2.1 MOV 성능 설계

DC 차단기의 동작 메카니즘을 그림 1에 나타내었다. 정상 전류 시 주회로로 도통되어 안정적인 전류가 부하단으로 유입된다. 고장 전류 발생 시 주회로의 접점이 개극하면서 정류회로로 우회하게 되고, MOSA는 전류영점과 정상전압에 도달하는 시간 동안 저항성 인덕턴스에 저장된 잔류에너지를 흡수하고, 접점 양단의 TIV전압을 억제하여 접점을 보호하여야 한다^[3].

그림 1. DC 차단기 동작 메카니즘

Fig. 1. DC Circuit Breaker Operating Mechanism

DC 차단기에서의 MOSA는 다수의 MOV가 직·병렬로 구성되어야 하며, MOSA의 부피는 DC 차단기 설계 요인 중 하나이다. 따라서, MOSA 단위 구성 소자인 MOV의 단위 높이당 기준전압과 단위 면적당 흡수에너지 밀도를 고도화하여 MOSA의 부피를 최소화할 수 있는 연구가 필요하다.

본 논문에서는 MOV의 구체적인 성능 설계를 위하여, MVDC 배전망 차단기의 성능 규격을 정격전압 42 kV, 최대 고장 전류(Peak fault current) 10 ㎄, 차단 동작 시간 3 ㎳ 이내, 최대 고장에너지 2 MJ로 설정하였다^[5-7]. 기존 AC 전력계통에 과전압 억제목적으로 사용하는 MOV를 DC 배전망에 적용하기 위해서는 다음과 같은 특성이 요구된다. 연속사용전압을 DC 전압에 맞게 상향 조정해야 하고, 지속적인 전압 스트레스를 견딜 수 있어야한다. 방열 및 에너지 흡수 용량을 늘려 장시간 지속되는 과전압 환경에서도 안정적인 성능을 유지해야 한다.

DC 차단기 동작 시 발생하는 TIV는 MOSA에 의해 억제되고, 전류영점과 정상전압으로 회복되는 수 ㎳의 시간 동안 발생하는 고장 에너지는 MOSA를 통해 흡수 및 소호되어야 한다^[3]. 큰 고장에너지량을 흡수하기 위해서 DC 차단기에서의 MOSA는 다수의 병렬로 구성되며, MOSA의 부피는 DC 차단기 설계 요인 중 하나이다. 따라서, MOSA의 부피를 최소화하기 위해 MOSA 단위 구성 소자인 MOV의 단위 높이당 기준전압과 단위 면적당 흡수에너지 밀도를 고도화할 수 있는 연구가 필요하다. 아래 그림 2는 DC 차단기 동작 시 과도전압 및 전류 차단 개념도이다.

그림 2. DC 차단기 개념도 및 V-I 특성 예

Fig. 2. DC Circuit Breaker Concept Diagram and V-I Characteristics Example

정격전압 42 ㎸와 흡수에너지 2 MJ의 조건을 충족하기 위하여 6개의 직렬 스택과 12개의 병렬 배열로 총 72개의 MOV로 구성된다. 아래 그림 3은 구성하고자 하는 DC 차단기용 MOSA 구상도이다. 따라서, 설정 성능을 충족하기 위해서 개별 MOV는 기준전압 7.2 ㎸, 제한전압 17 ㎸, 27 kJ 이상의 흡수에너지 특성을 보여야 한다.

그림 3. MOSA 모듈 구성도

Fig. 3. MOSA module diagram

2.2 MOV 조성 개발

앞서 말한 MOV 성능을 충족하고, 전체 MOSA의 부피를 최소화하기 위해 MOV의 단위 두께당 기준전압과 단위 면적당 흡수에너지 밀도를 향상시켜야 한다. 아래 그림 4는 일련의 MOV 소자 시편을 제작하기 위한 공정의 흐름도이다. 제작 공정에서 성능에 영향을 끼치는 주요 요인으로는 조성비, 과립 밀도, 성형 밀도, 소성 온도 등 많은 요인이 존재한다.

