(1) 내전압시험기란?

내전압(電壓, 또는 내압)시험이란 전기적으로 접촉되어 있지 않은 두 개의 도체 사이에 얼마나 높은 전압을 인가해 보아도 견딜 수 있는 가를 시험해 보는 것이다. 그렇다고 해서 어느 곳이든 떨어져 있는 두 개의 도체 사이에 모두 내전압 시험을 해 볼 이유는 없다.
당연히 두 개의 도체가 가까이 있는 중에서도 그 중 한 도체 (또는 전선)에 전기가 인입 되어 있고 또 다른 한 도체가 노출되어 인체에 접촉될 수 있는 경우, 또는 접지되어 있을 경우에만 내전압 시험이 필요하게 된다.
즉, 두 개의 전선사이나, 적어도 한 개의 도체에 전기가 인입 되어 있어, 그 두 도체가 서로 닿거나 그 사이의 절연이 불량해서 누전이 되면 위험하거나, 또는 감전이 될 우려가 있을 때, 내전압 시험이 필요하다는 이야기다.
이 말은, 영어로는 Puncture Test, Hipo(High Potential Voltage) Test, Withstanding Voltage Test라고도 하며 모두 같은 뜻이다.

(2) 내전압시험의 목적

내전압 시험의 목적은 Motor Transformer, Relay, 발전기, 차량용 부품과 냉장고, 세탁기, 전기밥솥과 같은 가전제품에서 충전부(전기인입선)과 비충전부(접지될 수 있거나 사람의 손이 닿는 외부 금속체) 사이에, Motor에서는 권선과 코어사이, 트랜스에서는 1차코일과 코어사이, 1차코일과 2차코일 사이, 2차코일과 코어사이에 얼마만한 전압이 인가되어도 견딜수 있는가를 시험해 보는 일이며, 이러한 시험을 통해 절연의 완벽성 여부, 파손 위험 여부, 이물질 개입 또는, 비정상적인 근접부위가 있는지를 미리 알아 보아 제품의 전기적 안전성, 품질을 가늠해 보기 위한 것이다.

(3) 내전압시험 방법

내전압 시험을 위해서는 (그림 1)과 같이, 말 그대로 시험해 보고자 하는 부위 (미리 떨어져 있는 두개의 도체 사이, 그림에서는 트랜스의 1차코일과 코어 사이에 외부에서 전압을 인가해 보고, 이때 흐르는 누설전류를 전류계로 읽어 누설전류가 비정상적으로 많을 경우 무언가 이상이 있을 것이라는 생각에 불량으로 판정하는 방식이다.
그런데 내전압 시험에 인가해 보는 전압은 AC이다. 여기서 잠시 부연 설명하자면 내전압 시험은 절연저항시험 (Insulation Test)와는 다르다. 절연저항 시험은 오로지 누전여부를 시험하는 것으로 시험에는 DC 전압 (500V,또는 1000V)이 사용되며, 시험결과를 으로 나타내어 말 그대로 누전여부 (감전 가능성 여부)를 알아보는 것이나, 내전압 시험은 AC전압을 이용, 제품의 누전여부뿐만 아니라 외부의 어느 정도 전기적 충격에도 견딜 수 있는지를 미리 시험해 보아 품질보증과 함께 수명보장, 안전성 보장을 한다는 뜻이다.

(4) 내전압시험 원리

모든 품질 시험방법에는 충격시험(Stress)과 수명시험(Aging)의 두 가지가 있다.
Aging 시험이란 사용조건과 동일하거나 또는 조금 더 열악한 환경에서 장시간 동작시켜 보아 제품의 수명, 품질, 안전성 등을 확인해 보는 방법이다. 당연히 이 시험에는 아주 오랜 시간이 걸려 제품 모두를 시험해 볼 수 없기 때문에 Sampling검사를 하게 된다.
한편 Stress 시험이란, 사용 조건보다 훨씬 가혹한 조건으로 제품을 시험해 보는 방법으로, 시험시간이 짧아 전 제품을 검사할 수 있는 전수검사 (Total Inspection) 방법이다. 내전압 시험 역시 Stress성 시험으로 짧은 시간 내에 이루어질 수 있으며 당연히 시험조건이 가혹하여 시험중 파괴되는 수도 있게 된다.

위와 같이 내압시험을 위해 시험품에 AC전압을 인가해 보는 경우, 시험시의 누설전류는 시험품의 부유용량(Capacitance)의 크기에 비례한다. 이러한 이유는 내압시험에 사용되는 전압이 AC(50~60 Hz, 상용전원 주파수와 같은) 이기 때문이다. 당연히 내압시험기에 시험품을 연결하지 않은채 고압리드선만을 연결해 두어도 케이블선 자체가 부유용량을 가지고 있어 누설 전류가 흐른다. (표 2)는 이렇듯 내압시험기에 5m길이의 케이블만을 연결해 두었을 때의 내압기 출력전압 증가에 따른 누설전류량을 실측해 본 값이다.

