제124회 건축전기설비기술사

초고층 건축물의 수직간선 계획 및 설계

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1. 개요

초고층 건축물은 수직적 규모의 확대로 인해 전력 공급 안정성, 전압강하, 단락전류 등 전기설비 설계의 난이도가 현저히 증가한다. 특히 수직간선(Vertical Main Bus)은 전력을 지하 변전실 또는 층간 서브변전실로부터 각 층 부하까지 공급하는 핵심 경로로서, 초기 계획 단계부터 신중한 검토가 요구된다.

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2. 초고층 건축물의 정의

2-1. 법령상 정의

구분	기준	근거
초고층 건축물	층수 50층 이상 또는 높이 200 m 이상	건축법 시행령 제2조
준초고층 건축물	층수 30층 이상 50층 미만 또는 높이 120 m 이상 200 m 미만	건축법 시행령 제2조

2-2. 전기설비 관점의 특성

• 수직 거리의 증가 → 전압강하, 선로 임피던스 문제 심화
• 고층부 풍압·진동 → 케이블·버스덕트 지지 구조 강화 필요
• 다수의 부하 집중 → 단락전류 크기 증대 및 보호협조 복잡화
• 피난·방재 연계 → 비상전원 공급 이중화 필수

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3. 수직간선 선정 시 고려사항

3-1. 전압강하 검토

KEC 232.3에 따라 간선의 허용 전압강하는 저압 간선에서 3 % 이하 (인입구로부터 최원단 부하까지 5 % 이하)를 원칙으로 한다.

전압강하 계산식:

$$e=\sqrt{3}\cdot I\cdot L\cdot (R\cos \theta +X\sin \theta )\times 10^{-3}\text{ [V]}$$

• $I$: 선전류 $\text{[A]}$
• $L$: 선로 길이 $\text{[m]}$
• $R$: 도체 저항 $\text{[Ω/km]}$
• $X$: 선로 리액턴스 $\text{[Ω/km]}$
• $\theta$: 부하 역률각

초고층에서는 $L$이 수백 m에 달하므로 도체 단면적 증가, 중간 변전실(층간 서브스테이션) 설치, 승압 공급 등을 종합 검토한다.

3-2. 허용전류 및 도체 단면적 선정

도체 허용전류는 발열 조건에서 결정되며, 초고층에서는 포설 조건(묶음 배선, 수직 트레이)에 따른 보정계수 적용이 필수이다.

$$I_z=I_{z0}\cdot C_a\cdot C_g\cdot C_f$$

• $I_{z0}$: 기준 허용전류
• $C_a$: 주위온도 보정계수
• $C_g$: 묶음 보정계수
• $C_f$: 포설방식 보정계수

3-3. 단락전류 및 차단용량 검토

서브변전실에서 가까운 간선일수록 단락전류가 크며, 보호기기의 차단용량(Ics, Icu)이 계산 단락전류 이상이어야 한다.

$$I_k=\frac{U_n}{\sqrt{3}\cdot Z_k}\text{ [kA]}$$

• $U_n$: 공칭전압 $\text{[V]}$
• $Z_k$: 계통 임피던스 $\text{[Ω]}$

3-4. 주요 고려사항 종합

항목	세부 검토 내용
전압강하	3 % 이하 유지, 중간 변전실 배치
허용전류	포설조건 보정계수 적용
단락전류	보호기기 차단용량과의 협조
역률	집합 역률 0.9 이상 유지, 콘덴서 설치 위치
부하 균형	3상 불평형 5 % 이내
시공성	수직 샤프트 공간, 내화구획 관통 처리
경제성	케이블 vs 버스덕트 비교
장래 부하 증설	예비 용량 10~20 % 확보
방재	내화전선 또는 내화 버스덕트 사용

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4. 간선의 부설방법에 따른 문제점 및 대책

4-1. 부설방법 분류

🖼 [그림] 초고층 건축물 수직간선 부설방법 비교 개념도 (케이블 트레이, 버스덕트, 수직 EPS 샤프트 단면 구성도)

부설방법	특징	적용 규모
케이블 수직 트레이	시공 용이, 경제적	중규모 이하
버스덕트(Bus Duct)	대전류·고신뢰성	대용량·초고층
MI 케이블	내화성 우수	비상전원 간선
트리플렉스·단심 XLPE	유연성·경제성	일반 간선

