비안전등급 케이블의 가속열화에 따른 난연성능 변화
글 이주은 화재보험협회 융합방재연구팀 연구원
1. 개요
케이블은 원자력발전소의 각종 방화지역에 포설되어 있어 화재하중을 이루는 주요 요소이며, 안전정지관련 주요 기기, 설비 등의 작동과 제어를 위한 신호를 전달하거나 전력을 공급하는 중요한 역할을 수행한다. 따라서 원자력발전소에는 NRC의 규제지침 IEEE-383에 따라 난연성능이 검증된 케이블을 사용하도록 하고 있다. 하지만 원전 수명 기간 동안 케이블의 노화에 따른 난연 성능에 대해서는 뚜렷한 경향성이 밝혀진 바가 없으므로 사용 기간 동안의 난연성능 변화를 고려한 시험 방법론이 개발될 필요가 있다. 본 연구에서는 원전에서 전력용, 제어용으로 사용하는 비안전등급 케이블의 경년 수준에 따른 난연성능을 분석하였다.
2. 시험 방법
가. 가속 열화 시험방법
1) 활성화에너지 및 가속계수
| 활성화에너지(eV) | 1.834 |
|---|---|
| 볼츠만 상수(eV/K) | 0.00008617 |
| 사용온도(K) | 333 |
| 가속온도(K) | 373 |
| 가속계수 | 948.81 |
2) 가속열화 소요 시간
| 가속년수 (년) | 케이블 가속열화 소요시간 | |
|---|---|---|
| 시간 | 일 | |
| 10 | 92 | 3.8 |
| 20 | 185 | 7.7 |
| 30 | 277 | 11.5 |
| 40 | 369 | 15.4 |
나. 난연성능 시험방법
본 연구에 활용한 케이블은 인증 받은 기준인 IEEE-383(1974)에 따라 난연성능 시험을 수행하였다. IEEE 383(1974)의 시험방법 및 성능요건은 다음과 같다.
1) 시험방법
2,400 mm 길이의 시험체를 시험챔버 내의 수직트레이에 시험체 직경의 1/2 간격으로 이격시켜 일렬로 설치. 본 연구에서는 총 5가닥이 설치됨.
버너는 시험체 표면으로부터의 이격거리가 (76 ± 8) ㎜, 수직트레이 바닥으로부터 높이는 (610 ± 10) ㎜가 되도록 수평으로 설치.
버너를 점화하여 시험체에 20분간 화염을 가함.
버너의 화염을 제거한 후 시험체의 자기소화성을 확인하고 자기 소화될 때까지 잔염시간을 측정.
버너의 접염부분에서부터 탄화된 외피의 길이를 측정.
2) 성능요건
시험체의 최상단부까지 화염이 전파되지 아니하여야 함.
버너화염 제거 후 시험체는 자기소화성을 가져야 함.
3. 시험 결과
난연성능 시험은 경년수준별로 각 3회 수행되었다. 각 시험마다 트레이에 배치된 5개 케이블의 평균탄화길이를 구하여 데이터 분석을 수행하였다. 각 시험의 환경조건 및 평균탄화길 데이터는 <표 3> 경년수준에 대한 평균탄화길이의 산점도는 [그림 1]에서 확인할 수 있다.
| 경년수준) | 로내부온도(℃) | 로내부상대습도(%) | 평균탄화길이(mm) | |
|---|---|---|---|---|
| 0년(비열화) | 1차 | 5.4 | 46 | 612 |
| 2차 | 6.6 | 42 | 644 | |
| 3차 | 6.3 | 40 | 648 | |
| 10년 | 1차 | 5.3 | 52 | 788 |
| 2차 | 8.1 | 50 | 784 | |
| 3차 | 8.3 | 52 | 854 | |
| 20년 | 1차 | 6.2 | 53 | 828 |
| 2차 | 10 | 45 | 742 | |
| 3차 | 9 | 54 | 800 | |
| 30년 | 1차 | 8.4 | 34 | 786 |
| 2차 | 8.4 | 34 | 798 | |
| 3차 | 7.8 | 33 | 816 | |
| 40년 | 1차 | 9.4 | 35 | 772 |
| 2차 | 8.6 | 34 | 800 | |
| 3차 | 7.9 | 40 | 750 | |
4. 시험 결과 분석
가. 전체 경년 수준에 대한 일원분산분석
경년수준에 따라 평균탄화길이가 유의미한 차이를 보이는지 검증하기 위해 유의수준 5%에서 일원분산분석을 수행하였다. 귀무가설(H0)과 대립가설(H1)은 다음과 같다. <표 4>는 이에 대한 분석 결과이다.
