Development of class I surge protection device for the protection of offshore wind turbines from direct lightning

해상풍력발전기 직격뢰 보호용 1등급 바리스터 개발

Abstract

With the abnormal weather phenomena caused by global warming, the frequency and intensity of lightning strikes are increasing, and lightning accidents are becoming one of the biggest causes of failures and accidents in offshore wind turbines. In order to secure generator operation reliability, effective and practical measures are needed to reduce lightning damage. Because offshore wind turbines are tall structures installed at sea, the possibility of direct lightning strikes is very high compared to other structures, and the role of surge protection devices to minimize damage to the electrical and electronic circuits inside the wind turbine is very important. In this study, a varistor, which is a key element for a class 1 surge protection device for direct lightning protection, was developed. The current density was improved by changing the varistor composition, and the distance between the electrode located on the varistor surface and the edge of the varistor was optimized through a simulation program to improve the fabrication process. Considering the combined effects of heat distribution, electric field distribution, and current density on the optimized varistor surface, silver electrodes were formed with a gap of 0.5 mm. The varistor developed in this study was confirmed to have an energy tolerance of 10/350 ㎲, 50kA, which is a representative direct lightning current waveform, and good protection characteristics with a limiting voltage of 2 kV or less.

기호설명

f : 주파수 [Hz]

μ : 투자율

σ : 도전율

ρ : 도전율

σ : 밀도 [kg/m3]

Cp : 일정한 응력에서의 비열 용량 [J/(kg·K)

T : 절대 온도 [K]

utrans : 병진 운동의 속도 벡터 [m/s]

q : 전도에 의한 열유속 [W/m2]

qr : 복사에 의한 열유속 [W/m2]

α : 열팽창 계수 [1/K]

T : 절대 온도 [K]

S : 두 번째 Piola-Kirchhoff 응력 텐서 [Pa]

Q : 추가 열원 [W/m3]

1. 서론

재생에너지 발전량을 늘리는 국가계획에 따라 해상풍력발전단지의 규모가 커지고 있으며, 대한민국 해상의 낮은 풍속 특성으로 인해 해상풍력발전은 대형 블레이드 기반으로 변화하는 추세이다. 하지만, 해상풍력발전기의 높은 크기와 대형 블레이드의 넓은 표면적은 낙뢰를 유도하거나 낙뢰가 블레이드 표면에 직접적으로 뇌격할 가능성이 높아진다. 이로 인해 해상풍력발전기에 발생하는 낙뢰는 간접뢰 보다는 직격뢰가 대다수이다. 이러한 낙뢰피해사고는 전력생산 중단뿐만 아니라 전력계통에 악영향을 미치게 되어 주변의 대규모 정전사태를 초래해 막대한 경제적 손실이 생길 수 있다.

해상풍력발전기 블레이드의 낙뢰피해 사고를 예방하기 위해서는 피뢰시스템 설치, 블레이드의 물리적 강화 및 기상 모니터링 시스템 등을 사용하는 방안이 있는데 본 논문에서는 내부피뢰시스템 중 하나인 서지보호장치(SPD : Surge Protective Device) 핵심소자인 ZnO(산화아연) 기반의 바리스터(Varistor : Variable Resistor)를 개발하였다.

서지 유입 시 서지 차단기능을 하는 주요 소자인 바리스터의 경우 해외 의존도가 매우 높은 소자이며, 기존 해상풍력발전기에 적용되는 SPD는 수명문제 및 용량확보의 한계점 때문에 일반적으로는 바리스터를 병렬구조로 설계하여 SPD를 구성하는 경우가 대부분이다. 직격뢰를 대비하기 위한 기존 1등급 SPD는 다수 개의 바리스터 소자를 병렬로 연결하는 방식으로 구현하였지만, 이는 다수 개 소자의 성능 편차로 인해 에너지를 균등하게 흡수하지 못하고 한쪽으로 편중되는 현상으로 가장 에너지내량이 적은 소자가 파괴되는 취약점을 보인다.

본 연구에서는 직격뢰 보호용 단일 소자 1등급 SPD의 핵심소자인 ZnO 기반 바리스터를 개발하였다. 기존 바리스터 성능 대비 전류밀도를 증가시키기 위해 조성변화 및 제작공정을 개선시켰다[1-4]. 또한 연구개발 중에 바리스터 소결체에 천공(puncture)이 발생하는 현상이 관측되었는데, 본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 전극과 바리스터 측면간의 거리를 최적화하였고, 와전류에 의해서 전극 가장자리에 천공이 일어남을 규명하였다. 구현된 바리스터 소자를 통해 그 특성을 확인하였다.

