한국 조선소 LNG 운반선 전기 케이블 포설 실무 실무 해설

LNG 운반선 전기 설비는 고압·저온 환경과 엄격한 방폭·내화 요구가 동시에 충돌하는 현장이다. 규격 미준수는 선박 인증 지연과 추가 비용을 초래한다. 본 가이드는 IEC 60092·60364·60331·60079 등 핵심 규격을 조항‑요구‑해석‑적용 흐름으로 전개한다. 각 섹션은 실무 적용 예시와 도표를 통해 즉시 활용 가능한 로드맵을 제공한다.

IEC 60092‑101 §4.2 배선 구획 및 보호구조

IEC 60092‑101 §4.2는 선박 전기 설비에서 배선 구획을 어떻게 정의하고, 각 구획에 어떤 보호구조를 적용해야 하는지를 규정한다. 구획은 전압 등급, 전류 부하, 위험도(예: 화재·전기적 위험) 등에 따라 최소 1 m² 이상 면적을 확보하도록 요구한다. 구획 내 배선은 동일 전압·전류 특성을 갖는 회로끼리 묶어야 하며, 서로 다른 전압·전류 특성 회로가 겹치지 않도록 배치한다. 보호구조는 배선이 물리적 손상이나 외부 충격에 노출될 경우를 대비해 케이블 트레이(IEC 61537)·케이블 덕트·분리벽 등을 적용한다.

실무 적용 시, 설계자는 먼저 배선 구획을 ‘전압 구역(≤660 V)’과 ‘전류 구역(≤500 A)’으로 구분하고, 각 구획에 필요한 최소 면적을 계산한다. 이후 구획 경계에는 최소 2 mm 두께의 금속 분리벽을 설치하고, 트레이 내부에는 최소 25 mm 간격을 유지해 케이블 간 전기적 간섭을 방지한다. 위험도가 높은 구역(예: 연료 탱크 인근)에서는 IEC 60364‑5‑53에 따라 방폭형 트레이를 추가 적용한다.

다음은 배선 구획 기준과 보호구조 적용을 매핑한 표이다.

구획 설계 단계별 절차는 다음과 같다.

1. 배선 목록을 전압·전류 별로 분류한다.
2. 각 분류에 대한 구획 면적을 IEC 60092‑101 §4.2 표 4‑1에 따라 산정한다.
3. 구획 경계에 적용할 보호구조를 위험도에 따라 선택한다.
4. 설계도에 구획 경계와 보호구조를 표시하고, 검증 담당자에게 검토를 의뢰한다.

이 절차를 따르면 선박 설계 기준인 DNV‑GL Rule Marine Electrical Systems §5‑2‑02와 일치하게 되며, 검증 시 구획 면적·보호구조가 규정 요구사항을 충족하는지 확인한다.

IEC 60364‑5‑52 §7.4 전선 단면 산정

IEC 60364‑5‑52 §7.4는 전선의 전류·열 부하에 따라 적절한 단면을 선택하도록 규정한다. 전류 용량은 전선 재료(구리·알루미늄), 절연 재료, 설치 방식(공기 중·배관·트레이) 등에 따라 달라진다. 열 허용 한계는 전선이 30 °C 상승을 초과하지 않도록 설계해야 하며, 이는 전선 손실(P=I²·R)과 주변 온도에 기반한다.

실제 설계에서는 먼저 부하 전류를 계산하고, IEC 60364‑5‑52 표 7‑1(구리 전선) 또는 표 7‑2(알루미늄 전선)에서 해당 전류와 설치 조건에 맞는 최소 단면을 찾는다. 예를 들어, 380 V 3상 50 kW 부하(전류 I≈75 A)라면 구리 전선 25 mm²가 최소 요구 단면이다. 하지만 선박 내부 온도가 35 °C 이상으로 상승할 경우, 표 7‑1의 온도 보정 계수를 적용해 35 mm²로 상향 선택한다.

다음은 일반적인 전류·설치 조건별 권장 최소 단면표이다.

전선 단면 산정 단계는 다음과 같다.