H1: 경년수준에 따라 탄화길이 차이가 유의미하게 있다.
| 변동의요인 | 제곱합 | 자유도 | 제곱 평균 | F 비 | P-값 | F 기각치 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 처리 | 62286 | 4 | 15572 | 16.514 | 0.00021 | 3.478 |
| 잔차 | 9429 | 10 | 943 | - | - | - |
| 총합 | 71716 | 14 | - | - | - | - |
ANOVA 분석 결과 유의수준 5% 이내에서 F 기각치에 비해 F비가 크고, F비에 대한 유의확률이 유의수준보다 작으므로 귀무가설을 기각할 수 있다. 따라서 대립가설이 인정되어 경년수준에 따라 평균탄화길이 차이가 유의미하게 있다는 결론을 얻었다.
나. 전체 경년 수준에 대한 일원분산분석
어느 경년 수준에서 차이가 발생하는지 검정하기 위해 Tukey의 방법을 이용해 다중비교를 수행하였다. 95% 신뢰수준에서 Tukey 검정을 수행한 결과는 [그림 2]과 같다.
Tukey 방법으로 다중비교를 수행한 결과, 비열화 케이블과 가속열화 케이블의 평균탄화길이 차이에 대한 신뢰구간에 0이 포함되지 않으므로 평균들 간의 차이가 유의하다. 하지만 가속열화 케이블 사이의 평균탄화길이 차이에 대한 신뢰구간에는 모두 0이 포함되므로 차이가 유의미하게 있지 않다. 따라서 비열화 케이블과 가속열화 케이블의 평균탄화길이 차이는 유의하게 다르지만, 가속열화 케이블 사이에서는 경년수준에 따라 유의미한 평균의 차이가 있지 않다는 결과가 도출되었다.
다. 가속열화 케이블에 대한 일원분산분석
다중비교 결과 가속열화케이블 사이에서는 유의미한 평균의 차이가 있지 않다는 결과가 도출되었으므로 이에 대한 추가 검증을 위해 가속열화 케이블만을 대상으로 유의수준 5%에서 일원분산분석을 수행했다. 귀무가설(H0)과 대립가설(H1)은 다음과 같다. <표 5>는 이에 대한 분석 결과이다.
H1: 가속열화 년수에 따라 탄화 길이 차이가 유의미하게 있다.
| 변동의요인 | 제곱합 | 자유도 | 제곱 평균 | F 비 | P-값 | F 기각치 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 처리 | 1993 | 3 | 664 | 0.614 | 0.625 | 4.066 |
| 잔차 | 8651 | 8 | 1081 | - | - | - |
| 총합 | 10644 | 11 | - | - | - | - |
유의수준 5% 이내에서 F 기각치에 비해 F비가 작고, F비에 대한 유의확률이 유의수준보다 크므로 귀무가설을 기각할 수 없다. 따라서 귀무가설이 인정되어 경년수준에 따라 평균탄화길이 차이가 유의미하게 있지 않다는 결론을 얻었다.
따라서 본 연구 대상 케이블에 대해 열화 케이블이 비열화 케이블에 비해 평균탄화길이가 더 길지만, 열화 케이블 사이에서는 경년수준에 따라 탄화길이에 유의미한 차이가 없다는 결론을 도출할 수 있다.
5. 결론
본 연구에서는 비안전등급 케이블의 경년수준에 따른 난연성능을 분석하였다. 노화 케이블을 모사하기 위해 항온조를 활용하여 케이블 가속열화를 수행하였고, 난연성능 시험은 IEEE-383(1974)에 따라 수행하였다.
평균탄화길이에 대해 일원분산분석 및 다중비교를 수행하여 경년수준에 따른 평균탄화길이 경향성을 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 두 가지 경향성을 발견하였다. 첫째, 열화 케이블이 비열화 케이블에 비해 평균탄화길이가 더 길며, 둘째, 열화 케이블 사이에서는 경년수준에 따라 탄화길이에 유의미한 차이가 없다.
케이블의 노화가 난연성능에 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였지만 이는 시험 대상 케이블 1종에 한정된 것이다. 따라서 다양한 종류의 케이블에 대해 열화, 환경조건 등이 난연성능에 미치는 영향을 연구하여 난연시험 방법론을 개선할 필요가 있다.