2. 본론

2.1 바리스터 이론

바리스터는 저항값이 전압증가에 따른 비선형적 특성을 가진 소자로 Zener 다이오드를 역으로 연결한 것과 유사한 전기적 성질을 가진다. 인가전압에 따라 전기 저항이 급격히 변화하여 전류-전압 커브가 대칭적인 특성을 갖는 전기전자 소자이다. 정상상태에서는 절연체(부도체)의 특성을 보이나, 서지와 같은 동작전압 이상의 과전압이 가해지면 전기저항이 급격히 감소하여 과전압을 억제하는 특성을 갖는다.

ZnO와 같은 산화물 계열 반도체를 기반으로 하여 만들어진 바리스터는 Bi, Co, Mn, Ni 등의 무기물/유기물 첨가제를 포함하여 소결된다. ZnO 기반 바리스터는 실리콘 계열의 반도체에 비해 넓은 밴드갭을 가지므로 큰 전기 에너지내량을 지니고 있다. 또한 바리스터의 미세 입자에서 전력을 각각 소비하게 해서 큰 서지전류내량을 가진다. 이는 소결체 각각의 미세 바리스터 입자가 직렬 또는 병렬로 연결하여 이루어진다. 이러한 바리스터는 다상/다결정의 저항을 갖고 있어 우수한 전압 의존 특성을 나타내며, 바리스터 미세구조는 복잡한 전도성 ZnO 입자(Grain) 들과 경계면을 이루는 입자 경계면(Grain Boundary)으로 분리되어 있다. 입자 경계면은 저전압에서 저항률이 매우 크기 때문에 1mA 이하의 누설전류를 제어하고, 입자 자체는 저항률이 작기 때문에 매우 높은 전기전도도를 보인다. 바리스터는 정상상태에서는 저항이 높아 전류를 흘리지 않는데, 강한 전압이 가해질 때 입자 경계면의 저항률은 급격히 줄어들면서 바리스터의 전기저항이 급격히 감소한다. 해당 현상을 바리스터 효과라고 한다.

바리스터의 비선형적 특성을 이용하여 일반적으로 바리스터는 선로와 접지간에 연결되어 과전압이 발생하면 소자의 저항값이 줄어 통전함과 동시에 과전압을 억제하여 기기절연을 보호하는 핵심소자이다. 전압 안정화와 과전압 제어용으로 널리 사용되며, 전자기기, 전력 기기 등 다양한 분야에서 널리 활용된다.

2.2 바리스터 조성 개발

바리스터의 전류밀도 증대를 위해 소결온도의 변화로는 한계가 있으므로, 조성변화 및 전극구조 설계를 통해 전류밀도를 향상시키는 방향으로 연구를 진행했다. 이를 위해 바리스터에 무기물/유기물 첨가제와 같은 재료를 사용하여 산화아연 입자의 전기전도도를 개선하고 전류밀도를 증가시켰다.

산화아연 바리스터의 조성은 주성분인 ZnO와 Bi2O3, Sb2O3, MnO, NiO 등의 무기물과 분산제, 가소제 그리고 이형제 등을 혼합하여 슬러리를 제조했다. 개발된 ZnO / Bi2O3 / Sb2O3 / etc. 조성(mol%)은 각각 98.54 / 0.2 / 0.4 / 0.86 이다. 혼합분쇄 방식은 볼밀을 사용하였고, 제조된 슬러리를 열풍건조방식을 이용해서 건조하였으며, granule의 크기는 45㎛ 정도이고 325 mesh 망에 분급해서 얻었다. 일축 가압성형법을 통해서 성형체를 제조했다. 열처리 공정은 탈바인더 공정을 적용해서 유기물을 제거한 뒤 소성(온도상승 10 ℃/min, 최고 소성온도 700 ℃∼1300 ℃, 최고온도 유지시간 3h, 자연냉각)을 진행해서 최종 소결체(성형밀도 5.4 g/㎤)를 얻었다. 전기로에서 소성을 거치면 균일한 전류분포를 갖도록 전극을 형성하기 위해 연마한 뒤 시료의 상/하부면에 은도료를 프린팅 방식으로 전극을 형성시켜 시료를 제작하였다. 이후 실버스크린을 이용하여 은전극을 형성했고, 메탈 마스크를 이용하여 납땜으로 단자처리를 하였다. 전반적인 공정은 아래 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Varistor manufacturing process

Fig. 2와 같이 제작된 바리스터의 일반적인 미세구조는 주로 ZnO 입자로 이루어져 있으며, 이들 입자 사이에는 스피넬 상이 입계에 편석되어 있으며, 입계를 산화비스무스가 형성하고 있는데, 이는 바리스터의 특성을 안정화시키는 역할을 한다.

