고강도 비균일 전계에서의 절연파괴 메커니즘(Breakdown mechanisms in a strongly inhomogeneous field)

와이어 같은 전극 끝 쪽 작은 곡면에서는 눈에 띌 정도로 전계(the electric field strength)의 강도가 증가한다. 따라서, 전열 파괴 전계(E_d: the breakdown field strength)는 부분적으로 발생한다. 개시 전압(inception voltage: U_e)이 초과되었을 때, 충돌 이온화 과정으로 생성된 전자와 양이온들은 쿨롱의 힘(the Coulomb forces)의 영향을 받아 생성된 지점으로 다른 지점으로 이동하게 된다 (음전성의 기체에서도, 전자들은 전자 부속(attachment) 과정을 통해 음이온을 생성할 수 있다).

한 극(polarity)에서 대전된 캐리어의 축적은 space charge field(공간전하 전계)를 형성하며 이것은 전계(the electric field) 구조 변화에 있어서 아주 큰 영향을 끼친다.

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A) 불완전 절연 파괴 (Incomplete breakdown)

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접지된 면에 대한 양극성 포인트의 전형적인 배열 안에서의 메커니즘은 다음과 같이 나타난다.

포인트 앞쪽에서 충돌이온화에 의해 생성된 전자들은 anode 쪽으로 끌려간다. 전계를 감소시키는 양극성의 공간전하(space charge)는 포인트 쪽에 남아있게 된다. Direct voltage에 관한 경우, 완전한 breakdown 결과 없이 상태를 유지하게 된다. 전압이 증가했을 때는, 추가적인 짧은 시간 동안 "브러시 방전(brush discharge)"현상이 약하게 빛나는 공간전하 영역으로부터 나오게 된다. 이 브러시 방전의 주파수와 영역은 파괴전압값(U_d)에서 벌어지는 완전한 절연 파괴가 나타날 때까지 전압과 함께 증가한다.

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위의 그림에서 보이는 바와 같이, 접지된 면을 향하는 음극성 포인트와 관련된 특성은 다소 다른 형태를 보여준다. 다시 말하자면, 포인트 앞부분의 양극성의 공간전하(space charge)는 개시 전압(Ue:Inception voltage)를 초과했을 때 발생하지만, 전자들은 접지면의 방향으로 배회하게 된다. 만약 가스사 전자 부속(attachment of electrons)에 의해 음이온의 생성이 불가능하다면, direct voltage와 관련해서 즉각적으로 절연파괴 현상이 일어나게 될 것이다. 그 이유는, 양극성의 공간전하로 인해 포인트 앞쪽에서 추가적으로 전계 강도가 증가하는 현상이 발생한다. 즉, 정적인 불완전 안 방전은 불가능하다. 그러나, 대부분 기술적으로 사용되는 가스들 및 특히 공기에서, 음극성 이온 이루어진 공간 전하가 형성되어 포인트 앞쪽부터 충돌 이온 화가 멈추는 지점까지 전계(the electric field)를 감소시킬 수 있다. 음극성의 공간전하가 배회를 한 후에 한 번 더 방전이 시작된다. 이것의 결괏값은 펄스(pulse) 타입의 메커니즘이다. 그리고 이 결과는 외부 회로 안에서 10ns 범위의 시간 동안의 보통의 전류 펄스로 이끈다. 이 현상은 G.W. Trichel에 의해 1938년에 증명되었으며 Trichel Pulse라고 부른다.

추가적인 전압의 증가는 매우 강한 전류 브러시 방전(current brush discharge) 현상을 일으키고 심지어 negative direct 전압에도 해당하며 결국에는 완전한 절연파괴 단계(a complete breakdown voltage)로 넘어가게 된다. 펄스의 라이즈 타임(the rise time)은 약 ns 범위에 해당한다. *라이즈 타임: 펄스 진폭이 10% 차에서 90% 치에 이르기까지의 경과시간. 비록 불완전한 절연파괴의 대한 이해가 복잡하더라도, 시간의 따른 전압의 변화 역시 이전에 언급한 메커니즘이 발생한다. 전압의 변화와 관해서 주기적은 극성(periodic polarity)의 결과도 변하게 되며 충동 전압(the impulse voltage)의 관해서 제한된 시간의 방전 현상은 반드시 설명돼야 한다.

