지중 전선로
작성일 : 2023년 11월 07일 (Tuesday)
요즘에 강남역 길거리를 걸어보면, 전봇대를 찾아보기가 어렵다. 사실 강남역 외에 인구밀도가 높은 지역으로 가면 가공 전선로를 찾아보기가 어려운데 이는 땅에 전선을 매립하여 설치하기 때문이다. 땅에 설치한 전선로를 지중 전선로라고 하는데, 기후에 영향을 받지 않아서 공급의 신뢰도가 증가하고 동시에 전봇대나 전선이 늘어져 있지 않아서 도시의 미관도 좋아진다. 또한, 안전 상으로도 가공 전선로에 비해 유리해서 송전 용량이 크게 요구되는 지역에도 많이 사용된다. 이외 여러 이유로 지중 전선로를 사용한다.
그렇지만, 가공전선로에 비해서 최초 건설비가 비싸고, 나중에 고장이 발생했을 경우 고장점을 찾거나 이미 설치된 지중 전선로에 추가 회선을 설치하는 작업 등 유지보수에 들어가야 하는 노력이나 비용도 가공 전선로에 비해 비싸기 때문에 꼭 필요한 경우가 아니라면 설치하지 않는다. (Ex : 농가)
지중 케이블 매설 방식은 직접 매설식, 관로식, 암거식이 있다. 직접 매설식은 트로프(trough)를 지하에 묻고 트로프 안에 케이블을 설치하고 모래로 공간을 메우는 방식이다. 일반적으로 0.6m 정도 매설하지만, 차량 등의 통행으로 인해 트로프에 하중이 많이 실리는 경우에는 1.0m로 매설하기도 한다. 다른 방식에 비해 저렴하지만, 노출된 형태이기 때문에 아무래도 케이블이 금방 손상되고 수리가 필요한 경우에는 모래를 다시 다 파내야 하기 때문에 수리도 어려운 편이다. 구조 상 관로식이나 암거식에 비해 케이블을 많이 설치할 수 없다. 반면, 관로식으로 하게 되면 케이블에 직접적으로 하중이 실리지 않고, 비노출형이기 때문에 케이블이 비교적 장시간 온전한 상태를 유지할 수 있다. 또한, 공간이 있는 편이라 증설이 가능하고 중간중간 맨홀을 놓기 때문에 비교적 편리하게 유지보수가 가능하다. 암거식은 지중 케이블 매설 방식 중 가장 비싼 방식이다. 지하에 터널을 뚫어서 트레이를 설치하고 그 위에 케이블을 거치하는 방식으로 비용은 비싸지만, 유지보수 차원에서 가장 유리하다.
지중전선로는 기존에 열에 약한 유입식 폴리에틸렌 케이블에 내열성을 높인 가교 폴레이텔린 케이블(CV Cable)을 사용한다.
사고의 종류
대표적으로 지락사고와 단락사고, 그리고 단선사고로 구분지을 수 있다. 지락은 전선으로 흘러야할 전류가 대지로 흐르는 경우를 말하고, 단락은 서로 다른 두 상의 전선이 연결된 경우, 단선은 전선이 끊긴 경우를 말한다. 지락사고는 사고의 종류에 따라 1선 지락사고, 2선 지락사고로 나뉜다. 1선 지락사고는 단순히 3상 중 하나의 상이 대지와 연결된 경우를 말하는데, 선이 직접 대지와 닿지 않더라도 사람이나 물체 등을 통해 대지로 흐르는 경우도 포함된다. 2선 지락사고는 2선이 동시에 단락되는 경우로 2선이 이미 단락되어 있는 상황인데 그 선이 대지로 연결되어 전류가 흐르는 경우를 말한다.
고장탐지
땅 밑에 선을 매설하는 경우, 고장점을 찾기가 어렵다는 것이 문제이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 4가지 고장점 측정법이 있다. 고장의 종류에 따라 고장점 측정 방법을 잘 선택해야 한다.