Fig. 2. Microstructure of ZnO Varistor

바리스터는 입계에서의 특성이 안정화되어 기존의 비스무스가 소성 과정에서 나타내는 휘발로 인한 불안정성을 보완해 준다[5]. 이로 인해 입계가 안정화되면서 Double Schottky Barrier를 갖는 바리스터의 에너지 준위가 균일해진다. 이는 바리스터가 보다 균일한 특성을 갖게 되어 생산 과정에서 일관성을 높이고, 정확한 전기적 특성을 얻을 수 있게 된다.

3. Varistor 전극구조 설계 및 성능평가

3.1 와전류

와전류는 시간영역에서 전선 또는 도체 안에서 자기장이 변화할 때, 전자기유도에 의해 도체 안에 생기는 전류이다. 식(1)과 같이 자기장의 주파수가 높아지면서 와전류가 도체의 표면에 집중되는 표피효과로 알려져 있다[6].

\(\begin{align}\delta=\sqrt{\frac{1}{\pi f \mu \sigma}}\end{align}\)       (1)

일반적인 상용 전력계통의 주파수인 60 Hz에서는 표피효과가 작게 나타나지만, 본 연구에서 다루는 바리스터 시험에 인가되는 낙뢰 전류파형은 최대 10 MHz 까지의 다양한 주파수 특성을 지닌다. 이로 인해 인가되는 전극 또는 도체의 가장자리 부근에 와전류가 집중되는 현상을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

3.2 COMSOL을 활용한 시뮬레이션 특성분석

COMSOL 프로그램을 활용하여 바리스터 표면에 위치하고 있는 은전극 크기에 따른 전류, 열분포, 그리고 전계분포에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 얇은 은전극은 구리 단자와 바리스터 소자 사이에 위치하여 구리 단자를 고정시킨다. 은전극의 크기는 바리스터 소결체 몸체와의 간격을 기준으로 0.5 ㎜, 1 ㎜ 그리고 1.5 ㎜로 다양하게 설정하였다. 간격이 멀어질수록 은전극의 크기는 작아지는 구조이다. 단자의 모서리 부분을 round 처리해서 실제와 가장 가깝게 모사했고 그 결과에 대해서 고찰해 보았다. 아래 Fig. 3은 시뮬레이션에 적용된 모델의 개략도이다. Fig. 3에서 빨간색으로 표기된 숫자가 은전극 크기와 관련된 부분이다.

Fig. 3. Varistor schematics and sizes applied in simulation

먼저 전류, 전계 분포해석을 위해서 식(2)에서 전류밀도 J, 도전율 σ, 전기장 E, 전기변위장 D, 외부 전류밀도 Je를 시간영역에서 옴의 법칙을 활용하였다. 또한 열해석을 위해 식(3)을 이용하였다.

\(\begin{align}J=\sigma E+\frac{\partial D}{\partial t}+J_{e}\end{align}\)       (2)

\(\begin{align}\begin{array}{l}\rho C_{p}\left(\frac{\partial T}{\partial t}+u_{\text {trans }} \cdot \nabla T\right)+\nabla \cdot\left(q+q_{r}\right) \\ =-\alpha T: \frac{d S}{d t}+Q\end{array}\end{align}\)       (3)

바리스터에 입력된 전류파형은 최대크기 50kA, 10/350 ㎲ 이중지수 함수 특성을 가진다. 실제 실험에서 가장 취약한 부분인 단자의 가장자리 부근에서 시뮬레이션을 실시했을 때 결과는 Fig. 4와 같다. 은전극의 크기가 가장 큰 경우(기준 간격 0.5 ㎜) 표면전류밀도가 4.49E8 A/m2 으로 나타났다. 그 외에 기준 간격 1.0 ㎜, 1.5 ㎜ 에서는 표면전류밀도 최고점은 각각 4.53E8 A/m2, 4.49E8 A/m2 이였다. 와전류 표피효과에 의해 전류밀도는 균일하게 분포하지 않고, 가장자리에 집중되는 형상을 보였다. 이는 이중지수함수 펄스형태를 푸리에 변환시 다양한 주파수 성분을 가지므로, 입력단자 측면에서 최외곽 부분에 전류가 집중되는 형태가 보였다.

Fig. 4. Analysis of surface current density near the edge of the terminal according to the size of the silver electrode (a) 1.5 ㎜ (b) 1.0 ㎜ (c) 0.5 ㎜

Fig. 5는 은전극 크기에 따른 열분포 해석이다. 은전극의 크기가 작을수록 단자 모서리 부분에서 발열하는 온도가 더 높았는데 Fig. 5(a), 5(b), 5(c)에서 최고점은 각각 330 ℃, 214 ℃, 106 ℃ 으로 계산되었다. 이는 구리 단자 및 은전극의 크기에 따른 면적 차이에 의해 방열시킬 수 있는 면적의 차이가 생겨 이러한 결과를 보인 것으로 판단된다.

