2.1 고체의 절연파괴특성

일반적으로 기체절연체보다 고체절연체의 관통 절연파괴특성이 높은 것으로 알려져 있는데 이는 고체절연체 내의 입자 밀도가 기체절연체보다 높으므로 외부에서 가해지는 전기장 에너지에 의해 전자가 이동되는 속도 (drift velocity)가 느려서 절연파괴가 발생하기 위해서는 더 높은 에너지를 인가해 주어야 하기 때문이다^[4]. 그러나 의료용 초전도 입자가속기와 같은 기기를 구성하기 위해서는 일반적으로 기체절연체 또는 고체절연체 한 가지만을 사용하여 시스템을 구성하기보다는 기체절연체와 고체절연체를 함께 사용하는 복합절연시스템을 사용하게 된다. 이때 고체 절연파괴특성의 경우에는 전자가 고체절연체의 내부를 관통하는 관통 절연파괴보다 표면을 따라 전자가 이동하여 발생하는 연면 절연파괴에 필요한 전기장 에너지가 적으므로 낮은 전압에서 절연파괴가 쉽게 발생할 수 있다. 본 논문에서는 진공도 변화에 따른 고체절연체의 연면 절연파괴특성에 관한 연구를 수행하였다.

외부에서 전기장이 인가되면, 기체 중 고체절연체의 표면에는 전하가 축적되는데 충분히 높은 전기장이 인가된다면 표면전하의 이동과 충돌이 활발하게 되어 절연파괴현상이 발생하게 된다^[5]. 특히 고체절연체의 표면에 불규칙한 형상이나 불순물이 존재하는 경우에는 전기장이 국부적으로 증가할 수 있으며 이와 같은 불규칙한 형상이나 불순물로 인하여 부분방전이 발생할 수 있다. 부분방전이 지속적으로 발생한다면 고체절연체의 표면이 손상되어 결국에는 절연파괴로 이어질 수 있다. 마지막으로 고체절연체에 전기장을 인가할 때 고체절연체의 표면에는 미세한 전류가 흐르게 되고 그로 인하여 열이 발생하게 되는데 고체절연체의 전기적 저항은 온도가 높아질수록 낮아진다. 따라서 외부 전기장의 인가에 따른 발열로 인하여 고체절연체 표면의 전기적 저항이 낮아져서 결국에는 절연파괴현상으로 발전할 수 있게 된다^[6].

2.2 고진공에서의 연면 절연파괴특성

앞서 설명한 바와 같이 대기압 조건에서는 고체절연체의 관통 절연파괴전압에 비하여 연면 절연파괴전압이 낮다. 그러나 고진공 조건에서는 고체절연체의 표면에 존재하는 표면전하의 양이 대기압에 비하여 현저하게 적으므로 연면 절연파괴전압 특성이 높아지게 된다^[7]. 또한 고체절연체의 표면에서 발생하는 열전달의 양이 대기압에 비하여 고진공 조건에서 적으므로 고체절연체에서의 누설전류에 따른 온도상승과 전기저항의 감소가 적어진다. 따라서 고진공 상태에서는 대기압 조건에 비하여 고체절연체의 연면 절연파괴전압이 증가할 것이다.

3.1 연면 절연파괴실험 시스템 구성

본 연구에서는 고체절연체의 진공도에 따른 연면 절연파괴특성을 확인하기 위하여 일반적으로 자주 사용되는 고체절연체인 MC Nylon과 GFRP, 그리고 Bakelite에 대한 실험을 수행하였다. Fig. 1에는 연면 절연파괴실험을 위한 구 대 구 전극시스템의 개념도를 나타내었다.

Fig. 2에는 3가지 고체절연체를 이용하여 각 샘플의 연면 절연파괴실험을 진행한 전극시스템과 샘플의 사진을 나타내었다. Table 1에는 각 전극과 샘플 등의 사양을 나타내었다. Table 1에 나타낸 바와 같이 구 대 구 전극시스템에 사용된 구 전극의 재질은 스테인레스 스틸을 사용하였으며, 상부 전극에서부터 하부 전극까지의 연면거리를 40mm로 형성하였다. 실험에 사용된 고체절연물 샘플은 모서리 당 10회씩만 반복실험하여 사용하였고, 그로 인해 연면 방전으로부터 샘플에 미치는 영향을 고려하여 실험하였다. 연면 절연파괴실험을 진행하기 위한 시스템의 진공도는 7.5×10-5Torr로 설정하였으며, 시스템의 진공도를 형성하기 위하여 600l/min 용량의 로터리 펌프와 PFEIFFER사에서 제작한 255l/s 용량의 모델명 HiPace 300 터보 펌프를 사용하였다. 또한 진공도 측정을 위하여 사용한 진공센서는 Thyracont사에서 제작한 모델명 VSM77DL 센서로 최대 5×10-9Torr까지 측정할 수 있다.

