Study on the Tracking Characteristics Depending on Accelerated Degradation of PVC Insulation Material

PVC 절연재료의 가속열화에 따른 트래킹 특성에 관한 연구

Abstract

The present paper is a study on the tracking characteristics depending on accelerated degradation of PVC insulation material. In order to insulation degradation of PVC insulation material, the Arrhenius equation, a type of accelerated degradation test formula, was used to conduct accelerated degradation experiments with experiment samples prepared at the following age equivalents: 0, 10, 20, 30 and 40 years. Afterwards, a tracking experiment was conducted on the accelerated experiment samples as part of the KS C IEC 60112 criteria. When measuring the PVC tracking features according to the accelerated aging, the results showed that when 0.1% of ammonium chloride was added to the PVC insulating material, but no tracking occurred. However, depending on the age equivalent, The results of analyzing the current waveform and voltage waveform of the tracking propagation process showed the age equivalent from 0 years to 40 years displayed a break down in insulation resistance and even the BDB(before dielectric breakdown) sections did not maintain the same functionality of the original material. Based on a criterion of an age equivalent of 0 years, material with an age equivalent of 10 years posed a 1.4 times greater risk, material with an age equivalent of 20 years posed a 2 times greater risk, material with an age equivalent of 30 years posed a 4.6 times greater risk, and material with an age equivalent of 40 years posed a 7 times greater risk.

본 논문은 PVC 절연재료의 가속열화에 따른 트래킹 특성에 관한 연구이다. PVC 절연재료를 절연열화 시키기 위해 가속수명 시험방법 중 아레니우스 방정식을 이용한 가속열화실험을 진행하여 등가연수 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 된 실험시료를 제작하였다. 그 후 KS C IEC 60112 기준에 의한 트래킹 실험을 진행하였다. 가속열화에 따른 PVC 트래킹 특성 측정 결과 염화암모늄 0.1%를 PVC 절연재료에 투하하였을 때, 트래킹은 발생하지 않았다. 하지만 트래킹 진전과정의 전류파형 및 전압파형을 등가수명 0년에서부터 40년까지 분석한 결과 절연성이 파괴되어 본 재질의 기능성을 갖지 못하는 BDB 구간까지 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 위험성 1.4배 증가, 20년의 경우 위험성 2배 증가, 30년의 경우 위험성 3.5배 증가, 40년의 경우 위험성 7배 증가하는 것으로 나타났다.

1. 서론

고도의 경제성장과 산업화로 인해 전기설비의 사용 및 수요가 크게 증가하고 있고, 현대사회에서 전기는 없어서는 안 될 중요한 에너지원으로 일상생활에 많은 부분을 차지하고 있다. 이로 인해 전기를 사용함에 있어 각별한 주의 및 유지관리가 지속적으로 필요하지만, 매년 전기로 인한 화재사고가 줄어들지 않고 있는 추세이다. 국민안전처 국가화재정보센터의 E-화재통계자료에 의하면, 최근 5년간 발생된 전체화재 중 전기화재가 47,977건(22.4%)을 차지하면서 부주의 다음으로 가장 높은 비중을 나타내고 있다. 전기화재 원인을 세부적으로 분석해보면, 절연열화에 의한 단락 12,133건(25.3%), 미확인 단락 11,919건(24.8%), 과부하 및 과전류 5,016건(10.5%), 접촉불량에 의한 단락 4,757건(9.9%), 트래킹에 의한 단락 3,913건(8.2%), 기타 전기적 요인3,862건(8.0%), 압착손상에 의한 단락 3,132건(6.5%), 누전 및지락 1,942건(4.0%), 반단선 791건(1.6%), 층간단락 5 12건(1.1%) 순으로 나타났다.[1] 이처럼 전기화재에서 가장 높은 비중을 차지하고 있는 절연열화에 의한 단락은 절연물이 오랜 시간 피로누적과 전기설비의 장시간 사용으로 절연성이 저하되어 전기화재로 이어질 가능성이 높다. 절연열화에 의한 전기화재는 주로 노후화된 건축물에 설치된 절연물의 절연파괴로 인해 많이 발생하며, 현재 국내에서는 많은 건축물들이 연식이 증가됨에 따라 절연물도 노후화되고 있다. 국토교통부의 2016년 건축통계에 따르면 전국 기준으로 35년 이상 노후화된 건물은 2013년에는 1,922,960동, 2014년에는 1,978,819동, 2015년에는 2,013,087동, 2016년에는 2,043,769동으로 매년 3만동 이상 증가하는 추세이며 지속적인 유지보수가 되지 않을 경우 노후화로 인한 절연열화로 전기화재위험성은 매년 증가할 것으로 생각된다.[2]

