2.1 아레니우스 가속열화시험

가속열화시험은 열적, 전기적, 화학적, 기계적 등이 열화요인으로 작용하는 인자를 분석하여 사용 환경보다 가혹한 조건에서 스트레스를 인가하여 기대수명을 유추하는 정량적 시험방법이다. 정량적 가속열화 시험방법은 고장이 발생하는 시간만을 측정하는 ALT (Accelerated Life Test)와 수명에 관련된 성능의 물리적 특성을 측정하는 ADT(Accelerated Degradation Test)로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 ADT 방법 중 하나인 아레니우스 모델을 적용하여 가속열화 시험을 진행하였다.

아레니우스 모델은 주로 반도체 및 전자부품, 고무재질의 절연체 등의 제품 또는 부품의 가속수명시험에 사용되어지며, 온도가 10℃씩 상승할 때마다 수명이 반감된다는 경험적 법칙으로 기대수명을 예측하는데 활용되고 있다⁽⁶⁾⁽⁷⁾. 아레니우스 모델은 열화요인 중에서 온도와 화학반응속도의 관계를 나타내는 것으로 온도가 증가할수록 분자의 운동에너지는 상승하며, 분자간의 유효충돌횟수가 증가하여 화학 반응이 빨라지게 된다. 즉, 온도에 영향을 받은 분자들의 충돌 빈도수가 증가하여 반응을 촉진하는 상태가 되고 화학반응속도가 증가하게 된다. 이처럼 온도와 화학반응속도의 상관관계를 분석한 아레니우스 모델을 적용하여 케이블의 절연체에 누적되는 열적 스트레스에 의해 분자구조가 열 분해되고 시간에 경과됨에 따라 노후화되는 상태를 설명할 수 있다. 식 1은 등가수명을 산출하기 위한 아레니우스 모델을 나타내고 있다⁽⁸⁾.

- K₁: 가속열화시간 [hour]

- K₂: 등가수명 [years]

- T₁: 가속열화온도 [K]

- T2 : 사용온도 [K]

- Eα : 활성화 에너지 [eV]

- Kƅ : 볼츠만상수 [8.617×10⁻⁵eV/K]

Eα/Kƅ는 활성화 온도로써 열에 영향을 받은 분자의 화학적 결합이 분리되는데 필요한 최소한의 열에너지를 나타내고 있다. 따라서 케이블의 절연체가 열적 스트레스에 의해 열분해가 발생하게 되고 이로 인해 열화가 진행되게 된다.

2.2 등가수명에 따른 가속열화시간 도출

본 연구에서는 케이블의 등가수명을 10년, 20년, 30년, 40년으로 설정하였고 사용온도는 저압용 배전반의 최고 안전온도인 40℃로 설정하였다. 케이블 절연재료의 활성화 에너지는 M. P. POIRIER의 논문을 참조하여 1.0eV를 적용하였다⁽⁹⁾. 가속열화온도는 케이블 절연체의 특성과 실험시간을 고려하여 120℃, 130℃, 140℃로 설정하였다.

식 2는 케이블의 등가수명에 따라 가속열화시간을 도출하기 위해 식 1을 적용하여 K1에 대해 정리하였다.

식 2를 적용하여 등가수명에 따른 가속열화시간을 도출하였으며, 표 2에 나타내었다. 표 2는 아레니우스 모델을 통해 도출한 120℃, 130℃, 140℃에서 등가수명에 따른 가속열화시간을 나타낸다. 즉, 120℃의 가속열화 온도에서 10년의 등가수명을 가지는 케이블 시편을 제작하기 위해서는 46시간 가열해야 됨을 나타내고 있다.

