전기 안전 규격은 IEC 규격 IEC61010 가 근원이며 각국 규격으로 전개되었습니다.

감전이란 위험한 전압을 가진 전기 기기의 감전 대책이 불충분한 상태에서 인체가 전기 기기에 닿는 것에 의해 전류 경로가 형성되어 인체를 통과하여 전류가 흐르게 되는 현상을 말합니다. 

이 감전 대책에는 2가지의 전기 기기 설계 상 대책이 있습니다.

대책1: 놓아줌=접지하기

대책2: 가둠=절연하기

대책 1은 인체보다 현저히 저항값이 낮은 전로, 즉 접지선을 설치하여 전류의 대부분을 그 접지선에 흐르게하는 것입니다.

이 경우 접지선 저항은 거의 0Ω일 필요가 있습니다.

대책 2는 전기 기기 내부에서 확실하게 외부에 전압이 걸리지 않도록 절연 저항을 높이는 대책입니다.

규격 상, 제 2의 보호를 취하는 방법으로 전기 기기의 종류가 변합니다.

제 2의 보호를 접지로 하면 "클래스 1 기기"가 되고 절연하는 것은 "클래스 2 기기"로 분류됩니다.

감전 대책이 전기 기기의 개발 시에 충분했는지 또한 생산된 전기 기기가 감전 대책 상 잘못되지 않고 생산됐는지 더욱이는 시장에서 사용되고 있는 전기 기기의 감전 대책이 열화되지 않았는지 확인합니다.

개발, 생산, 보수 또는 중고 리세일 등에서는 아래의 시험을 실시해야 합니다.

"접지하기"의 확인=보호 도통 시험

"절연하기"의 확인=내압 시험, 절연 저항 시험, 누설 전류 시험

절연 저항 테스트와 마찬가지로 내압 테스트는 권선이 작동 전압을 견딜 수 있는 충분한 절연을 가지고 있는지 조사하는 시험입니다.

언뜻 보기에 내전압 시험은 절연 저항 시험과 비슷해 보일 수 있습니다. 두 기술의 궁극적인 목표는 제품이 감전 및 화재를 일으키지 않도록 하는 것이지만 목적에 따라 약간 다릅니다.

절연 저항 테스트는 저항 값을 측정하여 절연 결함을 발견하는 것입니다. 내압 시험은 절연 파괴가 발생했는지 여부를 확인하도록 설계되었습니다. 내압 시험에서는 제품별 안전 규격에 의해 결정되는 시험 전압을 사용하는 것이 일반적입니다.

전기 제품 또는 부품이 취급하는 전압에 대해 충분한 저연 대책이 있는지 없는지(절연의 강도)를 확인하기 위한 시험을 내압 시험이라고 합니다. 시험 장소는 아래의 3곳이 됩니다. 

내압 시험 장소①

전원 라인 보호 접지 중인 외부 설비 간. 보호 접지를 가진 클래시 1기기 등 기초 절연의 절연 내력이 있는지 확인하기 위함.

내압 시험 장소②

​전원 라인 보호 접지하고 있지 않은 외부 설비 간. 이중 절연 또는 강화 절연의 절연 내력이 있는지 확인하기 위함. 클래스1과 클래스2 모두 가능. 

내압 시험 장소③

​외부 설비-절연 연결부. 연결부가 전기적으로 절연되어 있는지 확인하기 위함(기초 절연의 확인). 절연된 연결부를 가진 기기가 대상.   

내압 시험 대상을 TV로 한 경우의 연결 예입니다. 전원 부분의 L과 N을 단락하여 내압 시험기의 고압 발생측(빨강)을 연결하고 TV의 나사 부분에 내압 시험기의 저압측(검정)을 연결합니다. 

JIS C 1010-1:2014에 의한 내압 시험기의 시험 전압의 결정법은 주전원부의 사양에 따라 아래와 같은 판단을 합니다. 

1. 피시험물의 전원 전압  예: AC100V〜240V  등

2. 피시험물의 과전압(측정) 카테고리   예: CAT II, CAT III 등

3. 규격의 표에서 시험 전압을 결정하기

내압 시험기에는 규격에 기재되어 있는 시험 전압을 충분히 인가 할 수 있는지, 차단 전류값이 측정 가능한지가 요구됩니다.

또한 규격이나 법률에 따라 아래와 같은 기재도 있습니다.

・전압계의 정밀도가 JIS 1.5급 이상 

・출력 용량이 500VA 이상 (출력 전압 발생부 트랜스 용량)

・단락 전류 200mA (출력 전압 발생부 트랜스 사양)

・시험 전압까지 서서히 출력을 상승시킴 (출력 전압의 승압 방법) 등

절연 저항 시험이란 기본적인 것은 내압 시험과 동일하지만 주요한 차이는 아래와 같습니다.

