1. 서론

국가화재정보센터 E-화재통계자료(1)에 의하면, 2018년도 화재는 총 42,337건이 발생했으며, 이중 전기적 요인에 의한 화재가 10,451건(24.68%)으로 부주의 다음으로 가장 높은 비율을 차지하고 있다. 전기적 화재요인을 세부적으로 분석해보면 절연열화에 의한 단락 2,606건(24.94%), 미확인단락 2,544건(24.34%), 트래킹에 의한 단락 1,169건(11.19%), 접촉 불량에 의한 단락 1,140건(10.91%), 과부하/과전류1,074건(10.28%), 압착 및 손상에 의한 단락 645건(6.17%) 등으로 절연열화에 의한 단락이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한, 전기적 요인 중 발화기기/요인별 화재건수를 분석해보면 배선 및 배선기구에서 발생되는 화재가 2,668건(25.53%)으로 가장 높은 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 즉, 전기적 화재요인은 절연열화에 의한 단락과 배선 및 배선기구에서의 화재가 가장 높은 비율로 발생되고 있는 것으로 추정할 수 있다. 이 중 배선의 경우 전기적 안전성을 확보하기 위해 일반적으로 절연전선이 사용되고 있으나, 건축물의 구조특성상 절연전선은 천장 반자 및 벽면 내부에 설치되어 기능적 오류가 발생하기 전까지 교체를 하지 않고 지속적으로 사용하기 때문에 건축물의 수명과 함께 하고 있으며, 이로 인해 화재발생에 대한 잠재적인 위험성을 내포하고 있다. 즉, 장시간 사용경과 및 환경적인 열화 등으로 절연성능이 저하되어 절연파괴로 이어져 절연열화에 의한 화재발생 가능성이 높으며, 특히 노후화된 건축물 및 시장의 경우 절연열화에 의한 전선의 합선이 주요 원인으로 나타나고 있다. 국토교통부 건축통계집(2)에 따르면 매년 35년 이상 노후화된 건축물이 30,000동 이상 증가하고 있으며, 이는 기 설치된 절연전선이 건축물의 연식 증가와 동시에 사용기간이 경과되고 있는 것으로 추정된다. 이에 따라 건축물에 설치된 절연전선의 노후화를 예상하여 전기화재를 사전에 예방하기 위해서는 절연전선의 등가수명(Equivalent life, EL)에 따른 위험성을 다양하게 예측하여, 제도적인 교체주기와 보수주기를 마련해 주는 것이 필요하지만, 등가수명별 노후화된 전선시료의 채취 등의 어려움으로 연구가 부족하였다. 반면, 원자력 발전소의 경우 원전 케이블의 교체수명을 제도적으로 마련하고, 원전 케이블 가속열화를 통한 수명평가 및 위험성 예측 등 다양한 연구가 진행(3,4)되고 있다. 건축물 및 전기설비에 많은 요소를 차지하고 있는 절연전선에 대한 기존 연구는 국부적 충격, 과부하 및 과전류에 의한 전선의 발화특성에 관한 현상학적 연구(5), 반단선 및 트래킹에 의한 복합적 전기화재의 위험성에 관한 연구(6) 등 물리적 손상으로 인해 일어난 전기화재 위주의 연구들이 대부분이었다. 또한, 기 선행된 절연전선을 이용한 가속열화 연구(7,8)의 경우 트래킹 및 과전류에 대한 전기적인 위험성을 확인하였지만, 가속열화에 따른 절연피복의 물리적 성능변화에 대한 세부적인 연구는 미비하였다.

따라서 본 연구에서는 절연전선의 가속열화에 따른 절연피복의 성능변화를 확인하고자, 건축물 내에서 대표적으로 사용되는 IV 및 HIV 절연전선을 실험시료로 하여 가속수명시험(Accelerated life test, ALT) 방법 중 가속열화시험을 진행하여, 등가수명(EL) 0년, 10년, 20년, 30년, 40년의피 실험체를 제작하였다. 피 실험체를 대상으로 KS C IEC 60811-1-1(전기케이블의 절연체 및 시스 재료의 공통시험방법-제1부: 시험방법 총칙-제1절: 두께 및 완성품 외경 측정-기계적인 특성 시험)(9) 및 KS C IEC 60227-2(정격전압450/750 V 이하 염화비닐절연 케이블 : 시험방법)(10)에 의거하여 외형변형 측정, 최대인장하중 및 신장률 측정, 절연저항 및 절연체 체적고유저항 측정, 구부림 실험을 진행하여 가속열화에 따른 절연피복의 물리적 성능변화를 분석하였고, 추가적으로 등가수명에 따른 절연피복의 구조변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경을 이용한 표면분석을 진행하였다.