Fig. 1. Schematic drawing of creepage discharge using a sphere-to-sphere electrode system

Fig. 2. Sphere-to-sphere electrode system with three different solid insulators

3.2 고체절연체의 조도

고체절연체의 조도 (surface roughness, 粗度)는 물질 표면의 불규칙성과 거칠기를 나타내는 지표로써 표면 마감공정과 소재의 특성 및 구조 등에 따라 결정되며 고진공 조건에서의 고체절연체의 연면 절연파괴 특성을 결정하는 중요한 인자이다. 조도의 지표로 사용되는 산술평균 거칠기 Ra는 표면의 높낮이 차이를 평균하여 나타낸 값으로써 거칠기 곡선을 함수 f(x)로 표현하였을 때 아래 식(1)과 같이 표현할 수 있다.

L은 측정하고자 하는 기준길이를 나타내며 Ra의 단위는 μm를 사용한다. 즉, Ra값이 작을수록 표면이 매끄러워서 조도는 낮으며 Ra값이 클수록 표면이 거칠어서 조도는 높다고 할 수 있다.

본 연구에 사용된 고체절연체인 MC Nylon과 GFRP, 그리고 Bakelite의 표면 조도를 측정하기 위하여 DSF-K800 표면 프로파일러를 사용하였다. 또한 고체절연체의 조도 변화에 따른 연면 절연파괴특성 분석을 위하여 150번 사포를 이용하여 수직, 수평방향으로 각 20회씩 고체절연체의 표면을 연삭하였다. Fig. 4와 5 그리고 6에는 사포를 이용한 각 고체절연체의 연삭 전후 Ra를 측정한 결과를 나타내었다. Table 2에는 표면 프로파일러를 이용하여 측정한 연삭 전후 고체절연체의 Ra값을 나타내었다.

Fig. 3. Surface profile measurement system

Fig. 4. Comparison of Ra degradation of MC Nylon before and after sandpaper grinding

Fig. 5. Comparison of Ra degradation of GFRP before and after sandpaper grinding

Fig. 6. Comparison of Ra degradation of Bakelite before and after sandpaper grinding

Fig. 4, 5, 6과 Table 2에 나타낸 바와 같이 연삭 전 고체절연체의 Ra는 모두 0.33μm 이하로 낮지만 연삭 후에는 MC Nylon의 Ra가 5.13μm로 값의 변화가 가장 크다는 것을 알 수 있다.

3.3 연면 절연파괴실험

고진공 조건에서 세 가지 종류의 고체절연체에 대한 Ra 변화에 따른 연면 절연파괴특성을 확인하기 위해서 Fig. 7과 같이 회로를 구성하였다. 구 대 구 전극시스템 사이에 이소프로필 알코올로 표면을 세척한 고체절연체를 위치시킨 후 전극 사이의 연면거리를 40mm로 설정하고 로터리 펌프를 이용하여 실험용 챔버 내의 진공도를 1×10-2Torr 범위까지 조성하였다. 이후 터보 펌프를 이용하여 실험용 챔버의 진공도를 7.5×10-5Torr까지 조성하였으며, AC 전원공급기를 사용하여 1kV/s의 속도로 60Hz의 전압을 서서히 상승시키면서 연면 절연파괴가 발생하는 전압의 크기를 측정하였다. 각 조건별 연면 절연파괴실험은 10회씩 반복하였으며, 와이불 분포 상에서 63.2%의 확률에 해당하는 전압의 크기를 절연파괴전압의 크기로 설정하였다^[8].

Fig. 7. Schematic view of creepage discharge experiment

4.1 진공도에 따른 연면 절연파괴특성

조도에 따른 고체절연체의 연면 절연파괴특성을 확인하기 전에 진공도에 따른 고체절연체의 연면 절연파괴특성 변화를 확인하기 위하여 MC Nylon의 연면 절연파괴전압의 크기를 측정하였다. 실험 챔버의 진공도는 대기압인 800Torr부터 150Torr, 0.6Torr, 1×10-2Torr, 5×10-3Torr, 2×10-3Torr, 그리고 7.5×10-5Torr까지의 범위로 설정하였으며 진공도에 따른 연면 절연파괴전압의 크기를 Fig. 8에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 대기압인 800Torr 조건에서의 연면 절연파괴전압은 약 24kV이지만 150Torr부터 5×10-3Torr 사이의 중진공 영역에서는 연면 절연파괴전압이 2kV까지 약 92% 감소된다는 것을 알 수 있었다. 또한 2×10-3Torr에서는 27kV로 대기압 조건보다 높은 연면 절연파괴전압을 나타내었으며 7.5×10-5Torr 이하의 고진공 조건에서는 28kV까지 상승하는 것을 알 수 있었다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 진공도에 따라서 대기압과 고진공 영역에서는 절연파괴전압이 상승하지만 중진공 영역에서는 절연파괴전압이 저하되는 V자 모양의 Paschen 곡선의 모습을 나타낸다는 사실을 확인하였다^[9].

