케이블 및 개폐기 PD: 나노초 펄스 비파괴 검사

케이블 및 개폐기 PD: 나노초 펄스 비파괴 검사

추상

50Hz 테스트는 절연체에 천천히 스트레스를 가하며, 여러 결함 유형은 빠른 에지에서 더 낮은 전압에서 방전을 일으킵니다. 나노초 펄스 소스는 테스트 대상에 이러한 에지를 인가하고, 게이트형 광대역 체인은 샷별로 응답을 측정합니다. 이 글에서는 펄스 생성 원리, 결함을 놓치게 하는 다섯 가지 현장 오류, 그리고 펄스 부분 방전 테스트를 일상적인 검사에 적합하게 만드는 소스 및 검출 단계를 설명합니다.

1. 소개

기존의 부분 방전 시험은 50Hz 또는 60Hz 정현파로 절연체에 스트레스를 가하고 전압 상승 시 방전 여부를 측정합니다. 이 방법은 검증되었지만 사각지대가 있습니다. 많은 초기 결함은 빠른 과도 전압 하에서보다 느린 스트레스 하에서 더 높은 초기 전압을 나타냅니다.

강한 기하학적 구조를 가진 가스 충전 공극, 오염된 표면층, 케이블 접합부 및 GIS 스페이서의 계면 결함은 모두 이와 같은 방식으로 작동합니다. 느린 사인파가 가해지면 전하가 이완되어 방전이 시작되기 전에 결함 부위를 보호합니다. 나노초 단위로 상승하는 펄스는 이러한 이완 작용이 일어나기 전에 결함 부위에 급격하고 국부적인 응력을 가합니다.

뮌헨 공과대학교와 같은 곳에서 사용하는 프로그램들은 이러한 효과를 이용합니다. 고전압 나노초 펄스열이 테스트 대상에 자극을 가하고, 광대역 체인이 그 결과로 발생하는 방전을 감지합니다. 자극이 제어된 임펄스이기 때문에, 응답을 시간 게이팅하고, 배경 잡음을 제거하고, 자극을 발생시킨 펄스와 상관관계를 분석할 수 있습니다.

이 글에서는 나노초 펄스 여기의 물리적 원리, 결함을 놓치게 만드는 다섯 가지 현장 오류, 그리고 펄스 부분 방전 테스트를 일상적인 검사에 사용할 만큼 신뢰할 수 있게 만드는 설계 단계를 설명합니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 에너지 저장 및 펄스 생성

나노초 펄스 소스는 커패시터 뱅크에 에너지를 저장하고 고속 스위치를 통해 테스트 대상에 에너지를 방출합니다. 저장된 에너지는 커패시터 뱅크의 값과 충전 전압을 따릅니다.

W = ½ · C · V²

여기서 W는 저장된 에너지(J), C는 뱅크 용량(nF), V는 충전 전압(kV)입니다. 20kV에서 26nF 용량의 뱅크는 5.2J의 에너지를 저장할 수 있으며, 이는 40mJ 펄스를 충분한 여유를 두고 처리할 수 있습니다.

전달되는 펄스의 상승 시간은 방전 루프의 인덕턴스와 뱅크 용량에서 비롯됩니다.

t_r ≈ 2.2 · √(L_loop · C)

여기서 t_r은 상승 시간(ns), L_loop는 루프 인덕턴스(nH), C는 뱅크 커패시턴스(nF)입니다. 200nH 루프를 통과하는 5ns 에지의 경우, 뱅크 값은 약 26nF가 됩니다. 커패시터의 내부 인덕턴스가 L_loop에 더해지므로, ESL의 매 나노헨리마다 에지가 늘어나고 결함에 가해지는 스트레스가 약해집니다.

2.2 50Hz가 놓치는 결함을 고속 에지가 찾아내는 이유

결함 부위에서의 응력은 결함 형상에 따라 전자기장이 어떻게 분배되는지에 따라 달라집니다. 고체 절연체 내의 기체로 채워진 공극 내부에서는 공극 양단의 전압이 유전율 비율을 따릅니다.

