1.1 연구의 배경

급격한 경제성장을 통한 기술의 발전으로 인하여 전력 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며 이에 따라 발전설비 및 송‧배전 시스템 증설의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 시스템을 증설하여 대용량의 전력을 안정적으로 공급하기 위해서는 시스템의 주요 설비 중 하나인 전선의 노후화 정도 파악과 함께 사고 발생 전 전선을 교체하는 기준 설정에 대한 연구가 필요하다. 전선 및 접지선은 송‧배전 선로의 기본 구성요소 중 하나로써, 발전설비로부터 수용가까지 전력을 전송하는 매우 중요한 설비 중 하나이다. 전선은 정상적인 조건에서 운전할 때 약 40∼50년 동안 사용할 수 있다고 알려졌다^[1]. 전선의 수명을 변화시킬 수 있는 요인은 매우 다양하며 주로 열, 전기, 기계 및 환경적 응력과 같은 여러 가지 응력에 노출되어 열화가 진행된다^[2]. 예를 들어 옥외 전선의 경우에는 외부 부하, 바람, 착빙 또는 온도 변화 등에 의하여 직‧간접적인 영향을 받아 열화가 진행된다. 전선은 운전년수가 증가함에 따라 여러 요인으로 인한 스트레스가 축적되어 절연내력 감소, 기계적 강도 감소 등의 형태로 열화가 발생하며 전선의 성능이 감소하고 결국 고장으로 이어지게 된다^[3]. 전선의 고장 발생 시 대규모 정전 및 화재가 발생하여 막대한 재산상의 손실 및 인명피해로 이어질 수 있다. 따라서 전선 열화에 대한 분석을 통하여 수명에 관한 심층적인 연구와 더불어 안전 기준 정립과 관련된 연구가 필요하다. 전선의 수명을 평가하는 가장 정확한 방법의 하나는 실계통에서 사용중인 전선을 철거하여 열화상태를 확인하는 것이다. 그러나 전선을 철거하기 위해서는 시스템 가동 중단이 이루어져야 하므로 현실적으로 매우 어려운 일이다. 따라서 본 연구에서는 실험을 통하여 전선의 열화를 모의하였다. 여러 가지 열화 요인 중 과전류 통전으로 인하여 노후화된 전선을 모의하였으며, 가공 배전선로에 많이 사용되는 ACSR-OC (aluminum conductor steel reinforced outdoor cross-linked polyethylene insulated wire) 전선을 사용하여 과전류 인가 시간에 따른 전선 내부 도체의 인장강도 변화를 확인하고 분석하였다.

1.2 ACSR-OC 전선

ACSR-OC 전선은 알루미늄 피복강심 가교폴리에틸렌 절연연선으로서 고용량, 고강도, 우수한 전도성, 가벼운 무게, 저렴한 비용, 부식 저항성 및 우수한 기계적 응력으로 인하여 국내 가공 배전선로에서 많이 사용되고 있다. 아연도금강선과 알루미늄으로 연선한 후 절연 압축하여 제작하며, 주로 고압 (6.6kV) 및 특별고압 (22.9kV)의 가공 배전선로에 사용된다. Fig. 1에 ACSR-OC의 단면도를 나타내었다. 전선의 절연특성 확보를 위하여 사용된 절연물은 XLPE (cross-linked ployethylene)이다. XLPE는 가교반응을 통하여 변형시킨 폴리에틸렌으로서 우수한 절연내력과 간편한 포설 및 접속작업, 유지·보수의 간편성 때문에 전선의 절연재료로 널리 사용되고 있다. 연선된 소선의 중앙에는 전선의 하중을 지지하기 위하여 알루미늄 소선보다 기계적 강도가 강한 스테인리스스틸로 만들어진 강심이 위치하고 있다. Table 1에는 본 연구에 사용된 정격전압이 22.9kV인 ACSR-OC 전선의 사양을 나타내었다.

Fig. 1. Cross sectional view of ACSR-OC wires

1.3 인장강도

본 연구에서는 전선 열화 정도의 척도로서 소선의 강도를 나타내는 인장강도를 측정하는 실험을 수행하였다. 인장강도는 재료가 파단 되거나 파손되기 전 늘어나는 동안 견딜 수 있는 최대 응력을 의미한다. Fig. 2에는 일반적인 금속물질의 인장강도를 측정하기 위한 응력-변형 곡선 그래프를 나타내었다.

