전기 케이블 발열 및 허용 온도 분석

1. 요약

• 본 리포트는 전기케이블의 발열과 허용 최대 온도를 다루고 있습니다. 주로 전선의 전기적 저항과 통전 전류, 결속 개수가 발열에 미치는 영향을 살펴보고, PVC, XLPE, EPR 케이블 등 다양한 종류의 케이블의 허용 최대 온도를 분석합니다. 설치 환경의 영향뿐만 아니라 간섭발열 문제와 이를 해결하기 위한 설계 고려사항도 중요하게 다루어집니다. 전기케이블의 발열 문제를 효율적으로 관리하기 위한 통풍과 발열 관리 방법도 제시합니다. 최종적으로, 열화 유형과 케이블 안전성을 위한 적정 설치 방법을 통해 안전하고 신뢰성 있는 전력 공급을 보장할 수 있는 방안을 제시합니다.

2. 전기케이블 발열 원인

• 2-1. 전기적 저항

• 전기설비 기술기준에 따르면 전압의 종류는 저압, 고압, 특별고압으로 구분됩니다. 여기서 저압은 특정 전압 이하, 고압은 특정 전압을 초과하는 범위를 의미합니다. 전선의 전기적 저항은 전선 특성을 결정짓는 중요한 요소로, 전류가 도체를 지나갈 때 저항에 의한 발열 현상이 발생합니다.

• 2-2. 발열 요소

• 발열은 통전 전류가 흐를 때 발생하는데, 예를 들어 통전전류 20A에서 결속 개수가 4개 이상일 경우, 600V 비닐 절연전선의 내열 허용온도인 60℃를 초과하게 됩니다. 이는 전선의 간섭발열 문제와 관련이 있으며, 결속 개수가 증가할수록 전선 간의 간섭발열도 증가하는 경향이 있습니다. 실험 결과는 결속부의 온도가 주위 온도 조건에 따라 상승함을 보여줍니다.

• 2-3. 설치 환경의 영향

• 설치 환경은 전기케이블의 발열에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 전선 간의 밀착 상태가 저온에서 고온으로 변화하면 결속 부위의 온도가 상승하여 절연재의 열화가 발생할 수 있습니다. 간섭발열은 특히 전선 상호간의 밀착부위에서 가장 크게 나타나며, 이 부분이 내열 허용온도 이하일 경우에는 절연 열화에 이르는 일이 없습니다.

3. 케이블 종류별 허용 최대 온도

• 3-1. PVC 케이블

• PVC 케이블은 연속 정격 온도가 60℃로 설정되어 있습니다. 이 온도를 초과하여 사용하게 되면 열화가 발생할 수 있으며, 이에 따라 케이블의 성능이 저하될 수 있습니다. 열화가 진행되는 경우에는 경화 및 크랙이 발생할 위험이 있으며, 특히 절연체 주변에 핫스폿이 있는 경우에는 더욱 주의가 필요합니다.

• 3-2. XLPE 케이블

• XLPE 케이블은 연속 정격 온도가 90℃로 설정되어 있습니다. 일반적으로 다른 케이블에 비해 높은 온도를 견딜 수 있지만, 도체에 지속적으로 90℃ 가까운 열이 가해지는 경우 PVC 시스는 60℃를 초과하여 열화가 우려됩니다. 따라서, 설치 시에 열화의 발생 가능성을 고려해야 합니다.

• 3-3. EPR 케이블

• EPR 케이블의 연속 정격 온도는 80℃로 알려져 있습니다. 이 케이블 역시 높은 온도를 견딜 수 있지만, 허용 온도를 초과하여 사용하면 열화 및 기계적 변형이 발생할 수 있습니다. 따라서 사용 환경에 따라 적절한 온도 기준을 지키는 것이 중요합니다.