V_void = V_applied · (ε_r,ins · d_void) / (ε_r,void · d_ins + ε_r,ins · d_void)

여기서 V_void는 공극 양단의 전압(kV), V_applied는 인가 전압(kV), ε_r,ins는 고체의 상대 유전율, ε_r,void는 기체의 상대 유전율, d는 두께(mm)입니다. ε_r이 1에 가까운 공극이 ε_r이 4에 가까운 에폭시 내부에 존재할 경우 평균 전계는 약 4배가 됩니다.

나노초 미만의 주파수 대역에서는 정전 용량 분할이 지배적입니다. 빠른 주파수 대역은 전하 완화로 인해 보호되기 전에 공극에 응력을 가하므로, 방전은 50Hz 미만에서보다 낮은 인가 전압에서 시작됩니다. 이 분야의 측정 결과에 따르면 가스로 채워진 공극에서 방전 시작 전압이 20%에서 40%까지 감소하는 것으로 보고되었습니다.

2.3 검출 체인 및 시간 게이팅

각 여기 펄스에 대한 응답은 에지 발생 후 수백 나노초 이내에 도달하며, 전력망의 50Hz 배경 잡음과 충분히 분리됩니다. 체인 대역폭은 전달된 에지를 따릅니다.

f_max ≈ 0.35 / t_r

여기서 f_max는 필요한 대역폭(MHz)이고 t_r은 전달되는 상승 시간(ns)입니다. 5ns 에지를 표현하려면 피크를 위해 70MHz가 필요하고 방전 파형 자체를 분해하려면 100MHz에서 500MHz가 필요합니다.

시간 게이팅은 다음과 같은 이점을 제공합니다. 각 여기 펄스를 중심으로 획득 창이 열리므로 정류기, 라디오 및 주변 장비로 인한 간섭이 기록에서 제외됩니다. 이 방법은 신호 경로에 필터를 사용하지 않고 타이밍을 통해 이러한 노이즈를 제거합니다.

2.4 반복, 에너지 및 절연 응력

각 펄스는 시험 대상에 빠른 과도 전류를 가하며, 시험 중 정상적인 절연체가 손상되어서는 안 됩니다. 펄스당 에너지는 시험 대상의 정전 용량에 따라 달라집니다.

E_pulse = ½ · C_obj · V²

여기서 E_pulse는 샷당 에너지(mJ), C_obj는 물체의 정전 용량(pF), V는 펄스 전압(kV)입니다. 20kV에서 200pF의 정전 용량을 가진 1m 케이블 샘플은 샷당 40mJ의 에너지를 소모하는데, 이는 열적으로 무시할 수 있습니다. 중요한 것은 과도 전압 자체의 스트레스입니다.

반복 횟수는 테스트 지점당 일반적으로 100~1,000발의 발사 횟수와 같이 충분한 발사 통계를 축적해야 하며, 누적 응력은 설계 내압 수준 미만으로 유지되어야 합니다.

그림 1 — 30MHz 소스 링이 동일한 기록 전체에 걸쳐 감쇠하는 동안, 0~200ns의 고정된 시간 범위 밖인 400ns에서 깊은 공극이 응답합니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 소스 링잉이 방전 활동으로 읽힘

약간의 감쇠 단계를 갖춘 마르크스 발생기를 기반으로 제작된 장치는 30MHz의 발진을 생성했으며, 이 발진은 각 발사 후 500ns에 걸쳐 감쇠했습니다. 검출기는 모든 테스트 지점에서 이를 방전으로 기록했습니다. 알려진 소리 샘플에 대한 기준 측정에서도 동일한 반응이 나타났으며, 이는 링잉 현상이 신호를 발생시키고 있음을 입증했습니다. 모든 정상 장치는 표시되었고, 모든 결함 장치는 동일한 인공물 뒤에 숨겨졌습니다.