2. 가속수명시험에 대한 이론적 고찰

제품의 고장 정도와 제품의 사용수명을 측정하기 위해 가속수명시험을 통해 기준을 마련하고 있으며, 이러한 가속수명시험은 제품의 사용 용도에 따라 전압, 압력 또는 온도 등 제품의 용도에 맞게 실제 사용 조건보다 더욱 가혹한 조건에서 시험을 진행하여 고장 정도와 고장 자료를 취득하고 이와 같은 조건으로 관측되는 데이터로부터 사용수명을 예측하는 시험으로 적용되고 있다(11). 가속수명시험은 스트레스 인가방법에 따라 3가지 분류로 나뉘게 되는데, 계단형 스트레스, 점진적 스트레스, 일정형 스트레스 인가방법이 있으며, 계단형과 점진적 스트레스는 시간이 경과됨에 따라 스트레스 지수를 점차 높여 노출 하는 방식으로 제품의 고장데이터를 단시간 내에 취득할 수 있는 장점이 있지만, 유지관리가 힘들고 오차율 또한 크게 발생되어 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 반면, 일정형 스트레스 인가방법은 시간에 따라 스트레스를 일정하게 인가하는 방식으로 데이터 취득시간이 오래 걸리지만, 유지관리가 편리하며 신뢰성이 높은 장점을 가지고 있다(3,7,12,13).

일반적으로 절연전선은 전류에 의한 줄열의 영향을 지속적으로 인가받고 있기 때문에 이와 같은 특징을 고려하여 일정한 열의 노출을 가정한 일정형 스트레스를 본 연구에 적용하였다. 스트레스를 인가하기 위한 모형은 역거듭제곱, 아이링, 아레니우스 모형이 있다. 역거듭 모형은 전압 및 부하 이외의 스트레스를 인가하는데 사용되고, 아이링 모형은 전압에 의한 수명 스트레스 관계식에 사용되고 있다. 아레니우스 모형은 반응 속도 상수와 온도와의 관계를 나타내는 실험식으로 온도에 의한 가속수명시험에서 적용되고 있다. 따라서 IV 및 HIV 절연전선은 열화에 의한 영향을 가장 많이 받고 있기 때문에 절연체인 절연피복의 특성을 고려하여 본 실험에서는 아레니우스 모형을 적용하였다. 열은 절연재료 기기의 기계 및 전기적 특성을 변화시키고 온도의 증가는 분자의 운동에너지를 증가시킨다. 운동에너지는 분자 내에 화학반응을 활성화하게 되고, 결국재료의 분자구조를 분해하고 노화를 진행시키게 된다. 이러한 원리를 이용한 아레니우스 방정식을 이용해 노화를 나타내는 식으로 식(1)을 적용(3,8,12,13)하였다.

식(1)

화학적 반응속도는 절연재료의 수명과 반비례 하므로 식 (1)을 수명측면으로 변환시키면 식(2)과 같다.

식(2)

수명측면의 식(2)을 통해 얻어낸 화학반응 속도의 변환은 선형관계식의 관계의 차이를 얻음으로써 변환시키면 식 (3)과 같다. 식(3)은 열적스트레스를 이용한 열 노화 시간 및 온도가 주어지고 임의 사용온도에서 수명을 검증하고자 할 때 사용될 수 있다.

 식(3)

여기서, K1은 가속열화시간[h]를 의미하며, K2는 등가수명[yr], T1은 가속열화온도[K], T2는 사용온도[K], Ea는 활성화에너지[eV], Kb는 볼츠만상수[eV/K]를 의미한다.

위 식(3)을 등가수명에 따른 가속수명시험을 실시하기 위해 식(4)과 같이 변형시켜 가속열화시간을 역으로 산출할 수 있다.

