[논문]소화약제 및 산불에 노출된 가공송전선의 전기적, 기계적 거동 변화

장용호; 김병걸; 김상수; 한세원; 김진한

문제 정의

가공송전선에 대하여 산불 소화 시에 사용되는 소화약제 영향을 파악하기 위하여 실시하였다. 시편은 가설되어 있는 가공 송전선을 모의하기 위하여 ACSR 410顽전선을 그대로 사용하였다.
고온산화거동실험은 산불상황에서 노출온도에 대한 가공 송전선의 영향을 분석하기 위하여 실시하였다. 온도에 따른 산화거동은 무게변화와 외관변화를 통해 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 국내 산불 환경에 대한 정확한 자료조사를 토대로 실험 조건을 모의하였으며 산불의 여러 인자 중 화염에 의한 산화거동 및 소화약제 영향에 대해 국내에서 많이 사용되고 있는 강심알루미늄연선 즉, ACSR (Aluminum Strand Conductors Steel Reinforced) 410mnf에 적용하여 ACSR의 기계적, 전기적 거동 변화를 연구하였다.
산불 진화시 소화약제가 가공송전선에 어느 정도 침투를 하는지 확인하여 보았다. 시험 방법은 낙하되는 소화약제의 침투 정도를 확인하는 Pouring법과 가공송전선이 소화약제에 담겨 있을 때의 침투정도를 확인하는 Dipping법 2가지를 적용하였다.
산불 화염에 노출되어진 가공송전선이 소화약제에 노출되면 도전율에 어떤 영향을 미치는지 경과시간에 따라 조사해보았다.
산불에 노출되어진 가공송전선이 소화약제에 오염되면 기계적 특성에 어떤 변화가 생기는지를 시간 경과에 따라 조사해 보았다.
TGA는 5℃/min의 속도로 온도를 상승시켜 500℃까지 온도를 조절하였다. 시편의 앞면과 뒷면은 샌드페이퍼 2000번까지 연마하여 실험의 정확성을 높이고자 하였다.

가설 설정

그림 9에서 상온은 화염에 노출되지 않고 소화약제에 오염만 된 상황을 가정한 것이다. 5000시간까지 시간이 경과하는 동안 A1 도체는 지속적인 도전율의 감소 거동을 보였다.
침투 시험은 두 가지 방법으로 실시하였다. 첫 번째는 소방헬기나 호스로 산불 진화 시, 공중에서 가공송전선에 소방약재가 투척되는 것을 모의한 Pouring법이고 두 번째는 소방약제에 가공송전선이 일정시간 동안 지속적으로 영향을 받고 있는 것을 가정한 Dipping법이다. Pouring 법은 가공 송전선으로부터 30cm 높이에서 1회당 2초 동안 일정량의 소화 약제를 투하하였고, 투하 횟수별에 따라 각 Layer의 침투거동을 알아보았다.

제안 방법

고온 산화량은 신전선의 무게와 열화 후 무게를 측정하여 그 차이를 이용하여 도출하였다. TGA는 5℃/min의 속도로 온도를 상승시켜 500℃까지 온도를 조절하였다.
산불온도에 노출된 시간은 1분이며 소화약제 오염방법은 Dipping법, 오염시간은 아연도금강심까지 오염이 되는 10초였다. 그 후 5000시간까지 유지하면서 A1 도체와 아연도금강심의 인장강도 변화를 살펴보았다. 참고로 산불에 노출되지 않은 신전선(상온)의 소방약제에 대한 인장강도 잔존율을 함께 나타내었다.
따라서 침투는 시편의 중심을 기준으로 30cm구역에서만 이루어졌다. 그리고 시편의 벌어짐에 의한 침투가 아닌 정상 상태에서의 침투만을 확인하기 위하여 cable tie 5개를 이용하여 고정한 상태에서 실험을 실시하였다.
강심에는 수분의 침투와 부식을 방지하기 위한 윤활제가 도포되어 있다. 따라서 소화약제 침투는 내층과 외층 A1 도체 사이, 내층 A1 도체와 아연도금강심사이, 아연도금강심중심 인 내측아연도금강심 이렇게 3곳에서 확인하였다. (b)는 침투거동을 확인하기 위해 사용한 시편의 형상이다.
실험은 소화약제에 의한 침투 정도를 1차적으로 살펴보았으며 2차적으로는 침투되어진 소화약제에 의해 오염되어진 가공송전선의 기계적 특성변화와 도전율 변화를 살펴보았다.
영향을 분석하기 위하여 실시하였다. 온도에 따른 산화거동은 무게변화와 외관변화를 통해 분석하였다.

