정격 임펄스 내전압(Uimp): 전체 엔지니어링 가이드

일반적인 400V 배전반은 실제로 400볼트에서 작동합니다. 하지만 이 배전반에 설치된 모든 회로 차단기는 훨씬 높은 전압 내압값을 명시하고 있습니다. 바로 Uimp 8kV입니다. 8,000볼트에 20을 곱한 값으로, 1.2마이크로초의 전압 임펄스에 대한 내압값을 의미합니다. 오타가 아닙니다. 이는 실제로 우리 전기 시스템의 현실적인 설계 원칙에 따른 것입니다. 낙뢰나 스위칭 사고로 발생하는 전압 변화율이 매우 빠르고 심각하기 때문에, 전력선, 케이블 네트워크 및 배전 장비의 정상 작동 전압에 안전한 수준보다 훨씬 높은 수준의 전기 보호 장치가 필요합니다.

정격 임펄스 내전압(Uimp)은 전기 장비가 절연 파괴 없이 장비 사양을 충족하면서 견뎌야 하는 최대 전기 강도를 나타냅니다. 이를 통해 230V 가정용 중전압 회로 차단기부터 400kV 해저 XLPE 변압기에 이르기까지 용도에 맞는 장비를 선택하여 관련 표준의 정의를 충족할 수 있습니다. MDF 개폐기부터 765kV XLPE/고전압 케이블 접속부에 이르기까지 모든 IEC 절연 시험 범주에서 장비는 정의된 임펄스 내전압 프로파일에 따라 작동해야 합니다. 전기 설계에서 해당 정의를 명시하고 정확한 수준으로 시험하면 서지가 설비를 통해 전파되는 즉시 기기 및 장비의 고장이 발생할 것으로 예상할 수 있습니다.

이 글에서는 IEC 60060-1 및 IEC 60664-1에서 절연 시험을 위한 임펄스 내전압을 정의하는 방법, IEC에서 과전압 범주 및 상관 시험 파형을 규정하는 방법, 낙뢰 임펄스 시험과 스위칭 임펄스 시험의 차이점, 마르크스 회로가 임펄스 파형을 생성하는 방법 등 전기 제품 고장의 최근 원인과 2025년 개정판 IEC 60060-1 실험실의 최신 절차를 중점적으로 다룹니다.

정격 임펄스 내전압(Uimp)이란 무엇입니까?

IEC 60664-1 및 특정 개폐기 프로토콜에 따르면, 정격 임펄스 내전압(Uimp)은 규정된 형태와 극성을 가진 전압 임펄스의 최대값과 같습니다. 이 임펄스는 지정된 방법에 따라 시험했을 때 장비의 절연이 손상되지 않고 인가되어야 하는 값입니다. 이 문구에서 '최대값'과 '규정된 형태'라는 네 단어가 대부분의 의미를 전달합니다.

피크 전압(peak)은 실효값(RMS)이 아닌 킬로볼트 피크(kVp) 단위로 표시됩니다. 8kV 임펄스는 전기 장치가 8000볼트의 순간적인 스파이크 전압을 견뎌야 함을 의미하며, 이는 평균 실효값 전압이 아닌 약어로 표현된 것입니다. 임펄스 내전압을 동작 전압(Ue)이나 절연 전압(Ui)과 비교할 때 이 차이점을 이해하는 것이 중요합니다. 동작 전압이나 절연 전압은 모두 실효값으로 표시됩니다.

규정된 파형은 1.2마이크로초 상승에서 1.2kV 하강까지 지정된 낙뢰 임펄스 파형(IEC 60060-2)을 의미하며, 이는 시험에 사용되는 파형입니다. 반면, 전체 임펄스 파형의 절반으로 하강하는 50마이크로초는 IEC에서 참조하는 표준 형태의 전기 임펄스입니다.

Uimp의 전압이 작동 전압보다 훨씬 높은 이유는 무엇일까요?

Uimp는 장비가 정상적으로 작동하는 전압이 아닙니다. 낙뢰 및 스위칭 과도 현상으로 인한 과전압은 시스템 피크 전압에서 1μs에서 수 밀리초 아래에 발생합니다. 이러한 과전압은 시스템 공칭 전압보다 훨씬 높은 피크를 나타냅니다. 인근에 낙뢰가 발생하면 230V 회로의 배전반 단자에서 4kV 이상의 과도 스파이크가 발생할 수 있는데, 이는 공칭 전압의 거의 18배에 달합니다. 230V에 안전 여유를 더한 값으로 설계된 정상 작동 절연은 이러한 순간적인 스트레스를 견딜 수 있도록 만들어지지 않았습니다.

IEC 전압 정격 계층 구조는 이를 명확히 규정하고 있습니다.