한편 (그림 4) 는 몇가지 트랜스와 모터류에서의 부유용량을 직접 실측해 본 값들이다.
- 220V 1/4마력 유도모터의 stator에서 coi과 core 사이의 용량 = 520 pF
- 220V 1/8마력 유도모터의 stator에서 coild core 사이의 용량 = 320 pF
- 12V 차량용 Blower모터에서 stator와 coil case 사이의 용량 = 550 pF
- 12V 차량용 Blower모터에서 아마츄어 코일과 case사이의 용량 = 510 pF
- 12V 차량용 윈도우 와이퍼 모터의 코일과 case 사이의 용량 = 180 F
- 220V 20W 용량의 납땜 인두에서 히터와 외함사이의 용량 = 55 pF
- 일반 상용 주파수용 220V용 소형트랜스(50W) 에서의 1차코일, 코어, 2차코일 사이의 부유용량

이렇듯 모든 전기, 전자제품은 제조자가 원하든 원하지 않든, 얼마간의 부유용량(Stray capacitance)을 지니게 되어 있고, 내전압 시험시에 흐르는 누설전류의 양은 일차적으로 이러한 부유용량에 의해 결정된다. 여기서 내전압 시험시 양, 부를 판정하는 기준으로 누설전류량의 많고 적음이 적용되는 방식이 매우 애매 한 것임을 알 수 있다. 즉 내압시험이란, 어떤 시험품이 일반 표준품의 평균치보다 누설전류가 현저히 많을 경우, 또는 적을 경우 무언가 이상이 있다는 추측에서 불량으로 판정하게 되는 간접시험 방법임을 알 수 있는 것이다.

※ 누설전류의 증가 원인으로는 다음과 같은 것들이 있다.

비정상적인 근접부위
절연물의 파손
이물질 개입
다른 조율의 시험폼
Corona, 또는 Spark의 발생

위의 항목 중 6번 항에서와 같이 Corona, 또는 Spark가 발생하면, 누설전류가 급속히 증가하게 되는데 , 이러한 불량은 시험품이 사용자의 어느 기준 전압에도 견딜 수 있기를 바라는 요구에 미흡하므로 당연히 견고성, 수명보장성의 항목에서 불량으로 분류되어야 한다.
(표 3)은 직접 어느 모터(220 V용 1/4 마력, 유도모터) 3개를 Stator코일과 코어 사이에 내전압 시험을 해 본 결과이다.

- Motor 1 : 3.5 ㎸에서 아크소리, 4㎸이상에서 냄새 발생
- Motor 2 : 3.5 ㎸에서 아크와 냄새 발생
- Motor 3 : 2.5 ㎸에서 아크와 냄새 발생

이렇듯 (표 3)에서와 같이 내압시험 진행중 파손이 되지 않는 범위 내에서의 누설전류 증가는 대체로 인가전압에 비례한다. 파괴점에 이르러서는 누설 전류가 갑자기 증가(코로나 발생하고 더욱 시험전압을 올리면 Spark가 발생하면서 파괴된다. (Break down 점에 이름) 그리고 한번 파괴된 시험품은 양품으로 회복되지 않는다. 당연히 내압시험 전압설정은 파손점보다 낮아야 되고, 그와 반대로 내압시험요구 전압이 높다면 시험품의 내압시험 전압에 견디는 능력이 더 높게 설계되어야 한다. 일반적인 내압시험 전압과 누설전류 파괴점의 관계를 (그림 5)와 같다.

- 내압시험은 Stress 시험이므로 당연히 시험 중 파괴되는 수도 있다. 내압시험 전압범위 설정은 파괴가능점이나 그 이하점에 있어야 한다. 그림에서는 내압시험중 파괴되는 제품이 20%로 되어 있으나 실제로는 1%이하가 되어야 손실을 줄일 수 있다. 또한 내압시험 전압은 높을수록 엄격한 시험이 이루어지므로 시험중 손실을 줄이기 위해서는 품질을 높여야 하는 것 역시 당연하다.

(6) 시험 전압

제품에 따른 시험전압 설정은 법규에 의해 규정되어 있기도 하나, 때로는 구매자가 어떻게 시험해 주기를 요구하기도 한다. 여기서 내압시험을 몇 V의 전압으로 행해야 할지를 결정하는 공식은 다음과 같다. 단, 이 공식은 미국공업협회의 권장치로 이 공식이 도출된 것은 어떤 불변의 원리에 의한 것이 아니라 경험상의 법칙(Rule of Thumb)에서 얻어진 것임을 밝혀둔다.

내전압 시험전압 공식
- Et = (Eo X 2) + 1000v

여기서 Et는 시험전압 Eo는 시험제품의 사용전압, 또는 최고출력전압 즉 Et는 시험품의 사용전압을 2배 한 값에 다시 1000V 를 더해서 구한다. 예를 들어 220V용 모터에서 코일과 코어 (외함) 사이에 시행되어야 할 전압은 Et = (2 X 220V) + 1000V = 1440V 가 되어 1440V로 시험하라는 뜻이다. 단, 이 전압으로 1분간시험을 해야 한다. 여기서 보듯, 위의 공식에 따르면 어떤 사용전압의 제품도 최소한 1000 V이상의 전압으로 내압시험을 하라는 뜻인데, 이로 미루어 이 공식은 강전계통에서 유래된듯 하다.

한편 <한국전기용품 안전관리협회>의 기준에 의하면 트랜스류에서의 내압시험전압은 아래 (표 4)와 같다.