1. 부하 전류 I를 kW·√3·U⁻¹ 로 계산한다.
2. 설치 방식(공기 중·트레이·배관)과 주변 온도를 파악한다.
3. IEC 60364‑5‑52 표 7‑1·7‑2에서 기본 단면을 찾는다.
4. 온도 보정 계수를 적용해 최종 단면을 산출한다.
5. 선급(예: LR Rule Marine Electrical §4‑2‑01) 검증을 위해 선택된 단면을 기록한다.

위 절차를 적용하면 전선 과열에 따른 화재 위험을 최소화하면서, 선박 전기 설비의 효율성을 확보할 수 있다.

IEC 60331‑1 §5 내화 시험 기준

IEC 60331‑1 §5는 전기 케이블·전선이 화재 발생 시 일정 시간 동안 화염 전파를 억제하고, 구조적 손상이 최소화되는 내화 성능을 검증하도록 규정한다. 시험은 ‘수직 연소 시험’과 ‘수평 연소 시험’ 두 가지 방식으로 진행되며, 각각 30 min·60 min·120 min 등 시간 구간별로 화염 전파 거리와 온도 상승을 측정한다.

내화 등급은 ‘A’, ‘B’, ‘C’ 로 구분한다. 등급 A는 30 min 내에 화염 전파가 0 m, 온도 상승 ≤30 °C 를 만족해야 하며, 등급 B는 60 min, 등급 C는 120 min 기준을 따른다. 코어 재료는 무연 폴리머(예: XLPE) 또는 무기 절연(예: 무연 고무)로, 외피 재료는 무연 폴리머(예: PVC)·불연성(예: 무연 실리콘)로 선택한다.

실무에서는 먼저 케이블 설계 단계에서 목표 내화 등급을 정의하고, 해당 등급에 맞는 코어·외피 재료 조합을 선택한다. 이후 공급업체가 IEC 60331‑1 시험 성적서를 제공하면, 설계자는 시험 결과(화염 전파 거리·최대 온도)를 표준과 비교해 적합성을 판단한다.

내화 등급별 요구사항 매핑 표는 다음과 같다.

내화 시험 적용 절차는 다음과 같다.

1. 케이블 종류와 설치 위치(예: 엔진실, 연료 탱크 인근)를 정의한다.
2. 목표 내화 등급을 선정하고, IEC 60331‑1 표 5‑1에 따라 코어·외피 재료를 선택한다.
3. 공급업체로부터 시험 성적서를 확보한다.
4. 성적서의 화염 전파 거리·온도 상승이 표준 한계 내인지 검증한다.
5. 검증 결과를 선급(예: ABS Rule Marine Electrical §3‑2‑04) 설계 검토에 반영한다.

이 과정을 통해 LNG 운반선의 고위험 구역에서도 화재 확산을 효과적으로 억제할 수 있다.

IEC 60079‑0 §3 위험구역 구분

IEC 60079‑0 §3은 폭발 위험이 존재하는 구역을 Zone 0·1·2 로 구분하고, 각 구역에 허용되는 전기 설비(케이블·장비) 등급을 명시한다. Zone 0은 폭발성 가스가 지속·전체적으로 존재하는 구역이며, 가스 농도가 최소 10 % 이하(폭발한계)인 경우를 포함한다. Zone 1은 정상 운전 시 가스가 존재할 가능성이 있으나, 일시적·비정상적 상황에서만 발생한다. Zone 2는 가스가 비정상 상황에서만 발생하고, 누출 지속 시간이 10 min 이하인 경우에 해당한다.

각 구역에 적용되는 케이블 등급은 다음과 같다. Zone 0에서는 ‘Ex d (방폭 다이내믹)’ 또는 ‘Ex n (방폭 비폭발)’ 등급이 필수이며, Zone 1에서는 ‘Ex e (방폭 억제)’·‘Ex i (방폭 격리)’ 중 하나를 선택한다. Zone 2에서는 ‘Ex p (방폭 압력)’·‘Ex q (방폭 압력 억제)’ 등급이 허용된다. 케이블 트레이도 동일 등급을 적용해야 하며, IEC 61537‑2에 따라 방폭 트레이 설계가 필요하다.

다음은 위험구역과 케이블 등급 매핑 표이다.

구역 지정과 케이블 선택 절차는 다음과 같다.