4. 간섭 발열 및 안전 설계

• 4-1. 간섭발열 발생 원인

• 간섭발열은 전선과 케이블의 결속 부위에서 발생합니다. 실험 결과에 따르면, 결속 개수가 4개 이상일 경우 통전전류 20A에서 600V 비닐 절연전선의 내열 허용온도 60℃를 초과하게 됩니다. 결속 개수가 2개 이상인 경우에는 통전전류 27A에서도 내열 허용온도를 넘는 결과가 나타났습니다. 전선 간의 밀착 상황과 통전전류의 관계를 분석한 결과, 결속 개수가 증가하면 전선 간의 간섭발열도 증가하게 됩니다.

• 4-2. 설계 고려사항

• 전선과 케이블의 결속 부위는 특히 온도가 상승하는 경향이 있어, 이 부위가 내열 허용온도 이하에 있도록 관리하는 것이 중요합니다. 전선의 결속 개수가 너무 많으면 허용 전류 이하에서도 절연열화로 인한 단락의 위험이 있으며, 따라서 결속 개수를 줄이거나 통전전류를 적게 하는 방법을 고려할 수 있습니다. 또한, 배선이 난잡해지는 분전반 내부와 EPS 내부에서는 적절한 설비 관리 방안을 수립해야 합니다.

• 4-3. 통풍과 발열 관리

• 온도 관리 및 발열 관리를 위해 적절한 통풍이 중요합니다. 통풍이 잘 이루어지는 경우 발열 문제를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 케이블과 전선에 적절한 온도 유지가 가능해집니다. 간섭발열 방지를 위해 케이블 서포터와 같은 방지용 장치를 활용하는 것이 효과적입니다. 이를 통해 전선 간의 결속부에서 발생하는 온도 상승을 제어할 수 있습니다.

5. 전기 케이블 열화 유형

• 5-1. 고온 환경 열화

• 전선·케이블의 고온 환경 열화는 피복재의 열열화로 인해 발생합니다. 고온 환경에서의 열화는 케이블의 사용 환경에 따라 내구성이 감소하고, 사용 시의 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다. 예를 들어, 연속 정격 온도를 초과하는 경우 피복재가 경화하여 약해지며, 굽힘이나 충격으로 인해 크랙이 발생할 수 있습니다. 고압 CV 케이블의 경우, 특정 온도 이상에서 수트리 열화가 발생할 수 있으며, 이는 케이블의 물리적 특성과 직결됩니다.

• 5-2. 저온 취화

• 저온 취화란, 저온 환경에서 케이블이 크랙이 발생하는 열화 현상입니다. 이는 특히 플라스틱 재질의 케이블에 영향을 미치며, 온도가 낮아지면 재질의 인성이 저하되어 쉽게 깨질 수 있습니다. 특히 저온 환경에서 사용되는 절연체가 취약해지는 경향이 있습니다.

• 5-3. 응력 부식

• 응력 부식은 전선에 적용된 기계적 응력과 화학적 환경의 상호작용으로 인해 발생하는 열화 현상입니다. 이는 전선의 단선이나 트래킹 현상으로 이어질 가능성이 있으며, 사용되는 케이블 또는 전선의 재질에 따라 다르게 나타납니다. 예를 들어, 옥외용 케이블의 경우 응력 부식 단선이 발생할 수 있으며, 이는 전선의 사용 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

6. 케이블 안전성을 위한 적정 설치 방법

• 6-1. 차단기 및 보호장치

• 전선 및 케이블 설치 시 차단기와 보호장치의 설치는 필수적입니다. 이를 통해 시스템에서 발생할 수 있는 과전류 및 단락 사고를 예방할 수 있으며, 보호장치는 케이블의 안전한 운영을 보장합니다. 예를 들어, 다양한 전선의 허용 전류와 결속 개수에 따라 적절한 차단기를 선택해야 하며, 정기적인 점검과 유지보수를 통해 장치의 신뢰성을 유지할 수 있습니다.