머레이 루프법
머레이 루프법은 휘스톤 브릿지의 원리를 이용한다. 기본적으로 전류를 이용하여 고장점을 찾는 방법이기 때문에 단선되어 전류가 흐르지 않으면 고장점이 탐지되지 않으므로 단선사고에서는 사용할 수 없다. 휘스톤 브릿지는 마주보고 있는 저항의 크기가 같다면 검류계로는 전압이 거의 들어가지 않는다는 원리를 이용한다. $R_1$과 $R_3$ $R_2$와 $R_4$ 사이의 전압이 서로 동일하도록 하면 검류계로 검출할 전류가 없다는 의미이다. 방법은 $R_1$과 $R_3$ $R_2$와 $R_4$ 사이의 비율이 동일하도록 설정하면 된다.
머레이 루프법은 이 휘스톤 브릿지의 원리를 이용해서 단락사고의 위치를 찾는 것이다. 예를 들어, 1선에서 단락사고가 발생한 것 같다면 전력을 끊고, 1선과 2선을 단락시킨 뒤 휘스톤 브릿지의 원리를 이용해서 고장점의 위치를 찾는다. 케이블의 재료와 두께가 동일할 것이므로 휘스톤 브릿지의 원리를 이용해서 고장점을 찾는다. 위 그림에서 $R_2$와 $R_4$는 전선로로 대체하여 표현 가능하고, $R_1$과 $R_3$의 비율을 바꿔가며 고장점을 찾는 방식이다. 결국, $R_1$과 $R_3$의 비율에 맞는 위치에 고장점이 위치한다.
수색 코일법
600Hz의 전기를 흘려보내고 코일에 유기되는 유도 기전력을 측정하여 고장점을 찾는 방법으로 어느 곳에서나 사용 가능한 방법이다. 단선이 발생한 경우에는 전류가 흐르지 않으므로 코일에 유도되는 에너지도 없다.
펄스 레이더법
고주파 펄스를 이용해서 고장점을 탐지하는 방법이다. 단락 또는 지락사고에서 사용된다. 펄스를 인가하면 임피던스 고장점에서 반사가 일어나는데, 그 반사율을 통해 고장점을 찾는 원리이다.
정전 용량 브리지법
케이블의 정전용량을 이용하여 고장점을 찾는 방법이다. 케이블은 구조 상 정전용량을 조금 가지게 되는데, 케이블은 그 정전용량이 병렬로 길게 연결된 형태이므로 길이가 길어질 수록 정전용량이 비례해서 길어진다.
사고 방지 (FailSafe)
사고를 방지하기 위해서는 허용중량, 허용전류량 등에 맞춰서 잘 설계를 해두는 것도 중요하지만, 장기간 운영을 했을 때에도 고장이 발생하지 않도록 하는 사고방지 전략이 필요하다. 시설을 장기간 운영을 하다보면 장비나 전선의 노화로 인해 기존 설계된 사양보다 실제 사양이 많이 떨어지는 경우 발생할 수 있다. 주로 전식(전기적인 부식)에 의한 것인데 이를 방지하기 위한 대책도 필요하다.
전식이라는 것은 전기분해에 의해서 전선이 환원되며 전선이 일부 떨어져나가는 형식이다. 따라서, 이를 방지하기 위해서 전기분해시 전선보다 더 빨리 전기분해에 참여하는 희생양극을 같이 연결하여 전선의 손상을 방지하는 방법이나 외부에서 전식이 발생할 수 있는 곳에 양극을 연결해서 환원반응이 일어나지 않도록 원천적으로 봉쇄하거나, 선택배류기를 통해서 누설전류가 대지로 가지않고 레일로 곧바로 돌아가도록 하는 방법이 있다. 배류법은 연결방법에 따라 곧바로 연결하는 직접배류법, 선택배류기를 통하는 선택배류법, 그리고 강제배류법이 있다.
