내전압 시험/부분방전 시험
내전압 시험이란…
내전압 시험은 절연 내력 시험 또는 하이팟 테스트라고도 불리며, 전기 제품 및 부품의 전기적 절연 부분이 취급하는 전압에 대해 “충분한 절연 내력이 있는지 여부”를 평가하는 시험입니다. 절연 부분에 일반적으로 인가되는 전압보다 높은 전압을 규정된 시간 동안 인가하여 절연 파괴가 발생하는지 여부를 시험합니다.
내전압이란…
내전압이란 수지 등의 절연체에 직류 또는 교류 전압을 인가했을 때 절연 파괴가 발생하는 한계 전압이라고 할 수 있습니다. 판단 기준으로는 매우 높은 전압(절연 파괴가 발생할 수 있는 영역까지)을 인가했을 때 실제로 절연 파괴가 발생하는지 여부를 조사합니다. 점차적으로 전압을 높여가면서 절연 파괴가 발생한 지점이 내전압(한계 전압)이라고 할 수 있습니다.
내전압 시험의 목적
모든 전기 용품은 안전해야 합니다. 사람들의 생명을 위협하거나 재산에 손상을 주어서는 안 됩니다. 내전압 시험은 전기 제품에 존재하는 감전, 화재 등의 위험으로부터 소비자와 소비자의 재산을 보호하기 위해, 전기 용품이 충분한 절연 내력을 가지고 있는지 여부를 확인하는 것이 목적입니다.
내전압 시험을 구체적으로
내전압 시험의 원리에 대해 왼쪽 그림을 사용하여 구체적으로 설명하겠습니다. 왼쪽 그림은 대표적인 시험 지점으로, 전기 용품의 1차 회로 시험 연결도를 보여줍니다. 내전압 시험기의 출력 케이블(HIGH 측)을 시험 대상물의 AC 입력 단자의 라이브(L)와 뉴트럴(N)을 단락시킨 부분에 연결합니다. 다른 쪽 출력 케이블(LOW 측)은 접촉 가능한 도전부(케이스)라고 불리는 부분에 연결합니다.
HIGH와 LOW 사이에 AC(교류) 고전압을 인가하고, AC 라인-케이스에 흐르는 누설 전류를 측정하여 절연성을 확인합니다. AC 라인과 케이스 사이에 있는 Z1 또는 Z2에는 주로 노이즈 제거를 목적으로 하는 Y 캐패시터가 있으며, 교류 전류를 통과시키는 특징이 있습니다. 내전압 시험기는 캐패시터에 흐르는 전류를 포함한 종합적인 누설 전류를 감지하여 설정한 한계치를 초과하지 않았는지 여부를 확인하는 원리입니다.
부분 방전 시험이란…
부분 방전이란 절연체의 일부가 부분적으로 절연 파괴를 일으키는 방전 현상으로, 주로 절연체 내부의 보이드 등에서 발생하는 기중 방전입니다. 일반적으로 보이드는 공기 등의 기체로 이루어져 있으며, 그 크기가 매우 작기 때문에 보이드의 정전 용량도 작습니다.
전극 사이에 전압을 인가하면 정전 용량이 작은 보이드 부분에 큰 전압이 걸리고, 보이드에 전계가 집중되어 부분 방전이 발생합니다.
A점과 B점 사이에 내전압 시험을 수행하면, 절연체 내부에서는 보이드의 정전 용량 CV에도 시험 전압과 거의 동일한 전압이 가해집니다. 그러면 절연 거리가 짧은 보이드는 낮은 전압에서 방전합니다.
하지만 보이드에서 방전이 발생하더라도 절연체가 있으므로 전극 사이를 단락시키는 방전으로 이어지지는 않습니다. 위 예시와 같이 절연체 내의 보이드 등에서 방전이 발생하더라도 전극 간의 방전으로 이어지지 않는 상태를 부분 방전이라고 하며, 그때의 전하 이동량이나 방전 펄스를 측정하는 것이 부분 방전 시험입니다.
부분 방전 시험의 핵심
- 보이드의 정전 용량은 극히 작다
- 그곳에 큰 인가 전압이 가해진다
- 절연 거리가 짧은 보이드는 낮은 전압에서 방전한다
- 이 방전에서는 전극 사이를 단락시키는 방전으로 이어지지는 않지만 전하의 이동이 발생한다 (부분 방전)
※ 부하의 절연 파괴로 이어지지는 않는다
부분 방전 시험의 장점
부분 방전 시험에서는 절연 파괴에 이르기 전의 상태를 감지하므로, 기존의 내전압 시험에서는 알 수 없었던 잠재적인 불량이나 제조상의 편차도 감지할 수 있습니다. 또한, 기존 방법과 비교하여 다음과 같은 장점을 기대할 수 있습니다.
- 절연 설계의 최적화
- 제조 편차의 감소
- 재료 편차의 발견
- 안전성 향상
- 원인 불명 불량 분석에 기여
- 비파괴 방식으로 불량을 감지할 수 있다면 결함 부분 조사가 가능
- 절연 성능의 장기 신뢰성을 평가할 수 있다
부분 방전과 절연 파괴의 관계
전극 사이에 인가된 전압과 방전의 일반적인 관계는 위 그림과 같습니다. 피시험물에 인가한 전압을 점차적으로 상승시키면, 먼저 부분 방전이 시작되고(A), 그 후 스파크가 발생합니다(D). 이어서 아크 방전(E)으로 이행하여 피시험물은 절연 파괴됩니다. 아크 방전으로 이행하여 추가 전력이 공급되면, 절연 파괴된 피시험물은 아크 방전의 열로 소손됩니다.
부분 방전 영역을 더 자세히 살펴보면, (A) 부분 방전 시작 후 (B)부터 (C)까지의 안정 영역이 있습니다. 이 영역에서는 절연체 내의 여러 보이드 등에서 부분 방전이 발생하고 있습니다. 그 후 (C)부터 (D)까지의 부분 방전 급증 영역을 거친 후에, 각 보이드 간의 절연이 파괴되어 아크 방전으로 이행합니다.
내전압 시험과 부분 방전 시험의 차이점은?
내전압 시험은 피시험물에 교류(또는 직류) 고전압을 인가하여, 피시험물이 절연 파괴되었을 때 흐르는 누설 전류를 감지하여 합격/불합격 판정을 내립니다. 즉, “절연 파괴 = 전류 증가”로 간주하며, 시험에서 불합격된 피시험물은 대부분의 경우 손상되어 복구 불가능한 상태가 됩니다.
또한, 내전압 시험에서는 파괴(전류 증가)가 없으면 절연 불량의 원인이 되는 보이드 등이 존재하더라도 양품으로 판단됩니다. 반면, 부분 방전 시험은 절연 파괴가 발생하기 전의 전하량 증가를 포착하므로 대부분의 경우 피시험물이 파괴되지 않습니다. 또한, 절연 파괴에 이르기 전의 상태를 감지하므로 기존의 내전압 시험에서는 알 수 없었던 잠재적인 불량이나 제조상의 편차도 감지할 수 있게 됩니다.
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