전력케이블 구조

왜 배우는가: 전력케이블 구조는 전기응용기술사 시험에서 케이블 종류별 구성요소와 기능을 묻는 문항으로 반복 출제된다. 차폐층과 반도전층은 전계를 균일하게 하고 부분방전과 절연 열화를 막는 핵심 요소라, 실무 설계와 유지보수 판단의 기초가 된다.

출제 이력: 제131회 1교시 13번, 제118회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

전력케이블 구조는 도체 주위에 반도전층·절연체·차폐층·외피를 순서대로 씌워 전계를 균일하게 하고 절연을 유지하는 다층 구조다.

핵심 키워드

• 반도전층(Semiconducting Layer)
• 내부 반도전층(Inner Semiconducting Layer)
• 외부 반도전층(Outer Semiconducting Layer)
• 차폐층(Shield, Metallic Screen)
• 전계 집중(Electric Field Concentration)
• 부분방전(Partial Discharge)
• 동심중성선(Concentric Neutral Wire)
• 절연체(Insulation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 케이블 안쪽의 전기는 절연체 안에서 고르게 퍼져 있어야 한다. 도체 표면이나 절연체 표면이 거칠면 전기장이 한 곳에 몰린다. 그 자리에서 오랜 기간 부분방전이 일어나 절연체가 깨진다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력케이블의 반도전층은 도체와 절연체 사이, 절연체와 차폐층 사이에 두는 반도전성 재료의 층이다. 전기 전도도가 금속과 절연체의 중간 값을 가져, 두 층의 경계면을 등전위로 만든다.

내부 반도전층은 도체 바깥쪽, 절연체 안쪽에 있다. 도체 표면의 돌기나 요철이 만드는 전계 집중을 줄인다.

외부 반도전층은 절연체 바깥쪽, 금속 차폐층 안쪽에 있다. 절연체와 차폐층 사이의 공극이나 박리(Stripping)에서 생기는 부분방전을 억제한다.

차폐층은 전계를 외부로 새지 않게 하고, 금속 차폐를 접지에 연결해 절연체 외부 전압을 낮추는 층이다. 차폐층은 구리 테이프, 동심 배수선, 평평한 스트랩, 납 피복 등으로 만든다. 차폐층이 하는 일은 두 가지다. 전계를 절연체 안에 가두는 것과 지락 시 고장 전류의 귀로가 되는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

고압 케이블에서 절연체는 높은 전계를 견뎌야 한다. 그런데 도체와 절연체 사이 경계면이 평활하지 않으면 전계가 국부적으로 몰린다. 이 불균일 전계가 장기간 누적되면 낮은 전압에서도 절연이 파괴된다. 그래서 반도전 재료로 경계면을 매끄럽게 만드는 기술이 케이블 제조의 필수 요소가 되었다.

1916년 마틴 호크슈타터가 도체 절연체를 둘러싸는 전도성 차폐를 특허로 냈다. 이 차폐를 호크슈타터 차폐라고 부른다. 전압이 2,000V 이상인 회로에서 절연체에 걸리는 전기적 스트레스를 균등하게 하기 위한 것이었다. 이 원리는 오늘날 고압 케이블 설계의 기본이 되었다.

케이블 절연체로 쓰는 XLPE는 비유전율이 약 2.4이다. 절연체 안에 공극이 생기면 그 부분에 전계가 집중된다. 이 전계 집중은 절연 성능을 떨어뜨려 결국 절연파괴에 이르게 한다. 따라서 반도전층과 차폐층은 공극과 돌기로 인한 전계 집중을 막는 역할을 맡는다.

외부 반도전층 표면 전위 0V 근사

차폐층은 또 방황 전압을 배출해 케이블 외부의 전압을 안전한 수준으로 낮춘다. 금속 차폐는 케이블 끝에서 접지에 연결되며, 다지점 접지가 가장 일반적인 방식이다. 이로써 작업자 감전 위험이 줄어든다.

