전선 케이블의 종류는 다양하고, 각각에 맞는 특징적인 열화와 열화진단 방법이 있다. 여기서는 6.6kV 이하에서 사용되는 케이블(CV, VV, CVV 등)과 절연 전선, 이동용 캡타이어 케이블 등 열화의 종류나 열화진단 방법에 대해 소개한다. 또한, 대표적인 전선의 열화 현상 진단 방법을 들어 해설한다. 사용하고 있는 전선·케이블의 열화가 어떻게 진행되는지를 참조하기 바란다. 

전선·케이블 열화의 특징

전선·케이블은 사용 환경에 따라 일어나는 열열화, 열변형, 오일이나 약품에 의한 열화 외에 내후성 열화나 저온 환경에서 크랙이 생기는 저온 취화 등 다양한 열화 현상이 일어난다. 열화의 종류로서 유명한 것으로는 고압 CV 케이블의 수트리 열화와 차폐 동테이프의 부식 열화를 들 수 있다. 

이외에도 가공배전선의 옥외용 가교 폴리에틸렌 절연 전선(OC), 옥외용 폴리에틸렌 절연전선(OE), 옥외용 비닐 절연전선(OW), 인입용 비닐 절연전선(DV) 등 에서는 응력 부식 단선이나 트래킹 등을 들 수 있다. 

또한 이동용 캡타이어 케이블, 코드에서는 기계적인 열화 등이 있어 전선에 따라서도 발생하는 열화의 종류가 다르다. 

▲ 그림 1. 자기 지름으로 굽었을 때의 외주 신연 50%

피복재의 열열화

피복재로서 가교 폴리에틸렌(XLPE), 폴리에틸렌(PE), 염화 비닐(PVC), 에틸렌프로필렌 고무(EPR) 등이 사용되는데, XLPE는 연속 정격 온도 90℃, PE는 75℃, PVC는 60℃, EPR은 80℃로 되어 있다. 

연속으로 정격온도를 계속 넘는 경우에 피복재가 열열화로 경화해 약해지고(취화), 굽힘이나 충격을 주면 크랙이 발생하는데, 이 현상을 열열화라고 한다. 

배선 루트 도중에 핫스폿(열원) 등이 있는 경우는 피복재의 연속 정격 온도를 넘을 가능성이 있기 때문에 전선을 선택할 때에 주의해야 한다. 

절연체가 XLPE이고, 시스가 PVC의 CV 케이블일 경우, 도체에 90℃ 가까운 열이 계속 가해지면 PVC 시스는 60℃를 넘는 경우도 있어 열열화가 우려된다. 열열화에서는 피복재의 인장 파단 신연이 100%를 지난 시점을 수명이라고 하는 경우가 많다. 

전선을 자기 지름으로 구부리면 외주 피복재의 신연이 100%를 지난 후 50%가 될 때까지의 기간은 그림 2와 같이 매우 짧다. 인장 파단 신연이 50~100% 정도가 되면 피복재는 경화(취화)하고, 충격이나 굽힘 등의 외력을 받으면 크랙이 발생하기 쉬워진다. 때문에 100%를 지난 시점을 수명이라 판단하는 경우가 많다. 

▲ 그림 2. 피복재의 열열화 수명 평가 시험

(1) 아레니우스 플롯법

피복 재료의 열열화 수명은 아레니우스 플롯(Arrhenius Flot)의 방법으로 추정하고 있다. 사진 1은 아레니우스 시험에서 절연체 시료를 가열(Aging)하고 있는 상황이다. 식 (1)은 아레니우스의 식이라 불리며 열열화 수명을 구할 수 있다. 

▲ 사진 1. 아레니우스 시험에서의 시료의 가열

여기서, L : 열열화 수명

         A : 피복재에 고유의 값

         E : 반응의 활성화 에너지

         R : 가스 정의T : 절대 온도

전선 피복재의 E 값은 20~25kcal/mol 정도이므로 사용 온도 T가 8~10℃ 상승하면, 수명 L은 반감한다고 할 수 있다. 피복재의 특정 온도 Ta에서의 열열화 수명을 이해하기 위해 그림 2와 같이 Ta보다 고온인 T1, T2, T3에서의 열열화 수명 L1, L2, L3를 측정한다.

