서지를 주입한 ZnO 바리스터를 1시간동안 자연 냉각시킨 뒤 그림 3.4 와 같은 파라미터 측정계로 기준전압(VRef), 전체 누설전류(IT), 저항분 누 설전류(IR), 제 3조파 성분(I3rd) 및 왜형률(THD)을 측정하였다.
기준전압은 바리스터에 저항분 누설전류 1 mA가 흐를 때 양단에 인가 되는 전압이다. 바리스터는 초기 기준전압 대비 10% 이상 변화 시 열화 로 판정된다. 따라서 바리스터의 열화판정을 위하여 직류 전원공급장치로 전압을 인가하였고 열화진전에 따른 기준전압의 변화를 감시하였다.
그림 3.4 파라미터 측정계
Fig. 3.4 Measurement system of electrical parameters
바리스터의 열화진전 시 저항분 누설전류가 증가하며, 전체 누설전류 파형의 왜곡으로 고조파 성분이 증가한다. 저항분 누설전류를 검출하기 위하여 검출저항(R2), 기준 커패시터(C1) 및 가변저항(R1)을 이용하였다.
바리스터에 상용주파수 전압 인가 시 검출저항에서 전체 누설전류를 검출
그림 3.5 측정 알고리즘
Fig. 3.5 Measurement algorithm
하였고 기준 커패시터 및 가변저항으로 용량분 누설전류를 보상(-)하여 저항분 누설전류를 검출하였다. 고조파 성분을 측정하기 위하여 데이터수 집장치(DAQ, 48 kS/s) 및 LabVIEW 프로그램 기반인 측정 알고리즘을 이용하였다. 그림 3.5와 같이 외부 노이즈를 제거한 고조파 성분을 검출하 기 위하여 저역 필터(Low pass filter)와 고속푸리에 변환(Fast Fourier transform)을 적용하였다. 왜형률은 고조파 발생의 정도를 나타내는 기준 이며, 식 3.2와 같이 고조파 성분을 이용하여 왜형률을 산출할 수 있다[29]. 그림 3.6에서 바리스터 신품의 검출 파형을 나타내었다.
⋯
× (3.2)
(a) 전체 누설전류
(b) 기본파 성분
(c) 제 3조파 성분
(d) 제 5조파 성분
(e) 제 7조파 성분
(f) 제 9조파 성분 그림 3.6 누설전류 파형의 예
상 : 인가전류 [500 V/div, 10 µs/div]
하 : 제한전압 [200 V/div, 10 µs/div]
(a) 바리스터 A
제 4 장 결과 및 분석
가. 흡수 에너지
ZnO 바리스터 A 및 B의 인가 에너지(W)는 식 4.1과 같이 제한전압(v) 과 인가전류(i)의 시간에 대한 적분함수를 적용하여 산출할 수 있다. 그림 4.1에서 서지 1회 인가 시 전류의 최댓값은 각각 1.6 kA 및 10.1 kA, 제한 전압은 710 V 및 1,590 V로 측정되었다. 계산결과, 바리스터 A 및 B의 인 가 에너지는 각각 16 J 및 200 J이다.
(4.1)상 : 인가전류 [2 kV/div, 10 µs/div]
하 : 제한전압 [500 V/div, 10 µs/div]
(b) 바리스터 B 그림 4.1 인가전류와 제한전압
Fig. 4.1 Surge current and clamping voltage
바리스터에 서지가 1회 인가될 때 단위체적당 흡수되는 에너지의 크기 로 열화진전 분석이 가능하다. 식 4.2와 같이 단위체적당 흡수 에너지 (WU)는 인가 에너지(W)와 바리스터의 체적(V)으로 산출할 수 있다.
(4.2)
단위체적당 흡수 에너지를 산출한 결과, 표 4.1과 같이 바리스터 A는 20.4 mJ/mm3이며, 바리스터 B는 5.1 mJ/mm3이다. 바리스터 B에 인가되는 서지전류의 크기는 바리스터 A 대비 6.3배 크지만 실제 바리스터 A의 단 위체적당 흡수 에너지가 4배 크다.
