전선의 허용전류

[5차원 전기인]

전선의 허용전류

가. 개요

전선에 허용전류(허용전류란 상시허용전류, 단락시 허용전류, 단시간 허용전류로 분류된다) 이상의 전류가 흐르면 주울열이 발생하여 절연물의 손상 및 화재의 원인이 된다. 따라서 전선에 안전하게 흐를 수 있는 최대 허용전류 값을 결정하여야 한다.
통상 전선의 허용전류라 함은 연속시 허용전류를 말하며, 일반적으로 허용전류는 전선에 사용되는 절연체의 최고 허용온도(절연체의 절연저항은 절연체의 온도와 역비례한다)의 영향을 받으므로 시설방법에 따라 그 값이 크게 변화하므로 충분한 주의를 필요로 하고, 전선의 굵기 선정시에는 전선의 허용전류 이외에 전선의 허용 전압강하 및 전선의 기계적 강도

▶ 전선의 최고 허용 온도는 여러가지 시험을 실시한 결과 단시간의 과부하에 대해서는 100℃로 하고 있으나 장시간 허용 사용할 경우에는 전선 접속 장소의 열화등을 고려해서 허용 온도를 90℃로 억제한다는 것을 표준으로 삼고 있다. 따라서, 가공 송전선로의 주위온도가 한여름에는 40℃로 되었다면 전선의 온도상승은 50℃를 넘지 않는 범위내에서 송전하여야 한다." 송배전공학 송길영저"◀

허용전류 즉, 전류밀도(허용전류/단면적)는  도체의 도전율(경동선, 연동선), 저항온도계수, 표피효과계수, 근접효과계수, 소선연입율(1.02-1.04), 분활도체(1.01-1.02), 최대 도체 저항계수(1.03-1.04), 압축성형에 따른 가공경화계수(1.03-1.04), 케이블(1심, 2심, 3심)에 따라 달라진다.
또한 설치 환경 즉, 주위온도, 지상, 가공 ,지하공동구 지하매설, 배전반내의 Bus Bar 형태 등 이러한 것들은 전류허용에 감소계수(Derating Factor)가 더 적용되어 허용전류가 더 떨어지게 된다.


1. 가공 송전선의 경우


켈빈의 법칙에 따른 전류밀도 σ

C : 경제적인 전류밀도[A/㎟] W : 전선의 중량[㎏/㎟-m] M : 전선의 가격[원/㎏] P : 전선비에 대한 연경비의 비율(소수로표시) ρ : 전선의 저항율 1/55[Ω·㎟/m] N : 전력향의 가격[원/㎾ 년]




• A : 단면적
  
• P : 전력
  

2. 전선의 단면적과 전류밀도와의 관계

아래의 표에서 다음과 같은 사실을 알게된다.


1. 전선의 굵기에 따라서 전류밀도가 낮아진다.(즉 단위면적당 허용전류가 떨어짐)
   
2. 수백 ㎟ 이상이 되면 표피효과, 근접효과
   
3. 가공전선보다 케이블의 전류밀도가 더욱 떨어진다. 이는 도체의 저항에 의해 발생되는 열이 주위 조건에 따라 열방산속도가 다르기 때문이다.
   
4. 상기와 같은 이유로 일률적으로 단위 면적당 허용전류를 구하는 것은 어렵다.
   따라서 케이블, 동 Bus Bar, 변압기의 권선 등 사용되는 형태에 따라 전류밀도 적용법이 달라지게 된다.
   
5. 전선의 단위면적당 허용전류는 그 전선의 허용전류 밀도에 의해 결정된다.
   (참고 : 유입 변압기에서는 대략 3~5A/㎟ 정도)
   

[표1] 가공전선에서 경동연선의 허용전류

공칭단면적(㎟)	표준전류용량(A)	전류밀도(A/㎟)
250 200 150 100 75 55 38 22	755 660 540 420 350 290 225 160	3.02 3.0 3.6 4.2 4.6 5.2 5.9 7.2

       
[표2] LG전선 CV/1C의 허용전류(공기중 포설 90℃ 연속)

공칭단면적 (㎟)	표준전류용량(A)	전류밀도(A/㎟)
2.0 3.5 5.5 8 14 22 38 60 100 150 200 250 325 400 500 600 800	32 45 60 74 103 136 192 257 355 458 547 625 733 829 939 1036 1303	16 12.85 10.9 9.25 7.35 6.18 5.05 4.28 3.55 3.05 2.735 2.5 2.25 2.07 1.878  1.72 1.62

[표] 나도체 간선(Bus Bar) NEC Code

시설장소의 조건	전류밀도(A/㎟)	비고
통풍이 없는 곳 통풍이 원활한 곳	1.55 1.85	도체의 단면 1평방인치당으로 규정하고 있으므로 전류밀도는 환산값임.

