KR101282652B1

KR101282652B1 - 경제형 전력케이블 배전 시스템

Info

Publication number: KR101282652B1
Application number: KR1020110078243A
Authority: KR
Inventors: 전명수
Original assignee: 전명수
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-07-12
Also published as: KR20130015908A

Abstract

A, B, C 3상의 전력케이블을 배전하며, 각 상선별로 동심중성선을 구비하는 전력케이블 배전 시스템에 관한 것으로서, A, B, C 3상의 전력라인을 공급하는 공급라인에서 분기되는 3조의 분기라인은 각각, A상, B상, C상에 구비된 제1동심중성선은 단절되어 구분되는 각 구간마다 양단 접지되고, 다른 두 상에 구비된 제2동심중성선은 단절되어 구분되는 각 구간마다 일단은 접지되고 타단은 개방되도록 편단 접지되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 전력케이블 배전 시스템에 따르면, 3조의 분기라인별로 동심중성선을 양단 접지하는 상 선을 균등하게 분포시킴으로써 선로정수를 평행되게 하며 배전선로 운영 편의성을 높이고, 편단 접지하는 동심중성선들은 순환전류를 고려할 필요 없이 작은 단면적으로 배전할 수 있어 케이블의 동량 사용을 최소화하고 경제성 높은 전력케이블 배전 시스템을 제공할 수 있다.

Description

경제형 전력케이블 배전 시스템{Economic power cable network system}

본 발명은 동심중선선을 구비한 전력 케이블의 3상 배전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동심중성선의 폐루프에 의한 불평형 전류 및 순환전류 유기를 방지하고, 3조의 분기라인마다 동심중성선을 구간별로 양단 접지하는 상선을 균등하게 분포시켜 선로정수를 평형되게 하며 안정적이면서 경제적인 배전선로 운영을 가능하게 하는 경제형 전력케이블 배전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 22.9kV-Y 배전 방식은 변전소로부터 배전선로를 통해 공장, 빌딩 등 비교적 큰 규모의 수용가에 직접 전력을 공급하거나, 2차 변압기를 통해 소규모 공장 내지 일반 가정에 전력을 공급한다. 종래의 케이블 배전 시스템에서는 3상을 형성하는 각 상선 및 중성선을 별도로 배전하는 방식이었으나, 최근에는 중성선을 별도로 배선하지 않고 각 상선에 동심인 동심중성선을 다중 접지하여 배전하는 방식을 사용하고 있다.

도 1은 동심중성선을 구비한 케이블의 일반적인 구조를 보여준다. 도 1을 참조하면, 코어를 형성하는 심선(1)의 외부에 내부 반도전층(2)이 피복되고, 내부 반도전층(2)의 둘레로 절연층(3)이 형성된다. 절연층(3)의 둘레로는 외부 반도전층(4)이 형성되고, 그 외부로 동심중성선(5)이 형성된다. 동심중성선(5)의 외부로는 외피(6)가 피복된다.

종래 케이블 배전 시스템은 도 1과 같은 케이블을 이용하여 도 2에 도시된 바와 같이 케이블의 구간마다 동심중성선(5)을 다중 접지하고 있다. 종래 동심중성선(5)을 다중 접지하는 방식은 다음과 같다. 맨홀(7) 등으로 구획된 동심중선선(5)의 구간별로 동심중성선(3)의 전단부를 일괄 접지하고, 후단부는 다음 구간의 동심중성선(5) 전단부와 함께 일괄 접지한다. 즉, 각 상의 동심중성선(5)은 구간별로 양단 접지된다.

이러한 다중 접지 방식은 동심중성선을 대지에 직접 접지하기 때문에 지락 사고시 건전 상의 전압 상승이 적어 전력 설비의 절연 및 지락 전류의 검출이 용이하고 보호 계전기 등이 신속하게 동작한다.

