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성공적인 설계를 위한 케이블 선택법과 사용법

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글/Digi-Key 북미 편집자 제공

산업용 사물 인터넷(IIoT)은 산업용 기계는 물론 작업 현장, IT 및 클라우드간 데이터, 명령 및 전력 전송에 케이블을 이용하는 경우가 매우 많다. 하지만 물리적, 환경적 및 전기적 유해 요소가 있기 때문에 현장 연결을 위해서는 케이블 선택과 라우팅을 신중하게 고려해야 한다. 설계자는 잦은 충돌을 일으키는 성능 및 비용 우선 사항과 관련된 복잡한 요소를 지속적으로 비교해야 한다.
이 기사에서는 산업 환경과 IIoT로 인해 제기되는 케이블 문제점을 검토하고 상업용 기성품(COTS)과 산업용 케이블 솔루션 사이의 차이점에 대해 설명한다. 그런 다음 적합한 케이블 지정이 IIoT 계획의 핵심 지표인 성능 향상과 총 소유 비용(TCO) 감소에 어떻게 기여할 수 있는지 설명한다.
고려될 응용 분야 예시 두 가지는 산업용 모터를 위한 가변 주파수 구동(VFD) 케이블 및 산업용 이더넷 네트워킹이다. 이 두 예시는 고전력 작동 및 고속 데이터 네트워킹 등 공장에서의 케이블 사용에 관한 서로 다른 측면을 보여주기 위해 선택되었다.

산업 환경은 케이블의 적!

산업용 설치에는 제조 시설, 정유 및 가스 처리 플랜트, 석탄 광산, 폐수 처리 시설, 터널 및 지하철을 포함하는 운송 시스템이 포함된다. 이러한 환경은 케이블에 상당한 부담이 된다. 유해 요소에는 화학 물질, 자외선(UV), 수분 침투, 충격, 극한 온도, 진동이 포함된다(그림 1). 이와 같은 환경에서도 케이블은 신호 무결성을 보장하고 신호 손실과 EMI 효과를 최소화해야 한다.

[그림 1] 산업용 등급 케이블은 수많은 공장 유해 요소를 감당하는 한편 신호 무결성도 유지해야 한다. (이미지 출처: Belden)

실패할 경우 작업자의 안전을 저해하고 품질 문제와 막대한 비용 지출을 일으킬 수 있다. 분당 생산 손실로 인해 수천 달러의 손해가 발생할 수 있다.
공장에서 관찰되는 케이블에 대한 기계적 유해 요소에는 충돌, 마모, 충격, 장력, 진동이 포함된다. 또한 수많은 산업용 응용 제품은 지속적으로 작동한다. 다중 축 기계 도구, 로봇, 풍력 발전용 터빈, 표준 자동 기계, 자동 조종 시스템, 컨베이어 시스템 등이 그 예에 해당한다. 이러한 응용 제품에 사용되는 케이블은 수십만 회에 달하는 반복적인 굽힘을 견딜 수 있어야 한다.
침투 유해 요소에는 수분, 화학 물질 및 먼지가 포함된다. 대다수의 산업 분야에서는 강력한 화학 물질을 사용하기 때문에 성능을 저하시키지 않으면서 이러한 물질에 장기간 노출되어도 견딜 수 있는 케이블이 필요하다. 예를 들어 식품 및 음료 처리 분야의 경우 장비를 고압수와 부식성 화학 물질로 주기적으로 세척해 엄격한 위생 요구 사항을 준수해야 한다. 불량으로 설계된 케이블의 경우 수액이 컨덕터 내부로 스며들 수 있다.
실내 및 실외에 설치된 모든 산업용 케이블은 이러한 요소에 노출되는 경우가 많다. 그로 인해 발생하는 유해 요소에는 극한의 고온 및 저온 환경, UV 방사(태양광), 수분, 설치류의 갉아먹기나 나무뿌리의 침투 등도 포함된다.
산업용 전기적 환경에는 고전류, 고전압, 부적합한 접지와 더불어 아크 용접기, 노, HVAC 장비로 인한 전자파 장해가 포함된다. 공간이 제한된 환경에서 공장을 업그레이드할 경우 새로운 케이블을 모터 및 발전기 등의 소음원에 가깝게 배치하는 상황이 발생할 수 있다.
앞서 언급한 산업 유해 요소를 일반적인 상업용 환경과 비교해 보세요. 사무실 공간, 서버실, 주택을 포함한 상업용 설치에서는 주로 케이블을 일정한 온도 및 습도 수준에 보관하는 HVAC 시스템으로 기후를 통제한다. 대부분의 인프라 케이블은 천장 타일 위 공간(상부 공간)에 배치되거나 세월이 경과해도 침해받지 않는 벽체 내부를 따라 설치된다. 표준 상업용 환경은 일반적으로 미세 입자, 액체, 극한 온도로부터 자유로우므로 상업용 케이블은 먼지, 수분, 화학 물질, 극한의 온도 또는 UV 방사에 노출되지 않는다.
COTS 케이블은 사용될 환경에 적합하게 설계되므로 산업용 응용 제품에 상업용 케이블을 사용하면 높은 고장률, 생산성 저하, 비용 증가, 안정성 저하 등의 문제가 발생할 수 있다. 일련의 표준 테스트를 통해 두 가지 케이블 유형을 비교한 결과에 따르면 산업용 등급 제품이 탁월한 성능을 보이는 것으로 나타났다(그림 2).

