제2장 가공 송전 선로

2.1 가공 전선로의 개요

전선로는 가공 선로식과 지중 선로식 두 가지로 나뉜다.

가공 전선이 갖춰야 할 조건

모든 조건을 다 만족하는 전선은 없으므로, 사용 조건에 맞춰 가장 알맞은 것을 고른다.

나전선과 절연 전선

가공 전선로용 전선은 나전선(절연 피복 없음)과 절연 전선으로 나뉜다. 송전선은 거의 모두 나전선이다.

2.2 전선의 종류

2.2.1 구조에 의한 분류

1) 단선

단면이 원형인 한 가닥의 도체. 송전선에는 단면적이 작은 경우에만 일부 쓰인다. 굵기는 지름 [mm]로 표시한다(외국은 AWG 번호도 사용).

2) 연선

가는 소선을 여러 가닥 꼬아 하나의 전선으로 만든 것. 보통은 1개의 소선을 중심에 두고 주위에 층층이 꼰 동심 연선이다. 각 층 소선의 중심을 지나는 원을 피치 서클이라 하며, 그 수가 층수 $n$이다.

소선 지름이 모두 같을 때 다음 관계가 성립한다. 시험에 자주 나오는 공식

여기서 $A$는 계산 단면적이고, 실제로는 이에 가까운 공칭 단면적으로 부른다(예: 계산 100.9mm² → 공칭 100mm²).

3) 중공(中空) 전선

200kV 이상 초고압 송전선은 코로나 방지를 위해 송전 용량과 관계없이 지름 25mm 이상의 전선이 필요하다. 보통 연선으로 굵게 만들면 재료가 너무 많이 들므로 속을 비운 중공 전선을 쓰기도 한다(아나콘다형, HA형, HB형 등).

2.2.2 재질에 의한 분류

강심 알루미늄 연선 (ACSR : Aluminium Cable Steel Reinforced)

인장 강도가 큰 강선(강연선)을 중심에 두고, 그 주위에 도전율 약 61%의 경알루미늄선을 꼬아 만든 전선.

2.2.3 조합에 의한 분류 — 단도체와 복도체

1상당 전선 1가닥 = 단도체, 1상당 2가닥 이상 = 복도체(다도체) 방식. 2도체·4도체가 많이 쓰인다.

참고 표 — 경동 연선 규격 (책 표 2.1~2.3 요약)

→ 7가닥은 $D=3d$, 19가닥은 $D=5d$ 공식과 딱 맞는다 (예: 19/2.6 → 5×2.6 = 13.0mm).

2.3 전선의 허용 전류

전류가 흐르면 저항에 의한 발열($I^2R$)로 전선 온도가 오른다. 온도가 너무 오르면 기계적 강도 등 성능이 떨어지므로, 온도 상승 한도를 넘지 않게 전류를 제한해야 한다. 이 한도 온도를 최고 허용 온도, 이에 대응하는 전류를 허용 전류(안전 전류)라 한다.

책 표 2.4(가공 송전선의 전류 용량, 주위 온도 40℃)에서 대표값만 발췌.

단거리 선로는 허용 전류로 송전 용량이 정해지지만, 일반적으로는 직렬 리액턴스가 송전 용량을 좌우하므로 실제 송전 전류나 켈빈 법칙에 의한 경제적 전류는 허용 전류보다 훨씬 작다.

켈빈의 법칙 (Kelvin’s law) — 가장 경제적인 전선 굵기

기호 : $M$ 전선 1kg의 가격[원], $N$ 1년간 전력량[kW·년]의 요금[원], $P$ 1년간 이자와 상각비의 합계(소수), $A$ 전선의 굵기[mm²], $\sigma$ 가장 경제적인 전류 밀도[A/mm²]

ACSR이면 무게 $2.7\times10^{-3}$ [kg/m·mm²], 저항률 $\tfrac{1}{35}$ [Ω/m·mm²]이므로

경동선이면 무게 $8.89\times10^{-3}$, 저항률 $\tfrac{1}{55}$ 을 넣는다 → $\sigma=\sqrt{\dfrac{8.89\times55\,MP}{N}}$

→ 전선 가격 $M$이 비쌀수록, 이자·상각비 $P$가 클수록, 전력 요금 $N$이 쌀수록 $\sigma$는 커지고 전선은 가늘어진다.

