2.1 해안으로부터 거리별 시료 발췌 및 육안검사

절연 내력 판단을 위한 해당 시료를 해안으로부터 이격된 철탑 3기에서 송전용 자기 애자를 선정하였으며, 거리별 절연 내력 및 시멘트 열화 분석을 위한 시료를 <표 1>과 같이 구성하였다. 해당 시료는 국내 K사의 36,000lbs 규격의 내장형 자기 애자로써 Alumina 성분으로 구성하였으며, 본 연구는 각 시료의 신뢰성과 정확성을 높이기 위해 동일 조건의 시료를 각 10개씩 절연 내력 및 시멘트 열화 분석을 진행하였다.

본 연구를 위한 시료 정보는 <표 1>과 같으며, 154kV 송전선로에 설치된 내장형 자기 애자 중 활선에서 약 8년간 누적 스트레스를 통한 열화가 진행된 자기 애자 중 전기적, 기계적으로 우수한 Alumina 성분의 자기 애자를 선정하여 절연 내력 및 시멘트 열화 분석을 진행하였다. 연구에 사용된 시료는 <그림 1>과 같이 외관 구조에 대한 육안검사를 진행하였고, 해당 시료의 육안검사를 통해 해안에서부터 거리별 애자 표면의 시멘트 분진 및 외부 환경에 의한 오손 부착이 발생된 것을 확인하였다. <그림 1 (a)>시료는 해안에서부터 427.3m의 시료이며 시멘트 분진 및 외부 환경에 의한 애자 표면 오염이 가장 많이 발생되었다. <그림 1>에서와 같이 해안에서부터 이격된 거리가 멀어질수록 애자 표면에 부착된 시멘트 분진 등 외부 오손에 의한 애자 표면의 오염 정도가 감소되었다.

Fig. 1. Top and Bottom visual inspection of porcelain insulators

2.2 절연 내력 측정

본 연구를 위한 절연 내력 측정은 <그림 2 (a)>와 같이 KYORITSU사의 KEW3127미터기로 절연저항을 측정하였다. 자기 애자의 Pin부분과 Cap부분에 각 +, -전원을 연결하여 1,000V의 전위차, 즉 전압을 인가하여 1분간 상승하는 절연 내력을 측정하였고, 본 시험의 불량기준은 1,000MΩ으로 기준 되어있으며, 기준치 미달 시 절연 내력 불량으로 판정하였다. 해당 측정기의 규격은 IEC 61010-1, 031, 2-030 및 IEC 61326-1, 2-2로 제작되었으며, 250V부터 5,000V까지 광범위한 측정이 가능하여, 해안으로부터 이격된 거리별 절연 내력 측정에 활용하게 되었다. 연구에 필요한 모든 시료에 대하여 절연 내력 측정을 <그림 2>와 같이 진행하였으며, 절연 내력 측정 시 온도, 습도 및 동일 조건에서 측정을 실시할 수 있도록 절연 내력 측정 챔버를 구성하여 해당 측정에 오차를 감소시켰다. 해당 시료의 절연 내력 측정에 대한 분석은 2.4절 절연 내력 분석을 통하여 제시되었다.

Fig. 2. Insulation strength measurement

2.3 시멘트 열화 측정

자기 애자의 내부 구조는 금구류로 구성된 Cap과 Pin 및 Ceramic으로 구성된 절연체로 이뤄져 있다. 금구류와 절연체를 연결 및 접착 역할을 하는 시멘트가 존재하는데, 이 시멘트의 팽창 및 열화로 인한 부식은 자기 애자의 기계적 탈락으로 진행된다^[7-10]. 본 연구에서는 자기 애자 단면을 절삭하여 지시약 시험을 실시하였고, 산염기 지시약을 통한 수소이온농도(pH:potential of hydrogen) 반응을 분석하여, 신품 자기 애자의 pH 농도 대비, 해안으로부터 이격된 자기 애자의 pH 농도 변화를 측정하였다. 자기 애자 내의 시멘트 열화 pH 농도 변화는 <표 2>와 같으며. 이를 통해 시멘트 열화 분석을 진행하였다.