그러나 지중 배전 선로에서 각 상(A, B, C상)의 부하가 정확히 평형을 유지하는 것은 어렵고 또한 대략 평형일 경우라도 도 2에서 점선으로 도시한 바와 같이 동심중성선 간에는 부하 전류에 의해 동심중성선 순환전류가 유기되기 때문에 불필요한 손실 전력이 발생하며, 이러한 손실 전력으로 케이블의 내부 온도가 상승되고 자체 전류 용량이 감소하며 배전 선로 손실이 발생된다. 그리고 부하 전류 측정시 계기에는 배전선의 실제 부하 전류와 동심중성선의 순환 전류의 합성 값이 표시되기 때문에, 순환 전류로 인한 위험성이 따름은 물론 실제 부하가 정확하게 측정되지 못하기 때문에 배전 선로 운영에도 어려움이 있다.

또한, 각 상선별로 동심중성선을 형성하고, 이 동심중성선에서 순환전류를 부담할 수 있을 만큼 적절한 단면적을 가져야 하므로, 동심중성선으로 소요되는 동량이 많아지는 문제점이 있다.

본 발명은 동심중성선의 불평형 전류 및 순환전류 발생을 방지하기 위해 제안된 것으로서, 3상의 동심중성선 중 어느 한 상의 동심중성선을 양단 접지하고 다른 두 동심중성선은 편단 접지하는 구성을 기본으로 하여, 3조의 분기라인마다 동심중성선을 구간별로 양단 접지하는 상선을 균등하게 배포하여 불평형 전류 및 순환전류 발생을 방지함은 물론 선로정수를 평형하게 유지하고 배전 계통의 안전성을 꾀하는 동시에 케이블의 동량을 최소화하여 경제성 높은 전력케이블 배전 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력케이블 배전 시스템은, A, B, C 3상의 전력케이블을 배전하며, 각 상선별로 동심중성선을 구비하는 전력케이블 배전 시스템에 있어서, A, B, C 3상의 전력라인을 공급하는 공급라인에서 분기되는 3조의 분기라인은 각각, A상, B상, C상에 구비된 제1동심중성선은 단절되어 구분되는 각 구간마다 양단 접지되고, 다른 두 상에 구비된 제2동심중성선은 단절되어 구분되는 각 구간마다 일단은 접지되고 타단은 개방되도록 편단 접지된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전력케이블 배전 시스템은, 상기 제2동심중성선은 상기 제1동심중성선에 비해 작은 단면적을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력케이블 배전 시스템은, 상기 제2동심중성선은 케이블 지락 고장전류를 고려하여 결정된 단면적을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력케이블 배전 시스템은, 상기 제2동심중성선은 상기 제1동심중성선에 비해 절반 이하의 단면적을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력케이블 배전 시스템은, 상기 제1동심중성선을 구비한 상선의 심선에 비해 상기 제2동심중성선을 구비한 상선의 심선이 작은 단면적을 갖는다.

본 발명의 전력케이블 배전 시스템에 따르면, 배전 계통의 공급라인에서 분기되는 3조의 분기라인마다 어느 한 상의 동심중성선에 대해서만 구간별로 양단 접지하고 다른 두 상의 동심중성선에 대해서는 구간별로 편단 접지하되, 양단 접지하는 동심중성선을 각 조의 분기라인별로 균등하게 분포시킴으로써, 동심중성선에서의 불평형 전류 및 순환전류를 방지하여 선로정수를 평형되게 하며 배전선로 운영의 편의성을 높이고, 편단 접지하는 동심중성선들은 순환전류를 고려할 필요 없이 작은 단면적으로 배전할 수 있어 케이블의 동량 사용을 최소화하고 매우 경제적인 전력케이블 배전 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 동심중성선을 구비한 케이블의 단면을 예시한 단면도,
도 2는 종래 전력케이블 배전 시스템을 예시한 계통도,
도 3은 본 발명의 기본적인 배전 시스템을 예시한 계통도, 및
도 4는 본 발명에 따른 전력케이블 배전 시스템을 예시한 계통도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 전력케이블 배전 시스템은 공급라인에서 분기되는 분기라인들이 3조가 하나의 그룹을 형성한다. 각 조의 분기라인은 어느 한 상의 동심중성선을 구간별로 양단 접지하며, 다른 두 상의 동심중성선을 구간별로 편단 접지한다. 각 그룹 내에서는 각 조별로 동심중성선을 양단 접지하는 상을 달리하여 선로정수의 평형을 이루도록 한다.

