[인버터 서지가 절연 시스템에 미치는 영향] 서지전압에서의 부분방전 연구

개요

하이브리드 자동차 등에 이용되는 인버터 구동 저전압 모터에서는 현재보다도 고효율의 구동 · 제어 및 고출력화를 가능하게 하기 위해 동작 주파수의 고속화와 더불어 기존 300V급에서 600V급 이상에 이르는 고전압화가 이루어지고 있다. 그러나 모터 입력 단자에는 발생 시간이 50㎱~2㎲로 짧고 반복 주파수가 100㎐~20㎑로 높은 인버터 서지를 포함하는 펄스 전압이 발생한다. 인버터 서지전압의 최대치는 기본이 되는 구동 전압의 약 2배에 달하며, 저전압 모터에서도 1,000V를 넘게 됐다. 그 결과 인버터 구동 모터에는 부분방전(Partial Discharge : PD)이 발생할 가능성이 있으며, 전기절연 시스템 열화를 거쳐 절연파괴, 즉 기능이 정지될 우려가 있다.
따라서 인버터 구동 모터의 고효율화 · 고출력화를 위해서는 저전압 모터를 고전압화 하는 전기절연 기술 확립이 급선무다. 그러나 인버터 서지전압하에서의 PD 현상은 간단치가 않아 현상 규명에 기인한 기술 개발이 요구되고 있다. 그래서 본고에서는 인버터 서지전압에 대한 PD 현상 및 PD 측정 기술, 또한 실제 모터의 전기절연 설계 · 진단 적용에 필요한 각종 PD 특성에 관해 논한다.


인버터 서지에 의한 부분방전

인버터 구동 모터 코일은 에나멜 피복 도체로 싸여져 있으며, 도체 간의 공극(空隙)이 고전계(高電界)에 드러나 있다. 이러한 고전계 공간에 인버터 서지전압이 인가된 경우의 PD 신호 예를 <그림 1>에 나타냈다. 이 그림은 2개의 에나멜 피복 도체(도체 지름 0.75㎜, 에나멜 피복 두께 0.02㎜, 비유전율 3.85)를 서로 꼬아 모터 코일의 권선 구조를 간단히 모의한 트위스트 페어 샘플에서 발생 시간 120㎱의 서지전압을 인가한 경우의 전압과 PD 발광 강도 파형이다. 이 그림을 통해 서지전압의 발생과 소멸 과정에서 PD가 발생하는 것을 알 수 있다.



<그림 2>에 나타난 것과 같이 인접한 2개의 에나멜 피복 도체에서는 도체간의 미소(微小)한 쐐기형 공기 틈새에 전계가 집중한다. 에나멜 피복 도체의 표면 전계와 틈새 길이와의 관계 및 공기 중 파센 곡선에서 구한 방전 개시 특성을 <그림 3>에 나타냈다. 이 그림에서 에나멜피복 도체의 표면 전계는 인가전압 Va와 함께 상승하며, 방전 개시 특성과의 접점(그림에서 ● 표시)에서의 인가전압이 PDIV에 해당한다. 이렇게 구한 PDIV는 교류전압을 인가할 때의 PDIV의 실측치와 거의 일치하는 것으로 보고되고 있다.


인버터 서지전압 침입 시 코일 내부에서는 코일간 정전용량과 대지 정전용량의 균형에 의해 모터입력 단자에 가장 가까운 제1코일의 분담전압이 최대가 된다. 이러한 불평등 전위분포에 의해 모터 코일에 PD가 발생할 가능성이 있다. 게다가 모터 코일처럼 철심을 포함한 경우에는 도체 간뿐만 아니라 도체-철심 간의 전기절연에 대해서도 고려해야한다. 즉, 도체 간 및 도체-철심 간의 절연협조, 나아가서는 상간이나 리드에 대한 절연을 포함해 인버터 구동 모터의 종합적인 절연내력 향상을 도모하는 것이 중요하다.


서지 부분방전 측정 기술

인버터 구동 모터의 전기절연을 생각할 경우 서지 PD 측정 기술이 불가결하다. 대표적인 PD 측정 방법은 CT나 검출 임피던스를 이용해 PD 전류를 직접 검출하는 전기적 방법이다. 특히 PD 전류 파형은 전자사태 시작부터 진전을 거쳐 절연파괴에 이르는 일련의 물리적 정보를 포함하고 있기 때문에 고정밀도의 검출이 유효하다. 그러나 인버터 서지전압처럼 발생 시간이 ㎱ 수준의 급격한 전압을 인가할 경우 큰 충전전류가 미소한 PD 전류에 중첩하기 때문에 충전전류와 PD 전류를 분리하는 것은 일반적으로 어렵다. 그래서 이하의 서지 PD 측정 방법이 시도되고 있다.

