2.1 3D Xray CT의 정의

3D X-ray Computed Tomography(이하 CT)는 그림 1과 같이 방사성 동위원소를 이용하여 X-ray를 발생시켜 원형보전이 필수적인 화재 시료 내부 구조를 비파괴적으로 3차원으로 재구성하는 영상 분석 기술이다. 본 연구를 위해 분석을 진행하기 위해 표 1과 같은 분석절차를 수행하였다. 시료에 대한 촬영부 영역을 제한하고, X-ray 투과력을 설정하기 위해 금속재, 밀도가 상대적으로 작은 절연재 또는 복합적으로 구성되어 있는지에 대해 판단한다. 시료를 일정 각도 간격을 두며 360° 회전시키며 다수의 2차원 X-ray 영상을 획득하고, 이를 역투영 알고리즘(Filtered Back Projection, FBP 또는 Iterative Reconstruction 등)을 통해 단층 영상(slice image)으로 복원한다. 이러한 단층 영상들을 적층하여 시료의 내부 밀도 분포를 3차원 랜더링을 통해 시각화함으로써, 외관상 확인이 불가능한 내부 결함이나 구조적 이상을 정밀하게 분석할 수 있다.

주로 3D Xray CT는 의료분야 또는 금속산업, 반도체 산업 등에서 품질분석의 핵심기술로 활용되고 있다. 제품을 파괴할 수 없으며, 육안으로 볼 수 없는 내부 구조를 정량적으로 분석하는 모든 분야에 활용되고 있다.

그림 1. 3D X-ray CT의 촬영 원리

Fig. 1. Method of 3D X-ray CT

이러한 3D X-ray CT 분석기술은 전기설비 사고 분석에 있어 비파괴적이며 정량적인 평가를 가능하게 하는 분석 도구로 활용되고 있다. 기존의 단면 절단이나 현미경 관찰 방식은 시료를 훼손시켜 재분석이 불가능하다는 한계가 있으나, X-ray CT는 시료의 원형을 유지한 상태에서 내부 구조를 정밀하게 관찰할 수 있다. 이러한 장점은 전기설비의 사고 원인 규명과 증거 보존 측면에서 매우 유의미하다.

이러한 분석 기법을 사고 발생 시료의 분석을 위한 파괴 이전의 외형 및 내부 데이터를 보존할 수 있는 장점이 있으며, 사고 발생 이외의 정상시료를 보존 후 촬영 시 사고 시료와 비교분석을 하여 더욱 명확한 설명이 가능하다.

첫째, 전선이나 케이블의 단락부 분석에 CT 기법을 적용하면, 내부 용융흔(molten mark)의 형상과 금속 재용융층의 분포를 3차원적으로 재현할 수 있다. 이를 통해 단락 시 전류의 흐름 방향, 열 집중 부위, 그리고 단락의 시작 위치를 추정할 수 있다. 특히, 구리선 내부의 공극 형성이나 재용융층의 두께 변화를 분석함으로써, 사고 시점의 열적·전기적 스트레스 분포를 정량적으로 평가할 수 있다.

둘째, 절연체 열화 및 부분방전 흔적 분석에서도 CT는 기존 2D 관찰법이 가지는 한계를 극복한다. 절연 수지, 실리콘등과 같은 절연체 내부에 존재하는 미세 크랙이나 기공, 탄화의 분포를 정량화할 수 있어, 부분방전의 발생 위치와 진행 경로를 시각적으로 추적할 수 있다. 이를 통해 절연 파괴의 진전 메커니즘을 규명하고, 사고 원인에 대한 보다 객관적이고 과학적인 근거를 제시할 수 있다.

셋째, 전기기기 내부 결함 검출에도 3D X-ray CT 기술이 활용될 수 있다. 차단기, 콘덴서, 변압기 등 복합 절연 구조를 가진 전기기기의 내부에서 발생한 금속 이물질, 납땜 불량, 절연 파괴 경로 등을 비파괴적으로 식별할 수 있다. 이는 기기를 분해하지 않고 결함 부위를 정확히 검출할 수 있다는 점에서, 증거 보존과 재현성 확보 측면에서 큰 이점을 제공한다. 이와 같이, 3D X-ray CT는 전기안전 분야의 사고조사 및 품질평가 기술의 표준화에 기여할 잠재력이 크다고 사료된다.

