[논문]IV와 HIV 절연 전선용 PVC 절연재료의 수명 예측

박형주

doi:10.14346/jkosos.2019.34.1.8

IV와 HIV 절연 전선용 PVC 절연재료의 수명 예측
Lifetime Prediction on PVC Insulation Material for IV and HIV Insulated Wire 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.1, 2019년, pp.8 - 13

Abstract ▼ AI-Helper

Weight and elongation changes of IV and HIV insulations were measured simultaneously at several given temperature of $80^{\circ}C$, $90^{\circ}C$ and $100^{\circ}C$. And the lifetime was predicted using the Arrhenius model. Based on the initial weight values, a 50% elongation reduction was seen at 6.96% for the IV insulation and 10.29% for the HIV insulation. The activation energy from the slope of the lifetime regression equation was calculated as 92.895 kJ/mol(0.9632 eV) for the IV insulation and 95.213 kJ/mol(0.9873 eV) for the HIV insulation. Also, the expected lifetime at the operating temperature of $30^{\circ}C$ to $90^{\circ}C$ is 2.02 to 94.32 years, and longer lifetime was predicted on HIV insulated wires than on IV insulated wires. As a result, it was found that the thermal characteristics of the HIV insulated wires were about 12.44% better than those of IV insulated wires under the same conditions of use.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Plastic test sample [ISO 527 part 2].
표 Table 1. Tendency equation and coefficient of determination (R²) of change in mass by aging time
그림 Fig. 2. Changing in mass of IV insulation by ageing time.
그림 Fig. 3. Changing in mass of HIV insulation by ageing time.
그림 Fig. 4. Elongation at break of IV insulation by ageing time.
그림 Fig. 5. Elongation at break of HIV insulation by ageing time.
표 Table 2. Tendency equation and coefficient of determination (R²) of change in elongation by aging time
그림 Fig. 6. Prediction of Lifetime at operating temperature of IV and HIV wire.
표 Table 3. Experiment data of 50% Elongation time by aging temperature
표 Table 4. Lifetime predicted by regression line

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 주거 건출물 내에서 저압용 일반 옥내 배선용 전선으로 사용되고 있는 IV와 HIV 절연 전선의 절연재료인 PVC 절연체에 대해 3개 구간의 온도 범위에서 가속 열화를 실시하고 무게변화, 연신율 변화를 측정 후 Arrhenius 모델을 적용하여 활성화 에너지를 산출하고 이를 통해 사용 온도 조건에서의 장기 수명을 예측하고자 하였다.

제안 방법

2.1의 실험재료에 대한 열적 열화에 의한 특성 변화를 측정하고 활성화 에너지를 산출하기 위해 IEEE 383-1974의 2.3.2항에 따라 온도가 적어도 10℃ 이상 차이가 나는 최소한 3개의 데이터 점인 80℃, 90℃, 100℃의 온도를 장기간의 가속열화 조건으로 설정하고 가속열화를 실시하였다¹³⁾.
80℃, 90℃, 100℃의 온도에서 가속 열화하는 과정 중에 연신율이 50%까지 감소할 때까지 각 시간을 Table 3과 같이 산출하고 이를 이용하여 활성화 에너지와 사용 온도에서의 수명을 예측하였다. Table 3의 (1/T) x 10³와 log(hr)를 이용하여 식 (8)의 형태로 나타낸 IV 절연체에 대한 수명 회귀 방정식은 식 (9), HIV 절연체에 대한 수명 회귀 방정식은 식 (10)과 같다.
가속 열화 전 기준 재료의 무게와 연신율을 측정한 후 80℃, 90℃, 100℃로 설정된 oven에 준비된 실험재료인 IV와 HIV의 절연체를 각각 200개씩 넣고 4일 간격으로 실험재료를 5개씩 채취한 후 식 (1)을 이용하여 무게 변화와 식 (2)를 이용하여 연신율 변화를 측정하였다.
국내에서 옥내 배선 재료로 많이 사용되고 있는 IV와 HIV 절연체를 대상으로 80℃, 90℃, 100℃에서 가속열화를 통해 무게 및 연신율 변화를 측정하고 아레니우스 모델을 이용하여 수명을 예측한 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

국내에서 옥내 배선 재료로 많이 사용되고 있는 내경 2.0 mm, 외경 3.5 mm의 PVC 절연전선(IV; PVC insulated wire)과 내열 PVC 절연전선(HIV; Heat-resistant PVC insulated wire)을 사용하였으며, 도체를 제외한 절연체(두께 0.75 mm)만을 ISO 527 part 2의 샘플 기준인 100mm의 크기로 각 600개씩 준비하였다.⁹⁾

