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  1. Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation, Republic of Korea.



Critical Pollution Level, ESDD, Flashover, Indoor Switchgear, Post Insulator

1. 서 론

옥내용 배전반은 외함으로 차폐되어 있어 외부 환경으로부터 일정 수준 보호를 받아 오손 위험이 낮다고 간주되어 왔다. 그러나 장기간 운전 시 환기구를 통한 외기 유입, 작업자 출입, 미세 누기 등으로 분진·염분 등 오손물이 절연물 표면에 축적된다. 옥내에는 강우에 의한 자연 세정이 없어, 오손은 세척을 수행하기 전까지 지속적으로 축적된다. 결로나 고습으로 인해 오손층이 습윤될 경우 용해성 성분이 녹아 절연물 표면에 도전층이 형성되고, 누설전류의 증가와 건조대 형성 및 전계가 집중될 수 있다. 일정 수준 이상의 전계가 집중되면 국부 방전이 발생하고, 섬락으로 진전될 수 있다[1- 3]. 이러한 현상은 옥내용 배전반의 장기 신뢰성 저하 요인으로 작용할 수 있다. 그러나 옥내용 배전반 지지애자의 오손에 따른 절연 성능 저하에 대한 기초 데이터가 부재하여, 설계·운영·유지보수 단계에서 보수적 가정이나 경험에 의존하는 한계가 지속되고 있다[4, 5]. 그림 1은 시멘트 공장에서 장기간 운전된 배전반으로, 다량의 오손물이 축적된 것을 확인할 수 있다.

그림 1 옥내용 노후 배전반의 오손 축적 사례

Fig. 1 Pollution accumulation observed in aged indoor switchgear

../../Resources/kiee/KIEE.2026.75.10.2504/fig1.png

최근 전력설비 분야에 자산관리(Asset Management) 개념이 적극 도입되면서 세척·점검 주기 설정과 교체 시기 판단 등 의사결정 전반에 정량적 근거의 필요성이 높아지고 있다[6- 8]. 특히 지지애자와 같은 기초 부품은 운전 환경에 따른 오손 수준과 절연 성능 간의 상관성을 정량적으로 규명할 필요가 있다. 그러나 현재 옥내용 지지애자를 대상으로 한 오손 관련 기초 데이터가 충분히 축적되어 있지 않아, 실무에 적용할 수 있는 임계 오손 수준이나 허용 가능한 오손 증가 범위를 설정하는 데 한계가 있다.

한편, 해상 풍력의 확대와 함께 해상 변전소와 같이 외부의 염분이 실내로 유입될 수 있는 운전 환경이 증가하고 있다[9]. 이러한 환경에서는 지지애자 표면에 축적된 염분으로 인해 표면 전도도가 급격히 상승해 섬락으로 이어질 수 있다[10]. 따라서 옥내 운전 환경에서 축적될 수 있는 오손을 정의하고, 각 성분이 지지애자의 절연 성능에 미치는 영향을 평가할 필요가 있다.

이에 본 연구에서는 12 kV급 옥내용 배전반 에폭시 지지애자를 대상으로 인공 오손 실험을 수행하였다. 이를 바탕으로 오손 수준과 절연 성능 간의 상관관계를 평가하였다. 이를 통해 향후 세척·점검 주기 설정 및 운전 환경별 차등화된 관리 기준 마련 등 자산관리 의사결정에 활용할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.

2. 실험 구성

2.1 실험 대상

지지애자의 재질은 에폭시이며, 구체적인 사양은 표 1과 같다.

표 1 지지애자의 사양

Table 1 Specifications of the post insulator

구분 값
정격 전압 [kV] 12
상용주파 내전압 [kV] 28
높이 [mm] 110
직경 (상부/하부) [mm] 85/90
연면 거리 [mm] 170

2.2 오손 유형 정의

본 연구에서는 옥내용 지지애자의 오손을 모의하기 위하여 오손물이 고체 오손층을 형성하는 A형 오손을 적용하였다. A형은 용해성 오손(염분)과 비용해성 오손(분진 등)으로 구성되며, 오손 수준을 각각 ESDD(Equivalent Salt Deposit Density, mg/cm2)와 NSDD(Non-Soluble Deposit Density, mg/cm2)로 정량화할 수 있다[11]. A형 오손을 적용한 근거는 다음과 같다. 첫째, 옥내 배전반에서는 분진 등의 비용해성 입자가 주요 오손원으로 축적되고, 결로 또는 고습 조건에서 오손층이 습윤될 수 있으므로 고체 오손층의 형성과 습윤을 고려하는 A형 오손이 실제 운전 환경을 모의하는 데 적합하다. 둘째, ESDD와 NSDD를 이용하여 용해성 및 비용해성 오손 수준을 정량적으로 설정할 수 있으므로 실험 조건의 재현성을 확보할 수 있다.

