1. 서 론

IEC 62305-1의 표준에서 서지는 과전압 및 과전류로서 나타나는 뇌전자기임펄스 (LEMP : Lightning Electro Magnetic Pulse)에 의해 발생하는 과도현상이라고 정의한다. 건축물 및 인입선로 주변에 낙뢰가 피격될 경우 서지가 옥내에 유입될 수 있으며, 서지 유입 시 전기 · 전자기기에 치명적인 손상을 초래한다. 이로 인해 화재 및 폭발과 같은 전기재해를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 데이터손상 등 다양한 측면에서의 손실을 야기할 수 있다⁽¹⁾.

IEC 62305-3에서는 이를 보호하기 위해 건묵출 외부와 내부에 피뢰시스템을 설치하도록 구분하고 있다. 외부 피뢰 시스템은 낙뢰를 유도하기 위해 설치하는 수뢰부와 수뢰부로부터 유입된 서지를 접지전극으로 전달하는 인하도선, 서지를 대지로 방류하기 위해 설치하는 접지시스템으로 구성되어 있다. 하지만 완벽하게 접지로 유도되지 못하고 잔류하는 서지가 건축물 내부에 유입되어 불꽃방전을 발생시킬 수 있다. 이처럼 외부 피뢰 시스템 또는 피보호 구조물의 도전성 부분을 통하여 흐르는 서지전류를 제한하기 위해 전위차를 감소시키는 본딩시스템과 서지보호기 (SPD : Surge Protection Device) 등으로 구성되어 있는 내부 피뢰 시스템을 설치하여 보호하고 있다^(2,3).

내부 피뢰 시스템 중 하나인 SPD는 서지를 제한하고 전환하는 비선형 소자를 최소 1개 이상 포함하는 장치로 보호하고자 하는 기기와 병렬로 연결하여 설치한다. SPD는 정상상태 시 높은 저항성을 형성하여 회로에 개방상태를 유지하지만, 서지가 유입되면 낮은 저항성을 회로에 형성하여 피보호기기에 서지가 유입되는 것을 방지하고 접지시스템을 통해 대지로 방류하는 보호원리이다⁽⁴⁾.

하지만 항상 사용 전압이 인가된 상태에서 보호동작을 수행하고 있기 때문에 장시간 운전 시 사용 전압에 의한 열화 또는 서지에 의해 발생되는 누설 전류로 인한 열화가 진행된다. 열화의 정도가 심화되어 일정 수준 이상 누적될 경우 정상적인 보호동작을 수행할 수 없으며, 보호소자로 사용되는 바리스터에서 열 폭주가 발생하고 이는 분전반 내부에서의 화재로 이어질 수 있다^(5,6).

바리스터의 열 폭주로 인한 화재를 예방하기 위해 SPD 소자 내부에 표시등을 설치하여 점등상태를 확인하는 방법과 서지 카운터를 설치하여 서지의 유입 횟수가 기록되는 등의 여러 고장 진단 방법이 적용되고 있지만, 이러한 방법들은 관리자가 주기적으로 현장을 방문하여 점검을 필요로 하며, 서지 카운터의 경우 유입된 서지의 크기가 각기 상이하기 때문에 횟수로 판단하기에는 적절하지 않다는 문제점이 있다. 또한 제시된 방법들은 SPD의 소손이 발생해야지만 검출이 가능하기 때문에 예방을 목적으로 활용하기에는 미흡한 실정이다[7 - 9]. 본 연구에서는 열화로 인해 SPD에 내장된 바리스터에서 발생하는 열 폭주 현상을 예방하기 위한 연구를 진행하였으며, 바리스터에 가속 열화 시험을 수행하여 전압에 따른 누설 전류 및 비선형 계수의 변화를 분석하였다. 고장 시 물리적 특성 변화를 확인하여 고장 진단 방법으로의 적절성에 대해 연구하였다.

2. 이론적 배경 및 실험구성

3. 실험결과

그림 5는 교류 전원 장치인 내압시험기를 사용하여 전압을 인가했을 때 전압 파형이다. 내압시험기로부터 바리스터 소자에 교류 정현파를 인가하였지만 바리스터와 연결하여 회로를 구성한 경우의 출력 파형을 확인한 결과 왜곡이 발생하였다. 이는 기본파(60hz)와 기본파의 정수배인 주파수를 갖는 고조파 성분이 중첩됨에 따라 파형에 왜곡이 발생하게 된다. 고조파는 전력계통 내의 비선형 요소에 기인하기 때문에 바리스터와 같은 반도체 소자의 비선형 요소는 전압이 전류에 대하여 비례하지 않는다. 따라서 이러한 바리스터의 비선형 특성으로 인해 전압 파형에 왜곡을 유발하게 된다⁽¹⁷⁾.

