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  1. (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kiee University, Korea)



Inverter surge, Insulation breakdown life, Temperature stress, Nano hybrid rectangular coils, Flexible agent

1. 서론

PAI (Polyamideimide)코일 전선들은 열적 그리고 전기적 절연특성이 양호하다. 폴리아미드 필름은 열적저항, 기계적강도, 화학적 저항성 그리고 절연파괴강도가 높은 절연성을 갖는 일종의 고분자이다. 그러므로, 폴리이미드 절연 코팅된 코일이 가혹한 환경조건하에서 사용되어지고 있다[1].

폴리이미드는 켑슐화된 변압기 고전압용 코일과 인버터되먹임 모터코일 등에 전원을 바꾸기 위해 사용되어진다. 그런 전기장치에서, 절연권선은 높은 온도 그리고 다양한 전력주파수 그리고 일시적 전압파형에 노출되어져 있다.

최근에는 인버터 전원장치로서 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 고속 스위칭이 가능한 소자가 개발되었다. 이러한 장치가 도입됨에 따라 이러한 장치로 인해 발생하는 높은 서지 전압 때문에 제품 수명이 비교적 초기 단계에 고장이 증가한다고 보고되었다. 인버터 서지로 인한 절연 파괴의 메커니즘에서 부분 방전의 핵심 요소로 보고되었다[2,3].

최근, 여러 연구자들이 고분자 메트릭스 상에서 나노 크기의 필러들의 응용에 관심을 가져왔다[4,5]. 이유는 고분자 나노콤포지트들은 나노가 들어가지 않은 원형수지보다 더욱더 향상된 절연특성을 가지고 있기 때문이다. 그것은 역시 나노필러가 고분자의 전기적 그리고 기계적 특성 향상을 시킨다고 알려져 왔다[6-8].

또한 여러 연구자들은 인버터 공급 모터의 신뢰성 향상에 크게 기여한 독특한 유기/무기 나노 복합 재료 기술을 개발하였고, 전형적인 인버터 서지 전압 부근의 전압에서 유/무기하이브리드 전선의 전기적 수명과 기계적인 유연성을 갖는 코일을 개발하였다[9]. 환경적인 문제는 국제적, 국가적 그리고 지역적으로 에너지 효율 문제가 중요하게 대두되어 관심을 끌고 있다. 자동차 산업분야에서, 현재와 같이 많은 자동차의 증가는 오늘날 자동차산업에서 요구된 고효율을 전달하기 위해, 인버터를 이용하여 적절한 속도를 구동해야한다. 인버터전원은 IGBTs를 갖는 PWM (Pulse Width Modulation : 펄스폭 변조)기술로 공급하는 것이 고속스위치 장치로서 이용되고 있다. 그리고 그것은 모터제어성능을 향상시키고 그리고 스위칭 손실을 줄여준다[10].

외형적으로 코일과 코일사이 갭, 도체와 절연층 사이에 지속적으로 고전압이 펄스적 스트레스 인가는 고분자 필름 절연층을 침식시키어 결국 절연파괴를 가져오게 한다. 따라서, 코일과 코일사이 충분한 절연거리 및 연면거리를 제공하지 못하면, 이런 코일들이 전압에 노출되어 코로나 방전 및 부분방전에 의해 절연층의 열화가 가속될 수 있다. 그런 이유로 이런 환경에서 사용되는 코일은 인버터서지에대한 우수한 내성이 요구되고 또한 사용되는 코일이 온도에 노출되어 평상 운전시 50~80℃에 이르는 열악한 상황에서 운전하기 때문에 온도스트레스와 함께 인버터서지에 견디는 새로운 코일의 개발이 시급한 것이다.

이런 이유로, 본 연구에서는 각형 코일을 연구하는 목적은 전기자동차의 인버터서지를 예방하고 신뢰성 및 장수명을 갖는 전기기기에 이용하기 위하여 나노하이브리드 코일을 개발하였고 또한 고압전동기에 사용하기 위하여 개발하였다. 이와같은 코일을 사용하는데 코일의 유연성을 높이기 위하여 유연화제를 한 종류, 두 종류를 첨가한 코일과 유연화제를 첨가하지 않은 각형코일의 전기적 절연파괴 수명특성을 연구하였다.