본 발명에 대한 계통 구조를 설명하기에 앞서, 각 조의 분기라인의 기본적인 구성을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 기본적인 배전 시스템을 예시한 계통도로서, 22.9kV-Y 배전 방식의 예를 보여준다. 도 3의 예시에서 배전 계통의 변압기 2차측은 Y 결선이며, 이 Y 결선으로부터 A, B, C 3개의 상선이 인출되고 중성선은 리액터 접지된다. A, B, C 3개의 상선은 심선(10)의 외부에 동심중성선(20, 24)이 형성된 형태의 전력케이블로 구성된며, 이러한 전력케이블의 구성은 도 1을 참조하여 배경기술로서 언급된 구성과 동일하다.

도 3의 예시에서, C 상의 동심중성선(20)은 A, B 상의 동심중성선(24)에 비해 굵은 선으로 묘사되어 있다. 이하에서 설명되는 예시에서 굵은 선으로 묘사된 동심중성선(20)은 '제1동심중성선'이라 언급하며, 가는 선으로 묘사된 동심중성선(24)은 '제2동심중성선'이라 언급하기로 한다.

도 3을 참조하면, 전력케이블은 배전 계통에는 맨홀(30)이 설치된다. 맨홀(30)은 지중으로 매설된 전력케이블을 접속하는 개소이다. 맨홀(30)이나 다른 접속 개소에 의해 전력케이블의 구간이 나눠진다. 이와 같은 전력케이블의 각 구간은 대략 300m이다.

전력케이블의 각 구간별로 제1동심중성선(20)과 제2동심중성선(24)의 전단은 일괄 접지된다. 그리고 도시한 바와 같이 첫 번째 구간의 동심중성선 전단은 변압기 2차측의 중성선과 함께 접지된다.

첫 번째 접속개소인 맨홀(30)에서, 제1동심중성선(20)은 첫 번째 구간의 후단과 두 번째 구간의 전단이 접속부(22)를 매개로 접속된다. 이와 마찬가지로, 다음 번의 맨홀(30)에서도 제1동심중성선(20)의 전단과 후단은 모두 일괄 접지된다. 즉, 도시한 바와 같이, 제1동심중성선(20)은 구간별로 양단 접지된다.

첫 번째 맨홀(30)에서, 제2동심중성선(24)은 첫 번째 구간의 후단과 두 번째 구간의 전단이 상호 접속되지 않는다. 도시한 바와 같이, 제1동심중성선(24)은 각 구간마다 후단이 개방되어 개방부(26)를 형성한다. 즉, 제2동심중성선(24)은 구간별로 편단 접지된다.

그런데, 도 4에 도시된 바와 같이 일반적인 배전 계통에서는 변압기 2차측의 각 상선에 공급라인(40)이 연결되고, 이 공급라인(40)에서 수용가측으로 복수의 분기라인(51, 52, 53)이 분기된다.

도 4의 예시에서와 같이, 본 발명에 따른 전력케이블 배전 시스템은 3조의 분기라인(51, 52, 53)이 하나의 그룹을 형성한다. 제1분기라인(51)은 앞서 도3을 참조하여 설명한 구성과 동일한 계통 구조를 갖는다. 즉, C 상에 제2동심중성선(20)이 형성되고, 이 제2동심중성선(20)은 구간별로 양단 접지된다. A, B 두 상의 제1동심중성선(24)은 구간별로 편단 접지된다. 제2분기라인(52)은 이와 달리 B 상상에 제2동심중성선(20)이 형성되고, 이 제2동심중성선(20)은 구간별로 양단 접지된다. A, C 두 상의 제1동심중성선(24)은 구간별로 편단 접지된다. 제3분기라인(53)은 A상에 제2동심중성선(20)이 형성되고, 이 제2동심중성선(20)은 구간별로 양단 접지된다. B, C 두 상의 제1동심중성선(24)은 구간별로 편단 접지된다.