2.4 전선의 이도

2.4.1 이도의 필요성

이도(dip, 처짐) : 전선이 양 지지점을 잇는 수평선으로부터 밑으로 처진 길이.

2.4.2 이도의 계산

1) 지지점에 고저차가 없는 경우

전선은 정확히는 커티너리 곡선이지만, 이도가 경간의 10% 이내면 포물선으로 계산해도 지장이 없다.

기호 : $w$ 전선 1m당 무게[kg/m], $T_0$ 최저점의 수평 장력[kg], $S$ 경간[m], $D$ 이도[m], $L$ 전선 실제 길이[m]

합성 하중 — 빙설·풍압을 고려할 때

실제로는 자체 무게 외에 빙설 무게(아래 방향)와 수평 풍압(옆 방향)이 더해진다. 둘은 서로 직각이므로 벡터 합으로 구한다.

2) 지지점에 고저차가 있는 경우

※ $h=0$이면 위 식들은 고저차가 없는 경우의 식과 같아진다. (L 식 둘째 항 $\tfrac{w^2S^3}{24T_0^2}$는 $\tfrac{8D^2}{3S}$에 $D=\tfrac{wS^2}{8T_0}$를 넣은 것)

3) 최대 사용 장력과 안전율

이도 계산 전에 전선의 최대 사용 장력을 먼저 구한다. 전선의 인장 하중을 안전율로 나눈 값이다.

※ 사진에 55~56쪽(예제 2.3 풀이, 예제 2.4 앞부분)이 빠져 있어서 예제 2.3 풀이는 직접 계산해 넣었고, 예제 2.4는 생략했다.

2.4.3 전선의 진동과 도약

1) 진동

수 m/s 정도의 미풍이 전선과 직각에 가깝게 불면 전선 뒤에 공기 소용돌이(카르만 와류)가 생기고, 수직 방향 교번력으로 전선이 상하로 진동한다. 이 주파수가 전선의 고유 진동수와 같아지면 공진 → 진동이 계속된다.

2) 방진 장치

• ㄱ. 댐퍼(stock bridge damper) : 지지점 가까운 곳 1~2개소에 추를 달아 진동 에너지를 흡수
• ㄴ. 아머 로드(armour rod) : 지지점(클램프) 부근 전선을 같은 재질의 선으로 감아 보강

3) 빙설과 도약(sleet jump)

전선에 붙은 빙설의 무게로 전선이 끊어지기도 하고, 붙어 있던 빙설이 한꺼번에 떨어지면 장력이 갑자기 없어져 전선이 위로 튀어 오르며 위쪽 전선과 접촉 → 단락 사고. 이것을 도약이라 한다.

2.5 가공 전선로용 애자

2.5.1 애자의 개요

애자(insulator) : 전선을 철탑의 완금이나 목주의 완목에 기계적으로 고정하고 전기적으로 절연하는 절연 지지체.

보통 경질 자기제 애자를 쓰고, 그 밖에 유리 애자·합성수지 애자가 있다.

2.5.2 애자의 종류

현수 애자 자세히

• ① 국내 표준 : 250mm 현수 애자 (지름 254mm, 높이 146mm). 소형은 180mm (66kV 이하 일부)
• ② 연결 방식 : 클레비스형(핀으로 연결) / 볼·소켓형(볼을 소켓에 끼움)
• ③ 예전엔 클레비스형을 주로 썼으나 활선 작업이 편해서 최근엔 볼·소켓형을 많이 씀
• ④ 막대·종 모양 현수 애자와 구별하기 위해 표준형을 원판형 현수 애자라고도 부른다
• ⑤ 여러 개를 연결한 것을 애자련(suspension string)이라 한다

애자련 연결 개수 (책 표 2.5, 250mm 현수 애자 기준)

※ 전압 범위는 “이상 ~ 미만”.
→ 154kV 선로는 9개 내외(염해·오손 지역은 몇 개 더 추가). 실제 개수는 설계 기준·지역에 따라 다르다.