2. Experiment

2.1 재료

Polyamideimide(PAI)수지는 MDI (methylene diphenyl diisocyanate)와 TMA로부터 NMP에 용해된 상태에서 축합반응을 통해서 80-120℃에서 합성되었으며, 중합반응이 일어나는 동안의 점도변화를 실시간으로 측정(그림. 1)하여 점도제어를 통해 분자량조절을 하였다. 이와 같은 PAI는 우수한 절연성, 기계적 강도, 내열성 등을 가지고 있지만 열전도성과 방전내구성 등의 물성보완이 필요하여 나노급의 실리카 졸을 용해/분산시킨 하이브리드 절연바니쉬 소재를 제조하였다. 그러나 이와 같은 실리카의 첨가는 절연피막의 유연성 및 구리표면과의 밀착력 저하시키게 되어 PAI의 화학적 구조 변성화가 요구되었다.

그림. 1. Nano Silica Vanish 제조 및 코일 제작

Fig. 1. Nano Silica Vanish manufacture and coil production

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig1.png

본 연구에서는 PAI수지의 유연성과 접착력 향상을 위해 4,4-MDI와 TMA 이외에 글리콜을 사용하여 유연한 우레탄구조를 도입하여 변성 PAI를 합성하였으며 변성된 PAI의 분자구조들은 다음과 같다. PAI 고분자에 도입한 글리콜들은 표면장력, 유연성, 절연성 등을 고려하여 실리콘글리콜(1000g/㏖)과 BPA글리콜(660g/㏖)을 사용하였다.

2.2 나노바니시 제조

Tetraethyl orthosilicate (TEOS, Sigma-Aldrich chemical company) 40g을 에탄올 220ml에 넣고 교반하면서 녹인 후 증류수 20 ml와 25% 순도의 암모니아수 4 ml를 혼합한 용액을 교반하면서 투입하여 혼합한다. 그리고 반응기 온도를 50℃로 유지한 후 교반하면서 15시간 동안 반응시킨다. 반응 완료 후 냉각시킨 후 질산 2ml를 투입하여서 생성된 나노 실리카를 침강시킨 후 원심분리 공정을 사용하여 나노 실리카를 분리한다. 그리고 에탄올 세척 및 원심분리 공정을 통해서 미반응 TEOS 및 유기물 불순물을 제거한다. 세척된 나노 실리카는 50℃ 진공 오븐에서 24시간 건조한 후 데시케이터에 보관하여 사용한다.

나노 실리카의 표면을 친유성으로 개질하기 위하여 건조된 나노 실리카 20g을 에탄올 100ml와 증류수 30ml 혼합액에 분산시킨 후 질산 0.35ml를 투입한다. 그리고 p-aminophenyl trimethoxysilane (APhTMS, Gelest Inc.) 2g을 투입하고 50℃로 유지한 후 교반하면서 10시간 동안 반응시킨다. 생성된 나노 실리카를 원심분리 공정을 사용하여 분리한 후 에탄올 세척 및 원심분리 공정을 2회 실시한다. 세척된 표면처리 나노 실리카는 50℃ 진공 오븐에서 24시간 건조한 후 데시케이터에 보관하여 사용한다.

Polyamideimide (PAI)/나노 실리카 (15 wt%) 바니시를 제조하기 위해서 15wt%의 PAI가 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용매 중에 용해된 PAI 용액 (CTI Co.) 100 g 중에 표면처리 나노 실리카 4.5g을 분산시켜서 제조하였다. 제조된 바니시를 사용하여 ㈜삼동에서 구리 와이어에 코팅하여 코일을 제조하였다.

2.3 Sample Preparation

본 연구에서 개발된 4종류 코일의 즉, Number_1는 PAI 원형 수지로 코팅한 코일, Number_2는 TMA 1M/MDI 1M(4,4-MDI)처리된 경우이며, Flexible Glycol이 포함되지 않았으며, 나노실리카 15wt%만 충진 분산된 코일이다. 여기서 처리된 MDI의 약칭은 메틸렌 디 페닐 디 이소시아네이트, 방향족 디 이소시아네이트 (Methylene diphenyl diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate) 이다. 고리 주위의 이소시아네이트 기의 위치에 따라 다양한 이성질체가 있다. 즉, 4,4'-MDI는 4,4 '이성질체는 범용적으로 가장 널리 사용하고 있다. Number_3는 TMA 1M/MDI 1.01M (4,4-MDI)을 처리하였고, Flexible glycols인 BPA gylcol 0.005M의 한 종류가 포함된, 나노실리카 15wt% 충진 분산된 바니시를 다층 코팅한 코일의 샘플이다. Number_4는 TMA 1M/MDI 1.02M(4,4-MDI 100%)을 처리하였고, Flexible glycols인 BPA gylcol 0.01M + PDMS gylcol 0.005M이 포함된 나노실리카 15wt% 충진 분산된 바니시를 다층 코팅한 코일의 샘플이다. 4종류의 코일에 대한 인버터서지 조건하에서 절연파괴수명을 연구하였다.

