2.1 폴리머 애자의 국내사용 현황

고분자 재료의 애자는 1959년 미국 GE사에서 Epoxy 재질의 전기적, 기계적 특성이 향상된 폴리머 애자가 개발되어 사용되었으나 트래킹과 침식 현상으로 장기 사용에 실패하였다. 이후 여러 고분자 재료 중 내후성과 내트래킹성, 성형 가공성 및 가격 등의 장점을 가진 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer)과 실리콘 고무가 주로 사용되고 있다. EPDM은 저렴하고 실리콘에 비해 강도가 높아 외물접촉 및 조류 등에 손상을 덜 받고 실리콘은 내후성과 발수성이 우수하여 불꽃방전에 강한 것이 장점이나 외부의 충격에 찢어지기 쉬운 단점이 있다⁽⁴⁾.

우리나라도 1990년대 폴리머 애자의 도입을 시작하여 일부 배전선로에 미국제품을 시험 사용한 결과 우수한 특성을 나타내어 국산개발 과정을 거쳐 2001년부터 사용을 시작하였고 현재는 전량 폴리머 애자를 부설하고 있다.

2.2 폴리머 애자의 해외사용 현황

해외 주요기업 중 MacLean(미), NGK­Locke(일)은 실리콘, Sediver, K-line(카)은 EPDM과 실리콘, Ohio Brass(미)는 EPDM/Silicone Alloy를 이용한 제품을 생산판매하고 있으며, 미국의 전력회사들은 해안의 오손지역에 배전급 실리콘 애자의 사용을 시작으로 1990년 이후에는 230 ㎸급 현수애자와 Line Post 애자를 송전계통에도 사용하고 있다. 세계적으로는 EPDM 50∼55 %, Silicone 35∼40 %, 기타 5∼15 %가 사용되는 것으로 알려져 있다.

2.3 고분자 절연물질의 열화 판정 방법

2.3.1 폴리머 현수애자의 열화

폴리머는 자외선에 의하여 광분해가 일어나며, 표면이 각종 오염물질로 오손된 상태에서 습기가 제공되면 누설전류가 흐르고 방전에 의한 트래킹 현상이 발생한다. 이러한 내후성과 내트래킹성이 폴리머애자의 수명에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다⁽⁵⁾.

그림 1 폴리머 현수애자의 일반적인 구조

Fig. 1 Typical configuration of polymer insulator

그림 1은 폴리머 현수애자의 일반적인 구조로 절연은 Shed와 코어를 감싸는 Sheath가 담당하고 있다. 절연성능에 영향을 주는 인자들은 절연물의 형상, 오손물질의 종류와 오손도, 절연물의 재질, 표면의 젖음 정도 등 다양하다. 절연물의 표면에 흐르는 누설전류의 크기는 표면이 건조할 때보다 젖어있을 때 많이 증가하며 불꽃방전에는 오손물질과 습기가 결정적인 원인을 제공한다. 누설전류는 부분방전으로 이어지고 고분자를 분해하여 도전로를 형성하는 트래킹(Tracking)이 발생한다. 이러한 현상을 검출하는 방법은 표면특성분석, 가속열화시험, 육안점검이 있다.

2.4 폴리머 현수애자 진단 해외 사례

폴리머 애자 진단의 오랜 연구경험을 가진 Arizona State University Rvi S. Gorur 교수의 연구 자료는 다음의 사항을 기술하고 있다⁽²⁾.

① 폴리머 애자는 20∼30년간 사용할 수 있으며 20년 이상

사용된 애자도 성능상 문제가 발견되지 않는다.

② 폴리머 애자의 진단 방법은 광학카메라를 활용한 육안

점검이 가장 효과적이다.

③ 외관점검 상태판정의 고려사항으로 표 1의 기준을 제시한다.

EPRI(Electric Power Research Institute, USA)의 “Insulator Reference Book(2016)”은 육안점검이 유일하게 유용한 방법이며 폴리머 애자 손상의 종류를 4단계 등급으로 나누어 사례별 열화 판정 기준을 제시하였으며 C 등급은 교체고려, D 등급은 즉시교체로 분류하였다⁽³⁾.