2.3 오손 실험 조건

용해성 오손 및 비용해성 오손 수준 변화가 지지애자의 절연 성능에 미치는 영향을 비교하기 위해 2가지의 실험 조건을 설계하였다. 현행 국내·국제 표준에서는 옥내용 설비에 대한 오손 등급 기준이 명확히 제시되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 실험 설계의 기준을 확립하기 위해, 한국전력공사의 가공송전운영업무 기준에 제시된 옥외용 오손 등급의 ESDD 값을 참조하였으며, 이를 표 2에 나타내었다[12]. 이 기준을 바탕으로 Case A는 용해성 오손에 따른 섬락 전압 저하를 평가하기 위해 ESDD 등급을 변화시켰다. Case B는 비용해성 오손에 따른 섬락 전압 저하를 평가하기 위해 카올린 양을 변화시켰다. 오손액은 KS C IEC 60507을 준용하여 카올린과 초순수, 적당량의 NaCl로 조성하였다.

표 2 한국전력공사 가공송전운영업무 기준의 오손 등급

Table 2 Pollution classes of the KEPCO Standards for Overhead Transmission Operation

오손 등급 청정 지구 A 지구 B 지구 C 지구 D 지구
상정등가염분 부착밀도 [mg/cm2] 0.03 이하 0.03 초과 ~ 0.063 0.063 초과 ~ 0.125 0.125 초과 ~ 0.25 0.25 초과 ~ 0.5

2.3.1 Case A: 용해성 오손의 영향

Case A의 오손액은 카올린 40 g과 초순수 1,000 g에 NaCl 양을 조절하여 목표 ESDD를 만족시키도록 조제하였다. ESDD 등급은 Light, Medium, Heavy로 구분하였으며, 옥내 운전 환경 특성상 C와 D 지구 수준의 염분 축적 가능성이 낮다는 점을 고려하여 청정 지구를 Light, A 지구를 Medium, B 지구를 Heavy로 설정하였다. 이때, 청정 지구 수준에서의 염분량에 따른 섬락 전압을 확인하기 위해 Light-1, Light-2, Light-3으로 세분화하였다. 각 ESDD 등급은 0.01 미만, 0.01, 0.03, 0.05, 0.1 mg/cm2로 설정하였다.

2.3.2 Case B: 비용해성 오손의 영향

Case B의 오손액은 ESDD를 청정 지구 수준으로 고정하고, 초순수 1,000 g에 NaCl을 용해한 뒤 카올린 투입량만을 변화시켜 조제하였다. 카올린 투입량에 따라 Light, Medium, Heavy로 구분하였다. 이때 KS C IEC 60507의 기준 조성에 해당하는 카올린 40 g을 기준 조건인 Medium-1로 설정하고, 이를 중심으로 카올린 투입량을 감소 또는 증가시켜 비용해성 오손 수준의 변화를 모의하였다. 이에 따라 카올린 투입량은 Light 20 g, Medium-2 80 g, Heavy 160 g으로 설정하였다.

2.4 실험 프로세스

오손 수준의 변화가 절연 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 그림 2와 같은 실험 프로세스를 구성하였다. 각 오손 조건마다 섬락 전압 측정용 지지애자 5개와 오손도 측정용 지지애자 1개를 적용하였으며, 총 9개의 오손 조건에 대해 54개(섬락 전압 측정용 45개, 오손도 측정용 9개)의 지지애자를 사용하였다. 모든 지지애자는 신품이며, 오손 조건 간에 재사용하지 않았다. 오손 전·후의 섬락 전압은 동일한 지지애자를 대상으로 측정하여 절연 성능 변화를 비교하였다. 오손 전에는 각 지지애자에서 섬락 전압을 5회 반복 측정하여 애자별 평균값을 산출한 후, 5개 지지애자의 평균값을 다시 산술평균하여 해당 조건의 오손 전 섬락 전압을 산출하였다. 이후 동일한 지지애자에 오손 처리를 수행하였으며, 반복적인 섬락으로 인한 오손층의 변화를 배제하기 위해 오손 후 섬락 전압은 각 지지애자에서 1회씩 측정하였다. 각 조건의 오손 후 섬락 전압은 이와 같이 얻은 5개 측정값의 산술평균으로 산출하였다. 오손도 측정에는 섬락 전압 측정용 지지애자와 동일한 조건으로 오손 처리하되 전압을 인가하지 않았으며, ESDD 및 NSDD 측정에만 사용하였다.

그림 2 오손 실험 프로세스

Fig. 2 Experimental procedure of the pollution test

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2.4.1 오손액 조제 및 지지애자 세척

예비 실험을 통해 Case별 목표 ESDD를 만족하는 NaCl 투입량을 산정하였다. 초순수 1,000 g에 표 3, 4의 배합 비율과 같이 NaCl과 카올린을 넣은 배합액을 교반기로 40분 이상 교반하여 침전물이 없는 오손액을 조제하였다.