식(4)

식(4)를 통하여 IV 및 HIV 절연전선의 등가수명에 따른 가속열화시간을 산출하기 위해서는 IV 및 HIV 절연전선의 활성화 에너지가 필요한데 활성화에너지는 선행연구를 참조하여, IV 절연전선 0.955 eV, HIV 절연전선 1.011 eV를 대입하였다(13-15). 또한, 등가수명(K2)은 노후화 건축물 현황을 참고하여 0년, 10년, 20년, 30년, 40년으로 설정하였으며, 가속열화온도(T1)는 KS M ISO 2578 규정을 참고하였고(16), 기선행연구들을 바탕으로 IV 및 HIV 절연전선의 주요 피복재질인 PVC 열적 안정성 및 실험시간을 고려한 403 K (130℃)로 설정(3,8)하였다. 사용온도(T2)는 IV 및 HIV 절연전선의 제조사 권장 사용온도인 333 K (60 ℃)로 설정하였다.

3. 실험

3.1 실험시료 및 가속열화실험

본 연구에 사용된 실험시료는 국내 건축물에서 대표적으로 사용되는 IV 절연전선(코드기호: 60227 KS C IEC 01) 2.5SQ와 HIV 절연전선(코드기호: 60227 KS C IEC 07) 2.5 SQ을사용하였다(17). IV 및 HIV 절연전선의 가속열화실험을 위해 Figure 1(a)의 항온기(P-OV252, Labmate Co., Korea)를 이용하였다. 가속열화시간은 항온기 내부온도를 130 ℃ (403 K)로 일정하게 유지하고, Table 1에서 산출된 등가수명(EL)에 따라 IV 절연전선은 최대 1081시간, HIV 절연전선은 최대 768시간 동안 열적스트레스를 가하였다. Figure 1(b)과 같이 실험시료들을 배열하여 열적 노출시켰으며, 이때 실험시료는 KS CIEC 60811-1-1(9)에 의거한 최대인장하중 및 신장률 측정을 위해 전선의 길이를 150 mm(구리선 제거)하여 절연피복만 유지한 상태로 열적스트레스를 가하였고, KS C IEC 60227-2(10)에 의거한 절연저항 및 절연체 체적고유저항 측정을 위해 전선길이를 5000 mm(절연피복 및 구리선 포함)로 하여 열적 스트레스를 가하였다. Figure 2는 등가수명(EL)에 따라 가속열화가 진행된 IV 및 HIV 절연전선의 외형변화를 나타낸 것으로 등가수명이 증가될수록 절연체의 완성 바깥지름, 두께, 질량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. IV 절연전선의 경우 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 40년으로 열화가 진행됨에 따라 완성 바깥지름 0.28 mm, 절연체 두께 0.14 mm, 무게0.18 g 감소되는 것으로 나타났으며, HIV 절연전선의 경우 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 40년으로 열화가 진행됨에 따라 완성 바깥지름 0.24 mm, 절연체 두께 0.12 mm, 무게0.15 g 감소되는 것으로 나타났다.

Figure 1. Photograph of accelerated degradation experiment.

Table 1. Accelerated Degradation Time of IV and HIV Insulated Wire (T1 = 130 ℃)

Figure 2. Photograph of experimental samples with accelerated degradation.

3.2 가속열화된 IV 및 HIV 절연전선 피복의 성능변화
실험

가속열화된 IV 및 HIV 절연전선 피복의 성능변화를 측정하기 위해 정상상태인 등가수명 0년 시료와 가속열화를 통해 노후화된 등가수명 10년, 20년, 30년, 40년 시료를 대상으로 KS C IEC 60811-1-1(9)에 의거한 최대인장하중 및 신장률 측정실험 및 KS C IEC 60227-2(10)에 의거한 절연저항 측정실험을 진행하였다. 실험 조건은 상온 23±5 ℃, 습도 50±5% 조건에서 진행하였으며, 모든 실험은 15회 실시하여 평균값으로 나타내었다.

3.2.1 절연전선 피복의 최대인장하중 및 신장률 측정실험

KS C IEC 60811-1-1 규격(9)에 의거하여 인장속도는 200mm/min으로 설정하였으며, 표점(Gauge length)간 거리는 20 mm로 하였다. Figure 3의 만능시험기(DST-0308-1, Daesung Tech Co,. Korea) 및 표점측정기를 이용하여 강도시험을 진행하여 최대인장하중과 신장률을 분석하였다. 최대인장하중과 신장률은 시편이 끊어지기 직전까지 받은 하중과 늘어난길이(Stretched length)로 계산하였으며, 신장률(Elongation)은 식 (5)을 이용하여 계산하였다.

 식(5)

Figure 3. Photograph of tensile load and elongation measurement experiment.