• Ue(정격 작동 전압)는 정상 시스템 전압(예: 400V)을 의미합니다. 이는 장비가 정격 스위칭 성능을 발휘하는 전압입니다.
• Ui(정격 절연 전압)는 교류 지속 절연 기준 전압으로, 예: 690V입니다. 이는 장비가 견딜 수 있도록 설계된 최대 전압(내구 시험용 기준 전압)입니다. 60초 전력 주파수 절연 시험에 적용되는 시험 전압입니다.
• Uimp(정격 임펄스 내전압)는 장비가 견뎌야 하는 최대 과도 전압을 나타냅니다(예: 8kV). 이는 1.2/50μs 임펄스 내전압 시험을 통해 검증됩니다.

Ui와 Uimp의 크기 차이는 우연이 아닙니다. 임펄스 내전압은 절연체 두께 자체가 아닌, 절연 간극(공극)이 견뎌야 하는 전압을 나타냅니다. 690V AC를 무기한 견딜 수 있는 3mm 두께의 공기층이라도, 간극 구조가 임펄스를 고려하여 설계되지 않았다면 4,000V 피크 전압에서 섬락할 수 있습니다. Uimp는 절연체 구조가 견뎌야 하는 순간적인 스트레스를 나타내고, Ui는 고체 절연체가 견뎌야 하는 지속적인 스트레스를 나타냅니다. 둘 중 어느 하나가 다른 하나를 대체하는 것은 아닙니다.

절연 협조는 저전압 장비의 경우 IEC 60664-1, 송전급 시스템의 경우 IEC 60071-1에 명시된 바와 같이 건설 현장의 과도 노출 수준에 맞는 Uimp 값을 사용하여 수행됩니다. 두 표준 모두 설치 노출 수준을 필요한 Uimp 값에 맞춘 다음, IEC 60060-1에 따른 일반적인 임펄스 내전압 시험을 통해 이를 검증합니다.

IEC와 IEEE: 임펄스 테스트를 규율하는 Uimp, BIL 및 기타 표준

국제 프로젝트에서는 동일한 현상을 나타내는 두 가지 용어가 사용됩니다. IEC 표준에서는 U imp, IEEE/북미 표준에서는 BIL(Basic Impulse Level)이라고 합니다. 두 용어 모두 장치가 정의된 1.2/50 μs 낙뢰 임펄스를 견딜 수 있는 능력을 측정합니다. 기본적인 물리적 원리는 동일하며, 차이점은 시험 절차와 대기 보정 방식에 있습니다.

기준 온도 차이(IEC는 20°C, IEEE는 30°C)는 실제적인 영향을 미칩니다. 대기 보정 계수는 실험실 온도, 압력 또는 습도가 기준 조건과 다를 경우 적용되는 시험 전압을 표준 조건으로 조정합니다. 20°C 기준에서 검증된 장비는 30°C에서 약간 다른 보정 계수를 나타낼 수 있습니다. 이는 서로 다른 표준 지역에서 부품을 조달할 때 명백한 불일치의 원인이 될 수 있습니다. 국제 프로젝트를 진행할 때는 어떤 표준이 적용되는지 확인하고, 작성된 형식 시험 보고서가 올바른 기준 온도를 사용했는지 확인해야 합니다.

임펄스 내전압에 대한 IEC 표준 계층 구조

U imp에 대한 그림은 세 가지 IEC 표준으로 그려지며, 각 표준은 시스템의 서로 다른 계층을 다룹니다.

• IEC 60664-1(2020, 3판)은 최대 1.000V AC/1500V DC의 저전압 시스템 내 장비의 절연 협조에 관한 표준입니다. 이 표준에는 시스템 전압과 설치 위치를 필요한 Uimp 값과 연결하는 과전압 범주표가 포함되어 있습니다. 장비 설계자는 MCCB, 단자대 또는 접촉기의 Uimp 값을 선택할 때 이 표준을 참조합니다.
• IEC 60060-1(2025년, 4판) – 고전압 시험 기술, 제1부. 1.2/50 μs 파형, 허용 오차 및 대기 보정 계수를 문서화합니다. 실험실에서 수행되는 임펄스 내압형 시험의 합격/불합격 기준을 제시합니다. 2025년 4판에서는 적용 범위를 초고전압 장비까지 확장하고 디지털 파형 평가 기술을 명시적으로 추가했습니다. 이 문서는 시험 기관에서 시험 절차를 수립할 때 참조하는 자료입니다.
• IEC 62271-100(2021) – 교류 차단기. 요구되는 정격 낙뢰 임펄스 내전압 및 권장 정격 낙뢰 임펄스 내전압을 정의합니다. 약 72.5kV를 초과하는 장비의 경우, 낙뢰 임펄스 시험과 함께 공인된 스위칭 임펄스 시험이 요구됩니다.