표 3 Case A 오손액 배합 비율 및 ESDD

Table 3 Case A slurry composition and ESDD

오손 등급 오손액 ESDD [mg/cm2]
초순수 [g] NaCl 카올린 [g]
Light 1 1,000 0 40 청정 지구 0.01 미만
2 0.05 0.01
3 0.15 0.03
Medium 0.35 A 지구 0.05
Heavy 1 B 지구 0.1

표 4 Case B 오손액 배합 비율 및 NSDD

Table 4 Case B slurry composition and NSDD

오손 등급 오손액 NSDD [mg/cm2]
초순수 [g] NaCl 카올린 [g]
Light 1,000 0.05 20 청정지구 3
Medium 1 40 4.5
2 80 4.8
Heavy 160 7.4

신품 지지애자 표면에는 그리스를 포함한 먼지가 부착되어 있으며, 이러한 불순물이 오손 실험에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 카올린을 이용하여 표면을 세척하였다. 세척 시 금속부의 부식을 방지하기 위해 탈부착 시 접착제가 남지 않는 방수 테이프로 금속부를 보호하였다. 세척 후 지지애자 표면에 넓고 연속적인 젖음부가 관찰되어 충분히 깨끗하다고 간주하였다.

2.4.2 오손도 측정

오손도 측정을 위해 별도의 애자를 대상으로 오손물 도포와 건조를 수행하였다. 지지애자 표면에 오손물을 균일하게 도포하기 위해 침지법을 적용하였으며, 충분히 교반한 오손액에 지지애자를 40초간 침지시켜 표면 전체에 오손물이 부착되도록 하였다. 침지 후 표면에 연속적이고 균일한 오손층이 형성되었는지를 육안으로 확인하였으며, 불균일 시 동일한 방법으로 재도포하였다. 오손층에 잔존하는 수분을 제거하고 안정된 오손층을 형성하기 위해 건조 오븐을 사용하였으며, 건조 시간을 단축하기 위해 35 ℃에서 4시간 동안 건조하였다. 오손층 건조 전과 후의 지지애자를 그림 3에 나타내었다.

ESDD와 NSDD 측정은 KS C IEC TS 60815-1을 준용하였다[13]. 오손도 측정 시 과소평가를 피하기 위해 지지애자 상부 절연 표면에 부착된 오손물을 붓을 이용하여 수집한 후, 500 g의 초순수에 용해하였다. 수집된 오손물이 충분히 용해되고 균질화되도록 2분 이상 교반한 뒤, 전도도 측정기 (HI8733, HANNA)를 이용하여 20 ℃에서의 체적전도도를 측정하였다. 이때, 전도도 측정기는 전도도 표준 용액(12880 μS/cm, HANNA)을 이용하여 교정하였다. 측정값으로부터 식 (1)을 이용하여 염도 $S_a$ kg/m3를 산출하고, 식 (2)를 이용하여 지지애자의 ESDD를 계산하였다. 여기서 $\sigma_{20}$은 20 ℃에서의 체적전도도 S/m, $V$는 초순수의 부피 500 cm3, $A$는 오손물을 수집한 지지애자의 표면적 31 cm2를 의미한다.

NSDD는 ESDD 측정에 사용한 오손액을 공극 크기 1.6 μm의 GF/A 여과지로 여과한 후 산출하였다. 여과 전 여과지의 초기 질량을 측정하고, 오손액을 여과한 여과지를 충분히 건조한 후 최종 질량을 측정하였다. 이후 초기 질량과 건조 후 질량의 차이를 이용하여 식 (3)으로 NSDD를 계산하였다. $W_f$는 건조 후 오손물이 포함된 여과지 중량, $W_i$는 여과 전 여과지의 초기 중량, $A$는 오손물을 수집한 지지애자의 표면적 31 cm2를 의미한다.

(1)
$S_a = (5.7\sigma_{20})^{1.03}$
(2)
$ESDD = \dfrac{S_a \cdot V}{A}$
(3)
$NSDD = \dfrac{1000(W_f - W_i)}{A}$

그림 3 오손된 지지애자

Fig. 3 Polluted post insulator

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2.4.3 섬락 전압 비교

섬락 전압 측정을 위한 실험 시스템은 옥내용 유기재료 지지애자의 시험방법을 규정한 IEC 60660을 기본적으로 참고하여 구성하였으며, 전기적 시험조건은 IEC 60060-1을 참고하였다[14, 15]. 이를 그림 4에 나타내었다. 지지애자는 U형 채널 형태의 금속 지지대 위에 수직으로 설치하고 지면으로부터 1 m 이상 이격하였다. 금속 지지대는 폭 100 mm, 길이 270 mm로 제작하였으며, 폭은 지지애자의 설치면 직경과 유사하고 길이는 지지애자 높이의 1.5배 이상이 되도록 구성하였다. 지지애자 상단에는 직경 27.2 mm의 원통형 도체를 설치하고 이를 통해 1 kV/s 속도로 전압을 인가하였다.

세척한 지지애자를 충분히 건조한 후 실험 시스템에 설치하고, 오손 전 섬락 전압을 측정하였다. 이후 동일한 지지애자에 오손도 측정용 지지애자와 동일한 조건으로 오손층을 형성하고, 항온항습조에서 온도 22 ℃ 및 상대습도 90% 조건으로 40분간 노출하여 오손층을 습윤하였다. 습윤 조건은 IEC 62271-1에서 옥내 개폐장치의 통상 사용조건으로 제시하는 1개월 평균 상대습도의 상한을 참고하여 상대습도 90%로 설정하였다. 해당 표준에서는 이러한 조건에서 결로가 때때로 발생할 수 있음을 기술하고 있다[16]. 습윤 시간은 KS C IEC 60507에서 시험 전압을 인가하지 않은 상태의 건조한 오손층을 최대 전도도에 도달할 때까지 20~40분간 습윤하도록 제시한 내용을 참고하여, 해당 범위의 상한인 40분으로 설정하였다. 습윤 후에는 지지애자 표면에 물방울이 맺힌 것을 육안으로 확인하였으며, 이후 습윤 조건과 동일한 온도인 22 ℃에서 섬락 전압을 측정하였다. 최종적으로 오손 전·후 섬락 전압을 비교하여 오손 수준에 따른 지지애자의 절연 성능 변화를 평가하였다.