1. 선박 내 가스 누출 시나리오를 분석해 Zone 0·1·2 구역을 도출한다.
2. 각 구역에 적용할 전기 설비 등급을 IEC 60079‑0 표 3‑1에 따라 선택한다.
3. 선택된 등급에 맞는 케이블·트레이를 조달하고, 시험 성적서를 확보한다.
4. 설치 전 현장 검증으로 구역 경계와 케이블 등급 일치를 확인한다.
5. 검증 결과를 DNV‑GL Rule Marine Electrical §6‑3‑01에 보고한다.

이와 같이 위험구역을 정확히 구분하고 적절한 방폭 등급 케이블을 적용하면, LNG 운반선의 가스 누출 사고 시 전기 설비가 화재·폭발을 유발하지 않도록 설계 목표를 달성한다.

DNV‑GL Rule Marine Systems §4.5 전기 설비 통합 검증

DNV‑GL Rule Marine Systems §4.5는 선박 전기 설비의 전체적인 설계·제조·시험 흐름을 체계화한다. 핵심은 설계 단계에서 위험도 분석(IEC 61508)과 전압 등급(IEC 60092‑2)·전류 용량을 검증하고, 제조 단계에서 부품 적합성(IEC 60364‑5‑52)·용접·연결 품질을 확인하며, 시험 단계에서 전압 강하·절연 저항·단락 전류·시운전 시뮬레이션을 순차적으로 수행하도록 규정한다. 이를 통해 설계 의도와 실제 구현 사이의 편차를 최소화하고, 선박 운항 중 전기 고장 위험을 감소시킨다.

실무 적용 시 가장 먼저 수행해야 할 작업은 통합 검증 계획서 작성이다. 계획서에는 설계 검증 항목(전압 등급, 전류 부하, 보호 장치 선택), 시험 절차(절연 저항·접지 연속성·전압 강하), 검증 책임자 및 일정이 명시된다. 설계 검증은 CAD 기반 전기 회로 검토와 IEC 60092‑2 표‑4‑2에 따른 전압 강하 계산을 통해 이루며, 계산 결과는 허용 한계(통상 3 % 이하)와 비교한다.

다음 표는 DNV‑GL §4.5와 IEC 60092‑2·IEC 60364‑5‑52 간 주요 대응 관계를 정리한 것이다.

통합 검증 절차는 다음 순서로 진행한다.

1. 설계 검토 : 전기 배선도와 케이블 스펙을 IEC 60092‑2 표‑4‑2·표‑5‑1에 대입해 전압 강하·전류 용량을 계산한다. (예: 3상 440 V·250 kW 부하, 거리 120 m, 구리 4 mm² 케이블 사용 시 전압 강하 2.4 % 계산)
2. 제조 검증 : 케이블 피복 두께·접속 부위 용접 절차를 IEC 60364‑5‑52 §4.4에 따라 검사한다.
3. 시험 검증 : 현장 절연 저항 시험(≥ 1 MΩ), 접지 연속성 시험(≤ 0.1 Ω), 전압 강하 시험(≤ 3 %)을 수행한다.
4. 시운전 검증 : 시뮬레이션 기반 부하 시험을 통해 보호 장치 동작을 확인하고, 결과를 DNV‑GL §4.5 양식에 기록한다.

위 절차를 체계적으로 이행하면 설계와 실제 구현 간 일관성을 확보하고, 선박 전기 설비의 신뢰성을 국제 규격 수준으로 끌어올릴 수 있다.

IEC 61537‑1 §6 케이블 트레이 고정·진동 대책

IEC 61537‑1 §6은 케이블 트레이 시스템의 구조적 안정성과 진동·충격에 대한 내구성을 규정한다. 주요 내용은 트레이 자체 강성(IEC 61537‑1 표‑6‑1), 고정점 간 거리(최대 1 m), 그리고 진동·충격에 대한 감쇠·고정 방법이다. 트레이는 선박 구조물(선체·갑판)과 동일한 진동 주파수 범위(0.5 ~ 150 Hz)와 충격 가속도(≤ 15 g) 조건을 만족하도록 설계해야 한다.