그림 2에서 구한 수치를 구성하면 그림 3과 같이 아레니우스의 식에 따라 그 값은 거의 직선이 된다. 그 직선의 연장선상에서 특정 온도 Ta에 대응하는 값(1/Ta)을 구성하면(그림 3의 ★표), Ta에서의 열열화 수명(La)을 추정할 수 있다. 

▲ 그림 3. 피복재의 아레니우스·플롯

(2) 기타 수법

일반적으로는 선로에서 일부의 전선을 철거하고, 인장 신연을 측정해 열화진단하지만, 철거가 어려운 경우는 대용지표로서 피복재의 경도를 측정하여 열화진단한다. 

고저압 전력 케이블의 주역인 CV 케이블의 PVC 시스는 인장 신연 시험으로 열화 전도를 추정할 수 있지만, XLPE 절연체는 인장 신연 시험에서는 열화를 확인할 수 없는 경우가 많기 때문에 아래의 수법으로 열화를 추정하는 경우가 있다. 

(a) 산화도

산화 열화에 따라 생긴 카르보닐기(C＝O)나 카르복실기(COOH)의 양에서 열화의 정도를 추정하기 때문에 주로 형광분석광도계가 사용된다. 

(b) 산화유도기간(OIT)

열열화에 따라 산화 방지제가 소비되면, 산화유도 기간이 짧아진다. 미열화품과의 비교로 어느 정도 산화방지제가 소비되는지 추정하는 것으로 시차주사열량계(DSC)를 사용한다. 

(c) 열이력

수명과는 직결되지 않지만, 사용중에 사고 등에서 어느 정도의 고온에 노출되는가를 알 수 있다. 측정 장치는 앞에서 말한 DSC를 사용한다. 

피복재의 오일·약품에 따른 열화

피복재는 오일이나 약품에 노출되면 팽윤하여 사용할 수 없게 된다. 화학플랜트의 폐액의 영향을 받는 경우 등은 주의해야 한다. 정성적이지만, 피복재의 내오일·내약품성을 표 1에 나타냈다. 

▲ 표 1. 피복재의 내유·내약품성

PVC, 클로로플렌(합성 고무의 원료)은 오일·약품의 영향을 받기 쉽고, PE, XLPE는 오일·약품에 강하다는 것을 알 수 있다. 

피복재의 저온 취화

피복재는 저온에서 사용되면 경취(硬脆)하게 되기 때문에 충격을 받으면 크랙이 발생하는 일이 있다. 표 2에 전선피복재의 저온에서의 취화 온도(평가 방법에 의해 결과가 다르기 때문에 주의를 요한다)를 나타냈다. 

▲ 표 2. 피복재의 저온 취화 온도

XLPE나 PE는 -60℃까지, EPR은 -50℃까지 사용할 수 있지만, PVC는 -20℃ 이하의 환경에서는 저온 취화의 위험이 있다. 또한 PVC는 -10℃ 이상에서도 저온 하에서 강한 충격을 주면 크랙이 발생하기 때문에 주의해야 한다.

피복재의 내후성 열화

태양광선의 영향을 받는 경우, 피복재는 열화해 약해진다. 따라서 전선의 바깥층의 피복재는 내후성이 좋은 재료를 선정할 필요가 있다. PVC는 대체로 내후성이 좋고, 검정색은 특히 우수하다. 때문에 가공배전용 전선·케이블에서는 피복재로서 널리 채용되고 있다. 

한편, PE, XLPE는 안료나 첨가제를 더하지 않으면 내후성이 매우 나쁘다. 때문에 CV 케이블의 시스를 제거한 XLPE 절연체의 부분은 검정색의 PVC 테이프 등으로 차광할 필요가 있다. 가공배전선의 OC는 XLPE로 절연되고, OE는 PE로 절연되는데, 카본을 배합하여 검정색으로 함으로써 내후성 향상을 가늠하고 있다. 피복재의 내후성을 평가하는 수법으로 다음의 두개가 있다. 

(1) 대기 폭로 시험

10년, 20년에 걸쳐 대기 폭로하여 열화의 정도를 평가하는 수법이다. 데이터의 확실성은 확보할 수 있지만, 기간이 너무 걸린다는 것이 곤란한 점이다.

(2) 인공 광원 촉진 폭로 시험

인공적으로 강한 빛을 닿게해 촉진 열화시켜 평가하는 수법이다. 광원으로는 두가지 종류가 있다. 

