Fire Science and Engineering (한국화재소방학회논문지)

Korean Institute of Fire Science and Engineering (한국화재소방학회)
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A Study on the Over-current Characteristics of IV Insulated Wire Sheath According to Accelerated Degradation

가속열화에 따른 IV절연전선 피복의 과전류 특성에 관한 연구

  • Kim, Si-Kuk (Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Hoseo Univ.) ;
  • Choi, Su-Gil (Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Hoseo Univ.)
  • Received : 2018.02.01
  • Accepted : 2018.03.09
  • Published : 2018.04.30
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Abstract

This paper reports the results of a study on the over-current characteristics of IV insulated wire sheath according to accelerated degradation. In order to examine the degradation of a IV insulated wire sheath through insulation, acceleration degradation experiments were performed using the Arrhenius equation of acceleration life test models; test samples with equivalent lives of 0, 10, 20, 30 and 40 years were prepared. Then allowed currents with over-current of 100%~500% were introduced to measure the times of first generation of smokes and carbonization in the wire sheath, and it was found that the times of first generation of smokes and carbonization in the wire sheath decreased as the equivalent life increased. In more detail, when 270% over-current is applied, the electrical fire risk of equivalent life of 40 years increased by approximately 3.2 times based on equivalent life of 0 years. Also, when the over-current was 255% and 260%, carbonization occurred only in the equivalent life of 40 years, and the fire risk according to the accelerated degradation was increased dramatically. In addition, FT-IR and SEM analyzes were used to confirm the characteristics and surface changes of IV insulated wire sheath according to the equivalent life.

본 논문은 가속열화에 따른 IV절연전선 피복의 과전류 특성에 관한 연구이다. IV절연전선 피복의 절연열화를 위해 가속수명시험 모형 중 아레니우스 방정식을 이용한 가속열화실험을 진행하여 등가수명 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 실험시료를 제작하였다. 그 후 실험시료 대상으로 허용전류 100%~500% 과전류를 인가하여 전선피복에서 최초 연기 및 탄화 발생시간을 측정하였고, 등가수명이 증가함에 따라 최초 연기 및 탄화 발생시간이 감소하는 것으로 나타났다. 세부적으로 과전류 270%에서 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 40년의 전기화재 위험성이 3.2배 증가하였다. 또한, 과전류 255% 및 260% 인가 시 등가수명 40년에서만 탄화가 발생하여 가속열화에 따른 화재위험성이 비약적으로 증가하는 것으로 나타났다. 추가적으로 FT-IR과 SEM을 이용하여 IV절연전선 피복의 등가수명에 따른 특성 및 표면 변화의 차이를 확인하였다.