DEMIKS 고전압 장비와 관련된 낙뢰 충격 내전압에 대한 자세한 내용은 "낙뢰 충격 내전압 소개"를 참조하십시오.

시스템 전압별 과전압 범주 및 Uimp 값

IEC 60664-1은 저전압 설비를 전원 입력 지점을 기준으로 장비 설치 위치에 따라 4가지 과전압 범주(OVC I-IV)로 분류합니다. 전원 공급 장치에 가까운 장비는 낙뢰 및 스위칭으로 인한 과도 에너지를 더 많이 받으므로 더 높은 Uimp 값이 요구됩니다. 안전한 설비 내부 깊숙한 곳에서는 케이블 임피던스 및 서지 보호 장치와 같은 감쇠 단계를 거친 후 전압이 발생합니다.

피뢰기 및 서지 보호 장치(SPD)는 장비 여유를 확보하고 공급업체 변동을 고려하기 위해 최대 8kV의 Uimp(최대 허용 전압)가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 여유는 배전반에 가장 중요하게 적용되는데, 배전반은 장비의 안전 스위치가 배전 장치로 연결되는 곳이며, 단일 배전반은 동일한 OVC IV 구성보다 훨씬 더 분산된 하류 부하에 전력을 공급하는 경우가 많기 때문입니다.

중전압 Uimp 요구사항(IEC 62271-100)

주 배전 스위치기어 및 변압기용 주 공급선로에는 10~12kV Uimp의 중전압 MCCB 및 스위치기어를 지정할 수 있습니다. 산업용 등급 MCCB를 지정하는 것은 일반적으로 고전압 범위, 즉 8kV 이상의 Uimp를 지정하는 것이 일반적이며, 이는 OVC III 장비의 최소 요구 사항인 4kV를 초과하는 전압 범위입니다.

1kV 이상의 개폐기 및 회로 차단기의 경우, IEC 62271-100은 정격 전압 Ur의 함수로 요구되는 낙뢰 임펄스 내전압(LIWV)을 규정합니다. 이 값들은 수년간의 현장 데이터와 고장 통계를 기반으로 하며, 각 전압 범주마다 하한 및 상한값이 있습니다.

11kV 개폐기(영국 및 영연방 배전망에서 흔히 사용되는 정격 전압 Ur=12kV)의 LIWV(저전압 강하) 요구 사항은 75kV입니다. 즉, 12kV 정격 장비는 75kV 피크 임펄스 시험을 통과해야 합니다. 이 시험에서 차단기는 정격 전압의 6배가 넘는 단일 스위칭 또는 낙뢰 임펄스 충격을 견딜 수 있어야 합니다. 전압이 높을수록 물리적으로 더 큰 절연 거리가 서지를 더 잘 견딜 수 있으므로 LIWV 비율이 높아집니다.

번개 임펄스와 스위칭 임펄스: 두 가지 파형, 하나의 목표

충동 검사 외에도, 다음과 같은 사항이 존재합니다. 부분 방전 형식 시험 중 활동은 일반적으로 임펄스 시험을 통해 섬락 미만 절연 응력이 확인되었는지 여부를 판단하기 위해 검증됩니다.

IEC 60060-1에서는 두 개의 유사한 파형이 사용됩니다. 각각은 전력 시스템의 서로 다른 물리적 과정을 나타내며, 서로 다른 범주의 기기에 적용됩니다. 시험 요구사항에 적합하지 않은 표준 파형을 선택하는 것은 규격 오류입니다.

낙뢰 임펄스(LI) 파형은 낙뢰로 인해 발생하는 서지의 전기적 형태를 모델링한 것으로, 전압이 급격히 상승한 후 길게 하강하는 파형을 나타냅니다. 이 표준 파형은 1.2/50 μs로 문서화되어 있습니다. T1 = 1.2 μs(30%)의 전면 시간을 고려할 때, 실제 파형 전면 측정값은 0.84 μs에서 1.56 μs 사이일 수 있으며, 이 경우에도 테스트를 통과합니다. T2 = 50 μs(20%)의 반전압 도달 시간은 실제 40~60 μs의 시간으로, 이 경우에도 테스트를 통과할 수 있습니다. 이러한 테스트는 400V 진공 개폐기부터 765kV 변압기 부싱에 이르기까지 거의 모든 고전압 제품에 요구됩니다.

