이 글은 절연 설계, 항공 전기 추진 고전압 변압기 연면거리와 공간거리 계산 시리즈의 2편입니다. 앞 편에 이어 공간거리와 연면거리의 고도 보정 계산, 권선 간 고체 절연 두께와 절연 등급 마진 산정, 맺음말을 설명합니다.
공간거리와 연면거리의 고도 보정 계산
고전압 변압기의 절연 설계에서는 공간거리(Clearance)와 연면거리(Creepage Distance)의 확보가 기본이 됩니다. 공간거리는 두 도체 사이의 최단 공기 중 직선 거리를 의미하며, 연면거리는 절연체 표면을 따라 도체 간에 형성되는 최단 경로를 나타냅니다. 국제 표준(IEC 60664-1 및 항공 규격 RTCA DO-160G)에 따르면 기준 고도(해수면~2000 m)를 초과하는 고고도 환경에서는 고도 보정 계수 k_d를 공간거리와 연면거리에 곱하여 절연 거리를 비례 확장해야 합니다.
식 (4)와 식 (5)에서 d_cl_base와 d_cr_base는 2000 m 이하 지상 기준의 기본 공간거리 및 연면거리입니다. 고도 10 000 m 조건에서 IEC 60664-1 표준 곡선 및 공기 밀도 지수를 반영한 고도 보정 계수 k_d는 3.8로 산출됩니다. 항공 전기 추진용 1500 V 직류 버스 시스템에서 최대 스위칭 피크 전압을 2.5 kV(과전압 범주 II, 오염 등급 2)로 설정할 경우, 지상 기준 요구 공간거리 d_cl_base는 1.5 mm입니다. 식 (4)에 k_d = 3.8을 대입하여 계산하면 고도 10 000 m에서의 요구 공간거리 d_cl_alt는 5.7 mm로 확장됩니다.
또한 비교 트래킹 지수(CTI) 600 이상의 재료 그룹 I을 적용한 절연 보빈의 지상 기준 연면거리 d_cr_base가 6.3 mm일 때, 식 (5)에 따라 고도 보정 계수를 적용하면 고고도 요구 연면거리 d_cr_alt는 23.94 mm로 산출되며 실무적으로는 24.0 mm 이상을 확보해야 합니다. 이와 같이 고고도 환경에서는 지상 기준 대비 약 4배에 가까운 공간거리와 연면거리가 요구되므로 보빈 설계 시 절연 격벽(Barrier)과 립(Rib) 구조를 적극 도입해야 합니다.
권선 간 고체 절연 두께와 절연 등급 마진 산정
변압기 내부의 1차-2차 권선 사이 및 권선과 자성 코어 사이는 공기 절연에만 의존할 수 없으므로 폴리이미드(Polyimide) 필름 테이프나 노멕스(Nomex) 같은 고체 절연 재료를 적층하여 절연 격벽을 구성합니다. 고체 절연층의 설계 두께 t_ins는 회로의 최대 피크 전압 V_peak, 고주파 스위칭 및 열화 마진 계수 k_margin, 절연 재료의 유효 절연 파괴 강도 E_d를 바탕으로 결정됩니다.
식 (6)에서 V_peak는 정상상태 전압에 고속 스위칭 서지가 중첩된 최대 피크 전압이며, k_margin은 안전율입니다. 상용 폴리이미드 필름의 직류 절연 파괴 강도는 상온에서 150 kV/mm 이상이지만, 100 kHz 대역의 고주파 스위칭 환경과 항공기 내부 온도 상승(150°C 수준) 및 장기적인 부분 방전(PD) 억제를 감안한 유효 절연 파괴 강도 E_d는 30 kV/mm로 디레이팅하여 적용합니다. 최대 피크 전압 V_peak = 1.8 kV, 안전율 k_margin = 2.5를 식 (6)에 대입하면 필요한 고체 절연층 두께 t_ins는 0.15 mm(150 μm)로 계산됩니다. 상용 절연 테이프 1장의 두께 t_tape가 0.05 mm(50 μm)일 때 필요한 절연 적층 층수 N_layer는 식 (7)로 산출됩니다.
식 (7)에서 0.15 mm를 0.05 mm로 나누어 올림 처리하면 N_layer는 최소 3층으로 결정됩니다. 이는 국제 안전 규격에서 요구하는 보강 절연(Reinforced Insulation)의 물리적 다중 절연 요건과도 일치하며, 핀홀 결함에 의한 절연 파괴 위험을 완벽하게 방지합니다.
맺음말
본 글에서는 항공 전기 추진 시스템용 고전압 변압기의 절연 설계 원리와 고고도 저기압 환경에서의 공간거리, 연면거리, 권선 고체 절연 두께 계산 과정을 상세히 살펴보았습니다. 고도 10 000 m 환경에서는 파센의 법칙에 따른 기압 강하로 공기 절연 내력이 급감하므로, 고도 보정 계수 k_d = 3.8을 적용하여 공간거리를 5.7 mm, 연면거리를 24.0 mm 이상으로 확장 확보해야 함을 확인하였습니다. 또한 1.8 kV 피크 전압과 고주파 스위칭 스트레스에 대응하여 150 μm 두께에 해당하는 3층 이상의 폴리이미드 고체 절연 적층 구조를 도출하였습니다.
실무 설계 시에는 다음과 같은 엔지니어링 항목을 각별히 주의해야 합니다. 첫째, 변압기 보빈의 권선 폭 양 끝단에 마진 테이프(Margin Tape)를 충분한 폭으로 배치하여 연면거리 누설 경로를 차단해야 합니다. 둘째, 권선 내부에 미세한 공기 기포(Void)가 잔류하면 고고도 저기압에서 극심한 부분 방전이 발생하므로, 진공 압력 함침(VPI) 공정이나 완전 포팅(Potting)을 통해 내부 기포를 철저히 제거해야 합니다. 셋째, 와이드 밴드갭 소자의 가파른 전압 상승률(dv/dt)로 인한 권선 턴 간 전압 집중을 완화하기 위해 선단 턴의 절연 피복을 강화해야 합니다. 항공기 탑재용 변압기는 수식 계산에 그치지 않고 RTCA DO-160G 규격에 준하는 감압 챔버 내 부분 방전(PD) 시험 및 내전압 시험을 필히 병행하여 최종 신뢰성을 검증해야 합니다.
이 글은 앞선 내용을 몰라도 읽을 수 있게 썼습니다. 배경이 궁금하다면 DC 바이어스 특성, 3kW 서버 전원 커패시터 실효 용량 계산을 함께 보면 도움이 됩니다: https://www.infoshirimp.co.kr/?p=183
이것으로 시리즈를 마칩니다. 앞선 편들과 함께 읽으면 전체 흐름을 파악할 수 있습니다.