박준영
(Junyoung Park)
1iD
신우철
(Woocheol Shin)
1iD
강형구
(Hyoungku Kang)
†iD
-
(Master course, Dept. of Electrical Eng., Korea National University of Transportation,
Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Creepage discharge, High vacuum, Insulation design, Surface roughness
1. 서 론
최근 과학 기술의 발전과 함께 고온 초전도체를 이용한 초전도 자석 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 초전도 자석은 임계 전류와 임계
자기장, 그리고 임계 온도 이하에서 전기 저항이 ‘0’이 되는 특성을 가진다. 이는 전류를 대량으로 흘려보냄에도 불구하고 저항에 의한 열발생이 적고,
높은 자기장을 생성할 수 있는 이점을 가지고 있다. 특히, 고온 초전도 자석은 암 치료용 입자가속기 개발에 중요한 역할을 할 수 있으며, 기존의 상전도
입자가속기에 비해 설비의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다[1]. 그러나 이러한 고온 초전도 자석 중에서 특히 새들 (Saddle) 형태의 자석은 그 복잡한 형상으로 인해 특별한 주의가 요구된다. 새들 자석은
말 안장 모양과 유사한 구조를 가지고 있으며, 이 구조는 입자 가속기에서 필요한 균일하고 정밀한 자기장을 생성하는데 매우 적합하다. 이러한 자기장은
입자의 정확한 가속과 경로 제어에 필수적이며, 특히 암 치료와 같은 응용 분야에서는 이러한 정밀한 제어가 중요하다. 그러나 새들 자석의 복잡한 형상으로
인해, 초전도 상태에서 운용될 때 전계가 국부적으로 집중될 수 있으며, 이는 절연 파괴의 위험을 증가시킬 수 있다[2]. 따라서 새들 형태의 고온 초전도 자석에 대한 깊은 이해를 바탕으로 한 절연설계가 필요하며, 이는 자석의 안정성과 신뢰성을 보장하는 데 중요한 요소가
된다. 특히 고온 초전도 자석이 주로 극저온 냉동기에 기반한 전도 냉각 방식을 적용하는 점을 고려할 때, 진공 조건에서의 연면방전 특성은 초전도 응용기기
개발의 중요한 측면이 된다.
본 연구에서는 암 치료용 입자가속기 개발을 위한 진공 조건에서 고온 초전도 자석의 보빈으로 사용될 수 있는 고체 절연물의 표면 조도가 연면방전 특성에
미치는 영향을 분석하였다[3]. 이를 위해 PEEK, MC Nylon, Teflon 및 GFRP 등 고체 절연물의 표면 조도를 다양하게 변화시켜 연면방전 특성을 비교 분석하였다[4, 5]. GFRP는 섬유 가닥이 특정 방향이 아닌 다양한 방향으로 배치되어있는 다방향성 GFRP를 사용하였다. 판상의 고체 절연물을 구 대 구 전극 사이에
위치시킨 후, AC 전압을 인가하여 연면방전 실험을 수행하였다. 특히, 고체 절연물의 표면 조도는 사포를 이용하여 조절하였으며, 이에 따른 연면방전
현상을 관찰하였다.
본 연구를 통해 도출한 실험 결과는 암 치료용 입자가속기뿐만 아니라 다양한 초전도 응용기기의 안정성과 신뢰도 향상을 위한 절연설계의 기초 자료로 활용될
수 있을 것이다. 본 연구는 초전도 자석용 고체 절연물의 표면 조도가 연면방전 특성에 미치는 영향에 초점을 맞추고 있으며, 이는 초전도 자석의 설계와
제조 과정에서 고려해야 할 중요한 요소이다.
2. 연면방전 실험 준비
2.1 고체 절연물
본 연구에서는 PEEK, MC Nylon, GFRP, 그리고 Teflon과 같은 네 가지 고체 절연물의 표면 조도에 따른 연면방전 특성을 파악하기
위해 진공 조건에서 AC 전압에 대한 연면방전 실험을 수행하였다. Stainless Steel 재질의 구 대 구 전극을 사용하였으며, 전극 사이에
네 가지 고체 절연물 샘플을 배치하였다. Fig. 1은 실험에 사용된 PEEK, MC Nylon, GFRP 및 Teflon 샘플을 나타낸다.
