2.3.1 터널 분진과 수분에 의한 애자 섬락

‘24년 7월 태백선 제천~입석리간 송학터널(5,985m)에서 급전선 현수애자 절연파괴로 전차선로 순간 정전이 4회 발생하였으며, 터널내 현수애자(250Φ×4) 284련 및 지지애자(NSP-50) 36개 모두를 교체한 사례를 검토하였다. 그해 10월 터널내 교체 후 애자 상태와 그림 2와 같이 철거된 애자 표면에 분진이 고착되고 손상된 애자를 확인하였다. 터널은 철도시설의 기술기준에서 규정하는 1km이상 장대터널로 환기의 어려움으로 인해 벽면에는 많은 수분이 관찰되었으며 분진의 흡착이 용이한 선로 환경이었다.

그림 2. 송학터널 철거 현수애자 및 교체 설치 상태

Fig. 2. Demolition suspension Insulator and replace of Songhak Tunnel

철거된 애자의 절연성능 확인을 위하여 ES-5970-0007 (250mm볼소켓형 현수애자)에 따라 그림 3과 같이 시험조건을 갖추고 상용주파 건조섬락 전압 및 주수섬락전압 시험을 시행한 결과 표 4와 같이 각각 현수애자 개당 건조섬락전압은 최소 56.75kV, 주수섬락전압은 최소 14.25kV로서 모두 기준값 이하로 측정되었다.

그림 3. 철거애자 상용주파수 건조섬락시험 및 주수섬락시험

Fig. 3. Dry flashover and Wet Flashover test of Demolition insulator

지지애자(NSP-50)에 대하여는 상용주파 건조섬락전압시험 값이 최소 110kV로 기준(200kV)보다 매우 낮게 측정되었다. 이는 애자의 표면에 고착된 분진 조건에 장대터널 특성상 환기의 어려움으로 인해 과도한 습윤이 침착되어 절연성능이 현저히 저하한 상태에 이르렀음을 알수 있다. 장대터널에서 전차선로 설비 관리기준을 터널의 환경조건에 따라 분류하여 표면섬락을 최소화 할수 있도록 기준 정립이 필요하다.

2.3.2 염분과 적설에 의한 애자 섬락

영동선 동해~강릉간 전철화 개통 3개월 후(‘05.12) 정동진~안인간 전차선로 약 6km구간에서 현수애자 절연성능 저하로 총 14회 섬락이 발생하였다. 이에 철거품에 대한 섬락전압(건조, 주수)시험 결과를 정리하였다. 이 구간은 해안가에서 최소 수십m로 매우 근접해 있으며, 지금은 KR E-03120(전차선로용 애자)에 따라 동해안은 해안가 1.5km이내 애자는 건설시부터 염해오손 D등급으로 설계하고 있다. 그림 4는 철거된 현수애자(250φ)로 표면이 심하게 소손된 상태의 모습이다.

그림 4. 동해선(정동진~안인) 전차선로 현수애자련 및 섬락상태

Fig. 4. Suspension Insulator of Donghae Line Catenary

철거한 현수애자에 대하여 ES-5970-0007에 따라 건조섬락 및 주수섬락전압 시험을 시행한 결과는 다음과 같다. 먼저 염해오손층에 의한 시험은 현수애자 신품을 B, C, D등급에 준하도록 염분을 부착시킨후 시험한 섬락전압을 철거품의 시험값과 비교한 것을 표 5와 같이 정리하였다.

주수섬락시험은 현수애자 1련을 안개를 이용한 증기막속에서 섬락 발생까지 시험 하였다. 시험결과는 표 6과 같으며 세척전 현수애자 1개에 대한 건조섬락전압은 58.2kV, 1련(4개)의 시험전압 238kV측정되어 1개당 환산값도 59.5kV로 기준값 이하이다. 주수섬락시험(1련)은 60kV로 매우 낮았다. 애자표면 염해오손층 시험에서는 오염등급의 섬락전압과 비교해 보면 철거애자는 D등급 수준으로 분석되었다. 또한 표면이 이미 손상된 애자는 세척전에는 61.3kV, 세적 후에도 74.6kV로 기준을 만족하지 못하였다.