그림 4. MOV 제작 공정

Fig. 4. MOV manufacturing process

본 논문에서는 MOV 구성물질의 조성비에 따른 결과를 비교, 분석하고자 한다. 무기물의 조성비에 따라 MOV를 형성하는 산화아연 입자(ZnO grain)의 성장과 입계(grain boundary) 전도도 등의 특성 조정이 가능하다. 입자 성장을 억제하고 입계 특성을 조정하면 그림 5와 같이 동일 부피 내 입자 및 입계의 치밀도를 올라가고, 단위 두께당 기준전압과 단위 부피당 에너지 내량을 개선하는 효과를 얻을 수 있다. 이전 연구를 통해 조성물질 중 산화이트륨(Y2O3)의 도핑농도를 증가하여 단위 두께당 기준전압 특성을 향상시키는 연구 결과를 얻을 수 있었다^[7]. 하지만, 이는 MOV의 핵심 동작 특성인 V-I 비선형 동작 특성을 악화시킨다. 이러한 현상을 개선하기 위하여 Y2O3에 산화바륨(BaO)을 추가 도핑하여 비선형 동작 특성을 유지하며 단위 두께당 기준전압을 향상시킬 수 있는 연구가 진행되고 있다^[8]. 소성온도 1010℃일 때, 무기물(Y2O3,BaO) 함량에 따른 제작한 MOV 구성입자의 미세구조 사진이다. 산화이트륨만 첨가한 시표의 경우 평균적인 산화아연 입자의 크기는 12~15 ㎛ 이고 함량이 증가함에따라 입자의 크기가 조금 줄어들기는 했지만, 입계에서 절연층 역할을 해주는 산화비스무스상이 관찰되지 않았다. 이로인해 비선형성이 저하된 것으로 판단된다. 산화이트륨과 산화바륨을 동시에 첨가한 시편의 산화아연 입자 크기는 평균적으로 8~9 ㎛ 정도이고, 함량이 증가함에 따라 조금 더 작아지는 경향을 보였다. 산화이트륨만 첨가된 시편에 비해 입계에 절연층 역할을 하는 산화비스무스의 상도 비교적 잘 관찰되었다. 조성을 최적화해 ZnO 입자의 성장을 7~8 ㎛까지 억제하여 단위 두께당 더 많은 입자를 가질 수 있도록 하여 바리스터 전압을 상승시키는 효과를 얻을 수 있다.

그림 5. 조성에 따른 MOV 구성입자의 확대사진

Fig. 5. Micro-structure image of MOV according to composition

MOV 시료들은 앞서 설정한 성능 기준인 기준전압 7 ㎸를 충족하기 위하여 두께 22 ㎜로 제작하였다. 표 1은 조성에 따른 MOV 시료들의 단위 두께당 전압, 비선형 지수, 기준전압 및 제한전압을 측정한 결과이다. 기준전압은 1㎃가 흐를 때 MOV 양단에 걸리는 전압이다. 제한전압은 10㎄를 인가했을 때, MOV 양단에 걸리는 전압을 측정한 값이다. 비선형 지수는 아래 식에 의해서 정의되며 비선형성이 발현되는 부근의 값을 정량화시킨 것이다.

Sample1에서 5.85의 비선형성과 306 V/mm의 단위 두께당 전압을 얻을 수 있었다. 하지만 산화이트륨의 함량이 0.005 mol% 증가한 시편(Sample2)에서는 단위 두께당 전압이 309 V/mm로 소폭 증가하였으나, 비선형지수가 20% 정도 하락하는 결과를 보였다. 이는 입계층에서 절연층 역할을 하는 산화비스무스상의 성장을 방해한 결과로 추측된다. 그림 5의 Sample2의 미세구조 사진에서 볼 수 있듯이, 입계에 산화비스무층을 확인 할 수 없었다. 이러한 결과로 산화이트륨의 양을 0.01 mol%로 한정하고 추가적으로 산화바륨을 첨가해 특성을 측정했다. 그 결과, Sample3(0.03 mol% BaO를 첨가했을 때)에서 324V/mm의 전압상승 효과와 비선형지수가 100 % 증가하는 결과를 보였다. 이는 산화아연입자의 성장을 억제함과 동시에 안정적인 입계층을 형성했기 때문이다. Sample4(0.05 mol% BaO)는 단위 두께당 바리스터 전압의 변화는 미미했지만, 비선형성이 2.5 % 정도 상승하는 효과를 보였다. 이로써 산화아연 입자의 성장억제 효과가 최대로 나타나면서 안정적인 비선형성을 갖는 조성을 개발할 수 있었다.

