기술자료
DAEHWA E/M CO.,LTD.
01. Surge Test(권선절연 시험)
(1) Surge Tester 란?
Surge 시험 (Winding Insulation Test, Layer Short Test등과 같은 뜻) 이라 함은 그림(1)과 같이 시험하고자 하는 권선제품(Motor의 권선, Transformer, Relay coil, 안정기, Generator등)의 권장 양단 (Start와 Finish 단 자사이)에 외부에서 극히 짧은 시간동안, 이 제품의 사용전압보다 훨씬 높은 Impulse(또는 Surge 전압이라고 한다.)를 강제로 인가해 보는 시험이다. 이 시험의 주된 목적은 권선이 몇 V의 높은 전압에도 견딜 수 있는 가를 알아보는 것이다.
그림1.
이것은 마치 종을 만들때, 완성된 제품을 그 종이 사용중 받을 수도 있는 최대한의 강도를 가진 충격에도 견딜 수 있는가를 알아보는 실험과 같은 것으로 한번 세게 두드려 봄으로써 종이 깨지지나 않는지, 또는 종에 균열이 있지나 않은지, 소리는 어떻게 나는지를 알아보는 시험과 같다.
이러한 시험을 거치면서 동시에 권선의 특성들을 분석해 봄으로써 제품의 견고성, 이상여부 등을 알 수 있게 된다.
이러한 Surge 시험은 균일제품의 전기적 내구성과 신뢰성을 판정하는데 꼭 필요한 전수검사 과정으로, 이는 Surge 시험만이 다른 모든 시험과는 달리 Coil 자체에 전기적 스트레스를 가해 보는 유일한 방법이어서, 이 시험을 거쳐야만 Corona 발생여부, Winding Insulation(권선절연), 에나멜선의 Pinhole, Scratch, Layer Short(1회 쇼트, 층간쇼트, 상간쇼트), 오결선 여부를 알 수 있기 때문이다.
이러한 목적을 이루기 위해서는 시험하고자 하는 권선제품과 함께 그의 판정기준이 되는 Sample(Master, 또는 Standard라고도 함) 제품을 옆에 두고 똑같은 조건의 Surge 전압을 순간적으로 동시에 인가해 본 후, Stress에 대한 내구력과 함께 각각의 제품에서 발생되는 자유 진동파형(Free run wave form : 특성판정의 자료가 된다.)을 Surge Tester의 Screen상에 비교해 보는 방식을 이용한다. 이러한 점에서 Surge Tester의 원래 이름을 Surge Comparison Tester(서지파형 비교시험기)라고도 한다.
근래에는 Sample 제품에 Surge 전압을 인가해서 얻어지는 Sample 파형을 한번만 Surge Tester의 Memory 영역상에 축적해 두었다가 필요할때 마다 그 파형을 불러내어 시험제품의 파형과 비교해보는 Memort Type의 Surge Tester도 있다.
(2) 왜 모든 권선제품에는 Surge(고압인가) 시험이 필요한가.
모든 권선은 그 자체로 고유의 인덕턴스 값 (기호는 : L, : 단위는 H)을 가지고 있으며, (그림 2) 에서와 같이 코일이 처음 감기기 시작한곳 (Start )과 감기가 끝난 후 인출 되어진선 (Finish 점)사이에, 또는 코일 사이에 필연적으로 개입되는 부유용량 (CS : Stray capactance)을 가지고 있어서 하나의 공진회로(LC 회로)를 구성하고 있게 된다.
한편 이러한 LC회로의 양단에서 발생하는 전압 E는 코일의 횟수 N과 이 코일에 흐르는 전류의 변화량 AI의 곱으로 나타낼 수가 있으며 공식 1과 같다.
그림2.
이와 같이 모든 코일에는 여기 흐르는 전류의 변화량이 급변할 경우 권선 (코일)내에서 자체적으로 높은 전압 을 발생하게 되고 외부전압 (사용전압)보다 훨씬 높아지는 경우가 많은데 이러한 현상을 과도기현상(transient effect)이라 하고, 인덕턴스 제품에서만 야기되는 현상이다. 또한, 이때 발생하는 전압을 역기전압(Impulse)이라고 하며, 모든 코일제품은 이와 같은 조건에서 사용되고 있다.