3.2.2 절연전선 피복의 절연저항 및 체적고유저항 측정실험

KS C IEC 60227-2 규격에(10) 의거하여 Figure 4의 절연저항 측정 장비들을 이용하여 실험을 진행한 후, 식(6)에 대입하여 절연체 체적고유저항을 측정하였다. Figure 4(a)는 절연저항 측정을 위한 실험시료(길이 5000 mm)이며, Figure 4(b)와 (c)는 수조와, 수조 온도컨트롤러를 나타낸 것으로 시료의 말단길이 약 250 mm 부분을 제외한 절연전선을 70 ℃로 가열한 물에 규정 시간 2시간 동안 담근 후, Figure 4(d)와 같이 지그를 접촉하여 도체와 물 사이에 80 V 이상 500 V 이하의 직류전압을 1분간 인가하여 절연저항을 측정하였다. 그 후 절연체 체적고유저항의 측정값은 식(6)을 이용하여 계산하였다.

 식(6)

여기서, Q는 절연체 체적고유저항(Ωㆍmm), L은 시료의 길이(mm), R은 측정된 절연저항(Ω), D는 실험시료의 완성외경(mm), d는 시험시료의 도체외경(mm)이다.

실험시료의 완성외경의 경우 등가수명이 증가될수록 완성외경이 감소되는 값을 측정하여 적용하였고, 도체외경의 경우 감소되는 값이 없기 때문에 등가수명에 상관없이 모두 동일한 1.6 mm를 적용하였다.

Figure 4. Photograph of insulation resistance and volume specific resistance measurement experiment.

4. 실험결과 및 고찰

4.1 절연전선 피복의 최대인장하중 및 신장률 측정실험
결과

Figure 5는 등가수명에 따른 IV 및 HIV 절연전선 피복의 최대인장하중 그래프를 나타낸 것으로 등가수명 40년 시료의 경우 IV 및 HIV 절연전선 피복 모두 장시간 가속열화에 의해 경화도가 급격히 증가되어 실험장비에 시료를 고정시킬 때 시료가 파손되어 실험 자체가 불가능하기 때문에 분석에서 제외하였다. IV 절연전선 피복의 경우 최대인장하중은 등가수명 0년 9.65 kgf, 10년 10.02 kgf, 20년 10.81 kgf, 30년 12.16 kgf로 가속열화가 진행될수록 최대인장하중이 증가되는 것으로 나타났다. 반면, 파단시간은 등가수명 0년 49 s, 10년 42 s, 20년 29 s, 30년 19 s로 감소되는 것으로 나타났다. HIV 절연전선 피복의 경우 최대인장하중은 등가수명 0년 9.18 kgf, 10년 9.44 kgf, 20년 10.78 kgf, 30년 11.77 kgf로 HIV 절연전선 또한 가속열화가 진행될수록 최대인장하중이 점차 증가되는 것으로 나타났다. 반면, 파단시간은 등가수명 0년 53 s, 10년 42 s, 20년 29 s, 30년 20 s로 감소되는 것으로 나타났다. 즉, IV 절연전선 피복은 등가수명 0년을 기준으로 최대인장하중은 등가수명 10년 3.83%, 20년 12.02%, 30년 26.01% 증가하였지만, 파단시간의 경우 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년 14.28%, 20년 40.81%, 30년 61.22% 감소하는 것으로 나타났다. HIV절연전선 피복은 등가수명 0년을 기준으로 최대인장하중은 등가수명 10년 2.83%, 20년 17.42%, 30년 28.21% 증가하였지만, 파단시간의 경우 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년 20.75%, 20년 45.28%, 30년 62.26% 감소하는 것으로 나타났다.

Figure 5. Results of tensile load.

이상과 같은 결과 등가수명이 길어질수록 최대인장하중이 증가하고, 반대로 파단시간이 짧아지는 경향을 확인할 수 있었는데, 이는 시험장치에 의해 동일 인장속도(200mm/min)로 절연피복을 당기게 되지만, 열화에 따른 경화도가 커짐에 따라 절연피복 재질(고무) 본연의 연신률이 낮아지게 되어 당기는 힘이 상대적으로 커져 최대인장하중은 증가되는 것으로 생각된다. 이로 인해 고무의 탄성이 줄어들게 되어 파단시간이 크게 감소됨으로써 절연파괴의 위험성이 상대적으로 증가되는 것으로 판단된다.

