개요
전기 기계에서 발생하는 설계 오류는 회로 손상, 과열뿐만 아니라 화재나 폭발로 이어진다. 저전압에서는 화재나 폭발 가능성이 낮지만 직류 60V, 교류 30V 이상의 동작 전압을 사용하는 고전압 시스템의 경우 절연기능이 일정기준 이하로 설정되어 간접 접촉을 일으키게 되면 직접 접촉과 동일한 충격을 주게 된다. 따라서 국제 규격에서는 이러한 내용들을 정의하고 있고 실제 설계 반영 및 성능 실험을 필요로 한다.
전기자동차에 사용되는 리튬이온배터리는 60V 이상의 전압을 가지고 있기 때문에 고전압 전기기계로 분류되고 자동차가 운행하는 도중 배터리 내부에서 지속적인 충전과 방전이 일어난다. 이러한 순간에 배터리에 과전압이 인가되거나 과전류가 흐르게 되는 경우 발화 및 폭발의 위험성을 가지고 있다. 때문에 고전압 시스템에 대한 절연 성능 확보와 고전압 회로 영역과 저전압 회로 영역이 이격 설계되어야 한다.
공간 거리와 연면 거리
절연거리의 가장 큰 변수는 공간 거리와 연면 거리로 각각의 거리를 절연되는 거리로 쉽게 표현하면 공간거리는 두 전도물 간의 전기적 격리할 수 있는 거리이고 연면 거리는 두 전도물 사이의 보통은 사출물로 이루어진 비전도물의 표면 전기 전도성을 격리하는 거리이다.
- 공간 거리(Air Clearance) : 두 전도체 사이의 공기를 가로지르는 최단 거리
- 연면 거리(Creepage Distance) : 두 전도체 사이의 절연 물질 표면을 따르는 최단 거리
비교 트래킹 지수(CTI, Comparative Tracking Index)
비교 트래킹 지수는 절연 물질의 전도성을 나타내는 지수로 연면 거리에 영향을 받는다. CTI 값이 높을수록 연면거리는 짧아지고 이 값을 토대로 절연물질 그룹으로 나눌 수 있다. [KS C IEC60112]
- 재료 그룹 I : 600 ≤ CTI
- 재료 그룹 II : 400 ≤ CTI ＜ 600
- 재료 그룹 IIIa : 175 ≤ CTI < 400
- 재료 그룹 IIIb: 100 ≤ CTI < 175
오염 등급
연면 거리와 절연 거리를 평가하기 위해 미시 환경에서 네 개의 오염 등급을 설정한다. [KS C IEC 60664-1]
- 오염 등급 1
- 오염이나 건조, 비전도성 오염이 발생하지 않는다. 오염이 영향을 미치지 않는다. - 오염 등급 2
- 응축으로 인해 가끔 일시적인 전도성이 예상되는 경우를 제외하면 비전도성 오염만 발생한다. - 오염 등급 3
- 전도성 오염이 발생하거나 응축으로 인해 전도성이 될 것으로 예상되는 건조한 비전도성 오염이 발생한다. - 오염 등급 4
- 오염은 전도성 먼지 또는 비나 눈으로 인해 발생한 지속적인 전도성을 발생시킨다.
영구적인 전도성 오염인 오염등급 4는 연면 거리 치수를 규정할 수 없다. 일시적 전도성 오염인 오염 등급 3의 경우 절연물 표면에 리나 홈을 사용하여 전도성 오염의 연속경로를 피하도록 설계할 수 있다.
절연 저항(Insulation Resistance) 설정
절연 저항은 절연물이 가지는 전기저항을 나타내는 말로, 절연물에 직류전압을 가하면 극히 작은 전류가 흐르며 이 경우의 전압과 전류의 비를 절연저항이라고 한다. 단위는 옴(Ω)을 사용한다.
국제 규격에서는 전기자동차 배터리팩과 같은 고전압 시스템에 대해 절연 저항을 최대 작동전압으로 나눈 값을 기준으로 나타내고 있다. [KS R ISO 6469-3]
- 직류 회로 : 최소 100Ω/V
- 교류 회로 : 최소 500Ω/V
공간 거리 설정(KS C IEC 60664-1 기준)
과도 과전압을 견디는 공간거리는 요구하는 임펄스 내전압을 견딜 수 있도록 치수를 결정한다. 또한 전도성 부품의 형태와 배치는 전계의 균일성에 영향을 주기 때문에 결과적으로 주어진 전압에 내성이 있는 절연거리가 필요하다.
- 변수
1) 오염 등급
2) 전계 균일 유무
비균일 전계* 기준으로 공간 거리를 설정할 경우 전도성 부품의 형태와 배치에 관계없이 내전압 시험으로 검증하지 않고 사용할 수 있다. 또한 강화 절연을 할 경우에는 기초 절연에 필요한 임펄스 내전압의 160%를 견딜 수 있도록 치수를 결정한다.
연면 거리 설정(KS C IEC 60664-1 기준)
경험 데이터를 기준으로 작성된 표를 따르며, 대부분의 값에 적용이 가능하다. 공간 거리와 다르게 과도 과전압은 큰 영향을 주지 않고 공간 거리보다 작을 수 없다.
- 변수
1) 오염 등급
2) 재료 그룹
3) r.m.s.* 전압
*전계 : 어느 공간에 대전체*가 존재하여 공간상에 전기적 힘이 작용하고 있는 공간
*대전체 : 전자의 이동으로 (+) 또는 (-) 전하를 띠는 물체, 대전된 물체
*r.m.s.(root maen square) : 교류전압을 직류전압과 비교하기 위해 환산한 전압(실효값)
