[해외기술특집] 고전압 임펄스 시험에서 계측 표준 확립을 목표로

개요

임펄스 내전압 시험은 발전기, 변압기 등 송배전기기에 대한 성능 시험의 하나로, 규정 파형 및 파고치를 가진 임펄스 고전압을 기기로 인가하여 손상이 일어나지 않음을 인식하는 중요한 시험이다. 임펄스 전압 측정 시스템을 갖춰야 하는 성능에 대해서는 IEC 60060-2에 국제표준화 규정이 제정돼 있다. 또한 일본 제조업자가 다른 나라에 중전기기를 수출하는 경우에는 고객에 제출하는 임펄스 시험결과의 신뢰성을 담보하기 위해 필요한 시험소 인정을 취득해야 한다.
일본에서는 1998년 당시 통산성 공업기술원의 위탁을 받고 (사)일본전기공업회(JEMA) 내에 ‘고전압 성능 평가 방법 조사위원회’가 설립됐다. 이 위원회는 고전압 임펄스 계측에 일본 표준을 정비하기 위해 필요한 시스템의 조사 검토와 국가 표준급 분압기 제작을 목적으로 2000년까지 활동했으며, 당초 <그림 1>과 같이 표준 분압기를 제작했다.

[그림 1] 뇌 임펄스 전압용 표준 분압기

1999년에는 헬싱키 공과대학이 주최한 국제 비교시험에 참가하여 일본의 임펄스 시스템 및 측정 기술이 이 분야의 선진 각국과 같은 레벨에 있음을 확인했다. 또 2001년부터는 ‘교정기술검토분과회’로 위원회를 재편성했으며, 여기에서는 <그림 2>와 같이 저전압 임펄스 교정 시스템 정비 및 트레이서빌리티 체계 확립을 위한 검토를 실시했다.


트레이서빌리티(Traceability)는 ‘불확실함이 명시된 끊어지지 않는 비교의 연쇄로, 국가 또는 국제 표준에 이어질 수 있는 계측 특성’으로 정의되며, 국가표준이 구축될 수 있으면 지금까지 해외국가표준(주로 Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB) 독일)에 의지해 온 트레이서빌리티 체계가 일본에서만 완결되어 국제표준화에 크게 공헌한다.
여기에서는 임펄스 전압 계측 표준의 구성과 특성 및 국제 동등성에 대해 서술함과 동시에, 일본 주요 기준 측정 시스템에 대해 실시한 교정 시험 결과 및 일본 내 트레이서빌리티 체계 현황을 소개한다.


표준 측정 시스템 개요

일본 내 트레이서빌리티 체계 정점에 위치한 표준 측정 시스템 근간을 이루는 <그림 1>의 분압기는 정격전압 500㎸ 실드 저항 분압기다. 고압부는 10㏀무유도 권선 저항을 이용하고 저압부는 저항과 인덕턴스가 직결 접속되어 있어, 공칭 스케일 팩터(분압비의 역수)는 950가 된다.
분압기 전체 높이는 1840㎜, 실드링 직경은 960㎜ø이다. 고압부 접속선에는 직경 30㎜, 길이 3000㎜의 알루미늄 파이프를 이용해 그 선단에는 285Ω의 제동 제항을 접속한다. 또 저압 출력 단자에는 20m 길이의 50Ω계 2종 실드 고주파 동축 케이블을 접속한다.
<그림 2>는 임펄스 교정기 유닛이다. 이것을 19인치 랙에 수납하여 임펄스 교정 시스템을 구성했다. 국가 표준에 트레이서빌리티를 가진 디지털 멀티미터(DMM)에서 발생 전압을 정확하게 제어 · 측정하여 임펄스 전압을 발생시킨다. 발생 가능한 임펄스 전압은 정격전압 500V, 파형은 뇌 임펄스에 관해서 표준 파형의 파두 길이 1.2㎲에 그 유도 30%를 증감한 값을 가진 파두 길이 및 최장 파미 길이 60㎲를 조합한 ±0.84/60㎲(파형을 파두 길이/파두 길이의 순서로 표기), ±1.56/60㎲, 개폐 임펄스는 표준 파형 ±250/2500㎲로 IEC 규격으로 규정하는 개폐 임펄스로의 최단 파두 길이 20㎲와 표준 파형의 최장 파미 길이를 조합한 ±20/4000㎲이다. 교정기를 구성하는 소자는 카마로 이선(線)을 이용한 무유도 권선 저항 및 마이카콘덴서 등 전압 특성, 온도 특성 모두 양호한 소자를 선별하여 이용한다.