이러한 원리를 역이용한 것으로 자동차의 점화 Plug에 스파크를 일으키기 위한 이그션코일과 전자석 가스점화장치등이 있다.
지금 (그림 3) 과 같이 24V용 Relay의 코일에 DC 24V를 인가했다가 스위치를 끄면, 이 순간에 코일에 흐르던 전류는(그림 4 회로) 어떤 값에서 순식간에 0으로 떨어지게 되는데, 이때의 시간에 따른 전류변화량은 엄청난 것으로 (공식 1) 에서와 같이 이 코일의 양단에 발생하는 전압은 원래 이 코일에 인가 되었던 전압 24V를 훨씬 넘어 그 값의 10~20배가 되는 것이 보통이다. 때로는 40배가 넘기도 한다.)
그림3.
그림4.
그림5.
(3) Surge Test 방법
Surge 시험방법은 매우 간단하다. 권선제품의 시작점 (Start 선) 과 끝점 (Finish 선) 의 양단에 Surge Tester를 연결해 보기만 하면 된다. 물론, 여기서 3상모터, 2자측 코일이 많은 트랜스등 인출선이 여러 개가 있는 제품에는 각선의 끝마다 또는 몇 개의 선을 연결해서 시험한다.
이와 같이 모든 코일제품에는 사용전압보다 훨씬 높은 전압을 외부에서 인가해 보는 시험이 필요하다. 그렇다고 제품에 무작정 사용전압보다 몇배씩 높은 전압을 인가해 볼 수는 없다. (시험중에 파괴가 될 수 있으니까) 그대신 (그림 6) 과 같이 권선에 고압을 인가하되 고압인가 시간을 극도로 짧게 하여 (그림 7) 과 같은 모양의 Pulse 전압 (순간전압)을 제품에 인가해서 이때, 나타나는 파형을 분석해 보면된다. 이처럼 고압인가 시간을 0.5~55정도 극도록 짧게 하여 코일에 인가해 보면 코일을 상하지 않게 하면서도 Surge 전압에 대한 내구성 등의 특성을 알아볼 수 있게 된다.
그림6.
그림7.
한편 권선제품은 그 자체가 내부에 (그림 8)과 같이 코일 (L: 인덕턴스)과 컨덴서 (C: 캐퍼시던스)를 가지고 있어 공진회로를 구성하고 있으므로 이 양단 (코일양단)에 고압을 인가했다가 순간적으로 제거하게 되면, 공진 회로에 축적된 전기에너지는 코일과 캐퍼시터에서의 손실에 의해 자연소멸 되기까지 전류의 흐르는 방향이 교번되는 자유진동(Free rum wave form)파형으로 나타나고 [공진회로이기 때문에 공진주파수(Resonance frequency)라고 볼 수도 있다. 이 파형은 시간이 지날수록 작아져 소멸하게 된다 (그림 9).
그림8.
그림9.
이는 마치 망치로 종을 쳤을때 소리가 나는 것과 같은 이치로, 종소리란 외부의 물리적 충격을 받았을때, 그 종이 가지고 있는 고유한 구조적 특성에 따라 자유진동 되는 소리이며, 시간이 지남에 따라, 에너지가 소멸되어 차츰 소리가 작아지는 것과 같은 비유이다. 이 전기적 파형의 형태를 외부에서 Scope로 관찰해보면, 마치 사람의 지문이 서로 다르듯 모든 코일의 각자 고유특성에 따라 다른 모양으로 나타나므로 그 코일 고유 의 특성을 한 눈에 판별 할 수 있게 된다. 이 때의 자유진동 파형의 주파수 (F) 는
코일의 인덕턴스 (L) 와 부유용량 (C) 이 클수록 주파수가 낮아지며 (파장이 길어진다.) Q가 낮을 수록 감쇠량이 증가하여 (감쇠곡선의 경사가 심하다.) 파형이 급격히 소멸되고, Surge 전압에 견디지 못할 경우 Corona 방전 이나 Spark 가 발생하여 파형이 떨리고 고르지 못하며, 코일이 쇼트되어 파형이 나타나지 않게 되는 (단선되어 도파형이 나타나지 않는다.) 점등을 이용하여 이 코일제품의 내구력 뿐만 아니라, 이 파형을 양품인 다른 Sample 제품의 파형과 비교 해 보아 코일의 여러 가지 특성을 한 눈에 비교 관찰 할 수 있어 신속한 분석이 가능하다.
