무엇을 계산하나요? What this calculates
단락이 나면 아주 짧은 시간 동안 큰 전류가 흘러 도체가 급격히 뜨거워집니다. 보호장치가 고장을 끊기 전까지 도체 온도가 절연체가 견디는 한계(예: XLPE 250°C)를 넘지 않아야 케이블이 손상되지 않습니다. IEC 60949는 이 조건을 만족하는 최대 전류·최소 단면적·최대 시간을 구하는 방법입니다.
During a short circuit a large current flows for a short time and heats the conductor rapidly. The conductor must not exceed the insulation's short-circuit temperature limit (e.g. 250 °C for XLPE) before the protection clears the fault. IEC 60949 gives the maximum current, minimum section or maximum duration that satisfies this.
1단계: 단열 계산 Step 1: adiabatic
"단열"은 단락 중 생긴 열이 모두 도체 안에 머문다고 보는 가정입니다. 도체가 받는 열(I²·t·저항)과 도체가 데워지는 데 쓰는 열(비열 × 온도 상승)을 같다고 놓고 풀면 아래 식이 나옵니다.
"Adiabatic" assumes all heat stays in the conductor. Equating Joule heating with the heat stored in the conductor gives:
I_AD² · t = K² · S² · ln((θf + β) / (θi + β))
- K: 도체 재료로 정해지는 상수.
K = √(σc·(β+20)/ρ20)(σc 체적 비열, ρ20 20°C 저항률) Material constant from volumetric specific heat and resistivity. - β: 온도가 오르면 저항이 커지는 정도를 나타내는 값 (0°C 저항 온도계수의 역수) Reciprocal of the temperature coefficient of resistance at 0 °C.
- θi, θf: 단락 직전 온도와 허용 최고 온도 Initial and final (maximum permissible) temperatures.
K와 온도 항을 묶은 k = K·√ln(...)가 IEC 60364에서 쓰는 k값입니다. 그래서 단열 계산은 I_AD = k·S/√t로 간단히 쓸 수 있습니다.
Combining K and the temperature term gives the familiar IEC 60364 factor k, so I_AD = k·S/√t.
2단계: 비단열 계수 ε Step 2: non-adiabatic factor ε
실제로는 단락 중에도 열 일부가 절연체로 빠져나가므로 도체가 조금 더 큰 전류를 견딥니다. IEC 60949는 이를 계수 ε(1 이상)로 반영합니다.
In reality some heat escapes into the insulation, so the conductor can carry slightly more current. IEC 60949 expresses this with a factor ε ≥ 1.
ε = √(1 + X·√(t/S) + Y·(t/S)), I = ε · I_AD
X, Y는 도체 재료와 절연체 종류로 정해지는 상수로, 도체와 절연체 사이의 불완전한 열 접촉(계수 F = 0.7)이 이미 반영되어 있습니다(KS C IEC 60949 표 3). t/S가 클수록(시간이 길고 단면적이 작을수록) ε가 커집니다.
X and Y depend on the conductor and insulation and already include the imperfect thermal contact factor F = 0.7 (IEC 60949 Table 3). ε grows with t/S, i.e. longer faults and smaller conductors.
단열과 비단열, 언제 차이가 나나요? When does the difference matter?
규격은 일반 전력 케이블 도체에서 t/S가 0.1 s/㎟ 미만이면 비단열로 인한 전류 증가가 작아 단열 방법을 써도 된다고 설명합니다. 예를 들어 95㎟ 도체에 단락 1초면 t/S ≈ 0.011로 차이가 몇 %에 그칩니다. 반대로 10㎟ 미만의 작은 도체, 차폐층, 시스는 비단열 효과가 커서 허용 전류가 크게 늘어납니다. 계산 과정에 t/S 값과 실제 ε를 함께 보여주므로 차이를 바로 확인할 수 있습니다.
The standard notes that for power cable conductors with t/S below 0.1 s/mm² the non-adiabatic increase is small and the adiabatic method may be used (e.g. 95 mm² for 1 s gives t/S ≈ 0.011, a difference of only a few per cent). Small conductors below 10 mm², screens and sheaths benefit much more. The step-by-step panel shows t/S and the actual ε so you can see the difference.
단락 후 도체 온도 Temperature at the end of a fault
단열 식을 온도에 대해 풀면, 알려진 단락 전류 I_SC가 t초 동안 흘렀을 때의 도체 온도를 구할 수 있습니다(KS C IEC 60949 6장). 비단열 효과를 반영하면 실제 전류를 ε로 나눈 값을 단열 식에 넣습니다.
Solving the adiabatic equation for temperature gives the conductor temperature after a known fault current I_SC flows for t seconds (IEC 60949 clause 6). With the non-adiabatic option, the current is first divided by ε.
