시스에 유기되는 전압과 순환전류가 함께 커졌다. 장거리 선로에서는 케이블 길이 전체에 걸쳐 유기전압이 누적되므로 중간 접속함마다 시스를 나누는 설계가 필요해졌다.

시스를 한쪽 또는 양쪽에서 접지하는 단순 방식만으로는 장거리 선로의 유기전압과 손실을 동시에 만족시키기 어렵다. 그래서 편단접지, 크로스본드접지, SVL을 조합하는 방식이 표준적으로 쓰인다. 장거리 케이블에서 양단접지를 피하는 이유도 여기에 있다.

한국전력에서는 시스 유기전압을 줄이기 위해 금속 시스를 일정 구간마다 분리하고 편단접지 또는 크로스본드접지를 채택한다. 이때 시스의 분리 구간은 관련 설계 기준이 정한 길이 단위로 나누는 것이 일반적이다.

시스 유기전압은 관련 기준이 정한 허용치 이하로 제한하여 인체 접촉 위험을 줄인다. 이 기준은 시스 접촉을 막는 목적의 설계 기준이다.

그리고 시스 접지는 감전 방지, 절연 보호, 손실 억제의 세 목적을 동시에 만족시키도록 선정한다.

4. 구성요소·원리·절차

지중케이블 시스 접지 계통은 금속 시스, 접지점, 접속함(링크박스), 시스전압제한기(SVL)의 네 가지 요소로 구성된다. 각 요소의 역할은 다음 표와 같다.

도체에 전류 I가 흐르면 주변에 자속이 생기고, 이 자속이 시스와 쇄교하여 축방향으로 유기전압이 발생한다. 단위 길이당 시스 유기전압은 다음 식으로 근사한다.

$E_s = 2\omega \times 10^{-7} \cdot I \cdot L \cdot \ln\frac{2S}{D}$

기호: E_s는 시스 유기전압(V), \omega는 각주파수(rad/s), I는 도체 전류(A), L은 케이블 길이(m), S는 상간 중심거리(m), D는 시스 평균 직경(m)이다. 식에서 유기전압은 전류와 길이에 비례한다. 따라서 길이가 길고 전류가 큰 154 kV 이상 계통일수록 시스 전압 저감 대책이 필요하다. 시스 유기전압은 전류와 선로 길이에 비례하므로 장거리 케이블일수록 접지방식 선정이 중요하다.

유기전압이 허용치를 넘으면 시스를 분리하고 접지 구성을 바꾼다. 설계 절차는 다음과 같다.

• 케이블 경로와 길이를 정하고 상간 간격을 정한다.
• 최대 부하전류와 고장전류에 대해 시스 유기전압을 계산한다.
• 유기전압이 허용치를 넘으면 편단접지 또는 크로스본드 접지를 선정한다.
• 접속부의 시스 전압을 계산하고 SVL 정격과 결선방식을 정한다.
• 시운전 때 시스 전류와 전압을 측정해 설계값과 비교한다.

크로스본드는 케이블 전체 길이를 3개 구간으로 나누고, 접속함에서 각 구간의 시스를 다음 상의 시스와 교차 연결하는 방식이다. 평형 상태에서는 세 구간의 유기전압 벡터합이 0에 가까워져 시스 전압이 상쇄된다. 이때 시스 순환전류가 줄어 손실도 감소한다. 아래 도식은 세 구간의 교차 접속과 접지 위치를 나타낸다.

편단접지는 한쪽 끝만 접지하고 반대쪽은 개방하므로 순환전류가 없다. 대신 개방단의 시스 전압이 길이에 따라 커지므로 접속부에 SVL을 둔다. 양단접지는 폐회로가 되어 순환전류와 손실이 커지므로 장거리 154 kV 이상 케이블에는 적용하지 않는다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따르며, 2021-01-01부터 시행되었다. 이 규정은 구 「전기설비기술기준의 판단기준」을 대체한다. 시스 접지의 세부 조항 번호는 여기서 쓰지 않고 기준 이름으로만 정리한다. 케이블 허용전류와 시스 손실의 계산은 국제표준 IEC 60287을 기준으로 한다.

위 표의 허용치와 구간 길이는 설계 조건과 케이블 규격에 따라 달라진다. 값은 설계 기준서에 따라 적용하고, 개폐서지와 지락고장 조건에서 SVL 정격을 함께 검토한다.

국제 기준에서는 시스 접지 방식과 절연 접속부 시험을 IEC 계열 표준으로 다룬다. 국내 설계에서는 이들 기준을 참고해 한전 및 발주처의 설계 지침을 적용한다. 개정 연혁은 KEC 시행 이후 기준 이름과 체계가 바뀐 점에 한정해 쓰면 된다.

6. 유형과 비교

지중케이블 시스 접지방식은 시스 순환전류와 비접지단 전압을 어떻게 다루느냐에 따라 세 가지로 나뉜다. 양단접지, 편단접지, 크로스본드접지가 대표적이며 각각 장점과 단점이 뚜렷하다. 답안에서는 세 방식을 같은 항목으로 비교해 쓰는 것이 채점에 유리하다.