이와 같이 절연열화에 의한 전기화재 위험성을 사전에 예방하기 위해서는 그 위험성을 분석하고 절연재료의 교체시기 등을 제도적으로 마련하는 것이 필요하지만, 경년변화에 따른 절연열화된 시료의 채취에 어려움이 있어 그 연구가 미비하였다. 그러나 최근 들어 전기기기의 성능에 있어 직접적으로 영향을 미치는 열화메커니즘을 분석하여 절연재료의 수명을 평가하는 가속수명시험이 진행되고 있으며, 이러한 가속수명시험은 열화의 원인이 되는 다양한 스트레스를 가혹한 조건으로 인가하여 스트레스와 수명과의 관계를 분석하고, 사용 환경조건에서의 절연재료 수명을 빠르게 예측하는 시험방법이다.[3,4]

따라서 본 연구에서 전선 및 단자대의 절연재료로 많이 사용되는 열가소성 소재인 PVC 절연재료의 절연열화에 따른 전기화재 위험성을 분석하고자 가속수명시험 방법 중 가속열화실험을 통해 등가수명 0년, 10년, 20년, 30년, 40년의 가속열화된 시료를 제작하였다. 그 후 가속열화된 PVC 절연재료 시료를 대상으로 KS IEC 60112에 의거 트래킹 실험을 실시하여 절연물의 가속열화에 따른 전기화재 위험성을 분석하였다. 또한, 추가적으로 적외선 흡수 스펙트럼(FT-IR) 측정을 통해 등가수명 0년과 등가수명 40년 된 시료의 특성 변화를 분석하였다.

2. PVC 절연재료 및 가속열화시간 고찰

2.1 PVC 절연재료

polyvinyl chloride (PVC) 절연재료는 열가소성 소재로써 염화비닐수지 또는 폴리염화비닐이라고 하며, 온도를 높여가열하면 용융되어 소성변형을 일으켜 원하는 모양으로 쉽게 변형할 수 있고, 냉각되면 변형된 모양을 유지하면서 굳는 성질을 이용하여 사출성형 및 압출에 쉽게 가공하여 사용할 수 있다. 비결정성 고분자 물질인 PVC는 유리전이 온도가 약 85 ℃이며, 이론적인 용융점은 225 ℃ 정도이지만, 실제로 용융점 이하인 100 ℃부터 열분해 되기 시작하고,빛에 의해서도 분해되는 특징이 있어, 용융점을 관찰하기 어려운 특징이 있다. 일반적으로 저전압 전선의 절연재료로 주로 사용되는 PVC는 내후성, 난연성이 뛰어나고, 가격이 저렴하여 경질 재료부터 유연성 재료에 이르기까지 다양한 제품으로 활용할 수 있는 장점을 가지고 있다. [5-7] Figure 1은 PVC 분자구조를 나타낸 것으로 PVC는 염소와에틸렌 결합으로 형성된 염화비닐 단량체(vinyl chloridemonomer)로 Figure 1(a)의 분자가 가소제, 안정제, 충진제, 보강제, 난연제, 안료, 산화방지제 등이 첨가되어 Figure 1(b)의 PVC 수지(resin)로 보통 PVC 화합물(compound)로 활용된다. [7] 이러한 PVC 절연재료는 수열을 받게 되면 염화수소(HCl)가 절연체로부터 이탈하여 열화가 가속되고, 이후 순차적으로 탈염화수소 반응이 진행되면서 공기 중 산소와 반응하여 유리염화수소가 자기매체로 되어 열화를 더욱 가속시키게 된다.[6,7]

Figure 1. PVC molecular structure.