3.1 실험 방법

그림 1은 아레니우스 모델을 적용하여 가속열화된 실험시편 제작 및 실험 방법을 나타내고 있다. 실험시편은 선행연구⁽¹⁰⁾와 비교하기 위해 소방전원공급용으로 사용되고 있는 0.6/1kV 정격의 TFR-8 (Tray Frame Retardant power cable for fire service) 케이블을 사용하였으며, 대류건조기의 공간 등을 고려하여 시편의 길이는 900mm로 하였다. TFR-8 케이블은 난연·내화 성능(750℃/90분)을 가지고 있으며, 도체의 절연체로 가교 폴리에틸린(XLPE: Cross-Linked Poly Ethylene)이 사용되어 지며, 내화층으로 mica tape, 폴리염화비닐(PVC: Poly Vinyl Chlolride) 시스가 사용되어 진다. 가속열화 시간 산출의 타당성을 확보하기 위해 일정형 스트레스 인가 방법과 계단형 스트레스 인가 방법을 적용하였고, 표 2에서 도출한 가속열화시간 만큼 지속적으로 열적스트레스를 인가하기 위해 대류건조기를 사용하였다. 가속열화온도 140℃로 설정하여 등가수명을 갖는 케이블을 제작할 경우 10년은 11시간, 20년은 22시간, 30년 33시간, 40년은 44시간 동안 140℃의 일정한 온도에 노출되어 제작된다.

Fig. 1. Hardware setup for accelerated deterioration test

가속열화온도 120℃, 130℃, 140℃에서 제작된 등가수명을 가지는 케이블의 절연저항 특성을 분석하기 위해 대류건조기를 사용하여 상온에서부터 160℃까지 20℃씩 온도를 상승시켰으며, 절연저항계 S1-1568을 사용하여 3kV의 전압을 10분간 인가하여 절연저항을 측정하였다. 실험결과는 동일한 3개의 실험 시편 측정값의 평균값을 사용하였다.

3.2 실험 결과

그림 2의 (a), (b), (c)는 120℃, 130℃, 140℃의 가속열화온도에서 일정형 스트레스 인가방법으로 가속열화를 진행하여 0년, 10년, 20년, 30년, 40년 등가수명을 갖는 케이블의 온도변화에 따른 절연저항을 측정한 결과이다. 그림 2의 (a)는 120℃의 온도에서 가속열화를 진행한 등가수명 케이블에 대한 실험결과이며, 40년의 등가수명을 갖는 케이블을 제외하고 상온에서부터 100℃까지는 누설전류가 발생하지 않아 절연저항이 최대치로 측정되었고, 100℃ 이상에서부터 누설전류가 발생함에 따라 절연저항이 비율적으로 감소하는 것을 확인하였다. 가속열화가 진행되지 않은 케이블의 절연저항은 상대적으로 높은 온도인 140℃ 부터 절연저항이 감소하기 시작하였다. 즉, 가속열화가 진행됨에 따라(케이블의 등가수명이 늘어남에 따라) 케이블의 절연성능이 저하되는 것을 확인할 수 있으며, 40년의 등가수명을 갖는 케이블의 경우 절연성능이 상대적으로 현저히 저하된 것을 확인할 수 있다. 즉, 30년 이상의 등가수명을 갖는 케이블은 설치된 환경조건에 따라 절연저항이 큰 폭으로 감소함으로 가혹한 환경일 경우 절연성능이 저하는 더욱 가속될 것을 판단되며 누설전류에 의한 지락 및 단락 등으로 진전될 가능성이 높을 수 있다. 그림 2의 (b)는 가속열화온도 130℃의 온도에서 가속열화를 진행한 등가수명 케이블에 대한 실험결과이며, 120℃의 실험결과와 유사한 결과를 나타내고 있다. 그림 2의 (c)는 가속열화온도 140℃에서의 실험결과이며, 40년의 등가수명을 갖는 케이블은 80℃에서부터 절연저항이 감소하기 시작하였으며, 30년의 등가수명을 갖는 케이블도 100℃부터 절연저항이 감소하기 시작하였다. 이는 가속열화 온도가 높아지면 가열 시간이 줄어드는 장점이 있을 수 있으나 케이블에 적용되어 지는 절연체의 재료에 따라 높은 온도에 노출됨에 따라 형태의 변형이 발생할 수 있고 이에 따른 오차가 발생할 수 있음을 나타내고 있다. TFR-8 케이블의 도체 절연체로는 XLPE(내열온도 90℃), 시스는 PVC로 되어 있으며 가속열화 온도 120℃ 이상에서 경화되는 특성을 보였고 150℃ 온도에서 케이블 형상의 변형이 발생되는 것을 확인하였다. 결론적으로 케이블의 가속열화 온도는 재료의 물리적 특성을 고려하여 설정되어 져야 할 것으로 판단된다.