⑴ 하이패스 필터를 이용하는 방법
⑵ 차동 앰프를 이용한 브릿지 회로에 의한 평형 검출법
⑶ 라디오파 CT(RFCT)와 고속 푸리에 변환(Fourier Transform)을 이용하는 방법

하이패스 필터를 이용한 PD 전류 측정 예를 <그림 4>에 나타냈다. 이 그림은 600V급 인버터 구동모터에 인가된 서지전압 파형(발생 시간 100㎱)과 PD 전류 파형으로, 서지전압 발생 시 충전전류와 서지전압 최대치 부근에서 PD 전류가 분리되는 것을 알 수 있다. 평형 검출법은 샘플에 가까운 정전용량을 가지는 커플링 콘덴서 등의 더미 샘플을 샘플로 병렬 접속하고 차동 앰프를 이용해 양 샘플에 흐르는 전류로부터 샘플의 충전전류나 노이즈 전류를 없애는 것이다.



또한 PD 전류 이외의 물리량에 착안한 서지 PD 측정 방법으로 다음과 같은 방법이 있다.

⑷ 직렬 콘덴서를 이용하는 잔류전하법
⑸ 광전자 증배관(PMT)을 이용하는 발광 측정방법
⑹ 이미지 인텐시파이어(Image Intensifiers) Ⅱ를 이용하는 방법

잔류전하법에서는 샘플에 직렬 접속한 콘덴서의 정전용량과 단자전압에서 산출한 부하 양의 변화에 따라 PD 유무를 검출한다. 한편 PMT 및 Ⅱ에 의한 광학적 방법에서는 PD에 동반하는 미소한 발광 현상(발광 강도, 발광상)을 충전전류의 영향을 받지않고 관측할 수 있기 때문에 PD 발생원이 시야 범위 내에 있는 경우 유효한 방법으로 활용되고 있다.
<그림 5>는 Ⅱ의 게이트 기능을 가지고 서지전압이 발생할 때의 1발의 PD 발광상을 선택적으로 가시화한 것이다. 이 그림은 2개의 에나멜 피복 도체(도체 지름 0.822㎜)를 직교 · 점접촉시킨 경우의 PD 발광상이며, 인가전압 상승과 함께 PD가 접촉점에서 에나멜 표면을 따라 진전해 도체 뒤쪽의 저전계공간에까지 이르고 있음을 알 수 있다.



서지 부분방전 특성

인버터 구동 저전압 모터의 고전압화에서는 앞에서 논한 것처럼 서지 PD 측정 기술을 통해 서지 PD 특성을 파악, 실제 모터의 전기절연 설계에 반영시키는 것이 필요하다. 여기서는 실제 모터의 전기절연 설계 · 진단 적용에 있어서 필요한 각종 PD 특성을 소개한다.

1. 부분방전 개시전압의 인가전압 파형 의존성
일반적으로 절연재료 PDIV는 인가전압 파형에 의존한다. 인버터 서지전압 인가 시 에나멜 피복 도체인 PDIV에 대해서도 서지전압의 발생 시간, 반복주파수 등에 의존해 교류전압 인가 시의 PDIV와는 다르다.
<그림 6>은 에나멜 조성이 다른 트위스트 페어 샘플(샘플 A 및 B, 비유전율 3.85)에서의 PDIV의 에나멜 피복 두께 의존성이다. 인가전압은 발생 시간 120㎱, 단발(單發), 정극성 서지전압(서지 S)과 발생 시간 300㎱, 반복 주파수 5,000pps, 양극성 서지전압(서지 R) 및 60㎐의 교류전압이다. 이 그림을 통해 양 샘플의 PDIV는 피막 두께에 비례해 상승하는 것을 알 수 있다. 또한 서지 R에 대한 PDIV는 서지 S에 대한 PDIV보다도 낮으며 반복 서지전압 하에서는 단발 서지전압보다도 PDIV가 저하함을 확인할 수 있다. 게다가 서지 PDIV는 교류 PDIV보다도 높고 불규칙성도 크다. 이것은 급격한 서지전압을 인가할 경우 미소한 쐐기형의 고전계 공간에 PD를 유발하는 초기 전자의 존재 확률이 작기 때문인 것으로 보인다. 같은 그림에서 교류 PDIV에 대한 서지 PDIV의 비율은 서지 S의 경우 1.75~1.91, 서지 R의 경우 1.26~1.29로 되어 있다. 이 비율은 전기절연에서의 임펄스 비에 해당하며, 실제 모터의 전기절연 설계 · 진단에서 중요한 요인이 될 수 있다.