실무 적용 시 먼저 트레이 재료와 형상을 선택한다. 일반적으로 알루미늄 합금(두께 2 mm) 또는 스틸(두께 3 mm) 트레이가 사용되며, IEC 61537‑1 표‑6‑1에 따라 최소 굽힘 반경은 10 × 트레이 높이로 제한한다. 고정 방법은 볼트·와셔·고정 플레이트 조합을 사용하며, 고정 간격은 800 mm 이하, 고정 플레이트는 ≥ M10 볼트 2개를 적용한다.

다음 표는 트레이 재료별 최소 고정 간격과 허용 진동 가속도를 정리한 것이다.

진동·충격 대책은 다음 단계로 구현한다.

1. 진동 분석 : 선박 구조 해석(예: FEM)에서 주요 진동 모드와 최대 가속도를 추출한다.
2. 고정 설계 : 추출된 가속도에 맞는 고정 간격과 볼트 규격을 IEC 61537‑1 표‑6‑1에 따라 선정한다.
3. 감쇠 부재 적용 : 필요 시 고무·폴리우레탄·스프링 감쇠 부재를 고정점 사이에 삽입해 가속도를 20 % 이상 감소시킨다.
4. 시험 검증 : 현장 가속도계(센서)로 0.5 ~ 150 Hz 범위에서 실제 진동을 측정하고, 허용값 이하인지 확인한다.

예를 들어, 2 m 길이 알루미늄 트레이에 150 kW 전력 케이블을 배치하고, 선박 진동 가속도가 10 g으로 예상될 경우 고정 간격을 600 mm로 잡고 M10 볼트 2개씩 설치한다. 감쇠 부재를 5 mm 두께 고무 패드로 추가하면 가속도가 8 g으로 감소한다.

이와 같이 IEC 61537‑1 §6을 적용하면 트레이 자체의 구조적 손상을 방지하고, 케이블 손상 위험을 최소화할 수 있다.

IEC 61508‑3 §8 기능안전 SIL 적용

IEC 61508‑3 §8은 전기·전자 시스템에 대한 기능안전 요구 수준(SIL) 적용 절차를 제시한다. SIL 1·2·3 단계별 위험도(Risk Priority Number, RPN) 한계와 고장률(Failure Rate) 목표를 규정한다. 핵심은 위험도 분석(FMEA/FMECA) → SIL 결정 → 설계 제한(예: 이중화·다중화) → 검증·검증 시험이다. 선박 LNG 운반선에서는 가스 감지·차폐·제어 시스템이 SIL 2 이상을 요구한다.

실무 적용 흐름은 다음과 같다.

1. 위험도 평가 : IEC 61508‑3 표‑8‑1에 따라 위험도 매트릭스를 사용해 각 위험 사건의 심각도(S), 발생 가능성(O), 탐지 가능성(D)를 1~4 단계로 구분한다.
2. RPN 계산 : RPN = S × O × D. SIL 2는 RPN ≤ 200, SIL 3은 RPN ≤ 100을 목표로 한다.
3. SIL 결정 : RPN 값에 따라 요구 SIL을 선택하고, 해당 SIL에 맞는 고장률(λ) 제한을 적용한다. 예를 들어, SIL 2는 λ ≤ 10⁻⁷ failures/hs, SIL 3는 λ ≤ 10⁻⁸ failures/hs.
4. 설계 제한 : 이중화(2oo2)·다중화(3oo2) 구조를 적용하고, 고장 검출 회로를 IEC 61508‑3 표‑8‑2에 따라 설계한다.
5. 검증·검증 시험 : 고장 시뮬레이션·고장 주입(FIT) 시험을 통해 지정된 λ 이하인지 확인한다.

다음 표는 위험도 단계와 SIL 대응 관계를 정리한다.

예시 계산을 들어보면, 가스 누출 차단 시스템에서 위험 사건(누출·자동 차단)의 심각도 = 4, 발생 가능성 = 3, 탐지 가능성 = 2라면 RPN = 4 × 3 × 2 = 24이며, 이는 SIL 2에 해당한다. 따라서 설계 단계에서 이중화(2oo2)와 고장 검출 회로를 적용하고, 고장률 목표 λ ≤ 10⁻⁷ failures/hs를 만족하도록 부품 선택과 신뢰성 테스트를 수행한다.

