시스유기전압 저감·크로스본드

왜 배우는가: 시스유기전압은 지중케이블의 감전 위험, 송전용량 저하, 절연 열화를 동시에 일으키는 대표적 문제이며, 편단접지와 크로스본드 접지의 선택 기준으로 기술사 시험에 2회 이상 반복 출제되었다. 케이블 시스 접지 방식을 이해하면 구성도 그리기와 유기전압 계산 문항에 함께 대응할 수 있다.

출제 이력: 제137회 2교시 4번, 제98회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

시스유기전압은 케이블 도체 전류가 만드는 시변 자계로 금속 시스에 유기되는 전압이며, 편단접지·크로스본드 접지로 저감한다.

• 시스 유기전압: 도체 전류와 자계 쇄교로 금속 시스에 생기는 전압
• 편단접지: 시스의 한쪽 끝만 접지하고 타단은 개방하는 방식
• 크로스본드 접지: 시스를 일정 구간마다 분리하고 상을 순환 연결해 유기전압을 상쇄하는 방식
• 시스 전류: 시스에 흐르는 유기 전류로 손실과 송전용량 감소를 일으킴
• 시스 전압 제한기(SVL): 시스 절연 보호를 위해 과전압을 제한하는 장치
• 시스 분리 구간: 크로스본드 방식에서 시스를 끊는 구간 길이
• 다회선 자계 상쇄: 3상 도체 전류의 벡터합이 0에 가까워져 유기전압이 줄어드는 원리

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 케이블 속 전류가 흐를 때 바깥 금속 피복(시스)에 전기가 생겨 사람이 닿으면 감전될 수 있는 현상이다. 시스는 전류가 흐르는 도체와 평행하게 놓여 있어 자계 쇄교로 전압이 유기된다.

정식으로는 도체 전류 I가 만드는 자속과 시스 회로가 쇄교하여 시스 단자에 나타나는 전압을 시스 유기전압이라 한다. 3상 단심 케이블에서는 자기 상의 전류뿐 아니라 다른 두 상의 전류에 의한 상호 유도 성분도 함께 작용한다. 외부 도체(이웃 선로, 접지 도체)의 전류도 영향을 준다.

편단접지는 시스를 한 끝에서만 접지하여 시스 회로를 열어 두는 방식이다. 시스 전류가 거의 흐르지 않아 손실이 적지만, 개방된 끝에 전압이 남는다.

양단접지는 시스 양끝을 모두 접지하는 방식이다. 유기전압은 작아지지만 시스 회로에 큰 순환 전류가 흘러 손실과 발열이 커진다. 그래서 장거리 케이블에는 쓰지 않는다.

크로스본드 접지는 케이블 길이를 3등분 이상으로 나누고 각 구간의 시스를 끊은 뒤, 구간마다 상을 바꾸어 연결한다. 세 구간의 유기전압 벡터합이 거의 0이 되어 시스 끝 전압이 억제된다. 시스 순환 전류 손실도 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

초고압 지중케이블은 장거리 송전과 도심 전력 공급에 쓰이면서 도체 전류가 커졌다. 전류가 커질수록 시스 유기전압과 시스 전류가 함께 증가한다. 시스 유기전압은 다음 세 가지 문제를 만든다.

• 종단부 등에서 시스에 접촉하면 인체 감전 위험이 있다. 시스 전압은 통상 관련 기준이 정한 허용 값 이하로 억제하도록 설계한다.
• 유기 시스 전류가 흐르면 시스 손실이 생겨 송전용량이 떨어진다.
• 시스 절연물과 외피가 과전압을 받아 열화가 빨라진다.

이 때문에 한국전력에서는 Sheath 유기전압 저감을 위해 케이블 금속 시스를 일정 구간(보통 300~400m)마다 분리하여 편단접지 또는 크로스본드 접지 방식을 채택하고 있다. 장거리 초고압 지중 선로일수록 접지 방식 선택이 설계의 핵심 항목이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

지중케이블의 금속 시스(Sheath)는 도체 전류에 의한 자속과 쇄교하여 전압이 유기된다. 시스 유기전압을 억제하려면 시스의 전기적 연속성을 끊고 접지 위치를 정하는 시스 접지방식을 선택해야 한다. 대표 방식은 편단접지와 크로스본드 접지다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 3상 케이블이 정삼각 배치되지 않으면 상간 자속이 완전히 상쇄되지 않는다. 그 결과 시스에 전압이 남는다. 시스를 양단 접지하면 시스 회로에 큰 순환전류가 흐르고, 이 전류는 손실과 송전용량 감소를 일으킨다. 따라서 시스를 일정 구간마다 분리하여 전류 흐름을 끊는다.

편단접지의 절차는 다음과 같다.

• 케이블 시스를 한쪽 종단에서만 접지한다.
• 타단은 개방하여 시스 순환전류 회로를 만들지 않는다.
• 타단에는 시스 전압 제한기를 설치하여 고장 시 과전압을 억제한다.
• 구간 길이가 짧고 유기전압이 낮은 경우에 적용한다.

크로스본드 접지의 절차는 다음과 같다.

• 케이블 길이를 같은 길이의 3개 구간으로 나눈다.
• 각 구간의 시스를 접속함에서 분리한다.
• 구간 경계마다 A, B, C 상의 시스를 순환 교차 접속한다.
• 시스 양단 접지점을 구간 끝에 두어 시스 전압의 벡터합을 0에 가깝게 만든다.
• 세 구간의 유기전압이 상쇄되어 접지점 전압이 낮아진다.

크로스본드 접지의 유기전압은 3구간의 벡터합으로 구한다. 한 구간의 시스 유기전압을 E_s, 구간 길이를 L이라 하면 접지점 전압은 다음과 같다.

$E_{sheath}=\sqrt{3}\,E_s$

여기서 E_s는 시스 유기전압 (V), E_{sheath}는 시스 접지점 전압 (V)이다. 크로스본드에서는 각 구간의 유기전압이 120° 위상차로 더해져 합이 0에 가까워진다. 이 원리로 접지점 전압을 낮춘다.

편단접지는 한쪽만 접지하고, 크로스본드는 구간을 순환 교차 접속해 유기전압을 상쇄한다

도식으로 두 방식의 연결 구조를 보이면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

시스 유기전압과 접지방식은 한국전기설비규정(KEC)과 한국전력의 지중송전 설계 기준에서 다룬다. 기준 수치는 아래 표와 같다.

개정 연혁은 KEC 시행(2021-01-01) 이후 기존 전기설비기술기준 판단기준에서 옮겨진 조항을 따른다. 세부 조항 번호는 여기서 쓰지 않는다.

"시스 접촉 허용 전압 기준"은 종단부 감전 위험을 줄이는 기준이다. 시스 분리 구간은 구간마다 시스를 끊어 순환전류 경로를 막는 역할을 한다.

6. 유형과 비교

시스 접지방식은 편단접지, 양단접지, 크로스본드 접지로 나뉜다. 세 방식은 시스 유기전압과 시스 순환전류가 서로 반대로 움직이므로 함께 비교해야 한다.

편단접지는 순환전류가 없어 손실이 작지만, 개방된 끝단의 유기전압이 높게 남아 감전 위험과 절연 부담이 생긴다. 양단접지는 전압은 낮추지만 시스 순환전류로 손실과 송전용량 저하가 커서 장거리에 쓰지 않는다. 크로스본드는 두 장점을 함께 얻는 방식이다.