Fig. 5. Thermal distribution analysis near the edge of the terminal according to the size of the silver electrode (a) 1.5㎜ (b) 1.0㎜ (c) 0.5㎜

전계분포는 Fig. 6에서 확인할 수 있다. 은전극의 크기가 작을수록 단자 모서리 부근에서 전계의 강도가 가장 높게 나타난 것으로 확인되었다. Fig. 6(a), 6(b), 6(c)에서 최고점은 각각 8.30E5 V/m, 6.53E5 V/m, 5.42E5 V/m 으로 계산되었다. 바리스터 성형체 몸체부분의 유전율에 의한 영향이 복합적으로 작용해서 나타난 결과라고 판단된다.

Fig. 6. Analysis of electric field distribution near terminal edge according to silver electrode size (a) 1.5㎜ (b) 1.0㎜ (c) 0.5㎜

3.3 Varistor 특성평가

바리스터 소자에 임펄스 발생장치를 이용해 실험을 진행했다. Fig. 7에 부적절한 크기의 은전극 형성시 단자 모서리 부근에서 천공으로 인한 절연파괴가 일어난 사진을 나타내었다. 은전극의 크기가 바리스터 성형체와 동일하여 간격이 0 ㎜인 경우에는 상단과 하단 은전극 사이에 섬락 현상이 관측되었다[7].

Fig. 7. (a) Puncture phenomenon near the edge of the terminal (b) Magnify photo of left device (c) Magnify photo of right device​​​​​​​

Fig. 8 바리스터 소결체 모서리 부근에서 천공으로 인한 절연파괴가 발생시 바리스터 소자에 인가한 뇌임펄스전류와 바리스터 소자 양단의 제한전압의 파형을 나타내었다. 약 15 ㎲ 부근에서 절연파괴가 발생하였으며, 그때 제한전압은 0 V, 뇌임펄스전류 급증하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8. Waveform of residual voltage and lightning impulse current in case of puncture failure​​​​​​​

동일한 소성 조건으로 제작되었으며, 은전극과 바리스터 소결체 몸체와의 간격이 0.5㎜인 샘플 1과 샘플 2에 대한 전류밀도 시험 파형 결과를 Fig. 9(a)와 9(b)에서 확인할 수 있다. 바리스터 소결체와 은전극 사이의 간격을 일정하면서도 최소화 시킨 경우 최고점 50 kA 10/350 ㎲ 이중지수파형을 인가시키는 결과 제한전압 2 kV 이하로 안정적으로 바리스터가 동작함을 확인할 수 있다.

Fig. 9 Current density test results of test specimen​​​​​​​

4. 결론

본 연구에서는 직격뢰 보호용 1등급 서지보호장치 성능 충족을 시키기 위해 핵심소자인 바리스터 조성 및 전극형상 설계를 다루었다. 은전극의 크기가 바리스터 소결체 몸체와의 간격을 기준으로 0.5 ㎜, 1 ㎜ 그리고 1.5 ㎜ 만큼 이격하는 경우 중에 시뮬레이션 결과 은전극과 바리스터 성형체 사이의 간격이 0.5㎜일 때 전류밀도가 가장 낮은 것으로 나타났다. 와전류 표피효과에 의해서 열분포, 전계분포, 표면전류밀도 모두 전극 가장자리 부근에 집중됨을 확인하였다. 은전극 크기가 증가함에 따라 열분포 및 전계분포는 최고크기가 감소됨을 확인하였다. 표면전류밀도 측면에서도 은전극의 크기가 클수록 최고점이 감소하고, 적절한 크기의 은전극을 형성한다면 전극 가장자리 천공에 직접적인 영향을 주는 열분포 및 전계 분포도 완화됨을 알 수 있다. 따라서 바리스터의 성능 최적화를 위해서는 은전극과 바르시터 소결체 몸체와의 간격을 최적화하고 단자의 모서리 처리에 주의를 기울여야 한다. 본 연구에서 개발한 바리스터는 대표적인 직격뢰 전류파형인 10/350 ㎲, 50 kA의 에너지내량을 가지며, 제한전압 2 kV 이하의 양호한 보호특성을 가지는 것을 확인하였다.

후기

본 연구는 2023년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20213030020290, 대규모 해상 풍력발전단지 낙뢰대책 플랫폼 기술개발).