Keywords

1. 서론

2017년에 발생한 총 화재건수는 44,178건이었으며, 이중 전기적 요인에 의한 화재건수는 9,256건(20.95%)으로 부주의 다음으로 가장 높게 나타났다(1). 최근 5년간 전기적 요인에 의한 화재원인을 분석해보면 절연열화에 의한 단락12,035건(25.75%), 미확인단락 11,654건(24.39%), 접촉불량에 의한 단락 4,797건(10.26%), 과부하/과전류 4,689건(10.03%), 트래킹에 의한 단락 4,081건(8.73%), 기타 전기적 요인 3,409건(7.29%), 압착 · 손상에 의한 단락 2,995건(6.41%), 누전 · 지락 1,773건(3.79%), 반단선 821건(1.76%), 층간단락491건(1.05%)으로 절연열화에 의한 단락이 전기적 요인에 의한 화재에서 가장 높은 비중을 차지하고 있다(1). 절연열화는 절연재료가 전기적, 열적, 기계적, 환경적 요인 등 복합적 열화에 의해 절연성능이 저하되어 절연파괴로 이어지는 것을 말하며, 일반적으로 절연열화에 의한 화재는 절연재료의 사용기간이 장시간 경과한 노후화된 건축물에서 많이 발생하지만, 열악한 사용조건에서는 단기간에 절연열화가 진행되어 화재로 이어질 가능성도 높다(2). 국내 교통부 건축통계집에 따르면 2016년 전국기준으로 30년 이상된 건축물은 2,543,217동, 20년 이상 30년 미만 건축물은 1,536,138동, 10년 이상 20년 미만 건축물은 1,228,644동, 10년 미만 건축물은 1,191,783동으로(3) 30년 이상된 건축물이 가장 많고, 시간이 지남에 따라 그 수는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 국내 노후화된 건축물 수의 증가는 기 설치된 절연전선 등절연재료의 장시간 사용 즉, 수명저하를 의미하며, 특히 건축물에 많이 설치된 절연전선의 노후화에 따른 절연열화로 인한 화재발생 가능성 및 위험성이 높아질 것으로 생각된다. 절연전선의 노후화에 따른 절연열화에 의한 전기화재를 사전에 예방하기 위해서는 절연전선의 경년변화를 고려한 등가수명(equivalent life; EL)에 따른 위험성을 확인하여 제도적으로 교체주기를 마련해 주는 것이 필요하나, 현재까지 등가수명에 따른 절연전선 시료 채취의 어려움 등이 있어 활발한 연구가 진행되지 않았다. 하지만 최근 들어 절연재료의 열화원인이 되는 다양한 스트레스를 실제 사용환경보다 가혹한 조건으로 인가하여 수명-스트레스와의 상관관계를 분석하여, 절연재료 수명을 빠르게 예측하는 가속수명시험이 진행되고 있으며, 가속수명시험 중 가속열화시험을 이용하면 등가수명에 따른 절연전선 시료를 제작할 수 있다(4,5). 기존 절연전선의 절연열화와 관련된 연구들은송기태(2), 최충석(6,7) 등이 고온의 온도조건으로 전선을 열화시켜 특성분석 위주로 진행하였지만, 전선의 등가수명에 따른 위험성 등이 배제되었고, 박형주(8) 등에 의해 활성화에너지를 통한 전선의 수명예측 위주로 진행하였지만, 전기화재 위험성은 배제되었다.

따라서 본 연구에서는 노후화된 건축물에 많이 사용되고 있는 IV절연전선을 실험시료로 하여 가속열화실험을 진행하여 등가수명 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 된 피실험체를 제작하고, 피실험체를 대상으로 IV절연전선의 허용전류인 20 A(100%) 및 40 A(200%), 60 A(300%), 80 A (400%), 100 A(500%)의 과전류를 인가하여 가속열화된 IV절연전선피복의 과전류 경향성을 분석하였다. 또한, 가속열화에 따른 IV절연전선 피복의 위험성을 세부적으로 분석하기 위해 최초탄화가 발생되는 과전류를 측정하였다. 추가적으로 가속열화에 따른 전선피복의 특성 및 표면 변화를 관찰하기 위해 FT-IR 분광기와 주사전자현미경을 이용하여 등가수명 0년과 등가수명 40년 된 시료를 비교 · 분석하였다.

2. 이론적 배경

IV절연전선의 절연열화와 관련된 실험은 실제 사용 중인 옥내에 경년열화가 진행된 IV절연전선을 직접 수거하여 실험하는 것이 가장 정확한 방법이지만, 실제 사용조건과 노후화 시간에 맞추어 실험을 진행하게 되면 상당히 많은 시간에 구애받고 시료채취 등의 어려움이 있어 가속수명시험방법 중 가속열화실험을 이용하였다. 가속열화의 방법에는 열 가속열화와 전기적 가속열화가 있으나, 본 연구에 사용되는 IV절연전선의 시료 개수와 특성을 생각하여 시험수행이 단순하고 스트레스 인가가 수월한 열적 스트레스를 이용하는 열적수명평가 기법을 이용하였다. 가속열화를 위한 열적스트레스 인가방법은 일정형, 계단형, 점진형있으며, 본 연구에서는 계단형 또는 점진형 스트레스보다 데이터 취득이 늦은 단점이 있으나, 신뢰성이 우수한 일정형스트레스를 이용하였다. 가속수명시험 모형 중 수명-스트레스와 관련된 모형에는 역거듭제곱(Inverse power)모형, 아레니우스(Arrhenius)모형, 온 · 습도가속모형(Peck temperature-humidity)있으며, 실험진행에 있어 온도에 의해 수명이 영향을 받고, 온도 스트레스와 밀접한 관련이 있는 아레니우스 모형을 적용하여 진행하였다(4,9,10).