Figure 6은 등가수명에 따른 IV 및 HIV 절연전선 피복의 최대인장하중 측정실험 중 파단 직전의 표점(20 mm 기준)을 포함한 늘어난 길이(△L)와 신장률(식(5)대입) 측정 그래프로써 IV 절연전선 피복의 경우 등가수명 0년 △L 63mm(신장률 215%), 10년 △L 55 mm(신장률 175%), 20년 △L40 mm(신장률 100%), 30년 △L 23 mm(신장률 15%)로 등가수명이 증가됨에 따라 늘어난 길이와 신장률이 감소되는 것으로 나타났다. HIV 절연전선 피복의 경우 등가수명 0년△L 70 mm(신장률 250%), 10년 △L 61 mm(신장률 205%), 20년 △L 43 mm(신장률 115%), 30년 △L 24 mm(신장률 20%)로 감소하는 것으로 나타났다.

Figure 6. Results of elongation and stretched length.

등가수명 0년을 기준으로 IV 절연전선 피복은 등가수명 10년 신장률 18.60% 및 △L 8 mm 감소, 20년 신장률53.48% 및 △L 23 mm 감소, 30년 신장률 93.02% 및 △L 40 mm 감소하였고, HIV 절연전선은 등가수명 10년 신장률18% 및 △L 9 mm 감소, 20년 신장률 54% 및 △L 27 mm 감소, 30년 신장률 92% 및 △L 46 mm 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 등가수명 30년의 IV 절연전선 피복의 경우 표점거리 20 mm 포함하여 약 3 mm 늘어난 후 파단 되었고, HIV 절연전선 피복 또한 표점거리 20 mm 포함하여 약4 mm 늘어난 후 파단 되었다. 등가수명이 30년으로 증가함에 따라 급격하게 신장률이 감소하고, 유연성 또한 감소되는 것을 확인할 수 있었다.

4.2 절연전선 피복의 절연저항 측정실험 결과

Table 2는 IV 및 HIV 절연전선 피복의 절연저항 측정 실험을 진행한 후 식(6)에 대입하여, 절연체 체적 고유저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다. IV 절연전선 피복의 경우 등가수명 0년 절연저항 2.2014 × 107 Ω, 체적고유저항 0.9461MΩ‧km, 10년 절연저항 2.7891 × 107 Ω, 체적고유저항 1.2347MΩ‧km, 20년 절연저항 3.0627 × 107 Ω, 체적고유저항 1.3988MΩ‧km, 30년 절연저항 4.9881 × 107 Ω, 체적고유저항 2.3320 MΩ‧km, 40년 절연저항 1.0505 × 108 Ω, 체적고유저항 5.1346MΩ‧km로 점차 증가되는 것으로 나타났다. HIV 절연전선 피복의 경우 등가수명 0년 절연저항 2.3941 × 107 Ω, 체적 고유저항 1.0739 MΩ‧km, 10년 절연저항 2.4765 × 107 Ω, 체적 고유저항 1.1469 MΩ‧km, 20년 절연저항 4.9796 × 107 Ω, 체적 고유저항 2.3736 MΩ‧km, 30년 절연저항 5.1976 × 107 Ω,체적 고유저항 2.5275 MΩ‧km, 40년 절연저항 8.4717 × 107Ω, 4.2735 MΩ‧km로 증가되는 것으로 나타났다. KS C IEC60227-3 규격(17)에 의하면 IV 절연전선의 최소 절연저항 값은 0.010 MΩ‧km로 등가수명별 모든 IV 절연전선이 규정에 의한 절연저항 값 이상으로 측정되는 것을 확인할 수 있었고, HIV 절연전선의 최소 절연저항 값은 0.009 MΩ‧km로등가수명별 모든 HIV 절연전선이 규정에 의한 절연저항값 이상 측정되는 것을 확인할 수 있었다.

Table 2. Results of Volume Specific Resistance

실험결과 등가수명이 증가될수록 절연저항 및 체적 고유저항이 높아지는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 가속열화에 의해 절연체를 구성하고 있는 성분이 열분해가 되면서탈 염화수소 반응 등에 의해 분자 간의 결합단절이 일어나면서, 절연체 표면이 일정하지 못하고 불규칙적으로 형성(15, 18, 19)되어 직류전압이 원활하게 흐르지 못하여 절연저항값이 증가되는 것으로 생각된다.