4. 구성요소·원리·절차

전력케이블은 도체, 내부 반도전층, 절연체, 외부 반도전층, 차폐층, 보호층으로 구성된다. 각 층은 전계 분포를 균일하게 하거나 누설전류와 고장전류를 흘리고 기계·환경 손상으로부터 절연을 지키는 역할을 나눠 맡는다. 가장 중요한 원리는 전계 집중의 억제다. 도체 표면이나 절연체와 반도전층 경계면이 거칠면 국부적으로 전계가 높아지고, 이 부분에서 부분방전이 시작돼 결국 절연파괴로 이어진다.

내부·외부 반도전층은 절연체와 도체 또는 차폐층 사이의 공극과 돌기를 없애는 역할을 한다. 반도전층의 돌기는 절연체 내부 전계를 집중시키는 결함으로 분류된다. 따라서 반도전층은 절연 기능보다 전계 평활 기능이 핵심이다.

차폐층은 절연체 외부 전압을 0에 가깝게 낮춰 케이블을 안전하게 만든다. 차폐층은 금속 테이프, 동심 배수선, 편조 등으로 구성되며 케이블 끝에서 접지에 연결된다.

도식으로 전계 평활 원리와 층의 순서를 나타낸다.

절차: 케이블 구조 설계와 점검은 다음 순서로 확인한다.

• 도체 단면적과 허용전류를 정한다.
• 내부 반도전층의 평활도와 두께를 확인한다.
• 절연체의 공극, 불순물, 돌기 결함을 확인한다.
• 외부 반도전층과 절연체 사이의 밀착(공극 없음)을 확인한다.
• 차폐층의 접지 방식과 고장전류 용량을 확인한다.
• 보호층의 기계적·환경적 내성을 확인한다.

전계 크기는 절연체 두께와 전압에 따라 달라진다. 반경 방향 최대 전계는 E_{max}=\frac{V}{r_i \ln(r_o/r_i)} 로 근사한다. 여기서 V는 대지 기준 상전압[V], r_i는 절연체 내반경[m], r_o는 절연체 외반경[m]이다. 반도전층이 도체 표면을 평활하게 하면 r_i 부근의 국부 전계 상승이 줄어든다.

5. 관련 법령·기준·표준

전력케이블의 구조와 시험은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)의 케이블 조항, 그리고 국가표준(KS)과 국제표준(IEC 60502)을 따른다. 특고압 케이블의 차폐와 접지는 KEC의 특고압 케이블 조항에서 규정한다. 구체적인 조항 번호는 이 절에서 단정하지 않는다.

동심중성선 CV케이블(CNCV, CNCV-W)은 차폐층을 동선으로 대체하여 다중접지계통의 중성선으로 쓴다. 22.9kV-Y 다중접지계통의 지중배전과 수용가 인입에 널리 쓰인다. 차수형 구조는 중성선층 안팎에 발포성 차수테이프를 넣어 수분 침투를 막는다.

위 표의 값 가운데 22.9kV-Y 계통과 차폐 목표 전압은 22.9kV-Y 다중접지계통과 외부 전압 50V 미만으로 쓴다. 전압 구분은 AC 600V 이하 저압, AC 600V 초과 7,000V 이하 고압으로 쓴다.

개정 연혁: 2021-01-01부터 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)으로 바뀌었다. 옛 전기설비기술기준의 판단기준은 대체됐다.

6. 유형과 비교

전력케이블은 절연체 재료, 차폐(중성선) 구조, 차수 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 고압·특고압 배전에서 주로 쓰이는 CV(가교폴리에틸렌 절연 비닐시즈)계열과 동심중성선 케이블(CN계열)을 먼저 비교한다. 동심중성선 CV케이블은 차폐층을 동선으로 대체해 다중접지계통의 중성선 역할을 겸한다. 그 아래에서 차수 방식이 유형을 가른다.