2.1 Al 케이블 접속부 이상발열

지중선로에서 배전케이블 및 접속부의 발열은 선로의 고장으로 연결될 수 있는 주요한 결함이다. 접속부의 주된 열적 온도상승의 원인으로는 접속부의 접촉저항 상승에 따른 전류 손실열이 시간별로 누적되면서 발생되는 것으로 알려져 있다. 케이블 접속부는 케이블 도체 간 2℃ 이상 온도 차가 발생하면 불량으로 판단하고, 접속부 주변접속부와 4℃ 이상 차이가 나면 불량가능성이 있다고 판단한다^(8,9). 그럼에도 불구하고 Al 케이블 도입 이후 현장에서 발견되는 많은 접속부의 온도는 인접선로 및 주변 온도 대비 높은 이상발열이 다수 확인되고 있다. 표 1은 각 변전소에서 접속부 체결에 따른 이상 발열 온도 사례를 나타낸 것이다. 이상발열이 나타나면 접속부 체결 주위 온도 상승으로 피복이 녹는 현상이 나타나며, 열화상 카메라로 측정이 가능하다. 그 사례는 그림 1과 같다.

2.2 케이블 도체 수밀테이프 해석

도체 내에 삽입되는 수밀테이프는 도체 소선사이의 수밀을 위하여 사용하는 반도전성 부풀음 테이프⁽¹⁰⁾ 이며, 도체내부 각 소선층간 차수를 위해 첨가되는 수밀 컴파운드와 파우더의 대체재로 적용되는 물질이다. 수밀구조는 장기적인 케이블의 부식, 열화 및 수트리를 방지하기 위한 필수적인 요소이나, 반도전성으로 상대적으로 높은 저항을 가지므로, 접속부 시공시 제거하여 시공되는 것이 필수적이다. 그림 2 는 Al 400 mm² 배전케이블의 도체 수밀테이프의 구조와 그 단면을 나타낸 것으로 61개의 도체소선 내부 총 4개 층의 수밀테이프로 도체사이의 경계를 구성하는 것을 확인할 수 있다⁽¹¹⁾. 표 2는 굵기별 Al케이블의 도체소선개수와 수밀테이프의 총수를 나타낸 것이다. 수밀테이프는 층수가 n이라 하면, 도체소선의 개수는 3n(n+1)+1로 나타낼수 있으며, 400mm²의 경우 수밀테이프의 층수는 4층이며 이에따라 도체소선의 개수는 61가닥이다.

수밀테이프로 인하여 케이블 접속부에 발열 메커니즘은 전류의 흐름으로 설명될 수 있다. 이는 도체와 커넥터간의 접촉과 압착방식에 따라 해석이 가능하다. 먼저 접속시 케이블의 도체는 둘로 분리되며, 접속부의 연결은 커넥터를 통해서 이루어지므로, 전류의 통전 방향 또한 커넥터를 따라 휘어지는(stream-line effect) 등의 영향을 받는다. 여기에 수밀테이프는 통전방향에 직접적으로 존재하여 저항체로 작용한다. 수밀테이프는 흡수 폴리머를 재료로 사용하므로 전기적으로 큰 저항을 가지는 물질이며, 규격에 따른 표면저항(104∼106Ω·m,)과 체적저항(103∼105Ω·m)⁽¹²⁾ 은 접속부에서 제거되지 않는 경우 열 발생의 원인이 된다.

2.3 케이블 접속방안 및 시공기준

접속방식에 따른 접속부의 발열원인 분석은 접속부의 수밀테이프 부분적 제거에 따른 온도측정에서 확인된다. 표 3 은 접속부의 전류 과통전에 따른 다양한 타입의 커넥터의 온도변화를 나타내고 있다. 그 온도측정 수치를 확인해 보면 도체내의 수밀테이프가 일부 제거되는 공정이 접속부 온도상승과의 유의미한 상관관계가 있음을 확인할 수 있다. 또한 볼트타입(Bolt) 의 기계식 커넥터의 경우도 자체 도체의 면적이 압착형 대비 20% 높음에 따라 온도상승에 대한 특성이 억제되는 현상을 확인가능하며, 도체의 전류 흐름이 온도와의 직접적인 관련성이 있음을 나타낸다.

