계산 예제 · Worked examples

설계 예제: 1 000 kVA 수변전실 처음부터 끝까지Worked example: a 1 000 kVA substation end to end

변압기 → 단락전류 → 간선 → 전압강하 → 보호도체 → 접지를 손계산과 계산기로
Transformer, short circuit, feeder, voltage drop, PE and earthing by hand and with the calculators

읽는 시간 약 25분 · about 25 min · 기초 코스 6/6

설계 조건 Design brief

사무용 건물 하나에 22.9 kV로 수전해 변압기 한 대로 380/220 V를 공급합니다. 앞의 글들에서 배운 계산을 설계 순서대로 이어 붙여, 숫자 하나가 다음 단계로 어떻게 넘어가는지 따라가 봅니다. 모든 숫자는 이 사이트 계산기와 같은 함수로 계산했습니다.

One office building supplied at 22.9 kV with a single transformer. We follow the design steps in order; every number comes from the same functions as the calculators.

Q Network 22.9 kVS"kQ 520 MVA22.9 kVT 1,000 kVA 6%22.9 / 0.38 kV Dyn0.38 kVL1 Cu 240㎟ 60 m60 mF 0.38 kVI"k3 = 16.2 kA

1단계: 변압기 용량 Step 1: transformer rating

부하설비 kW역률수용률최대 kW
조명·전열2200.950.8176
공조3800.850.8304
동력(펌프·팬)3000.850.7210
기타1500.90.690
  1. 유효전력 P = 780 kW, 무효전력 Q = Σ P·tanφ = 420 kvar
  2. 최대 수요 S = √(P² + Q²) / 부등률 1.1 = 805 kVA (종합 역률 0.880)
  3. 증설 여유 20 % → 966 kVA → 국내 관용 용량에서 1000 kVA
  4. 온도 확인(KS C IEC 60076-7, 배전용 ONAN 대표값, 사무실 부하 패턴, 주위 30 °C): 피크 부하율 0.81, 최대 고온점 85.2 °C, 하루 상대 열화 0.06 → 수명 여유 큼. 같은 패턴으로 최대 1077 kVA까지 가능
  5. 손실(참고값 P0 693 W, Pk 7600 W): 평균 부하 효율 99.41 %, 피크 전압변동률 2.89 %(KS C 4316 식 (5))

원리: 변압기와 열 → · 변압기 계산기 →

2단계: 단락전류 Step 2: short-circuit current

전원 22.9 kV 단락용량 최대 520 MVA·최소 360 MVA, 변압기 uk 6 %(KS C IEC 60909-0).

원리: 단락전류 → · 단락전류 계산기 →

3단계: 동력반 간선 Step 3: feeder to the motor panel

동력 300 kW × 수용률 0.7 = 210 kW, cosφ 0.85 → Ib = 375 A. XLPE 다심, 천공 트레이(E), 주위 35 °C, 같은 트레이 3회로, 길이 60 m, MCCB 보호.

  1. 보정: 온도 0.96 × 집합 0.82 = 0.787 → 필요 기준값 477 A
  2. 구리(B.52.12): 240 ㎟, Iz = 424 A, MCCB In 400 A, I2 = 1.30 × 400 = 520 ≤ 1.45·Iz = 614 A ✓
  3. 알루미늄: 단일 케이블은 400 A 차단기의 In ≤ Iz를 만족하는 단면적이 표에 없어 2병렬로 고릅니다. 병렬 케이블도 트레이 위 회로로 세어 집합 계수가 0.77로 낮아집니다 → 150 ㎟ × 2(B.52.13), Iz = 449 A, MCCB In 400 A ✓
  4. 전압강하: 구리 1.25 %, 알루미늄 1.26 % (부속서 G 사설 수전 동력 한도 8.0 %, 이 구간 외 분기까지 합쳐 관리)
  5. 도체 무게(상도체): 구리 384 kg, 알루미늄 146 kg

원리: 케이블 선정 → · 허용전류 · 전압강하 계산기 →

4단계: 보호도체 Step 4: protective conductor

  1. 동력반에서의 최소 1선 지락 전류(구리 간선 끝, 케이블 영상/정상 임피던스 비 4로 가정): I"k1 = 8.2 kA
  2. 차단 시간: MCCB가 이 전류에서 0.2 s 안에 끊는다고 가정(실제 동작 곡선으로 확인 필요)
  3. 케이블 안 심선 보호도체, 구리 XLPE: k = 143(표 A.54.4) → S = √(I² × 0.2) / 143 = 3661 / 143 = 25.6 ㎟ → 35 ㎟
  4. 표 방법(표 54.2): 선 도체 240 ㎟ → 120 ㎟. 계산 방법이 훨씬 가늘게 나와, 다심 케이블의 표준 심선 구성 안에서 고를 수 있습니다.
  5. 주 보호 등전위본딩: 설비 최대 보호도체의 1/2, 구리 25 ㎟ 상한 → 25 ㎟(544.1)

원리: 보호도체 → · 보호도체 계산기 →

5단계: 접지 Step 5: earthing

TN-C-S 계통(수전 측 PEN을 주배전반에서 N·PE로 분리), 건물 40 m × 25 m, 토양 저항률 100 Ω·m.

원리: 접지 계통 → · 접지극 계산기 →

정리 Summary

항목결과근거
변압기1000 kVA, 최대 고온점 85 °CKS C IEC 60076-1·-7
주배전반 단락전류26.6 kA (피크 63.7 kA)IEC 60909-0
동력반 간선Cu 240 ㎟ (또는 Al 150 ㎟ × 2), MCCB 400 A, 전압강하 1.25 %KS C IEC 60364-5-52, -4-43
보호도체35 ㎟ 이상(계산), 주 본딩 25 ㎟KS C IEC 60364-5-54
접지기초접지극 약 1.5 Ω60364-5-54 부속서 D

설명용 예제입니다. 손실은 참고값, 열 특성은 규격 대표값, 차단 시간과 영상 임피던스 비는 가정값이므로 실제 설계에서는 제품 자료와 보호장치 동작 곡선으로 바꿔야 합니다. · Illustrative example with stated assumptions.

확인 퀴즈 Check your understanding

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Q1. 이 예제에서 변압기 용량을 1 000 kVA로 정한 근거는?Why 1 000 kVA in this example?
Q2. 이 예제에서 알루미늄 간선을 단일 케이블이 아닌 2병렬로 고른 이유는?Why were two aluminium cables in parallel chosen?
Q3. 보호도체 단면적 계산에 쓴 전류는?Which current was used to size the PE?

계산기로 확인하기 Try it in the calculators

규격 원문의 문장과 표를 옮기지 않고 풀어 썼으며 조항 번호로 근거를 밝혔습니다. 그림은 이 사이트에서 직접 그렸습니다. · Paraphrased with clause references; figures drawn by this site.