EPRI 보고서 사례에 따르면 폴리머 현수애자의 손상 중 Core를 감싸고 있는 Sheath의 손상으로 인한 Core의 노출을 우선 교체할 대상으로 분류하였고 다음을 Shed의 손상을 제시하여 절연재료의 열화와 손상이 애자의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 평가하였다. 그림 2는 EPRI가 제시한 손상의 유형과 등급이다⁽³⁾.

그림 2 EPRI guideline 애자의 손상에 따른 C, D등급

Fig. 2 Insulator damage level C, D of EPRI guidelines

2.4 폴리머 현수애자의 국제규격 비교

표 3은 KS C IEC/TS 60815­3이 제시한 사용지역별 폴리머 애자의 누설거리이며 22.9 ㎸-y 계통의 상전압 13.2 ㎸에 적용하면 배전선로용 애자의 최소 연면 누설거리가 된다⁽⁶⁾.

우리나라 배전선로에 부설되는 폴리머 현수애자 A형은 최소 누설거리가 760 ㎜ 이상으로 규정되어 오손도가 매우 심한 지역에서도 사용할 수 있다. 표 4는 정격전압에 따른 국내규격과 미국 ANSI C29.13­2000 Table 2 규격의 비교이다⁽⁷⁾⁽⁸⁾.

우리나라 배전선로의 정격전압은 22.9 ㎸이고, 계통최고 전압은 25.8 ㎸이므로 이에 부합하는 ANSI 기준은 DS28이 다. Shed가 6개인 A형은 DS28과 비교하여 누설거리와 주수 섬락전압 시험 기준이 30 % 높은 수준이고 35 ㎸ 규격과 대등한 절연성능을 가지고 있어 우리나라 폴리머 애자의 절연성능은 22.9 ㎸ 계통에 충분한 여유를 가지고 있다.

3.1 폴리머 현수애자의 수명

배전선로에서 실사용한 폴리머 A형 현수애자 272개를 수거하여 절연성능 변화를 측정하였다. 표 5는 사용연수별 시료를 구분한 것이며 그림 3과 같이 시험하였다.

그림 3 폴리머 현수애자의 섬락전압 시험

Fig. 3 Flashover voltage test of polymer insulators

건조 섬락전압 시험보다 주수시험이 절연성능의 변화를 을 잘 보여주므로 주수 섬락전압 시험의 3회 측정 평균값 결과를 그림 4에 나타내었다. 사용연수는 표 5와 같이 1년에서 20년간 사용한 제품이며 연도별 제조사, 사용재료, 사용환경에 따라 차이가 있어 확연한 경향을 보이지는 않으나 개략적인 추세를 알 수 있다.

그림 4 사용연수별 주수 섬락전압 시험 결과

Fig. 4 Wet flashover voltage test by years of use

식 1은 사용연수에 따른 추세식을 나타낸 것이다.

여기서, y는 주수 섬락전압(㎸)이며 x는 사용연수이다. 식 1에 의하면 24년 사용하였을 때 주수 섬락전압이 127 ㎸에 이르러 신품정격 130 ㎸ 이하로 저하하며 28년 사용 시 111 ㎸, 30년이 지나면 신품정격 대비 80 %인 102 ㎸에 도달할 것으로 예상되어 통계적으로는 30년 사용이 가능하다. 한전의 배전기자재 복합가속 열화시험 규정에 따르면 복합열화 가속시험 후 주수 섬락전압 시험값을 정격값의 80 % 이상으로 규정하고 있어 신품정격의 80 %는 충분히 사용 가능한 절연수준이라고 할 수 있다⁽⁹⁾.

3.2 오손에 따른 열화 시험

우리나라 폴리머 현수애자는 EPDM을 주로 사용하여 해외문헌의 Sillicon oil 유출에 의한 백화현상이 없으며 부설 1~2년 이내에 오염물질이 부착되어 검게 보인다. 오염원이 절연성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여 해안지역과 공단지역의 애자를 수거하여 졀연성능을 측정하였다.