Fig. 2에는 연면방전 실험을 위한 구 대 구 전극 시스템의 개념도와 연면방전 경로를 나타내었다. 실험에 사용된 고체 절연물 샘플의 사양은 Table 1에, 세부 조건은 Table 2에 나타내었다. Table 1에 나타낸 바와 같이 구 전극의 재질은 Stainless Steel이며, 두 전극 사이의
Fig. 1. Solid insulating samples for creepage discharge experiments
Fig. 2. Schematic view of a sphere-to-sphere electrode system and creepage discharge
path
거리는 40mm로 설정하였다. 본 연구에서는 7.5×10-5 Torr의 고진공 환경을 조성하기 위해 Rotary 펌프와 Turbo 펌프를 연결하였다. 진공도는 Thyracont사의 VSM77DL 진공센서를
사용하여 측정하였다. 고진공 환경이 조성된 후, 100kV 정격의 60Hz 주파수를 가지는 AC power supply를 이용하여 1kV/s의 속도로
전압을 인가하며 연면방전이 발생하는 전압의 크기를 측정하였다. 연면방전 실험은 각 조건별로 5회씩 반복하였으며, 5회의 실험 결과를 통계 처리 프로그램인
Minitab을 활용하여 와이불 분포 해석을 수행하였다. 63.2% 확률에 해당하는 연면방전값의 크기를 계산하여 이를 각 조건별 연면방전값으로 선정하였으며,
이는 실험의 신뢰성을 뒷받침하는 중요한 지표로 사용되었다[6].
Table 1. Specifications of solid insulating materials
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PEEK
|
MC Nylon
|
GFRP
|
Teflon
|
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가로×세로×두께 [mm]
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80×80×10
|
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비유전율
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3.2∼3.5
|
4.5∼5.0
|
3.2∼3.6
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2.1
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Table 2. Specifications of experiments
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조건
|
값
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전극 재질
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Stainless Steel 304
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진공도 [Torr]
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800 (대기압),
7.5×10-5 (고진공 조건)
|
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구 전극 직경 [mm]
|
12.7
|
|
연면방전 거리 [mm]
|
40
|
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절연물 종류
|
PEEK, MC Nylon,
GFRP, Teflon
|
|
샌드페이퍼 [Grit]
|
#40, #1200, #2000
|
2.2 고체 절연물의 조도
본 연구에서는 고체 절연물의 표면 조도가 연면방전 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 표면을 사포로 연삭하였다. 사포를 사용한 연삭 과정은 고체 절연물
표면에 불균일한 형상의 미세한 틈을 생성하며, 이러한 틈 사이에 전하가 잔류할 수 있다. 고진공 환경에서 대부분의 입자는 제거되지만, 불균일한 표면
형상으로 인해 일부 전하가 잔류할 수 있다. 이러한 잔류전하는 진공 환경에서 표면 조도에 따라 연면방전 특성에 영향을 미칠 수 있다.
본 연구에서는 #40, #1200, #2000 사포를 사용하여 PEEK, MC Nylon, GFRP, Teflon 등의 4가지 고체 절연물을 수평
및 수직 방향으로 각각 20회씩 손으로 연삭하였다. 연삭 과정에서 발생할 수 있는 불순물을 제거하기 위해 이소프로필 알코올을 사용하였다. 연삭 전과
후의 고체 절연물 표면 조도를 비교 분석하기 위해 3D optical profilometer를 사용하였으며, 그 결과는 Table 3에 나타냈다.
고체 절연물의 표면 조도 측정은 μm 단위로 이루어졌으며, 측정 방식으로는 산술 평균 거칠기 (Ra)를 적용하였다. 산술 평균 거칠기는 거칠기 곡선을
함수의 형태로 나타낼 때, 기준길이 L에 대한 평균선 방향을 x축으로, 세로 방향을 y축으로 설정하여 계산된다[7]. 여기에서 L은 기준길이에 대한 경로를 나타내며, 이 방법에 따른 측정식은 다음의 (1)과 같다.
식 (1)에서 Ra는 거칠기 곡선의 평균선으로부터의 절대적인 편차를 평균한 값이다. Ra값이 작을수록 표면은 매끄럽고 조도가 낮으며, 반대로 Ra값이 클 경우
표면이 거칠고 조도가 높다고 표현할 수 있다.