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특히 전압 변화와 관련된 불완전 절연파괴에서의 방전은 기술적인 측면에서 매우 중요하다, 즉 끝부분이나 어떤 부분에서의 부분 방전 그리고 오버헤드 송전 라인에서의 코로나 방전 같은 경우를 일컫는다. 앞서 언급한 두 개의 경우 모두 대전대 펄스들은 높은 주파수의 전자기적 방해를 발생시키기 때문에 반드시 고려되어야 한다. 특히, 오버헤드라인 디자인에 있어서 중간 길이의 파장 범위에서 라디오 전파방해를 피하기 위해서 신경 써야 될 부분이다.

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정적인 또는 펄스 타입의 방전(지속적인 또는 펄스 코로나)은 real power(P=V*I*cos φ)를 필요로 한다. 오버헤드라인에 있어서 이런 코로나 손실은 대기 상태에 매우 의존적이다. 강도는 보통 1~10KW/km 정도이다. 그리고 오버헤드라인과 관련해서 충분히 높은 코로나 개시 전압(onset voltage)를 달성하기 위해서는, 전도체(the conductor)의 직경(diameter)이 충분히 커야 한다. 동작전압이 100kV 이상일 경우는, 단일 전도체를 사용하기보다는 여러 개의 전도체가 묶여있는 한 묶음(bundle)을 사용한다.

Three phase(삼상)의 송전 라인은 정격전압에 있는 전도체의 표면에 rms 값의 전계강도(15KV/m) 로 디자인되었다.

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B) Air 절연파괴 동안의 극성효과(Polarity effect during air break)

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양전하의 캐리어는 전자(음전 하의 주요 캐리어)보다 질량이 훨씬 크다. 더 강한 전계에서의 전극이 그것의 극성을 변화시킬 때, 비대칭의 전극의 구조에 단극의 전압(unipolar voltage)가 가해진 경우, 다른 특성이 나타나야 한다.

Polarity Effect in the inhomogeneous field

만약 공기 중에서 천체 구조의 판의 간극(spacing)이 넓은 범위 안에서 변하게 되면, direct 전압의 대한 U_d(파괴전압)의 변화는 위의 그림과 같이 나타난다.

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s/r<1에 해당하는 약한 비균일 전계에서는 (천체 구조의 판의 간극을 측정) 수식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$U_e=U_d;\ U_{d+}\approx U_{d-}$Ue​=Ud​; Ud+​≈Ud−​​

반면에 s>>1에 해당하는 강한 비균일 전계에서는 (판의 막대 부분(rod-plate)) 수식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$U_e<U_d\ ;\ U_{d+}<U_{d-}$Ue​<Ud​ ; Ud+​<Ud−​​

파괴전압에서의 큰 편차는 약한 비균일 전계와 강한 비균일 전계의 경계 영역에서 측정된다. 큰 간극에서의 개시 전압(Ue)는 거의 일정하고 극성에 대해 독립적이다. 그리고 공간전하 무 전계(space charge free field)의 특성에 의해 설명될 수 있다. 그리고 만약 E_max=E_d 이면, 개시 전압(Ue)의 값을 얻을 수 있다.

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간극이 큰 경우에는(at large gap spacings), 양극성의 파괴전압(the positive breakdown voltage)은 음극성의 파괴전압(the negative breakdown voltage)보다 훨 씩 작은 편이다. 교류전압에 있어서, polarity effect(극성 효과)는 비대칭 구조의 positive half-cycle에서 항상 절연 파괴를 일으킨다.

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공기 중 더 큰 파괴전압은 (전극의 음극 성과 더 작은 직경의 곡면에서) 음극성 이온의 공간전하 전계 균일화 효과에 기인한다.

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공기 중 Rod(길쭉한 막대 부분)의 파괴전압(U_d)은 고 전압(high voltage)에 관련해서 장비나 설치 기구 안의 공기 제거 디자인에 있어서 매우 중요하다. 위의 그림에서 뚜렷하게 보이듯이, 만약 파괴전압(U_d)이 개시 전압(Ue)보다 훨 씩 크다면, 곡면의 반지름(r) 은 파괴전압에 있어서 공간전하의 효과로 인해 특별한 영향을 끼치지 못한다.

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실제로, 모든 비균일 구조의 간극(gap spacings)이 약 0.5m보다 크다면 rod의 간극 같은 행동들을 보여준다.

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출처: D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.