그림 4 지지애자 실험 시스템

Fig. 4 Test setup for the post insulator

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3. 실험 결과

3.1 Case A: 용해성 오손 수준에 따른 섬락 전압 특성

Case A의 실험 결과를 그림 5에 나타내었다. 각 조건의 오손 전·후 섬락 전압은 2.4절에 기술한 절차에 따라 지지애자 5개에서 산출한 평균값이다. 오손 전 섬락 전압 대비 Light 조건에서의 감소율은 약 3~8%로 나타났으며, Medium 및 Heavy 조건에서는 약 30~44%로 크게 증가하였다. 이는 ESDD가 증가함에 따라 지지애자의 절연 성능 저하가 뚜렷해지며, 일정 수준 이상에서는 그 감소폭이 크게 확대되는 경향을 보여준다. 특히 습윤 조건에서는 용해성 염분의 증가로 오손층의 전기전도성이 높아지고, 이에 따른 표면 누설전류의 증가가 절연 성능 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

그림 5 오손 실험 결과 (Case A)

Fig. 5 Pollution test results (Case A)

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3.2 Case B: 비용해성 오손 수준에 따른 섬락 전압 특성

Case B의 실험 결과를 그림 6에 나타내었다. 오손 전·후 섬락 전압의 산출 방법은 Case A와 동일하다. 오손 전 섬락 전압 대비 Light 및 Medium 조건에서의 감소율은 약 5~6%로 나타났으며, Heavy 조건에서도 약 13% 수준으로 확인되었다. ESDD를 일정하게 유지한 상태에서 비용해성 오손 수준을 증가시킨 경우, Case A의 용해성 오손 증가 조건에 비해 섬락 전압의 감소폭이 상대적으로 작게 나타났다. 이는 습윤 상태에서 오손층의 표면 전도도가 주로 용해성 성분의 해리에 의해 공급되는 이온의 양에 의해 결정되기 때문으로 판단된다. 카올린과 같은 비용해성 성분은 그 자체로 도전 경로를 형성하지 않으며, 다공성 구조가 수분의 흡착성을 증가시켜 수분과 절연물의 접촉면을 넓히고, 물방울이 쉽게 이탈하지 않도록 함으로써 도전성 경로의 형성을 보조한다. 따라서 ESDD가 일정하게 유지되는 조건에서는 비용해성 오손량이 증가하더라도 용해성 물질 자체가 증가하지 않으므로 섬락 전압의 저하 폭이 ESDD 증가 조건에 비해 작게 나타난 것으로 판단된다. 즉, 본 실험 조건에서는 비용해성 오손량의 증가보다 용해성 오손 수준의 증가가 지지애자의 절연 성능 저하에 더 큰 영향을 미침을 시사한다.

한편 Case A의 Light-2와 Case B의 Medium-1은 카올린 40 g, NaCl 0.05 g의 동일한 배합 조건으로 각각 독립적으로 수행하였으며, 두 조건의 섬락 전압 감소율은 약 5%로 일치하였다.

그림 6 오손 실험 결과 (Case B)

Fig. 6 Pollution test results (Case B)

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4. 임계 오손도 및 운전 환경 시나리오

4.1 임계 오손도 설정

옥내용 배전반 지지애자의 오손 상태를 유지보수 의사결정에 활용하기 위해서는 ESDD 또는 NSDD를 측정하는 것만으로는 충분하지 않다. ESDD와 NSDD는 지지애자 표면에 축적된 오손 정도를 정량적으로 나타낼 수 있는 지표지만, 측정값 자체만으로는 현재 상태를 유지할 것인지, 세척을 검토할 것인지 또는 우선적인 조치가 필요한지를 판단하기 어렵다. 따라서 오손 수준이 실제 절연 성능에 미치는 영향을 바탕으로 개입이 필요한 기준을 설정할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 오손 증가에 따른 절연 성능 변화를 유지보수 의사결정과 연계하기 위하여 임계 오손도를 설정하였다. 임계 오손도는 특정 오손 수준에서 즉시 섬락이 발생하는 절연파괴 한계를 의미하는 것이 아니라, 오손 증가에 따라 절연 성능의 저하가 뚜렷하게 나타나 개입을 검토할 필요가 있는 운영상의 기준을 의미한다.

실험 결과, 오손 수준의 증가에 따라 지지애자의 절연 성능이 저하되었으며, ESDD 변화에 따른 섬락 전압 감소가 상대적으로 크게 나타나 ESDD를 주요 오손 관리 지표로 활용할 수 있는 것으로 판단된다.