나. 연속시 허용전류(상시 허용전류)

장시간에 걸쳐 통전할 수 있는 전류로 주위 조건이 완전히 포화 안정된 상태에서 케이블이 허용하는 전류.

1. 고려사항

주위온도, 전기 기계기구의 정격전류, 전선의 최고허용전류 (절연체의 종류, 공사 방법에 따라 달라진다), 접속된 부하의 종류, 과전류 차단기 시설에 따른 전류조건을 고려한다.
 

1-1. 허용온도의 보정

• 주위온도가 30℃이상일 때에는 보정계수 를 적용한다.
  
•  θ₁: 절연물별 최고허용온도
  
•  θ₂: 설치장소의 주위온도
  
•  30  : 기저온도 

1-1-1. 절연체 종류별 최고 허용온도

절연체의 종류	주위온도 30℃ 이하일 때 보정계수	전류감소계수	절연물의 최고 허용온도℃
			연속시(θ₁)	단락시
가교폴리에틸렌	1.41		90	230
부틸고무	1.29		80
에틸렌프로필렌고무	1.29		80
폴리에틸렌내열비닐	1.22		75	140
일반용 비닐( IV)	1.0		60	120
내열비닐( HIV)	1.22		75	120
천연고무	1.0		60	150
규소고무절연 유리편조	1.41		90	높은온도 : 전선의 온도상승이 주위에 유해한 영향을 미칠 위험이 없고 사람이 접촉할 우려가 없는 장소에는 각각 높은 절연체의 허용온도
	2.24		180
600V 불소수지절연	1.27		90
	2.15		200

•   기저온도에 의한 전류보정계수보기

1-1-2. 공사방법별 기저(주위)온도의 적용

공사방법	주위온도℃	기타
관로	25	지중관로를 말한다.
직매	25	케이블을 지중에 직접매설 하는 경우
기중(공중) 및 암거	40	케이블트레이, 공기중의 배관 등
수저	25	수중에 설치되는 것을 말한다.

• 허용전류계산상의 포설조건보기

1-2. 전선관 내 수납 전선수에 따른 전류감소계수 적용.

동일관내의 전선본수	전류감소계수			비고
	기술기준	제조업체(희성)
		금속관	경질비닐
3본이하	0.70	0.70	0.60	★ 경질비닐전선관의 경우는 인접하는 전력선에 의한 전자적인 불평형을 고려하여 산정한 것임.
4본	0.63	0.63	0.53
5~6본	0.56	0.56	0.46
7본 이상	0.49	0.49	0.38

1-3. 다조포설에 따른 전류감소율 적용

구분		전류저감율
중심간격	단	1단포설					2단포설							3단포설
	열	1	2	3	6	7~20	2	3	4	5	6	7	8~20	3	4	5	6	7	8	9~10	11~12	13~15	16-19	20
S = D		1.00	0.85	0.70	0.70	0.70	0.70	0.60	0.60	0.56	0.53	0.51	0.50	0.48	0.41	0.37	0.34	0.32	0.31	0.30	0.30	0.30	0.30	0.30
S = 2D		1.00	0.95	0.95	0.90	0.80	0.90	0.90	0.85	0.73	0.72	0.71	0.70	0.80	0.80	0.68	0.66	0.65	0.64	0.64	0.63	0.62	0.61	0.60
S = 3D		1.00	1.00	1.00	0.95	-	0.95	0.95	0.90	-	-	-	-	0.85	0.85	-	-	-	-	-	-	-	-	-

• S : 전선중심에서 인접한 다른 전선 중심간의 거리
  
• D : 전선의 외경
  
• [주의사항] 제조업체에서 산출되는 허용전류의 기준은 일반적으로 S = 2d의 조건으로 제시하는 값이므로 케이블 트레이 공사시 S의 조건을 명기하여야 한다.

2. 간선의 선정시 적용할 허용전류의 계산  (기술기준 195조 )

2-1. 백열등,전열기,기타소형 기계기구(전동기 1/4HP이하), 소비전류 6A이하의 경우

• 부하 정격전류의 합 이상으로 한다. 