아레니우스 방정식은 화학반응의 절대온도(1/T)와 속도상수(k)의 관계를 이용하여 온도 및 시간에 따라 노화를 가속화시키는 열 가속화 기법으로 사용되고 있으며, 식 (1)과 같다(11).

 (1)

여기서, T1은 가속열화온도[K], T2는 사용온도[K], Ea는 활성화 에너지[eV], Kb는 볼츠만상수[eV/K], K1은 가속열화시간[h], K2는 등가수명[yr]을 의미한다.

등가수명에 따른 가속열화시간은 식 (1)을 식 (2)와 같이 변형시켜 역으로 산출할 수 있다.

(2)

식 (2)를 통하여 IV절연전선의 등가수명에 따른 가속열화시간을 산출하기 위해선 비닐절연전선인 IV절연전선피복에 대한 고유의 활성화 에너지가 필요한데 활성화 에너지(Ea)는 박형주(8)의 논문을 참조하여 0.955 eV를 대입하였다. 또한, 등가수명(K2)은 노후화 건축물 현황을 참고하여 0년, 10년, 20년, 30년, 40년으로 설정하였으며, 가속열화온도(T1)는 KS M ISO 2578 규정의 표 A.1(12)과 기존 논문(10,11,13)을 참고하여, IV절연전선 피복인 PVC의 열적 안전성 및 실험시간을 고려한 403 K (130 ℃)로 설정하였다. 사용온도(T2)는 IV절연전선의 권장 사용온도인 333 K (60 ℃)로 설정하였다. Table 1은 식 (2)를 이용해 산출된 등가수명에 따른 가속열화시간(K1)을 나타낸 것이다.

Table 1. Calculation of Accelerated Degradation Time (T1=130 ℃)

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3. 실험

3.1 실험시료 및 가속열화실험

본 연구에 사용된 실험시료는 기존 노후화된 건축물에 가장 보편적으로 많이 사용되고 있는 옥내배선용 IV절연전선을 사용하였다. 제원은 전선굵기 1.5 mm2, 절연체 두께 0.7 mm, 절연피복 Polyvinyl chloride (PVC)이고, 과전류 실험을 위해 길이 1 m로 제작하였다. IV절연전선의 가속열화실험을 위해 Figure 1(a)의 항온기(MC-6, INTEC Co., Japan)를 사용하였고, 항온기 내부의 정밀 온도제어를 위해 Figure 1(b)의 온도컨트롤러(TD 500, HANYOUNG NUX Co., Korea)와 전력조정기(TPR-2N 50A, HANYOUNG NUX Co., Korea)를 병행 설치하여, 130 ℃(403 K)의 일정온도로 가속열화실험을 진행하였다. 이때, 가속열화시간은 Table 1의 등가수명(EL) 따라 0년 0 h, 10년 270 h, 20년 541 h, 30년 811 h, 40년 1081 h 동안 항온기 내부에서 130 ℃의 일정한 열적 스트레스를 인가하였다. Figure 2는 실험시료인 등가수명(EL)에 따라 가속열화된 IV절연전선을 나타낸 것으로 가속열화가 진행될수록 IV절연전선 피복의 외형적 변색 정도가짙어졌고, 전선피복의 열화로 인해 전선의 두께 및 무게가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 가속열화시간이 가장 길었던 등가수명 40년 시료의 경우 등가수명 0년 시료보다 열화로 인해 두께가 0.3 mm, 무게가 1.56 g 정도 감소되는 것으로 나타났다.

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Figure 1. Thermostat and schematic diagram.

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Figure 2. Photograph of experimental samples with accelerated degradation.

3.2 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 특성 실험

본 실험은 가속열화된 IV절연전선 피복의 절연열화 위험성을 확인하기 위해 정상상태인 0년 시료와 가속열화실험을 통하여 제작된 등가수명 10년, 20년, 30년 40년의 시료를 대상으로 과전류 실험을 진행하여 등가수명에 따른 과전류 특성을 확인하였고, 실험은 상온 20±5 ℃, 습도 50 & plusmn; 5%의 환경조건에서 5회 이상 진행하여 위험성이 가장 높은 데이터로 나타내었다.