이 구간 전차선로 애자의 섬락 발생은 자체 절연체의 문제보다는 대지와 수직형태로 설치되어 염분 부착이 단기간에 이미 D등급 수준인 상태에서 애자련 날개사이에 눈이 쌓이면서 전체 애자련 연면거리를 더욱 단축시키며 섬락이 일정시간 지속되면서 애자표면이 소손되어 절연이 파괴된 것으로 분석되었다. 이후 국가철도공단은 영동선 해안가 전차선로에 대하여 현수애자 1개를 추가하는 과절연 설계를 통하여 현수애자련 구성을 250Φ*5개(1개 추가)로하여 연면거리를 1,200mm에서 1,500mm로 확대하여 설계기준에 반영하였다.

2.3.3 고속철도 Polymer 애자 섬락

고속철도구간에서 발생한 총 49회 애자 섬락에 대하여 노반 형태별 현황을 표 7에 나타내고 있다. 특히 교량구간 애자에서 32회로 발생율 65%로 가장 많이 차지하였다. 특히 본 논문에서는 경부고속철도 2단계(동대구~부산) 2010년 개통 이후 7년간 토공 및 교량구간 전차선로 Polymer애자 섬락으로 인한 순간단전이 10회 발생한 사례에 대하여 검토 분석하였다. 1단계 구간 현수애자 및 장간애자는 유리재질이며 2단계 구간은 모두 Polymer 애자이다.

세부적으로 Polymer 현수애자 T-sx(Type-Suspension eXpress)에서 8회, 가동브래킷 상부 폴리머 장간애자 T-mx(Type-Metro eXpress Stem)에서 2회 발생하였다. 철거 애자 표면은 육안으로는 섬락에 의해 일부 그을림은 있었으나 절연저항 및 건조섬락전압 시험 결과는 예상과 다르게 표 8과 같이 기준을 만족하였다. 애자 7건에 대해 건조섬락전압은 최소 238kV이상으로 측정되었으며, 절연저항은 특고압설비 기준 10[㏁]을 초과하였다.

‘17.6월 경부고속철도 신경주역구내 낙뢰로 인해 급선선 polymer 현수애자(T-sx) 섬락으로 인한 절연파괴로 애자의 섬락전압 측정이 무의미한 정도의 손상 사례도 있었다. 이때 울산SS~당리SP간 전차선로가 단전되었으며 섬락시 고장전류는 4,640[A]로 기록되었다.

그림 5. 경부고속철도 2단계 구간 전차선로 폴리머애자 섬락사례

Fig. 5. Polymer insulator flashover on the catenary Gyeongbu H.S Phase 2

경부고속철도구간 애자 섬락사고는 환경조건이 분진 등 오염물질이 고착되기 어려운 토공 및 교량구간임에도 낙뢰를 동반한 우천시 뿐만아니라 건조한 기후 상태에서도 발생한 것이다. 한국철도공사에서 분석한 10회의 섬락발생 원인에 대하여 조류접촉 1건, 낙뢰로 인한 섬락 1건 외에는 원인 불명이었으나, 2021년 12월 국가철도공단에서 시행한 연구결과 토공 및 교량구간 섬락 대부분 원인을 낙뢰로 인한 섬락으로 분석하였으며, 일반철도 전차선로 애자에 비하여 섬락거리가 상대적으로 짧아(약 70%) 낙뢰에 취약한 것으로 보고 되었다^[4].

2.4.1 터널 분진 성분과 도전율

송학터널의 분진 상태와 도전율 분석은 현장여건과 유사한 터널의 선행 연구자료를 참고하였다. 공해지역 터널에 설치된 애자에 대하여 누적기간 8개월, 19개월 동안 오염물을 포집한 분석 자료에 의하면 터널공간에서 철로와 바퀴의 마찰에 의해 부유한 먼지가 애자에 부착되는 과정을 거치면서 터널 내부에 철(Fe)성분이 가장 높은 비율로 분석되었다. 터널의 위치에 따라 그림 6와 같이 입구, 중간, 출구 순으로 오염물 분진의 양과 도전율이 더 커짐을 알수 있다. 8개월 측정시 터널 출구의 분진에 의한 도전율은 180~560μs/㎝로 나타났으며, 19개월간 누적 분진에 대한 도전율은 600~1,400μs/㎝로 증가 하였다^[5].

그림 6. 터널(공해영향) 구간의 도전율과 포집량^[5]

Fig. 6. Conductivity and pollution quantity in tunnel

터널 오염의 객관적인 결과는 오염물의 성분, 포집량 등을 비교하고 이에 따른 등가염분부착밀도(ESDD) 평가를 통해 이루어져야 할 것으로 판단되며 애자류의 열화정도는 그림 7와 같이 A, B, C, D, E 등급으로 나눌 수 있다^[5].