4.3 절연전선 피복의 구부림 실험 및 주사전자현미경 표면분석 결과

Figure 7은 추가적으로 가속열화에 따른 경화된 절연전선 피복의 손상정도를 육안으로 확인하기 위해 인위적인 조건으로 구부림 실험을 진행한 결과 사진이다. 본 실험조건에서 가속열화된 IV 및 HIV 절연전선 피복 모두 등가수명 0년의 경우 50회 구부림 실험에서 시료의 어떠한 손상도 관찰되지 않았고, 등가수명 10년의 경우도 시료의 뚜렷한 손상을 관찰할 수 없었고, 단지 구부림에 의한 자국이 조금 짙어지는 것을 볼 수 있었다. 반면, 등가수명 20년의 경우 절연체 표면에 크랙 현상이 점차 발생되면서 30회 이내에 갈라짐 및 찢어지는 현상이 발생되었고, 등가수명 30년의 경우 3회 이내의 절연체가 절단되는 현상이 발생되었으며, 등가수명 40년의 경우 1회 이내에 절연체가 절단되는 현상이 나타났다.

Figure 7. Results of bending experiment.

전반적인 실험결과 등가수명에 따른 절연전선 피복의 절연손상을 관찰할 수 있었는데, 이는 4.1절의 실험결과와 마찬가지로 등가수명이 증가될수록 경화도 증가됨에 따라 최대인장하중은 커지는 반면, 파단시간, 신장률 및 구부림등의 유연성을 가지는 기계적 성질이 크게 감소되면서 물리적 충격에 의해 쉽게 피복이 손상되는 것으로 생각된다. 이로 인해 4.2절의 절연저항 결과와는 반대로 경화도의 증가로 쉽게 피복이 탈착될 수 있는 위험성을 내포하고 있어, 기계적 성질의 감소로 절연피복의 역할을 제대로 하지 못해전기화재의 위험성이 상대적으로 증가할 것으로 판단된다.

Figure 8은 등가수명 0년과 위험성이 높게 측정되었던30년, 40년 IV 및 HIV 절연전선 피복을 주사전자현미경으로 측정한 표면 사진으로 500배율, 2000배율, 5000배율로 점차 확대하여 측정하였다. Figure 8(a)은 등가수명 0년의 절연전선 피복표면 측정사진으로 가속열화가 진행되지 않은 정상시료의 경우 표면 상태가 매끄러운 연신구조를 띠고 있는 것을 관찰할 수 있었다. Figure 8(b)은 등가수명 30년의 절연전선 피복표면 측정사진으로 가속열화가 진행됨에 따라 시료 표면의 결정형 구조들이 다발적으로 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 또한 결정 생성과 동시에 부분적으로 천공이 발생되어 움푹 파이는 현상도 발견되었다. Figure 8(c)은 등가수명 40년의 절연전선 피복표면 측정 사진으로 등가수명 30년 시료보다 결정형 구조들이 비교적 크게 발생되었고 시료표면에 천공현상이 다발적으로 생성되는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 가속열화를 통해 절연체가 열화 되면서 표면의 상태가 일정하지 않고 비교적 거친 표면 상태를 확인할 수 있었다. 이와 같은 원인을 분석해보면 IV 및 HIV 절연전선 피복의 주재료는 열가소성 소재인 PVC로써 단단한 구조를 가지고 있기 때문에 온도를 높여 소성변형 하여 원하는 모양으로 제작하여 사용되고 있다. 하지만 IV 및 HIV 절연전선의 경우 옥내 배선용 전선, 전기기기용 전선으로 배선 설치 시 옥내 건축물 또는 전기기기 내부에 사용될 수 있기 때문에 유연하게 제작하여야 하며, 이에 따라 전선의 유연성을 높여주기 위해 가소제를 첨가하게 된다. 가소제는 전선 가공 시 PVC 수지 구조 사이에 균일하게 침투되어 PVC 분자 간에 서로 결합하는 성질을 약화시키고 분자 사슬이 움직일 수 있는 공간을 확보함으로써 분자가 쉽게 움직일 수 있도록 해주어 PVC 절연재료가 유연성을 가질 수 있도록 도와주는 역할을 한다(20). 이러한 PVC와 가소제는 가속열화를 통해 수열을 받게 되면 열에 의해 PVC 화학성분인 염화수소(HCl)가 절연체로부터 이탈하여 열화가 진행되고, 이와 동시에 PVC 수지 구조 사이에 균일하게 침투되어 있던 가소제의 성분도 함께 열화 되어 공기 중에 분해됨에 따라 분자간의 결합력이 약해져 PVC 절연재료의 표면의 경화도 증가 및 기계적 성질 저하로 절연성능이 급격히 저하된 것으로 판단된다(18, 19). 이와 같은 원인으로 4.2절에서 등가수명이 증가할수록 절연저항 및 체적고유저항이 높아 전기적 특성이 향상되는 것으로 판단할 수 있지만, 선행연구(7,8)에 의하면 등가수명이 증가될수록 과전류 및 트래킹에 의한 열적 특성은저하되는 것으로 나타나 절연저항 값이 높게 측정되었다하더라도 전기적 특성이 향상되었다고 판단할 수 없는 것으로 생각된다.

