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케이블 피복 본딩의 목적
고전압 전원 케이블에는 금속 스크린 형태의 외부 동심 도체 및/또는 주 도체와 절연 층을 둘러싸는 금속 피복이 제공됩니다. 금속 스크린과 금속 피복을 통칭하여 시스라고 합니다. 또한 시스에는 케이블의 모든 금속 외장 레이어도 포함됩니다. 케이블 금속 피복의 목적은 고장 전류 복귀 경로, 유도 용량성 전하 전류의 복귀 경로, 인체 안전을 위한 접지(제로 터치 전압 또는 그 정도) 잠재력, 케이블 절연을 위한 습기 장벽을 제공하는 것 등을 포함합니다.
약 500A 이상의 고전압 케이블 회로의 경우, 시스 전류 손실을 줄이기 위해 (종종 상당한) 시스 본딩 방식이 구현됩니다. 본딩 방식에는 장비 및 유지보수 비용이 추가로 발생하지만, 동일한 부하 전류를 공급하는 데 사용되는 케이블 크기가 상당히 작아지는 경우가 많습니다. 고전압 케이블 시스템에 선택되는 금속 피복 본딩 방식은 케이블에 대한 외부 열 저항(설치 환경)에 이어 케이블 전류 정격에 두 번째로 큰 영향을 미칩니다. 고전압 케이블 전류 정격은 IEC 60287 표준 시리즈를 사용하여 계산됩니다.
시스 본딩 시스템은 낙뢰, 스위칭 및 고장 서지로 인한 과도 과전압뿐만 아니라 정상 작동 중에 다양한 케이블 시스템 구성 요소의 절연을 보호하는 데 사용됩니다. 또한 시스 본딩 배열은 안전의 관점에서도 중요합니다.
이 보고서에서는 솔리드 본딩, 싱글 포인트 본딩, 크로스 본딩, 임피던스 본딩의 유형에 대해 설명합니다.
단면 교차 본딩은 선로 길이가 짧은 경우 단일 지점 본딩이 주로 사용되는 경우를 제외하고 HV 및 EHV 송전선로에 가장 일반적인 특수 본딩 방식입니다.
접지 연속성 도체(ECC) 설계, 피복 전압 제한기(SVL) 선택 및 본딩 리드 선택에 대해서는 별도의 문서를 참조하세요.
케이블 피복의 손실
케이블의 주 도체에서 전류 흐름으로 인해 생성되는 자기장은 피복에 전류를 유도하는 "변압기" 효과를 생성합니다. 이러한 유도 전류로 인해 두 가지 유형의 손실, 즉 순환 전류 손실과 와전류 손실이 발생할 수 있습니다. 피복에 전류 손실이 발생하면 케이블 내부가 추가로 가열되어 케이블 도체의 전류 전달 용량이 감소합니다.
와전류는 케이블 피복의 방사형 및 종방향으로 순환하며, 스킨 및 근접 효과와 유사한 원리로 생성됩니다. 와전류는 일반적으로 순환 전류에 비해 크기가 작으며 단일 코어 케이블의 본딩 시스템에 관계없이 케이블 피복에서 생성됩니다.
시스에 순환 전류가 존재하는 경우(시스 결합 배열에 따라 다름) 일반적으로 전류 크기는 와전류의 크기보다 훨씬 큽니다.
단일 코어 케이블 및 멀티 코어 케이블의 솔리드 본딩의 경우 개별 피복이 각 도체 코어를 둘러싸는 피복에서 순환 전류가 발생합니다. 단일 포인트 또는 교차 본딩된 피복의 경우 순환 전류가 발생하지 않지만 와전류 손실은 여전히 발생합니다.
시스 본딩 디자인
견고한 결합
방법
그림 1. 솔리드 본딩 케이블 시스템
그림 2. 중간 접지점이 있는 견고한 본딩 시스템
애플리케이션
장점
- 간단하고 저렴한 솔루션.
- 케이블 외부의 자기장은 도체 전류와 반대되는 피복 전류 방향으로 인해 낮습니다.