하나는 선샤인 카본 아크 광원을 이용하는 방법이다. 오래전부터 사용되어온 광원이며, 자외 영역에서 강한 에너지를 갖기 때문에 촉진 배율이 높아 전력회사에서는 이 광원을 이용한 데이터의 축적이 있다. 

또 하나는 크세논 아크 광원을 이용하는 방법이다. 에너지 분포가 자외 영역, 가시 영역 모두 태양광과 가깝기 때문에 최근에는 IEC 국제 규격을 포함하여 크세논 아크 광원이 주류가 됐다. 인공광원의 경우, 무엇을 평가하는가에 따라 촉진 배율이 다르며, ‘200H 조사＝1년에 상당’한 것은 반드시 타당하다할 수 없다. 

가공배전선의 응력 부식 단선

가공배전선의 OC, OE, OW는 상시 응력이 더해지지만, 경동선을 도체로 한 배전선은 응력 부식 단선이라는 사고를 많이 경험해 왔다. 사진 2에 응력 부식 단선한 배전선을 나타냈다. 

▲ 사진 2. 가공 배선의 응력 부식 단선

도체 표면·파단면 모두 검게 산화하고 있다. 소선의 파단면은 길이 방향에 거의 직각이다. 소선 파단의 위치는 길이 방향으로 조금씩 어긋나 있다. 

응력 부식 단선의 원인은 인류(引留) 클램프 등에서 도체 내에 침수한 빗물이 절연 피복에 의해 갇혀 도체를 부식시키고 이로써 경동으로 선 제조 시의 잔류응력이 더해져 부식면에 크랙이 생기고, 이것이 진화하기 때문이다. 

가장 일반적인 대책은 도체 내에의 빗물의 침입을 막기 위해 도체에서 선 내에 수밀 콤파운드를 충전하는 방법이다. OC의 도체를 수밀로 한 전선은 OC-W라고 부른다. 

가공배전선의 트래킹 열화

트래킹 열화는 고압 배전선에 일어난다고 알고 있는데, 2개 꼬임·3개 꼬임의 저압 배전선 DV에서도 태풍이 지나간 해안가에서는 트래킹이 발생하는 경우가 있었다. 

때문에 전기용품안전법의 기술기준이 개정되어 DV와 더불어 DE의 사용도 확인됐다. 이 PE 절연의 DE는 PVC 절연의 DV보다 내트래킹성이 우수하다. 

고압 배전선의 트래킹 열화는 그림 4와 같이 전선 표면을 흐르는 누설 전류로 인해 발생한다. 평상시에는 발생하지 않지만, 우천으로 표면저항이 낮아진 후 표면이 얼룩덜룩 건조하면 누설 전류의 유로가 방해된다. 국부적으로 건조한 부분을 아크 방전되어 전류가 흐르게 되며 절연체 표면에 트래킹 열화(소손)가 발생한다. 

▲ 그림 4. 고압 가공 배전선의 트래킹 열화

절연체 표면에 돌기가 붙은 난착설전선은 돌기가 붙은 부분에 많은 빗물이 잔류하기 때문에, 내후성 열화 대책으로 배합한 카본 양이 너무 많으면 트래킹 열화가 생기기 쉽다. 

또한 저압인 DV의 트래킹 열화는 태풍이 왔을 때 비래물(날아온 물체) 등으로 절연체가 손상되어 노출된 도체의지락전류가 전선 표면을 거쳐 흐르고, 그 후에는 고압 배전선과 같은 현상으로 트래킹 열화가 생기는 듯 하다.

고압 CV 케이블의 수트리 열화

(1) 수트리 현상과 그 대책

1965년 이후 오랫동안 전선 업계의 골칫거리였던 열화 현상은 고압 CV 케이블의 수트리 열화이다. 당초는 수트리라고 말하지 않고 ‘백탁’이라고 했다. ‘백탁’된 XLPE 절연체의 외관과 단면 사진을 사진 3, 사진 4에, 그림 5에 단심 고압 CV 케이블의 단면 구조를 나타냈다. 

▲ 사진 3. 수트리(백탁)의 표면 사진

▲ 사진 4. 수트리(백탁)의 단면 사진

▲ 그림 5. 고압 CV 케이블(단심)의 단면 구조

또한 사진 3, 사진 4의 수트리는 도체 내에 침수가 있고, 주위 온도가 높다는 악조건 하에서 발생한 것이다. 