2-2. 전동기 등 기동전류가 큰 전기기계기구를 사용하는 경우

• 50A이하 : 정격전류의 합 × 1.25배
• 50A초과 : 정격전류의 합 × 1.1배 

2-3. 전동기와 전열기를 함께 사용하는 경우 

• 전열기 합계전류가 전동기 합계전류보다 크거나 같을 때

  간선의 허용전류≥전열기 합계전류 + 전동기 합계전류
   

• 전열기 합계전류가 전동기 합계전류보다 작을 때

  간선의 허용전류≥전열기 합계전류 + K×(전동기 합계전류)

  K : 정격전류의 합이 50A이하일 때 : 1.25배

        정격전류의 합이 50A초과일 때 : 1.1배 

2-4. 과전류 차단기를 부착하는 경우 

• 전열기 합계 전류가 전동기 합계 전류보다 크거나 같을 때

  간선의 허용전류≥과전류차단기의 정격전류
   

• 전열기 합계전류가 전동기 합계전류보다 작을 때

  ①. 과전류차단기의 정격전류≤전열기 합계전류 + 3×전동기 합계전류

  ②. 과전류차단기의 정격전류≤2.5×간선의 허용전류

  ①과 ②를 비교하여 작은 값을 선택한다.

  단, 전열기 합계전류 + 3×전동기 합계전류가 당해 간선의 허용전류(애자사용배선시의 허용전류) 2.5배 이하일 경우의 과전류차단기의 정격은 당해 간선허용전류의 2.5배 이하로 한다.
   

• 간선의 허용전류가 100A를 초과하고 과전류차단기의 표준규격에 해당하지 아니할 경우에는 상위 규정에도 불구하고 직근 상위 값으로 선택할 수 있다.

3. 간선보호용 과전류 차단기의 설치위치 

• 개폐기 및 과전류차단기는 원칙적으로 분기점으로부터 3m 이내의 곳에 시설할 것.
• 굵은 간선에서 분기하는 가는 간선의 허용전류가 굵은 간선 허용전류(굵은 간선 보호용 과전류 차단기)의 35%초과 55% 이내일 경우에는 8m 이내의 곳에 시설할 수 있다.
• 굵은 간선에서 분기하는 가는 간선의 허용전류가 굵은 간선 허용전류(굵은 간선 보호용 과전류차단기)의 55%를 초과할 경우에는 생략(임의의 거리)할 수 있다.

★ 간선과 분기선에 사용하는 전선의 종류 및 재질이 동일한 경우로서,
    전선의 단면적이 1/2 인 경우 55%
    전선의 단면적이 1/5 인 경우 35%로 볼 수 있다.

다. 단락시 허용전류

단락, 지락시 고장전류가 흐르는 시간(일반적으로 0.5~2초) 동안에 통전가능한 허용전류를 말하며, 일반적으로 연속시 최고허용온도를 취하는 것으로 하며, 절연체의 종류, 도체재료, 단락 지속시간의 영향을 받는다.

1. 단락시 허용전류 계산 간략식

절연체의 종류	허용전류 계산식(단위A)		비고
	동도체	알루미늄 도체
가교폴리에틸렌혼합물 규소고무혼합물	134×A / √t	89×A / √t	A : 단면적㎟ √t : 고장지속시간 (초) 단락전류 참고
부틸고무	139×A / √t	94×A / √t
에틸렌프로필렌고무	139×A / √t	94×A / √t
폴리에틸렌혼합물	98×A / √t	66×A / √t
비닐혼합물	97×A / √t	65×A / √t
천연고무혼합물	115×A / √t	78×A / √t

[그림] CV케이블 단락시 허용전류(銅도체) -- 희성전선

라. 단시간 허용전류

일반적으로 전동기 시동전류와 같이 짧은 시간동안 연속허용전류 이상의 과부하 전류를 통전하는 경우를 고려하는 것으로서, 현재로서는 확실한 결정방법은 없으며 그 발생빈도(수회/년)및 연속시간이 수시간인 경우 연속시 최고 허용온도의 10~15℃증가로 하고 있다.

마. 순시 허용전류

0.5초 이내에 최대로 허용할 수 있는 순시 허용전류

바. 허용전류 크기에 영향을 주는 요소

• 케이블의 종류, 심선수, 절연지의 두께 및 최고허용온도
• 제 손실
• 주위온도
• 시공방법 : 관로, 암거, 직접매설, 포설방법(다조포설) 등
• 동일관내의 포설 전선수 및 상대적 위치

사. 케이블 허용전류의 증가 방법

• 시즈 회로손 저감
• tanδ 가 적은 절연물 채용
• 도체의 굵기를 굵게 한다.
• 케이블을 외부로부터 냉각 시킨다.