그림 7. 등가염분부착밀도 평가 및 도전율의 관계^[5]

Fig. 7. Relationship of conductivity and ESDD

도전율이 252μs/㎝이하이면 정상, 500μs/㎝이하이면 B등급으로 모니터링(점검) 대상, 500μs/㎝이상 1,000μs/㎝이하이면 C 등급으로 애자의 세정계획 수립 및 1개월 이내의 세정, 1,000μs/㎝이상 2,000μs/㎝이하이면 D 등급으로 즉시 세정, 2,000μs/㎝이상이면 E 등급으로 위험 가능성이 높으므로 즉시 세정 및 정밀점검으로 나눈다.

오염원 누적기간 12개월 이상인 터널에서 분진에 의한 도전율은 최대 1,357μs/㎝로 나타나 섬락이 우려되어 즉시 세정이 필요할 것이다^[5]. 송학터널에 대하여 선행연구자료를 바탕으로 검토하면 터널내 전차선로 현수애자 및 지지애자 오염도는 D등급으로 판단되며 애자 분진 흡착 상태에서 장대터널 조건 의한 수분이 장시간 체류하면서 애자 표면의 도전율을 급격히 상승하였고 계획된 청소주기(3년) 이전에 섬락 절연파괴에 이르렀다고 판단된다.

2.4.2 염분 오손에 의한 도전율 변화

전기설비에 부착되는 염분은 바다에서 불어 오는 태풍, 계절풍 등 바람의 세기와 풍향에 따라 다르며, 태풍시에는 짧은 시간에도 많은 양의 염분이 설비 표면에 부착하고 평상시의 해풍에는 서서히 부착되는 특징을 보인다. 또 강우시에는 빗물이 씻어 내려 염분량이 감소되기도 한다. 따라서 애자의 세척 주기는 오손 한계량 보다 낮은 수준에서 관리 되어야 할 것이다. 그림 8은 기상에 따른 염분의 오손량 변화과정을 나타낸다^[8].

그림 8. 기상에 따른 염분의 오손 변화 과정^[8]

Fig. 8. The process of salt contamination change by weather

영동선 정동진~안인간 6km 구간은 동해안으로부터 짧게는 수십미터에서 1.5km 이내의 근접거리에 전차선로가 설치되어 있다. 이는 국가철도공단의 KR E-03120의 해안거리별 오손등급 구분에 D급에 해당되며 ESSD에 의한 염해오손등급은 표 9과 같다^[9].

오손물 중에서 애자의 절연에 가장 나쁜 영향을 주는 것은 물에 녹아서 강한 도전성을 나타 내는 해염 등의 강전해질이다. 개통된지 3개월만에 섬락사고가 발생한 애자 표면의 염분은 0.5mg/㎠ 수준이었으며, 현수애자 1개의 섬락시험전압은 58.2kV로 측정되었다. 이때의 도전율은 그림 7의 등가염분부착밀도 평가 및 도전율의 관계와 같이 2,000㎲/㎝정도로 D등급 오염 수준으로 분석할수 있다. 따라서 해안가 근접 구간 등급별 염해지역의 애자의 청소주기에 대하여 검토 정립이 필요하다.

2.4.3 전차선로 가선장력과 절연성능

우리나라 전차선로 인류개소 장간애자는 설계속도에 따라 일괄장력의 경우 최소 19.6kN의 가선장력이 가해진다. 여기서는 절연체에 가해지는 장력에 대한 절연선능 관계를 검토해 보았다.

전기적으로 도체 및 전극 주위의 매질 영향중 가장 큰 것은 전극 주위의 매질에서 일어나는 연면코로나 방전이다. 절연파괴전압은 온도에 따라 변화하며, 온도와 파괴전압과의 관계는 온도가 상승할수록 파괴전압은 저하하는 것을 알수 있다. 또한 절연체에 가해지는 기계적 압력이 절연파괴 및 섬락에 영향을 미치는데 전차선로에 사용하는 현수애자 또는 장간애자는 기계적 압력(장력)과 전기적 압력이 동시에 받고 있다. 이 양자에 대한 내압력은 그 한쪽을 높이는 상황에서는 다른 쪽이 낮아지는 상반된 성질이 있으므로 기계적, 전기적 압력을 가한 상태에서 실험하여야 한다. 절연체에 대하여 기준충격절연강도(BIL) 250kV급 전압에서 기계적 하중과 절연파괴전압과 관계는 그림 9와 같다^[10].