[그림 2] 동일하게 테스트할 경우 산업용 등급의 케이블이 더 우수한 성능을 제공한다. (이미지 출처: Belden)

케이블 구조

그림 3에서 볼 수 있듯이 케이블은 전체적인 성능에 기여하는 몇 가지 핵심 부품으로 구성된다. 이러한 부품은 다음과 같다.

* 케이블 컨덕터
* 케이블 및 케이블 재킷을 위한 절연체
* EMI 차폐

[그림 3] 엄선된 DataTuff 산업용 Cat 5e 이더넷 케이블에는 신뢰성과 성능을 향상하는 몇 가지 설계 개선 사항이 적용되었다. (이미지 출처: Belden)

케이블 컨덕터

케이블을 통해 전력 또는 전기 신호를 전송하는 데 보편적으로 사용되는 전선로는 두 가지 유형이 있다. 단선과 연선이다. 각 유형에는 차별성이 있다.
이름이 시사하듯이 단선의 전도 경로는 단일 전선이며 구리인 경우가 많다. 일반적으로 단선은 연선보다 값이 저렴하며 등가의 전류에 대해 지름이 더 작다. 더 낮은 저항으로 탁월한 전기 성능을 제공하지만 유연하지 않으므로 로봇 등의 움직이는 기계에 사용하기에는 그다지 적합하다고 볼 수 없다.
연선의 경우 컨덕터가 함께 꼬여 더 크고 두꺼운 전선을 형성하는 수많은 필라멘트로 구성된다. 연선의 유연성으로 인해 진동이 문제가 되거나 잦은 휨 및 굽힘이 필요한 응용 분야에서 선호된다.

컨덕터 및 케이블 재킷을 위한 절연체

절연 기능 제공 외에, 컨덕터를 코팅하는 데 사용되는 플라스틱은 유전체 역할도 한다. 유전체 상수 및 열 발산 상수는 신호 전송에 영향을 미친다(그림 4). 특히 유전체 상수는 케이블의 전기 에너지 저장 능력을 측정한다. 이는 에너지가 절연체를 통과하는 속도 함수이다. 열 발산 상수는 에너지가 유전체에(의해 흡수되어) 손실되는 속도를 측정한다. 이러한 파라미터 값이 낮아지면 신호 전송 성능이 향상된다.