2. 서지 부분방전 개시전압의 사이즈 효과
실제 모터 코일에서는 에나멜 피복 도체가 3차원적으로 싸여져 있기 때문에 도체 접속 길이가 길고 쐐기형 공기 틈새가 급격하게 증대한다. 도체접촉 길이의 증대와 함께 쐐기형 틈새에서의 초기전자의 존재 확률 및 국소적인 절연상의 약점이 증대하기 때문에 PD 발생 확률은 증대하고 PDIV는 저하하는, 이른바 사이즈 효과의 존재가 예상된다.
<그림 7>은 PDIV의 도체 접촉 길이 의존성을 나타낸다. 이 그림에서는 2개의 에나멜 피복 도체를 병행 접촉시켜 지름 50㎜의 아크릴 봉에 단층 병렬로 감은 코일 샘플을 이용해 회전수에 의해 도체 접촉 길이를 변화시켰다. 서지전압의 발생 시간은 520㎱이며, 단발(■ 표시) 및 60pps(● 표시)의 정극성 서지전압, 정 및 부극성의 단발 서지전압을 5초 간격으로 극성반전한 양극성 서지전압(▲ 표시)을 인가했다. <그림 8>은 20 회전 코일에 60pps의 정극성 서지전압(Va=1,400Vpeak=PDIV×1.1)을 인가한 경우의 PD 발광상이다. 이 그림에서는 코일 샘플 뒤쪽에 배치된 거울을 통해 샘플 정면(Front), 왼편 뒤쪽(Left Back), 오른편 뒤쪽(Right Back)의 PD 발광도 관측되어 코일 샘플 전체에서 PD가 발생함을 알 수 있다.


<그림 7>에 의해 어느 인가전압 파형이라도 PDIV와 도체 접촉 길이 ℓ와의 관계는 아래 근사식으로 나타난다.


A와 B는 정수이다. <그림 7>은 인버터 서지전압 인가 시 에나멜 피복 도체의 PDIV의 사이즈 효과를 정량적으로 나타낸 것이다. 즉, 실제 모터 코일의 PDIV는 트위스트 페어 샘플의 PDIV보다 낮아 사이즈 효과를 고려해 실제 모터의 전기절연을 설계 할 필요가 있다.

3. 절연열화 · 절연수명 특성
인버터 구동 모터에 침입하는 서지전압 조건이 일정한 경우에라도 서지전압이 PDIV 이상인 경우에는 PD의 계속적 발생으로 인해 에나멜 피복의 절연성능이 열화해 최종적으로 절연파괴에 이르는 것을 생각할 수 있다. 이처럼 절연열화의 특성 파악은 인버터 구동 모터의 절연 신뢰성을 유지하고 절연수명을 평가함에 있어 대단히 중요하다.
<그림 9>는 트위스트 페어 샘플에 양극성 서지전압(발생시간120㎱, 반복주파수f=1,000~5,000pps, Va=2,000~3,000 Vpeak=PDIV×1.14~2.78)을 인가한 경우의 절연수명 특성이다. 그림은 세로축의 각 인가전압 Va에 대해 절연파괴에 이르는 시간 tBD를 측정, PD 발생 수 N(=tBD×f)을 가로축으로 한 것이다. 이 그림에서 PD가 계속적으로 발생하는 상태에서 Va와 N과의 관계를 아래 근사식으로 나타낼 수 있다.


즉, 트위스트 페어 샘플의 절연수명은 PD 발생수 N의 (-1/n)승에 비례해 감소한다. 수명지수(n값)는 f=1,000pps, 2,000pps, 5,000pps에 대해 각각 3.1, 3.8, 4.3이다. 또한 f가 높을수록 절연수명이 감소하는 경향이 있다. 이러한 절연수명 특성에는 에나멜 피복 도체에서의 PD 특성 및 온도 상승의 시간 추이 특성 등이 관여하는 것으로 보인다.
절연수명을 향상시키는 한 방법으로 나노 사이즈의 무기입자를 분산한 각종 내부분방전성 에나멜선이 개발되고 있다. <그림 10>에 나타난 내부분방전성 에나멜선은 범용 에나멜선의 약 30배의 수명을가진 것으로 보고되고 있다.


마무리

본고에서는 고전압화를 지향하는 인버터 구동 저전압 모터에 있어서 중요한 전기절연에 대해, 특히 서지전압 하에서의 부분방전(PD) 연구를 중심으로 정리해 봤다. 발생 시간이 짧은 인버터 서지를 수반하는 PD 현상은 복잡한 데다가 측정이 어렵다. 따라서 기초적인 방전 메커니즘을 해명함으로써 현상규명에 입각해 실제 모터의 기술 개발에 반영하는 일이 중요하다. 또한 인버터 구동 모터의 전기절연 시스템의 신뢰성을 향상시키고 절연파괴를 피하기 위해서는 절연재료의 개량, 전위분포의 개선, 각 부분의 절연강조 등의 기술 개발이 요구된다.

파센의 법칙(Paschen's Law) 기체 중 2개의 전극 사이에 전압을 가했을 때 전계가 일정하고 온도가 일정하면 그 방전 개시전압은 기체의 압력 p와 전극간의 거리 d의 곱 pd에 따라 정해지는 것을 나타낸 법칙이다. 푸리에 변환(Fourier Transform) 시간 함수 f(t)는 서로 다른 주파수의 정현파의 중복으로 표현할 수 있는데, f(t)에 포함되는 각 주파수 성분의 크기를 나타내는 함수 F(t)를 f(t)의 푸리에 변환이라 한다. 신호 해석, 화상 처리, 제어 등의 분야에 널리 쓰인다.