Fig. 8. Creepage discharge voltage of MC Nylon according to vacuum degree

2장에서 설명한 바와 같이 중진공 영역에서는 고체절연체의 표면에 분포하는 전하량이 줄어들어서 외부에서 인가되는 전기장의 세기가 증가하면 그에 따른 전하의 이동속도가 증가하여 결과적으로 전기장의 세기가 크지 않더라도 전하의 운동에너지가 증가하므로 연면 절연파괴전압의 크기가 감소하는 것으로 판단된다. 또한 고진공 영역에서는 고체절연체의 표면에 존재하는 불순물이나 전하의 양이 거의 존재하지 않으므로 외부에서 인가되는 전기장의 세기가 증가하여도 충돌 등으로 인하여 증가되는 전하의 양이 급격하게 증가하는 전자사태가 발생하기 어렵다. 따라서 고진공 영역에서 절연파괴가 발생하기 위해서는 외부에서 인가하는 전기장의 세기를 더 높여주어야 하므로 연면 절연파괴전압의 크기가 다시 증가하는 것으로 분석할 수 있다.

이를 통해 MC Nylon의 표면을 따라 절연파괴가 진전되는 연면 절연파괴전압이 진공도에 따른 Paschen 곡선의 형상과 같이 변화한다는 사실을 확인할 수 있다.

4.2 고체절연체에 따른 연면 절연파괴특성

고진공 조건에서는 연면 절연파괴전압이 상승한다는 사실을 알 수 있었으므로 3가지 종류의 고체절연체에 대한 연면 절연파괴특성을 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 전극시스템을 구성하여 실험을 진행하였다. 또한 각 고체절연체의 조도 변화에 따른 연면 절연파괴특성을 확인하기 위하여 각각의 고체절연체의 표면을 150번 사포로 연삭하여 Table 2에 나타낸 바와 같이 조도를 높여주었다. Fig. 9에는 고진공 조건에서 3가지 고체절연체의 조도에 따른 연면 절연파괴전압의 특성 변화를 나타내었다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 고진공 상태에서 고체절연체의 표면을 사포로 연삭했을 때 MC Nylon은 약 7.5%, GFRP는 약 0.1%, 그리고 Bakelite는 약 0.33%의 연면 절연파괴전압이 감소하였다. 고진공 조건에서 고체절연체의 연면 절연파괴전압의 특성 변화는 주로 연삭으로 인한 조도 변화에 따른 것으로 판단된다.

Fig. 9. Degradation of creepage discharge voltage according to grinding in high vacuum condition

Fig. 10. Creepage discharge of solid insulator according to grinding

Fig. 10은 조도의 형성 전과 후의 메커니즘 변화를 표현하였으며, 고전압을 인가한 구 전극 (High Voltage)과 접지 (Ground)를 연결한 두 개의 구 전극 사이에 고체절연물을 나타내었다. 고진공 조건에서는 고체절연체의 표면에 잔류하는 전하가 거의 존재하지 않으므로 중진공 조건에 비하여 상대적으로 연면 절연파괴전압이 상승하지만, 연삭으로 인하여 고체절연체의 표면 조도가 상승함에 따라 표면에 잔류하는 전하의 양이 증가하여 연면 절연파괴전압이 다시 감소하는 것으로 추측된다^[10]. 다만 MC Nylon은 연삭으로 인한 조도의 변화가 크므로 연면 절연파괴전압의 변화도 크게 나타났지만 GFRP와 Bakelite는 연삭으로 인한 조도의 변화가 크지 않으므로 연면 절연파괴전압의 변화도 크지 않은 것으로 판단된다.

이와 같은 고체절연체의 조도 변화에 따른 외부 전기장에 대한 표면전하량의 충돌 전리작용 메커니즘의 도식도를 Fig. 10과 같이 나타내었다. 연삭 전 GFRP와 Bakelite의 표면 조도는 0.33μm과 0.24μm로 유사하지만 연면 절연파괴전압의 크기가 상이한 것은 물질별 내부에 존재하는 기공 (porosity)의 차이로 인한 것으로 판단된다. 즉, Bakelite는 GFRP에 비하여 연삭 전 표면에 존재하는 기공이 많으므로 사포를 이용한 연삭 과정에서 발생하는 기공의 변화가 크게 변화하지 않아 연삭에 따른 연면 절연파괴전압 차이가 크지 않다고 할 수 있다^[11].