전선의 허용전류(Current Carrying Capacity) 계산방법

전선의 허용전류(Current Carrying Capacity) 계산방법

1. 허용전류의 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 강도를 고려하여 선정하여야 한다.

▶ 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.

전선의 굵기에 따라서 전류밀도가 낮아진다.(즉 단위면적당 허용전류가 떨어짐)

수백 ㎟ 이상이 되면 표피효과, 근접효과 등의 감소계수에 상당히 영향을 받는다.

가공전선보다 케이블의 전류밀도가 더욱 떨어진다. 이는 도체의 저항에 의해 발생되는 열이 주위 조건에 따라 열방산속도가 다르기 때문이다.

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.

전선의 단위면적당 허용전류는 그 전선의 허용전류 밀도에 의해 결정된다.

(참고 : 유입 변압기에서는 대략 3~5A/㎟ 정도)

 

[표1] 가공전선에서 경동연선의 허용전류

 

2. 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

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1-1-2) 공사방법별 기저(주위)온도의 적용

 

1-2) 전선관 내 수납 전선수에 따른 전류감소계수 적용

 

1-3) 다조포설에 따른 전류감소율 적용

· 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

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.