Fig. 3. Insulation resistance characteristics according to temperature for equivalent life 40 years.

그림 3은 130℃의 온도에서 가속열화를 진행한 40년의 등가수명 케이블에 대한 실험결과이며, 절연저항이 감소하는 시점의 온도인 80℃에서 160℃까지 20℃씩 온도를 상승시키면서 절연저항을 측정하였다. 상온부터 80℃까지는 누설전류가 발생하지 않아 절연저항이 최대치로 측정되었지만, 80℃ 이상의 온도에서 절연저항이 비율적으로 감소하는 것을 확인하였다. TFR-8케이블은 내화성능을 가지고 있으며, 소방기술기준에 관한 규칙 10조의 2(옥내소화전설비의 배선 등)에 비상전원으로부터 동력제어반 및 가압송수장치에 이르는 배선은 내화배선으로 사용하도록 규정하고 있으며, 이에 사용되어 지고 있다. 별표 4의 2에서 내화전선의 내화성능은 750±5℃의 불꽃으로 버너 노즐에서 75 mm의 거리에서 3시간 동안 가열한 다음 12시간 경과 후 전선 간에 허용전류용량 3A 퓨즈를 연결하여 내화시험전압을 가한 경우 퓨즈가 단선되지 아니하는 것 이라고 제시하고 있으나 열화가 진행된 케이블의 경우 기준에서 제시하는 온도보다 낮은 온도에서 절연저항이 감소하고 이로 인한 누설전류에 의한 지락 및 단락 등의 사고가 발생할 우려가 높다고 사료되어 지며, 노후 케이블에 대한 교체가 적절한 시점에 선행되어야 할 것으로 판단되어 진다.

Fig. 4. Comparison of insulation resistance according to accelerated deterioration temperature.

Fig. 5. Test results of insulation resistance according to stress application method.

그림 4는 가속열화온도(120℃, 130℃, 140℃)에 따른 절연저항 측정 온도별, 등가수명에 대한 결과 그래프이다. 100℃이상의 온도에서 10년, 20년, 30년, 40년 등가수명 케이블은 누설전류의 평균값이 0.002μA로써 100℃ 미만의 온도에서 보다 약 20배 큰 누설전류가 발생하였다. 가속열화온도의 변화에 따른 등가수명 케이블의 절연저항의 차이를 비교해보면, 평균 약 0.5 TΩ으로 큰 차이를 보이지 않았다. 가속열화온도를 변화시켜 가속열화를 진행하였음에도 케이블에 인가된 열적스트레스는 가속열화시간에 반비례하였기 때문에 각각의 등가수명 케이블의 절연저항 특성은 온도가 상승함에 따라 절연저항이 감소하는 비율이 유사하였다. 따라서 케이블의 형태적 변형이 발생하지 않는 온도범위에서 온도를 높여 가속열화 시간을 감소시킬 수 있을 것으로 사료되며, 아레니우스 모델의 가속열화시험은 가속열화온도를 변경하여도 등가수명 케이블의 결과 값이 유사함으로 이에 대한 타당성을 확인 하였다.

그림 5는 가속열화온도를 조합하여 계단형식의 열적스트레스를 인가하는 방법으로 30년의 등가수명을 갖는 케이블과 일정형 스트레스를 인가하는 방법으로 30년의 등가수명을 갖는 케이블의 비교 결과이다. 계단형식의 스트레스 인가는 가속열화 온도에 따라 10년의 등가수명이 성립되는 가속열화 시간만큼 열적스트레스를 누적시켜 열화를 진행한다. 즉, 140℃에서 11시간, 130℃에서 22시간, 120℃ 46시간동안 계단형식으로 열적스트레스를 누적시켜 총 30년의 등가수명을 가질 수 있도록 하였다. 온도가 상승에 함에 따른 절연저항의 감소 비율이 일정형 스트레스 인가 방법에 따른 결과 값과 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 이를 통해 아레니우스 모델을 적용하여 온도에 따른 케이블의 가속열화시간을 도출하는 것에 대한 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 케이블에 가해지는 열적 스트레스의 누적 데이터를 지속적으로 측정할 경우 케이블의 수명을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.