Figure 8. Surface measurement results using scanning electron microscope (SEM).

이상과 같은 결과 IV 및 HIV 절연전선의 경우 유동성과 작업성이 많은 재료이기 때문에 등가수명 경과에 의한 경화도가 증가하게 된다면 회전기기에 의한 진동 또는 설치환경에서의 물리적 충격에 의해 절연체가 쉽게 파괴되어절연체 내부의 구리선이 노출되고 이로 인한 전기적 위험성 증가와 더불어 절연체의 경화도에 따라 천공 및 크랙등의 절연피복의 절연파괴가 진행되어 오손된 물 또는 먼지 등에 의한 전기화재 발생 가능성도 배제할 수 없을 것으로 판단된다.

5. 결론

본 논문은 IV 및 HIV 절연전선의 가속열화에 따른 절연피복의 성능변화에 관한 연구로써 가속열화시험을 통해 등가수명 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 노후화된 시료를 제작하고, 절연피복의 성능변화를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 최대인장하중 및 신장률 측정결과 최대인장하중은 등가수명이 증가됨에 따라 등가수명 30년에서 IV 최대 26.01%, HIV 최대 28.21% 까지 증가되었다. 반면, 파단시간, 신장률 및 늘어난 길이(△L) 측정결과 등가수명이 증가됨에 따라 모두 감소되어 등가수명 30년에서 파단시간은 IV 최대 61.22%, HIV 최대 62.26% 까지, 신장률 및 늘어난길이(△L)는 IV 최대 93.02%(△L 40 mm), HIV 최대 92%(△L 46 mm) 까지 감소되었다.

2. 절연저항 및 체적고유저항 측정결과 등가수명이 증가됨에 따라 모두 증가되어 등가수명 40년에서 절연저항은 IV최대 1.0505 × 108 Ω, HIV 최대 8.4717 × 107 Ω까지, 체적 고유저항은 IV 최대 5.1346 MΩ‧km, HIV 최대 4.2735 MΩ‧km까지 증가되었다.

3. 추가적으로 구부림 실험결과 본 실험조건으로 가속열화된 IV 및 HIV 절연전선 피복 모두 등가수명 20년 시료에서 크랙이 발생되었고, 30년 및 40년 시료에서 절단현상이 나타났다. 주사전자현미경을 이용한 표면분석 결과 등가수명이 30년 및 40년 시료 표면에서 결정형 구조 및 천공현상 다발적으로 생성되는 것으로 나타났다.

이상과 같은 결과 본 실험조건에서는 등가수명이 증가될수록 절연전선 피복의 파단시간, 신장률 및 구부림 등의 유연성을 가지는 기계적 성질이 크게 감소되면서 물리적 충격에 의해 쉽게 피복이 손상되어 절연파괴로 인한 위험성이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 최대인장하중, 절연저항 및 체적고유저항이 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 등가수명이 증가될수록 가속열화에 의해 절연체 표면이 불규칙하게 형성되어 직류전압이 원활하게 흐르지 못하여 절연저항 및 체적고유저항 값이 증가된 것으로 판단된다.

따라서 현재 전기화재의 가장 높은 비중을 차지하고 있는 절연열화와 배선의 절연성능 저하에 따른 전기화재 위험성을 사전에 예방하기 위해선 건축물 내에 설치되는 절연전선 피복의 성능저하를 고려한 제도적인 교체 및 보수시기의 마련이 필요할 것으로 생각된다.

후기

이 논문은 2018년도 호서대학교의 재원으로 학술연구비 지원을 받아 수행된 연구임(20180121).