본 연구에서 임계 오손도의 주 지표로 ESDD를 선정한 근거는 다음과 같다. 첫째, NSDD를 증가시킨 Case B의 섬락 전압 감소율이 약 5~13%에 그친 반면, ESDD를 변화시킨 Case A에서는 약 3~44%로 나타나 ESDD의 영향이 뚜렷하였다. 둘째, 표 2의 가공송전운영업무 기준은 오손 등급과 그에 따른 청소 주기를 등가염분부착밀도만으로 규정하고 있으므로, ESDD를 기준으로 한 관리 구간은 국내 실무 체계와 직접 연계된다. 셋째, 장기간의 현장 오손 감시를 수행한 선행 연구에서도 ESDD를 측정하여 세척 시기를 판단하고 있다[17]. 다만 KS C IEC TS 60815-1은 A형 오손의 현장 오손도를 ESDD와 NSDD를 함께 사용하여 분류하고 있으며, 3.2절과 같이 동일한 ESDD 조건에서도 NSDD가 증가하면 섬락 전압이 추가로 저하된다. 따라서 본 연구에서 제시하는 임계 오손도는 NSDD가 일정하게 유지되는 조건에서 도출된 값이며, 현장 적용 시에는 ESDD를 주 지표로 하되 NSDD를 병행 측정할 필요가 있다.

이를 바탕으로 오손 수준을 정상, 이상 상태로 구분하기보다 절연 성능 변화에 따라 단계적으로 관리할 수 있도록 관리, 조치 및 긴급 구간으로 구분하였다. 각 구간의 ESDD 범위와 관리 방안을 표 5에 나타내었다.

기준값은 2.3.1절과 같이 실험 조건을 국내 오손 등급 체계에 대응시켜 설계하는 단계에서 청정 지구와 A 지구, B 지구를 모의하기 위하여 설정한 ESDD 수준이다. 청정 지구에 해당하는 0.03 mg/cm2 이하에서는 섬락 전압 감소율이 약 3~8%에 머물러 개입이 필요한 수준으로 보기 어려운 반면, A 지구를 모의한 0.05 mg/cm2에서는 감소율이 약 30%로 급격히 확대되고 B 지구를 모의한 0.1 mg/cm2에서는 약 44%에 이르렀다. 즉 절연 성능의 저하가 뚜렷하게 나타나기 시작하는 오손 수준이 국내 오손 등급의 A 지구 및 B 지구와 대응하므로, 두 값을 각각 조치 기준과 긴급 관리 기준으로 설정하였다.

가공송전운영업무 기준에서 A와 B 지구는 옥외 설비를 기준으로 청소 주기가 청정 지구의 1회/10년에서 1회/2년으로 단축되는 등급이다. 즉 본 연구에서 제안한 두 기준값은 절연 성능의 저하가 실험적으로 확인된 오손 수준이면서, 동시에 국내 실무에서 세척 주기의 단축이 요구되는 오손 등급에 해당한다.

한편 임계 오손도에 따라 요구되는 조치의 성격은 서로 다르다. 조치 기준은 절연 성능의 저하가 확인되었으나 아직 여유가 남아 있는 구간으로, 세척 대상의 선정과 정전 일정의 확보 등 세척 시행에 필요한 준비 기간을 부여하기 위한 기준이다. 반면 긴급 관리 기준은 해당 오손 수준에서 절연파괴가 임박하였음을 의미하는 것이 아니라, 청정 상태에서 확보하고 있던 절연 성능이 크게 상실되어 추가적인 오손의 축적을 허용하지 않고 세척을 시행하여야 하는 상태를 의미한다. 오손에 따른 절연 여유의 축소는 표 1의 상용주파 내전압을 기준으로 확인할 수 있다. 섬락 전압은 청정 상태에서 28 kV의 약 2.2배 수준이었으나 조치 기준에서는 약 1.6배, 긴급 기준에서는 약 1.2배까지 감소하였다. 또한 ESDD 0.1 mg/cm2는 본 연구에서 시험한 최대 오손 수준이므로 이를 초과하는 영역의 저하 경향은 확인되지 않았다. 이러한 점을 고려하여 긴급 구간에서는 세척을 우선적으로 시행하도록 설정하였다.

또한 임계 오손도의 설정은 세척 주기를 정량화하기 위해서도 필요하다. 기존의 시간 기반 유지보수 방식에서는 실제 지지애자의 오손 상태나 운전 환경과 관계없이 일정한 점검 또는 세척 주기가 적용될 수 있다. 이 경우 오손 축적이 느린 환경에서는 불필요한 유지보수가 수행될 수 있고, 반대로 해안·해상과 같이 오손 축적이 빠른 환경에서는 적정한 관리 시점을 놓칠 가능성이 있다. 반면 개입이 필요한 임계 오손도가 정의되면 현재 오손도와 운전 환경별 오손 축적률을 이용하여 해당 기준에 도달하기까지의 시간을 산정할 수 있다. 따라서 임계 오손도는 단순한 오손 등급의 경계가 아니라, 현재 상태를 기준으로 향후 점검 및 세척 시점을 결정하기 위한 기준값으로 활용될 수 있다.