트레이서빌리티와 성능 시험

트레이서빌리티 체계의 구성 요소인 각 측정 시스템의 불확실함에 대한 상한(上限)은 IEC 규격 및 STL 가이드로 정해져 있다. 체계의 하위 측정 시스템은 상위 측정 시스템에서 교정함으로써 비교적 용이하게 불확실함을 평가할 수 있지만, 그것은 원리적으로 상위 시스템의 불확실함보다도 큰 값이다. 상위 측정 시스템이 존재하지 않는 표준 측정 시
스템에서는 이것과 다른 방법으로 불확실함을 평가 할 필요가 있다.


각국의 표준 측정 시스템은 각각의 국가 표준 보유 기관 자체가 ‘GUM’에 따른 독자의 방법으로, 측정 불확실함을 평가해 그 값을 공표하고 있다. 그러나 어느 기관도 그 구체적인 평가 방법에 대해서는 명확히 하고 있지 않다. 정비된 표준 측정 시스템은 독자의 방법을 이용해 성능 평가하고 불확실함을 명확히 표명할 수 있어도 표준 측정 시스템으로 타 기관에서 인지된 것은 아니다. 이에 대응하여 교정 기술 검토 분석회에서는 측정의 불확실함을 평가하기 위해 필요한 성능 시험과 그 평가 방법을 검토하여, 표준 측정 시스템의 종합 불확실함을 추정하고 있다.
표준 측정 시스템의 국가 표준 SI 단위계에 대한 트레이서빌리티는 일본 전기계기검정소(JEMIC)의 직류 및 교류전압과 캐패시턴스로 얻을 수 있다.
표준 측정 시스템을 평가하기 위해 실시하는 성능시험은 ① 스텝 리스폰스(Step Response), ② 직선성, ③ 장기 안정성, ④ 단기 안정성, ⑤ 주파수 특성, ⑥ 온도 특성, ⑦ 습도 특성, ⑧ 전자 간섭 특성의 8항목이다. 이 가운데 시스템 고유의 특성(핑거 프린트)을 기록하기 위한 스텝 리스폰스 측정을 제거한 시험에서 국가 표준에 대한 트레이서빌리티가 확보되도록 한 시험으로 연구하고 있다. 예를 들어 직선성에 관한 시험에서는 임펄스 전압 발생기(IG)의 충전 전압이 JEMIC로 교정 가능한 직류전압이므로, 사전에 IG 충전 전압을 발생하는 임펄스 전압 관계를 측정해 두면 표준 측정 시스템에 인가되는 정확한 전압을 알 수 있다. 또 시험 ③~⑦에서는 스케일 팩터를 측정하여 평가하는데, 직류 또는 교류 전압을 이용하여 트레이서빌리티를 확보한다.
<표 1>은 스케일 팩터 변화로 본 장기 안정성 시험결과를 나타낸 것이다. 제조 후 8년이 지남에 따라 상당히 안정되고 있음을 알 수 있다.
불확실함에 기여하는 성분은 통계적으로 취급할 수 있는 ‘A타입의 불확실함 uA’와 통계적으로 취급 할 수 없는 ‘B타입 불확실함 uB’의 기여 성분으로 크게 구별된다.
시스템의 종합 불확실함은 어떤 신뢰 수준(일반적으로 95%가 이용된다) 아래, 이런 기여 성분 2제곱근으로 평가된다. 스케일 팩터의 측정 불확실함 기여 성분은 전압을 n회 인가했을 때의 측정값 불균질을 A타입, 측정기 자체가 가진 불확실함을 B타입으로 생각할 수 있다.
A타입의 불확실한 기여 성분 uA는 표준편차를 σ, 인가 횟수를 n으로 할 때, 다음 식으로 표시할 수 있다.


k는 Student의 t분포 표로 구할 수 있는 계수며, 95% 신뢰 수준의 인가 횟수 n = 40에 대해 k = 2.023이다. 표준편차 σ는 시험 결과에서 0.002%였다. 위 식에 이 값을 대입하면, uA = 0.0003%를 얻을 수 있다.
직선성 시험에 의한 불확실한 기여 성분은 B타입이다. 성능 시험 결과, 최대 편차 0.24%가 구형(矩形) 분포에 따른다고 가정하고 직선성 시험의 기준기로 이용되는 측정 시스템 측정값의 표준편차 σ=0.16%와 인가 횟수 n = 10을 위 식에 대입하여 얻을 수 있는 값에서 0.15%를 짐작할 수 있다.
이러한 예로 산출한 각각의 불확실한 기여 성분의 2제곱근이 64% 신뢰 수준을 나타내는 합성 표준 불확실함이다. 또한 이 값에 계수 2제곱한 값이 95% 신뢰 수준에서의 종합 불확실함으로, 어림값은 STL 가이드 권고의 값 0.5%와 같다.