3.2.2 공업지역 사용품의 절연성능

공업지역의 화학물질 오손 영향을 확인하기 위하여 여수 공단지역에서 1­12년간 사용한 오염이 심한 애자 15개를 수거하여 주수 섬락전압 시험을 하였다.

그림 5 심한 오손의 공단지역 시료 주수 섬락전압 시험결과

Fig. 5 Wet flashover voltage test of heavily polluted insulators

시험결과 15개 시료 중 1개를 제외하고 그림 5의 붉은 선인 130 ㎸ 신품정격값 이상의 절연성능을 가지고 있어 공업지역 오염원에 의한 절연열화는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.

해안 및 공단지역 사용품 시험에서 국산 폴리머 애자는 표면에 오염원이 쉽게 부착되나 제품의 설계상 여유도가 높아 사용에는 영향을 주지 않는 것으로 볼 수 있다.

4.1 시험의 목적

Core에 Sheath를 조립, 결합하는 미국과는 달리 우리나라 제조사는 고분자 재료를 Sheath와 Shed 함께 성형하여 Core에 입히는 방식으로, 해외 문헌에서 고장이 임박한 상황으로 제시하는 Sheath의 손상은 초기제품을 제외하고는 발생하지 않고 있다. 따라서 C 등급으로 분류되는 Shed의 손상점검이 우리나라에서는 유효한 진단방법이며 Shed의 손상정도와 절연성능 저하의 상관관계를 밝혀 점검과 교체기준에 활용하는 것이 필요하다.

4.2 Shed 인공손상 시험

Shed의 손상이 절연성능에 미치는 영향을 측정하기 위하여 신품과 사용품 폴리머 애자에 인위적 손상을 가하고 절연성능의 변화를 시험하였다. Shed의 일부 및 전부를 제거하고 전기적인 특성시험을 시행하였으며 시험방법은 A형의 8개 Shed를 각각 1 cm, 30 %, 50 %, 100 %씩 순차적으로 제거하고 건조 섬락전압 시험, 주수 섬락전압 시험을 하였다. 그림 6은 인위적으로 손상을 가한 애자이다.

4.2.2 상용주파 주수 섬락전압 시험

주수 섬락전압 시험을 위한 시료는 신품 2개 사용품 2개로 선정하였다. 시험은 그림 6과 같이 Shed를 부분적, 순차적으로 제거하고 각 3회씩 시행하였다. 표 11은 시료명세이며 표 12는 시험결과이다.

표 11 주수 섬락전압 시험 인공손상 시료

Table 11 Shed damaged samples for wet flashover voltage test

시료	제조사	구분	사용연수	시험방법
#5	A사	신 품	미사용	주수
#6	B사	신 품	미사용	주수
#7	C사	사용품	11년	주수
#8	D사	사용품	11년	주수

표 12 인공손상 신품시료 #5, #6의 주수 섬락전압 시험 결과

Table 12 Wet flashover voltage test of damaged new insulators samples #5, #6

손상정도 손상 Shed		1cm (㎸)	30 % (㎸)	50 % (㎸)	100 % (㎸)
시료 #5 (신품)	무손상	188	184	184	180
	1	185	179	179	175
	1∼2	178	172	174	168
	1∼3	169	172	169	157
	1∼4	167	169	166	151
	1∼5	164	167	163	143
	1∼6	164	160	160	134
	1∼7	164	155	152	131
	1∼8	155	137	143	106
시료 #6 (신품)	무손상	180	178	180	176
	1	179	174	174	168
	1∼2	173	173	173	159
	1∼3	176	173	167	160
	1∼4	172	168	164	153
	1∼5	169	162	158	146
	1∼6	164	158	154	143
	1∼7	167	158	148	142
	1∼8	151	147	127	123

그림 7 Shed 손상 시료 #5의 주수 섬락전압 시험결과

Fig. 7 Wet flashover voltage test of shed damaged sample #5

그림 8 Shed 손상 시료 #6의 주수 섬락전압 시험결과

Fig. 8 Wet flashover voltage test of shed damaged sample #6

그림 7, 8은 표 12의 데이터를 그래프로 나타낸 것이고 주수시험에서 시료 #5 Shed의 100 %를 제거하였을 때 무손상 대비 41.3 %, 시료 #6은 30.0 % 감소하여 애자의 표면이 젖은 상태에서는 Shed 손상의 영향이 큰 것으로 나타났다. 그림 2의 (d)와 같이 1 ㎝의 도전경로가 발생한 경우보다 손상의 넓이를 넓혀 갈수록 절연성능이 저하되는데 이는 여러 경로의 병렬도전로가 형성되어 섬락전압을 낮추는 것으로 해석할 수 있다.