표 1. 제조된 코일의 종류 및 내용

Table 1. Types and contents of manufactured coil

Type of Sample

Contents of Vanish

Number_1

PAI (Polyamideimide) Original 코일

Number_2

PAI 바니시에 TMA 1M/MDI 1M (4,4-MDI) 를 처리한 바니시를 이용하여 절연층을 형성시킨 각형코일

Number_3

TMA 1M/MDI 1.01M (4,4-MDI)와 유연화제 BPA Gylcol 0.005M을 첨가한 바니시를 제조하여 절연층을 형성시킨 각형코일

Number_4

TMA 1M/MDI 1.02M (4,4-MDI 100%)와 유연화제 2종류인 BPA Gylcol 0.01M+PDMS Gylcol 0.005M를 첨가하여 제조된 바니시를 이용하여 절연층을 형성시킨 각형코일

2.4 각형 코일의 절연파괴 수명평가

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.

표 2. 스트레스종류 및 샘플 갯수

Table 2. Stress type and number of samples

Electrical Stress Condition: Inverter Surge/1.5kV_20kHz

Temperature Stress

Number_1

Number_2

Number_3

Number_4

303K(30℃)

10개

10개

10개

10개

343K(70℃)

10개

10개

10개

10개

373K(100℃)

10개

10개

10개

10개

403K(130℃)

10개

10개

10개

10개

423K(150℃)

10개

10개

10개

10개

473K(200℃)

10개

10개

10개

10개

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.

그림. 2. 환경온도 & 절연파괴 수명 측정시스템

Fig. 2. Environmental Temperature & Insulation Breakdown Life Measurement System

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig2.png

그림. 3. 인가된 인버터서지 파형

Fig. 3. Applied inverter surge waveform

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig3.png

표 3. 각형코일의 일반특성

Table 3. General characteristics of rectangular coil

검사품목

요구사항

1번

2번

3번

4번

절연파괴전압

1000V

6300

6800

7100

6600

신장율

30% 이상

40.9

40.9

40.5

41.5

밀착성

1.2mm 이하

0.446

0.329

0.175

0.596

유연성

5 이하

3

3

3.5

4

내화성

-

412

431

360

407

도체저항

20.93$\Omega$/km 이하

18.89

19.02

19.05

19.10

Tan$\delta$

-

254.7

261.2

260.7

266.8

PDIV(Vrms)

35℃

447

450

473

464

3. 결과 및 검토고찰

3.1 절연수명 평가

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. 4. 30℃ 환경온도에서 코일의 절연파괴 와이블플롯

Fig. 4. Insulation Breakdown Weibull Plot of Coil at 30°C Ambient Temperature

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig4.png

표 4. 그림. 4 와이블 플롯의 특성파라미터

Table 4. properties parameters of Fig. 4 weibull plot

30℃

shape parameter

scale parameter [min]

B10 Life [min]

number_1

6.92

12.56

9.09

number_2

1.91

291.85

90.49

number_3

2.85

236.60

107.54

number_4

2.30

321.60

121.19

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. 5. 70℃ 환경온도에서 코일의 절연파괴 와이블플롯

Fig. 5. Insulation Breakdown Weibull Plot of Coil at 70°C Ambient Temperature

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig5.png

표 5. 그림. 5 와이블 플롯의 특성파라미터

Table 5. properties parameters of Fig. 5 weibull plot

70℃

shape parameter

scale parameter [min]

B10 Life [min]

number_1

3.95

10.66

6.07

number_2

1.90

141.10

43.30

number_3

3.18

115.40

57.07

number_4

1.93

107.20

33.33

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

그림. 6. 100℃ 환경온도에서 코일의 절연파괴 와이블플롯

Fig. 6. Insulation Breakdown Weibull Plot of Coil at 100°C Ambient Temperature

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig6.png

표 6. 그림. 6 와이블 플롯의 특성파라미터

Table 6. properties parameters of Fig. 6 weibull plot

100℃

shape parameter

scale parameter [min]

B10 Life[min]

number_1

5.04

9.29

5.94

number_2

2.33

65.65

24.95

number_3

2.83

105.30

47.32

number_4

2.60

67.93

28.74

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.

