전력케이블 반도전층·차폐층

왜 배우는가: 전력케이블의 반도전층과 차폐층은 절연체의 전계를 고르게 하고 누설전류와 감전 위험을 막는 장치라서, 케이블 설계·시공·고장 분석의 출발점이 된다. 전기트리 열화와 시스 유기전압 문제가 모두 이 층의 역할과 연결되어 있어 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제104회 2교시 3번, 제102회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 반도전층은 도체와 절연체 사이의 전계를 완화하고, 차폐층은 절연체 외부의 전위를 접지 전위로 낮추는 층이다.

• 반도전층
• 내부 반도전층
• 외부 반도전층
• 차폐층
• 전계 완화
• 전기트리
• 시스 유기전압
• 접지 방식

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 케이블 도체 둘레를 얇은 반도체 층으로 감싸서 전기가 절연체 안에서 한 곳으로 몰리지 않게 하는 것이다. 이 층이 내부 반도전층이다. 절연체 바깥쪽에도 같은 종류의 층을 두어 절연체 표면의 전계를 고르게 한다. 이것이 외부 반도전층이다.

정식으로는 내부 반도전층은 도체와 절연체 사이에 설치되어 도체 표면의 요철에 의한 국부 전계 집중을 줄이는 층이다. 외부 반도전층은 절연체와 차폐층 사이에 설치되어 절연체 외표면의 전위를 일정하게 유지하고, 절연체와 차폐층 사이의 공극에서 생기는 부분방전을 막는 층이다.

차폐층은 외부 반도전층 바깥을 금속 테이프, 동선, 연피 등으로 감싼 층이다. 차폐층은 절연체 외부의 전계를 접지 전위에 묶어 감전과 누설전류를 줄인다. 중고압 케이블에서는 차폐층이 없으면 절연체 표면에서 코로나 방전이 생겨 절연이 파괴된다.

반도전층은 도체 표면과 절연체 계면의 전계 집중을 줄이고, 차폐층은 케이블 외부 전계를 차단한다. 두 층은 서로 다른 위치에서 같은 목적, 즉 전계 분포를 제어하는 역할을 한다.

내부·외부 반도전층의 저항률은 절연체보다 낮은 값으로 설계됨

3. 등장 배경과 필요성

초기 저압 케이블은 절연체 표면의 전계 집중이 작아 반도전층이 필요하지 않았다. 고전압 케이블로 올라가면서 도체 표면의 미세한 돌기와 절연체 내부의 공극에 전계가 몰려 부분방전이 시작되었다. 부분방전은 시간이 지나 전기트리로 자라고, 결국 절연파괴로 이어진다.

가교폴리에틸렌(XLPE) 케이블은 절연체의 비유전율이 약 2.4 수준이라 공극 내부 전계가 크게 높아진다. 따라서 공극이 생기지 않도록 반도전층을 절연체와 밀착시키는 것이 중요하다. 반도전층 돌기나 절연체와 반도전층 사이의 공극은 부분방전과 전기트리 열화의 시작점이 된다.

차폐층이 필요해진 이유는 감전 위험과 전계 확산이다. 케이블 외피가 흙이나 물과 닿으면 누설전류와 용량성 전류가 흐르고, 접촉점에서 전계가 집중된다. 차폐층은 이 전류를 접지로 흘려 보내고 외부 전위를 낮춘다. 또 차폐층이 있으면 케이블 주변의 전자기장이 금속 층 안에 갇혀 주변 회로에 대한 유도 장해가 줄어든다.

케이블 시스에 흐르는 전류와 유기전압은 차폐층의 접지 방식과 직접 연결된다. 시스 유기전압이 커지면 감전 위험과 열화가 함께 커지므로, 차폐층 접지는 설치 목적과 함께 함께 설계해야 하는 항목이다.

4. 구성요소·원리·절차

전력케이블은 도체를 중심으로 여러 층이 동심원으로 겹친 구조다. 반도전층과 차폐층은 절연체 양쪽 경계에서 전계를 다루는 층이다.