Figure 3은 실험의 구성도를 나타낸 것으로 과전류시험기(AFC-1010, Vosta Co., Korea)를 이용하여 IV절연전선의 허용전류 20 A(100%)로 설정하고, 200%(40 A), 300%(60A), 400%(80 A), 500%(100 A)의 과전류를 등가수명별로 가속열화된 IV절연전선에 인가하여 전선피복의 최초연기 발생시간, 최초탄화발생시간 등 경향성을 1차적으로 분석하였다. 이때, 전선에 인가된 허용전류는 한국전기기술기준위원회의 표준규격 KECS 1501(14) 및 KS C IEC60364-5-52(15) 참조하였으나, 본 실험조건과 상이한 부분이 있어 제조사에게 권장 허용전류를 문의하여 20 A로 적용하였다. 전선피복의 온도상승은 열화상카메라(Testo 885, Testo Co., Germany)로 측정하였다. IV절연전선의 설치높이는 실험 진행시 과전류에 의한 열적특성으로 인하여 전선이 하향으로 처지는 현상을 고려하여 바닥으로부터 25 cm 높이에 설치하였고, 과전류 인가시간은 실험의 안전성 및 기기의 위험성을 고려하여 600초로 하였고, 실험 중 전선의 용단이 발생할 경우 실험을 종료하였다. 또한, 가속열화에 따른 IV절연전선피복의 과전류 위험성을 세부적으로 관찰하기 위해 등가수명별로 최초탄화가 발생되는 과전류를 측정하였다. 추가적으로 가속열화에 따른 절연피복의 성분 및 표면 변화를 관찰하기 위해 FT-IR 분광기(Alpha II, Bruker Optics Co., USA)와 주사전자현미경(S-4300SE, Hitachi Co., Japan)을 이용하여 등가수명 0년과 등가수명 40년된 시료를 비교 분석하였다.

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Figure 3. Schematic diagram of experiment.

4. 실험결과 및 고찰

4.1 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 경향성 분석

Table 2는 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 경향성을 분석한 것으로 허용전류 100%에서 500%의 과전류를 600 s 동안 인가 시 피복의 최초연기 발생시간 및 최초탄화발생시간을 측정한 것이다. 정상상태인 허용전류 100% 인가 시 줄(H=0.24I2RT [cal])의 온도상승이 매우 미약하게 나타나, 최대 23 ℃의 온도가 측정되었고, 모든 등가수명에서 연기 및 탄화가 발생되지 않았다. 과전류 200% 인가 시 전류가 2배 상승함에 따라 줄열에 의한 온도상승이 발생하여, IV절연전선의 권장 사용온도인 60 ℃이내인 59 ℃까지 온도가 상승하였지만, 피복의 형태를 변형시키기에는 열적 특성이 낮아 모든 등가수명에서 연기 및 탄화가 발생되지 않았다. 과전류 300% 인가 시 전류가 3배 상승함에 따라줄열에 의한 급격한 온도상승이 나타나 최대 239 ℃까지 측정되었고, 피복의 형태를 변형시킬 정도의 열적 특성이 뚜렷하게 나탔다. 최초연기 발생시간은 등가수명 0년 98 s, 10년 97 s, 20년 95 s, 30년 92 s, 40년 89 s, 최초탄화시간은 등가수명 0년 177 s, 10년 175 s, 20년 138 s, 30년 121 s, 40년 115 s로 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 IV절연전선 피복의 최초연기 발생시간은 9 s, 최초탄화 발생시간은 62 s 정도 빠르게 나타났다. 과전류 400% 인가시 전류가 4배 상승함에 따라 열적특성이 더욱 뚜렷하게 나타났고, 최대 420 ℃까지 온도가 급격히 상승하였다. 최초 연기 발생시간은 등가수명 0년 48 s, 10년 46 s, 20년 43 s, 30년 42 s, 40년 40 s, 최초탄화시간은 등가수명 0년 57s, 10년 57 s, 20년 56 s, 30년 55 s, 40년 53 s로 등가수명이0년에서 40년으로 증가됨에 따라 최초연기 발생시간은 8 s, 최초탄화발생시간은 4 s 정도 빠르게 나타났다. 과전류500% 인가 시 전류가 5배 상승함에 따라 가장 열적 특성이 뚜렷하게 나타났고, 동선의 용융온도인 최대 1083 ℃ 이상의 고온이 나타나면서 전선의 용단이 발생하였다. 최초 연기 발생시간은 등가수명 0년 30 s, 10년 30 s, 20년 29 s, 30년 28 s, 40년 27 s, 최초탄화 발생시간은 등가수명 0년 33 s, 10년 33 s, 20년 32 s, 30년 31 s, 40년 30 s로 등가수명이0년에서 40년으로 증가됨에 따라 최초연기 발생시간은 3 s, 최초탄화 발생시간은 3 s 정도 빠르게 나타났다.