인장강도에 도달하기 전 하중의 증가가 없어도 신장율이 증가되기 시작하는 점인 항복점에 먼저 도달하게 되는데 이때의 응력을 항복강도 (yield strength)라고 한다. 재료에 스트레스를 가하면 일정 범위 안에서는 회복 가능한 변형이 일어난다. 하지만 항복강도를 넘게 되면 회복이 불가능한 소성 변형으로 변화된다. 즉, 항복강도보다 높은 응력의 결과로 발생하는 변형은 영구적이다. 항복점에서 다시 하중을 증가하여 파단에 이르게 되는 인장강도는 (1)과 같은 식을 이용하여 계산할 수 있다. 이때 Wmax는 파단에 이르는 최대하중을 의미하며 A0는 실험 샘플의 원래 단면적을 의미하며 인장강도의 단위는 kg·f/㎟ 이다.

본 연구에서는 ACSR-OC 전선에 과전류를 통전시키고 인가시간과 인가전류 크기 변화에 따른 인장강도 변화를 비교하여 ACSR-OC 전선의 열화특성을 분석하였다.

Fig. 2. Tensile strength in a stress-strain curve

2.1 열화실험 조건

ACSR-OC 전선의 열화를 모의하기 위하여 Heat cycle tester (SM-CT30)를 이용하여 실험을 수행하였다. 본 실험에 사용된 Heat cycle tester는 도체에 특정 시간 동안 전류를 인가하여 내열 및 내구성 변화를 시험하기 위한 장비이다. Heat cycle tester는 current transformer (CT)를 이용하여 자기장에 의한 유도 전류를 전선에 인가하는 방식으로 작동되며, 최대 1,300A의 전류를 인가할 수 있다. 실제 실험 사진과 개략도는 각각 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 실험은 25℃ 온도 조건에서 진행되었으며, 전선의 정격전류인 268A와 과전류인 280A, 300A의 전류를 각각 40, 60, 80, 100시간 동안 일정하게 인가하여 ACSR-OC 전선의 열화를 모의하였다. 전선의 총 길이는 가로 5..5m, 세로 1.8m로서 총 14.6m이다. ACSR-OC 전선의 온도변화를 측정하기 위하여 K-type thermocouple을 사용하였으며, 목표 전류에 도달하기 위하여 10A/s의 속도로 전류를 일정하게 증가시켰다.

Fig. 3. Landscape of actual degradation experiment

Fig. 4. Schematic diagram of degradation experiment

2.2 인장강도실험 조건

인장강도는 판단되기까지의 저항성에 영향을 미치는 특성 중 하나이다. 인장강도 실험은 샘플의 기계적 강도를 결정하기 위한 응력 시험 중 하나이다 ^{[6, 7]}. 인장강도 실험을 수행하기 위하여 전류인가 시간이 40시간이 경과하였을 때 ACSR-OC 전선을 절단하여 Fig. 5와 같이 20cm 길이로 샘플을 준비하였으며, 이후 20시간마다 절단하여 샘플을 추가하였다. 인장강도 실험은 최대 10ton까지 시험이 가능한 만능재료시험기 (5982 Universal testing machine)를 이용하였다. 인장강도 실험은 10mm/min의 속도로 진행하였으며, 샘플의 양 끝을 지그로 고정한 후 샘플이 파단될 때까지 서서히 당겨서 파단된 후 인장강도를 계산하였다. Fig. 6에는 실제 인장강도 시험 장면을 나타내었다.

Fig. 5. Degraded samples

Fig. 6. Tensile strength experiments

3.1 열화실험 결과

Fig. 7(a)는 정격전류 268A를 인가하였을 때 나타나는 시간 변화에 따른 온도특성이다. 그림에서 보는 바와 같이 정격전류를 인가했을 때 나타나는 온도 변화는 크지 않으며 ACSR-OC 전선의 허용온도인 90℃ 보다 낮은 범위에서 포화되는 것으로 확인되었다. 이를 통하여 ACSR-OC 전선에 정격전류를 일정하게 인가하였을 때 허용온도 이하에서 운전되는 것을 확인하였다. Fig. 7(b)는 정격전류보다 4.5% 증가한 280A의 과전류를 100시간 동안 인가하였을 때 시간에 따른 온도특성을 나타낸 그래프이다. 20시간이 경과하였을 때, 전선의 온도는 약 92.7℃이었으며, 100시간이 경과하였을 때 전선의 온도는 97.1℃까지 상승하였다. Fig.7(c)에는 정격전류 268A에 비하여 11.9% 증가한 300A의 과전류를 인가했을 때 시간에 따른 온도 변화를 나타내었다. 20시간이 경과하였을 때 전선의 온도는 103.4℃이었으며 100시간이 경과하였을 때는 116.2℃까지 상승하는 것을 확인하였다.