위와 같은 시험을 할 수 있는 Surge Tester의 실질적인 제작에 있어서는 높은 시험전압(lmpulse)을 발생시 키기 위한 방법으로 스위치 회로에 SCR, thyratron, lgnitron 등이 사용되고 있으며, 시험전압 출력 범위는 0~3kv에서 40kv용등으로 다양하게 생산되고 있다.
(4) 시험전압
Surge Test시의 시험전압 결정방법은 다음과 같다.
구하고자하는 Surge 시험전압을 Es라하고, 시험하고자 하는 제품의 통상 사용전압을 Eo라 했을 때, ES는 Eo 전압을 2배한 값에 1000V를 더하고, 여기에 다시 1.4배를 곱한 값으로 한다.
여기서 보듯 Surge 시험을 위한 시험전압은 오로지 그 제품의 사용전압에 의해서만 결정된다. 공식 3은 국제권선협회(International Coil Winding Association)에서 권장하는 방식이기도 하나 이 공식 역시 어떤 확고한 원리에 의해 얻어진 것이 아니라 경험에 의한 법칙(Rule of thumb) 에서 온 것이다.
이 공식에 따르면 1.5V용의 초소형 Motor도 최소한 1000V가 넘는 Surge 전압으로 시험해 보아야 된다는 뜻인데, 여기엔 무리가 있다. 그래서 이 공식은 사용전압이 100V~1000V쯤 되는 제품에 적용이 되기에 알맞다. 업체에 따라 Surge 시험전압을 사용전압에 60배를 한 값으로 권장하기도 한다.
이는 대부분의 권선제품에서 발생되는 역기전압을 실측해 보면, 사용전압의 40배 이하가 된다는 점에서, 이에 1.5배의 값인 60배를 한 전압으로 시험 해도 된다는 뜻이다. 즉, 시험 Surge전압 (ES)의 산출은 공식3, 공식4의 값이 비슷해지고, 그 사용전압이 20~30v이하인 제품에 서는 공식 4의 값이 낮아지게 된다.
참고1) Surge 시험시의 시험전압은 오로지 시험하고자 하는 제품의 사용전압에만 관계된다. 즉, 시험제품의 크기, 사용전력량, 마력등에는 아무런 관련이 없다. 1 마력의 모터이든지 또는, 100마력 모터이든지 크기에는 관계가 없다는 이야기이다. 왜냐하면, 사용전압이 같으면 거기서 발생되는 lImpulse 전압의 크기는 동일 하기 때문이다.
한편, 수명시험에는 에이징시험, 스트레스시험의 두가지가 있는데 Surge시험이란, 스트레스성 시험이므로 시험이 오래 진행되면 피시험체가 파괴되는 수도 간혹 있을수 있다. 즉 에이징시험이란 전기제품에서 사용전압 부근의 전압을 인가한 후 장시간 가동을 해 보는 것을 말하는데 이는 시간이 많이 걸려 모든 제품에 시험을 거치는 (전수검사) 방법으로는 불가능하다. 이에 비해 스트레스 시험은 사용조건보다 훨씬 가혹한 조건 (전압) 으로 순식간에 시험을 진행 할 수 있어 전수검사가 가능하다.
그림 (10)은 어떤 일반적인 전기 제품의 시험인가 전압에 따른 파괴율(%)을 나타낸 것이다. 이와 같이 모든 전기제품은 인가전압을 차츰 올려가면 언젠가는 파괴되어 회복 불가능의 상태에 이르는데, 이를 Break down point라하며 스트레스 시험은 사용전압보다는 훨씬 높으나 파괴점보다는 낮은 전압 범위의 전압에 의한 순간시험을 말하고, Surge시험도 이에 속한다
그림10.