사진 4에서 알 수 있듯이, ‘백탁’은 주로 절연체 내면의 반도전성 테이프의 보풀과 절연체 표면에서 발생하고 있다. 건조하면 ‘백탁’은 소멸하고, 온수 속에서 끓으면 ‘백탁’이 재현되기 때문에 백탁 물질은 물이라는 것을 알 수 있어 이 현상은 수트리라 불리게 됐다. 

수트리의 원인은 물과 전계의 상호작용에서 발생된다. 그 후 각종 연구를 거쳐 내부 반도전층을 반도전성 수지의 압출 구조로 하여 절연체 내면에서의 수트리 발생을 방지했다. 절연체 표면에서 수트리는 방지할 수 없지만, 절연체 표면에서의 수트리는 성장이 늦어 외부 반도전층의 재질을 적절히 선택하면 실용적으로는 문제가 되지 않는다. 

그러나 보다 높은 안전성을 요구하는 경우에는 외부 반도전층도 압출 구조로 한 고압 CV 케이블이 채용되고 있다. 

현재 고압 CV 케이블의 수트리 대책은 완료했으며, 실용적으로는 큰 문제가 없다. 그러나 과거에 부설한 케이블의 수트리에 의한 절연 파괴가 산발하고 있으며, 예외적인 나쁜 환경에서 대책 후에도 절연 파괴하는 예가 있다. 

사진 4에 나타낸 수트리는 내부 도전 트리·외주(외부 도전)트리라고 불리는데, 사진 5에 나타내는 ‘보타이트리(BTT)’라 불리는 수트리도 발생하고 있다. 보타이는 나비넥타이를 말한다. 이 BTT는 절연체 속의 이물, 보이드 등의 결함이 원인이 되어 발생하기 때문에 결함의 제거도 중요한 과제이다. 

▲ 사진 5. 보타이트리(Bowtie tree, BTT)의 예

30년 정도 사용을 가정한 경우, BTT의 성장은 매우 늦고, 고압 CV 케이블이 이 BTT가 원인으로 절연 파괴하는 일은 없다. 단, 초고압 CV 케이블에서는 BTT가 큰 문제가 되어 수트리의 원인 중 하나인 ‘물’ 그 자체를 차단하는 방법(알루미시스 등의 차수 구조)이 채용되고 있다. 

(2) 수트리 열화진단법 1

전원을 끄고 실시하는 절연 저항 측정법을 소개한다. 고압 CV 케이블의 수트리 열화진단에서 중요한 점은 다음과 같다. 

1) DC5kV~10kV를 가할 때의 절연 저항값으로 열화진단한다. DC1000V 메가에서는 통상 수트리 열화를 검출할 수 없다. 절연체를 관통하는 수트리가 있어도 절연 저항은 통상 ∞(무한대)가 되기 때문에 주의해야 한다. 

2) 고전압을 가하는 1)의 방법에서도 절연체를 관통하는 수트리만 검출할 수 있다. 

3) 절연체를 관통하는 수트리가 있어도 그 수가 적지 않으면 케이블은 통상 절연 파괴하지 않는다. 

4) 절연 파괴는 관통 수트리의 수가 많아지고, 그 결과 1)의 방법에서는 측정한 절연 저항이 저하한 후에 발생한다. 

5) 1)의 방법으로 측정한 절연 저항이 2~10GΩ 이상이면 당면(환경에도 의하지만, 약 1년 정도)해서는 절연 파괴하지 않는다(매년 1회 정도의 빈도로 경향을 감시한다). 

6) 측정은 케이블 선로의 단말을 깨끗하게 하여 충분히 건조한 상태로 한다. 필요에 따라 양 단말의 중간에 나선을 감아 그 나선의 다른 끝을 가드 단자에 이어 단말 표면의 누설 전류의 영향을 차단한다. 

(3) 수트리 열화진단법 2

활선 그대로 상시 절연 저항을 감시하는 측정법으로 각 사에서 실제로 쓰이고 있다. 그림 6에 직류를 중첩하는 A사의 활선 열화진단법을 나타냈다. 

▲ 그림 6. 활선에서의 수트리 열화 감시 장치

이 방법은 선로의 직접 변압기(GPT)의 중성점에 DC50V 정도의 직류 전원을 가해 케이블 누설 전류의 직류 성분에서 절연저항을 구한다. 