국제 비교에 의한 상호 인식

표준 측정 시스템의 성능을 검증하기 위해서는 적어도 동등한 성능을 가진 표준 측정 시스템과 비교실험하여, 측정 파라미터가 상호 불확실한 범위 내에서 동등함을 확인해야 한다. 제작된 표준 측정 시스템은 일본 내 최상위 측정 시스템이다. 그 때문에 해외 국가 표준 기관 간 서로 비교하여 상호 성능을 확인했다.
먼저 2004년에는 호주국립계측연구소(NMI) 및 한국전기연구원(KERI) 간 고전압(80~400㎸) 및 저전압(10~500㎸) 두 종류의 전압 영역에서 시험을 실시했다. 표준 분압기를 해외로 이송하는 것은 큰 리스크를 수반하기 때문에, 표준 측정 시스템과 트레이서블(Traceable)한 미쓰비시(三겒)전기㈜와 (재)전력중앙연구소의 협력을 얻어 각각의 기관이 소유한 기준 측정 시스템을 매개 측정 시스템으로 호주의 NMI 및 한국의 KERI에서 실험했다.
또 매개 측정 시스템이 측정 기간 내에 그 성능 변화가 없는 것을 확인하기 위해 수송 전후에 표준 측정 시스템과의 비교 시험을 중심으로 한 성능 점검을 실시했다. 그와 동시에 해외 기관으로의 반입 및 반출 시에는 직류 스케일 팩터를 확인했다.
<그림 3>은 NMI에서 실시한 비교 시험을 나타낸 것이다.
사진 속 오른쪽 분압기는 미쓰비시 소유의 정격 전압 650㎸ 기준 분압기며, 좌측의 작은 실드 분압기가 NMI의 국가 표준이다. 또 그 후방에 있는 장치는 600㎸ 임펄스 전압 발생기로, 여기에서 발생한 임펄스 전압을 양 분압기로 동시에 인가하여 양측정 시스템으로 각각 산출된 파형 파라미터를 비교했다.
매체 측정 시스템을 소유한 기관에서 1명, 표준 측정 시스템 기관에서 1명 그리고 이를 총괄하는 1명으로 총 3명의 일본 기술자가 현지에 파견되어 현지 기술자와 함께 시험을 실시했다. 시험 결과로 두 가지 표준 측정 시스템은 그 능력의 범위 내에서 성능 차이가 없다고 하는 ‘동등성’을 확인할 수 있었다.

[그림 3] 국제 비교 시험(호주 NMI)

2005년 12월에는 헬싱키 공과대학(HUT)에서 <그림 2>의 표준 교정 시스템을 반입하여 비교 시험을 실시했다. 그와 함께 독일 PTB에서도 독일 국가표준으로서의 트레이서빌리티가 잡힌 시판 기준 측정 시스템용 임펄스 교정기(HAEFELY사 제품 RIC422)를 HUT로 반입하여 상호 비교했다.
시험 내용은 HUT가 소유하고 있는 분해능 12비트, 샘플링 비율 100MS/s의 디지털 리코더(Nicolet사 제품 Accural 100)를 매개 표준으로 하여 각각의 기관이 소유한 교정기 출력의 파라미터를 상대평가하는 방법을 이용했다. HUT 교정기는 정격 전압 300V이며 불확실한 파고치로 0.05%, 시간 파라미터에서 0.5%다. 또 PTB 교정기는 정격전압 1600V, 불확실함은 파고치로는 0.4%, 시간 파라미터로 1.0%였다. 파고치의 최대 편차를 비교해 보면, HUT와의 사이에서 -0.05%, PTB와의 사이에서 -0.31%라고 하는 매우 양호한 결과를 얻었다.
그 결과 최첨단의 선진 국가 국립연구기관 표준 측정 시스템과 동등한 성능을 일본 시스템이 가지고 있는 것이 국제적으로 인식됐다고 생각된다.