(5) 판정
Surge Test란 시험제품에 전기적 스트레스를 가하여 신뢰성 시험을 하면서 동시에 이 과정에서 발생되는 자유진동파형을 관찰, 코일의 특성을 분석하기 위한 것이나, 수 많은 코일제품마다 발생되는 파형이 각양각색이므로 시험하는 코일제품 하나만의 파형을 봐서는 그것이 양품인지, 불량인지를 판별하기가 불가능하다. 즉, Surge Test란 지문을 대조하는 작업과 같아 어디엔가 표본이 있어야 하기 때문이다.
그렇기 때문에 시험제품 옆에 양품으로 인정되는 Sample(Master)제품을 두고 두 제품에서 발생되는 두 개의 파형을 서로 비교하여 시험제품의 파형이 Sample과 동일하거나 흡사할 경우 양품으로 판정하고, 많은 차이가 날경우 불량으로 판정한다. 이는 “기준이 없는 어떤 상대치도 있을 수 없다” 는 이치와 같다.
이 판정은 사용자가 Surge Teste r의 Scope 화면에 나타나는 두 개의 파형을 눈으로 관찰하여 비교, 판정해도 되나 자동 판정기능(Auto comparator)이 있는 Surge Tester에서는 양, 불량 판정의 기준점만 미리 설정 해 놓으면 그 이후의 시험에서의 판정은 자동으로 이루어진다.
Surge Tester의 사용법으로는 먼저 어떤코일이든 기준이 되는 제품(Sample) 을 기기의 전면 커넥터 "Sample" 측에 연결해 놓고, “Test" 측에는 시험 하고자 하는 제품(Product-under-test)을 접속해 둔채 Surge 시험을 해 본다. 그러면 (그림 11) 과 같은 파형이 Screen상에 나타난다. 이 파형이 나타나고 있다는 것은 이미 시험제품과 Sample측에 시험을 위한 Surge 전압이 인가된 시점이고, 그 이후에 나타나는 파형은 코일제품 고유의 자유진동 파형으로 시간이 지날수록 (오른쪽으로 갈수록) 파형의 진폭이 감소되어 소멸하고 있음을 보여준다.
그림11.
여기서 a를 파형의 진폭이라하고, b를 파장이라 한다. 이때 진폭은 코일에서 발생되는 전압 (처음 인가된 Surge 전압의 크기에 따른다.) 의 세기를 나타내며, 파장의 길이는 이 코일에 갖는 고유진동주파수에 반비례 한다. 즉, 주파수가 높으면 파장은 짧아지고, 코일의 Q가 낮으면 시간에 따른 진폭의 감쇠가 심하여 감쇠곡선이 가파르고 (파형이 빨리 소멸되고), Q가 아주낮은 코일제품에서는 파형이 한 개도 제대로 나타나지 않는 수도 있다. 예를 들어 금속체 보빈에 코일이 감겨 있거나 코일외부를 금속체가 감싸고 있는 경우, 또는 Solenoid Coil과 같이 내부에 가동철편 (Actuator)이 들어있는 제품 또는, 코일 내부에서 코일의 한부분이 쇼트되어 있어 Q가 아주 낮아진 경우 이런 파형이 나타난다.
한편, 모터나 트랜스포머, SMPS Trans 등에서 여러 가지 코일이 서로 결합되어 있거나 한 개의 보빈에 두개 이상의 코일이 복합으로 감겨져 있는 제품 에서는 각각의 코일 특성이 뒤섞여 Sin파형이 아닌 복잡한 형태의 파형이 나타나는 수도 있다 (그림 12).
그림12.
(그림 12) 에서는 기본파형에 다시 그의 2배에 해당되는 주파수의 고조파(제 2고조파)가 섞인 파형을 보여주는데 이러한 파형이라도 그것이 그 코일 자체의 고유 특성을 나타내는 것이므로 어쩔수가 없다. 당연히 Sample 코일에서 발생되는 파형이 이런 모양이라면 시험제품의 파형도 이와 같아야 함은 물론이다.