성능/효과

1) 무게 변화 데이터를 이용한 추세선 방정식을 통해 연신율이 초기 값의 50%에 도달 시간을 기준으로 무게 변화율을 계산한 결과, 초기 무게 값을 기준으로 IV 절연체의 경우 6.96%, HIV 절연체의 경우 10.29%가 감소하는 것으로 나타났다.
2) 가속 열화 조건인 온도가 증가할수록 연신율이 50%로 감소하는 시간이 짧아지는 것을 알 수 있으며, 각 그래프로의 fit equation로부터 계산된 시간은 IV 절연체의 경우 80℃ 4,141시간, 90℃ 1,645시간, 100℃ 759시간, HIV 절연체의 경우 80℃ 3,459시간, 90℃ 2,444시간, 100℃ 601시간에서 50%의 연신율 감소를 나타내었다.
3) IV와 HIV 절연체에 대한 수명 회귀 방정식의 기울기로부터 계산된 활성화 에너지는 각각 92.895 kJ/mol(0.9632 eV)와 95.213 kJ/mol(0.9873 eV)로 계산되었다.
4) 장기 수명을 예측한 식으로부터 전선의 사용 온도를 30℃ ～ 90℃까지로 설정하였을 때 예상되는 수명은 2.02 ～ 94.32년으로 IV 절연 전선보다 HIV 절연 전선에서 보다 긴 수명이 예측되었으며, 동일한 사용 조건에서 HIV 절연 전선의 열적 특성이 평균 약 12.44% 우수함을 알 수 있었다.
가속 열화에 의한 연신율 변화 측정에 있어서 연신율이 초기 값의 50%에 도달 시간을 기준으로 무게 변화율을 계산한 결과, 초기 무게 값을 기준으로 3개 구간의 온도에서 IV 절연체의 경우 6.96%, HIV 절연체의 경우 10.29%가 감소하는 것으로 나타났다.
또한, 식 (11)과 식 (12)로부터 전선의 사용 온도를 30℃ ～ 90℃까지로 설정하였을 때 예상되는 수명은 Table 4에 나타내었다. 두 전선의 수명 예측을 통해 IV 절연 전선보다 HIV 절연 전선에서 보다 긴 수명이 예측됨에 따라 동일한 사용 조건에서는 HIV 절연 전선의 열적 특성이 평균 약 12.44% 우수함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절연 열화의 원인은 무엇인가?	절연재료의 절연성능이 저하되어 절연파괴로 이어지는 현상을 절연 열화라고 말하며, 발생 요인으로는 전기적, 열적, 기계적, 환경적 요인 등으로 다양하며 단일 또는 복합적인 요인에 의해서 발생한다. 전기적 원인에 의한 발화요인의 소분류에서 발화의 원인 중 절연 열화에 의한 단락은 전선 또는 케이블의 피복 재료(절연 및 외부 자켓 등)로 사용되고 있는 절연재료의경과 시간이 오래된 노후 건축물에서 많이 발생하고 있으나, 가혹 조건에서는 아주 짧은 시간에 절연 열화로 인한 단락으로 화재가 발생할 가능성 또한 높다3).
	절연 열화란 무엇인가?	절연재료의 절연성능이 저하되어 절연파괴로 이어지는 현상을 절연 열화라고 말하며, 발생 요인으로는 전기적, 열적, 기계적, 환경적 요인 등으로 다양하며 단일 또는 복합적인 요인에 의해서 발생한다. 전기적 원인에 의한 발화요인의 소분류에서 발화의 원인 중 절연 열화에 의한 단락은 전선 또는 케이블의 피복 재료(절연 및 외부 자켓 등)로 사용되고 있는 절연재료의경과 시간이 오래된 노후 건축물에서 많이 발생하고 있으나, 가혹 조건에서는 아주 짧은 시간에 절연 열화로 인한 단락으로 화재가 발생할 가능성 또한 높다3).

참고문헌 (13)

National Fire Agency, "Annual report on fire statistics 2018, p. 104, 2018.
National Fire Agency, "National Fire Information Center E-Fire Statistics", 2017.
K. T. Song and S. I. Lee, "Partial Discharge Diagnosis of Thermal Degradated PVC Cable", Journal of the Korea Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 24, No. 3, pp. 208-214, 2011.

원문보기 상세보기
C. S. Choi, D. G. Park and H. G. Kim, "A study on the fire hazard of wire for wiring and instrument", Korea Electrical Safety Corporation, Ministry of Trade, Industry and Energy, 2001.
S. G. Choi and S. K. Kim, "Study on the Tracking Characteristics Depending on Accelerated Degradation of PVC Insulation Material", Fire Science and Engineering, Vol. 31, No. 6, pp. 91-98, 2017.

원문보기 상세보기
S. K. Kim and S. G. Choi, "A Study on the Over-current Characteristics of IV Insulated Wire Sheath According to Accelerated Degradation", Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 2, pp. 48-56, 2018.

원문보기 상세보기
K. T, Song and S. I. Lee, "Partial Discharge Diagnosis of Thermal Degradated PVC Cable", J. KIEEME, Vol. 24, No. 3, pp. 208-214, 2011.
C. S. Choi, "The Properties Analysis of 600V Grade Polyvinyl Chloride Insulated Wire with Variation of Thermal Stress", T. Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 15, No. 1, pp. 108-115, 2001.
H. J. Park, K. H. Kim and H. Kim, "Evaluation of Theraml Aging on PVC Using Thermo Gravimetry Analysis and Accelerated Thermal Aging Test", T. of Korea Institute of Fire Science and Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 45-50, 2004.
Korea Electric Power Research Institute, "Evaluation of Radiation Degradation of Cable in Nuclear Power Plant", Korea Atomic Energy Research Institute, Service report, KAERI/CM-1026, 2007.
J. Y. Kim, "Lifetime Prediction and Accelerated Degradation of EPR Insulation Material for NPP Cables", Thesis for a Master, Wonkwang University, pp. 17-41, 2015.
W. Y. Jung and J. I. Weon, "Characterization of Thermal Degradation of Polyamide 66 Composite: Relationship between Lifetime Prediction and Activation Energy", Polymer(Korea), Vol. 36, No. 6, pp. 712-720, 2012.
An American National Standard, "IEEE Standard for Type Test of Class 1E Electric Cables, Field Splices, and Connections for Nuclear Power Generating Stations", IEEE Std 383, p. 10, 1974.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증