내부 반도전층은 도체 표면의 요철과 곡률을 완화한다. 외부 반도전층은 절연체와 밀착해 경계면의 틈을 없앤다. 두 층은 절연체와 도체 사이에 공기 틈이 생기지 않도록 하는 역할을 맡는다.

원통형 절연체 안의 전계는 다음 식으로 나타낸다.

$E(r)=\frac{V}{r\ln(R/r)}$

여기서 E(r)은 중심으로부터 거리 r 지점의 전계(V/m), V는 도체와 차폐층 사이 전압(V), r은 도체 반지름(m), R은 절연체 외반지름(m)이다. 전계는 r이 작은 도체 표면에서 가장 크다. 도체 표면에 요철이 있으면 그 부분에 전계가 더 몰린다. 내부 반도전층은 이 집중을 없앤다.

절연체 안에 공극이 있으면 전계 집중이 더 크게 일어난다. 공극의 비유전율은 약 1이고 XLPE 절연체의 비유전율은 XLPE 비유전율 2.4다. 두 값의 비로 공극 내부 전계는 절연체 전계의 약 2.4배가 된다. 반도전층은 도체와 절연체 경계의 공극과 돌기를 없애 전계 집중과 부분방전을 막는다

차폐층은 접지되어 외피 표면의 전위를 0에 가깝게 만든다. 절연체를 통해 새는 누설전류와 용량성 전류는 차폐층을 따라 대지로 빠진다. 이로써 감전 위험이 줄어든다. 차폐층은 전계를 외부에서 차단하고 누설전류를 대지로 유도한다

전력케이블 제작 절차는 다음과 같다.

• 도체 위에 내부 반도전층을 압출한다.
• 그 위에 절연체를 압출하고 가교한다.
• 외부 반도전층을 압출해 절연체와 밀착시킨다.
• 금속 차폐층을 감아 접지 경로를 만든다.
• 사용 조건에 따라 접지 방식(편단접지·양단접지·크로스본드)을 정한다.

차폐층의 접지 방식은 시스에 유기되는 전압과 전류로 정한다. 편단접지는 한쪽 끝만 접지하고 반대쪽은 개방한다. 시스 전류가 거의 흐르지 않아 손실이 적다. 양단접지는 양쪽을 모두 접지한다. 시스 유기전압은 줄지만 시스에 큰 전류가 흘러 손실과 송전용량 감소가 생긴다. 크로스본드는 구간을 3등분해 시스를 교차 연결한다. 세 구간의 유기전압이 상쇄되어 장거리 케이블에 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기설비의 설계와 시공은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. KEC는 2021-01-01부터 시행됐고, 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 케이블 시스의 접지와 유기전압 제한은 KEC의 접지 규정과 사업자의 설계 기준에서 함께 다룬다. 국제 규격은 차폐층 접지와 시스 전압 제한을 따로 규정하므로, 답안에서는 개념 차이만 쓴다.

기준값을 표로 정리하면 다음과 같다.

시스 유기전압 100V 이하는 감전 위험을 줄이기 위한 목표 값이다. 시스 분리 구간은 전압 상승을 나누어 제한하는 기준이다. 차폐층은 중·고압 회로에서 전계를 고르게 하고 누설전류를 빼내기 위해 쓴다. 응력완화 콘은 시스 끝단의 전계 집중을 줄인다. 이 값들은 설계 목표이므로 실제 설계에서는 선로 조건과 사업자 기준을 함께 본다.

차폐층 접지 방식은 시스 유기전압 제한 기준과 연결된다. 편단접지는 유기전압이 낮은 짧은 선로에서, 양단접지는 전압 상승이 위험한 짧은 구간에서 제한적으로 쓴다. 장거리 선로에서는 크로스본드를 주로 쓴다.

6. 유형과 비교

전력케이블의 반도전층과 차폐층은 구조 위치와 기능이 다르므로 먼저 구분해서 이해해야 한다. 내부 반도전층은 도체와 절연체 사이에서 도체 표면의 돌기로 인한 전계 집중을 완화하고, 외부 반도전층은 절연체와 차폐층 사이에서 절연체 표면의 전계를 평활하게 만든다. 차폐층은 반도전층 바깥에 위치하여 전계를 대지로 흘려보내는 역할을 한다.