참고2
어떤 제품을 시험하고자할 때 그 기준이 되는 양품(Sample, 또는 Master)을 Standard로 선정해 놓은 후 그 와 비교하여 다른 제품을 양, 불량 판정해야 한다고 하면, 그 기준용 양품을 어떻게 선정해야 하느냐는 질문을 받고는 한다. 그러나 엄밀히 생각해 보면 그건 어려운 일이 아니다. 왜냐하면, Sample 제품의 기준은 어떤 생산공장에서의 생산품의 몇 %만이 될 수 있는 것이 아니고, 양품으로 판정되는 대부분의 제품이 Sample 자격을 가지고 있다고 보아야 한다. (만일 그렇지 않고 어떤 생산 제품에서 다만 1%만이 Sample 자격이 있다면 나머지 모든 제품은 불량이란 말인가) 물론, 더욱 정밀하게 Sample 제품의 특성을 지니는 기준을 확보하려면 그건 여러개의 양품제품의 그래프상의 평균값을 가지는 제품을 선정하면 된다.
파형의 판정 : 다음은 일반 코일에서의 Surge 파형과 그에 따른 설명이다.
(그림 12) 역시 (그림 11)에서와 같이 Sample 측에만 표준제품이 연결되어 있고 Test측에 시료가 연결되어 있지 않은 상태 (그림 11 과 동일한 상태)에서 Surge Tester에 따라 이런 형태의 파형이 나타날 수도 있음을 보여주고 있다. 여기서 파형은 S파형의 단순한 이미지 파형으로 Surge Tester 내부에서 Sample 측과 Test측의 회로가 어느정도 결합되어 있기 때문에 (고압 공급회로를 공유하고 있기 때문) 어쩔수 없는 현상이기도 하다. 이러한 파형은 Sample과 Test측에 동시에, 같은 크기의 Surge전압을 인가해야하는 자동판정기능이 있는 Surge Tester에서 흔히 볼 수 있다.
① Sample측에만 권선제품이 연결되어 있을때
그림13.
(그림 13) 은 Sample 측에만 표준제품을 연결한채 Test측에는 아직 시험제품을 연결해 두지 않은 상태에서 고압을 인가했을 때의 화면이다. 여기서 S파형은 Sample 코일측의 고유진동 파형이 나타나나, Test측에 코일제 품이 없어 진동파형이 나타나지 않고 그냥 Surge Tester측에서 인가된 고압이 시간의 흐름에 따라 차츰 감소되어 자연소멸 되는 모양이 사선으로 나타나 보인다. (물론 Test측에 연결되어 있는 권선제품이 단선되었을 때에도 이러한 모습으로 보인다.
그림14.
(그림 14) 은 Sample과 Test측에 모든 시료를 연결해 둔 상태에서 고압을 인가했을때 양쪽 모두의 특성이 같을 때 S측과 T측의 파형이 완전히 겹쳐서 하나로 보이는 경우이다. 이때 Sample 측의 표준(Standard) 제품 이 양품이라고 한다면, 당연히 Test측의 시험 제품도 양품으로 판정한다. (양품과 똑같은 특성을 가지고 있으므로)
② Test의 시험제품이 인덕턴스가 Sample측보다 클때 (또는 작을때)
그림15.
만일 Test의 시료가 Sample측보다 인덕턴스가 클 경우 (코일이 더 많을때) Test의 파형은 파장이 길어져 (공진주파수가 낮아져) (그림 15) 에서 T1 처럼 S보다 더 늘어진 파형으로 나타난다. 코일의 인덕턴스가 증가하면 공진주파수에 관한 공식 (공식 2)
에서 L이 증가한 결과 (주파수) 가 낮아지고, 또한 이에 따라 파장이 길어지기 때문이다. T측 시험제품의 (인덕턴스 , 단위는 H)이 증가했다함은, 코일의 횟수가 더 많거나 미결합된 상태이거나, 또 는 코일내부에 있는 철심이나 페라이트 코어의 도자율이 더 높다는 뜻이기도 하다.
