2.4.1 환경온도 변화에 따른 인버터서지 절연파괴 수명

PAI (Polyamideimide) 코일의 에나멜 절연층 두께가 30~50μm이고, 각형 구리코일의 두께와 폭은 각각 0.77~0.83mm 그리고 1.17~1.23mm을 Sam Dong Co.Ltd에서 제조하였다.

본 연구에 사용된 인버터서지용 코일의 첫 번째 층은 고유연성 PAI 원형 바니시로 코팅하였고, 두 번째 층의 바니시는 코로나 방지용으로서 NS 충진함량 15wt%를 완전 분산시킨 바니시로 코팅하여 513K의 경화조건으로 새로운 코일을 개발하였다. 열화 스트레스의 실험조건 및 샘플 개수, 표 2에서 나타내었다.

실험은 그림. 2(a)의 전극으로 측정하였고, 인가된 전압파형은 그림 3에서 나타내었다. 즉, IS 13778(part 5): 2012, IEC 60851-5: 2008 코일의 절연수명 평가를 위한 시편과 실린더형 배열전극으로, 측정시 감기어진 실린더형 전극에 밀착하여 접촉된 상태의 샘플에 인버터 서지 전원이 인가되어졌다. 감기어진 코일의 실린더형 전극의 지름이 5mmφ 로서(가변이 가능함), 2회 감기어진 상태로 한쪽 단자의 코일 끝부분 절연 층을 제거하였고, 그 단자는 (+) 전원부에 연결되었다 그리고 다른 한쪽 단자는 380g의 하중을 갖는 추를 매달아 지지 하도록 하였다^[14].

그림. 2(b)에서 나타낸 인버터서지의 파형 발생장치 Model: APCP-12kV-100, Sky Innotek Co. Ltd. 로부터 1.5kV/20kHz의 고전압 펄스파형을 발생시켜, 코일 샘플에 인가되어졌다. 일정한 온도를 유지할 수 있는 항온조 내에서 실험이 실시되었고, 코일의 절연수명이 끝날 때까지 모든 조건을 일정하게 유지하면서 실험을 수행하였다.

3.1.1 인버터서지-환경온도 변화에 따른 유/무기 하이브리드 코일의 절연파괴수명

그림. 4~그림. 9, 표 4~표 9까지는 4종류 코일 즉, number_1, 2, 3, 4과 측정 환경온도 30～200℃에서 인버터 서지 1.5kV/20kHz를 인가한 조건에서 절연파괴 수명을 측정한 결과를 와이블 플롯으로 나타내었다. 와이블 플롯의 경우 3가지 파라미터(형상파라미터, 스케일파라미터, B10수명)를 추출하였다.

와이블 플롯의 형상파라미터는 측정값의 결과에 대한 기울기를 의미하는 것으로, 기울기가 크면 결과 값의 신뢰도가 높은 결과가 집중된 경우를 의미하고, 기울기가 낮으면 결과 값의 분포가 넓게 분포된 경우로 신뢰도가 낮은 경우이다. 그리고 스케일파라미터는 63.2% 교점의 결과 값으로 누적확률분포를 의미한 것이다. 또한 B10수명의 파라미터는 누적확률분포의 최하위 10% 지점의 교점 값을 의미한 것으로, 이는 형상파라미터와 B10의 결과와는 밀접한 관계로, 기울기가 낮으면 B10수명은 더욱더 낮은 결과를, 반대로 기울기 높으면 B10수명의 결과는 높은 결과를 나타내게 된다. 이는 절연물의 경우 약점파괴로 이행하기 때문에 대부분 절연성능이 좋다고 하지만 결정적인 결함에 의하여 절연파괴 되는 것처럼 하위 10% 누적확률의 의미를 갖게 된 것이다.

