[논문]열열화된 600V 2종 비닐절연전선의 특성변화 분석

최충석; 이경섭; 이덕출

[국내논문] 열열화된 600V 2종 비닐절연전선의 특성변화 분석
Analysis of Properties Variation of Thermal Deteriorated 600V Grade Hest-Resistant Polyvinyl Chloride Insulated Wires 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.49 no.1, 2000년, pp.8 - 12

최충석 (한국전기안전공사 전기안전시험연구원) , 이경섭 (동신대 공대 전기전자공학과) , 이덕출 (인하대 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The properties variation by deterioration of the 600V grade heat-resistant polyvinyl chloride insulated wire(HIV) was analyzed. The weight variation of the thermal deteriorated HIV was about 42% at 80$0^{\circ}C$ and over. From the analysis result of the metallurgical microscope photographs it shows that the sorface of normal wire showed the elongated structures. However the elongated structures did not appear at $900^{\circ} and over and we could observe that particles were grown. The grown oxidized substances in the thermally deteriorated electric wire were observed by SEM. The CuL, CuK, $CuK_b$, OK and CIK spectra of the thermally deteriorated HIV at $300^{\circ}C$ were uniform regardless of the scanning length, but the spectra of CIK could not found at above $700^{\circ}. At the DTA analysis, the endothermic reactions were occurred around $3006{\circ}C\; and\; 400^{\circ}C$ and the exothermic reactions were occurred around $470^{\circ}, respectively.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 열열화(熱劣化)된 600V 2종 비닐절연 전선(HIV)의 특성을 금속현미경, 주사전자현미경(SEM), 에너 지분산분석기 (EDX), 시차열분석기 (DTA) 등을 이용하여 해석 함으로써 전선의 열에너지 의존성을 객관적으로 확보하여 전기 재해 예방 및 원인규명의 자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

열열화된 HIV의 중량감소를 전자저 울(Mettler, BB2400, Swiss)로 측정하였으며, 열열화에 따른 도 체의 구조 및 조성변화를 밖히기 위해 금속현미(Metallurgical microscope, Nikon, Japan), 주사전자현미경 (SEM, JSM-6400, JEOL, Japan) 및 에너지분산분석기(EDX; Energy dispersive x-ray spectrometer, Oxford, England)를 이용하여 해석하였다. 금속현미경을 이용한 단면구조분석은 다이아몬드 절단기 (Cutting machine, Struers, Denmark)를 이용하여 절단하였으며, 절단된 전선은 성형기(Mounting press, Struers, Denmark로 고정시킨 후 연마기(Polisher machine. Struers, Denmark)를 이용하여 연 마하였다 연마가 끝난 시료는 크로머지로 에칭(etching)하였으며 과정은 그림 2와 같다. 또한, 염화비닐수지 절연물의 열득성 (熱特性) 분석은 시차열분석기 (DTA; Differential Thermal Analyzer, SDT 2960, TA Ins.
Struers, Denmark)를 이용하여 연 마하였다 연마가 끝난 시료는 크로머지로 에칭(etching)하였으며 과정은 그림 2와 같다. 또한, 염화비닐수지 절연물의 열득성 (熱特性) 분석은 시차열분석기 (DTA; Differential Thermal Analyzer, SDT 2960, TA Ins.)를 사용하였다';
본 연구에서는 600V 2종 비닐절연전선(HIV)의 열열화(熱劣化)에 따른 특성변화를 금속현미경, 주사전자현미경(SEM), 에 너지분산분석기(EDX), 시차열분석기(DTA) 등을 이용하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
200℃, 250℃, 300笆, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, l, 000℃ 에서 각각 이루어 졌다[9]. 열열화된 HIV의 중량감소를 전자저 울(Mettler, BB2400, Swiss)로 측정하였으며, 열열화에 따른 도 체의 구조 및 조성변화를 밖히기 위해 금속현미(Metallurgical microscope, Nikon, Japan), 주사전자현미경 (SEM, JSM-6400, JEOL, Japan) 및 에너지분산분석기(EDX; Energy dispersive x-ray spectrometer, Oxford, England)를 이용하여 해석하였다. 금속현미경을 이용한 단면구조분석은 다이아몬드 절단기 (Cutting machine, Struers, Denmark)를 이용하여 절단하였으며, 절단된 전선은 성형기(Mounting press, Struers, Denmark로 고정시킨 후 연마기(Polisher machine.