스위칭 임펄스(SI)는 전력망에서 스위칭으로 인해 발생하는 과도 과전압 현상을 재현합니다. 예를 들어 장거리 송전선로에 전력을 공급하거나, 커패시터 뱅크를 차단하거나, 부하 상태에서 고전압 차단기를 개방할 때 이러한 현상이 발생합니다. 이러한 모든 현상은 빠른 과도 낙뢰 임펄스에 비해 지연 시간이 길고 지속 시간이 긴 스파이크를 생성합니다. 일반적인 스위칭 임펄스 파형은 250/2500 μs이며, 전면 시간 250 μs(20%), 반값 도달 시간 2,500초(60%)입니다. 스위칭 과도 현상은 훨씬 더 크게 변동할 수 있으므로 스위칭 임펄스 파형에는 더 넓은 허용 오차 범위가 사용됩니다.

정격 전압이 약 72.5kV 이상일 경우, IEC 62271-100에서는 일반적으로 낙뢰 임펄스 내전압 시험과 스위칭 임펄스 내전압 시험을 모두 의무적으로 실시하도록 규정하고 있습니다. 이는 다소 모순적으로 보입니다. 가공선, 옥외 표면 애자, 옥외 설비의 긴 연면거리와 같은 긴 외부 공극에서는 스위칭 임펄스의 상승 속도가 느릴 때 절연 파괴 전압이 낙뢰 임펄스 전압을 초과하기 때문입니다. 따라서 방전 전파가 완전히 진행되는 데 시간이 걸리는 긴 공극에서는 스위칭 임펄스의 상승 속도가 느릴 때 섬락 전압이 낙뢰 임펄스보다 낮게 나타납니다. 250/2500μs 파형2는 완전한 전이 과정에 필요한 시간을 모사하기 때문에 이러한 시험에 적합하지만, 1.2/50μs 파형2는 그렇지 않습니다.

임펄스 내전압 시험의 작동 원리: 단계별 설명

IEC 60060-1에 따르면, 임펄스 내전압 시험은 제대로 수행될 경우 파형 확인, 대기 보정 및 샷 시퀀스 확인을 포함한 모든 검증 시험 세부 사항을 종합적으로 고려해야 유효합니다.

1단계: 시험 전 준비

1. 측정 시스템을 교정하십시오. 디지털 측정 시스템과 전압 분배기는 각 테스트 전에 정확도를 점검하고 IEC 60060-2 요구 사항에 따라 재교정해야 합니다. 허용 오차 범위를 벗어난 장비는 고장을 숨기거나 원치 않는 불량품 발생의 원인이 될 수 있습니다.
2. 대기 보정. IEC 60060-1은 모든 시험 세션 전에 온도, 압력 및 절대 습도를 기록하도록 규정합니다. 대기 보정 비율 k를 기반으로, IEC 60060-2 방법에 따라 k를 곱하여 프로그래밍된 Uimp 값은 실제 발사에 사용되는 전압보다 높을 수 있습니다. 고도가 높거나 습한 환경에서 시험할 경우 몇 퍼센트의 차이가 발생할 수 있습니다.
3. 시료를 검사하십시오. 표면 오염, 습기 및 기계적 손상 여부를 확인하십시오. 오염된 시료로 얻은 결과는 장비의 충격 내성 성능을 정확하게 반영하지 못하므로 사용이 거부될 수 있습니다.
4. 저전압 파형 검사를 수행합니다. 시편에 목표 Uimp의 50~75%에 해당하는 임펄스를 가하고 파형의 T1 및 T2 지점을 기록합니다(IEC 60060-1 기준). T1이 IEC 60060-1에서 요구하는 예상 값의 (1.2μs ≤ 30%) 범위 내에 있고, T2가 (50μs ≤ 20%) 범위 내에 있는지 확인합니다. 저전압에서 파형 검사가 확인되면 이후 임펄스 측정 시에는 최대 전압으로 증가시킵니다.

2단계: 내구력 테스트 순서

기본 테스트 프로토콜은 지정된 Uimp에 일련의 임펄스 샷을 적용합니다.

• 테스트 횟수: 일반적인 임펄스 내압 시험 범위는 제품 표준 지침에 따라 형식 시험 시 극성당 15회의 임펄스 샷입니다. 일반적으로 저전압 일상 시험에서는 전체 형식 시험 프로토콜을 다시 수행하지 않고도 제품 일관성을 보장하기 위해 더 적은 횟수의 임펄스 샷을 적용합니다.
• 극성 순서: 양극 및 음극 임펄스가 인가됩니다. 절연체의 구조에 따라 극성에 대한 영향이 다를 수 있습니다. 예를 들어, 75kV 양극 임펄스는 견딜 수 있는 비대칭 전극 시스템의 경우, 음극 임펄스는 더 낮은 전압에서 섬락을 일으킬 수 있습니다.
• 샷 간 간격: 샷 전달 사이에 최소 1초의 간격이 있어야 합니다. 이는 공기 간극에서의 일시적인 이온화가 그 시간 동안 붕괴로 인해 감소하기 때문입니다.
• 평가 기준: 파괴적인 독특함, 섬광 또는 천공, 테스트의 Pouvant 행사자, tel que défini lors du lancement. toute dégradation d'isolement devra être considérer comme une dégradation du test.