그림 6은 열화 진행 전 바리스터와 일정 시간 과전압을 인가하는 가속 열화 시험을 진행하여 성능의 저하가 발생한 각각의 바리스터 소자에 내압시험기를 사용하여 360 V$_\text{rms}$의 정현파를 인가했을 때 누설 전류 그래프이다. (a)는 열화를 진행하지 않은 바리스터 소자에 정현파를 인가하였으나 바리스터의 비선형 특성으로 인해 기본파와 고조파의 중첩으로 파형에 왜곡이 생성되었다. 하지만 실험 시 측정되는 전류의 크기가 매우 작기 때문에 노이즈로 인한 파형의 왜곡이 심화되어 나타났다. (a)의 최대 누설 전류 크기는 0.197 mA였다. 6 mA의 누설 전류에 해당하는 전압을 50시간 동안 인가하여 열화를 진행한 (b)의 경우 pn접합 특성으로 인해 전류가 한 방향으로만 흐르기 때문에 양의 주기에 비해 작은 크기의 음의 주기를 갖는다. (b)는 누설 전류의 크기가 2.312 mA으로 증가하였으며, 또한 각각의 누설 전류 파형에 대해 FFT(Fast Fourier Transform) 계산 후 7고조파 성분까지의 함유량을 분석한 결과 열화 진행 후 전체 누설 전류 및 고조파 크기의 증가와 짝수차 고조파의 급격한 증가를 확인하였으며, 표 2에 열화 전·후 고조파 차수별 누설 전류의 크기를 나타내고 있다.

그림 7은 열화가 진행된 바리스터의 누설 전류 및 고조파 성분 크기 변화를 분석하기 위해 인위적으로 과전압을 인가하여 가속 열화 시험을 진행 후 동작 전압(360 V$_\text{rms}$)에서의 변화를 측정하였다. (a)는 3 mA 누설 전류를 10시간 간격으로 총 50시간 바리스터에 통전한 후 고조파 함유율을 비교한 그래프이다. 3 mA 누설 전류 통전 시 홀수차 고조파 크기의 변화는 미비하였으나 짝수차 고조파의 생성을 확인하였다. (b)는 이와 동일한 방법으로 4.5 mA 누설 전류를 통전한 후 고조파 함유량을 비교한 그래프이며, 3 mA와 비슷한 추이를 보였다. 3 mA, 4.5 mA 열화 시험 결과의 원인으로 열화 시 발생하는 100℃ 정도의 온도로 인해 바리스터의 미세구조가 재결정되어 열화 전과 비교하여 홀수차 고조파 함유량이 감소하는 추이를 보였다고 판단된다. 하지만 6 mA의 누설 전류 통전 시 임계값을 초과하여 열화가 진행됨에 따라 40시간 이후 바리스터 홀수차 고조파의 크기가 증가하였으며, 짝수차 고조파 또한 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 열화로 인한 짝수차 고조파의 생성 및 크기의 증가는 열화 정도를 파악하는 방법이 될 수 있으며, 성능 저하가 발생하는 크기의 누설 전류 및 차수별 고조파 크기를 기준으로 고장을 진단할 수 있다고 판단된다.

그림 8은 각각 50시간씩 열화 진행 후 고조파 함유량을 비교한 그래프이다. 3 mA, 4.5 mA, 6 mA의 열화 진행 결과에서 짝수차 고조파의 함유량이 증가하였다. 이를 통해 열화가 진행될 경우 짝수차 고조파 성분이 생성됨을 확인하였으며, 성능 저하가 발생한 6 mA 누설 전류 통전 실험 시에 짝수차 고조파 크기를 기준으로 선정하여 기준 누설 전류 이상이 검출되는 경우를 고장으로 판단하는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 6 mA 누설 전류 통전 시험 결과를 통해 3 mA와 4.5 mA 역시 장시간 지속적인 누설 전류에 노출될 경우 열화로 인해 고조파 함유량이 증가할 수 있음을 확인할 수 있다.

가속 열화 시험에 대한 결과의 원인을 분석하기 위해 THD (Total Harmonics Distortion)의 변화율을 산출하였다. THD는 총 고조파 왜곡으로 식 (4)와 같이 2 ~ n 차수의 고조파의 제곱의 합을 기본파로 나누어 FFT 계산을 사용하여 전류 및 전압 파형 내에 포함된 총 고조파 왜곡을 도출할 수 있다.