대상 데이터

ACSR 가공송전선의 구성 소재의 인장강도를 측정하기 위하여 사용된 인장 시험 기는 전선 전용 인장시 험기인 1톤용량 Zwicks사의 Z030시험기를 이용하였다. 시험편은 JIS Z 2201 시험편규정을 따라 전체길이는 약 350mm이며 시험편의 중심부에 100mm의 extensor meter를 부착하여 측정하였다.
본 연구에서 사용한 Phos-cheke 2006년부터 산림청에서 산불 진화과정에서 사용하고 있는 소화약제로 대표적인 성분은 Allpha-olefin, Sulfonate solution, pontanediol do- cecanol, limonene이다. Phos-chek의 역활은 물의 증발을 억제하고 연소열의 흡수를 용이하게 하여 물이 가연물의 표면에 접착하게 하여 열전달을 방해하는 것이다.
시편은 ACSR 410顽의 최외측 A1 도체를 사용하였다. 고온 산화량은 신전선의 무게와 열화 후 무게를 측정하여 그 차이를 이용하여 도출하였다.
파악하기 위하여 실시하였다. 시편은 가설되어 있는 가공 송전선을 모의하기 위하여 ACSR 410顽전선을 그대로 사용하였다. 전선 온도는 실제 산불 환경을 모의하여 상온에서 400℃까지로 설정하였다.
(b)는 침투거동을 확인하기 위해 사용한 시편의 형상이다. 시편의 길이는 약 70cm .이었으며 양 끝단을 통한 침투를 방지하기 위하여 양 끝단은 각 20cm씩 밀봉하였다.
Zwicks사의 Z030시험기를 이용하였다. 시험편은 JIS Z 2201 시험편규정을 따라 전체길이는 약 350mm이며 시험편의 중심부에 100mm의 extensor meter를 부착하여 측정하였다. 전선의 도전율 시험은 KS C 3002, IEC 1232 시험 규정을 준하였으며, 시편의 길이는 50cm 로 하였다.
전선의 도전율 시험은 KS C 3002, IEC 1232 시험 규정을 준하였으며, 시편의 길이는 50cm 로 하였다. 장비는 TINSLEY MICRO - OHMETER 5890 시험기를 사용하였다.

이론/모형

확인하여 보았다. 시험 방법은 낙하되는 소화약제의 침투 정도를 확인하는 Pouring법과 가공송전선이 소화약제에 담겨 있을 때의 침투정도를 확인하는 Dipping법 2가지를 적용하였다.
시험편은 JIS Z 2201 시험편규정을 따라 전체길이는 약 350mm이며 시험편의 중심부에 100mm의 extensor meter를 부착하여 측정하였다. 전선의 도전율 시험은 KS C 3002, IEC 1232 시험 규정을 준하였으며, 시편의 길이는 50cm 로 하였다. 장비는 TINSLEY MICRO - OHMETER 5890 시험기를 사용하였다.