그림 9. 기계적 하중과 절연파괴 전압 관계^[10]

Fig. 9. Mechanicla Load and Breakdown Voltage

전차선로 표준장력을 고려하면 표 10의 그래프와 같이 애자 절연 파괴전압의 변화를 예측할수 있다. 일반철도 150km급 전차선로는 일괄장력(M,T)을 시행하므로 300km급 고속철도 전차선의 가선장력과 같다. 이때 애자의 절연파괴전압이 250kV에서 200kV로 낮아지는 것으로 볼수 있다. 다만 본 논문에서 검토한 애자 섬락사례는 급전선 현수애자와 고속철도 Polymer장간애자로서 가선장력이 9kN이내이거나 인류개소가 아니므로 영향은 미미한 것으로 판단된다.

2.4.4 수증기 흡착과 애자 표면의 전기전도

애자 표면에 고착된 분진에 수분이 흡착할 경우 도전율의 변동에 대하여 폴리에틸렌의 표면 도전율이 주위 환경의 수증기압에 따라 변화하는 모습을 그림 10에서 나타내고 있다. 표면 도전율은 주위의 수증기압 1Torr(1/760 기압, 1mmHg)이하의 영역에서 거의 변화하지 않고 있으나 1Torr를 경계이후 101Torr 지점에서 도전율이 급격히 증가하고 있음을 알수 있다. 절연체에 대한 수증기 흡착은 그 표면전류를 증대하고 이들의 주체는 이온전도라 생각할수 있다. 예를 들면 유리 등에 대한 수증기 흡착과 표면 이온 전류 $i$와의 관계는 흡착량에 따라 식 (3) 및 식 (4)와 같이 나타나는 경우가 많다. 그림 11는 유리표면에 대하여 수증기 흡착층이 많을수록 표면전류 흐름이 증가함을 보여주고 있다^[11].

그림 10. 폴리에틸렌 표면의 수증기압과 도전율 변화^[11]

Fig. 10. Surface conductivity and Water vapor pressure

그림 11. 유리표면의 수증기에 의한 전류흐름^[11]

Fig. 11. The vapor adsorption layer of the glass and the surface electric flow current(i)

여기서, $i$ : 이온전류, $i_{0}:\theta$ = 0일 때 전류

$\theta$ : 흡착층수, $a,\: \beta$ : 비례상수

전기전도를 기술하는 물리량의 하나인 도전율 $\sigma$는 다음 식 (5)와 같이 정의하며 $\sigma$의 역수를 저항률 $\rho$라 한다.

여기서, $E$ : 인가전계, $j$ : 전류밀도, $\mu$ : 이동도

$e$ : 각 $carrier$의 전하, $n$ : 이동하는 $carrier$의 밀도

이와 같이 전기전도를 명확히 하는 것은 전자 또는 물질 입자로서의 이온(carrier)과 그 이동과정을 아는 것이다. 일반적으로 수증기 흡착은 물분자 자신이 갖은 이온성 이외의 이온해리성 물질의 해리를 촉진하고 분자 사이를 압개(押開)하여 이온의 이동 통로를 개척, 그 이동도를 증가하는 등의 작용을 가지는 결과로서 표면전류를 증가시키는 경우가 많다^[11].

습윤조건이 고분자 절연애자의 섬락전압에 미치는 영향에 대한 연구에 의하면 IEC 507-19991의 시험방법으로 안개 밀도를 4단계(0.3~0.4, 3~4, 7~8, 13~15 g/m3)로 구분하여 실험한 결과 그림 12와 같이 평가되었다^[7].

습윤조건과 시험 섬락전압과의 관계는 습윤밀도가 증가할수록 50%섬락전압은 125kV에서 100kV로 낮아졌지만, 8 g/㎥ 과 15 g/㎥의 두 밀도 사이에는 섬락전압이 큰 차이가 없다. 따라서 고분자애자의 오염섬락전압을 평가하기 위한 가장 극심한 습윤조건은 8 g/㎥으로 평가되고 있다^[7]. 이를 바탕으로 고속철도 전차선로 교량구간에서 섬락사고가 전체의 65%로 가장 높게 나타난 것은 강, 하천을 통과하는 철도선로 주변의 수증기나 습윤 환경이 일반 토공 구간보다 높기 때문으로 판단되므로 이에 대한 환경조사를 통하여 새로운 애자 설계기준을 마련할 필요가 있다. 또한 환기가 곤란한 장대터널 환경에서 애자 표면에 분진이 고착된 상태에서 채공된 수분의 영향은 표면 도전율 증가에 크게 작용하였다고 판단된다.

