2.1 유리애자 (Glass Insulator)

유리애자는 깨지기 쉬운 특성을 보강하기 위하여 일반 강화유리가 아닌 물을 냉매로 사용하여 상대적으로 높은 강도를 가진다. 현장에 설치된 유리애자의 경우, 사용으로 인한 피로 누적보다는 외부에서 인가되는 충격으로 인하여 파손될 가능성이 크다. 유리는 외부로부터 물리적인 힘이나 순간적인 충격이 가해지면 아주 작은 양의 탄성 변형을 일으키며, 탄성 영역 이상의 큰 외력이 가해지면 유리 표면에 존재하는 상당수의 미세균열이 성장하여 파손된다. 그러나 강화유리를 사용하는 유리애자는 표면에 작용하는 영구적 압축응력이 유리 표면상의 보이지 않는 미세균열을 억제하므로, 압축응력과 유리의 강도를 합한 값보다 큰 응력이 외부에서 걸리지 않으면 깨지지 않기 때문에 비교적 안정된 특성을 가진다. 다만, 국내에 유리애자를 생산하는 제조업체가 없을 뿐만 아니라 수입된 제품 중에서도 제조사에 따라 품질 차이가 크다는 단점을 가지고 있으며 내오손특성에 열등한 특성을 가지고 있다.

2.2 자기애자 (Porcelain Insulator)

자기애자는 대표적인 전기 절연체로서 무겁고 충격에 약하기 때문에 취급이 어려운 단점을 가지고 있다. 우리나라 송전선로에 대부분 비용을 차지하고 있는 자기애자는 Fig. 1과 같은 형상이며 제조 원료에 따라 장석질 애자, 크리스토발라이트 (Cristobalite)질 애자, 알루미나 (Alumina)질 애자 등으로 구분할 수 있다. 초기 제품으로 가장 많이 사용되었던 장석질 애자는 장석, 점토, 규석으로 구성되어지며 보통 1,200～1,250℃에서 소결되지만, 기계적 강도가 낮은 단점을 가지고 있다. 크리스토발라이트질 애자는 1,250～1,300℃의 소결온도를 가지며 장석질 애자와 비교하여 높은 기계적 강도를 가진다. 그러나 열팽창률이 높고 220℃ 온도 영역에서 팽창의 굴곡점이 있어 열충격에 대한 저항이 다른 자기애자와 비교하여 낮은 단점이 있다. 또한 알루미나질 애자는 장석질 애자의 기계적 강도를 높이기 위하여 알루미나를 10～40% 추가하여 제조한다.

Fig. 1. Structure of porcelain insulator

2.3 폴리머애자 (Polymer Insulator)

폴리머애자는 자기애자의 무거운 중량과 외부 충격에 약한 단점을 보완하려는 방안으로 개발되었다. 폴리머애자는 가벼우며 외부 충격에 강한 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 내오손성이 우수하기 때문에 최근 전 세계적으로 사용량이 증가하고 있다. 국내의 경우에도 실리콘 계열의 폴리머애자가 현재 배전급 선로에 설치되어 사용되고 있다.

Fig. 2. Structure of polymer insulator

폴리머애자는 Fig. 2 와 같이 기본적으로 코어 역할을 하는 FRP (Fiber Reinforced Plastics) rod와 갓 역할을 하는 폴리머 재질의 하우징인 shed, 그리고 각종 금구류로 구성되어 있다. FRP rod는 우수한 인장강도 특성을 가지고 있다. 금구와 FRP rod와의 압력, 양쪽 금구의 밀봉 (Sealing) 및 FRP rod와 하우징 사이 계면에서의 접착력과 같은 모든 공정이 완벽해야 수분 침투를 억제할 수 있을 뿐 아니라 수분 침투로 인한 트래킹 (Tracking)을 방지할 수 있다. 그리하여, 표면의 발수성 (Hydrophobicity)을 높이기 위하여 원료를 혼합할 때부터 첨가제를 첨부하지만, 태양광으로부터 발생하는 자외선과 대기 환경오염 등으로 인하여 시간이 지남에 따라 표면의 발수성이 감소할 뿐만 아니라 전기적 스트레스로 인한 열화현상으로 절연파괴가 발생할 수 있다.