이와 같이 3조의 분기라인(51, 52, 53)에서 동심중성선이 양단 접지되는 상선을 각각 A, B, C 상으로 고르게 분포시킴에 따라, 각 그룹 내에서는 선로정수의 평형이 유지된다. 만약, 공급라인(40)에서 분기되는 라인이 4개 또는 그 이상이라면, 이 중 3조씩의 분기라인에 대해서 도 4와 같은 배전 계통을 적용시킴으로써 적어도 부분적으로는 선로정수의 평형을 유지할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 전력케이블 배전 시스템은 전술한 계통 구조에서, 제1동심중성선(20)에 비해 제2동심중성선(24)의 단면적이 작은 특징을 갖는다. 이를 통해 케이블의 동량을 대폭 줄여 경제성 높은 전력케이블 배전 시스템을 가능하게 한다.

일반적으로, 22.9kV-Y 배전에서 종래와 같은 도 2의 배전 계통에서는, 즉, 동심중성선을 일괄하여 양단 접지하는 시스템에서는 불평형 전류, 순환전류, 및 케이블 지락 고정전류 등을 고려하여 동심중성선의 단면적을 결정한다. 예를 들어, 각 상선의 심선은 325㎟의 단면적을 가지며, 동심중성선은 이 단면적의 대략 1/3배인 108㎟의 단면적을 갖는다.

그런데, 본 발명에 따른 전력케이블 배전 시스템에서는, 불평형 전류 및 순환전류의 영향이 미미하며, 특히 제2동심중성선(24)에서는 이러한 불평형 전류 및 순환전류가 발생하지 않는다. 따라서, 제2동심중성선(24)은 케이블 지락 고장전류만을 고려하여 단면적을 결정할 수 있다.

IEC(International Electro-technical Commission) 60949에 의한 중성선 단면적을 구하는 공식은 다음의 수식1과 같다.

---------- (수식1)

여기서, I는 고장전류이고, t는 고장지속시간이고, K는 도체관련 상수이고, S는 도체 단면적이고, θ_i는 초기 운전 온도이고, θ_f는 최종 운전 온도이고, β는 0℃에서 저항의 온도계수의 역수이다.

예를 들어, 22.9kV 계통에서 최대 지락전류전류인 8515A가 발생할 경우 순시요소에 의해 차단되며, 순시요소의 후비보호로 한시요소가 동작하게 된다. 순시요소 동작시간은 대략 0.083초이며, 한시요소 동작시간은 0.5초이다. 어떠한 경우에도 고장전류 최악 통전조건인 0.5초 이상 고장이 지속될 수 없으므로, 위 수식에서 I는 8515를 대입할 수 있고, t는 0.5를 대입할 수 있다.

그리고, IEC 60949에서 구리의 경우 K는 226이며, β는 234.5이다. θ_i와 θ_f는 각각 CNCV 케이블에서 90℃ 및 230℃이다.

이 값들을 위 수식에 대입하여 보면 다음과 같은 수식2를 얻을 수 있다.

---------- (수식2)

이로부터 구해지는 단면적 S는 44.5㎟이다.

즉, 본 발명에서는 A, B 두 상의 제2동심중성선(24) 단면적을 제1동심중성선(20) 단면적(108㎟)의 절반 이하에 해당하는 50㎟(안전율 등을 고려하여 44.5㎟ 보다 큰 CNCV 케이블의 일반적인 규격 50㎟로 선택하는 것이 바람직함)로 선택해도 충분하다는 결론에 도달할 수 있다. 따라서, 종래 전력케이블 배전 시스템과 비교하여 상당한 만큼의 동량을 절감할 수 있다.

나아가서, 본 발명의 전력케이블 배전 시스템에서는 동심중성선이 편단 접지되는 A, B 두 상에서 제2동심중성선(24)의 순환전류가 발생하지 않으므로 A, B 두 상의 심선(10) 단면적을 C 상의 심선 단면적에 비해 작게 설계할 수 있다.

일반적으로, 심선 도체의 허용전류는 케이블의 최고 허용온도에 따라 결정된다. 케이블의 온도 상승은 심선과 시스선(본 발명에서 언급되는 동심중성선과 같은)에 흐르는 전류에 의한 발열과 케이블 구조 및 재질에 따른 방열에 의해 정해진다. 통상의 22.9kV CNCV 케이블 배전 시스템에서 심선(10)의 상시 허용전류는 다음의 수식3으로부터 얻을 수 있다.