- 최소한의 유지 관리가 필요합니다.
- 외피의 전압은 모든 지점에서 지구의 전위를 고려합니다.
단점
- 케이블 도체에 흐르는 전류는 도체 전류의 최대 80%가 될 수 있는 순환 전류를 피복으로 유도합니다.
- 순환 전류 흐름에 의한 줄 손실로 인해 발생하는 열은 케이블 시스템의 성능을 저하시키고 견고한 결합 배열을 위해 더 큰 케이블 크기를 초래하는 추가 가열을 유발합니다.
디자인 고려 사항
- 각 본딩 지점(끝 또는 중간)에 두 개의 독립적인 병렬 접지 리드를 사용하여 단선 가능성을 줄이세요.
- 접지 지점의 본딩 리드는 고장 전류를 견딜 수 있어야 합니다.
- 길이 및 기타 매개변수에 따라 중간 접지점이 포함될 수 있습니다.
- 순환 전류의 크기는 회로 길이와 무관합니다.
싱글 포인트 본딩
방법
그림 3. 싱글 포인트 본딩 케이블 시스템
그림 4. 단면화된 단일 포인트 본딩 케이블 시스템
애플리케이션
장점
- 싱글 포인트 본딩은 피복에서 유도된 순환 전류 손실이 제거되므로 케이블 정격 전류가 향상됩니다.
- 케이블 길이가 하나만 필요하므로 싱글 포인트 본딩은 경제적인 솔루션입니다.
- 전류는 피복을 따라 세로로 흐르지 않습니다. 이는 피복에 연속적인 폐쇄 루프 전기 경로가 없기 때문입니다. 따라서 피복 순환 전류 손실이 제거됩니다. (시스 와전류 손실은 여전히 존재합니다).
단점
- 이 방식은 케이블 길이에 따라 전압이 상승하며 이 전압은 도체 전류와 케이블 길이에 비례합니다. 단일 코어 케이블의 경우 이 전압은 개별 위상 간격에 따라 증가합니다.
- 이 전압을 줄이기 위해 케이블에 병렬로 연결되는 ECC가 설치되며 이로 인해 케이블 시스템 비용이 크게 증가합니다.
- 유도 전압으로 인한 위험을 방지하기 위해 자유 끝의 피복을 절연하는 데 주의를 기울여야 합니다.
디자인 고려 사항
단일 포인트 본딩 케이블 시스템에서는 작동 중에 케이블 피복에 전압이 유도되며 접지 지점에서 멀어질수록 전압이 점진적으로 증가합니다. 이 유도 전압은 접지된 끝에서 가장 먼 지점에서 최대에 도달합니다. 따라서 최대 케이블 섹션 길이는 절연된 끝단에서 허용되는 허용 피복 정전압에 따라 결정됩니다.
피복의 유도 전압은 안전상의 이유로 허용 가능한 터치 전압 제한을 초과하지 않도록 계산해야 합니다. 이는 특히 유지보수 작업자에게 중요한 문제이므로 대부분의 국가에는 전원 주파수에서 허용되는 최대 대기 전압을 관리하는 국가 표준이 있으며, 이러한 전압 제한은 일반적으로 국가 및 적용되는 규정에 따라 35~400V 범위입니다.
접지 끝에서 가장 멀리 떨어진 지점에서 케이블 시스템의 수명을 위해 시스는 접지로부터 효과적으로 절연되어야 합니다. 예상되는 서지 전압 레벨이 시스 절연체의 기본 절연 레벨(BIL)의 75%보다 큰 경우, 항상 시스 전압 제한기(SVL)를 사용해야 합니다. SVL은 일반적으로 개방형 시스와 접지점 사이에 연결하여 스위칭, 조명 또는 결함으로 인한 과도 전압으로부터 케이블 시스를 보호합니다.
ECC는 케이블의 양쪽 끝이 공통 접지 시스템을 공유하는 경우를 제외하고 단일 지점 본딩 시스템의 케이블과 병렬로 설치됩니다. 위상 도체에 대한 ECC의 상대적 위치를 신중하게 고려해야 하며, 케이블 시스템의 중간에서 ECC를 배치해야 합니다.