Table 3. Measurement results of surface roughness
|
|
PEEK-1
(대기압)
|
PEEK-2
(고진공)
|
MC Nylon
|
GFRP
|
Teflon
|
|
Normal [μm]
|
4.30
|
4.30
|
2.89
|
0.56
|
4.90
|
|
#2000 [μm]
|
1.71
|
2.89
|
1.67
|
0.39
|
2.79
|
|
#1200 [μm]
|
3.10
|
0.75
|
0.72
|
0.35
|
3.79
|
|
#40 [μm]
|
12.77
|
5.60
|
11.96
|
4.66
|
18.0
|
3. 실험 결과
3.1 진공에 따른 연면방전 특성
본 연구에서는 대기압과 고진공 조건에서 고체 절연물의 표면 조도에 따른 연면방전 특성을 비교하기 위한 실험을 수행하였다. Fig. 3에 설명된 바와 같이, 진공도에 따른 연면방전 특성 실험을 위해 고진공 환경에서 널리 사용되는 PEEK를 선택하였다. 대기압 조건 (800 Torr)과
고진공 조건 (7.5×10-5 Torr)에서 각각의 PEEK 샘플로 연면방전 실험을 수행하였으며, 실험 결과는 Fig. 4와 Fig. 5에 정리하였다. 표면 가공을 하지 않은 PEEK의 표면 조도는 약 4.3μm로 측정되었다. #1200과 #2000 사포로 연삭 시, 가공되지 않은
PEEK에 비해 표면 조도가 감소하는 것을 확인하였다. 반면, #40 사포로 연삭 시 표면 조도는 증가하였다. 실험 결과, 고진공 환경에서의 연면방전값이
대기압 환경에서의 값보다 높게 나타났다. 더욱이, PEEK의 표면 조도가 증가함에 따라 연면방전값이 감소하는 경향을 대기압 및 고진공 환경에서 모두
확인할 수 있었다. 모든 연면방전값은 ‘2.1 고체절연물’ 문단에서 서술한 와이불 분포를 통해 도출하였다. #40 사포로 연삭한 경우에는 대기압 환경에서
연면방전 전압은 연삭하지 않은 상태에 비해 약 4.5% 감소하였고, 고진공 환경에서는 약 9.8% 감소하였다. 연삭 과정으로 인해 고체 절연물 표면의
불균일한 구조가 매끄럽게 평활화되어 전계 집중도가 낮아지며, 이에 따라 진공 조건에서 표면에 잔류하는 전하의 양이 상대적으로 줄어들어, 결과적으로
연면방전값이 상승하게 된다. Fig. 6에는 연삭 전과 후 PEEK 표면의 3D 형상 변화를 비교하여 나타내었다.
Fig. 7은 대기압, 고진공 조건에서 PEEK의 표면 조도에 따른 연면방전 전압을 나타내었다. 표면 조도의 변화량 대비 연면방전 전압의 변화량은 고진공 조건에서
상대적으로 더 큰 것으로 확인하였다. 이는 고진공 조건으로 인해 수분, 공기 입자가 절연체 표면에 끼치는 영향력이 감소하고, 표면 조도의 변화에 따른
잔류전하의 영향력이 증가하는 것으로 판단된다. 반대로 대기압 조건은 표면상의 오염물, 수분과 같이 연면방전에 영향을 끼치는 인자들로 인해 잔류전하의
영향력이 감소하여 연면방전 전압의 변화량이 줄어드는 것으로 판단된다.
Fig. 3. Schematic diagram of creepage discharge experiment
Fig. 4. Creepage discharge voltage according to surface roughness at atmospheric pressure
Fig. 5. Creepage discharge voltage according to surface roughness at high vacuum condition
Fig. 6. 3D shape comparison: Before and after grinding
Fig. 7. Creepage discharge voltage according to surface roughness by pressure condition
3.2 고체 절연물에 따른 연면방전 특성
앞선 실험에서는 대기압과 고진공 환경에서 PEEK의 표면 조도가 연면방전 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이와 같은 연구를 확장하여, 초전도 응용
기기용 절연체로 널리 사용되는 MC Nylon과 GFRP, 그리고 Teflon에 대해서도 고진공 조건에서의 실험을 수행하였다. 이 실험의 결과는 Fig. 8∼10에서 나타내었다. 실험 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 고진공 조건에서 PEEK를 포함한 모든 고체 절연물에서 표면 조도에 반비례하여 연면방전
전압값이 변화하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과는 고진공 조건에서 고체 절연물의 표면 조도가 연면방전에 중요한 영향을 미친다는 것을 의미한다. 고진공
환경에서는 공간에 존재하는 입자 수가 적어 충돌로 인해 발생하는 전리 전자가 감소한다[8]. 따라서, 표면 조도가 낮은 경우에는 상대적으로 잔류전하가 적으므로 연면방전값이 증가하게 된다. 반면, 표면 조도가 높은 경우에는 고체 절연물의
불균일한 표면 구조가 상대적으로 많은 전하를 잔류시키게 되며, 이러한 잔류전하는 고전압이 인가될 때 전계에 의해 가속되어 서로 충돌하게 되고, 이로
인한 전리 현상이 연면방전 전압의 감소를 유발하게 된다[9].