파동 충격 시험

명시된 전파 정합 시험 외에도 일부 제품 표준(가장 일반적인 전력 변압기용 IEC 60076-4 및 다양한 IEEE BIL 프로토콜)에서는 차단파 시험을 요구합니다. 이 시험에서는 파형이 미리 정해진 과전압 수준(일반적으로 전파 정합 피크의 약 1.1~1.15배)까지 상승한 후, 스파크 갭이 파형을 "차단"하여 2~6μs의 시간 동안 전압을 급격히 감소시킵니다. 차단파는 권선 절연에 특정한 응력 패턴을 가하며, 전파 정합에서는 잘 드러나지 않는 취약 영역을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

모터 및 변압기 권선의 절연 성능에 대한 턴 간 검사, DEMIKS 턴 간 충격 내전압 테스터 이 장치는 권선 테스트 시 권선 간 절연 손상을 더 조기에 파악할 수 있도록 특수한 임펄스를 도입합니다. 이는 장비 수준의 전체 임펄스 내압 테스트에 일반적으로 적용됩니다.

임펄스 전압 발생기의 내부: 마르크스 회로에서 측정까지

40kV~7200kV의 시험 전압에서 1.2/50μs의 파형을 단일 고전압 전원 공급 장치에서 어떤 회로 구성으로도 직접 생성하는 것은 불가능합니다. 그 해답은 1923년 에르빈 마르크스가 발명한, 오늘날까지도 일반적인 임펄스 전압 발생기 설계에 지배적인 회로 구성 방식에 있습니다. 바로 여러 개의 커패시터를 병렬로 충전한 다음, 스파크 갭의 캐스케이드를 통해 직렬로 방전하는 것입니다.

마르크스 회로의 작동 방식

마르크스 회로는 n개의 동일한 단계로 구성됩니다. 각 단계에는 커패시터 C, 충전용 저항, 그리고 스파크 갭이 있습니다. 고전압 직류 전원은 충전 단계에서 모든 커패시터를 동시에 Vc 전압까지 충전합니다.

전하 저항에서 모든 구성 요소는 병렬로 유지되지만 단계는 분리됩니다.

트립이 초기 스파크 갭에 점화되면 즉각적인 연쇄 반응이 시작됩니다. 첫 번째 커패시터의 전압이 두 번째 커패시터에 이미 존재하는 전하와 합쳐져 두 번째 스파크 갭 양단에 2Vc의 전압이 걸립니다. 이로 인해 갭이 단락되고 세 번째 커패시터에 3Vc가 걸리면서 전자의 흐름이 발생합니다. 이러한 연쇄 반응은 나노초(ns) 동안 모든 n단계를 거쳐 진행되며, 커패시터들은 효과적으로 직렬 연결되어 출력 전압이 nVc가 됩니다.

파형 형성: 전면 및 후면 저항

1.2/50 μs 형태는 마르크스 뱅크 외부에 있는 두 개의 RC 네트워크에 의해 결정됩니다.

• 전면 저항(Rf)은 발생기와 테스트 대상 사이에 있는 저항입니다. 회로에서 이 요소는 상승 시간(T1)을 제어하는 ​​역할을 합니다. Rf 값을 증가시키면 전면 상승 속도가 느려지고, Rf 값을 감소시키면 상승 속도가 빨라집니다.
• 테일 저항(Rt)은 테스트 대상과 병렬로 연결됩니다. 감쇠 시간(T2)을 설정하며, Rt 값이 클수록 감쇠에 소요되는 시간이 길어집니다.

발전기 제조업체는 IEC 60060-1 허용 오차 범위 내에서 원하는 파형을 얻기 위해 Rf 및 Rt 값을 선택합니다. 테스트 대상의 정전 용량 변화(예: 짧은 케이블 구간 테스트와 대형 변압기 부싱 테스트)는 유효 파형을 다르게 만들 수 있으므로, 허용 오차 범위 내에 유지되도록 전면/후면 저항값을 미세 조정해야 할 수 있습니다.

측정 체인

수 마이크로초 동안 지속되는 100킬로볼트의 고장을 측정하려면 세 가지 필수 구성 요소로 이루어진 전용 측정 체인이 필요합니다.