표 4.1 흡수 에너지의 산출
Table 4.1 Calculation of the absorbed energy
항 목 바리스터 A 바리스터 B
인가 에너지 [J] 16 200
전체 체적 [mm3] 784 39,584
단위체적당 흡수 에너지 [mJ/mm3] 20.4 5.1
나. 기준전압
바리스터 A 및 B의 흡수 에너지와 기준전압 10% 감소의 상관관계를 분석하였다 그림 4.2, 표 4.2 및 표 4.3에서 서지를 바리스터 A1 및 A2에 각각 200회 및 230회, 바리스터 B1 및 B2에 각각 1,450회 및 1,050회 인가 할 때, 기준전압이 10% 이상 감소하였다. 바리스터 B2는 1,000회 서지 인 가 시 기준전압이 9.69%로 감소하였으며, 이후 군단위로 서지를 50회 추 가 인가하였을 때 기준전압이 15.94%로 급격히 감소하였다. 따라서 기준 전압 10%에 근접한 1,000회에서 열화 시점으로 판정하였다.
바리스터 A 및 B의 서지 1회 인가 시 단위체적당 흡수 에너지(WU)는 각각 20.4 mJ/mm3 및 5.1 mJ/mm3이다. 열화 시점까지의 단위체적당 총 흡수 에너지(WT)를 산출한 결과, 바리스터 A1 및 A2는 각각 4.08 J 및 4.69 J이며, 바리스터 B1 및 B2는 각각 7.33 J 및 5.05 J이다. 상기의 결과로 부터 열화진전은 서지전류의 크기가 아닌 단위체적당 에너지 흡수량에 의 존함을 알 수 있었다. 동종 바리스터는 같은 사양이라도 에너지 흡수량의 편차가 발생하며, 2종 바리스터는 20 ∼ 30가지로 구성되는 ZnO 입자의 화합물이 제조사마다 다르므로 에너지 흡수량의 차이가 발생한다.
(a) 바리스터 A
(b) 바리스터 B 그림 4.2 기준전압의 변화
표 4.2 바리스터 A의 기준전압 변화
Table 4.2 Change of reference voltage of Varistor A
바리스터 A1 바리스터 A2
횟 수 WT
[J]
측정값 [V]
변화율
[A.U.] 횟 수 WT
[J]
측정값 [V]
변화율 [A.U.]
신품 421 - 신품 402
-50 1.02 404 0.960 50 1.02 386 0.960 80 1.63 396 0.941 80 1.63 380 0.945 110 2.24 391 0.929 110 2.24 376 0.935 140 2.86 386 0.917 140 2.86 373 0.928 170 3.47 386 0.917 170 3.47 366 0.910 200 4.08 375 0.891 200 4.08 363 0.903
열화 230 4.69 359 0.893
표 4.3 바리스터 B의 기준전압 변화
Table 4.3 Change of reference voltage of Varistor B
바리스터 B1 바리스터 B2
횟 수 WT [J]
측정값 [V]
변화율
[A.U.] 횟 수 WT [J]
측정값 [V]
변화율 [A.U.]
신품 624 - 신품 640
-100 0.51 610 0.978 150 0.76 623 0.973 200 1.01 603 0.966 300 1.52 616 0.963 600 3.03 585 0.938 500 2.53 614 0.959 900 4.55 582 0.933 700 3.54 594 0.928 1,200 6.06 572 0.917 900 4.55 583 0.911 1,350 6.82 566 0.907 1,000 5.05 578 0.903 1,450 7.33 559 0.896 1,050 5.31 538 0.841
다. 누설전류
바리스터의 열화진전에 따른 전체 누설전류 및 저항분 누설전류의 변화 를 분석하였다. 바리스터의 열화 시 각 누설전류 성분의 파형은 왜곡이 발생하므로 최댓값의 변화율을 이용하였다. 그림 4.3 및 표 4.4 ∼ 표 4.7에 서 바리스터 A 및 B의 기준전압이 10% 감소된 지점까지의 단위체적당 총 흡수 에너지와 누설전류의 관계를 나타내었다. 바리스터 A1 및 A2의 전체 누설전류 변화는 단위체적당 총 흡수 에너지가 4.08 J 및 4.69 J에서 변화율이 1.25배 및 1.53배로 미소하게 증가하였지만, 저항분 누설전류의 변화는 4.26배 및 4.96배로 현저하게 증가하였다. 바리스터 A와 동일한 추이로, 바리스터 B1 및 B2의 전체 누설전류는 7.33 J 및 5.05 J에서 1.06배 및 1.04배 증가하였고, 저항분 누설전류는 3.34배 및 3.21배 증가하였다.