그림. 4, 표 4에서는 상온상태에서의 절연파괴 수명을 나타낸 결과로서, PAI원형 코일의 경우 결과의 균질성인 형상파라미터는 상대적으로 높은 결과를 나타내었고, 원형(number_1)에 비하여 나노하이브리드코일(number_2~number_4)의 경우 23.23, 18.83, 25.6배의 긴 절연파괴수명을 나타내었다. number_2의 코일은 나노실리카 15wt%만 충진 분산된 바니시를 코팅한 코일이며, number_3의 코일은 나노실리카 15wt% 분산된 PAI에 Flexible glycols인 BPA gylcol를 포함한 바니시를 코팅한 코일이다. 그리고 number_4의 코일은 Flexible glycols인 BPA gylcol + PDMS gylcol 이 포함된 나노실리카 15wt% 충진 분산된 바니시를 다층 코팅한 코일의 샘플이다. 나노 하이브리드 코일의 경우 절연파괴 걸린 시간이 월등하게 긴 수명을 나타내었다. 이와 같은 원인은 나노하이브리드 절연박막의 절연의 저항성이 매우 높은 결과를 나타낸 것이다.

그림. 5, 표 5에서는 환경온도 70℃에서 인버터서지를 인가한 경우 절연파괴 걸리는 수명을 나타낸 것이다. 상온상태에 비하여 원형의 경우 형상파라미터가 낮은 기울기를 나타내었고, PAI원형코일의 경우 절연수명은 17.8% 감소하였고, number_2, 3, 4 코일의 경우 30℃에 비하여 51.65, 51.22, 66.6% 절연수명이 감소되었다.

그림. 6, 표 6에서는 환경온도 100℃에서 인버터서지를 인가한 경우 절연파괴 걸리는 수명을 나타낸 것이다.

30℃에 비하여 PAI원형의 경우, 26.03% 절연수명이 짧아졌다.

그리고 number_2, 3, 4의 경우도 77.50, 55.62, 78.87% 절연파괴 수명이 감소하였다.

그림. 7, 표 7에서는 환경온도 130℃에서 인버터서지를 인가한 경우 절연파괴 수명을 나타낸 것이다.

30℃에 비하여 PAI원형의 경우, 35.19% 절연수명이 짧아졌다. 그리고 number_2, 3, 4의 경우도 88.65, 74.08, 89.9% 절연파괴 수명이 감소하였다.

그림. 8, 표 8에서는 환경온도 150℃에서 인버터서지를 인가한 경우 절연파괴 수명을 나타낸 것이다.

30℃에 비하여 PAI원형의 경우, 43.47% 절연수명이 짧아졌다. 그리고 number_2, 3, 4의 경우도 90.43, 84.91, 92.97% 절연파괴 수명이 감소하였다.

그림. 9, 표 9에서는 환경온도 200℃에서 인버터서지를 인가한 경우 절연파괴 수명을 나타낸 것이다.

30℃에 비하여 PAI원형의 경우, 59.63% 절연수명이 짧아졌다. 그리고 number_2, 3, 4의 경우도 95.05, 90.51, 95.27% 절연파괴 수명이 감소하였다.

환경온도가 증가할수록 30~200℃, PAI원형 수지 코일의 경우 17.3, 26.03, 35.19, 43,47, 59.63% 절연파괴 수명의 감소를 나타내었다. number_2 코일의 경우 51.65, 77.50, 88.65, 90.43, 95.05% 절연수명의 감소를 나타내었고, number_3 코일의 경우, 51.22, 55.62, 74.08, 84.91, 90.51% 감소를 보이고 있다. 그리고 number_4의 경우 66.6, 78.87, 89.9, 92.97, 95.27% 절연파괴 수명이 감소되었다.

이처럼 원형 PAI에 비하여 나노바니시를 코팅한 코일의 경우 온도증가에 따라 절연파괴 수명의 감소율이 현격하게 큰 이유는 상온(30℃)에서 유연화제가 첨가되지 않은 유/무기하이브리드 코일의 경우 수지와 졸/겔법으로 나노실리카의 성장과 분산된 입자간 첫째 결합 층의 결합력이 크게 작용하게 된다. 그리고 두 번째 층이 느슨한 층으로 첫 번째 층보다 두터운 결합 층이 형성된다. 온도에 큰 영향을 갖지 못한 경우 주입된 전자의 이동을 나노입자들과 계면이 억제하는 효과를 가져오게 된다. 그런 이유로 인버터서지의 가혹한 조건하에서도 절연파괴 수명이 긴 이유로 사료된다.