1. 고전압 임펄스 분배기 – 측정 기기가 허용 가능한 신호 스케일을 인식할 수 있도록 1000:1 이상과 같이 정확하게 결정된 비율에 따라 임펄스 전압을 분배합니다. (데믹스) AC/DC 전압 분배기 IEC 60060-2에 명시된 비율과 정확도로 제공됩니다. 충분한 대역폭이 확보되면 분배기는 임펄스 파면을 정확하게 재현합니다(예: 1.2μs 파면 시간).
2. 저손실 동축 케이블은 분할기 출력에서 ​​녹음 장비로 스케일링된 신호를 파형 왜곡 없이 전송합니다. 케이블의 길이와 임피던스는 분할기 출력의 임피던스와 일치합니다.
3. 디지털 임펄스 레코더는 나노초 단위의 시간 해상도로 파형을 캡처하여 기록하고 후속 파형 분석을 수행합니다. IEEE Std 1122-2024는 측정된 임펄스 결과가 신뢰할 수 있는 테스트 보고서에 사용되기 위해 임펄스 레코더가 사용해야 하는 대역폭, 샘플링 속도 및 전체 정확도를 정의합니다.

디지털 시대에 임펄스 측정 시스템에서 보정된 전압 분배기와 고대역폭 디지털 레코더의 조합은 IEC 60060-1:2025에 의해 촉발된 표준 시스템으로 아날로그 전압계를 대체했으며, 주 파형과 함께 코로나 이온화 활동을 기록함으로써 섬락 전 활동에 대한 추가적인 정보를 제공합니다.

절연 내력과 임펄스 내력: 어떤 시험이 무엇을 증명하는가?

절연 내압 시험(hipot)과 임펄스 내압 시험은 모두 절연 시스템의 절연 품질을 평가하는 시험이지만, 스트레스 조건을 적용하는 방식이 다르기 때문에 식별하는 고장 유형도 다릅니다. 두 시험을 혼동하면 두 시험 중 하나 또는 둘 다에서 최적화되지 않은 장비 설계로 이어질 수 있습니다. 따라서 각 시험의 적용 방식에 대한 심층적인 이해는 설계 사양을 수립하고 두 시험 중 하나 또는 둘 다 필수적인지 판단하는 데 도움이 됩니다.

한 시험에 합격했다고 해서 다른 시험에 합격한 것은 아닌 이유

저전압 장비의 경우, 절연 내력 시험 전압은 (IEC 60947-1에 따라 약 2Ui + 1,000V) 동일 장비의 Uimp 값과 실질적으로 유사한 크기를 가집니다. 예를 들어, Ui 정격이 690V인 MCCB의 경우 절연 내력 시험 전압은 약 2,380V AC이며, 이는 최대 Uimp 값인 8,000V보다 훨씬 낮습니다. 응력의 변화는 두 시험이 절연 성능의 완전히 다른 측면을 평가한다는 것을 의미합니다. 하나는 서서히 증가하는 응력에 대한 전체 절연체의 특성을 평가하는 것이고, 다른 하나는 순간적인 오버슈트 동안의 목표 절연 간격 형상을 평가하는 것입니다.

특정 공기 간격을 확보한 장비에 대해 60초 절연 내력 시험을 통과했다고 해서 동일한 절연 시스템을 사용하더라도 동일한 크기의 Uimp(초임계 임펄스)에 노출되었을 때도 통과한다는 보장은 없습니다. 반대로, Uimp 시험에 충분한 공기 간격을 확보한 장비라도 단기 임펄스 섬락에는 영향을 미치지 않는 방식으로 오염된 경우 전력 주파수 절연 내력 시험을 통과하지 못할 수 있습니다. 따라서 절연 저항을 확실하게 확인하려면 두 가지 시험 모두 필요합니다.

이상적으로 적합 유전체 테스트 생산 라인 또는 현장 시운전 중에 DEMIKS 전력 주파수 내전압 장치는 제조부터 시운전까지 모든 일상적인 고전압 절연 시험(hipot testing)을 지원합니다. 절연 저항 값이 높은 값이 유전체 시험에 포함되는 경우, 당사 가이드를 참조하십시오. 절연 저항 측정기 이해하기.

임펄스 테스트 실패의 실제 원인과 해석 방법

임펄스 테스트 실패는 단순히 합격/불합격 여부만을 나타내는 데이터가 아니라, 중요한 진단 신호입니다. 시험소 및 현장 조사에서 나타나는 네 가지 전형적인 임펄스 실패 패턴을 파악하면 불합격된 시편을 귀중한 설계 정보로 활용할 수 있습니다.