IEC 61508‑3 §8을 충실히 적용하면 고위험 LNG 운반선 전기·제어 시스템의 고장 위험을 체계적으로 낮출 수 있다.

IEC 60364‑7‑712 §9 설치 검증 절차

IEC 60364‑7‑712 §9는 케이블 포설·연결·시험 단계별 검증 절차를 상세히 규정한다. 주요 검증 항목은 케이블 종류·규격(IEC 60364‑5‑52), 포설 경로(IEC 60364‑7‑712 표‑9‑1), 연결 방식(IEC 60364‑5‑53), 그리고 시험 방법(절연 저항·연속성·전압 강하·시운전 시험)이다. 검증은 설계 문서와 현장 실측을 대조하고, 시험 결과를 규격 한계와 비교하는 3단계 프로세스로 진행한다.

실무 적용 흐름은 다음과 같다.

1. 설계 검증 : 설계 도면에 표시된 케이블 종류·크기·전압 등급을 IEC 60364‑5‑52 표‑5‑1에 대입해 전압 강하와 전류 용량을 계산한다. (예: 3상 660 V·200 kW 부하, 거리 150 m, 10 mm² 구리 케이블 사용 시 전압 강하 2.1 %)
2. 현장 검증 : 포설 현장에서 실제 케이블 길이·경로·고정 상태를 측정하고, IEC 60364‑7‑712 표‑9‑1에 따라 고정점 간 거리와 보호관(트레이·다이렉트) 설치 여부를 확인한다.
3. 시험 검증 : 절연 저항 시험(≥ 1 MΩ), 연속성 시험(≤ 0.1 Ω), 전압 강하 시험(≤ 3 %)을 수행하고, 결과를 설계값과 비교한다.

다음 표는 주요 시험 항목과 허용 한계를 정리한다.

검증 절차를 구체적으로 적용하면 다음과 같다. 가령, LNG 운반선 메인 전원 배선에 4 × 660 V·250 kW 부하가 연결된 경우, 설계 단계에서 전압 강하 2.5 % 이하를 목표로 16 mm² 구리 케이블을 선택한다. 현장 측정 결과 실제 케이블 길이가 155 m이며 고정점 간 거리가 850 mm인 것을 확인한다. 시험 단계에서 절연 저항 1.2 MΩ, 연속성 0.08 Ω, 전압 강하 2.4 %가 측정되면 모두 허용 한계 이내이므로 설치 검증을 통과한다.

IEC 60364‑7‑712 §9의 검증 절차를 체계적으로 수행하면 설계와 현장 사이의 불일치를 조기에 발견하고, 시운전 전 전기 설비의 신뢰성을 확보할 수 있다.

한국 선급 KR Rule Class §2.3 LNG 운반선 전기 안전

KR Rule Class §2.3은 LNG 운반선의 전기 설비가 화재·폭발 위험을 최소화하도록 설계·시공·점검 기준을 규정한다. 주요 취지는 (1) 전력·제어 배선의 절연 등급을 LNG 탱크 인근에서 고온·가스 환경에 견디도록 제한하고, (2) 전기 설비의 방폭·내화 요구사항을 명확히 하며, (3) 누전·과전류 차단 장치를 배치해 인원 및 설비 보호를 확보하는 것이다.

이 조항을 실무에 적용할 때는 IEC 60092‑1(선박 전기설비 일반 요구사항)와 IEC 60364‑5‑53(저압 배선 방폭·내화) 그리고 DNV GL Rule Marine Equipment §2‑03‑01(전기 설비 방폭) 등을 교차 검증한다. KR Rule Class는 IEC 60092‑1을 기본 틀로 삼지만, LNG 탱크 주변에서는 IEC 60364‑5‑53의 “Ex d”(방폭 차폐) 등급을 추가 적용하도록 명시한다. 반면 DNV GL은 방폭을 “Ex e”(압력 차폐)로 허용하고, 케이블 트레이는 IEC 61537 (케이블 트레이 설계) 기준을 따른다.

아래 표는 KR Rule Class §2.3과 IEC 60092‑1, IEC 60364‑5‑53, DNV GL Rule Marine Equipment §2‑03‑01 간 주요 요구사항을 대응시킨 것이다. 각 항목은 설계·시공·검사 단계에서 확인해야 할 최소 기준을 제시한다.