2.2 가속열화시간 고찰

절연재료의 수명평가를 위해서는 짧은 기간 내에 절연재료의 사용연수를 증가시키기 위해 가속수명시험 중 인위적으로 절연재료를 열화시키는 가속열화시험이 필요하다. 가속열화는 절연재료의 수명에 큰 영향을 미치는 전압, 습도, 온도 등 재료의 실제 사용조건보다 혹독한 조건에서 시험을 진행하여 관측되는 데이터로부터 수명과 스트레스와의 관계를 예측하고, 사용조건에서 절연재료의 수명을 신속하게 추정하기 위한 시험이다.[7-9] 가속열화의 방법에는 전기적 가속열화와 열 가속열화가 있으나, 본 연구의 대상인 PVC 절연재료의 시료크기와 특성을 생각하여 시험 수행이 단순하고 스트레스 인가가 수월한 열적 수명평가 기법을 이용하였다. 가속열화를 위한 열적 스트레스의 인가방법은 일정형, 계단형, 점진적형 스트레스가 있으며, 본 연구에서는 계단형 또는 점진적형 스트레스보다 데이터 취득이 늦은 단점이 있으나, 시험환경이 사용환경과 가장 유사하며, 시험진행의 편리성 및 신뢰성 등이 우수하여 절연재료에 대한 시험평가 및 검증에 가장 많이 사용되고 있는 일정형 스트레스를 이용하였다.[4,7-9] 또한, 본 연구에서는 가속수명시험 모형 중 절연재료의 온도 스트레스와 관련 있는 아레니우스(Arrhenius) 모형[4,7-9]을 이용하였다.

아레니우스 방정식은 화학반응의 속도상수(k)와 절대온도(1/T)의 관계를 이용하여 시간 및 온도에 따라 노화를 가속화시키는 기법으로 적용되고 있다. 이러한 아레니우스식(1)을 이용하여 등가수명 10년, 20년, 30년, 40년이 경과된 시료를 얻기 위해 가속열화를 진행하였다.[7-9]

\(K_{2}=K_{1} \cdot \exp \left[\frac{E_{a}^{\prime}}{K_{b}} \cdot\left(\frac{1}{T_{2}^{\prime}}-\frac{1}{T_{1}}\right)\right]\)        (1)

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

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

\(K_{1}=\frac{K_{2}}{\exp \left[\frac{E_{a}}{K_{b}} \cdot\left(\frac{1}{T_{2}}-\frac{1}{T_{1}}\right)\right]}\)        (2)

여기서, K2=0 yr, 10 yr, 20 yr, 30 yr, 40 yr, T1=403 K, T2=313 K, Ea=1.0 eV, Kb=8.617×10-5 eV/K를 대입하였다.

식(2)를 통하여 PVC 절연재료의 등가수명에 따른 가속열화시간을 산출하기 위해선 PVC 절연재료의 시료에 대한 고유의 활성화 에너지가 필요한데 활성화 에너지란 화학반응이 진행되기 위해 최소한의 필요한 에너지를 말하며PVC에 대한 활성화에너지는 M. P. POIRIER의 논문을 참조하여 1.0 eV를 대입하였다.[10] 또한, 가속열화시간의 선정은 등가수명(equivalent life; EL)에 따라 0년, 10년, 20년, 30년, 40년으로 설정하였으며, 가속열화온도는 KS M ISO2578(플라스틱-장기열 노출 후의 시간-온도 한계의 측정)규정의 표 A.1([11] 및 기존 논문[3,7,8]을 바탕으로 사전 실험을 통해 PVC 절연재료의 특성과 실험시간을 고려하여 403 K(130 ℃)로 설정하였다. 사용온도는 단자대 및 차단기가 설치되는 저압용 배전반의 최고 안전 온도인 313 K(40 ℃)을 설정하였다. [12] Table 1은 아레니우스방정식 (2)를 이용해 산출된 등가수명에 따른 가속열화시간을 나타낸 것이다.