Table 2. Results of Over-current Experiment of 100% to 500% (First Smoke Generation Time; FSGT, First Carbonization Generation Time; FCGT, Fusing Time; FT)

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전반적인 실험결과 과전류 300%인가 시 등가수명에 따른 절연피복의 전기화재 위험성을 크게 관찰할 수 있었는데, 이는 과전류 400%와 500%의 경우 등가수명에 따라 열화된 피복의 성능차이를 관찰할 수 없을 정도로 전류가 상승되면서, 줄열에 의한 급격한 열적특성 증가로 전선의 발열이 매우 높게 나타나, 등가수명에 따른 열화된 피복의 성능 차이를 관찰할 수 없을 정도로 피복의 상태변화가 급격히 진행되어 미비한 차이가 나타난 것으로 생각된다. 반면, 과전류 300%의 경우 400%와 500%의 경우보다 전선의 열적 특성이 상대적으로 낮기 때문에 열화된 피복의 성능 차이를 관찰할 수 있을 정도로 열축적이 일정시간 진행됨에 따라 상대적으로 등가수명에 따른 차이를 관찰할 수 있었던 것으로 판단된다. 또한, 100%와 200% 인가 시 본 실험 시간인 600 s 내에서는 위험성이 관측되지 않았으나, 전류 인가 시간이 장시간 지속될 경우 줄열에 의해 온도상승이 나타날 수 있으며, 특히 과전류 200%의 경우 IV절연전선의 권장 사용온도인 60 ℃를 초과할 위험성을 배제할 수 없으며, 등가수명에 따른 위험성의 차이가 관측될 수 있을 것으로 생각된다.

Figure 4는 실험종료 후 300%에서 500%까지의 과전류를 인가한 IV절연전선의 소손상태를 나타낸 것으로 연기 및 탄화가 발생하지 않은 100% 및 200%는 제외하였다. 인가된 과전류가 300%에서 500%로 증가됨에 따라 소손특성이 크게 나타났지만, 등가수명에 따른 최종 소손상태의 차이는 크게 관측되지 않았다. 300% 이상의 과전류에서 전선의 온도가 상승됨에 따라 전선 피복의 열축적이 진행되고, 피복의 열화가 진행되면서 가연성 증기 및 연기가 발생하고 시간이 경과되면서 용융 및 탄화 그리고 전선 일부가 노출되는 현상이 나타났고, 400% 이상의 과전류에서는 피복이 도체인 전선으로부터 탈착 및 전선의 적열이 나타났고, 500% 과전류에서는 전선의 급격한 온도상승으로 전선이용단되는 특징이 나타났다. 일반적으로 IV절연전선의 피복은 PVC를 사용하고 있는데, PVC는 비결정성 고분자 물질로써 유리전이 온도는 약 85 ℃로 이론적인 용융점은 약 225 ℃로 알려져 있지만, 실제로 용융점 이하인 100 ℃부터 열분해 되기 시작하며, 용융점을 관찰하기 어려운 특징이 있다(10,16). 본 실험에서도 약 100 ℃ 이내의 온도에서 전선피복의 연기가 발생하는 것을 관측되었으나, 열적 안전성 등을 위해 첨가되는 성분 및 배합이 제조사마다 다르기 때문에 정확한 데이터로 제시하기에는 부족한 부분이 있다.

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Figure 4. Damaged state of IV insulated wire (over-current 300% to 500%).