열화에 따른 % THD를 계산하여 그림 9와 같이 도출하였다. 열화전 ZnO 바리스터 특성상 94.07%의 높은 고조파 함유율을 나타내었다. 3 mA, 4.5 mA 가속 열화 시험 결과 열화로 인한 짝수차 고조파의 생성으로 인해 전체 누설 전류에 고조파 성분의 증가로 열화 전 바리스터보다 높은 % THD값을 보였다. 6 mA 가속 열화 시험의 경우 고조파 성분의 크기가 증가하였지만, 기본파 누설 전류의 크기 증가가 상대적으로 크기 때문에 78.33%로 % THD값은 감소한 것으로 나타났다.

그림 10은 열화 전 바리스터와 3 mA, 4.5 mA, 6 mA 누설 전류 가속 열화 시험 후 전압을 50 V$_\text{rms}$부터 410 V$_\text{rms}$까지 5 V$_\text{rms}$씩 단계적으로 증가시키며 이에 따른 전류의 크기 변화와 기울기를 분석한 그래프다. 3 mA, 4.5 mA 가속 열화 시험 시 열화 전 바리스터와 비교하여 동작 개시 전압과 바리스터 전압이 증가하여 성능의 저하가 발생하지 않은 것처럼 보여질 수 있다. 하지만, 중전류 영역에 해당하는 구간에서의 I-V 기울기가 완만하게 변화된 것을 확인할 수 있으며, 이는 비선형 계수의 감소를 의미하고 있다. 확연한 성능의 저하가 발생한 6 mA 가속 열화 시험 결과 200 V$_\text{rms}$ 이전에서부터 누설 전류의 상승이 시작되는 것을 확인하였다.

비선형 계수($\alpha$)는 식 (5)를 통해 도출할 수 있다. 관계식에서 $I_{1}$와 $V_{1}$는 0.1 mA의 전류가 흐를 때의 전압값과 전류값을 의미하고 있으며, $I_{2}$와 $V_{2}$는 바리스터 전압인 1 mA의 전류가 흐를 때의 전압값 및 전류값을 나타내고 있다. ZnO 소자의 비선형 계수는 평균적으로 25 ~ 100의 값을 갖는다⁽¹⁸⁾.

그림 11은 열화 정도에 따른 비선형 계수의 변화를 분석한 그래프이다. 열화 전 바리스터의 비선형 계수 계산 결과 72.67로 산출되었지만 3 mA의 누설 전류를 50시간 동안 통전한 결과 비선형 계수가 21.79로 감소하였다. 4.5 mA 누설 전류 통전 시 비선형 계수는 19.95로 열화의 강도가 증가함에 따라 비선형 계수의 감소가 가속화됨을 확인할 수 있었다. 6 mA 누설 전류 통전 시험 결과 바리스터의 비선형 계수가 2.52까지 급격하게 감소하였으므로 정상적인 바리스터 기능을 수행할 수 없음을 확인하였다. 이러한 열화에 따른 비선형 계수 감소는 바리스터 소자의 고장을 판단하는 지표로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구는 과전압 및 누설 전류로 인한 SPD 열폭주 피해를 방지하기 위해 지속적으로 과전압을 인가하는 가속 열화 시험을 진행하였으며, 열화 정도에 따른 누설 전류에 포함된 고조파 함유량 및 비선형 계수의 변화에 대해 분석하였다. 열화 전 비선형 계수의 크기는 72.67이었으나, 3 mA, 4.5 mA 열화의 경우 짝수차 고조파의 생성 및 비선형 계수(3 mA: 21.79, 4.5 mA: 19.95)의 감소가 발생하였지만 기준 전압이 감소하는 등의 성능 저하는 발생하지 않았다. 하지만, 6 mA의 경우 누설 전류와 차수별 고조파의 크기가 증가하였으며, 비선형 계수(2.52) 및 바리스터 전압이 급격하게 감소하였다. 이와 같은 물리적 특성의 변화는 누설 전류에 의해 바리스터에서 열이 발생하게 됨에 따라 내부 미세구조가 재결정화 되는 과정에서 입계면의 변화에 따라 누설 전류의 크기가 증가하게 된다. 이러한 특성 변화를 통해 바리스터의 성능 저하 발생 시에 누설 전류 및 비선형 계수의 변화를 기준으로 선정하여 기준 이상의 값을 검출하는 고장 진단 방법으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.