바리스터의 열화진전 시 전체 누설전류는 절댓값이 수 백 µA정도이므로 검출에 용이하지만 초기값 대비 변화율이 작기 때문에 열화판단이 어렵 다. 또한 저항분 누설전류의 변화율은 크므로 열화판단이 가능하지만 절 댓값이 수 µA정도이므로 검출이 어려울 것으로 판단하였다.
상기의 분석으로부터 바리스터의 열화진단 시 기준전압 10%의 변화에 대응한 On-line 측정 파라미터로써 전체 누설전류 및 저항분 누설전류를 적용한다면 측정에 오차가 발생할 것으로 사료된다.
(a) 바리스터 A
(b) 바리스터 B 그림 4.3 누설전류의 변화
Fig. 4.3 Change of leakage current
표 4.4 바리스터 A의 전체 누설전류 변화
Table 4.4 Change of total leakage current of Varistor A
바리스터 A1 바리스터 A2
WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.]
신품 156.2 1 신품 166.4 1
1.02 167.9 1.08 1.02 172.1 1.03 1.63 163.4 1.05 1.63 179.2 1.08 2.24 170.5 1.09 2.24 189.0 1.14 2.86 177.0 1.13 2.86 209.7 1.26 3.47 186.5 1.19 3.47 214.8 1.29 4.08 194.4 1.25 4.08 247.1 1.49
열화 4.69 255.2 1.53
표 4.5 바리스터 A의 저항분 누설전류 변화
Table 4.5 Change of resistive leakage current of Varistor A
바리스터 A1 바리스터 A2
WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.]
신품 1.48 1 신품 2.21 1
1.02 3.11 2.10 1.02 5.54 2.51
1.63 3.75 2.53 1.63 6.71 3.04
2.24 4.21 2.85 2.24 7.19 3.25
2.86 5.29 3.57 2.86 8.64 3.91
3.47 5.52 3.73 3.47 9.23 4.18
4.08 6.31 4.26 4.08 9.93 4.49
열화 4.69 10.97 4.96
표 4.6 바리스터 B의 전체 누설전류 변화
Table 4.6 Change of total leakage current of Varistor B
바리스터 B1 바리스터 B2
WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.]
신품 590.0 1 신품 595.1 1
0.51 600.7 1.02 0.76 602.5 1.01 1.01 607.1 1.03 1.52 606.2 1.02 3.03 616.9 1.05 2.53 610.9 1.03 4.55 613.4 1.04 3.54 615.3 1.03 6.06 617.6 1.05 4.55 617.1 1.04 6.82 619.1 1.05 5.05 617.9 1.04
7.33 622.3 1.06 열화
표 4.7 바리스터 B의 저항분 누설전류 변화
Table 4.7 Change of resistive leakage current of Varistor B
바리스터 B1 바리스터 B2
WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.]