두 번째 문제점: 은행 인덕턴스가 한계를 넘어섭니다.

두 개의 소스가 동일한 20kV의 공칭 펄스를 발생시켰지만 결함에 가하는 스트레스는 서로 달랐습니다. 높은 인덕턴스를 가진 소스 뱅크는 18ns의 상승 시간을 보였고, 5ns의 상승 시간을 가진 낮은 인덕턴스 소스가 탐지한 결함의 60%만 탐지했습니다. 루프 인덕턴스가 점진적으로 증가하는 소스 뱅크는 오실로스코프의 피크 진폭은 동일하게 유지되지만 탐지 능력이 저하됩니다.

문제점 3: 고정된 시간 범위로는 늦게 도착하는 사람들을 놓칠 수 있다

깊은 공동이나 긴 케이블 구간에서의 방전은 가장자리에서 수십에서 수백 나노초 후에 도달합니다. 0~200나노초로 설정된 윈도우는 표면 근처의 공동을 포착했지만, 400나노초 후에 반응이 나타나는 깊은 결함은 포착하지 못했습니다. 보고서에는 나중에 명확한 내부 활동이 나타난 샘플에서 방전이 관찰되지 않았다고 명시되어 있습니다.

문제점 4: 커플링 과도 현상이 검출기를 무력화시킵니다.

테스트 대상의 정전 용량으로 인해 여기 펄스가 검출 회로에 직접 전달되어 가장자리에서 큰 공통 모드 과도 현상이 발생합니다. 한 실험 환경에서는 이 과도 현상이 각 샷 후 150ns 동안 증폭기 범위를 초과했는데, 이는 표면 근처 방전이 발생하는 시간대와 겹칩니다. 이 시스템은 긴 케이블 샘플에서는 작동했지만 소형 스위치 기어에서는 제대로 작동하지 않았습니다.

문제점 5: 반복 횟수가 누적되면서 자신도 모르는 사이에 스트레스가 쌓인다

한 실험에서 변압기 부싱에 30kV, 초당 200펄스의 전압을 하루 종일 가했는데, 이는 17만 회 이상의 과도 전압에 해당합니다. 누적된 스트레스는 비파괴 검사의 목적 범위를 초과했으며, 이후 검사에서 스트레스 콘 부위에 가속 트래킹 현상이 발견되었습니다. 각 펄스 자체는 무해했지만, 누적된 펄스 횟수가 비파괴 검사의 한계를 넘어선 것이었습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 깨끗하고 빠르며 반복 가능한 에지 컴퓨팅을 위한 소스를 구축하십시오.

동축 구조, 적층형 버스바 및 저ESL 저장 커패시터를 사용하여 루프 인덕턴스를 줄입니다. 테스트 대상 단자에서 전달되는 상승 시간을 확인합니다. 방전 루프에 감쇠를 추가하여 펄스가 5% 오버슈트 및 1% 잔류 링잉 미만을 유지하도록 합니다. 이는 소스가 부분 방전 대역 내에서 아티팩트를 발생시키지 않아야 하기 때문입니다. 매 테스트마다 파형을 모니터링하고 사양을 벗어나는 파형은 폐기합니다.

전략 2: 펄스 형성 소자로 저인덕턴스 세라믹 커패시터를 사용합니다.

의도한 펄스의 가장 높은 스펙트럼 성분보다 자체 공진 주파수가 높은 뱅크를 선택하여 뱅크가 펄스 가장자리를 늘리거나 진동시키지 않도록 합니다. 뱅크 값을 t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C)를 통해 상승 시간과 일치시키고, Class I 유전체(예: ...)를 사용하여 해당 값을 온도 변화에 따라 유지합니다. N4700펄스 파형이 설계 상수로 유지되도록 10⁶개 이상의 펄스 이벤트 등급이 필요합니다.

