2.1 실험 준비

본 연구에서는 기체헬륨과 진공의 절연파괴 특성을 확인하기 위하여 구 대 구 전극을 사용한 절연파괴 실험을 수행하였다. Fig. 2에는 절연파괴 실험의 개략도를 나타내었다. 절연파괴 실험에 사용된 AC power supply의 용량은 50kV이며, 전압은 절연파괴가 발생할 때까지 1kV/s의 속도로 상승시키며 인가하였다.

기체헬륨 조건에서의 절연파괴 실험을 수행하기 위해서 로터리 펌프를 약 30분간 운전하여 실험용 챔버 내의 진공도가 10-2Torr가 될 때까지 유지함으로서 불순물에 의한 영향을 최대한 제거한 후 기체헬륨을 주입하여 절대기압 0.1MPa까지 가압하였다. 진공 조건에서의 절연파괴 실험을 수행하기 위해서는 로터리 펌프를 이용하여 실험용 챔버 내부의 진공도가 10-2Torr가 될 때까지 운전하였다. 이후 PFEIFFER VACUUM 사의 255ℓ/s의 용량을 가지는 터보 펌프를 이용하여 최대 7.5×10-5Torr 까지 진공을 조성하였다. 또한 실험용 챔버 내의 진공도를 측정하기 위해서 Thyracont 사의 VSM77DL 진공 센서를 사용하였으며 측정 범위는 최대 5.0×10-9 Torr이다.

Fig. 2. Schematic drawing of dielectric experiments

Fig. 3. Configuration of sphere-to-sphere electrode system

Table 1에는 절연파괴 실험에 사용된 전극 시스템과 절연매질 등과 같은 실험 조건들을 나타내었다. 본 실험에서는 스테인레스 스틸 재질의 구 대 구 전극 시스템을 사용하였으며, 이때 구 전극의 직경은 12.7mm로 설정하였다. 또한 구 전극 간의 간격은 20, 30, 40mm로 설정함으로서 다양한 전계이용률에 대한 절연파괴 특성을 확인하고자 하였다. 터보 펌프를 사용하여 조성한 실험용 챔버 내의 진공도는 0.1MPa인 800Torr부터 최고 7.5×10-5Torr 까지 조성하였다. Fig. 3에는 본 실험에 사용된 구 대 구 전극 시스템의 모습을 나타내었다. 이때 전극의 표면 조도 및 이물질 유무에 따른 절연파괴 실험 결과의 편차를 최소화하기 위하여 실험 전 \#1500 사포로 구 전극 표면을 연마한 후 이소프로필 알코올로 세척한 후에 절연파괴 실험을 진행하였다.

2.2 전계이용률

전계이용률이란 전기적인 에너지를 이용하는 시스템에서 실제로 이용되는 전기적인 에너지의 비율을 나타내는 값으로써 전극의 형태와 배열에 따라 표시되는 전계 활용계수이다. 일반적으로 전계이용률은 전계의 평등도로 이해할 수 있는데 0부터 1사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 평등전계에 가깝다는 것을 의미한다. 이와 같은 전계이용률은 식 (1)을 이용하여 계산할 수 있다. 여기에서 ξ는 전계이용률을 나타내며 EMAX는 최대전계를 Emean은 평균전계값을 의미한다. 따라서 전계이용률은 전압의 크기와 무관하며 전극시스템의 모양과 배치에 의해 결정될 수 있다. 이때 EMAX와 Emean는 유한요소해석법을 이용하여 계산할 수 있다.

진공 조건에서의 절연파괴 특성을 분석하기 위해서는 여러 가지 방법이 적용될 수 있지만 본 연구에서는 절연파괴 시 전극 시스템 내에서 발생하는 최대전계의 세기와 전계이용률의 함수 관계를 이용하였다^[8].