전통적인 2D X-ray 영상이 시료의 깊이 정보를 포함하지 못하는 반면, 3D CT X-ray를 활용한 연구는 각 층의 선 감쇠계수(linear attenuation coefficient)를 계산하여 밀도차 기반의 정량적 분석을 가능하게 하며, 수 μm~수십 μm해상도를 통해 금속재 및 절연재 내부의 기공, 크랙, 탄화흔 등의 미세 손상 형상과 위치를 정확히 파악할 수 있다.

3.1 케이블 및 직선 접속재 사고 사례

도시 고도화 및 미화를 목적으로 송전선로의 지중화 비중이 증대되고 있다. 특히, 전력 케이블은 대도시, 공장단지, 대중교통의 급전 등 주요 국가 핵심 기반시설 지반에 분포하고 있다. 따라서, 전력 케이블과 관련된 고장은 나전선에 비해 상대적으로 많은 복구 시간이 필요하며, 교통 및 산업 시설에 막대한 영향을 미칠 수 있다. 본 연구를 통해 특고압 케이블 및 이에 해당하는 직선접속재 시료를 X-Ray 분석을 수행하였다. 일반적으로 전력케이블은 그림 2와 같이 크게 시스, 중성선, XLPE 절연층, 내외부 반도전층, 도체로 구성되어 있다. 케이블 직선접속재도 비슷하게 절연체, 내외부 반도전층으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 2. 케이블 및 케이블 직선접속재 구조

Fig. 2. Structure of Cable and Cable connector

그림 3과 같이 사고 발생 시료를 X-Ray를 활용하여 분석한 결과, 절연체 종류에 따른 투과도 차이로 인한 시스, 내외부 반도전층, XLPE와 같은 절연체를 구분지을 수 있었다. 마찬가지로 도체의 용융지점, 용융 크기 등을 파괴 없이 분석할 수 있었다. 또한, 시스에서 XLPE까지의 손상여부를 확인하고 내부 도체에 대한 손상이 없음을 확인할 수 있어 전기적 경로를 결정할 수 있다^[8].

그림 3. 사고발생 케이블 비파괴 분석 사례

Fig. 3. Case study of Xray analysis of cable

그림 4는 케이블 직선접속재의 비파괴 분석 결과 사진이다. 케이블 직선접속재 하우징과, 케이블의 중심이 맞지 않는 것을 확인할 수 있다^{[9- 10]}. 약 4cm 가량 케이블이 이동한 것을 비파괴 분석으로 알아낼 수 있었으며 이로인해 중선선과 절연거리가 기존 8cm에서 4cm로 감소하여 지락 및 폭발이 발생한 것을 추정할 수 있다.

그림 4. 케이블 직선접속재 비파괴 분석 사례

Fig. 4. Case study of Xray analysis of cable

그림 5는 케이블 종단 접속재의 3D CT 이미지이다. 절연체의 소실과 반지름이 약 0.8cm인 반구 모양의 도체 및 절연체 손상을 확인할 수 있으며 지락 경로는 중선선 용융을 비추어 보아 절연파괴에 의한 내부 도체부터 중선선 간 지락으로 판단할 수 있다.

그림 5. 케이블 말단접속재 비파괴 분석 사례

Fig. 5. Case study of Xray analysis of cable end connector

3.2 차단기 사고 분석

화재 발생 시 전기화재 분류를 위해 차단기의 Trip 여부가 매우 중요한 관점이 될 수 있다. 전기 배선 또는 기기에서의 합선(단락), 과부하 등의 여부를 추정할 수 있는 중요한 단서이다^[11]. 또한, 사고현장에서의 단락흔 식별 시 차단기 작동 여부로 1차측 또는 2차측 전기적 이벤트 발생 위치를 추정할 수 있는 중요한 단서가 될 수 있다. 그림 X는 차단기 동작여부를 확인하기 위해 분석한 사례이다. 시료 모두 차단기 2차측의 개방을 확인할 수 있으며, 화재발생 진술과 더불어 화재발생 원인을 추정할 수 있다.