한편 T측에 연결되어 있는 코일의 인덕턴스가 S측보다 더 작을때는 공진주파수가 높은 관계로 파장이 짧아 져 T2에서 처럼 S측 파형보다 앞선 파형이 나타난다. 이는 당연히 T측의 코일 횟수가 적거나 철심이나 페라이트코어 재질의 도자율이 낮아져 있음을 의미하고, 간혹, 코일 내부에 1회, 또는 층간의 쇼트현상이 있을 때도 파장이 짧게 나타난다.
다만, 코일 내부에 코일끼리의 쇼트가 있을 경우에는 인덕턴스도 감소하지만, 코일의 성능(0) 도 낮아지므로 감쇠량도 증가하여 (감쇠곡선의 경사도가 급박해져 파형의 꼬리부분 진폭이 급속히 작아진다.
위의 예 어떤 경우에도 T측의 시험제품이 S측의 Sample(양품)에서 발생되는 파형과 차이가 난다는 것은 무언가 특성이 다르다는 뜻이므로 불량판정의 근거가 된다.
③ 코일간 쇼트 (1회 쇼트, 층간쇼트, 상간쇼트)가 있거나 코어의 와류손등에 의한 Q의 저하 이런코일의 파형은 진폭감쇠가 심하므로 (Q 의 저하)제 2파고 이후 부터의 진폭이 급격히 작아져 오른쪽 꼬리부분이 없어 진다 (그림 16).
그림16.
(그림 16) 는 T측의 내부에 1회 쇼트(Turn-to-turn short) 정도가 있어 T측의 Q가 S측의 Q보다 조금 낮을때 나타나는 파형의 일예이다. 당연히 1 회 쇼트 보다는 층간쇼트 (층간 쇼트 : Layer-to-layer short) 가 발생하면 Q는 더욱 낮아져 감쇠곡선은 더욱 날카로워져 파형이 급속히 사라지게 된다. 그리고 코일의 상간쇼트 (상간 쇼트 : Phase-to-phase short)나, 완전쇼트( 코일의시작(short)과 끝(Finish) 사이에 쇼트가 있는 경우 )시에는 아예 파형이 나타나지 않는 경우도 있다.
그림17.
이와 같이 코일간 쇼트가 있을 경우에 코일의 Q가 저하되어 파형의 진폭이 감소되기도 하지만 솔레노이드 코일의 완성품인 경우, 보빈이 금속체일 경우, 또는 코일을 둘러싸고 있는 외함이 금속체일때는 이것 자체가 코일이 쇼트된 것과 같은 효과를 가져오므로 마치 코일이 쇼트되어 Q가 극히 낮은 상태와 흡사한 파형을 나타내기도 한다.
뿐만 아니라, 모터의 Stator, Armature Coil에서도 코일의 상(Phase) 이 어긋나는 정도가 극심한 경우 (보빈이 금속체인 경우) Q는 매우 낮아져 (감쇠 곡선이 아주 급박해져) 두번째부터의 파형이 나타나지 않는 경우도 있다.
그림18.
Surge 전압에 견디지 못하여 코일간 방전 (코로나, 스파크)이 발생할 경우 코일의 내부에서 시험전압에 견디지 못하고 불꽃이 튀거나 아크 (여기서는 코로나와 동일한 의미)가 발생할 경우에는 파형이 (그림 19) 에서와 같이 불규칙하게 나타나고 떨린다. 이러한 원인은 에나멜 피막이 벗겨지거나 흠집이 있을때, 권선간 간격이 너무 가까울때, 또는 층간 권선사이에 이물질이 들어갔을때, 혹은 에나멜선의 절연능력이 완벽하지 못할 때 발생한다.
그림19.
어떤 경우에는 에나멜선의 권선상태는 양호하나, 코일의 처음 부위 (Start선) 와 끝처리(Finish)된 선이 너무 가깝거나 리드선의 연결부위등에 금속성의 뾰족한 돌출부분이 있어 그 사이에서 코로나 (냉방전) 이나 스파크(불꽃방전)가 일어나기 때문이다. 결국 이러한 코일제품은 그만한 시험전압에 견디지 못한다는 뜻인데 당연히 불량품으로 분류해야하고 이렇듯 권선제품의 전기적 내구성시험방법은 오직 Surge Test만으로 가능하다.