4.2 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 위험성 세부 분석

Table 3은 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 위험성을 세부적으로 분석한 결과를 나타낸 것으로 과전류 경향성 분석결과 최초 연기 및 탄화가 발생한 300% 과전류를 기준으로 그 이하의 과전류를 600 s 동안 인가하였을 때 가속열화된 등가수명별로 최초탄화가 발생되는 과전류를 측정하고 위험성을 분석한 결과이다. 실험결과 등가수명 40년은 과전류 255%(51 A), 등가수명 30년은 과전류 265%(53A), 등가수명 20년, 10년, 0년은 과전류 270%(54 A) 인가 시 최초탄화가 발생되는 것으로 나타났다. 과전류 255% 인가 시 최초연기 발생시간은 등가수명 0년 168 s, 10년 165 s, 20년 158 s, 30년 148 s, 40년 142 s로 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 연기발생시간이 26 s 빠르게 나타났고, 특히 최초탄화 발생시간은 등가수명 40년에서만 586 s로 등가수명 40년의 위험성이 매우 높게 나타났다. 과전류 260% 인가 시 최초연기 발생시간은 등가수명 0년 159 s, 10년 152 s, 20년 145 s, 30년 140 s, 40년 130 s로 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 연기발생시간이 29 s 빠르게 나타났고, 과전류 255% 인가 시와 마찬가지로 최초탄화 발생시간은 등가수명 40년에서만 354 s로등가수명 40년의 위험성이 상대적으로 높게 나타났다. 과전류 265% 인가 시 최초연기 발생시간은 등가수명 0년 154 s, 10년 145 s, 20년 136 s, 30년 124 s, 40년 122 s로 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 연기발생시간이 32 s 빠르게 나타났고, 최초탄화 발생시간은 등가수명 30년 346 s, 40년 291 s로 등가수명 30년과 40년의 위험성이 높게 나타났다. 과전류 270% 인가 시 최초연기 발생시간은 등가수명 0년 148 s, 10년 142 s, 20년 131 s, 30년 123 s, 40년 118 s, 최초탄화 발생시간은 등가수명 0년 596 s, 10년 570 s, 20년 440 s, 30년 235 s, 40년 186 s로 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 연기발생시간은 30 s, 탄화발생시간은 410 s 정도 빠르게 나타나면서 과전류 위험성이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Table 3. Results of Over-current Experiment of 255% to 270% (First Smoke Generation Time; FSGT, First Carbonization Generation Time; FCGT)

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모든 등가수명에서 탄화가 발생한 과전류 270%를 대상으로 가속열화에 따른 IV전선의 과전류 위험성을 세부적으로 분석해보면 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 최초연기 발생시간이 4.05% 단축되면서 위험도1.04배 증가, 20년의 경우 최초연기 발생시간이 11.49% 단축되면서 위험도 1.13배 증가, 30년의 경우 최초연기 발생시간이 16.89% 단축되면서 위험도 1.20배 증가, 40년의 경우 최초연기 발생시간이 20.27% 단축되면서 위험도 1.25배 증가되는 것으로 나타났다. 최초탄화 발생시간은 등가수명0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 4.36 % 단축되면서 위험도 1.05배 증가, 20년의 경우 26.17 % 단축되면서 위험도 1.35배 증가, 30년의 경우 60.57 % 단축되면서 위험도 2.54배 증가, 40년의 경우 68.79 % 단축되면서 위험도 3.20배 증가되는 것으로 나타났다. 과전류 270% 인가 시 등가수명 30년과 40년이 등가수명 0년보다 탄화발생 위험도가 2.54배에서 3.20배 이상 높게 나타나면서 열화에 따른 위험성이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 과전류255%와 260% 인가 시 등가수명 40년에서만 탄화가 발생하여 열화에 따른 위험도를 예측할 수 없을 정도로 비약적으로 증가하는 것으로 나타났다.

Figure 5(a)는 등가수명 40년 시료의 위험성을 뚜렷하게 확인할 수 있는 과전류 260% 인가 종료 후 소손된 사진으로써 등가수명 0년에서 20년까지 전선피복 외형변화는 별다른 특이점이 없었고, 등가수명 30년의 경우 용융되는 부위가 일부 생성단계에 있었다. 하지만 등가수명 40년의 경우 전선피복이 전체적으로 용융되고 부분 탄화되는 확연한차이를 관찰할 수 있었다. Figure 5(b)는 모든 시료에서 탄화가 발생된 과전류 270% 인가 종료 후 소손된 사진으로 등가수명이 경과됨에 따라 전선의 소손정도의 차이가 크게 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 전선의 용융정도가 심해지고 탄화범위가 크게 나타났고, 특히 등가수명 40년에서는 전선이 부분 노출될 정도로 탄화정도가 가장 심하게 나타나는 것을 볼 수 있었다.