Fig. 11은 표면 조도에 따른 연면방전 전압을 절연체별로 직선 추세선으로 나타내었다. 각 절연체의 표면 조도 변화 대비 연면방전 전압의 변화량은 PEEK,
GFRP, Teflon, MC Nylon 순서로 변화량이 큰 것을 추세선의 기울기를 통해 확인하였다. 표면 조도가 고체 절연물에 끼치는 영향력의 크기는
각기 장단점을 가진다. 표면 조도가 고체 절연물에 끼치는 영향력이 클수록 연삭에 의한 절연 내력 향상 측면에서는 유리하나, 고체 절연물의 표면에 균열,
상처가 발생할 경우, 절연 내력이 급격히 하락할 가능성이 존재한다. 반대로 표면
Fig. 8. Creepage discharge voltage according to surface roughness (MC Nylon)
Fig. 9. Creepage discharge voltage according to surface roughness (GFRP)
Fig. 10. Creepage discharge voltage according to surface roughness (Teflon)
Fig. 11. Creepage discharge voltage according to surface roughness (All)
조도가 고체 절연물에 끼치는 영향력이 작을수록 표면 연삭에 의한 절연 내력 개선 측면에서는 효과가 미미하나, 균열, 상처 등으로 인한 절연 내력의
하락폭 역시 미미할 것으로 예상된다.
본 실험을 통해, 고진공 환경에서 표면 조도가 연면방전에 끼치는 영향력을 절연체별로 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 고진공 환경에서의 초전도 응용
기기의 전기적 안정성과 신뢰성을 높이는 설계에 중요한 정보를 제공한다.
4. 결 론
본 연구에서는 고진공 조건에서 운용되는 초전도 자석의 절연설계를 위해 고체 절연물의 표면 조도가 연면방전 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험을
통해 PEEK 재질 고체 절연물의 표면 조도가 대기압 및 고진공 환경에서 연면방전 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 PEEK 외에도 MC Nylon,
GFRP, 그리고 Teflon과 같은 초전도 응용 기기용 절연체들을 포함하여, 고진공 조건에서 이들의 표면 조도에 따른 연면방전 특성을 확인하였다.
실험 결과에 따르면, 고진공 환경에서 고체 절연물의 연면방전 특성은 표면 조도의 변화에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 표면 조도가 증가함에
따라 연면방전값이 감소하는 경향을 보였으며, 반대로 표면 조도가 감소할수록 연면방전값은 상승하였다. 이러한 경향은 고체 절연물의 표면에 잔류하는 전하의
양과 관련이 있는 것으로 해석된다. 따라서, 고진공 환경에서 초전도 자석의 전기적 안정성을 향상시키기 위해서는 고체 절연물의 표면 조도를 조절하여
잔류전하를 최소화함으로써, 전리 현상과 절연파괴를 방지하는 절연설계가 중요하다.
본 연구 결과는 초전도 응용 기기뿐만 아니라, 고진공 환경에서 운용되는 다양한 응용 기기의 절연 설계에 있어, 전기적 안정성과 신뢰성 향상에 기여할
것으로 기대된다.
Acknowledgement
이 논문은 2023년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과임. (2021RIS-001(1345370811))
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Biography
He received bachelor’s degree in electrical engineering from Korea National University
of transportation in 2023. He is currently a master’s course in Dept. of electrical
engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are
high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.
He received bachelor’s degree in electrical engineering from Korea National University
of transportation in 2022. He is currently a master’s course in Dept. of electrical
engineering, Korea National University of Transportation. His research interests are
high voltage engineering, power asset management, and applied superconductivity.
He received doctor’s degree in electrical engineering from Yonsei University in
2005. He is currently a professor in Dept. of electrical engineering, Korea National
University of Transportation. His research interests are high voltage engineering,
power asset management, and applied superconductivity.