그러나 환경온도 100℃를 넘어 130℃의 경우, 30℃에 비하여 PAI원형의 경우, 35.19% 절연수명이 짧아졌다. 그리고 number_2, 3, 4의 경우도 88.65, 74.08, 89.9% 절연파괴 수명이 감소하였다. 이와 같이 유연화제가 포함되지 않은 경우 유연화제가 첨가된 경우보다 더욱더 수명이 짧아졌다. 이와 같은 이유는 130℃ 넘어선 온도환경 하에서는, 유리전이온도를 넘어선 상태로 입자와 수지 사이 계면의 급격한 약화와 금속도체 부분과 나노하이브리드 절연 코팅면 사이에 극히 작은 결합이 발생되어 부분방전이 발생하게 된다. 이와같은 환경이 지속하게 될 때 빠른 시간 내에 절연의 파괴를 가져오게 될 것으로 사료되어, 절연 파괴수명이 짧게 되는 것이다.

이로서 그림. 4~그림. 9, 표 4~표 9 그리고 코일 종류 number_1~ number_4까지 4종류 코일에 대한 장시간 1.5kV/20kHz 인버터 서지환경에서 각형 나노하이브리드 절연코일의 온도스트레스 장기신뢰성 절연파괴 수명평가 결과를 요약하여 나타낸 것이다.

첫째, 유연화제 한 종류와 두 종류를 첨가한 경우 비교하여 볼 때, 오히려 한 종류가 첨가된 number_3 각형 절연코일이 온도스트레스 증가에 대하여 절연파괴 수명이 향상된 결과를 얻었다.

둘째, 유연화제가 미첨가된 경우(number_2 코일)가 유연화제가 첨가된 (number_2, number_3코일)에 비하여, 저온부에서 절연파괴 수명이 향상된 결과를 가져왔으며, 고온부에서는 감소된 결과를 얻게 되었다.

셋째, PAI 원형코일과 새로 개발된 유/무기하이브리드 나노콤포지트에 유연화제가 첨가된 경우 절연파괴수명평가 결과, number_3 코일의 100℃ 이후 절연수명이 유연화제가 첨가되지 않은 number_2에 비하여 높은 절연파괴 수명을 가져왔다. 또한 원형 PAI와 비교하여 볼 때, 유/무기 하이브리드 절연코팅된 코일은 나노입자의 충진에 열적내성을 갖고 절연내력의 큰 향상을 가져온 것이다. 이에 대한 검토는 다음과 같다.

나노실리카 입자들이 졸/겔 기법으로 PAI 수지에 균질하게 분산되었을 때, 이중층 모델로서 각각의 입자들이 그 주위 수지에 부착될 것이다. Tanaka^[25]등의 나노 계면 해석에 의하면, 나노 입자의 처음 층은 수 nm층으로 수지와 나노입자의 강한 결합이 이루어진다. 원인은 수소결합으로 인하여 대개 움직이지 못한다. 그때, 고분자 체인을 포함한 첨가된 유연화제 등과 결합된 2번째 층은 수십~백 nm로서 느슨한 결합 층이 이루어진다. 나노실리카 15wt% 충진된 경우 입자와 입자사이가 매우 조밀한 경우로 볼 수 있다. 졸/겔의 경우 극미량의 유기 솔벤트의 존재는 대전된 케리어로서 전송되어 느슨한 2번째 층으로 이동할 수가 있고, 수지와 입자사이 유전율의 차이로 인하여 계면에서 부분방전이 발생되어 결함이 시작되게 된다. 또한 입자의 분산시 미분산된 경우의 존재가 결함으로 존재할 수도 또한 있을 것이다. 결함이 존재하게 되면 유리전이온도가 감소되는 원인이 되고 입자와 수지사이 열적인 스트레스의 증가에 따라, 열적으로 여기된 케리어의 운동에 의하여 결함은 더욱더 약화되어 결국은 파괴에 이르게 된다.

그러나 나노입자의 균질분산과 유연화제 주입에 따른 계면강화로 주입된 전하의 이동을 억제시키며, 나노입자와 수지사이 상호결합력이 향상되어 온도스트레스 증가에도 불구하고 유연화제가 첨가되지 않은 코일 보다 고온에서 오히려 절연파괴 수명의 증가를 가져오는 것으로 사료된다.