2.5.3 애자의 전기적 특성

1) 애자의 정전 용량

현수 애자는 캡과 핀(볼) 사이에 정전 용량이 있다. 비에 젖으면 극판 면적이 넓어진 것과 같아져 정전 용량이 커진다.

• · 250mm 현수 애자 1개 : 약 40~44pF → 10개 연결하면 약 9~10pF (직렬이라 작아짐)

2) 섬락 전압

섬락(flashover) : 애자 위아래 금구 사이 전압을 높여 가면, 애자 표면 주위 공기를 통해 지속적인 아크가 생겨 단락되는 현상.

크기 순서 (250mm 현수 애자 1개 대략값) : 충격 섬락(약 125kV) > 건조 섬락(약 80kV) > 주수 섬락(약 50kV)

3) 애자련의 전압 분포 ★

각 애자는 자체 정전 용량 $C_m$ 외에, 금구–철탑(대지) 사이 $C_e$, 금구–전선 사이 $C_d$ 를 가진다. 이 때문에 각 애자가 나눠 받는 전압이 균등하지 않다.

4) 초호환·초호각 (아킹 링 · 아킹 혼)

전선 쪽에 초호환(arcing ring)이나 초호각(arcing horn)을 달면

• ① 전선과의 정전 용량 $C_d$가 커져 전압 분포가 균일해진다
• ② 뇌 등으로 섬락이 생겨도 아크가 혼(링) 사이로 직접 이어져 애자가 열로 파괴되는 것을 막는다

5) 애자련 개수의 결정

기준 : 내부 이상 전압(개폐·고장 서지)에 섬락하지 않을 것. 내부 이상 전압은 대략 최대 상규 대지 전압의 4배이므로,

2.6 가공 전선로용 지지물

가공 전선로 = 전선 + 애자 + 지지물. 지지물은 폭풍우·지진·눈·뇌 같은 자연 장해에도 전선을 안전하게 지지해야 한다.

• ① 종류 : 목주, 철근 콘크리트주, 철주, 철탑 (4종류)
• ② 부식 방지 : 목주는 방부제 주입, 철 구조물은 아연 도금
• ③ 선정 : 66kV 이상·2회선 이상·약 100mm² 이상 전선의 중요 계통 → 철탑 / 66kV 미만·중요도 낮은 선로·임시 선로 → 목주 등 / 콘크리트주·철주는 그 중간

2.6.1 철탑의 종류

경간(span) : 철탑과 철탑 사이 전선 지지점 간의 거리. 표준 경간 : 송전 선로의 기준이 되는 경간.

1) 성질상의 분류

• ㄱ. 4각 철탑 : 선로 방향과 직각 방향의 강도가 같게 설계 → 국내는 거의 모두 4각 철탑 (설계 쉽고 안전)
• ㄴ. 방형 철탑 : 두 방향의 강도가 다르게 설계

2) 형태상의 분류

3) 사용 목적에 의한 분류 ★★★

장경간 : 표준 경간에 250m를 더한 경간을 넘는 것. 예) 표준 경간 300m → 550m 이상이 장경간 (내장형 애자련 사용)

4) 특수 철탑

강·골짜기를 넘는 장경간 장소나 기타 특수 장소에 세우는 특수 설계 철탑. 장경간 철탑, 연가용 철탑 등. 특수 철탑에도 A, B, C, D형이 있다.

책 표 2.6 (철탑의 표준 경간, 2회선용 예). 초고압 철탑이 오히려 가벼운 경우가 있는 것은 특수 경금속을 쓰기 때문.

전기안전관리자 점검 포인트 — 가공 선로

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