표 5 임계 오손도 구간 및 관리 방안

Table 5 Critical pollution level ranges and management actions

구간 ESDD [mg/cm2] 관리 방안
관리 ESDD < 0.05 정기 모니터링, 세척 불필요
조치 0.05 ≤ ESDD < 0.1 세척 검토 및 계획 수립
긴급 0.1 ≤ ESDD 세척 우선 시행

4.2 운전 환경 시나리오 및 오손 축적률

임계 오손도는 개입이 필요한 오손 수준을 판단하기 위한 기준이지만, 해당 기준에 도달하는 시간은 설비의 운전 환경에 따라 달라질 수 있다. 동일한 초기 오손 수준에서도 외기 유입, 분진 및 염분 등의 오손원과 축적 속도가 상이하므로 모든 옥내용 배전반에 동일한 세척 주기를 적용하는 것은 적절하지 않다. 따라서 세척 시기를 산정하기 위해서는 운전 환경을 시나리오별로 구분하고, 각 시나리오에 대응하는 오손 축적률을 설정할 필요가 있다.

이에 본 연구에서는 IEC TS 62271-304의 옥내 개폐장치에 대한 환경 유형 구분을 참고하여 운전 환경을 청정 옥내형, 일반 옥내형, 분진 산업형, 항만·조선형 및 해안·해상형의 5개 시나리오로 구분하고, 각 환경에서 예상되는 주요 오손 성분과 축적 특성을 반영하였다. 침적률이 가장 낮은 청정 옥내형은 주로 비활성 성분으로 구성되는 반면, 청정 옥내형보다 침적률이 높은 환경에서는 황산염, 질산염 및 염화물과 같은 활성 성분이 제시된다. 특히 해안·해상형 환경에서는 염화물이 주요 오손 성분으로 나타난다[18]. 본 연구에서는 이러한 활성 성분을 습윤 시 ESDD에 기여하는 용해성 오손으로 간주하였다. 이를 바탕으로 각 시나리오의 대표 환경과 주요 오손 특성을 표 6에 나타내었다.

표 6 운전 환경 시나리오의 정의

Table 6 Definition of the service-environment scenarios

시나리오 대표 환경 주요 오손 특성 설명
청정 옥내형 농촌, 교외의 전기실 오손 축적 매우 낮음 외기 유입 및 오염원이 제한된 환경
일반 옥내형 도심의 전기실 NSDD 낮음, ESDD 낮음 도시 대기 오손원이 낮은 수준으로 축적되는 환경
분진 산업형 시멘트, 제철 공정 주변 NSDD, ESDD 복합 (NSDD 우세) 산업성 고체 침적물이 우세한 환경
항만·조선형 항만, 조선소, 해상 산업 단지 NSDD, ESDD 복합 (ESDD 우세) 산업성 분진과 해양성 염분이 동시에 작용하는 환경
해안·해상형 해안·해상 변전소, 연안 설비 ESDD 지배 해양성 염분이 지배적인 환경

옥내용 배전반 지지애자의 장기 오손 축적률에 대한 접근 가능한 현장 실측 자료가 충분하지 않으므로, 본 연구에서는 기준 축적률과 운전 환경 간 상대적인 오손 강도를 이용하여 시나리오별 축적률을 설정하였다. 먼저 기준 시나리오인 청정 옥내형의 축적률은 가공송전운영업무 기준에 제시된 청정 환경의 장기 세척 주기 10년을 기준 시간으로 설정하였다.

초기 ESDD를 0으로 가정하고, 긴급 관리 기준인 ESDD 0.1 mg/cm2에 120개월 후 도달하도록 설정하였다. 이에 따라 기준 축적률($r_0$)은 약 0.00083 mg/cm2/month로 산정된다.

운전 환경에 따른 상대적인 축적 속도는 IEC TS 62271-304에 제시된 환경별 입자 침적률을 활용하였다. 다만 해당 침적률은 ESDD와 동일한 측정량이 아니므로, 본 연구에서는 이를 ESDD 축적률의 절대값으로 직접 적용하지 않고 환경 간 상대적인 오손 축적 특성을 반영하기 위한 계수로 활용하였다. 이에 따라 시나리오 $i$의 월별 오손 축적률($r_i$)은 식 (4)와 같이 산정하였다.

(4)
$r_i = r_0 \left( \dfrac{D_i}{D_0} \right)$

여기서 $D_0$는 기준 시나리오인 청정 옥내형의 입자 침적률 대푯값이며, $D_i$는 각 운전 환경의 오손 특성에 대응하여 IEC TS 62271-304를 참고해 선정한 입자 침적률 대푯값이다. 이에 따라 청정 옥내형을 기준으로 한 상대 축적계수 $D_i/D_0$는 일반 옥내형 1.71, 분진 산업형 3.71, 항만·조선형 11.43 및 해안·해상형 37.14로 산정되었다. 이를 기준 축적률 $r_0$에 적용한 결과, 각 시나리오의 월별 축적률은 각각 0.00083, 0.00143, 0.00310, 0.00952 및 0.03095 mg/cm2/month로 설정되었으며, 그 결과를 표 7에 나타내었다.