그림 12. 습윤밀도와 50%섬락전압과의 관계^[7]

Fig. 12. Relationship between Fog Density and 50% Flashover Voltage

2.4.5 애자 점검주기 및 절연성능 향상 방안

우리나라 전차선로 애자 청소주기는 터널구간 3년, 토공 및 교량구간은 5년마다 시행하고 있으며, 애자 열화상 측정 주기는 일반, 고속철도 연 1회로 하고 있다. 국내외 주요국의 청소주기는 표 11에서와 같으며, 프랑스 TGV 대서양선 터널의 경우 6개월, 벨기에의 지상구간은 1년, 터널구간은 년 2회 고압살수 청소를 시행하고 있다. 이에 따라 국내의 경우도 프랑스 및 벨기에 수준으로 청소주기를 단축 하는 것이 필요하다고 판단된다. 그림 13은 가동브래킷 장간애자 및 구분장치용 장간애자의 열화상 측정 결과의 예시이다. 일반적으로 최대 온도는 충전부와 지지물측이고 애자의 중심부가 최소 온도이지만 불량의 경우 절연이 불량한 부분의 온도가 높게 나타난다. 열화상 측정은 애자 청소주기와 상관없이 불량애자를 발굴하는데 매우 효율적이라 판단된다.

그림 13. 가동브래킷 장간애자 및 구분장치 장간애자 열화상 측정(예)

Fig. 13. Thermalburn Measures of Bracket, & section Stem-insulator(ex)

특히 일반철도에서 1km이상 장대터널이면서 송학터널과 같이 분진과 습윤이 머물기 쉬운 구간의 경우 특화된 청소주기를 별도로 정하여 관리하는 것이 필요하다. 전차선로 설치 노반 현태별로 절연성능을 차등화 기준 마련이 필요하다고 판단된다. 내륙지역 기후조건이 유사한 일본의 경우 표 12과 같이 일반지구, 오염지구, 터널지구로 구분하여 애자 절연성능을 구별하여 관리하고 있으며, 오염지구부터 46kV급을 상회하는 절연성능을 가지고 있으며, 터널은 69kV급 애자를 적용하고 있다. 국내 고속철도 장간애자(T-mx)는 일본의 일반구간~오염구간 중간정도 성능임을 알수 있다.

※ Stem-Insulator of HS Catenary, ( ) KRS PW 0055-09 flashover distances

고속철도 2단계 토공 및 교량구간에서 Polymer애자의 빈번한 섬락사고는 1단계 구간 TGV-Nord구간 애자의 성능과 유사한 절연등급 46kV급을 그대로 적용하면서 교량 구간의 습윤 및 동대구~부산간 여름철 낙뢰의 영향이 쉽게 섬락으로 이어졌다고 판단된다. 또한 건조상태에서 2건의 섬락은 애자의 절연성능 측면에서 일반철도에 비하여 섬락거리가 상대적으로 짧아 오염이 낮은 상태에서 외뢰(外雷)에 의한 섬락으로 절연파괴에 이른 것으로 판단된다. 따라서 고속철도구간 애자의 경우 표 13과 같이 IEEE 48 및 IEC 62497-1의 절연등급 69kV급이상으로 성능 향상이 필요하다.

1) IEEE Std 48-2020 Table 1

2) IEC 62497-1 Annex A Table A.3 Minimum clearance in air based on the rated impulse voltage

애자의 청소주기의 단축하거나 고속철도 애자의 절연성능을 향상한다면 일반철도 섬락사례 수준으로 대폭 낮아질 것으로 예상되며 한국철도공사 자료에 의하면 현재 경부고속철도 구간 애자청소는 1회 5~7개월, 매년 약 11억원 이상이 소요되고 있으나 청소 주기를 2배 증가시 년 5.5억 이상 절감될것으로 예상된다. 또한 애자의 유지관리는 고속철도구간은 섬락 사례가 많은 교량 구간을 우선적으로 관리하고, 일반철도구간에서 1km이상 장대터널 애자 청소주기를 선진국 수준으로 조정 할 필요가 있다.