・ 절연 저항 시험은 절연 강도를 보는 것이 아니라 시험 전압에서 저항값을 측정하는 것입니다. 내압 시험은 절연 내력, 절연 파괴를 발생시키는지를 확인하는 것입니다. 

・ 내압 시험은 교류(AC)가 많지만 저항 성분만 측정하는 절연 저항 시험은 직류 (DC)가 됩니다. 

절연 저항 측정은 권선의 절연을 평가하도록 설계된 테스트 유형입니다. 이 기술은 모터 권선, 유지보수 테스트, 권선이 오작동 또는 고장을 일으키는지 확인하기 위한 테스트와 같은 제품의 선적 검사에 자주 사용됩니다. 권선 절연이 저하되면 감전 및 단락 위험이 있습니다.

제품의 안전성을 확보하기 위해서는 권선 절연 상태를 조사할 필요가 있습니다. 측정 중에 권선 저항이 무한대에 가까워진다는 것은 권선이 적절하게 절연되었다는 결론을 내릴 수 있음을 의미합니다. 그러나 0Ω과 같은 권선 저항 판독값은 권선의 절연이 손상되어 문제가 발생할 수 있음을 의미합니다.

불량품을 양품으로 잘못 분류하지 않도록 프로브 접촉 불량이나 배선 단선을 확인할 수 있는 콘택트 체크 기능이 있는 기기를 사용하는 것이 좋습니다.

절연 저항 시험 장소 : 정극 단자와 외부에 노출된 금속 표면이 됩니다.

절연 저항 시험 조건 : 출력 전압=500V   판정 기준=5MΩ 이상 등

참고 : JIS C 8711, JIS C8712 

보호 도통 시험은 낮은 저항값으로 확실하게 접지가 접지되어 있는지 확인하는 시험입니다.

주요한 시험 조건은 아래와 같습니다.

시험 전류 : 25A 또는 정격 전류의 1.5배 중 큰 쪽

무부하 전압: 6V 이하

시험 기간: 규격에 따름(5~10초, 60초 등)

허용값: 0.1Ω(전원 소켓을 가진 기기), 0.2Ω(고정 전원 코드를 가진 기기)

보호 도통 시험을 실행하는 시험 장소는 보호 접지극과 보호 접지 되어 있는 장소 (외장판, 나사 등)입니다.

절연 성능을 확인하기 위한 시험 특히 의료용 전기기기(의료기기)에서는 매우 중요한 시험으로 자리잡고 있습니다. 

(절연이란? → 도체 사이에 부도체를 넣어서 전류나 열이 통하지 못하게 하는 일)

판정 기준은 인체에 흐르는 누설 전류값으로 인체 모의 저항이 각 규격에서 규정되어 있습니다.

설비의 누설 전류값이나 내압 시험 등의 판정에서 이용되는 전류값과는 의미하는 바가 다릅니다. 따라서, 클램프나 내전압시험에서 이용되는 전류와는 다릅니다.

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의료기기 규격인 IEC60601-1에 기재된 인체모의저항의 회로를 표시했습니다.

저항과 콘덴서의 조합으로 구성되어 있으며, 규격에는 부품의 조합 외에, 주파수 특성을 기재하는 경우도 있습니다. 

UL 규격이나 전기용품안전법(PSE)에도 인체모의저항의 규정이 있습니다. 

각 규격마다 정수(定数)와 조합이 다릅니다. 

※IEC 60990: 접촉전류와 보호도체전류의 측정방법이라는 규격

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누설전류시험은 다방면으로 어느 정도 누설전류가 발생했는지를 확인하도록 규정되어 있습니다.

몇 가지 시험조건 하에서 누설전류시험을 실시할 필요가 있습니다.

■ 정상 상태

■ 단일 고장 상태

- 전원선 고장, 고장기기 연결, 접지선 단선 등으로 어느 하나가 고장난 상태에서의 누설전류시험을 진행

<고장 상태에서의 누설전류시험>

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상간 저항 시험에서는 [각 상에서의 저항이 적절한 상태인지]를 조사할 수 있습니다. 예를 들어, [a-b-c]라는 단자가 있는 경우, [a-b] [a-c] [b-c]와 같은 단자 사이의 저항을 측정합니다. 만약 측정하여 저항이 수Ω~수십Ω 정도이면 모터의 상간에 있어서의 트러블은 없다고 판단해도 괜찮을 것입니다.

그러나, 측정값이 0의 상간이 있는 경우, 그 부분이 단락하고 있다고 판단할 수 있습니다. 단락이란, 이른바 쇼트라고 불리는 상태이며, 배선의 피막이 찢어진 경우 등, 전선끼리 접촉하고 있는 상태입니다. 일반적으로 전기는 저항이 있기 때문에 다양한 에너지로 변환할 수 있습니다.