전략 3: 탐지 창을 적응형으로 만들기

각 테스트 대상물의 전파 시간을 측정하거나 반사 측정법을 사용하여 원거리 끝을 찾고, 가장 빠른 예상 도달 시간부터 가장 느린 예상 도달 시간까지 윈도우를 설정합니다. 각 샷마다 전체 파형을 기록하고 소프트웨어에서 게이팅 처리하여 윈도우 정렬 오류를 검토 가능한 오류로 만듭니다. 소스 모니터를 한 채널에 두고 듀얼 채널 획득을 실행하여 소프트웨어에서 여기 및 응답을 정렬합니다.

전략 4: 결합 과도 현상 거부

검출기 입력단의 공통 모드 과도 현상을 제거하기 위해 평형 검출 또는 차동 검출을 사용하십시오. 기하학적 구조가 지원하는 경우에만 에지 이후 처음 20ns에서 50ns 구간을 블랭킹하고, 표면 결함이 알려진 참조 샘플을 사용하여 블랭킹 결과를 검증하십시오. HVR-BSP 후막 저항기 구분 체인과 고속회복 다이오드 정류기에서 모니터 채널은 방전 대역만 전달합니다.

전략 5: 누적 스트레스 제한

대상 물체의 임펄스 내압 기록을 바탕으로 테스트 지점별 반복 횟수를 설정하고, 해당 수치에 안전 여유를 두십시오. 각 캠페인에 대해 누적 펄스 횟수, 샷당 에너지, 피크 전압을 기록하십시오. 일정이 허용하는 경우, 동일한 대상 물체에 대해 펄스 부분 방전 검사와 정상 상태 부분 방전 검사를 번갈아 실시하여 두 가지 방법이 서로 교차 검증되도록 하십시오.

전략 6: 방전 전류와 저수조 상태를 감지합니다.

방전 경로를 감지하세요 HVRGHP 샘플링 저항기 뱅크 온도와 함께 샷 전류를 기록하십시오. 고정된 반복률에서 뱅크 온도가 상승하는 것은 ESL 또는 ESR이 증가하고 있음을 나타내며, 이는 에지 늘어짐의 초기 징후입니다. 뱅크 온도를 교정 온도에서 ±10°C 이내로 유지하고, HVCT8G 도어노브 뱅크 소형이면서 인덕턴스가 낮은 스택이 휴대용 카트에 맞아야 하는 경우입니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 나노초 펄스 부분 방전(PD) 소스용 HVC N4700 커패시터

펄스 형성 뱅크는 출력 에지가 5ns인지 18ns인지, 깨끗한 신호인지 링잉 신호인지를 결정합니다. 이러한 결과는 부품의 인덕턴스와 정전 용량의 안정성이라는 두 가지 특성에 의해 결정됩니다. HVC는 동관에 위치한 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 150kV에 이르는 다양한 전압 범위의 N4700 Class I 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• 도어 손잡이 본체에서 ESL이 20nH 미만이면 방전 루프 인덕턴스가 낮게 유지되어 단극 감쇠를 갖는 5ns 에지를 지원합니다.
• ±30 ppm/°C의 TCC는 현장 조건에서 뱅크 값을 유지하므로 상승 시간 t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C)이고 고장 감도는 작업장과 변전소에서 동일하게 유지됩니다.
• 높은 dv/dt에서 손실률이 0.1% 미만이므로 뱅크는 샷 사이에 자체적으로 가열되지 않으며 전달되는 모든 펄스가 이전 펄스와 일치합니다.
• 정격 전압에서 PD가 5 pC 미만이므로, 이 뱅크는 민감한 측정 범위에 내부 방전을 추가하지 않습니다.
• 펄스 수명은 10⁶회 이상이며 정전 용량 감소가 없으므로 파형은 전체 캠페인 기간 동안 설계 상수로 유지됩니다.
• 3중 코팅 에폭시 캡슐화, 96시간 염수 분무 시험 통과, 60kV 절연 등급으로 휴대용 카트 내부에 소형의 안전한 전원을 설치할 수 있습니다.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 펄스 성형 세트는 6~10주 내에 배송되는 반면, 최고급 브랜드 제품은 20~30주가 소요됩니다. 각 장치는 ESL 수치와 10⁶회 이상의 펄스 수명 기록을 보유하고 있습니다.