3.1 진공에서의 절연파괴 실험결과

진공 상태에서는 기체나 먼지 등의 불순물의 영향을 최소화할 수 있으므로 초전도 자석에서 발생하는 자기장의 안정성과 일관성을 유지하기 쉬울 뿐만 아니라 자기장 조건에서 발생할 수 있는 열화나 부식 등의 문제를 방지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 초전도 선재의 임계온도 이하의 극저온 조건에서 운전해야하므로 진공 용기의 특성 상 외부 열침입을 차단하여 시스템의 열적 효율을 높일 수 있는 장점을 갖고 있다. 따라서 인공 핵융합장치나 대형 입자가속기의 경우에는 진공 조건에서 초전도 자석을 이용하여 높은 자기장을 생성한다^[9].

본 연구에서는 진공 조건에서의 고온초전도 자석의 절연내력 특성을 분석하기 위하여 진공도에 따른 관통 절연파괴 실험을 수행하였다. Fig. 4에는 진공도에 따른 구 대 구 전극 시스템의 절연파괴 전압을 나타내었다. 대기압 조건에서는 20kV 이상의 양호한 절연파괴 전압값을 가지지만 10-1Torr 영역에서는 절연파괴 전압이 급격하게 감소하여 수 kV 이하의 크기가 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 10-3Torr 영역부터 절연파괴 전압이 상승하며 10-5Torr 영역에서는 절연파괴 전압이 더욱 상승하여 대기압 조건에서의 절연파괴 전압보다 높은 값을 가진다는 것을 확인하였다. 즉, 낮은 진공 조건에서는 절연파괴 특성이 저하되지만 10-3Torr 이하의 진공도에서는 진동도가 높아질수록 절연파괴 전압이 상승한다는 사실을 확인할 수 있었다.

진공 조건에서의 절연파괴 실험결과를 절연파괴 전압이 아닌 절연파괴 전계의 값으로 변환하여 나타내면 Fig. 4는 Fig. 5와 같이 나타낼 수 있다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 대기압과 10-5Torr 이하의 고진공 영역에서는 전계이용률이 감소할수록 절연파괴 전계값은 증가하는 추세가 뚜렷하지만, 10-1Torr에서 10-3Torr 사이의 범위에서는 절연파괴 전압값의 크기가 매우 작으며, 전계로 환산한 결과값 역시 전계이용률과 관계없이 거의 상수의 값을 가지는 것으로 확인되었다. 이와 같은 실험결과를 통하여 전계이용률에 따른 진공에서의 관통 절연파괴 기준전계식을 도출할 수 있었으며, 결과를 Table 2와 같이 정리하였다.

Fig. 4. Electrical breakdown voltage depending on the vacuum degree

Fig. 5. Electric field intensity of vacuum at sparkover voltage according to utilization factor.

3.2 기체 헬륨에서의 절연파괴 실험결과

일반적으로 고온초전도 선재의 냉매로 사용되는 액체질소에 비하여 저온초전도 선재의 냉매로 사용되는 액체헬륨은 비등점이 4.2K으로 매우 낮으며 분자의 크기가 액체질소에 비하여 작아서 분자 간의 상호 작용력이 약하다. 또한 액체상태에서 기체상태로 상 변이가 일어나는데 필요한 열에너지도 적으므로 액체헬륨은 증발 과정에서 적은 에너지를 흡수하고도 빠르게 증발할 수 있으므로 냉매 관리 측면에서는 비경제적일 수 있다. 그러나 액체헬륨의 낮은 비등점으로 인하여 고온초전도 자석의 임계전류값이 상승할 뿐만 아니라 높은 자기장을 발생할 수 있기 때문에 TOKAMAK과 같은 인공 핵융합장치나 가속기 실험에서는 고온초전도 자석을 액체헬륨에서 운전하기도 한다^[10].

본 논문에서는 액체헬륨 내에서 운전되는 초전도 자석에서 국부적 발열로 인하여 액체헬륨이 비등하여 void가 생성되고 이로 인해 절연내력이 감소함으로써 발생하는 절연파괴 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 액체헬륨의 비등 상황을 모의하기 위하여 기체헬륨 조건에서 구 대 구 전극 시스템의 절연파괴 실험을 수행하였다. Fig. 6에는 기체헬륨에서 구 대구 전극 시스템의 절연파괴 전압 결과값을 나타낸다.