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

3. 실험

3.1 실험시료

본 연구에 사용된 실험시료는 PVC 절연재료를 사용하였고, PVC 절연재료의 가속열화를 위해 Figure 2(a)의 항온기(MC-6, INTEC Co., Japan)를 이용하였다. 또한, 항온기의 정밀 온도제어를 위해 Figure 2(b)의 온도컨트롤러(TD 500, HANYOUNG NUX Co., Korea)와 Figure 2(c)의 전력조정기(TPR-2N 50A, HANYOUNG NUX Co., Korea)를 항온기에병행 설치하여, 130 ℃(403 K)의 일정온도로 가속열화 실험을 진행하였다. 이때, 가속열화시간은 Table 1에서 산출된 등가수명을 바탕으로 항온기 내부에서 130 ℃온도로 가속열화시간 동안 지속적으로 노출시켜 10년, 20년, 30년, 40년 등가수명이 경과된 PVC 절연재료 시료를 제작하였다. Figure 3은 등가수명(EL)에 따라 가속열화된 PVC 절연재료를 나타낸 것으로 실험시료의 크기는 가로 30 mm, 세로 30 mm, 두께 3 mm로 사용하였다. 가속열화가 진행될수록 외형적으로 변색 정도가 짙어지는 것을 확인할 수 있었으며, Table 2와 같이 등가수명이 증가할 수 록 시료의 중량이 등가수명 0년과 비교하였을 때 등가수명 10년의 경우 0.06 g, 20년의 경우 0.08 g, 30년의 경우 0.13 g, 등가수명 40년의 경우 0.22 g 줄어든 것으로 나타났다.

Figure 2. Accelerated degradation experimental equipment.

Figure 3. PVC samples with accelerated degradation.

Table 2. PVC Weight Depending on the EL

3.2 실험방법

실험은 상온 23±5 ℃, 습도 50±5% 조건에서 진행하였고, 모든 실험은 5회 실시하여 평균값으로 나타내었다. 실험방법은 KSC IEC 60112(고체 절연 재료의 내트래킹 및 비교트래킹 지수 측정방법) 기준에 따라 실험장치 및 실험방법을 응용하였고,[13] Figure 4와 같이 실험회로를 구성하였고, 인가전압은 상용전원 AC 220 V(60 Hz)의 표준사용 환경으로 설정하여 실험을 진행하였다. 전극과 PVC 절연재료 사이의 트래킹을 인가하기 위해 실험에 사용한 오손액은 표준시험 용액인 0.1% 염화암모늄(NH4Cl) 수용액(이하; 오손액)을 사용하였고, 실험시료인 PVC 절연재료의 중앙 상부30 mm 높이에서 마이크로 피펫(WitoPet, WITEG Co., Germany)을 이용하여 0.02 cc(20 mg)의 염화암모늄 수용액을 30초 간격으로 적하하였다. 이때, 전극간의 간격은 4 mm로 하였고, 최대 50방울을 적하시켜 트래킹 특성을 관찰하였다. 또한, 회로의 단락전류는 KSC IEC 60112 권고안에 따라 회로 단락전류를 1±0.1 A 이하로 제한하기 위해 무유도 저항 220 Ω을 연결하였다. 트래킹 판정은 0.5 A 이상의 단락전류가 2초 동안 PVC 절연재료 표면에 흐를 경우 트래킹으로 판정하였다. 추가적으로 트래킹 진전과정 동안의 전류 및 전압 파형을 측정하기 위해 오실로스코프(WaveRunner 6 10Zi, LeCroy Co., USA)와 전류프로브(CP150, LeCroy Co., USA), 차동프로브(ADP300, LeCroy Co., USA)를 설치하여 파형을 관찰하였다. 실험시간은 최대 25분 동안 실시하였고, 실험의 재현성 및 신뢰성을 위해 매회 실험마다 전극 상태를 확인하여 세척 및 교체한 후 실험을 진행하였다. 그리고 추가적으로 가속열화에 따른 절연재료의 특성 변화를 관찰하기 위해 FT-IR 분광기(Alpha Ⅱ, Bruker Optics Co., USA)를 이용하여 등가수명 0년과 등가수명 40년 된 시료의 특성 변화를 분석하였다.