펄스 전압, 필요한 상승 시간, 대상 커패시턴스 및 반복률을 전송하십시오. HVC는 커패시턴스, 루프 인덕턴스, 샷당 에너지 및 기타 정보를 포함하는 뱅크 플랜을 반환합니다. 상호 참조 무라타 및 비샤이 부품에 대해 5영업일 이내에 처리해 드립니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 나노초 펄스가 더 낮은 전압에서 방전을 유발하는 이유는 무엇입니까?

빠른 전하 분포는 전하 완화가 결함을 차폐하기 전에 결함에 응력을 가하기 때문입니다. ε_r이 1에 가까운 공극이 ε_r이 4에 가까운 에폭시 내부에 존재할 경우, 공극은 평균 전계의 약 4배에 달하는 전계를 가지며, 나노초 시간 척도에서는 정전 용량 분할이 지배적입니다. 기체로 채워진 공극에서 보고된 초기 전계 감소율은 20%에서 40%에 이릅니다.

Q2: 에너지 저장 장치의 용량은 어떻게 산정하나요?

상승 시간과 루프 인덕턴스로부터 t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C)가 성립합니다. 200 nH 루프를 통과하는 5 ns 에지에는 약 26 nF의 인덕턴스가 필요합니다. 그런 다음 저장 에너지 W = ½·C·V²를 샷당 에너지와 비교해 보면, 20 kV에서 200 pF의 인덕턴스를 가진 1 m 케이블 샘플의 샷당 에너지는 40 mJ입니다.

Q3: 잡음이 음원에서 발생하는 것인지 절연체에서 발생하는 것인지 어떻게 알 수 있나요?

알려진 기준 샘플을 측정합니다. 기준 샘플에서 동일한 감쇠 진동이 나타나면 해당 소스가 진동을 발생시키는 것입니다. 그런 다음 펄스가 5% 오버슈트 및 1% 잔류 링잉 미만이 될 때까지 방전 루프를 감쇠시키고, 매 샷마다 전달되는 파형을 모니터링합니다.

질문 4: 데이터 수집 기간은 어디에서 시작하고 어디에서 끝나야 합니까?

각 객체 유형에 대한 전파 시간을 측정하거나 반사 측정법을 사용하여 파면의 끝점을 찾은 다음, 가장 빠른 예상 도달 시간부터 가장 느린 예상 도달 시간까지 윈도우를 설정합니다. 0ns에서 200ns 사이의 윈도우를 사용하면 응답이 400ns에 도달하는 깊은 공동을 놓칠 수 있습니다. 전체 파형을 기록한 후 소프트웨어에서 게이팅합니다.

Q5: 테스트가 파괴적으로 변하기 전에 몇 번의 펄스를 가할 수 있습니까?

대상체의 임펄스 내압 기록을 기준으로 카운트를 설정하고 여유분을 확보하십시오. 30kV, 초당 200펄스로 하루 동안 진행한 한 번의 실험에서 17만 회 이상의 과도 현상이 발생했으며, 응력 원뿔에서 가속 추적 현상이 나타났습니다. 누적 카운트, 에너지 및 피크 전압을 기록하고 구성 요소 유형별로 카운트를 제한하십시오.

Q6: 여기 과도 현상이 검출기를 흐리게 하는 것을 어떻게 막을 수 있습니까?

평형 또는 차동 검출을 사용하여 공통 모드 과도 현상을 제거하고 검출기 입력이 검출기 범위 내에 있도록 유지하십시오. 각 샷 후 150ns 동안 증폭기 범위를 초과하는 결합 과도 현상은 표면 근처 방전이 나타나는 영역을 덮습니다. 기하학적 구조상 필요한 경우에만 해당 영역을 블랭킹하고 기준 샘플을 사용하여 블랭킹을 검증하십시오.

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