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Figure 5. Damaged state of IV insulated wire (over-current 260% and 270%).

전체적인 결과를 보면 등가수명이 오래될수록 열화에 의한 과전류 위험성이 높게 나타났는데, 이는 IV절연전선의 피복인 PVC의 경우 열적 노출을 받게 되면 염화수소(HCl)가 절연재로부터 이탈하는 탈염수소반응이 진행되면열화를 가속시키게 된다(8,10,13). 이러한 열화는 사용환경에서 발생되는 전기적, 열적 영향에 의해 열화를 더욱 가속시키게 되고, 장시간 열화가 지속될 때 물질 자체의 성능저하를 일으키고, 절연성능 감소가 나타나기 때문에 등가수명이 오래된 시료에서 가속열화에 따른 과전류 위험성이 증가하는 것으로 생각된다.(8,10,13) 또한, 절연열화된 전선피복의 경우 전기적, 기계적 요인에 의해 쉽게 절연파괴가 발생할 수 있으며, 피복의 소손으로 이어질 경우 합선 및 누전등에 의한 2차적인 전기화재 발생가능성이 더욱 높게 나타날 것으로 판단된다.

4.3 IV절연전선 피복의 적외선 흡수 스펙트럼 측정 결과

전선의 절연재료는 폴리염화비닐수지(PVC resin)를 가장 많이 사용하고 있으며, 폴리염화비닐은 단독 중합체로 사용하게 되면, 비교적 단단하고 잘 부서지며 결정성이 현저하게 저하되기 때문에, 가소제, 첨가제, 안정제 등을 첨가하여 탄성을 갖게 한다. 이에 따라 제조사의 첨가제에 의해성분 차이가 나타나며, 대표적인 제조공법은 아세틸렌(C2H2) 및 염화수소(HCl)를 염화제2수은 촉매로 반응시켜 제조하는 법과 에틸렌클로라이드를 열분해하는 방법으로 나뉜다. 이러한 절연재료는 클로로에틸렌계의 단량체로 CH2와 CH의 2중 결합 형태와 CH 및 Cl의 단일 결합의 형태로 구성(7)되어 있는데, 전선의 절연재료인 폴리염화비닐수지(PVC)는 열을 받게 되면 본 성분을 유지하고 있던 염화수소(HCl)가 절연체로부터 이탈하여 공기 중으로 분해되고 열화가 진행된다(8,10,16). Figure 6은 가속열화에 따른 IV절연전선 피복의 특성변화를 관찰하기 위해 등가수명 0년과 40년 된 전선피복을 FT-IR 분광기를 이용하여 적외선 흡수 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 가속열화를 진행하지 않은 등가수명 0년 시료의 경우 CH peak가 약 3000 cm-1에서 발생하였고, C-H bend가 약 1460 cm-1에서 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 종류의 peak와 bend는 IV절연전선 피복의 물질 및 성분을 유지하고 있는 화학구조로 판단된다. 반면, 등가수명 40년 시료에선 기존에 관측되었던 peak와 bend들이 관측되지 않았고 등가수명 0년시료보다 현저하게 저하된 스펙트럼을 보이고 있다. 이로 인한 스펙트럼 결과를 통해 절연피복을 유지하고 있는 물질 및 성분들이 가속열화에 의해 분해되어 분자결합의 절단이나 가교결합이 발생하여 절연성능이 급격히 저하(17)된것으로 판단된다.

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Figure 6. Results of FT-IR spectrum.