4-2. 케이블 수직 트레이 공법

문제점

문제점	내용
전압강하	장거리로 인한 도체 단면적 비대화
자중 지지	수직 케이블 자중에 의한 단선·접속부 이완 우려
열 축적	묶음 배선 시 방열 불량으로 허용전류 저하
내화구획 관통	방화댐퍼·내화충전재 시공 복잡
시공성	대단면 케이블의 수직 포설 시 인입 어려움

대책

• 수직 지지 클리트(Cleat) 간격: 중량 케이블의 경우 1.5 m 이하 간격으로 고정하여 자중 응력 분산
• 방화구획 관통부: 국토부 고시에 따른 내화충전시스템(KS F 2257) 인정 제품 사용
• 단면적이 과대해지는 경우 전력 구분점(중간 변전실) 추가로 선로 길이 단축
• 수직 트레이 내 케이블 간격 유지(케이블 외경의 1배 이상) 및 통풍형 트레이 사용

4-3. 버스덕트(Bus Duct) 공법

문제점

문제점	내용
열팽창	온도변화에 의한 선팽창으로 접속부 손상
층간 변위	건물 거동(풍압·지진)에 의한 층간 변위 흡수 불가
결로	수직 샤프트 내 온도차로 내부 결로 발생 → 절연 저하
중량	단위 중량이 커 지지 구조물 보강 필요
가격	케이블 대비 초기 투자비 고가

대책

대책	내용
익스팬션 조인트 설치	매 3~5개 층마다 열팽창·층간 변위 흡수용 익스팬션 조인트 설치
내진 지지	지진하중을 고려한 내진 행거·브래킷 사용 (KDS 41 17 00 기준)
결로 방지	밀폐형 버스덕트 + 흡습제(실리카겔) 또는 히팅 테이프 설치
지지 하중 검토	슬래브 개구부 주위 전단 보강 및 하중 분산 플레이트 시공
방화구획	버스덕트 관통부 내화 커버(Wrap) 또는 내화 배리어 적용

4-4. 수직간선 분기 방식

🖼 [그림] 초고층 건축물 수직간선 분기(Tap-off) 방식 계통도 (상부 공급형 vs 하부 공급형, 중간 변전실 구성)

분기방식	특징	적용
하부 급전 방식	변전실 → 상층부 공급, 케이블 자중 유리	일반적
중간 변전실 방식	수직 거리 단축, 전압강하·임피던스 저감	50층 이상
상부 급전 방식	케이블 자중 문제 최소화, 옥상 변전실 필요	특수 케이스

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5. 실무 적용 지침

• 중간 변전실(서브스테이션) 배치: 일반적으로 20~25층마다 1개소 배치하여 공급 구역 분할
• 비상간선 이중화: 소방·비상용 승강기 전원은 내화전선(FR-8) 또는 내화 버스덕트를 독립 경로로 포설 (소방시설법 시행령 기준)
• BIM 활용: EPS 샤프트 내 케이블·버스덕트·소방배관의 간섭 검토를 설계 단계에서 BIM으로 사전 확인
• 전력 모니터링 시스템(BEMS): 각 층 분전반에 전력량계·전력품질 측정기 설치하여 전압강하·불평형 실시간 감시

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6. 결론

초고층 건축물의 수직간선 설계는 단순한 도체 단면적 선정을 넘어, 전압강하 억제, 단락전류 협조, 내화·방재, 건물 거동 대응, 시공성을 종합적으로 고려하는 복합 기술이다. 건축전기설비기술사로서 다음을 제언한다.

1. 설계 초기 단계에서 중간 변전실 층 및 EPS 위치를 건축·구조와 협의하여 확정
2. 버스덕트와 케이블 공법을 LCC(Life Cycle Cost) 분석으로 비교 선정
3. 익스팬션 조인트·내진 지지·방화구획 처리를 시공 도면에 명시
4. 준공 후 전압강하 실측 및 절연저항 측정을 통한 준공 성능 검증 실시

수직간선은 초고층 건축물의 전력 공급 근간이므로, 설계·시공·유지관리 전 단계에 걸친 체계적 접근이 필수적이다.