I. 가장 자주 묻는 질문

케이블 선택 및 사용에 있어서 다음과 같은 질문이 반복적으로 제기됩니다.

"이 케이블이 견딜 수 있는 최대 전류는 얼마입니까?"

이 질문 자체가 올바르지 않습니다.

올바른 질문은 다음과 같습니다.

"주어진 과부하 전류 하에서 케이블은 얼마나 오랫동안 안전하게 작동할 수 있습니까?"

케이블의 단기 과부하 용량은 전류만으로 결정되는 것이 아니라 시간과 전류에 의해 결정됩니다. 시간 차원을 무시하고 과부하 용량을 논의하는 것은 엔지니어링에서 의미가 없습니다.

II. 과부하 상태의 케이블 열 과정

케이블은 전류를 전달할 때 줄(Joule) 열을 발생시킵니다. 발생하는 열량은 다음 공식에 의해 결정됩니다.

Q = I² × R × t
여기서 Q는 발생된 열, I는 전류, R은 도체 저항, t는 시간입니다.

전류는 제곱 관계로 발생하는 열에 영향을 미칩니다. 전류를 두 배로 늘리면 발생하는 열이 네 배로 늘어납니다.

그러나 중요한 점은 시간이 충분히 짧으면 전류가 크더라도 생성되는 총 열이 매우 작을 수 있다는 것입니다.

케이블은 퓨즈가 아닙니다. 퓨즈는 밀리초 내에 녹도록 설계되었습니다. 케이블은 상당한 열 관성을 갖는 시스템입니다. 도체와 절연재 모두 위험한 온도에 도달하는 데 시간이 필요합니다.

단기간의 고전류 서지는 온도를 섭씨 몇도 정도만 상승시킬 수 있습니다. 그러나 장기간의 작은 과부하는 열 노화 또는 절연체의 열 파괴로 이어질 수 있습니다.

III. 실패 순서: 도체 앞의 절연체

일반적인 오해는 케이블 과부하가 "구리선을 태워버린다"는 것입니다.

이것은 잘못된 것입니다.

실제 과부하 시나리오에서는 도체가 아닌 절연층이 먼저 파손됩니다.

구리 도체의 녹는점은 약 1085°C입니다. XLPE 단열재의 장기 허용 작동 온도는 90°C에 불과하며, 단기 과부하를 고려하더라도 내온도는 250°C를 초과하지 않습니다. PVC 단열재의 장기 허용 작동 온도는 70°C이고, 단기 내열 온도는 약 160°C입니다.

이 수치를 비교하면 구리 도체가 녹는점에 도달하기 전에 절연 재료가 이미 열 연화, 탄화 또는 절연 성능의 완전한 손실을 겪었음을 분명히 알 수 있습니다.

절연이 실패하면 도체 사이에 단락이 발생하여 전기 아크가 발생하고 국지적인 고온이 발생합니다. 그런 다음에야 구리 도체가 녹을 수 있습니다. 그러나 이는 과부하로 인한 직접적인 결과가 아닌 2차 고장입니다.

따라서 엔지니어링에서 케이블 과부하 용량을 논의한다는 것은 본질적으로 다음과 같은 논의를 의미합니다. 도체 가열로 인해 절연 온도가 단시간 내한계를 초과하지 않는 기간은 얼마나 됩니까?

IV. 단시간 과부하 용량XLPE 절연 케이블

IEC 60364-5-54 및 엔지니어링 실무의 열 역학 계산에 기초하여 XLPE 절연 구리 도체 케이블의 경우 초기 온도 90°C(최대 부하 정상 상태)를 전제로 단시간 과부하 용량은 대략 다음과 같습니다.

과부하 배수가 150%일 때 케이블은 일반적으로 몇 분에서 수십 분을 견딜 수 있습니다. 이 시간 범위는 주로 단열재의 열 축적 속도에 따라 달라집니다.

과부하 배수가 200%일 때 케이블은 수십 초에서 몇 분까지 견딜 수 있습니다. 여기서 제한 요소는 주로 절연 표면의 온도 상승 속도입니다.

과부하 배수가 300%일 때 케이블은 몇 초에서 10초 이상까지 견딜 수 있습니다. 이 시점에서 도체-절연 인터페이스의 온도가 급격히 상승하여 주요 제한 요소가 됩니다.

과부하가 500% 이상에 도달하면 케이블은 1~5초 동안만 견딜 수 있습니다. 이러한 조건에서 단열재는 빠르게 탄화되어 안전 여유가 거의 남지 않습니다.

위의 값은 단지 공학적 추정치일 뿐이라는 점에 유의해야 합니다. 정확한 값은 케이블 단면적, 부설 방법, 초기 온도 및 절연재의 특정 구성에 따라 달라집니다. 초기 온도가 낮을수록 견딜 시간이 길어집니다. 콜드 스타트는 핫 스타트보다 훨씬 안전합니다. 더 나은 열 발산으로 인해 내구성도 연장됩니다. 에어 레이드 설치는 도관 설치보다 우수합니다.

V. 직접 모터 시동을 위한 케이블 과부하 점검

132kW 모터를 예로 들어보겠습니다. 정격 전류는 약 240A(400V 시스템 기준)입니다. 직접 시동 시 시동 전류는 정격 전류의 약 6배, 즉 1440A입니다. 시작 기간은 일반적으로 6초입니다.

일치하는 케이블은 95mm² XLPE 구리 케이블입니다. 도관 설치 조건 하의 40°C 환경에서 이 케이블의 정격 전류 전달 용량은 약 300A입니다.

확인 과정은 다음과 같습니다.