일본 트레이서빌리티 체계

비교 실험이라고 하는 관점에서 일본 내 트레이서빌리티 확립을 위한 대처법으로 눈을 돌려보면, 그 역사는 1992년에 일본 내 주요 기관이 참가한 비교 시험에서 시작됐다고 봐도 무방하다. 더욱이 1994년에는 일본 내 5개 기관이 참가하여 요코하마 국립대학이 소유하고 있는 기준 측정 시스템을 순회기로 한 ㎹급 분압기의 비교 실험을 실시했다.
이 시험은 순회 분압기와 각 기관이 소유한 분압기와의 측정 파라미터의 편차 평가 실험으로, 측정 시스템의 불확실함을 상호 평가하는 개념은 도입되지 않았다.
그 후 고전압 성능 평가 방법 조사 위원회는 국가 표준 기관을 비롯한 교정 기관 및 ISO 17025 시험소 인증제도의 인정 취득 기관 간에는 상식이 된 ‘불확실함’을 이용한 평가를 임펄스 계측 분야에 도입했다. 또한 이 위원회는 표준 측정 시스템을 이용해 요코하마 국립대학의 기준 측정 시스템을 교정했지만, 그 결과 1994년에 실시한 비교 시험 결과에 대해서 표준 측정 시스템에 대한 트레이서빌리티를 부여하는 데 성공했다. 그 다음으로 2002년부터 2003년에 걸쳐 교정 기술 검토 분과회는 일본내 주요 5기관의 준비 측정 시스템에 대해 교정 시험을 실시했다. 이 성과에 의해 표준 측정 시스템을 정점으로 한 주요 측정 시스템의 일본 내 트레이서빌리티 체계가 거의 정비됐다고 할 수 있다.


향후 전개와 마무리

이상으로 일본이 세계 최첨단 레벨의 고전압 임펄스 계측 표준을 획득한 경위에 대해 설명했다. 이 표준 측정 시스템은 현재 JEMA에 설치된 ‘일본 고전압 임펄스 시험소 위원회(JHILL)’에 의해 운영되고 있다.
JHILL은 일본 내 주요 시험소 및 대학 · 연구기관에 의해 구성된다. 또한 임펄스 전압 계측 표준의 정기적인 교정시험 실시, 일본 내 및 해외 비교 시험의 어레인저 · 코디데이터 및 성능 향상에 관한 연구가 현재의 주 업무다. 임펄스 전압 표준 측정 시스템은 2007년부터 일본 공업대학에서 전력중앙연구소로 이설되어 현재 급속하게 재설립 작업이 이뤄지고 있다.
<그림 4>는 2007년 5월에 실시됐던 스텝 리스폰스 시험을 나타낸 것이다.

[그림 4] 스텝 리스폰스 측정 시험

제조 시부터 누적됐던 데이터를 효과적으로 활용하기 위해서는 접지, 노이즈 대책 및 소프트웨어 상호성 등의 세밀한 배려가 필요하므로, 충분한 시험품질을 보증할 수 있도록 그 기술적 과제에 도전하고 있다.
향후 이런 국가 표준급 측정 시스템에 트레이서블한 기준 측정 시스템에 의한 ISO 17025 대응 품질 시스템의 구축 등 소프트 면에 남은 과제를 결정해야 한다. 그와 동시에 제3자 기관에 의한 교정 기관의 인정을 위한 데이터를 누적하여 내외 인정 교정기관의 상위 교정계로서의 확고한 위치를 다져야 할 것이다.

트레이서빌리티(Traceability) 생산 이력 관리 혹은 이력 추적 관리를 의미하는 단어로 최근 전자태그(RFID)와 더불어 유비쿼터스 분야에서 각광받는 개념이다. 특정 물품이 생산자에서 소비자에게까지 가는 과정상의 이력 관리에 초점을 맞춘 광의의 의미로, 초기에 안전한 먹을거리의 확보를 위해 농 · 수 · 축산물 분야에서 가장 먼저 도입했으나 차츰 유통 · 물류 전 분야에까지 확대되고 있으며 고객 관리(CRM) 같은 첨단 경영기법으로도 응용될 전망이다. 특히 생산자 정보는 물론이고 유통 단계마다 이력 추적이 가능해 어느 시점, 어느 단계에서 무슨 문제가 발생했는지를 실시간으로 파악할 수 있고 즉시 문제를 시스템상에서 해결 가능해 실시간 기업(RTE)을 구현하는 데 최적의 툴로 인식되고 있다. 임펄스 전압 시험(Impulse Voltage Test) 서지성 이상 전압에 대한 전기기기나 전기 공작물의 절연 특성을 살피기 위한 시험으로 임펄스 내전압 시험, 임펄스 파괴 시험, 50% 플래시오버 시험, 전압 시간 곡선 시험, 개폐 임펄스 전압 파두 길이 곡선 시험과 같은 종류의 시험이 있다.