신품 1.14 1 신품 1.22 1
0.51 1.58 1.39 0.76 1.46 1.20
1.01 1.68 1.47 1.52 1.68 1.38
3.03 1.93 1.69 2.53 2.49 2.04
4.55 2.97 2.61 3.54 3.44 2.82
6.06 3.48 3.05 4.55 3.70 3.03
6.82 3.71 3.25 5.05 3.91 3.21
7.33 3.81 3.34 열화
라. 고조파 성분
저항분 누설전류의 변화에 의존하는 고조파 성분을 이용하여 바리스터 의 열화진전을 분석하였다. 바리스터의 열화 시 저항분 성분과는 달리 고 조파 성분은 측정 파형의 왜곡이 없기 때문에 실효값과 최댓값의 변화율 은 동일하다. 고조파 성분 중 제 3조파 성분의 크기가 가장 뚜렷하므로 측정 및 분석이 용이하다는 이점을 갖는다. 그러므로 그림 4.4, 표 4.8 및 표 4.9에서 제 3조파 성분의 최댓값을 이용하여 변화를 분석하였다. 바리 스터 A1 및 A2는 단위체적당 총 흡수 에너지가 4.08 J 및 4.69 J에서 변화 율이 5.49배 및 5.83배 증가하였고, 바리스터 B1 및 B2는 7.33 J 및 5.05 J 에서 2.08배 및 2.37배 증가하였다.
제 3조파 성분은 저항분 누설전류와 동일한 추세로 변화할 뿐만 아니라 바리스터의 열화 시 절댓값은 수 십 µA까지 증가함으로써 저항분 누설전 류 대비 검출이 용이할 것으로 판단하였다. 산업현장에서 적용 시 관통형 변류기, 증폭기 및 필터를 이용한 간편한 측정 및 오차의 최소화가 가능 하다.
고조파 발생의 정도를 나타내는 왜형률을 이용하여 그림 4.5, 표 4.10 및 표 4.11에서 변화를 분석하였다. 초기값 대비 바리스터 A1 및 A2는 4.27배 및 4.1배 증가하였고 바리스터 B1 및 B2는 각각 1.96배 및 2.23배 증가하였다.
왜형률은 초기값 대비 측정값 및 변화율이 적절하였다. 그러나 제 3조 파 성분과 비교할 때 왜형률을 이용한 바리스터의 열화진단은 전 고조파 성분을 적용한 주파수 분석이 필요하므로 취급이 복잡하다는 단점을 갖는 다.
(a) 바리스터 A
(b) 바리스터 B 그림 4.4 제 3조파 성분의 변화
Fig. 4.4 Change of the third harmonic component
표 4.8 바리스터 A의 제 3조파 성분 변화
Table 4.8 Change of the third harmonic component of Varistor A
바리스터 A1 바리스터 A2
WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.]
신품 6.43 1 신품 9.72 1
1.02 17.37 2.70 1.02 23.83 2.45 1.63 21.73 3.38 1.63 30.26 3.11 2.24 24.76 3.85 2.24 34.51 3.55 2.86 28.91 4.50 2.86 40.42 4.16 3.47 32.09 4.99 3.47 40.50 4.17 4.08 35.32 5.49 4.08 50.27 5.17
열화 4.69 56.69 5.83
표 4.9 바리스터 B의 제 3조파 성분 변화
Table 4.9 Change of the third harmonic component of Varistor B
바리스터 B1 바리스터 B2
WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [µA] 변화율 [A.U.]
신품 11.08 1 신품 8.61 1
0.51 12.03 1.09 0.76 10.55 1.23 1.01 12.55 1.13 1.52 11.44 1.33 3.03 13.98 1.26 2.53 15.13 1.76 4.55 16.37 1.48 3.54 18.95 2.20 6.06 20.59 1.86 4.55 20.25 2.35 6.82 22.37 2.02 5.05 20.37 2.37
7.33 23.03 2.08 열화
(a) 바리스터 A
(b) 바리스터 B 그림 4.5 왜형률의 변화
Fig. 4.5 Change of total harmonic distortion
표 4.10 바리스터 A의 왜형률 변화
Table 4.10 Change of total harmonic distortion of Varistor A
바리스터 A1 바리스터 A2
WT[J] 측정값 [%] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [%] 변화율 [A.U.]