그림 6. 차단기 비파괴 분석 사례

Fig. 6. Case study of Xray analysis of circuit-breaker

3.3 전기설비 사고 분석

특고압 전기설비의 경우 주로 전압에 의해 발생하는 사고원인인 절연파괴가 일어날 수 있다. 이때 X-ray를 활용하여 분석 할 경우 도체와 도체 사이의 절연파괴의 경로를 식별할 수 있다. 그림 7은 지락사고 발생 VCB 반에서 수거한 Insulator rod이다. 버스바 및 Vacuum Interrupter와 연결되어 있는 상부와 외함과 연결되어 있는 하부에서 절연을 파괴하며 지락이 발생한 여부를 비파괴 분석으로 확인할 수 있다. 그림 7-(1)~(4)의 순서로 절연파괴가 진행된 것을 확인할 수 있다. 공간거리로 약 12cm 이상 파괴하며 진행되었으며, 상부 도체 부근의 파괴된 절연체의 폭은 약 1.3cm이며, 하부 도체 부근의 절연체 파괴 폭은 약 0.2cm 정도로 판단된다. 이는 상부 절연파괴시 에너지가 더 컸을 것으로 추정되며 버스바에 체결된 부분부터 지락이 시작 되었던 것으로 사료된다.

그림 7. VCB 사고 비파괴 분석 사례

Fig. 7. Case study of Xray analysis of VCB

그림 8은 지락사고 발생 월부싱의 비파괴 분석 사례이다. 세라믹 재질로 제작된 월부싱의 애자 크랙을 통해 약 0.2cm 정도의 절연파괴가 발생하였으며, 월부싱 내부의 도체의 용융 여부를 확인할 수 있다.

그림 8. 월부싱 사고 비파괴 분석 사례

Fig. 8. Case study of Xray analysis of Wall bushing

3.4 PCB 사고 분석

PCB가 설치된 전기‧전자제품의 경우 이물질, 수분으로 인한 부분 소실, 특정 소자의 소손, 과전류 인입 여부 등을 X-ray 분석을 통해 화재원인 분석을 수행할 수 있다. 그림X는 화재 발생 추정 위치인 릴레이 구동 PCB이다. 비파괴 분석을 통해 PCB 내부의 폭 9mm 정도의 구리박판의 소손여부를 확인할 수 있었고, 해당 PCB를 화재시작 추정부로 지목할 수 있다.

그림 9는 원인 미상의 세라믹 콘덴서 폭발^[12] 및 전자회로의 국소부위 소손이 발생한 시료이다. 특이점은 30A 퓨즈의 융단을 X-ray로 확인하여 해당 제품 화재 발생 시 전원부의 과전류 인가 여부를 확인할 수 있다^[13].

그림 9. 그림에 따른 표기 방법

Fig. 9. The caption for a figure must follow the figure

3.5 커패시터 사고 분석

커패시터 반 화재 발생 시 특정 셀에 대한 내부단락 여부를 X-ray를 통해서 분석할 수 있다. 절연열화, 충격, 발열 등의 이유로 인해 커패시터의 분리막(유전체) 소손으로 인해 음극 및 양극의 내부 단락 시 해당 부분 박판의 용융을 관찰할 수 있다. 그림 10은 실제 수명을 초과한 25년 이상^[14] 사용된 전원 품질 안정화용 커패시터에 대한 내부단락 여부에 대한 분석 사례이다.

내부단락 발생 시료의 경우 (c) 정상 커패시터와 비교 시, 약 3.5cm의 직경으로 2~3겹 정도의 금속판의 내부 용융 및 융단 여부를 X-ray를 통해 확인할 수 있었으며^[15], 일부 구간의 소실도 확인할 수 있었다. 이로 인하여, 화재 발생의 메커니즘으로으로 장기간 사용한 커패시터 내부소자의 절연열화 및 폭발로 지목하였다.

그림 10. 커패시터 비파괴 분석 사례

Fig. 10. Case study of X-ray analysis of capacitors