Table 2. pH reaction due to cement Corrosion

2.4 절연 내력 분석

본 연구를 통해 절연 내력 측정에 대한 분석은 <그림 3>과 같이 제시되었다. 해안에서부터 가까운 427.3m의 자기 애자의 절연 내력 값은 최소 23,200MΩ, 최대 33,100MΩ의 절연 내력 값을 얻을 수 있었으며, 평균 29,400MΩ 측정되었다. 이는 기준 절연 내력 값 1,000MΩ의 29.4배의 높은 절연 내력 값을 얻을 수 있었다. 다음, 해안으로부터 469.9m 떨어진 자기 애자의 절연 내력 값은 최소 8,580MΩ, 최대 14,800MΩ의 절연 내력 값을 얻을 수 있었으며, 평균 10,500MΩ 측정되었다. 이는 427.3m에서 약 50m 떨어진 469.9m 거리에서 절연 내력 값이 18,900MΩ 감소되었다. 해안에서부터 이격된 거리 중 571m의 자기 애자의 절연 내력 값은 최소 1,840MΩ, 최대 3,300MΩ으로 편차는 1.7배 차이를 나타냈으며, 평균 2,500MΩ의 절연 내력 값으로 측정되었다. 열화판정 기준 값 1,000MΩ의 2.5배 정도 높은 것으로 측정되었지만, 해안에서부터 이격된 거리가 가까운 427.3m의 애자 시료보다 11.8배 감소된 측정값을 얻을 수 있었다. <그림 3>에서와 같이 각 철탑별 거리 중 427.3m를 기준으로 약 50m의 경간 발생 시 절연 내력 값은 18,900MΩ 감소되었고, 427.3m 자기 애자를 기준으로 약 150m의 경간 발생 시 절연 내력 값은 2,500MΩ으로 26,900MΩ 감소되었다. 해안에서부터 근접한 자기 애자의 절연 내력 보다 해안에서부터 이격된 거리가 멀고 산간지역에서 근접한 자기 애자의 절연 내력이 11.7배 감소된 것으로 보아 염분에 의한 자기 애자의 열화보다 산간의 습윤한 습기로 인한 전기적 스트레스 열화가 실제 자기 애자 절연 내력 감소에 더욱 많은 영향을 미친다는 것으로 판단되었다^[11]. 외부 노출이 많은 자기 애자의 각 구조체의 부식은 여러 요인으로 절연 내력 감소에 중요한 문제로 작용하는데, 자기 애자 제작 시 시멘트 수화 반응에 의해 생성된 수산화칼슘($Ca(OH)_{2}$)은 Pin, Cap 부식을 보호하는 역할을 한다. 수산화칼슘은 활선 상태의 대기 중 이산화탄소($CO_{2}$)와 반응하여 탄산칼슘($Ca CO_{3}$)이 생성되는데, 생성된 탄산칼슘은 알칼리성을 잃어 산성 또는 중성으로 pH가 감소하게 된다. 산화 반응된 시멘트는 Pin, Cap 부식으로 이어져 시멘트 체적이 팽창되는데, 팽창으로 발생된 균열 부분에 습윤한 습기의 수분이 침투되어 Pin, Cap 부식을 촉진하게 된다. 이로 인해 자기 애자 열화가 가속되며, 절연 내력 감소로 이어지게 된다. 즉, 열화가 진행된 부분의 산화 생성으로 녹이 발생하고, 그로 인한 팽창으로 자기 애자의 성능 저하가 야기된다. 이처럼 Cap, Pin 부식을 포함한 자기 애자 각 구조체의 복합적인 부식으로 인하여 절연 내력 감소로 이어진 것으로 판단된다.