수밀테이프는 접속 시 모두 제거가 되어야 함이 필수적이나, 실제 접속작업에서는 작업환경, 접속시간 및 난이도에 의해 많은 어려움이 관찰된다. 접속작업에 포함되는 소선의 분리, 재결합이 그 원인이며, Al 400mm² 케이블의 경우는 4개 층에 대한 전체 소선분리 및 재결합 작업이 적용되어야 한다. 우선 소선을 층별로 해체하여 소선 사이의 수밀테이프를 제거하고 소선을 꼬임방향에 맞게 모으는 작업은 반복한 후 커넥터로 압축하게 된다. 그림 3은 케이블 접속공정에서 중 차수테이프 제거를 포함하는 소선작업 프로세스를 나타내고 있다. 또한, 도체의 모든 소선은 공기중에 노출되므로 산화에 따른 피막제거공정, 각 소선에 가해지는 물리적인 스트레스를 최소화하는 것이 필수적이며, 각 테이프 제거에 따라 재결합 완성도를 유지하는 것이 중요하다.

이러한 각 층에 대한 수밀테이프를 모두 제거하는 방식은 접속부의 신뢰도 유지를 위해서 고려가 필요한 부분으로, 접속방식의 복잡도를 줄일 수 있는 공정을 제시하는 것이 안정성과 효율성 측면에서도 유리하며, 접속부의 완성도 향상에 기여할 수 있는 부분이다. 제시되는 공정은 접속도체의 접촉면을 고려한 최적의 제거 층수를 산정하는 것으로 케이블 간의 통전 소선수를 계산하여 선정한다. 따라서 수밀테이프 제거 층수에 따라 소선 간 연결되는 비율이 달라지게 된다.

배전선로의 일반적인 연선(strand) 케이블은 3n(n+1)+1의 소선수를 가지며, 여기서 n은 구성되는 소선 레이어의 수이며, 각 레이어의 수만큼 수밀테이프가 삽입된다. 각 소선 구성에 따른 수밀테이프 구조와 전기적으로 접촉되는 소선비를 표 4에 나타내었다. 제시되는 수밀테이프 제거수는 3, 2 레이어에서 1층, 4 레이어에서 2층으로 각각 Al 95mm², Al 240mm², 그리고 Al 400mm² 케이블에 대하여 산정할 수 있다. 해당 제거 층수에 대한 접촉비(Contact ratio)는 각각 95%, 81% 및 89%로, 수밀테이프 제거에 따라 직접적으로 접촉되는 소선의 비율이다. 수밀테이프 공정 적용에 따른 작업 시간과 접촉비에 대한 예시를 그림 4에 나타내었다. 소선 해체와 결합에 소요되는 시간 대비 접속면적의 비율은 크게 감소하는 것으로 그 효율비를 확인할 수 있다.

접속부 시공에 대한 수밀제거 비율을 산정하는 것은 소선접촉 면적이 클수록 접속저항이 낮아지는 것으로, 이는 케이블 접속부 접촉의 저항계산 및 열적 상관관계로 해석될 수 있다⁽¹³⁾. 따라서, 소선에 가해지는 물리적인 스트레스를 최소화 할 수 있는 제거공정 수준을 결정하여 접속부 열발생이 제어되는 요소를 결정할 수 있다. 그림 5에서는 이상적인 제거 수준을 결정하기 위한 접촉면과 작업시간의 변화를 나타낸다. 소선분해 및 수밀테이프 제거 층수에 따라서 도체소선의 접촉률은 최종적으로 100%에 수렴하지만, 이에 따른 작업 시간은 역으로 향상되는 양상을 보인다. 따라서 작업자의 업무 강도와 작업환경을 고려하면, 접촉면 증가율이 최대이면서 작업시간의 증가율이 낮은 지점을 수밀테이프 제거 및 체결 수준으로 결정하는 것이 적정하다고 할 수 있다. 즉, 접속비와 시간의 비율에 따른 격차가 최대가 되는 지점을 선정하는 것으로, Al 케이블의 경우는 모든 선종에 대하여 80%이상의 소선접촉비를 달성하는 지점을 이상적 제거 수준으로 제시할 수 있다. 그에 따른 이상적인 구간은 그림 5에 빗금으로 표시된 구간이다.