대상 데이터

전선을 장시간 사용하면 열적, 전기적, 환경적, 기계적 요인 등에 의해 열화(劣化)가 지속되어 절연물의 열분해, 산화, 뒤틀림 등의 반응을 일으켜 득성이 저하되어 선기설비 및 전기기기에 재 해가 밭생된다. 실험에 적용한 600V 2종 비닐절연전선(HIV; 600V Grade Heat-Resistant Polyvinyl Chloride Insulated Wire) 의 열열화(Electric Muffle Furnace, SSH-1500, ShinSung Ind.) 에 따른 특성 변화를 보기 위해서 그림 1과 같은 방법으로 시료를 준비하였으며, 이때 열열화 온도는 50℃, 100t, 150℃. 200℃, 250℃, 300笆, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, l, 000℃ 에서 각각 이루어 졌다[9].

성능/효과

사진에 나타난 바와 같이 입자들의 형태가 커졌으며 연신되었던 형태는 대부분 없어지고 구리 고유의 결정으로 되돌아갔음을 보이고 있다. 또한, 900"C 이상의 높은 열에너지를 받은 경우 결정의 모서리 부분이 둥근 모양으로 변형되었고, 고온에서 열열화된 전선일수록 결정들 사이에 조그만 입자가 많이 관측되었다. 이들 입자를 이미지 페인팅(image paintine)에 의해 분석한 결과 산소와 구리의 화합물(CuO, Cu2O 등)로 되어 있음을 알 수 있 었다.
1) 열열화(熱劣化)된 전선의 중량변화는 300℃에서 약 34% 발생하였으며, 800'C에서는 42% 정도 일어났다. 금속현미 경에 의한 단면구조 분석결과 900℃ 이상의 온도에서 열 열화 전선은 연신(elongation)된 구조가 없어지고 구리입 자의 확대된 형태가 관측되었다.
2) SEM 분석에서 구리결정 사이에 조그만 결정(입자)들이 생성되었는데 이것은 절연물 및 도체의 탄화과정에서 생성된 산화물로 판명되었다.
3) EDX를 이용한 분석에서 3001에서 열열화된 경우 CuL, CuK, CuKb, OK 및 C₁K 스팩트라가 주사길이에 관계없이 고르게 보였으나, 900℃에서 열화된 전선에서 C₁K 스 팩트라가 발견되지 않은 것은 고열에 의해 열분해가 종결 되었기 때문이다.
4) DTA를 이용한 HIV 절연물의 열반응은 300℃ 부근, 350℃ ~400℃ 부근, 470℃ 부근 등 3단계의 열화학 반웅 이 일어났다. 1단계와 2단계는 흡열반응에 의해서 생성된 피크로서 가소제의 기화 및 폴리염화비닐의 탈염화수소반 응에 따른 것으로 판단되며, 저)3단계 열분해 영역에서 보이는 발열피크는 산화분해 및 탄화에 도달하는 과정이다.
이와 같이 용융온도의 하락은 절연물의 연소가 주요 원 인으로 생각되며, 전선의 연신 가공에 따른 기계적인 스트레스 에 의한 영향도 있는 것으로 생각된다. 피복을 제거한 상태(裸電線)에서 실험해 본 결과 순수한 구리에 비해 약간 낮은 온도에서 용융이 일어남을 확인할 수 있었다. 일반화재의 경우 화염의 온도가 약 1,300℃ 정도까지 상승하므로 설비가 전소되었을 경우에는 잔존물 확보가 현실적으로 불가능하므로 신속한 진화를 통한 증거물 확보가 원인규명의 중요한 요소이다.

후속연구

일반화재의 경우 화염의 온도가 약 1,300℃ 정도까지 상승하므로 설비가 전소되었을 경우에는 잔존물 확보가 현실적으로 불가능하므로 신속한 진화를 통한 증거물 확보가 원인규명의 중요한 요소이다. 그리고 열적 손 상을 심하게 받은 노후 설비의 전선을 채취하여 중량 비교를 할 경우 전선의 위험 진단도 가능할 것으로 생각된다.

참고문헌 (12)

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岡本勝弘, 渡邊憲道, 萩本安昭, '電源接續箇所の接觸抵抗の變化によるプラグ絶緣材料の熱劣化,' 日本火災學會硏究發表會槪要集, pp. 178-181, 1998
Bruce V. Ettling, 'Electrical Wiring in Building Fires,' Fire Technology, vol. 14, no. 4, pp. 317-325, 1978

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P. J. Flory, 'Statistical Thermodynamics of Rodlike Particles, 6. Rods Connected by Flexible Joints,' Macromolecules, vol. 11, pp. 1141-1144, 1978

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