Table 1은 실험에 사용되는 애자에 대한 물리적 특성을 비교하여 나타내었으며, 각각의 장점들로 인하여 널리 사용되고 있다^[4-6].

3.1 유리애자에 대한 절연파괴 실험

본 연구에서 사용된 유리애자의 크기는 직경이 254mm이고 길이는 650mm이며 상용주파 내전압 특성 전압은 70kV이다. Fig. 5(a)에는 실험에 사용된 유리애자의 모습을 나타내었으며, Fig. 5(b)에는 건조섬락 실험, Fig. 5(c)에는 주수섬락 실험 중 절연파괴가 발생하는 순간을 나타내었다.

Fig. 5. Flashover experiment of glass insulator

절연파괴 실험을 통하여 확인한 유리애자의 건조섬락 실험에 대한 절연파괴 전압은 209.5kV이었으며, 주수섬락 실험에 대한 절연파괴 전압은 126.7kV로 측정되었다. 즉, 건조한 상태에 비해서 비에 의해서 애자가 젖은 경우를 모사한 주수 조건에서의 절연파괴 전압은 약 39.5%가 감소하는 사실을 확인할 수 있었다.

3.2 자기애자에 대한 절연파괴 실험

본 실험에 사용된 자기애자의 직경은 191mm이고 길이는 640mm이며 정격전압은 65kV이다. Fig. 6(a)는 본 연구에 사용된 자기애자의 모습을 나타내고 있으며, Fig. 6(b)는 건조섬락 실험, Fig. 6(c)는 주수섬락 실험 중 절연파괴가 발생하는 순간을 나타내고 있다.

절연파괴 실험을 통하여 확인한 자기애자의 건조섬락 실험에 대한 절연파괴 전압은 225.4kV이었으며, 주수섬락 실험에 대한 절연파괴 전압은 114.9kV로 측정되었다. 실험 결과, 자기애자는 건조섬락 실험 대비 주수섬락 실험의 경우에 절연내력 특성이 약 49% 감소하는 것을 확인하였다.

Fig. 6. Flashover experiment of porecelain insulator

3.3 폴리머애자

절연파괴 실험에 사용된 실리콘 고무 계열의 폴리머애자의 직경은 170mm이고 길이는 580mm이며 상용주파 내전압 특성 전압은 145kV이다. Fig. 7(a)는 본 연구에 사용된 폴리머애자의 모습을 나타내고 있으며, Fig. 7(b)는 건조섬락 실험, Fig. 7(c)는 주수섬락 실험 중 절연파괴가 발생하는 순간을 나타내고 있다. 폴리머애자도 다른 애자와 동일한 방식으로 절연파괴 실험을 수행하였으며, 건조섬락 실험에 대한 절연파괴 전압은 177.1kV이고 주수섬락에 대한 절연파괴 전압은 130.0kV로 측정되었다. 폴리머애자에 대한 주수섬락 실험의 절연파괴 전압은 건조섬락 대비 약 26.6%로 감소하였고 이는 3가지의 애자 중에서 가장 적은 변화임을 알 수 있었다.

Fig. 7. Flashover experiment of polymer insulator

3.4 실험 결과

본 연구에서는 애자의 절연재질 종류에 따른 절연파괴 특성 변화를 건조섬락과 주수섬락으로 구분하여 실험을 수행하였다. 절연파괴 실험 결과, 애자의 표면에 물을 분사하여 젖은 상태에서 애자의 절연내력 특성을 확인하는 주수섬락의 경우에 표면이 건조한 상태에서 실험을 수행하는 건조섬락 조건에 비하여 26.6%에서 49%까지 감소하는 사실을 확인하였다. 이때 유리애자의 감소 비율은 39.5%이고 자기애자의 감소 비율은 49%이며, 폴리머애자의 감소 비율은 26.6%로 폴리머애자가 수분에 의한 절연내력 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 건조 조건 대비 주수 조건에서의 절연내력 실험 결과를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8. Experimental results of electrical breakdown