전선 굵기 결정

왜 배우는가: 전선 굵기는 송전 용량, 전압강하, 철탑 비용, 코로나 손실을 한꺼번에 좌우하는 설계 결정이다. 그래서 가공 송전 선로 문제에서 검토사항을 나열하거나 계산과 함께 묻는 문제로 반복해서 출제된다. 검토 항목 사이의 상충 관계를 이해해야 답안의 논리가 선다.

출제 이력: 제138회 1교시 5번, 제133회 1교시 13번, 제115회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전선 굵기 결정은 허용전류, 전압강하, 기계적 강도, 코로나 임계전압을 검토해 송전 조건을 만족하는 최소 단면적의 도체를 고르는 설계 작업이다.

• 허용전류
• 전압강하
• 기계적 강도
• 이도·장력
• 코로나 임계전압
• 경제성
• 도체 재질·복도체

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전선은 전기를 보내는 통로다. 너무 가늘면 열이 쌓여 타고, 길면 끝에서 전압이 떨어지며, 바람과 얼음에 끊어질 수 있다. 그래서 이 세 가지를 모두 만족하는 굵기를 찾는다.

정식으로는 전선의 단면적을 정할 때 전류·전압·기계·코로나 조건을 각각 검토하고, 그중 가장 큰 단면적을 택하는 절차를 말한다. 답안에는 검토 항목을 빠짐없이 쓰고 각 항목의 판정 기준을 함께 쓴다.

허용전류는 도체 온도가 허용 상한을 넘지 않는 최대 전류다. 전류가 흐르면 도체 저항에 의해 I²R 손실이 생겨 온도가 오르므로, 이 온도 상승이 한계를 넘지 않도록 전류 상한이 정해진다. 주위 온도, 풍속, 일사 조건에 따라 같은 굵기라도 허용전류가 달라진다.

전압강하는 선로 임피던스 때문에 수전단 전압이 송전단 전압보다 낮아지는 양이다. 단상·3상 선로에서 전압강하는 다음 식으로 근사한다.

$e=\sqrt{3}\,I\,(R\cos\theta+X\sin\theta)$

여기서 e는 상전압 강하(V), I는 부하 전류(A), R은 선로 저항(Ω), X는 선로 리액턴스(Ω), \cos\theta는 역률이다. 굵기를 키우면 R이 줄어 전압강하가 작아진다.

기계적 강도는 전선 자중, 풍압, 빙설 하중과 장력에 견디는 능력이다. 가공 전선은 장력을 받으므로 인장강도를 기준으로 하고, 설계에서는 인장강도를 사용 장력으로 나눈 안전율로 평가한다. 가공 전선의 인장 안전율 기준으로는 관련 기준이 정한 안전율 이상을 적용한다.

코로나 임계전압은 전선 표면의 전위경도가 공기 절연내력을 넘어 코로나 방전이 시작되는 전압이다. 표준 상태 공기의 절연내력은 교류 실효치 기준 약 21kV/cm 이다. 굵은 도체는 표면 전위경도를 낮추므로 임계전압이 높아진다. 초고압 선로에서 굵기 결정의 핵심 조건이 되는 이유다.

이도는 전선이 지지점 사이에서 처지는 정도다. 굵기가 커지면 자중이 늘어 이도가 커지고, 이도가 커지면 지상고와 철탑 높이를 함께 검토해야 한다. 굵기는 경간과 함께 정해지는 값이다.

경제성은 상반된 조건을 조율하는 기준이다. 굵은 전선은 재료비와 철탑 하중을 늘리지만 손실과 전압강하를 줄인다. 최적 굵기는 이 총비용이 최소가 되는 지점에서 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 수요가 늘고 송전 거리가 길어지면서 같은 전압에서 더 많은 전력을 보내야 하는 요구가 커졌다. 송전 전압을 올리는 것만으로는 한계가 있어, 도체를 굵게 하거나 복도체를 쓰는 방법이 함께 쓰인다. 초고압 선로로 갈수록 코로나와 전압강하 조건이 굵기를 결정하는 주요 요인이 된다.

과거에는 경험식과 허용 전류표만으로 굵기를 정하는 경우가 많았다. 그러나 장거리 선로에서는 전압강하가 한도를 넘기 쉽고, 고압 선로에서는 코로나 손실과 통신 장해가 문제로 떠올랐다. 그래서 전류, 전압, 기계, 코로나 조건을 각각 검토하는 방식이 정착했다.