단, 단락 상태가 되면 에너지 변환이 불가능하게 되고 큰 전류가 흐르게 됩니다. 반면, 상간 저항이 무한대가 되어 버렸을 경우, 한쪽에서 단선되어 있는 상태라고 생각할 수 있습니다. 상간 저항은 단독이 아닌 모든 상간을 조사한 후 [특정 부분만 문제가 있는지] [여러 부분에 문제가 있는지]를 확인하고 대처하는 것이 필요합니다.
 

절연 저항 시험은 [각 배선의 절연이 열화되어 있지 않은지]를 확인하기 위한 시험입니다. 고장 발생뿐만 아니라 트러블 발생을 예방하기 위해 정기적으로 테스트할 수도 있습니다. 상간 저항의 예시에서 언급했듯이 단자가 [a-b-c]인 경우 [a와 모터 바디 사이] [b와 모터 바디 사이] [c와 모터 바디 사이]의 배선을 측정합니다. 

절연저항을 계측하는 경우에는 절연저항계라는 전용 테스터가 필요합니다. 절연저항 값은 그 수치가 높으면 높을수록 확실한 절연효과를 발휘합니다. 측정 시 저항이 무한대인 경우, 절연 저항은 적절한 상황을 유지하고 있다고 판단할 수 있습니다. 그러나, 측정시에 0Ω의 경우에는 해당의 배선으로 누전이 발생중인 가능성이 있습니다. 

누전이란, 말 그대로 전기가 새고있는 상태로 매우 위험한 상태입니다. 기계가 제대로 움직이지 않거나 감전이나 발화가 발생할 수 있으며, 최악의 경우에는 인명피해가 발생할 수도 있으므로 주의가 필요합니다. 

임펄스 테스트는 권선의 절연 실패를 감지하는 기술입니다. 권선의 와이어는 코팅으로 절연되어야 하지만 때때로 절연 저항이 손상되어 단락이 발생합니다. 이 단락을 레이어 쇼츠라고 합니다.
 

일반적으로 임펄스 시험은 정상인 모터에 임펄스 전압을 인가하여 얻은 응답 파형을 기준으로 하여 모터의 응답 파형 면적과 모터의 응답 파형 면적을 비교하여 불량 여부를 판단합니다.

응답 파형의 변화는 모터를 구성하는 인덕턴스 값(L), 권선 저항 값(R), 정전 용량 값(C)에 의해 결정됩니다.

절연 불량에 의한 권선 단락은 주로 인덕턴스 성분의 변화로 나타나기 때문에 파형의 변화로 불량품을 판별할 수 있습니다.

대표적인 방법인 면적 비교에 의한 판단은 양품과 불량품의 응답 파형의 차이를 정량화한 것입니다. 일부 장비는 응답 파형 자체를 정량화할 수 있습니다.

이러한 값은 응답 파형을 구성하는 인덕턴스 값, 권선 저항 값 및 정전 용량 값에서 계산됩니다. (이 기술은 Toenec Corporation이 보유한 특허를 사용합니다.)

임펄스 권선 시험은 모터 코일의 상태를 조사할 수 있는 시험 방법입니다. 펄스 전압이라고 하는 고전압에서 에너지가 작은 전압을 코일의 양단으로부터 흐르게 함으로써 코일의 상태를 조사할 수 있습니다. 고정밀도의 응답 파형을 수치화해서 표시하기 위해, 로터를 조립한 상태에서도 검사가 가능한 것이 특징입니다.

코일의 단선 이외에도 다음과 같은 것을 검출할 수 있습니다.

・기존의 검사 방법에서는 검출이 어려웠던 쇼트 등의 불량

・인덕턴스의 미세한 변화

・노이즈에 묻히기 쉬운 모터 권선간의 절연 불량 등

사용법도 간단하고, 양품의 모터에 임펄스 전압을 가했을 때의 파형 반응을 기준으로 검사 대상의 모터의 시험 파형을 비교하여 문제를 검출합니다. 또한, 측정한 파형을 수치화시키는 것으로, 쇼트 등의 알기 어려운 트러블도 확인 가능합니다.

부분방전은 보통 사용할 때는 거의 알지 못할 정도로 작은 방전을 말합니다.

장시간 방치하면 절연열화를 촉진해 최악의 경우 발화에 이르는데, 그 발생원인은 권선공정에서의 에나멜 등 코팅 시 생긴 상처나 절연지 틀어짐이며, 거기에 서지 노이즈 등 고전압이 걸림으로써 발생합니다.

부분방전이란 완전한 절연파괴에 이르기 전에 발생하는 미약한 방전현상으로, 권선에 부분방전이 장시간 발생하면 절연 열화가 진행되어 단락과 절연 파괴에 이를 우려가 있습니다. 