Fig. 6에서 보는 바와 같이 기체헬륨의 간격거리와 구전극의 크기가 커질수록 절연파괴시 전압값이 커지는 경향을 보인다.

Fig. 6. Electrical breakdown voltage in gaseous helium

Fig. 7에는 Fig. 6에 나타낸 0.1MPa의 기체헬륨 절연파괴 전압값을 절연파괴시 최대전계값과 전계이용률에 대한 함수로 변환하여 나타낸 결과를 나타내었다. Fig. 7에서 보는 바와 같이 기체헬륨의 전계이용률이 낮은 불평등 전계에서는 절연파괴 시 전계값의 크기가 크지만 전계이용률이 높은 준평등 전계 이상에서는 절연파괴 시 전계값의 크기가 포화하면서 작아지는 경향을 보인다. 즉, 0.1MPa의 압력에서 기체헬륨의 절연파괴 기준전계는 Fig. 7의 추세선에서 0.37×ξ-0.53과 같이 도출할 수 있다.

Fig. 7. Electric field intensity of gaseous helium at sparkover voltage according to utilization factor

4.1 절연파괴 실험결과 분석

Fig. 4에서 보는 바와 같이 10-1Torr의 중진공 영역에서의 절연파괴 전압 크기는 대기압 조건에서의 절연파괴 전압에 비하여 낮은 것을 알 수 있다. 중진공 내에서는 전자의 밀도가 낮아서 상대적으로 높은 운동에너지를 가지는 전자가 서로 충돌하여 중진공 내부에서 이온화가 발생한다. 이와 같이 높은 전리계수를 가지는 이온화 현상이 발생하면 전기저항이 감소하면서 절연파괴 전압이 저하된다. 그러나 진공도가 높아지면서 절연파괴 전압은 증가하며 10-5Torr의 고진공 영역에서는 대기압의 절연파괴 전압을 상회하게 된다. 이는 고진공 상태에서는 기체 분자의 수가 적으므로 기체 분자 간 충돌이 적어져서 이온화가 상대적으로 적게 발생한다. 또한 이온화가 적게 일어나면 자유전자의 밀도가 낮아져서 인가전압의 세기를 더 높여야 절연파괴가 발생할 수 있으므로 절연파괴 전압의 크기는 커지게 된다.

Fig. 6과 7에서 보는 바와 같이 기체헬륨에서의 절연파괴 전압은 대기압에서의 절연파괴 전압에 비하여 작으며, 중진공에서의 절연파괴 전압과 유사할 만큼 크기가 작다. 이와 같은 원인은 기체헬륨은 저분자량의 원자 기체로서 K 껍질 외곽에 전자가 존재하지 않는 간단한 구조로 전자 간의 상호작용이 적어서 전기장이 쉽게 형성되지 않기 때문에 절연파괴 전압이 낮은 것으로 판단된다.

4.2 기체별 절연파괴 기준전계 도출

본 연구에서는 기체헬륨과 대기압의 공기, 그리고 진공도에 따른 절연파괴 전압값을 실험을 통하여 확인하였으며, 유한요소해석을 통하여 절연파괴 시 기준전계식을 도출하였다. 도출된 절연파괴 시 기준전계식을 분석해 보면 기체 절연매질의 절연파괴 특성은 절연파괴 시 최대전계의 값이 전계이용률에 대한 함수로 표현될 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 전계이용률이 증가할수록 절연파괴 기준전계는 포화하면서 감소하는 것을 알 수 있었는데 전계이용률이 0.5 이상인 준평등전계로 가정한다면 각 기체 절연매질의 진공도에 따른 절연파괴 시 기준전계값은 다음의 Table 3과 같이 계산된다.