• 6-2. 적절한 케이블 선택

• 사용 환경에 따라 적절한 케이블을 선택하는 것이 중요합니다. 각 케이블의 허용 최대 온도와 열화 현상에 대한 이해가 필요합니다. 예를 들어, 전선의 소재에 따라 특성이 다르며, PVC 케이블은 60℃의 허용 온도를 가집니다. 또한, 절연체가 XLPE인 경우 연속 정격 온도가 90℃로, 이를 초과할 경우 열화가 발생할 수 있습니다. 따라서, 사용될 환경과 전기적 특성을 고려하여 신중히 선택해야 합니다.

• 6-3. 설치 환경 조정

• 설치 환경은 케이블의 성능과 수명에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 전선 상호간의 밀착 상태가 불량할 경우, 간섭 발열 문제가 발생하여 허용 전류를 초과할 수 있습니다. i-매거진에 따르면, 통전전류가 20A 이상일 경우 결속 개수가 4개 이상일 때 600V 비닐 절연전선의 내열 허용온도를 넘을 수 있습니다. 따라서 결속 개수나 통전전류를 조절하거나, 보호장치를 추가로 설치하여 안전성을 확보할 필요가 있습니다.

7. 결론

• 본 리포트는 전기케이블의 발열과 허용 최대 온도, 그리고 다양한 설치 환경에서 발생할 수 있는 문제들을 종합적으로 분석했습니다. 주요 발견 사항으로는 PVC, XLPE, EPR 케이블의 허용 최대 온도가 각각 60℃, 90℃, 80℃임을 확인하였으며, 간섭발열 문제를 통해 결속 개수와 통전 전류의 관계가 발열에 큰 영향을 미친다는 점도 밝혀졌습니다. 이 발견들은 전기케이블의 안전성과 내구성을 유지하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 그러나 실제 설치 환경에서 발생할 수 있는 다양한 변수들을 완전히 고려하지 못한 한계가 있습니다. 따라서, 추가 연구를 통해 다양한 환경 조건에서의 데이터 수집이 필요합니다. 향후 전력 시스템의 복잡성이 증가함에 따라, 효율적인 발열 관리와 안전한 전기 케이블 사용을 위한 지속적인 모니터링과 연구가 필요할 것입니다. 이를 통해 더 안전하고 안정적인 전력 공급이 가능해질 것입니다.

8. 용어집

• 8-1. PVC 케이블 [전문용어]

• PVC(폴리염화비닐) 케이블은 일반적으로 최대 허용 온도가 60도에서 70도입니다. 열에 약해 고온 환경에서 사용 시 주의가 필요하며, 발열 문제가 발생할 수 있습니다.

• 8-2. XLPE 케이블 [전문용어]

• XLPE(가교 폴리에틸렌) 케이블은 90도에서 110도의 온도를 견딜 수 있어 고온 환경에서 사용하기 적합합니다. 높은 내열성과 적은 변형이 특징입니다.

• 8-3. 간섭 발열 [전문용어]

• 밀접하게 결속된 케이블 간의 접촉으로 전류가 흐르면서 발생하는 추가적인 발열 현상으로, 절연체의 허용 온도를 초과할 위험이 있습니다. 이를 예방하기 위해 적절한 설계와 통풍이 중요합니다.

• 8-4. EPR 케이블 [전문용어]

• EPR(에틸렌 프로필렌 고무) 케이블은 유연성과 내화학성이 높으며, 최대 허용 온도는 약 80도입니다. 상대적으로 다양한 환경에서 사용이 가능합니다.

9. 출처 문서

• i-매거진http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000040729&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=
• 케이블 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전https://ko.wikipedia.org/wiki/케이블
• 대륙테크놀로지https://www.deryooktech.com/sub/information.php?pg=9
• i-매거진http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?articleAllListSortType=sort_1&articleId=ARTI_000000000039621&flag=all&page=1&selectYearMonth=200808&showType=showType1