Figure 4. Schematic diagram of experimental set-up.

4. 실험결과 및 고찰

4.1 가속열화에 따른 트래킹 특성 분석

Table 3은 PVC 절연재료의 가속열화에 따른 트래킹 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 최초방전시간은 등가수명 0년의 경우 99 s, 10년의 경우 84 s, 20년의 경우 55 s, 30년의 경우 25 s, 40년의 경우 21 s로 측정되었다. 최초탄화개시시간은 등가수명 0년의 경우 115 s, 10년의 경우 108 s, 20년의 경우 80 s, 30년의 경우 47 s, 40년의 경우 40 s로 측정되었다. PVC 절연재료의 트래킹 진전과정의 특성 측정결과 최초방전시간은 열화가 되지 않은 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 15.2% 감소, 20년의 경우 44.4% 감소, 30년의 경우 74.7% 감소, 40년의 경우 78.8% 감소되는 것으로 나타났고, 최초탄화개시시간은 등가수명0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 6.1% 감소, 20년의 경우 30.4% 감소, 30년의 경우 59.1% 감소, 40년의 경우 65.2% 감소되는 것으로 나타나, 가속열화가 진행될수록 PVC 절연재료의 표면에서 발생되는 최초방전시간 및 탄화개시시간이 서서히 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 최종 트래킹 발생시간은 기존의 열경화성 수지인 페놀수지 절연재료 트래킹실험(3)의 경우 불꽃방전 발생과 함께열분해 후 페놀수지 절연재료 표면에 도전성 카본(carbon)이 고착 및 증식되어 표면 트래킹이 발생하였지만, 열가소성 수지인 PVC 절연재료의 경우 고열의 불꽃방전이 지속됨에 따라 열분해와 함께 탄화가 시작되지만, 표면에 용융과 침식이 지속적으로 나타나면서 본 연구의 실험시간동안 표면 트래킹이 발생되지 않았다. 반면, 열경화성 수지인 페놀수지 절연재료보다 열가소성 수지인 PVC 절연재료의 탄화면적 및 탄화깊이 등 트래킹에 의한 소손특성이 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구에 포함하지 않았으나, 추가적으로 지속으로 트래킹을 인가할 경우 절연재료의 표면이 구멍이 발생하는 것이 확인되면서 절연성능의 파괴로 위험성이 크게 증가되는 것을 볼 수 있었다.

Table 3. Tracking Experiment Results Depending on Accelerated Degradation of PVC

Table 4는 추가적으로 실험이 끝난 PVC 절연재료의 표면저항을 멀티테스터기(Fluke 289, Fluke Co., USA)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 것이다. 일반적으로 케이블의 절연저항의 경우 100 Ω 이하가 되면 절연성능이 급격히 저하되는 것으로 보고 있으며,[14] 트래킹에 의한 화재원인조사 시에도 멀티테스터기를 이용한 표면저항 측정을 통해 100 Ω 정도로 측정되면 절연성능이 급격히 저하된 것으로 판단하고 트래킹이 발생된 것으로 추정하고 있다.[15,16] 본 실험시료인 PVC 절연재료의 경우 실험종료 후 표면저항측정결과 수백 kΩ 대로 측정되어 기존 트래킹이 발생된 것으로 추정하는 저항보다 상당히 높게 나타났다. 하지만 트래킹 실험 전 표면저항의 경우 측정한계를 벋어난 OL(over limit)로 측정되었지만, 트래킹 실험종료 후 절연저항의 경우 최소 386.2 kΩ에서 최대 503.8 kΩ까지 측정되면서 트래킹이 진전됨에 따라 초기 절연성능이 크게 저하되어 표면저항이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 원인은 열경화성 소재의 경우 도전성 카본이 표면에 고착 및 증식되지만, 열가소성 소재인 PVC의 경우 용융 및 침식이 더욱 활발히 나타나 도전성 카본의 고착 및 증식이 열경화성 소재보다 어렵기 때문에 표면 트래킹이 발생되지 않아표면 저항 값이 상대적으로 높게 나타난 것으로 생각된다.