Fig. 3. Comparison of insulation strength values by distance

2.5 시멘트 열화 분석

자기 애자에 대한 시멘트 열화 분석은 해안으로부터 이격된 거리별 시료를 발췌하여 진행하였다. 분석에 필요한 시료 단면은 3,800bar 압력과 100m/s의 균일한 Water jet 절단을 통해 절삭하였고, 산염기 지시약을 통한 시험이 진행되었다. 연구에 사용된 시료는 신품 시료를 비교 군으로 해안에서부터 427.3m 이격된 시료와 469.9m 및 571m 이격된 시료를 시험에 사용하였다. 절삭이 완료된 시료의 시멘트 단면 부분에 산염기 지시약을 이용하여 pH 분석을 실시하였으며, 그에 따른 변화는 <그림 4>와 같이 제시되었다.

Fig. 4. Differences in pH Change Through Universal Indicators

위 <그림 4 (a)>와 같이 신품 자기 애자의 경우 강알칼리성 색을 띠고 있으며, 신품 시료를 기준으로 해안으로부터 근접한 (b)시료 또한 강알칼리성 색을 띠고 있어, 신품 대비 열화가 진행되지 않은 것으로 판단된다. (c)시료의 경우 강알칼리성에서 약 중성화가 진행된 것으로 판단되며, 해안으로부터 이격된 거리가 비교적 멀고 산간지역의 오랜 습윤한 습기를 받은 (d)시료의 경우 강알칼리성에서 중성화로 열화가 진행된 것으로 판단되었다. 위 시멘트 열화에 따른 지시약 반응을 볼 때 2.4절의 절연 내력 분석과 같이 절연 내력 값과 시멘트 열화 분석은 자기 애자의 절연 내력에 있어 상관관계를 가지고 있다고 판단된다. 산염기 지시약 분석을 통해 신품 시료 대비 습윤한 습기에 열화가 진행된 시료의 pH 변화율은 <그림 5>와 같이 제시되었다. <그림 5 (a)>시료의 경우 강알칼리성인 pH 14로 측정되었으며, (b) 시료 또한, 강알칼리성인 13으로 측정되어 신품 시료대비 경년 8년이 경과 하였지만, 열화가 거의 진행되지 않은 것으로 판단된다. (c)시료의 경우 pH 11로 측정되었으며, 산간지역으로 가까워질수록 강알칼리성에서 약 중성 쪽으로 pH가 변화한 것을 알 수 있었다. 산간지역의 습윤한 습기에 활선 스트레스 누적이 진행된 (d)시료의 경우 pH 7의 중성 농도로 변화된 값을 확인할 수 있었으며, 신품 및 해안에서 가까운 시료의 pH 농도 13~14 값의 1/2로 시멘트 열화가 많이 진행된 것으로 분석할 수 있었다.

Fig. 5. pH change by distance from coast

<그림 5>와 같이 해안으로부터 이격된 거리가 멀고 산간지역에 근접될수록 자기 애자의 시멘트 열화가 발생되어 강알칼리성에서 중성으로 감소하였다. 이는 시멘트 열화가 진행된 것으로 판단된다. <그림 3>의 절연 내력 값과 비교하였을 때 해안에서 가까운 염분에 의한 자기 애자의 열화보다 습윤한 상태의 습기로 인한 열화가, 절연 내력 감소를 유발하는 시멘트 열화에 더욱 취약한 것을 확인할 수 있었다^[12,13]. 시멘트 열화 원인은 시멘트 내부에 알칼리($Na_{2}O,\: K_{2}O$)와 시멘트 원료에 포함되어 있는 반응성 실리카 요소가 산간지역의 습윤한 습기와 반응한 것으로 판단되며, 알칼리 실리케이트 겔을 통한 시멘트 팽창이 주 요인이며, 알칼리 실리카 반응(ASR:Alkali Silica Reaction)으로 시멘트 열화가 진행된 것으로 판단된다^[14-16].