Fig. 7. Temperature of ACSR-OC wires according to applying time

3.2 인장강도실험 결과

ACSR-OC 전선 열화에 의한 인장강도의 변화를 분석하기 위하여 3가지 조건의 전류를 인가하고 40시간, 60시간, 80시간, 100시간을 통전시켰을 때 나타나는 ACSR-OC 전선의 시간별 열화도를 분석하였다. Fig. 8 은 인장강도 실험을 통하여 얻은 정상상태 알루미늄소선과 스테인리스스틸 강심의 인장강도 그래프를 나타내었다.

Fig. 8. Tensile strength graph

Fig. 9. Tensile strength when 280A is applied for 100 hours

Fig. 8에서 보는 바와 같이 스테인리스스틸 강심의 최대 하중은 1,328kg·f이며, 알루미늄 소선의 최대하중은 212kg·f이다. 이와 같이 스테인리스스틸 강심은 ACSR-OC 전선의 지지대 역할을 하는 소선으로 알루미늄 소선의 최대하중보다 높은 것을 알 수 있다. 인장강도는 최대하중을 실험 전 샘플의 단면적으로 나눈 값이므로 실제 실험을 진행한 알루미늄 소선과 스테인리스스틸 강심의 단면적으로 나누어 계산한 뒤 그래프로 나타내었다. Fig. 9는 ACSR-OC 전선에 100시간 동안 280A를 통전시켰을 때 (a) 알루미늄 소선 (b) 스테인리스스틸 강심의 인장강도 변화를 나타내었다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 280A를 100시간 인가하였을 때 알루미늄 소선은 정상상태의 인장강도 값인 18kg·f/㎟과 유사하게 측정되어 인장강도에는 큰 변화가 없는 것으로 확인되었다. 즉, 정격전류보다 4.5% 높은 280A를 100시간 동안 인가하였을 때는 열화가 일어나지 않는 사실을 확인할 수 있었다. Fig. 10은 100시간 동안 300A를 통전시켰을 때 알루미늄 소선과 스테인리스스틸 강심의 인장강도 변화를 나타내었다. Fig. 10(a)를 통하여 알 수 있듯 300A를 통전시킨 알루미늄 소선의 인장강도 값은 60시간까지는 정상상태 알루미늄 소선의 인장강도 값인 18kg·f/㎟와 유사하게 측정되었다. 그러나 80시간이 경과하였을 때부터 인장강도가 14.8kg·f/㎟로 17.8% 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 100시간 동안 과전류를 인가하였을 때에는 정상상태의 값과 비교하였을 때 초기조건과 비교하여 약 47.8%가 감소한 9.4kg·f/㎟로 측정되었다. Fig. 10(b)에서와 같이 스테인리스스틸 강심의 경우에는 알루미늄 소선과 마찬가지로 60시간까지는 정상조건의 스테인리스스틸 강심의 인장강도 값인 105.4kg·f/㎟와 유사하게 측정되었으며, 80시간이 경과하였을 때 인장강도값은 102.5kg·f/㎟으로 정상조건일 때의 측정값인 105.4kg·f/㎟과 비교하였을 때 약 2.8% 감소하였다. 과전류를 인가하고 100시간이 경과했을 때 인장강도의 값은 96.4kg·f/㎟로 정상조건에서의 인강강도와 비교하여 약 8.5% 감소한 것을 확인할 수 있었다. Fig. 11은 과전류를 인가한 뒤 100시간이 경과했을 때 인가전류의 크기에 따른 인장강도 값을 비교하여 나타낸 결과이다.

Fig. 10. Tensile strength when 300A is applied for 100 hours

Fig. 11. Graph of tensile strength values of 268A, 280A, and 300A after 100 hours of p.u. method