I_AD = I_SC / ε, θ = (θi + β) · exp(I_AD² · t / (K² · S²)) − β
예: 구리 XLPE 95㎟에 10 kA가 1초 흐르면 (단열) θ = (90 + 234.5) × e^0.2169 − 234.5 ≈ 168.6 °C로, 허용 최고 온도 250 °C보다 낮아 적합합니다.
Example: 10 kA for 1 s in a 95 mm² Cu/XLPE conductor (adiabatic) gives θ ≈ 168.6 °C, below the 250 °C limit.
곡선 읽는 법 Reading the I–t curve
곡선은 지속시간(가로축)별로 도체가 견딜 수 있는 최대 전류(세로축)입니다. 두 축 모두 로그 눈금이라 단열 곡선은 기울기 −1/2인 직선이 됩니다. 입력 조건(●)이 곡선 아래에 있으면 견딜 수 있고, 위에 있으면 단면적을 키우거나 보호장치를 더 빨리 동작시켜야 합니다. 보호계전기·차단기의 동작 특성 곡선과 겹쳐 보면 보호협조를 확인할 수 있습니다.
The curve shows the maximum current the conductor withstands for each duration. On log–log axes the adiabatic curve is a straight line with slope −1/2. If the operating point (●) lies below the curve the conductor withstands the fault; above it, increase the section or clear the fault faster. Overlay the protection's time–current characteristic to check coordination.
상수 기본값 Default constants
K, β, σc, ρ20은 KS C IEC 60949 표 1, X와 Y는 표 3의 값입니다. 절연체별 초기·최종 온도(θi, θf)는 이 규격에 없으며 IEC 60364-4-43과 케이블 제품 규격에서 쓰는 값입니다.
K, β, σc and ρ20 are from IEC 60949 Table 1, X and Y from Table 3. The initial and final temperatures are not part of IEC 60949; they follow IEC 60364-4-43 and cable product standards.
| 재료Material | K | β | σc (J/K·m³) | ρ20 (Ω·m) |
|---|---|---|---|---|
| 구리Copper | 226 | 234.5 | 3.45×10⁶ | 1.7241×10⁻⁸ |
| 알루미늄Aluminium | 148 | 228 | 2.5×10⁶ | 2.8264×10⁻⁸ |
| 절연체Insulation | θi → θf | Cu X / Y | Al X / Y |
|---|---|---|---|
| XLPE (가교 폴리에틸렌)XLPE | 90 → 250 °C | 0.41 / 0.12 | 0.57 / 0.16 |
| EPR ≤ 3 kVEPR ≤ 3 kV | 90 → 250 °C | 0.38 / 0.1 | 0.52 / 0.14 |
| EPR > 3 kVEPR > 3 kV | 90 → 250 °C | 0.32 / 0.07 | 0.44 / 0.1 |
| PVC ≤ 3 kV, ≤ 300 ㎟PVC ≤ 3 kV, ≤ 300 mm² | 70 → 160 °C | 0.29 / 0.06 | 0.4 / 0.08 |
| PVC ≤ 3 kV, > 300 ㎟PVC ≤ 3 kV, > 300 mm² | 70 → 140 °C | 0.29 / 0.06 | 0.4 / 0.08 |
| PVC > 3 kVPVC > 3 kV | 70 → 160 °C | 0.27 / 0.05 | 0.37 / 0.07 |
검증: IEC 60364 k값과 비교 Check against IEC 60364 k factors
이 계산기의 단열 계산으로 구한 k값은 IEC 60364-4-43 표 43A의 값과 일치합니다.
The k factors produced by this calculator's adiabatic method match IEC 60364-4-43 Table 43A.
| 절연체Insulation | Cu k | Al k |
|---|---|---|
| XLPE (가교 폴리에틸렌)XLPE | 143.1 ≈ 143 | 94.5 ≈ 94 |
| PVC ≤ 3 kV, ≤ 300 ㎟PVC ≤ 3 kV, ≤ 300 mm² | 115.0 ≈ 115 | 76.0 ≈ 76 |
| PVC ≤ 3 kV, > 300 ㎟PVC ≤ 3 kV, > 300 mm² | 102.8 ≈ 103 | 68.0 ≈ 68 |
예제 Worked example
알루미늄 XLPE 95㎟, 단락 1초: 온도 항 ln((250+228)/(90+228)) = 0.4076 → k = 148 × √0.4076 = 94.5 → 단열 허용 전류 I_AD = 94.5 × 95 / √1 ≈ 8.98 kA. 비단열 계수 ε = √(1 + 0.57×√(1/95) + 0.16×(1/95)) ≈ 1.030 → 허용 전류 ≈ 9.24 kA.
Aluminium XLPE 95 mm², 1 s: ln((250+228)/(90+228)) = 0.4076 → k = 94.5 → I_AD ≈ 8.98 kA; ε ≈ 1.030 → I ≈ 9.24 kA.