성능/효과

1. 알루미늄 도체의 산화거동은 온도의 증가에 따라 산화 정도가 증가하였고 약 30분 경과 후 어느정도 무게 증가가 정지되는 거동을 보였다. 따라서 산화는 가공송전선이 산불에 접한 상태로 약 30분간 유지될 때 최대로 발생된다고 할 수 있다.
2. 아연도금강심은 산불 온도 400℃ 에서 20분 이상 노출되거나 산불 온도 500笔에서 5분간 노출되면 아연도금 층의 손상 및 소실이 야기 도]었다. 이러한 아연도금 층의 변이는 부식의 원인이 되어 장기간 운영 시 급격한 수명감소를 나타낼 수도 있다.
3. 소화약제 살포 시, 가공송전선의 침투 거동은 Pouring 과 Dipping 시험법 모두 유사한 거동이 발현되었지만 Dipping법이 약 2초 정도 빨리 침투되었다. Pouring 법은 아연도금강심까지 10초경과 후 침투하였고 Dipping 법은 약 8초경과 후 아연도금강심까지 침투하였다.
4. 소화약제 살포 시, 가공송전선의 인장강도 거동은 소화약제에 오염된 후 5000시간 경과까지 뚜렷한 변화는 발견되지 않았다. 하지만 도전율은 산불 노출 온도가 증가함에 따라 감소하는 폭이 커지는 거동을 보였고, 소화약제에 오염되면 도전율이 감소하는 거동을 보였다.
가공송전선내로 소화약재의 침투거동은 2가지 방법이 거의 비슷하였지만 Pouring법에 비하여 Dipping법이 약간 용이한 것으로 나타났다. 두 가지 방법은 아연도금강심까지 침 투되는 시간에서 부터 차이를 나타내었다.
따라서 ACSR 410顽전선은 산불에 노출되어진 후 소화약제에 의해 오염이 되면 A1 도체의 도전율이 아연도금강심에 비해 많은 영향을 받는다는 결과를 얻을 수 있다. 하지만 본 실험에서는 산불 노출을 1분, 소화약제 침투를 10초로 제어하였지만, 만약 더 오랜 시간 산불에 노출되어 아연 도금층에 변화가 발생하고 그 상황에서 소화약제에 오염된다면 A1 도체뿐만이 아니라 아연도금강심 역시 특성에 변화가 발생할 것이고 부식 속도가 증가하여 더 심각한 결과를 더 빠른 시간 안에 초래 할 수 있을 것이라 판단된다.
앞의 2가지 결과를 종합하여 보면 A1 도체의 산화로 인한 중량변화는 온도가 높을수록 증가하고 약 30분 동안 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 국내 수목지역 산불 상황에서 A1 도체의 산화가 가장 많이 발생하는 조건은 가공 송전선이 산불에 접한 상태에서 30분 동안 노출되는 것이라고 판단된다.
그러나 소화약 제의침투량은 다소 미미하였다. 약 7회 이상의 Pouring에서 아연도금강심까지 침투한 소화약제 흔적이 선명해지기 시작하였으며 침투량도 점차적으로 증가하였다. 약 20회 Pouring 결과 아연도금강심의 내층까지 소화약제가 침투한 흔적이 발견되었다.
약 8초 동안 Dipping을 하면 아연도금 강심에서 소화약제의 흔적이 발견되기 시작하나 소화약제 침투량은 다소 미미하였다. 이후 Dipping시간에 따라 아연도금강심내로 소화약제의 침투 량은 점차적으로 증가하였 으며, 약 15초 이상 Dipping시, 아연도금강심까지 소화약제의 침투 흔적이 선명해지기 시작하였으며 침투 량도 상당하였다. 60초 이상의 Dipping 시험에서는 아연도금강심의 내 층에서 소화약재 침투흔적이 발견되었다.
그리고 2000시간까지는 산불 노출 온도에 대한 영향 없이 거의 동일한 감소 거동을 보였지만 2000시간이 경과하면서 산불 노출 온도가 높은 400℃가 산불에 노출되지 않은 상온이나 더 낮은 온도인 200℃조건에 비해 많은 감소량을 보였다. 즉, 도전율은 산불 노줄 온도가 증가할수록 더 많은 감소를 보였다. 그리고 산불에 노출되지 않은 A1 도체 역시 도전율 감소를 보인 것은 소화약제가 도전율 감소의원인으로 작용하고 있다는 것이다.
소화약제 살포 시, 가공송전선의 인장강도 거동은 소화약제에 오염된 후 5000시간 경과까지 뚜렷한 변화는 발견되지 않았다. 하지만 도전율은 산불 노출 온도가 증가함에 따라 감소하는 폭이 커지는 거동을 보였고, 소화약제에 오염되면 도전율이 감소하는 거동을 보였다. 하지만 소화약제에 의한 특성변화는 장시간의 경년특성이 중요하기 때문에 향후 지속적인 관찰이 필요하다.

후속연구

그러나 강도 측면 이외 부식적인 측면을 고려하며 물이나 소방약제가 전선의 부식과 알루미늄 도체에 균열을 촉진할 가능성이 있다. 이러한 부식에 의한 인장강도 감소는 갑자기 급격하게 나타나기 때문에 추후 소화약제가 전선의 인장강도에 미치는 영향을 지속적으로 조사할 예정이다.
왜냐하면 산불 노출온도가 높을수록 알루미늄 도체표면균열의 확장과 더불어 재료 내 결함의 발생으로 소화약제가 도체 표면에 존재할 시간이 많아지기 때문이다. 이후 경과 시간을 장시간으로 두면서 도전율의 변화에 소화약제가 미치는 영향을 조사할 계획이다.
하지만 본 실험에서는 산불 노출을 1분, 소화약제 침투를 10초로 제어하였지만, 만약 더 오랜 시간 산불에 노출되어 아연 도금층에 변화가 발생하고 그 상황에서 소화약제에 오염된다면 A1 도체뿐만이 아니라 아연도금강심 역시 특성에 변화가 발생할 것이고 부식 속도가 증가하여 더 심각한 결과를 더 빠른 시간 안에 초래 할 수 있을 것이라 판단된다. 왜냐하면 산불 노출온도가 높을수록 알루미늄 도체표면균열의 확장과 더불어 재료 내 결함의 발생으로 소화약제가 도체 표면에 존재할 시간이 많아지기 때문이다.
하지만 도전율은 산불 노출 온도가 증가함에 따라 감소하는 폭이 커지는 거동을 보였고, 소화약제에 오염되면 도전율이 감소하는 거동을 보였다. 하지만 소화약제에 의한 특성변화는 장시간의 경년특성이 중요하기 때문에 향후 지속적인 관찰이 필요하다.

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