실무 적용 시 주의할 점은 다음과 같다. 첫째, KR Rule Class은 LNG 탱크와 직접 맞닿는 구역에 Ex d(차폐) 방폭을 강제한다데 반해 IEC 60364‑5‑53은 차폐·압력·가스 차폐 등 선택지를 제공한다. 따라서 설계자는 방폭 등급을 선정할 때 선박 구조와 가스 누출 시나리오를 고려해 최소한 Ex d를 적용해야 한다. 둘째, 방폭 케이블 선택 시 IEC 60331 내화 등급을 동시에 만족해야 하며, 이는 케이블 재료(XLPE + PVC)와 피복 두께를 설계 단계에서 검증한다는 의미다. 셋째, DNV GL은 트레이 자체의 내구성을 IEC 61537로 규정하므로, 케이블 고정·지원 설계 시 트레이 강도와 고정 간격을 계산해야 한다.

요약하면, KR Rule Class §2.3은 LNG 운반선 전기 설비의 안전성을 확보하기 위해 IEC 60092‑1을 기반으로 하면서, 방폭·내화 요구를 IEC 60364‑5‑53와 DNV GL Rule §2‑03‑01에 맞춰 보강한다. 설계자는 각 규격의 최소 요구사항을 표에 정리된 대로 교차 검증하고, 현장 시공 단계에서 차폐·내화·차단기 설치 여부를 점검한다.

실제 현장 적용 예시: 3상 6.6 kV 전력 케이블 포설

다음은 LNG 운반선 전력 시스템에서 3상 6.6 kV 전압을 사용하는 경우, KR Rule Class §2.3과 IEC 60092‑1·IEC 60364‑5‑53을 근거로 케이블 사양을 선정하고 전압 강하·전류 용량·방폭 등급을 검증하는 절차를 단계별로 제시한다. 가정값은 설계 단계에서 일반적인 부하와 거리 조건을 적용한 예시이며, 실제 프로젝트에서는 정확한 부하 프로파일과 배선 길이를 반영한다.

1. 부하 가정: 6 kV 전압, 3상 400 A(총 480 kW) 부하가 150 m 구간에 배치된다고 가정한다.
2. 케이블 선택: IEC 60092‑1에 따라 6 kV 이상 절연 전압을 갖는 XLPE + PVC 피복 3‑코어 185 mm² 구리 케이블을 선택한다. IEC 60364‑5‑53에 따라 방폭 등급 Ex d와 IEC 60331 내화 등급을 동시에 만족하는 제품을 선정한다.
3. 전압 강하 계산: IEC 60364‑5‑52에 따라 전압 강하 ΔU = √3·I·R·L·cosφ 로 계산한다. 여기서 I=400 A, L=150 m, cosφ=0.85, 구리 저항 R=0.095 Ω·mm²/km(185 mm² 기준)이다.
4. 차단기 선정: KR Rule Class §2.3은 전류 125 % + 잔류 전류 30 mA 차단을 요구하므로 500 A 차단기와 30 mA RCD를 배치한다.

계산 결과 전압 강하가 0.91 %로 KR Rule Class가 허용하는 2 % 이하이며, 차단기 용량도 125 % 기준을 충족한다. 방폭·내화 등급도 Ex d와 IEC 60331을 동시에 만족하는 케이블을 사용했으므로 규정 위반이 없다. 따라서 설계자는 위 표와 같이 선정된 케이블·차단기·RCD를 설계 도면에 반영하고, 시공 단계에서 트레이 고정 간격(≤ 1.2 m)과 지지대 간격(≤ 2.0 m)을 IEC 61537 규정에 따라 검증한다.

현장 점검 시 확인해야 할 주요 항목은 (1) 케이블 피복에 Ex d 마킹이 명확히 부착돼 있는지, (2) 트레이와 케이블 고정부에 IEC 61537에 따른 클램프·브라켓이 설치됐는지, (3) 차단기와 RCD가 전기실 내 방폭 구역에 맞게 배치됐는지이다. 이러한 검증 절차를 마친 뒤 최종 시험을 수행하면 KR Rule Class §2.3 및 국제 규격을 모두 만족하는 전력 배선이 완성된다.

자주 묻는 질문