그림. 7. 130℃ 환경온도에서 코일의 절연파괴 와이블플롯

Fig. 7. Insulation Breakdown Weibull Plot of Coil at 130°C Ambient Temperature

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig7.png

표 7. 그림. 7 와이블 플롯의 특성파라미터

Table 7. properties parameters of Fig. 7 weibull plot

130℃

shape parameter

scale parameter [min]

B10 Life[min]

number_1

4.75

8.14

5.06

number_2

6.70

33.12

23.65

number_3

2.97

61.32

28.63

number_4

3.28

32.18

16.13

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.

그림. 8. 150℃ 환경온도에서 코일의 절연파괴 와이블플롯

Fig. 8. Insulation Breakdown Weibull Plot of Coil at 150°C Ambient Temperature

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig8.png

표 8. 그림. 8 와이블 플롯의 특성파라미터

Table 8. properties parameters of Fig. 8 weibull plot

150℃

shape parameter

scale parameter [min]

B10 Life[min]

number_1

4.42

7.10

4.26

number_2

5.16

27.92

18.11

number_3

2.49

35.68

14.56

number_4

2.52

22.58

9.32

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.

그림. 9. 200℃ 환경온도에서 코일의 절연파괴 와이블플롯

Fig. 9. Insulation Breakdown Weibull Plot of Coil at 200°C Ambient Temperature

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.318/fig9.png

표 9. 그림. 9 와이블 플롯의 특성파라미터

Table 9. properties parameters of Fig. 9 weibull plot

200℃

shape parameter

scale parameter [min]

B10 Life[min]

number_1

1.81

5.07

1.46

number_2

3.15

14.43

7.09

number_3

1.63

22.45

5.62

number_4

2.21

15.19

5.50

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.

4. 결 론

4종류의 코일이 제조되었다. 한 종류는 PAI원형 수지로 코팅된 코일, 두 번째 코일은 졸/겔법으로 15wt% 고형물인 나노SiO2를 충진 분산시킨 유/무기하이브리드 바니시 코일, 세 번째 코일은 15wt% 충진 분산시킨 유/무기하이브리드 바니시에 유연화제 BPA gylcol를 첨가한 코일, 네 번째 코일은 15wt% 충진 분산시킨 유/무기하이브리드 바니시에 두 종류 유연화제 BPA+PDMS gylcol를 첨가된 코일이다. 장시간 인버터서지(1.5kV/20kHz)와 환경온도 조건 30, 70, 100, 130, 150, 200℃에서 절연파괴수명을 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 원형 PAI 수지를 절연 코팅한 코일에 비하여 고형분 15wt%를 충진 분산시킨 바니시 절연코팅한 코일이 같은 온도 환경조건(30℃)하에서 절연파괴 수명이 23.23배 향상된 절연파괴 수명을 나타내었다. 이는 나노 SiO2의 무기물이 주입된 전자의 이동을 억제하는 효과이며, 수지와 SiO2사이 계면의 강화로 전자의 이동통로를 막아주는 절연의 저항성으로 작용한 결과이다.

두 번째, 15wt% 고형물을 첨가한 유/무기 하이브리드 바니에 유연화제를 첨가한 경우 절연파괴 수명의 결과.

유연화제 한 종류 BPA gylcol를 첨가한 경우와 두 종류 BPA+PDMS gylcol를 첨가한 경우, 절연파괴 수명에서 한종류의 유연화제 첨가된 경우가 절연수명이 더욱더 향상된 결과를 나타내었다. 이는 과량의 유연화제 첨가는 전기절연 면에서 불순물로 작용된 결과로 인하여 절연수명이 감소된 것으로 사료된다.

세 번째, 같은 유/무기하이브리드 코일에 유연화제의 첨가 와 미첨가된 코일의 온도스트레스 하에서 절연파괴수명.

유연화제를 첨가한 나노 유/무기하이브리드 바니시 절연코팅된 코일의 절연수명의 경우 100℃ 이상의 온도스트레스 하에서, 유연화제를 미첨가한 경우보다 고온부에서 절연파괴 수명이 상대적으로 우수한 결과를 나타내었다. 이는 적절한 유연화제는 수지와 고형물사이 계면강화와 도체와 나노하이브리드 절연물사이 결함을 약화시켜 부분방전 저항성을 강하게 하는 역활로 절연파괴수명이 강화된 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 2018년도 중부대학교 교내연구과제 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.

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저자소개

박 재 준 (Jae-Jun Park)
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1985년 광운대학교 전기공학과 학사

1987년 광운대학교 전기공학과 석사

1993년 광운대학교 전기공학과 박사

1997년~현재 중부대학교 전기전자공학과 교수

E-mail : jjpark@joongbu.ac.kr