---------- (수식3)

여기서, I_p는 상시 허용전류이고, wd는 유전체 손실이고, r은 교류 도체 실요저항이고, λ1은 도체손실과 시스손실비이고, T1은 도체와 시스간의 열저항이고, T3는 케이블 외피의 열저항이고, T4는 기타 열저항의 합이다.

그런데, 도 3의 계통에서는 C 상의 심선(제1동심중성선의 심선)과 A, B 상의 심선(제2동심중성선의 심선)을 대비하였을 때, 위 수식 중에서 다른 조건들은 유사한 반면 도체손실과 시스손실비인 λ1에서 차이를 보인다.

시스손실비 λ1은 다음의 수식4에 의해 결정된다.

---------- (수식4)

여기서, W_s는 시스손실이고, W_c는 도체손실이다.

통상 동심중성선에 비하여 심선의 단면적이 크므로, 시스손실에 비하여 도체손실의 값이 크다. 따라서, λ1은 1 미만의 값을 갖는다.

예를 들어, 도 3의 실시예에서 C 상의 경우는 심선의 단면적이 325㎟이고, 동심중성선의 단면적이 108㎟이고, 동심중성선의 순환전류 비율이 45%라고 가정했을 때, λ1은 0.545이다. 그런데, A, B 두 상의 경우는 순환전류가 거의 0(zero)에 근사하므로 λ1은 0(zero)이라 할 수 있다.

따라서, 다른 모든 조건이 동일하다는 가정 하에서 위와 같은 λ1의 값을 수식에 대입하였을 때, C 상의 심선에서의 상시 허용전류가 분모 값이 증가하므로, C 상의 심선에 비하여 A, B 두 상에서의 상시 허용전류가 더 높음을 알 수 있다.

보다 구체적으로 수식3에 위 조건 하에서 실제에 근사한 수치를 대입하여 보자. 예컨대, wd는 2.144*10^-4 w/m, r은 7.4839*10^-7 Ω/m, T1은 42.2 ℃-m/w, T3은 76.5 ℃-m/w, T4는 7.656 ℃-m/w라고 가정해 보자.

이 수치들을 수식3에 대입하여 보면, C 상의 심선에서는(λ1이 0.545일 때) 상시 허용전류가 662 A로 계산되며, A, B 두 상의 심선에서는(λ1이 0일 때) 각각 상시 허용전류가 726A로 계산된다. 즉, A, B 두 상에서의 상시 허용전류는 C 상에 비해 16.72% 가량 높게 나타난다. 이러한 계산식으로부터 A, B 두 상의 심선 도체 단면적을 270㎟로 설치할 수 있음을 알 수 있다.

결론적으로 본 발명의 실시예에서는 C 상에 비해 A, B 두 상의 심선 단면적을 작게 설계할 수 있으며, 종래 전력케이블 배전 시스템과 비교하여 상당한 만큼의 동량을 절감할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 심선 20 : 제1동심중성선
22 : 접속부 24 : 제2동심중성선
26 : 개방부 30 : 맨홀
40 : 공급라인 51 : 제1분기라인
52 : 제2분기라인 54 : 제3분기라인

Claims

A, B, C 3상의 전력케이블을 배전하며, 각 상선별로 동심중성선을 구비하는 전력케이블 배전 시스템에 있어서,
A, B, C 3상의 전력라인을 공급하는 공급라인에서 분기되는 3조의 분기라인은, A상, B상, C상 중 어느 하나의 상에 구비된 제1동심중성선은 단절되어 구분되는 각 구간마다 양단 접지되고, 상기 제1동심중성선이 구비된 상을 제외한 다른 두 상에 구비된 제2동심중성선은 단절되어 구분되는 각 구간마다 일단은 접지되고 타단은 개방되도록 편단 접지되며, 상기 제2동심중성선은 상기 제1동심중성선에 비해 작은 단면적을 갖는 전력케이블 배전 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2동심중성선은 케이블 지락 고장전류를 고려하여 결정된 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전력케이블 배전 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2동심중성선은 상기 제1동심중성선에 비해 절반 이하의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전력케이블 배전 시스템.
제1항 및 제3항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1동심중성선을 구비한 상선의 심선에 비해 상기 제2동심중성선을 구비한 상선의 심선이 작은 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전력케이블 배전 시스템.