[그림 4] 일반 케이블 절연 소재의 속성 비교. 유전체 상수와 열 발산 상수가 낮을수록 우수한 신호 전송 성능을 보인다. (이미지 출처: Texas Instruments)

여러 산업용 케이블에는 전기적 잡음을 줄이고 간섭으로부터 보호하는 컨덕터 주변의 차폐막이 포함되어 있다. 브레이드 차폐와 호일 차폐가 가장 보편적인 두 가지 유형이다. 호일 차폐는 100% 차폐 범위를 제공하지만 종단이 어렵고 상대적으로 저항이 높아 접지 경로로 적당하지 않다. 브레이드 구리 차폐는 60%~85%의 차폐 범위만 제공하지만 부피가 더 커서 전도율이 더 우수하며 접지 연결이 우수해 종단하기가 더 수월하다.
혹독한 EMI 환경에서는 조합 차폐(호일/브레이드)가 가장 높은 수준의 보호 성능을 제공할 수 있다. 예를 들어 Alpha Wire에는 알루미늄/폴리에스테르/알루미늄 호일 삼중 레이어 차폐와 주석 도금된 구리 브레이드 차폐를 모두 포함하는 케이블이 있다(그림 5).

[그림 5] 차폐는 호일(하단), 구리 브레이드(중간)으로 구성되거나 더 나은 성능을 위해 알루미늄/폴리에스테르/알루미늄 호틸 차폐와 주석 도금 구리 브레이드 차폐 조합(상단)으로 구성될 수 있다. (이미지 출처: Alpha Wire)

케이블 재킷은 케이블의 설치 및 사용 수명 동안 아래에 있는 컨덕터를 기계적, 화학적, 수분으로 인한 손상으로부터 보호한다. 또한 재킷은 내염성을 향상시키고 UV 방사로부터 보호하며 설치를 용이하게 할 수도 있다.
외장 재킷이 있는 케이블은 전선과 차폐를 파쇄로부터 보호한다. 제작 기술에 알루미늄 인터로크 아머 및 아연 도금 강철 전선 피복이 포함된다. 외장 케이블에는 케이블과 아머를 부식성 증기 및 수분으로부터 보호하는 금속 주변의 PVC 또는 유사 소재의 재킷이 포함될 수 있다.
표준 케이블 옵션에는 알루미늄 또는 강철 인터로크 아머, 매립 또는 실외 사용에 최적화된 케이블, 가솔린 내성, 고도 굴곡 기능 또는 고온 및 저온 작동이 포함된다.
대다수의 제조업체에서는 고성능 케이블에 추가적인 전용 기능을 포함한다. Belden의 DataTuff Cat 5e 산업용 이더넷 케이블을 예로 들면 지속적으로 신뢰할 수 있는 전기 성능을 제공하도록 컨덕터 쌍 사이의 간격을 없애는 특허받은 Bonded-Pair 구조를 사용한다.

응용 분야 예시: 이더넷 네트워킹

이더넷이 작업 현장에 등장한 지 오래되었지만 안전이 주된 설계 고려 사항인 고압(600V 초과) 기계 제어 응용 제품으로 용도가 확장된 것은 최근의 일이다. 고압을 전송하지는 않지만 이러한 응용 분야를 위해 고안된 제어 케이블에는 여전히 국가 전기 코드(NEC)가 적용되어 600V 이더넷 케이블의 가용성을 증대한다.
Molex의 Flamar 계열 케이블이 좋은 예입니다. 산업 자동화를 위해 설계된 이러한 케이블은 600V의 성능을 갖추고 있으며 일반 제어 응용 제품, 서보 모터 제어기 및 네트워킹용 버전으로 제공된다. 케이블은 용접 슬래그와 오일에 내성이 있고 식품 위생에 대한 Ecolab 표준에 부합하며 Underwriters Laboratories(UL)의 내유성 II 준수 표준을 충족한다.
통신 관련 케이블에는 산업 영역을 포괄하는 자체 환경 표준(ANSI/TIA-1005-A)이 있다. 이 표준은 기계, 침투, 기후/화학 및 전자기(MICE) 견고성에 대한 환경 분류를 4가지 수준으로 정의한다. 이 분류는 각 종류에 대한 심각도를 1, 2 또는 3으로 평가한다. 상업용 건물의 환경 분류는 일반적으로 M1I1C1E1이며 이 표준에서 가장 열악한 환경 분류는 M3I3C3E3이다.
명목상 최고 수준의 요구 사항(Cat 5e 이더넷 등)을 충족하는 케이블 중에서 선택할 때 설계자는 케이블 사양을 신중하게 비교해야 한다. 서로 다른 가격대의 여러 케이블이 최고 수준의 응용 분야 요구 사항을 충족하는 것처럼 보이는 경우가 많지만 면밀히 검토해보면 사양에서 차이가 드러난다.
예를 들어 Belden의 7928 및 7939는 둘 모두 산업용 Cat 5e 작동을 위한 등급인 8컨덕터 DataTuff 케이블이지만 권장 응용 분야에 차이가 있다. 그 이유는 구조상 약간의 차이로 인해 7928이 7939보다 높은 성능 장점을 제공하지만 더 많은 생산 비용이 발생하기 때문이다(표 1).