부분방전시험의 목적은 절연 파괴로 이어지는 잠재적 권선의 절연 불량을 발견하는 것입니다. 

특히 EV의 Drivetrain, 가전제품, 산업기계 등 고전압 인버터 구동 모터에서는 부분방전시험이 중요합니다. 

인버터 구동 모터의 권선에는 구동전압보다 높은 인버터 서지전압이 걸립니다. 모터를 구동하는 인버터의 전압은 고속으로 스위칭 동작을 반복하고 있어, 스위칭 전압의 약 2배 이상의 서지전압이 권선에 걸립니다. 일반적으로 적절히 절연되지 않은 권선에 약 350V가 넘는 전압이 걸리면 부분방전이 발생한다고 여겨집니다. 장시간 방전이 계속되면서 절연 열화가 진행되어 절연 파괴에 따른 중대 사고로 이어지는 원인이 됩니다. 

부분방전시험은 모터 권선에 고전압을 인가해 방전이 시작되는 전압 또는 방전의 크기를 확인하는 것으로 절연성능을 평가합니다. 부분방전시험의 결과는 모터가 적절히 절연되어 있다는 것을 나타내기 위한 근거가 됩니다. 

정상적인 모터 권선의 표면은 에나멜 피복으로 절연되어 있으며, 또한 절연지에 의해 스테이터 코어와 상 간이 절연되어 있습니다.

스테이터의 제조과정에서 절연지가 어긋나거나 절연피막에 상처가 나거나, 또는 적절한 절연거리가 유지되지 않으면 절연성이 저하됩니다.

이러한 절연 불량은 완전한 단락이 아니기 때문에 내압시험의 누설전류 측정으로는 발견할 수 없습니다.

부분방전시험은 완전한 절연 파괴에 이르기 전에 발생하는 미약한 방전을 검출하는 것이 목적이기 때문에 내압시험이나 임펄스 시험과 시험장소는 동일합니다. 

각 상의 권선 간 또는 권선과 스테이터 코어 간에서 방전이 발생합니다.

내압시험, 임펄스 시험과 시험장소는 동일합니다.

부분방전시험은 내압시험・임펄스 시험으로 방전을 검출하는 시험입니다.

기존 검사들이 이미 발생한 불량을 검사를 통해 선별하는 것이였다면, 부분방전은 앞으로 발생할지 모르는 절연불량을 사전에 특정하는 것에서 차이가 있습니다.

부분방전 자체는 아직 고장이 아니지만, 방치하면 절연 파괴에 이를 가능성이 있기 때문에 시장에 유출되는 것을 방지해야 합니다.

절연저항측정이나 내압시험으로 절연불량이 없다는 것을 확인할 뿐아니라, 절연불량의 징조를 파악하기 위해 부분방전 검출시험이 필요한 것입니다.

ACPD와 임펄스PD의 두 종류의 시험이 있습니다. 각각의 시험은 목적이 달라, 검출하는 잠재적 절연 불량에 차이가 있습니다. 

IEC 60034-18-41에는 스테이터 형식시험의 순서가 기재되어 있습니다. 중성점 연결 전에는 ACPD테스트를 실시하고 중성점 연결 후에는 임펄스PD를 실시할 것이 권장되고 있습니다. 

이유는 ACPD와 임펄스PD가 검출하는 권선 불량이 각각 다르기 때문입니다. 확실하게 절연 불량을 발견하려면 ACPD와 임펄스PD 양쪽다 시험을 실시할 것을 추천합니다.

■ 왜 부분방전은 위험한가？ 

인버터 구동의 모터 권선은 적절히 절연되어 있지 않으면 높은 인버터 서지 전압에 의해 부분방전이 발생합니다. 부분방전이 계속되면 절연 열화가 진행되어 절연 고장에 이릅니다.

■ 부분방전시험으로 어떤 불량을 발견할 수 있는가?

서로 다른 상 간, 권선과 코어 간, 동상의 인접한 권선에서 일어나는 절연지의 손상, 에나멜 피복 결함, 절연 거리 부족 등을 부분방전시험으로 특정할 수 있습니다.

■ 내압시험・절연저항시험으로 대체할 수 없나?

내압시험, 절연저항시험은 완전한 절연 고장에 이르기 전인 미세한 방전현상은 검출할 수 없습니다. 부분방전검출기가 필요합니다.

■ 부분방전시험은 어떤 식으로 실시하는가?

시험규격에 의해 고전압AC와 임펄스전압을 인가하는 방법이 규정되어 있습니다. 각각에서 검출되는 절연 불량이 다르기 때문에 양쪽 시험을 실시할 것이 권장됩니다.