표 7 운전 환경 시나리오별 오손 축적률

Table 7 Pollution accumulation rate for each service-environment scenario

시나리오 침적률 대푯값 D [mg/m2·year] 상대 축적 계수 Di/D0 월별 축적률 ri [mg/cm2/month]
청정 옥내형 3,500 1.00 0.00083
일반 옥내형 6,000 1.71 0.00143
분진 산업형 13,000 3.71 0.00310
항만·조선형 40,000 11.43 0.00952
해안·해상형 130,000 37.14 0.03095

4.3 임계 오손도 도달 시간 산정

시나리오별 세척 주기는 현재 오손도가 임계 오손도에 도달하기까지의 시간을 기준으로 산정할 수 있다. 실험에서 도출한 임계 오손도 $C_{lab}$는 실험실과 실제 운전 환경 간의 차이를 고려하기 위하여 식 (5)와 같이 현장 운영 임계값 $C_{op}$로 변환하였으며, 임계 오손도 도달 시간 $t$는 식 (6)을 이용하여 산정하였다.

(5)
$C_{op} = k C_{lab}$
(6)
$t = \dfrac{C_{op} - C_0}{r}$

여기서 $k$는 실험실과 실제 운전 환경 간의 오손 및 습윤 조건 차이를 반영하기 위한 보수계수이고, $C_0$는 산정 시점의 오손도, $r$은 표 7에서 설정한 운전 환경 시나리오별 월별 오손 축적률이다. 본 연구에서는 시나리오 간 상대적인 도달 시간을 비교하기 위하여 $k=1$로 설정하고, 신설 또는 세척 직후를 기준으로 $C_0=0$을 적용하였다. 따라서 실제 현장 적용 시에는 해당 설비의 ESDD 실측값을 $C_0$에 적용하고, 현장 운전조건을 고려하여 $k$를 보정할 필요가 있다. 기준 조건인 $C_0=0$ 및 $k=1$에서 식 (4)를 식 (6)에 대입하면, 긴급 관리 기준인 ESDD 0.1 mg/cm2의 도달 시간 $t_{emg}$는 식 (7)과 같이 정리할 수 있다. 이때 청정 옥내형의 도달 시간 120개월을 기준으로 각 운전 환경 시나리오의 긴급 관리 기준 도달 시간을 산정하였다.

(7)
$t_{emg} = 120 \left( \dfrac{D_0}{D_i} \right)$

또한 조치 기준인 ESDD 0.05 mg/cm2는 긴급 관리 기준의 1/2이므로, 동일한 기준 조건에서는 조치 기준 도달 시간도 긴급 관리 기준 도달 시간의 1/2로 산정된다. 예를 들어 일반 옥내형의 경우 긴급 관리 기준 도달 시간은 $120\times 3,500/6,000=70$개월이며, 조치 기준 도달 시간은 35개월로 산정된다. 시나리오별 조치 및 긴급 관리 기준 도달 시간을 표 8에 나타내었다.

표 8 운전 환경 시나리오별 임계 오손도 도달 시간

Table 8 Time required to reach the critical pollution level for each service-environment scenario

시나리오 월별 축적률 ri [mg/cm2/month] 조치 기준 도달 [month] 긴급 기준 도달 [month]
청정 옥내형 0.00083 60 120
일반 옥내형 0.00143 35 70
분진 산업형 0.00310 16.2 32.3
항만·조선형 0.00952 5.3 10.5
해안·해상형 0.03095 1.6 3.2

산정 결과, 긴급 관리 기준 도달 시간은 청정 옥내형의 120개월에서 해안·해상형의 약 3.2개월까지 37.5배의 차이를 나타냈다. 이는 동일한 임계 오손도를 적용하더라도 운전 환경에 따른 오손 축적 속도의 차이로 인해 관리 기준에 도달하는 시점이 크게 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 옥내용 배전반 지지애자의 점검 및 세척 주기는 모든 설비에 동일하게 적용하기보다 운전 환경별 오손 축적 특성을 고려하여 차등화할 필요가 있다.

제안한 임계 오손도와 도달 시간은 실제 유지보수 과정에서 단계적으로 활용할 수 있다. 먼저 대상 설비의 운전 환경을 표 6의 시나리오에 따라 구분하고, 표 8의 도달 시간을 초기 점검 주기 설정을 위한 참고값으로 활용한다. 이후 현장에서 ESDD 및 NSDD를 주기적으로 측정하여 현재 오손 구간을 판정하고, 연속된 측정결과로부터 실제 오손 축적률을 산출한다. 산출된 현장 축적률과 현재 오손도를 식 (6)에 적용하면 다음 임계 오손도 도달 시간을 재산정할 수 있으므로, 세척 시기를 설비 상태에 따라 지속적으로 보정할 수 있다. 다만 본 연구에서 설정한 $r$은 환경별 입자 침적률을 이용한 환산값이며 선형적인 오손 축적을 가정하므로, 실제 적용을 위해서는 장기 현장 모니터링을 통한 축적률의 검증과 보정이 필요하다.