먼저 초기 온도를 결정하십시오. 케이블이 초기 온도가 약 90°C인 정격 부하에서 한동안 작동했다고 가정합니다.

그런 다음 시동 중에 발생하는 열을 계산합니다. 생성된 열은 전류의 제곱에 저항, 시간을 곱한 값, 즉 1440² × R × 6과 같습니다.

이 값을 정격 작동 조건에서 발생하는 열과 비교하십시오. 정격 조건에서 1시간(3600초) 동안 300A의 전류로 발생하는 열은 300² × R × 3600입니다.

실제 계산 결과에 따르면 6초의 시동 과정에서 발생하는 열은 정격 조건에서 발생하는 열의 약 15~20초에 불과합니다. 이는 약 15~20°C의 온도 상승에 해당합니다.

이러한 온도 상승은 XLPE 단열재의 단시간 내온 한계(약 250°C)보다 훨씬 낮습니다. 따라서 시동 과정에서 절연 손상이 발생하지 않습니다.

이것이 바로 많은 직접 시동 모터 애플리케이션에서 시동 시간이 충분히 짧다면(일반적으로 5~8초 이내) 시동 전류로 인해 케이블 사양을 늘릴 필요가 없는 이유입니다.

6. 공학 실무의 세 가지 판단 기준

첫째, 정상상태 과부하와 일시적 과부하를 구별합니다.

정상 상태 과부하는 전류가 정격 값을 초과하고 몇 분 이상 지속되는 상황을 나타냅니다. 이러한 유형의 과부하의 주요 위험은 절연 열 노화로, 이는 장기간 누적 손상으로 이어질 수 있습니다.

과도 과부하는 전류가 정격 값의 몇 배나 되지만 몇 초 동안만 지속되는 상황을 말합니다. 이러한 유형의 과부하는 반복적으로 발생하지 않는 한 일반적으로 케이블로 견딜 수 있습니다.

둘째, 절연 온도를 파손 기준으로 사용합니다.

케이블의 과부하 여부를 판단하는 기준은 '동선이 소손됐는지'가 아니라 '절연 온도가 단시간 내한계를 초과했는지'다. XLPE 절연의 경우 단시간 내온은 도체 온도를 기준으로 일반적으로 250°C로 간주됩니다.

셋째, 누적효과를 고려한다.

크레인이나 왕복동식 압축기 등 장비를 자주 시동하고 정지하는 경우 시동할 때마다 온도 상승이 누적됩니다. 이 경우 단일 시동의 온도 상승만 보는 것만으로는 충분하지 않습니다. 열 순환 시 누적 온도 상승 효과를 계산해야 합니다.

Ⅶ. 선택 권장사항
모터, 변압기, 용접 기계 등 기동 전류가 높은 장비의 경우 일반적인 대처 전략 4가지가 있습니다.

첫 번째 방법은 케이블 사양을 높이는 것이다. 이 방법은 시작 시간이 길거나(10초 이상) 자주 시작되는 시나리오에 적합합니다. 그러나 특히 장거리 부설의 경우 비용이 더 많이 듭니다.

두 번째 방법은 소프트스타터를 설치하는 것이다. 이 방법은 시작 시간이 중간(3~10초)이고 전류 서지 감소가 필요한 시나리오에 적합합니다. 비용은 적당합니다.

세 번째 방법은 주파수 변환기를 설치하는 것입니다. 이 방법은 시동이 매우 자주 발생하거나 정밀한 속도 제어가 필요한 경우에 적합합니다. 가장 포괄적인 기능을 제공하지만 가격도 가장 비쌉니다.

네 번째 방법은 그대로 두고 원래 사양을 사용하는 것이다. 이 방법은 시작 시간이 매우 짧고(5초 이하) 자주 시작되지 않는 시나리오에 적합합니다. 비용은 0이지만 이는 안전성 검증에 달려 있습니다.

일반적인 엔지니어링 실수는 시동 과부하를 처리하기 위해 케이블 사양을 맹목적으로 늘리는 것입니다. 이는 종종 최적의 솔루션이 아닙니다. 올바른 접근 방식은 먼저 시동 중에 발생하는 실제 열을 계산하는 것입니다. 많은 경우, 계산 결과 기존 케이블이면 충분하다는 것이 밝혀졌습니다.

검증이 필요한 경우 다음 매개변수를 준비해야 합니다: 케이블 단면적, 재료 및 절연 유형; 장비 제조업체가 제공한 시동 현재 시간 곡선; 그리고 산란방법과 초기온도.

Ⅷ. 주요 결론

첫째, 케이블의 단기 과부하 용량은 시간과 전류에 의해 결정됩니다. "얼마나 많은 전류를 견딜 수 있나요?"라고 묻습니다. 무의미하다; "얼마나 오래 버틸 수 있나요?"도 물어봐야 합니다.

둘째, 과부하가 발생하면 도체가 아닌 절연이 먼저 실패합니다. 절연체의 온도 한계는 구리의 녹는점보다 훨씬 낮습니다.

셋째, XLPE 절연 케이블은 일반적으로 초기 온도 및 방열 조건에 따라 200% 과부하에서 수십 초에서 몇 분까지 견딜 수 있습니다.

넷째, 모터 직접 시동으로 인한 단기 충격의 경우 시동 시간이 5~8초를 넘지 않고 빈번하지 않다면 대부분의 경우 케이블 사양을 늘릴 필요가 없습니다.

다섯째, 공학적 결정은 직관이 아닌 계산을 바탕으로 이루어져야 합니다. 맹목적으로 케이블 사양을 높이면 비용이 낭비되고, 검증을 소홀히 하면 숨겨진 위험이 발생할 수 있습니다.