4.4 IV절연전선 피복의 주사전자현미경 표면측정 결과

Figure 7은 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)을 이용하여 등가수명 0년과 등가수명 40년의 시료 표면을 5 μm로 확대한 사진이다. 등가수명 0년의 표면의 경우 등가수명 40년 시료표면 보다 굴곡 발생이 적고, 연신구조가 존재하고 있는 반면, 등가수명 40년의 경우 열적 스트레스로 인해 연신구조가 파괴되어 풀리면서 원형의 결정들이 다발적으로 형성되었고, 시료표면의 입자조직 진열 상태가 불규칙하고, 움푹 파이는 현상이 발견되어 분자간의 결합력을 잃고 끊어져 절연성능이 저하된 것으로 생각된다. 또한, 과전류에 의한 줄열에 의해 불규칙한 시료 표면에 구리선의 고열이 그대로 전도되어 노출되면서 연신구조가 파괴되어 결합력을 잃은 절연재료는 국부적인 열을 분산시키지 못하고 결정들이 쌓이면서 형성된 천공에 열이 노출되어 탄화발생이 단축(6)된 것으로 판단된다.

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Figure 7. Results of SEM.

5. 결론

본 논문은 가속열화에 따른 IV절연전선 피복의 과전류특성에 관한 연구로써 가속열화실험을 통해 등가수명 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 된 IV절연전선 시료를 제작하고 과전류 실험을 실시하여 등가수명에 따른 과전류 위험성을 측정해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 경향성 분석결과 본 실험 조건에서는 허용전류 100% 및 과전류 200%에서 등가수명에 따른 차이를 관찰할 수 없었다. 과전류 300%인가 시 등가수명이 0년에서 40년으로 증가됨에 따라 최초 연기 발생시간은 9 s, 최초탄화 발생시간은 62 s 정도 빠르게 나타나면서, 등가수명에 따른 절연열화 위험성이 크게 관찰되었다. 반면, 과전류 400%와 500% 인가 시 등가수명이 증가됨에 따라 미소한 차이로 위험성이 높아졌는데, 이는 전류 증가에 따른 전선의 급격한 온도상승으로 등가수명에 따른 전선피복의 성능차이를 관찰할 수 없을 정도로 피복의 상태변화가 급변화하기 때문이다.

2. 가속열화된 IV절연전선 피복의 과전류 위험성 세부 분석결과 과전류 270% 인가 시 등가수명 0년을 기준으로 최초 연기발생 위험도는 등가수명 10년 1.04배, 20년 1.13배, 30년 1.20배, 40년 1.25배 증가, 최초탄화발생 위험도는 등가수명 10년 1.05배, 20년 1.35배, 30년 2.54배, 40년 3.20배 증가되는 것으로 나타나, 등가수명 30년과 40년이 가속열화에 따른 절연열화 위험성이 매우 높게 나타나는 확인할 수 있었다. 또한, 과전류 255%와 260% 인가 시 등가수명 40년에서만 탄화가 발생하여 가속열화에 따른 위험도를 예측할 수 없을 정도로 비약적으로 증가하는 것으로 나타났다.

3. 추가적으로 FT-IR과 SEM을 이용해 IV절연전선 피복의 등가수명에 따른 특성 및 표면 변화를 측정한 결과 등가수명 0년 시료의 경우 피복의 물질 및 성분을 유지하고 있는 화학구조로 판단되는 뚜렷한 피크가 관측되었지만, 등가수명 40년 시료에선 등가수명 0년 시료보다 현저하게 저하된 스펙트럼이 나타났고, 피크 등이 관측되지 않았다. 또한, SEM을 이용하여 등가수명 40년의 시료를 분석해 본 결과 열적 스트레스로 인해 연신구조가 파괴되어 풀리면서 원형의 결정들이 다발적으로 형성되었고, 시료표면의 입자조직의 진열상태가 불규칙하고, 분자간의 결합력을 잃어절연성능의 저하가 나타났다.

이상과 같은 결과 현재 전기화재의 가장 높은 비중을 차지하고 있는 절연열화의 위험성을 사전에 예방하기 위해서는 현재 노후화된 건축물에 사용되고 있는 IV절연전선의 등가수명에 따른 위험성을 고려한 노후화된 절연전선의 교체 및 권장 내용연수의 제도적인 마련이 필요할 것으로 생각된다. 향후 다양한 절연전선을 이용하여 가속열화에 따른 전기화재 위험성 연구를 추가적으로 진행하고, 절연전선의 절연열화로 인한 위험성 분석을 통해 전기화재 발생을 최소화하고 전기화재 원인분석 시 화재조사의 기초자료로 활용하고자 한다.

후기

이 논문은 2017년도 호서대학교의 재원으로 학술연구비 지원을 받아 수행된 연구임(2017-0070)

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