고장 모드 1: 표면 섬락

표면 섬락은 가장 흔한 임펄스 테스트 실패 원인입니다. 전압이 고체 절연체의 대부분을 뚫고 흐르는 대신, 부싱, 인쇄 회로 기판 또는 절연체의 연면 거리와 같은 표면을 따라 최소 저항 경로를 따라 흐릅니다. 그 결과 발생하는 아크는 임펄스가 감소하면서 소멸되고 표면에 탄소 흔적을 남깁니다.

표면 섬락은 세 가지 주요 원인으로 발생할 수 있습니다. 오염 정도 및 전압 수준에 비해 연면 거리가 부족한 경우, 전도성 먼지나 수막에 의한 표면 오염, 또는 특정 절연체 가장자리나 모서리를 따라 전기장을 집중시키는 기하학적 형상이 그 예입니다. 연면 거리를 늘리거나, 적합 코팅을 적용하거나, 전극 형상을 변경하면 부품에서 절연 재료를 제거하지 않고도 대부분의 표면 섬락 고장을 해결할 수 있습니다.

고장 모드 2: 절연체 관통

관통 파손은 임펄스 전압이 고체 절연 재료 자체를 뚫고 들어가 영구적인 전도 채널을 형성할 때 발생합니다. 표면 섬락과 달리 관통 파손은 복구가 불가능합니다. 시험편은 파손되어 다시 사용할 수 없습니다. 정격 임펄스 내전압 이하에서 발생하는 관통 파손은 설계가 공표된 정격을 충족하지 못함을 나타냅니다. 이는 절연 두께가 불충분하거나 재료에 기포, 이물질 혼입 또는 박리 등의 제조 결함이 있음을 의미합니다.

충격 시험 말단에서 발생하는 관통 실패는 제조 결함이 아닌 설계 결함을 나타냅니다. 인증 시험을 계속 진행하기 전에 장비 설계를 수정해야 합니다.

고장 모드 3: 점진적 부분 방전(섬락 전 열화)

내부의 저에너지 공극, 방전 전극의 가장자리 또는 절연체 사이의 계면은 즉각적인 섬락을 일으키지 않습니다. 대신, 반복적인 접촉으로 인해 점진적인 손상이 발생합니다. 부분 방전 여러 번의 상승 임펄스로 인한 활동은 절연체를 점진적으로 취성화시킵니다. 장비는 첫 번째 적용 시 임펄스 내성 테스트를 통과할 수 있지만, 저항 절연체의 부분 방전이 장기간 지속되면 그 영향으로 인해 점진적인 열화가 발생합니다. 특히 임펄스 플래싱 임계값 미만의 수준에서 절연체에 반복적으로 스트레스를 주는 잦은 스위칭 과도 현상이 발생하는 설비에서 이러한 현상이 두드러집니다.

CIGRE에서 실시한 분석에 따르면, 사용 전압에서 발생하는 회로 차단기 고장의 20% 이상이 절연 관련 문제인 것으로 나타났습니다. 이러한 고장 중 상당수는 임펄스 내압 시험에서 감지할 수 있는 단일 절연 파괴가 아니라, 부분 방전 활동으로 인한 누적 손상 때문입니다. 단기적으로는 부분 방전 테스트 형식 시험 중 임펄스 테스트와 병행하여 실시하면 발행일 이전에 잠재적인 부분 방전 고장 모드와 그 전조 현상을 파악할 수 있습니다. 이는 합격/불합격 기준만으로는 제공할 수 없는 수준의 통찰력입니다.

실패 모드 4: 유형 테스트와 일상 테스트 혼동

또 다른 실패 원인은 실제 물리적 고장이 아닌 조달 오류인데, 이 경우에도 현장에서의 결과는 마찬가지로 막대할 수 있습니다. 모든 장비 데이터시트에 기재된 Uimp 값은 공인 시험기관에서 설계 샘플을 대상으로 수행한 형식 시험을 통해 산출됩니다. 일반적으로 모든 장비에 대해 수행되는 일반 생산 시험은 더 낮은 전압과 더 짧은 시험 시간을 사용하여 제조 품질을 검증합니다. 하지만 일상적인 시험 보고서만으로 장비의 검증된 Uimp 값을 인정하는 것은 잘못된 것입니다. 일상적인 시험은 공장 내 생산의 균일성을 보여줄 뿐이며, 설계의 진정한 임펄스 내압 값은 형식 시험을 통해서만 확인할 수 있습니다.

이후 낙뢰로 인한 현장 고장은 조달 시 일상적인 테스트 보고서만 검토한 장비, 그리고 해당 장비가 Uimp에 대해 규정된 것보다 낮은 과전압 범주에 설치된 장비에서 비롯된 것으로 밝혀졌습니다. 이는 OEM의 실수로 인한 것이 아니라, 조달 사양에서 두 가지 테스트 수준을 구분하지 못했기 때문입니다.

