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제품정보 > 임펄스 시험기

부분 방전이란 (ST4200)

요약

 

 

 

 

시작하며

　부분 방전은 전기 기기 내부에서 발생하는 미세한 방전 현상입니다. 이 현상은 특히 절연 재료가 열화되었을 때 발생하기 쉬우며, 전기 기기의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 모터나 발전기 등의 전기 기기에서는 절연 재료가 고전압에 노출되면 부분 방전이 발생할 수 있습니다.

반복적으로 발생하는 부분 방전으로 인해 절연 재료는 점차 열화되어, 결국 절연 파괴로 인한 고장을 일으킬 수 있습니다. 따라서 전기 기기 제조 시 부분 방전을 검출하여 절연 성능이 우수한 제품만 출하하거나, 정기적으로 절연 불량을 점검하는 것이 중요합니다.

본문에서는 부분 방전을 중심으로 한 방전 현상과 부분 방전 검출 방법에 대해 설명하도록 하겠습니다.

 

다양한 방전 현상

　공기로 절연된 전극 사이에 전압을 가하면 (Fig. 1) 몇 가지 현상이 발생합니다 (Fig. 2). 초기 단계(0에서 A 구간)에서는 전압 상승에 따라 전류도 이에 맞춰 증가합니다. 그러나 A에서 B 단계로 진입하면 전자와 이온의 수가 변하지 않기 때문에 전류는 증가하지 않습니다. 이 상태에서 전압을 더 올리면 B점을 넘어서면서 ‘충돌 전리’ 현상이 시작됩니다. 이는 전자가 공기 중 분자와 충돌하여 새로운 전자를 생성하는 현상입니다. B에서 C 단계에서는 부분 방전이나 코로나 방전과 같은 불연속적인 방전이 발생하지만, 이는 아직 절연 파괴되지 않은 상태입니다. 코로나 방전은 국부적으로 높은 전기장을 생성하는 전극 부근에서 발생하는 방전으로, 소음과 미광을 발생시킵니다. 인가 전압이 C점을 초과하면 스파크 방전이 발생하여 절연 파괴된 상태가 됩니다. 이로 인해 연속적인 방전이 지속됩니다.


그림 1 절연 전극 사이의 방전 현상

그림 2 부분 방전 및 기타 방전 유형의 전압-전류 특성

부분 방전: 절구 모양의 흠집(기체 부분)에 발생한 부분 방전

코로나 방전: 국부적으로 고전계 부가 형성되는 전극 부근에서 발생하는 부분 방전. 소음이나 미광을 발생

스파크 방전: 전극간을 연결하는 단시간 방전 현상. 코로나 조건을 충족하지 않는 상태에서 고전압이 되면 발생

글로우 방전, 아크 방전: 더 높은 전압으로 절연이 파괴되어 전극간에 연속된 전도 경로가 형성되는 방전 현상


모터 스테이터 내에서의 방전


　그림 3은 스테이터의 코일과 코어 사이에 높은 교류 전압을 인가했을 때 촬영된 사진입니다. 절연을 유지하기 위한 절연지가 푸르스름하게 발광하고 있으며, 이는 “부분 방전”이라고 불리는 현상입니다. 이 스테이터는 정상 상태이지만, 1.8kV의 전압에서 부분 방전이 확인되었습니다.

그림 3 양품 - 방전 전압 1.8kVrms

한편, 스테이터의 절연지가 어긋난 상태(불량 상태)에서는 1.3kV의 전압에서 “코로나 방전”이 관측되었습니다. 절연 상태가 악화되면 더 낮은 전압에서도 부분 방전이 발생할 가능성이 있습니다.

그림 4 절연지를 이탈한 상태 - 방전 전압 1.3kVrms

 

부분 방전에 의한 절연체의 열화

　모터나 변압기 등 다양한 용도로 사용되는 에나멜선(마그네트 와이어)을 예로 들어 부분 방전에 의한 문제를 살펴보겠습니다. 에나멜선은 구리선을 고체 절연 물질인 에나멜로 덮은 피복선입니다(그림 5). 에나멜 피복 내부에는 Void라는 공극이 생길 수 있습니다.

그림 5. Void가 있는 에나멜 코팅선

　구리선에 높은 전압을 가하면 유전율이 낮은 이 Void 부분에 전계가 집중됩니다. 이로 인해 Void 내에서 부분 방전이 발생하고, 절연체의 용해나 화학 반응을 일으켜 절연체가 열화됩니다(그림 6) 이 열화가 진행되면 결국 절연 파괴가 발생합니다(그림 7) 절연 파괴 전에 부분 방전 상태를 조기에 발견하기 위해 실시하는 것이 부분 방전 시험입니다.

그림 6 Void 내 부분 방전

그림 7 절연 파괴


부분 방전 시험기 도입

　인버터 구동 모터의 부분 방전 시험은 개발 및 평가 단계뿐만 아니라 생산 라인 및 유지 보수에서도 매우 중요합니다. 고효율화되는 인버터 구동 모터 시스템에서는 인버터의 스위칭 전압이 높아지는 경향이 있습니다. 모터에는 스위칭 전압의 2배를 초과하는 서지 전압이 가해져 부분 방전이 발생하기 쉽습니다. 부분 방전은 절연 열화를 급속히 진행시키므로 모터의 신뢰성 확보에 있어 그 시험은 필수적인 요소입니다.

  HIOKI의 부분 방전 검출기 ST4200은 절연 파괴에 이르는 잠재적 불량 부위에서 발생하는 부분 방전을 검출할 수 있습니다. 모터 권선간 시험은 서지 전압에 대한 내성 시험이므로 임펄스 전압을 사용합니다(그림 7). 반면, 상간 및 각 상 - 코어간 시험은 AC 고전압을 사용합니다(그림 8). ST4200은 이 두 가지 시험을 한 대의 장비로 수행할 수 있는 부분 방전 검출기입니다.

 

                                                                 그림 8 ACPD시험                                                                  그림 9 임펄스 PD 시험