신품 4.67 1 신품 6.61 1
1.02 11.47 2.46 1.02 14.77 2.23 1.63 13.85 2.97 1.63 17.74 2.68 2.24 15.42 3.30 2.24 19.59 2.96 2.86 17.28 3.70 2.86 21.78 3.30 3.47 18.63 3.99 3.47 21.70 3.28 4.08 19.95 4.27 4.08 25.23 3.82
열화 4.69 27.10 4.10
표 4.11 바리스터 B의 왜형률 변화
Table 4.11 Change of total harmonic distortion of Varistor B
바리스터 B1 바리스터 B2
WT[J] 측정값 [%] 변화율 [A.U.] WT[J] 측정값 [%] 변화율 [A.U.]
신품 18.98 1 신품 15.45 1
0.51 20.98 1.11 0.76 18.73 1.21 1.01 21.97 1.16 1.52 20.20 1.31 3.03 23.71 1.25 2.53 26.03 1.69 4.55 28.48 1.50 3.54 31.76 2.06 6.06 34.33 1.81 4.55 34.17 2.21 6.82 37.24 1.96 5.05 34.45 2.23
7.33 37.11 1.96 열화
제 5 장 결 론
본 논문에서는 ZnO 바리스터의 열화분석 및 건전성 평가 기준을 제시 하기 위하여 흡수 에너지 및 전기적 특성을 분석하였으며, 실험 결과로부 터 다음과 같은 결론을 얻었다.
가속열화를 위해 2종의 바리스터에 8/20 µs의 서지전류를 1.6 kA(16 J) 및 10.1 kA(200 J)로 인가하였으며, 단위 체적당 흡수 에너지는 20.4 mJ/mm3 및 5.1 mJ/mm3으로 산출되었다. 바리스터 B에 인가되는 서지전 류의 최댓값은 크지만, 단위체적당 흡수 에너지는 바리스터 A가 컸다. 기 준전압이 10% 감소하는 시점에서 2종 바리스터의 단위체적당 총 흡수 에 너지는 4.08 J 및 5.05 J 이상이었으며, 열화진전은 서지전류의 크기보다 단위체적당 에너지 흡수량에 의존한다는 것을 알 수 있었다. 즉, 단위체적 당 흡수 에너지가 바리스터의 열화진전에 중요한 변수가 된다.
바리스터의 열화에 따른 특성을 분석하기 위해 에너지 흡수량에 따른 기준전압, 전체 누설전류, 저항분 누설전류, 제 3조파 성분 및 왜형률을 측정 및 비교․분석하였다. 에너지 흡수량에 따라 기준전압은 감소하였고, 누설전류 파라미터는 증가하는 경향을 나타내었다. 기준전압 10% 저하 시 전체 누설전류는 저항분 누설전류 및 고조파 성분에 비해 수 십 배로 낮은 증가율을 보였다. 바리스터 A 및 B의 저항분 누설전류는 초기값 대 비 400% 이내 및 200% 이상으로 증가하였으나 절댓값은 수 µA 정도로 미세하였다. 제 3조파 성분은 초기값 대비 500% 이내 및 100% 이상 증 가하였으며, 왜형률은 300% 이상 및 100% 내외의 증가를 나타내었다.
바리스터의 열화진단에서 중요한 지표인 기준전압 10% 변화에 대하여 On-line 측정이 가능한 지표는 누설전류 성분과 고조파 성분이다. 그러나
전체 누설전류는 변화율이 작으며, 저항분 누설전류는 변화율이 크지만 절댓값은 미소하므로 열화진단의 적용에 한계가 있다. 또한 왜형률은 초 기값 대비 측정값 및 변화율이 적절하지만, 전원 품질에 영향을 받기 때 문에 활용이 어렵다. 하지만 제 3조파 성분은 저항분 누설전류의 변화추 세와 거의 동일하고 절댓값이 크며, 비접촉식 검출 회로를 이용한 간편한 측정이 가능하므로 최적의 파라미터로 판단하였다.
본 연구의 결과는 바리스터 제조 시 품질 검사와 산업 현장에 적용된 바리스터의 열화 진단은 물론, 수명예측에 적용될 것으로 기대한다.