임펄스 시험의 미래: IEC 60060-1:2025 및 변경 사항

임펄스 테스트 기술은 끊임없이 발전하고 있습니다. 2025년에 발표될 예정인 IEC 60060-1 제4판과 디지털 레코더에 대한 새로운 IEEE 표준에는 이미 주요 테스트 연구소에서 확인할 수 있는 실질적인 변화가 반영되어 있습니다.

IEC 60060-1:2025(4판) - 알아두면 유용한 세 가지 변경 사항

• 초고전압(UHV) 영역에서의 응용 분야에 대한 요구 사항을 해결했습니다. 4판은 특히 1,000kV AC 또는 1,500kV DC 이상의 전압에서 사용되는 장비를 대상으로 하며, 이는 아시아와 중동 전역에 빠르게 확산되고 있는 대규모 UHV 송전망에서 흔히 볼 수 있는 유형입니다. 기존 IEC 표준은 이러한 분야에서 시험 방법이 아닌 시험 편의성만을 제공했습니다. 이제 UHV 장비 제조업체를 지원하는 임펄스 시험소는 프로젝트별 타협안을 마련할 필요 없이 공식적인 절차를 갖추게 되었습니다.
• 새 버전에서는 파형 검증 절차가 업데이트되었습니다. 최고 전압 레벨에서 테스트 대상 내의 매우 높은 정전 용량 부하로 인해 파형이 왜곡될 수 있습니다. 발전기 전압 파형으로 인해 측정 대상 매개변수 계산이 왜곡되는 문제가 발생하는데, 이 문제를 해결하는 방법에 대한 자세한 내용은 새 개정판에서 확인할 수 있습니다. 대형 시험체를 다루는 전력 변압기 연구소에서는 3판에서 이미 해결책을 개발했는데, 새 개정판에서는 해당 방법을 정리했습니다.
• 제4판에서는 공식적인 디지털 파형 분석 부록을 추가했습니다. 이 부록에는 제3판 부록 C의 수동 계산 방법을 보완하는 전용 소프트웨어 기반 파형 분석 프레임워크가 포함되어 있습니다. 이를 통해 저전압 및 정상 전압에서의 파형을 자동으로 비교하는 디지털 비교 방식이 이제 보조적인 접근 방식이 아닌 표준 분석 방법으로 자리 잡았음을 공식적으로 인정합니다.

IEEE 표준 1122-2024 — 디지털 레코더의 최소 요구 사항

IEC 업데이트와 함께 IEEE는 임펄스 전압 및 전류 측정에 사용되는 디지털 레코더에 필요한 작동 매개변수(최소 대역폭, 샘플링 속도, 동적 범위 및 정확도)를 명시한 표준 1122-2024를 발표했습니다. 이 표준은 모든 디지털 오실로스코프가 IEC 60060-1에서 규정한 1.2ms의 프런트 타임을 처리할 만큼 충분한 광대역 또는 정확도를 갖추고 있지 않기 때문에 유용합니다. 이제 시험 기관과 구매 담당자는 임펄스 작업에 사용할 디지털 레코더를 요청하거나 평가할 때 임펄스 측정에 적합하지 않을 수 있는 일반적인 대역폭 사양에 의존하는 대신 IEEE 표준 1122-2024를 직접 참조할 수 있습니다.

자동화 및 현장 임펄스 테스트

충동 측정 검사의 일반적인 시행에 영향을 미치는 두 가지 장기적인 추세는 다음과 같습니다.

• 자동화된 시험 플랫폼은 임펄스 발생기 제어, 파형 캡처, 기상 보정 계수 계산, 합격/불합격 판정 및 시험 보고서 생성을 하나의 소프트웨어 제품군으로 통합합니다. 이를 통해 시험 순서에서 발생하는 인적 오류를 최소화하고, 대량 시험 처리량을 가속화하며, 수동 기록이 필요 없는 IEC 60060-1 문서화 요건을 충족하는 표준화된 보고서를 생성합니다.
• 100~500kV 범위의 소형 마르크스 발생기를 현장에 배치할 수 있으므로 배전망 장비의 현장 휴대용 임펄스 테스트가 가능합니다. 최근 배전 개폐기의 현장 낙뢰 임펄스 테스트에 대한 조사에 따르면 테스트 장비의 교정 과정은 제조업체 공장에서 수행할 수 없지만, 중앙 실험실로 이동하기 어려운 장비의 경우 현장에서 공장 수준의 교정 및 테스트 품질을 유지하면서 수행할 수 있습니다. 이 정보는 배전망 운영자를 지원하는 DEMIKS 고객에게 매우 중요합니다.

정격 임펄스 내전압에 대한 자주 묻는 질문