5. 결 론

본 연구에서는 12 kV급 옥내용 배전반 에폭시 지지애자를 대상으로 A형 오손 조건에서 용해성 및 비용해성 오손 수준에 따른 절연 성능 변화를 평가하고, 실험 결과를 기반으로 임계 오손도와 운전 환경별 관리 주기를 제안하였다. 용해성 오손의 영향을 평가한 Case A에서는 낮은 ESDD 조건에서 섬락 전압 감소율이 약 3~8%로 비교적 작게 나타난 반면, ESDD 0.05 및 0.1 mg/cm2에서는 각각 약 30% 및 44%로 감소폭이 크게 증가하였다. 한편 비용해성 오손의 영향을 평가한 Case B에서는 Light 및 Medium 조건에서 약 5~6%, Heavy 조건에서도 약 13%의 감소율을 나타냈다. 이를 통해 본 실험 조건에서는 비용해성 오손량의 증가보다 용해성 오손 수준의 증가가 지지애자의 섬락 전압 저하에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

오손 수준에 따른 절연 성능 변화를 유지보수 의사결정과 연계하기 위하여 ESDD를 주요 오손 관리 지표로 선정하고, ESDD 0.05 mg/cm2를 조치 기준, 0.1 mg/cm2를 긴급 관리 기준으로 설정하였다. 동일한 임계 오손도를 적용하더라도 운전 환경에 따른 오손 축적 특성의 차이로 관리 기준 도달 시간이 달라질 수 있음을 고려하여, 청정 옥내형, 일반 옥내형, 분진 산업형, 항만·조선형 및 해안·해상형의 운전 환경 시나리오를 설정하였다. 시나리오별 오손 축적률을 적용한 결과, 긴급 관리 기준 도달 시간은 청정 옥내형에서 120개월, 일반 옥내형에서 70개월, 분진 산업형에서 약 32.3개월, 항만·조선형에서 약 10.5개월, 해안·해상형에서 약 3.2개월로 산정되었다. 이에 따라 동일한 지지애자라도 운전 환경에 따라 요구되는 관리 주기가 크게 달라질 수 있으므로, 모든 옥내용 배전반에 동일한 점검 및 세척 주기를 적용하기보다 오손 상태와 운전 환경을 반영한 차등 관리가 필요하다.

본 연구에서 제안한 임계 오손도와 운전 환경별 관리 주기는 고정 주기의 시간 기반 유지보수에서 벗어나 지지애자의 실제 오손 상태를 반영한 상태 기반 유지보수 체계로 전환하기 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 다만 본 연구에서 적용한 시나리오별 오손 축적률은 환경별 입자 침적률을 기반으로 설정한 환산값이며 선형적인 오손 축적을 가정하고 있으므로, 실제 현장 적용을 위해서는 장기간의 ESDD 및 NSDD 측정을 통해 운전 환경별 축적률을 검증하고 보정할 필요가 있다. 또한 본 연구의 섬락 전압은 온도 22 ℃, 상대습도 90%에서 40분간 습윤한 조건을 기준으로 측정한 값이며, 습윤 시간이나 습윤 상태가 달라지는 경우 섬락 전압이 본 연구의 측정값과 달라질 수 있다. 따라서 제시한 임계 오손도는 해당 습윤 조건을 기준으로 한 값으로 해석하여야 한다. 특히 결로가 반복적으로 발생하거나 장시간 지속되는 환경에서는 섬락 전압이 더 낮게 나타날 수 있으므로, 보수계수 $k$를 1보다 작게 설정하여 임계 오손도를 낮추어 적용할 필요가 있다. 향후 현장 실측 자료와 결로·고습 조건의 영향을 함께 반영한다면 옥내용 배전반 지지애자의 점검 및 세척 시기를 보다 정량적으로 결정할 수 있는 오손 관리 기준으로 발전시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This research was supported by HD Hyundai Electric and Korea Electric Power Corporation. (Grant number: R25XO02-4)

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저자소개

구본혁 (Bonhyuk Ku)
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He received a master’s degree in electrical engineering from Korea National University of Transportation in 2025. He is currently attending a Ph.D. course in electrical engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.

김예찬 (Yechan Kim)
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He received a master’s degree in electrical engineering from Korea National University of Transportation in 2025. He is currently attending a Ph.D. course in electrical engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.

고기원 (Giwon Go)
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He received a bachelor's degree in electrical engineering from Korea National University of Transportation in 2026. He is currently attending a master’s course in electrical engineering at Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.

반인후 (Inhoo Ban)
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He received a bachelor's degree in electrical engineering from Korea National University of Transportation in 2026. He is currently attending a master’s course in electrical engineering at Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.

장찬혁 (Chanhyeok Jang)
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He received a bachelor's degree in electrical engineering from Korea National University of Transportation in 2026. He is currently attending a master’s course in electrical engineering at Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.

이제희 (Jehui Lee)
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He received a bachelor's degree in electrical engineering from Korea National University of Transportation in 2026. He is currently attending a master’s course in electrical engineering at Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.

강형구 (Hyoungku Kang)
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He received doctor’s degree in electrical engineering from Yonsei University in 2005. He is currently a professor in Dept. of electrical engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.