표 13 인공손상 사용품 시료 #7, #8의 주수 섬락전압 시험 결과

Table 13 Wet flashover voltage test of used samples #7, #8 with shed damage

손상정도 손상 Shed		1cm (㎸)	30 % (㎸)	50 % (㎸)	100 % (㎸)
시료 #7 (사용품)	무손상	135	135	146	143
	1	130	129	150	138
	1∼2	120	135	137	139
	1∼3	117	127	128	127
	1∼4	114	120	116	116
	1∼5	113	105	109	105
	1∼6	99	99	99	91
	1∼7	101	91	99	86
	1∼8	87	74	84	54
시료 #8 (사용품)	무손상	167	164	182	167
	1	167	155	168	163
	1∼2	165	131	166	159
	1∼3	166	145	163	147
	1∼4	154	132	159	137
	1∼5	152	121	155	129
	1∼6	135	113	134	108
	1∼7	111	110	127	99
	1∼8	99	92	106	72

그림 9 Shed 손상 시료 #7의 주수 섬락전압 시험결과

Fig. 9 Wet flashover voltage test of shed damaged sample #7

표 13의 시료 #7은 주수 섬락전압 시험에서 Shed의 약 30 %가 손상되었을 때 11 %의 절연성능이 저하하였고 50 %가 손상되었을 때 신품정격의 80 %로 저하하였다.

그림 10 Shed 손상 시료 #8의 주수 섬락전압 시험 결과

Fig. 10 Wet flashover voltage test of shed damaged sample #8

시료 #8은 Shed의 약 50 %가 손상되었을 때 23 %의 절연성능이 저하하여 신품 정격값 130 ㎸ 이하인 127 ㎸가 되었으며 75 %가 손상되었을 때 107 ㎸ 이하로 저하였다.

이 시험은 11년 사용한 제품에 대해 시험한 것으로 식 1의 추정에 의하면 30년 사용 시 36 %의 자연적인 추가 절연감소가 발생하므로 Shed가 20 % 손상되었을 때 교체가 필요한 것으로 해석할 수 있다.

4.3 폴리머 현수애자 비정형 손상시험

애자가 그림 6과 같은 형태로 손상되는 경우보다 무작위로 손상이 진행되는 실제 선로의 폴리머 애자 상태와 유사하게 그림 11과 같이 비정형으로 제거하고 주수 섬락전압 시험을 시행하였다. 시험방법은 Shed를 무작위로 5 % 단위로 최대 30 %를 제거하고 주수시험을 3회씩 하였다.

그림 11 시험 시료의 비정형 인공손상

Fig. 11 Random shed damage for test

그림 12 비정형 인공손상 시료의 주수 섬락전압 시험결과 (시료 #9 ­ #12)

Fig. 12 Wet flashover voltage test of randomly shed damaged samples #9 ­ #12

그림 12의 모든 시료가 10 % ~ 20 % Shed 손상 시 신품 정격값인 130 ㎸ 이하로 절연성능이 저하되었다. 이는 표 13의 시료 #7, #8의 시험결과와 유사하나 일직선의 도전로가 형성된 그림 5의 손상형태 보다는 그림 11의 불규칙한 손상형태가 누설거리 확보에 유리하고 절연성능 유지에 장점이 있는 것으로 볼 수 있다.

시험결과에서 현장에서 운전 중인 A형 폴리머 현수애자는 30 % 이상의 Shed 손상이 발생하면 즉시 교체하고 10 % ~ 20 % 정도의 손상이 발생하면 요주의 상태로 관리하여 개별적인 교체보다는 정기적인 정비 시에 다른 기자재와 함께 교체하는 것이 효율적이라고 볼 수 있다.