전력케이블 손실

왜 배우는가: 전력케이블의 손실은 송전·배전 효율과 케이블 온도 상승, 수명에 직접 영향을 준다. 지중 송전은 가공 송전보다 손실 측면에서 불리해 설계 단계부터 저항손·유전체손·연피손을 구분해 다뤄야 한다. 세 가지 손실은 매 회차 설명형으로 반복 출제되며, 특히 유전체손을 tanδ로 표현하는 이유가 자주 묻는다.

출제 이력: 제122회 2교시 5번, 제121회 1교시 9번, 제113회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력케이블 손실은 도체의 저항에 의한 저항손, 절연체의 유전 분극·누설에 의한 유전체손, 금속 연피에 유기된 와전류에 의한 연피손의 합이다. 전력케이블 손실은 저항손·유전체손·연피손의 합으로 구성된다.

핵심 키워드

• 저항손: 도체 저항과 전류에 의한 줄 손실, 표피효과·근접효과로 증가
• 유전체손: 교류 전압에서 절연체에 생기는 손실, 유전정접(tanδ)으로 표현
• 연피손: 금속 연피(시스)에 유기된 와전류·순환전류에 의한 손실
• 표피효과: 주파수가 높을수록 전류가 도체 표면으로 몰리는 현상
• 근접효과: 가까이 있는 도체의 전류가 서로 영향을 주어 저항이 증가하는 현상
• 유전정접(tanδ): 충전전류에 대한 손실전류의 비
• 부분방전: 절연체 내부 공극에서 생기는 국부 방전, 유전손 증가 원인
• 연가: 3상 케이블 연피의 전압·전류 불평형을 줄이는 배치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 케이블에 전기를 보내면 도체에서 열이 나고, 절연체에서도 열이 나며, 금속 외피에서도 열이 난다. 이 세 가지 열 손실을 각각 저항손, 유전체손, 연피손이라 부른다.

저항손은 도체에 전류가 흐를 때 저항 때문에 생기는 줄(Joule) 손실이다. 1상당 저항손은 P_l = I^2 R 로 표현하며, I는 도체 전류(A), R은 도체 저항(Ω)이다. 교류에서는 표피효과와 근접효과로 유효 단면적이 줄어 직류 저항보다 실효 저항이 커진다. 저항률이 작을수록, 단면적이 클수록 저항손은 줄어든다. 그래서 도전율이 높은 연동선을 지중 케이블에 쓴다.

유전체손은 두 금속 전극 사이에 절연체가 있는 구조에 교류 전압을 가할 때 생기는 손실이다. 이상적인 절연체라면 전압과 전류의 위상차가 90°여서 손실이 없다. 실제 절연체는 누설전류, 유전분극, 부분방전 때문에 위상차가 90°보다 작아지고, 그 차이만큼 손실 전류가 흐른다. 이 손실 전류 성분이 유전체손이다.

연피손은 케이블 금속 연피(시스)에 교류 자속이 쇄교하면서 유기된 와전류와 순환전류에 의해 생기는 손실이다. 단심 케이블에서 크고, 3심 케이블은 세 상의 자속이 서로 상쇄되어 연피손을 무시할 수 있다.

핵심 용어 정리

• 유전정접(tanδ): 충전전류 I_C에 대한 손실전류 I_R의 비, \tan\delta = I_R / I_C. δ는 유전 손실각이다.
• 표피효과: 교류 전류가 도체 중심에서 바깥 표면 쪽으로 밀려나 유효 단면적이 줄어드는 현상이다.
• 근접효과: 가까이 있는 교류 도체 사이에서 전류 분포가 바뀌어 저항이 증가하는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 수요가 늘면서 송전 전압과 전류 용량이 커졌다. 도시에서는 가공선을 설치하기 어려워 지중 케이블 비중이 높아졌다. 지중 케이블은 절연체와 금속 외피가 도체를 둘러싸고 있어 가공선보다 선로 정전용량이 크고 손실 요인이 많다. 그래서 손실을 정량적으로 구분해 계산하고 줄이는 설계 기준이 필요해졌다.