[표 1] Belden의 7939와 7928은 모두 8컨덕터 Cat 5e DataTuff 케이블이지만 약간의 구조상 차이로 7928이 성능 장점을 제공한다. (데이터 출처: Belden)

7928의 FEP 절연체 덕분에 7939의 PVC보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 7928 케이블의 구리 단선 컨덕터는 7939의 연선 컨덕터보다 피트당 더 향상된 직류 저항(DCR)을 제공하며 피트당 훨씬 더 낮은 최대 정전 용량을 제공한다. 이러한 전기적 차이는 7928에 더 낮은 지연과 더 높은 전파 속도를 부여한다.
이 모든 것은 고주파 성능 사양에 포함된다. 7928 케이블의 작동은 7939의 100MHz와 비교했을 때 최대 350MHz로 명시되어 있다. 7928은 더 낮은 주파수에서도 더 나은 성능을 제공한다.
명백한 성능 차이가 있지만 비용 측면에서도 차이가 있다. 두 가지 중 어느 케이블이든 특정 응용 분야의 기본 사양을 충족하지만 더 높은 품질 버전이 작동 시 성능 및 확신 측면에서 더 여유롭다.

응용 분야 예시: VFD 케이블

모터는 전기 에너지를 기계 동작으로 변환하며 모터는 수십 년 동안 산업 운영의 핵심 부품 역할을 해왔다. 모터 유형에는 브러시 직류 및 브러시리스 직류(BLDC) 설계, 교류(AC) 설계, 스테퍼 모터가 포함되며 각각의 고유한 성능 및 구동 특성을 보유하고 있다.