2.3 MOV 성능 시험

MOV의 전기적 특성은 크게 3가지 영역으로 나누어서 생각할 수 있다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 소전류, 중전류 그리고 대전류 영역이다. 소전류 영역은 누설전류 특성이 두드러지는 부분으로 바리스터의 열폭주 현상을 방지하기 위해 특성이 조절되어야 하는 영역이다. 이 영역에서 전도 매커니즘은 열전자 방출(Thermionic emission) 및 호핑(Hopping) 전도에 의한 것으로 주로 열적으로 여기된 전자들에 의해서 전기 전도가 일어난다^[9]. 중전류 영역은 바리스터의 비선형성이 발현되는 구간으로 높은 비선형성을 가져야 우수한 전압 제한 특성을 보일 수 있다. 이 영역의 전도 메커니즘은 첨가제에 의해 입내 및 입계에 결함이 발생하게 되고 이 결함을 통한 전기 전도가 주요 매커니즘으로 알려져 있다^[10]. 대전류 영역은 바리스터의 에너지내량에 관련된 부분이다. 여기된 전자의 터

그림 6. 제작된 MOV V-I 곡선

Fig. 6. MOV specimen’s V-I curve

넬링 이펙트(Tunnel effect)에 의해서 전도도가 지수적으로 상승해 대전류를 통전할 수 있는 영역이다^[11-12].

저전류 및 중전류 영역의 특성을 측정하기 위해 Voltage-current characteristic tracer 장치를 이용했다^[13]. 표 1과 그림 6의 결과를 통해 산화이트륨이 증가함에 따라 기준전압이 증가했지만, 비선형성의 하락이 있었다. 이를 산화바륨을 첨가해 극복할 수 있었다. 산화바륨이 첨가됨에 따라 제한전압이 우수해졌고, 이는 더 높은 에너지내량이 나타난 이유이다. 대전류 영역의 에너지내량을 측정하기 위해 Impulse Current Generator를 사용했다^[14]. 이 실험은 8/20 ㎲ 전류 파형으로 고장 전류를 인가하였을 시, MOV 시료에 의해 제한되는 전압을 측정한다. 이는 ㎳ 단위의 차단기 제한전압 조건 대비 di/dt가 증가하여 보다 가혹한 환경조건에서의 특성을 측정할 수 있다. 이 장치의 사진이 아래 그림 7에 나타나 있다.

그림 7. 중전류 영역 제한전압 및 대전류 영역 에너지 내량 측정장치

Fig. 7. Medium current range claping voltage and high current range energy capability measuring device

대전류 영역의 에너지내량 특성으로 MOV 시료에 특정 시간 동안 제한전압에 해당하는 구형파를 2 ㎳ 의 시간 동안을 인가하고, 소자가 물리적으로 파괴되지 않고 정상동작이 가능할 때까지 전류량을 늘려가며 허용 에너지내량을 측정한다. 그림 8은 에너지내량 측정 결과이다. 임펄스 전류 발생기를 이용하여 그림 8(b)와 같은 구형파 전류를 MOV에 인가하였다. 구형파의 최대방전전류는 1.35 ㎄이며, 전류 크기 90% 이상 펄스 지속시간은 2.07 ㎳이다. 그림 8(a)는 구형파 전류를 인가하였을 때, MOV의 전압 파형이다. MOV에서 나타난 최대제한전압은 9.91 ㎸이었으며, 해당 전류와 전압 파형을 시간에 대해 적분을 취해 계산된 MOV 에너지 내량은 38.9 kJ이다.

그림 8. 흡수에너지량 측정을 위한 전류/전압 파형 결과 : (a)전압파형, (b)전류파형

Fig. 8. Current/voltage waveform results for measuring absorbed energy: (a) voltage waveform, (b) current waveform