Table 4. Resistances of PVC after Tracking

Figure 5는 트래킹 실험이 종료된 PVC 절연재료의 탄화면적을 분석해 본 결과를 나타낸 것이다. 등가수명에 따라 PVC 절연재료 표면의 탄화면적이 등가수명 0년의 경우 108 mm², 10년의 경우 110 mm², 20년의 경우 142 mm², 30년의 경우 171 mm², 40년의 경우 199 mm²으로 측정되었다. PVC 절연재료의 탄화면적 측정결과 열화가 되지 않은 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 101.9% 증가, 20년의 경우 131.5% 증가, 30년의 경우 158.3% 증가, 40년의 경우 184.3% 증가되는 것으로 나타나면서 가속열화가 증가될 수 록 탄화면적이 넓어지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 등가수명 40년의 경우 다른 등가수명의 시료에 비해 그 위험성이 상대적으로 크게 증가되는 것으로 나타났다.

Figure 5. Photograph of tracking carbonization area depending on accelerated degradation.

Figure 6은 총 25분 동안 진행된 트래킹 실험 시 트래킹 진전과정의 전류 및 전압 파형을 등가수명 0년에서부터 40년까지 나타낸 것으로 전압프로브인 C1 파형의 경우 200V/div 범위, 전류프로브인 C2 파형의 경우 500 mA/div 범위로 하여 동시에 측정한 결과를 나타낸 것이다. 등가수명에 따른 트래킹 위험성에 대한 분석은 최초 오손액이 적하되어 PVC 절연재료의 절연성능이 파괴되어 본격적인 불꽃방전이 지속적으로 발생되기 전 구간을 before dielectric breakdown (BDB) 구간이라 설정하여 세부적으로 분석하였다. 이때, BDB 구간 설정은 트래킹 판정 기준인 0.5 A 이상의 단락전류가 PVC 절연재료 표면에 최초 흐르기 시작하는 지점으로 하여 PVC절연재료의 등가수명에 따른 트래킹위험성을 분석하였다. 등가수명에 따른 BDB 구간분석 결과 등가수명이 0년의 경우 420 s, 10년의 경우 300 s, 20년의 경우 210 s, 30년의 경우 120 s, 40년의 경우 60 s로 등가수명이 증가할수록 BDB 구간 줄어 들면서 본격적인 불꽃 방전이 지속되는 시간이 상대적으로 빠르게 나타나면서 가속열화에 의한 트래킹 위험성이 상대적으로 크게 증가되는 것으로 나타났다.

Figure 6. Voltage and Current Waveforms of Tracking Process.

Figure 7은 정상시료인 등가수명 0년을 기준으로 등가수명에 따른 BDB 구간의 시간감소에 따른 트래킹 위험성 증가비를 나타낸 것이다. 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년의 경우 BDB 구간이 29% 시간 단축되면서 트래킹 위험성이 1.4배 증가, 등가수명 20년의 경우 BDB 구간이 50% 시간 단축되면서 트래킹 위험성이 2배 증가, 등가수명30년의 경우 BDB 구간이 71% 시간 단축되면서 트래킹 위험성이 3.5배 증가, 등가수명 40년의 경우 BDB 구간이86% 시간 단축되면서 트래킹 위험성이 7배 증가되는 것으로 나타났다. 등가수명 0년의 시료에 비해 등가수명 40년의 경우 BDB 구간만을 비교했을 때, 최대 7배 위험도가 증가하는 것을 볼 수 있었다.

Figure 7. Risk increase ratio and time reduction rate in BDB section.

이상과 같은 결과 등가수명이 경과될 수 록 열화에 의한 트래킹 위험성이 높게 나타났는데, 이는 2.1절의 PVC 이론적 고찰에서와 같이 열적 노출시간이 길어질수록 탈염화수소 반응이 진행되면서 공기 중 산소와 반응하여 유리염화수소가 자기매체로 되어 열화가 더욱 가속시키게 된다. [6,7]이러한 고분자 절연재료의 열화는 사용환경에 따라 전기적, 열적 영향에 따라 그 열화가 가속될 수 있으며, 열화시간이 길어질수록 고분자 물질 자체의 특성 저하를 촉진하고 절연저하의 감소가 나타는 특성[6,7] 등에 의해 가속열화가 오래된 시료일수록 트래킹 위험성이 높게 나타난 것으로 판단된다.