VFD 펄스 트레인의 특성

VFD는 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 AC 모터의 정밀한 속도 및 토크 제어를 제공한다. VFD는 제조 공정에 광범위하게 사용되지만 전환형 구동 신호로 인해 최상의 성능과 긴 작동 수명에 적합한 케이블을 선택하는 것이 굉장히 중요해졌다. 이러한 특성 중 일부는 다음과 같다.
정재파: VFD 케이블은 약 85Ω~120Ω 범위의 임피던스를 보유한다. VFD 모터의 임피던스는 보통 수백 옴에 달하므로 더 높다. PWM 펄스 트레인이 모터의 더 높은 임피던스를 충족하는 경우 상당한 양의 에너지가 반사된다. 이 정재파는 케이블 전압을 2배~3배 증가하여 절연체의 열화와 그로 인한 고장을 일으킨다.
코로나 방전: 컨덕터 주변의 강한 전기장은 컨덕터 사이의 공기를 이온화해 에너지 방전을 일으킨다. 코로나 방전으로 인해 케이블 절연 소재가 열화되고 차폐가 손상된다. 또한 구동 전자 장치가 손상되고 전력이 낭비되고 절연체를 녹일만한 열이 발생할 수도 있다.
고조파 왜곡: 모든 신호에는 작동 주파수의 에너지에 해당 주파수(고조파)의 배수인 에너지를 더한 값이 포함되어 파형 왜곡이 발생한다. 더 높은 고주파에서의 에너지는 케이블의 줄 손실을 심화하여 가열을 일으킨다.
유입 전류: 시작 시 모터는 매우 높은 전류를 소모할 수 있다. 대부분의 VFD 컨트롤러는 모터 속도를 천천히 올려서 최대 시작 전류를 제한하지만 케이블은 초기 서지를 감당할 수 있도록 설계되어야 한다.
EMI: 디지털 펄스의 고속 전환은 전자파 장해를 일으킨다. 이 에너지는 다른 회로로 전달되어 신호 저하, 잘못된 신호 및 기타 문제를 일으킬 수 있다.
VFD 케이블을 선택할 때는 전체 구동 시스템 및 필요한 전류 용량과 더불어 향후 증가에 대한 허용치까지 파악해야 한다. 고성능 VFD 케이블은 건설 등급 케이블보다 탁월한 접지 및 차폐 기능을 갖추고 있으며 더욱 신뢰할 수 있고 안정적인 연결을 제공한다. 다음은 VFD 성능 향상을 위한 몇 가지 팁과 주요 권장 사항이다.
접지 시스템은 가능한 한 낮은 접지 경고 임피던스에 맞게 설계되어야 한다. 접지 경로에 구리가 덧대어진 케이블(300% 접지 설계라고 함)은 잠재적으로 유해한 공통 모드 전류(CMC)가 악영향 없이 억제되어 구동기에 반환되도록 보장한다.
부식으로부터 보호하기 위해 주석 도금된 구리 컨덕터를 탑재하고 증가된 표면 영역을 위해 고주파 작동에 맞게 설계된 컨덕터를 선택한다.
낮은 정전 용량과 높은 유전체 강도를 지닌 케이블을 선택한다. 열가소성 플라스틱 고온 나일론 코팅(THHN)된 건설 등급 VFD 케이블은 케이블 충전 손실이 높고 반사파 전압을 더 빠르게 축적한다. 그러한 케이블은 교차 연결 폴리에틸렌(XLP) 등의 열경화성 절연체가 포함된 고급 컨덕터의 절연 성능과 비교했을 때 약 1/3 정도의 성능을 보인다. 또한 XLP는 코로나 방전에 대해 THHN보다 훨씬 향상된 저항성을 제공한다.
차폐 소재는 잡음 성능에 상당히 큰 영향을 미친다. 낮은 임피던스 차폐는 낮은 전류 반사와 높은 시스템 신뢰성을 제공한다. 이와 반대로 차폐되지 않은 케이블은 안테나 역할을 해서 복사성 방출의 원인이 될 수 있다. 차폐는 최상의 고주파 성능을 위해 최대 표면 영역을 보유해야 한다. 앞서 언급한 바와 같이 이중 구리 테이프 또는 브레이드는 최상의 차폐 성능을 제공한다.
Alpha Wire의 V-연성 케이블은 반복적이거나 지속적인 움직임을 특징으로 하는 로봇, 컨베이어, 기타 기계에 대한 고성능 VFD 적용을 위해 특별히 설계되었다. 이 제품군은 7가지 케이블 설계, 4AWG~16AWG의 주석 도금된 구리 연선 컨덕터, TPE 재킷, 더 쉬운 경로 지정 및 처리를 위한 향상된 유연성을 갖추고 있다. 예를 들어 VF16006 BK005 케이블은 6AWG 전선과 호일/브레이드 차폐가 포함된 4컨덕터 케이블이다(그림 6).

[그림 6] Alpha Wire의 VF16006 BK005 케이블은 VFD 응용 분야를 위해 설계되었다. 이 케이블은 컨덕터당 최대 52암페어를 처리할 수 있으며 호일/브레이드 차폐를 이용한다. (이미지 출처: Alpha Wire)

이 케이블은 내유성 및 내UV성을 제공하고 작동 온도 범위는 -40°C~+90°C이며 컨덕터당 52암페어의 최대 부하 전류로 최대 50마력(HP)의 구동을 감당할 수 있다.

결론

주어진 응용 분야에서 설계자는 다양한 가격대의 여러 케이블 옵션을 접하게 되며 모두 최고 수준의 사양을 만족하는 것처럼 보이는 경우가 많다. 하지만 상업용과 산업용 작동 환경 사이에는 막대한 차이가 있다. 이 기사는 상업용과 산업용 케이블 사이의 구조적 차이를 검토하고 두 가지 일반적인 산업용 응용 분야에 대한 케이블 요구 사항을 살펴보았다.
기사에서 언급한 바와 같이, 산업용 케이블은 상업용 케이블을 통해 미묘하면서도 미묘하지 않은 개선을 포함하고 있어 작업 현장에서 수명 주기 동안 지불한 비용 이상의 가치를 제공한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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