가공 송전 선로에서 전선 굵기는 철탑 높이, 경간, 기초 크기와 직결된다. 굵기를 잘못 정하면 선로 건설비가 늘거나 운용 중 과열과 단선이 생긴다. 전선 굵기 결정은 설계 초기 단계에서 다른 설계 조건과 함께 정해야 하는 항목이다.

국내에서는 2021-01-01 부터 한국전기설비규정(KEC)이 시행되어 저압과 고압 배선의 규격 결정 기준이 이 체계로 정리됐다. 가공 전선 설계는 KEC 가공 전선 관련 기준과 함께 검토한다.

시험에서는 검토사항을 나열하는 문제, 각 항목의 근거를 설명하는 문제, 계산과 결합된 문제가 함께 나온다. 어느 형식이든 검토 항목을 빠짐없이 쓰고, 항목마다 판정 기준과 상충 관계를 함께 쓰는 것이 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

전선의 굵기는 전선 한 가닥이 감당할 수 있는 전류와 선로 끝단에서 허용되는 전압강하, 그리고 자중·풍압·빙설 하중을 견디는 기계적 강도로 결정된다. 세 요소는 서로 상충한다. 굵을수록 허용전류와 기계적 강도는 커지고 저항과 전압강하는 작아지지만, 중량과 공사비가 늘어난다. 따라서 세 기준을 모두 만족하는 최소 단면적을 찾고, 그중 가장 큰 값을 채택한다.

표의 구성은 가공 송전선 기준으로 정리했다. 도체의 재질과 연선 구조가 같은 굵기에서도 허용전류와 중량을 바꾼다.

원리는 다음과 같다. 전류가 흐르면 줄열이 발생하여 도체 온도가 상승한다. 온도가 허용 한도를 넘으면 인장강도가 떨어지고 이도가 커진다. 그래서 허용전류는 열적 한도로 정해진다. 전압강하는 선로 저항과 리액턴스에 의해 생기며, 장거리일수록 굵은 전선이 필요하다. 기계적 강도는 전선 자중과 풍압, 빙설 하중에 대한 인장 안전율로 확인한다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 송전 전력, 송전 전압, 송전 거리, 회선 수를 정한다.
• 송전 전력과 전압으로 필요한 전류를 구한다.
• 허용전류 기준으로 최소 단면적을 구한다.
• 송전 거리와 허용 전압강하로 전압강하 기준 단면적을 구한다.
• 기계적 강도와 이도 기준으로 최소 단면적을 구한다.
• 세 값 중 가장 큰 단면적을 채택하고 코로나 임계전압과 손실을 검토한다.

계산 예는 다음과 같다. 3상 송전 전류는 I = \frac{P}{\sqrt{3} V \cos\theta} 로 구한다. 여기서 P는 송전 전력[kW], V는 선간 전압[kV], \cos\theta는 역률이다. 예를 들어 P = 30{,}000\,\text{kW}, V = 154\,\text{kV}, \cos\theta = 0.9이면 I = \frac{30000}{\sqrt{3} \times 154 \times 0.9} \approx 125\,\text{A} 이다. 이 값은 kV 단위의 전압 기준으로 계산한 결과이며 상식 범위에 있다. 이 전류를 허용전류와 비교해 단면적을 정한다.

전선 굵기는 허용전류, 전압강하, 기계적 강도 세 기준 중 가장 큰 단면적으로 정한다

5. 관련 법령·기준·표준

전선의 굵기와 배선 규격은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 2021-01-01부터 시행되었으며, 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체한다. 가공 송전 선로의 설계는 전기설비기술기준 체계 아래의 KEC 규정과 전력회사 설계 기준을 함께 적용한다. 허용전류는 KEC의 전선 허용전류 표를 기준으로 하며, 주위 온도와 설치 방법에 따라 보정계수를 곱한다.

케이블 배선에서는 전압강하를 허용 값 이내로 억제해야 한다. 허용 전압강하는 설비 종류와 사용처에 따라 정해진다. 또한 온도 상승이 한도 이하가 되도록 허용전류에 여유를 두며, 설치 상황에 따른 전류 저감율을 적용한다. 케이블의 정격 전압은 원칙적으로 600V 정격을 사용한다.

기준 수치는 다음과 같다.

표의 기준 온도 값은 허용전류 산정의 기준이다. 주위 온도가 다르면 보정계수를 적용한다. 중성선 조건은 중성선의 굵기를 선도체와 같게 하는 판단 기준이다.

이도와 전선 장력은 기준 수치를 특정하지 않고, 경간과 하중 조건에 맞춰 설계한다. 기계적 강도는 전선 인장강도와 안전율로 확인한다.