4.2 PVC 대한 적외선 흡수 스펙트럼 측정 결과

Figure 8은 등가수명 0년과 등가수명 40년 된 PVC 절연재료 시료를 적외선 분광분석기(FT-IR)를 이용하여 적외선 흡수 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 열화가 되지 않은 등가수명 0년과 가속열화가 진행된 등가수명 40년을 비교했을 때 가속열화가 진행될수록 PVC 절연재료 표면이 어두운 색으로 착색되는 현상이 나타났다. 이는 PVC 절연재료의 탈염산을 촉진시켜 이중결합으로 폴리엔 구조를 형성하나, 이중결합이 8개 이상 연결되면 가시광선 영역에서 발색단(chromophore)이 되어 착색의 원인이 된다. [17] 또한 PVC의 C-Cl기가 열과 빛에 의해 C=C-C=C 결합이 형성되고 Figure 8(b)와 같이 C=C peak가 약 1,600 cm^-1에서 조금 생성되는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, PVC 절연재료는 열이나 빛에 의하여 염화수소(HCl)를 내어 분해하고 이중결합의 폴리엔구조로 착색하며, 공기 중 산소로 인해 산화되어 분자절단이나, 가교결합이 일어나 물리적인 특성이 저하되어 짙어져 가는 현상이 있어 변색 및 노화의 열화가 진행[17]되는 것으로 생각된다.

Figure 8. Results of FT-IR spectrum.

5. 결론

본 논문은 PVC 절연재료의 가속열화에 따른 트래킹 특성에 관한 연구로써 가속열화실험을 통해 등가수명 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 된 PVC 절연재료를 제작하고, 트래킹 실험을 실시하여 등가수명에 따른 전기화재위험성을 측정해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 최초방전시간의 경우 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년 15.2% 감소, 20년 44.4% 감소, 30년 74.7% 감소, 40년 78.8% 감소되었고, 최초탄화개시시간은 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년 6.1% 감소, 20년 30.4% 감소, 30년 59.1% 감소, 65.2% 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 탄화면적의 경우 등가수명 0년을 기준으로 등가수명 10년 101.9% 증가, 20년 131.5% 증가, 30년 158.3% 증가, 40년 184.3% 증가되는 것으로 나타났다.

2. PVC 절연재료의 절연성능이 파괴되어 본격적인 불꽃방전이 지속적으로 발생되기 전 구간인 BDB 구간을 중심으로 위험성을 분석해 본 결과 등가수명 0년 BDB 구간의 시간을 기준으로 등가수명 10년 BDB 구간 29% 시간 단축(위험성 1.4배 증가), 20년 BDB 구간 50% 시간 단축(위험성2배 증가), 30년 BDB 구간 71% 시간단축(위험성 3.5배 증가), 40년 BDB 구간이 86% 시간단축(위험성 7배 증가)이 발생되는 것으로 나타났다.

이상과 같은 결과 PVC 절연재료가 노후화 될수록 절연열화로 인해 전기화재의 위험성이 증가되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 열화되지 않은 등가수명 0년의 PVC 절연재료보다 등가수명 40년의 PVC가 BDB 구간만을 비교했을 때, 최대 7배 트래킹 위험성이 증가되는 것으로 나타났다.

따라서 PVC 절연재료의 절연열화에 따른 전기화재 위험성을 사전에 방지하기 위해서는 PVC 절연재료를 사용하는 전선 및 단자대 등의 경우 권장 내용연수(service life)를 제도적인 측면에서 마련해 주는 것이 노후화에 따른 전기화재 위험성을 최소화할 것으로 생각된다. 또한, 본 연구를 통해 도출된 결과는 향후 절연열화에 의한 전기화재원인분석 시 화재조사의 기초자료로 활용하고자 한다.