DC50V로 낮은 전압이지만, 교류가 중첩되는 결과, DC 고전압을 가한 것과 같은 정도의 확실함으로 절연 저항을 감시할 수 있다. 그림 6에서는 1상 측정도인데, 3상 모두 절연 저항을 상시 감시할 수 있다. 

고압 CV 케이블의 차폐 동테이프 파단

고압 CV 케이블의 절연체 외주에는 그림 5와 같이 두께 약 0..1mm의 차폐 동테이프가 감겨 있다. 이 차폐 동테이프는 선로의 양단에서 접지하는 경우와 한쪽 끝에서 접지하는 경우가 있는데, 어쨌든 지락 사고 시의 전류를 신속하게 어스에 흘려 인체에 감전되는 것을 방지하기 위한 중요한 역할을 한다. 

사진 6에 차폐 동테이프가 부식하여 도통이 없어진 고압 CV 케이블을 나타냈다. 이것은 열악한 환경(오수와 온도)에서 발생한 예이다. 

▲ 사진 6. 차폐 동 테이프의 부식 예

편단 접지에서 차폐 동테이프의 도통이 없어지거나 또는 양끝 접지에서도 복수의 위치에서 도통이 없어진 경우는 케이블의 충전전류가 부식한 동테이프나 외부 반도전층을 지나 강하게 흐른다. 때문에 전류에 의한 발열로 절연체가 소손하고, 절연 파괴나 화재에 이르는 경우가 있다. 

그 원리를 그림 7에 나타냈다. 사진 7은 외력으로 차폐 동테이프가 파단된 케이블을 실제로 사용한 결과, 1년 정도만에 절연 파괴한 예이다. 차폐 동테이프의 열화진단은 정기적으로 도통 저항을 측정하고, 초기값에 비해 극단적으로 저항이 높아진 시점에서(예를 들면 초기 저항의 수 배) 파단의 가능성이 높다고 판단하고 있다. 

▲ 그림 7. 차폐 동 테이프 파단 시의 모델

▲ 사진 7. 동테이프 파단에서 절연 파괴한 예

캡타이어 케이블, 코드의 열화

고정 배선에서는 없는 캡타이어 케이블이나 코드는 이동 용도라는 특징이 있으며, 2~6항으로 서술한 피복재의 열화와 더불어 인장이나 반복 굽힘이라는 기계적인 응력에 의한 열화가 생긴다. 그래서 피복재는 외상에 의한 도체 또는 그 소선이 단선되는 예가 상당하다. 

코드에 대해서는 보통 단말에 플러그가 있지만, 플러그 두개의 날 사이에 진애와 습기가 쌓여 날 사이의 절연체가 트래킹 열화하는 예가 적잖이 발생한다. 때문에 전기용품안전법의 기술 기준으로 플러그의 절연재당 오손액적하법에 의해 내트래킹시험(ASTM법, 백금전극)이 의무화됐다. 

기타 열화

단자부의 접촉 불량(동도체의 부식 등이 원인)에 의한 소손 사고는 케이블의 성능이라고 말할 수 없지만, 전류부하가 증대하고 있어 현재에도 적잖이 발생하고 있으며, 통전 히트사이클 시험 등으로 원인 규명을 하고 있다. 또한 최근에 거의 들을 수 없었던 열화로서는 다음과 같다.

1. ‌고온 사용으로 IV, CVV, VVF의 동도체의 연선 틈에서의 연색가소제의 삼출(스며나옴)

2. 고압 CE 케이블의 유화수소(H2S)에 의한 화학 트리

3. ‌고압 CE 케이블의 냉한지에서의 차폐 동테이프 끊김(원인 : PE 시스의 체결력이 크고, 동테이프에 주름이 발생)

4. ‌PE계 시스의 표면활성제 부착에 의한 환경 응력 균열(ESC) 현상 등의 열화가 있음 

맺음말

전선, 케이블은 현대 회사에서 중요한 역할을 한다. 열화로 인한 사고가 일어나면 사회에 주는 영향을 크기 때문에 전선·케이블을 선정해 적절한 사용 상태를 유지해야 한다. 

야마다 마사하루(山田 正治) / (일사)전선종합기술센터

본 기사는 일본 OHM사가 발행하는  「전기와공사」 지와의 저작권 협약에 의거하여 제공받은 자료입니다.