교차 본딩
방법
그림 5. 전위가 없는 교차 결합 케이블
그림 6. 전위가 있는 교차 결합 케이블
유형
연속형 교차 본딩 유형
단면 교차 본딩
직접 교차 본딩
쇼트 라인의 교차 본딩
터널 설치에서의 교차 본딩
이 배열에서 교차 본딩 리드는 서지 전류를 전달하지 않지만, 이러한 리드는 시스템 단락 전류를 전달할 수 있는 크기여야 합니다. SVL이 스타 배열로 연결되는 일반 교차 본딩과 비교하여 터널 설치의 SVL은 델타 배열로 연결됩니다. 정상 및 과도 상태에서 유도 전압이 더 높기 때문에 이러한 유형의 설치에서는 SVL에 더 높은 정격 전압이 필요합니다.
애플리케이션
장점
- 단일 포인트 본딩에 비해 교차 본딩 구성은 길이에 제한이 없다는 장점이 있습니다.
- 순환 전류가 크게 감소하여 피복 손실이 줄어들고 케이블 정격 전류가 높아집니다.
- 정상적인 균형 부하 작동 중에 시스 전류를 억제하는 것 외에도 시스는 케이블 회로의 끝에서 끝까지 연속적인 경로를 형성하고 양쪽 끝이 접지되어 있습니다. 따라서 접지 오류 시에는 시스 전류가 전 길이에 걸쳐 흐를 수 있으므로 별도의 ECC가 필요하지 않습니다.
- ECC 제거를 통한 경제성 외에도, 케이블 피복은 병렬 ECC보다 접지 오류 시 차폐 도체로서 더 효과적으로 기능합니다. 따라서 병렬 케이블, 통신선, 파이프라인, 울타리 등에 유도되는 전압은 유사한 단일 지점 본딩 시스템에 비해 교차 본딩 시스템에서 접지 오류 시 감소합니다.
단점
- 비용이 많이 들고 복잡합니다.
- 피복의 교차 결합은 피복의 순환 전류를 크게 줄입니다. 하지만 모든 섹션의 길이가 동일해야 한다는 과제가 있습니다.
디자인 고려 사항
각 섹션의 길이와 케이블 간격은 유도 전압 레벨과 피복과 접지점 사이의 전압 차이에 의해 제한됩니다.
교차 결합 케이블 회로의 경우 가장 높은 피복 대 접지 전압은 2상 및 3상 결함으로 인해 발생합니다. 교차 결합 케이블 회로가 가공선 중간에 삽입된 경우 단상 결함은 접지 임피던스에 따라 증가하는 가장 높은 피복 대 접지 전압을 생성합니다.
임피던스 본딩
방법
변압기 시스 본딩에서 각 케이블 시스의 양쪽 끝은 그림 7과 같이 3상 시스 본딩 변압기에 전기적으로 연결됩니다.
그림 7. 피복 본딩 변압기를 통한 임피던스 본딩
애플리케이션
장점
- 본딩 변압기 방식은 케이블 볼트 사이의 거리가 같든 다르든 상관없이 유도된 피복 전류를 제한하는 데 효과적입니다.
단점
- 추가 볼트 공간이 필요합니다.
- 임피던스 장치는 고장 전류를 견딜 수 있도록 설계되어야 하므로 상대적으로 고가입니다.
- 정상 작동 중에는 제3고조파가 피복에 유도될 수 있으며, 이로 인해 인근 통신 회선에 간섭이 발생할 수 있습니다.
- 접지를 통해 유입되는 부주의한 직류 전류는 철심의 포화를 유발하여 원자로 또는 변압기의 작동을 방해할 수 있습니다.
디자인 고려 사항
결론
시스 본딩은 고전압 전력 케이블 전송에 있어 가장 중요한 설계 측면 중 하나로, 신중한 고려가 필요합니다. 케이블 시스 본딩은 다양한 용도로 사용되며 시스템의 전체 비용과 케이블의 정격 전류에 상당한 영향을 미칩니다.
