PRPD 분석을 통한 코일 절연 결함 진단 및 절연 신뢰성 평가 = Insulation Defect Diagnosis and Reliability Assessment of Superconducting Coils Based on PRPD Analysis

국문 초록 (Abstract)

초전도 전력기기는 높은 전류밀도와 저손실 운전 특성으로 차세대 전력 및 의료 응용 분야에서 활용이 확대되고 있다. 이러한 시스템은 극저온 환경에서 운전되므로 전기적 절연과 열적 안정성을 동시에 확보해야 한다. 절연 설계는 기기의 신뢰성과 직결되며, 절연파괴는 단일 부품의 고장을 넘어 전체 시스템의 손상으로 이어질 수 있다. 따라서 극저온 절연내력을 정량적으로 이해하고 이를 설계에 반영하는 것이 중요하다. 초전도 코일은 초전도 전력기기의 핵심 구성 요소로, 자기장 발생과 전류 제어를 담당한다. 코일은 운전 중 강한 전자기력과 열수축 응력을 받기 때문에 절연 구조의 기계적 안정성이 요구된다. 이를 위해 고체 절연물을 함침(impregnation)하여 권선을 고정하는 방식이 사용된다. 그러나 재료 간 열수축률 차이로 계면 응력이나 미세 균열이 발생할 수 있으며, 이로 인해 절연내력이 저하되고 부분방전(Partial Discharge, PD)이나 절연파괴로 진행할 가능성이 있다. 냉각 과정에서 발생하는 열응력과 결합하면 손상 위험이 커진다. 반면 비함침(Non-impregnated) 구조는 이러한 결함의 가능성은 낮으나, 코일의 기계적 안전성이 약하다. 절연 방식과 재료 특성에 따른 절연내력을 극저온 환경에서 평가하는 것이 필요하다. 의료용 입자가속기에는 고속 충·방전이 가능한 새들(Saddle)형 고온초전도 코일이 적용된다. 새들형 코일은 곡면 구조로 자기장 분포 제어에 유리하지만, 3차원 형상으로 인해 절연 간격이 불균일하고 국부 전계가 집중될 수 있다. 충·방전 과정에서 유도전압이 발생하고, 절연물 내부의 결함이 존재할 경우 부분방전이나 절연파괴로 이어질 수 있다. 이러한 현상은 코일의 전기적 안정성에 영향을 주므로, 실제 구조에서 발생 가능한 결함을 모의하고 그 양상을 분석할 필요가 있다. 본 연구는 의료용 입자가속기용 고온초전도 코일의 절연 신뢰성 확보를 목적으로 수행되었다. 극저온 환경에서 사용 가능한 고체 절연물(에폭시, 파라핀, PTFE, Kapton)를 선정하고, LN2 환경에서 절연파괴 전압을 측정하여 재료별 절연내력을 비교하였다. 또한 STS 304 테이프를 이용해 새들형 코일의 절연 취약부를 모의한 SP(Single Pancake) 코일 구조를 제작하고, 대표 절연물인 에폭시를 적용하여 함침 SP 코일 샘플을 제작하였다. 권선 및 함침 과정에서 발생할 수 있는 돌출, 보이드, 크랙 등의 결함을 인위적으로 구현하고, 각 샘플에 교류 전압을 인가하여 발생한 부분방전 신호를 PRPD(Phase-Resolved Partial Discharge) 기법으로 분석하였다. 본 연구의 결과는 극저온 환경에서 고체 절연물의 절연 특성과 새들형 코일의 결함 형태를 PRPD의 형태로 분석하여, 고온초전도 코일의 절연 설계와 품질 검증에 활용할 수 있는 기초 자료를 제공한다. 또한 PRPD 기반 비파괴 진단 기법의 적용 가능성을 확인하였으며, 초전도 전력기기의 전기적 신뢰성 향상에 기여할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 관련 이론 3
• 1. 기체의 절연파괴 특성 4
• 2. 고체의 절연파괴 특성 14
• 3. 부분방전(Partial Discharge)의 개념 및 특성 16
• 4. 전계해석 이론 22
• Ⅲ. 샘플 제작 및 절연파괴 실험 26
• 1. 새들 코일의 결함 모의 및 절연파괴 실험 26
• 2. 고체 절연물 극저온 절연파괴 실험 30
• 3. 코일 결함 탐지 부분방전 실험 35
• Ⅳ. 실험결과 및 부분방전 특성 분석 45
• 1. 새들 코일의 결함 모의 및 절연파괴 실험 결과 45
• 2. 극저온 절연파괴 특성 분석 46
• 3. PRPD 패턴 분석 49
• 4. PRPD 기반 결함 분류 프로세스 기법 55
• Ⅴ. 결론 56