고체 절연물질의 절연파괴(Breakdown of soild insulating materials)-진성 절연 파괴

진성 절연 파괴(Intrinsic Breakdown)

큰 선-가열(pre-heating) 그리고 부분방전 없이 짧은 순간의 응력(stress) 작용된 후에 갑작스러운 절연 능력의 손실을 야기할 수 있는 메커니즘을 진성 절연 파괴(instrinsic breakdown)라고 부른다. 강한 비균일 전계의 경우를 제외하고 원칙적으로 완전한 절연파괴(a complete breakdown)은 nanosecond 단위로 고체 절연물질에서 발생한다. 여기에서의 절연 파괴는 매우 짧은 순간의 메커니즘이기 때문에 시간 의존적인 전압이 주는 상대적으로 작은 영향은 무시된다. 별다른 언급이 없는 한 전계강도는 가장 높은 값을 취한다.

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기존의 이론들은 이온화 메커니즘 또는 매커니컬한 파괴들이 격자 이온에 발생하는 전계의 힘의 결과로부터 온다고 가정하였다. 하지만 최근의 연구들은 전자 메커니즘이 가장 큰 원인이라고 여긴다. 진성 절연 파괴는 짧은 응력 시간 동안의 반드시 균일하고, 크리스털 라인의 물질 안에서 이루어져야 한다.

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A) 얇은 판의 절연 파괴(Breakdown of thin plate)

고체 절연 물질 안에서의 높은 전계 강도 E (high electric field)에서는 크게 증가된 전도율 k (conductivity)가 관측된다. 다시 말하자면 전도대(conduction band)에 자유전자의수가 증가됨을 말한다. 충돌이온화 뿐만 아니라 증가된 외부 전계 방사 그리고 내부 전계 방사 또한 이 현상을 유발하는 원인으로 고려된다.

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만약 전계의 강도가 지속적으로 증가하게 되면(절연 파괴 전계: E_d에 도달하는 경우), 전자 전류 밀도는 부분적으로 매우 높은 값을 갖게 되고 결국에는 절연물 질의 열을 발생 시는 현상을 초래한다 (Joule effect: 줄의 효과). 그리고 절연을 파괴하는 전력의 값은 10^-5W/mm³쯤 위치한다.

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만약 자유전자가 가스에서처럼 전계에 의해 가속된다면, 충돌 이온 화가 발생하게 된다. 이 격자 이온과의 충돌에 의해, 운동에너지를 포기하려는 전자들은 추가 자유전자를 생산하게 된다. 그리고 몇몇의 조건만 충족된다면, 전자사태가 발생할 수 있다. 전자 사태(electron avalanche)의 형성 및 성장은 격자 진동에 의해 감속으로부터 발생한 열에 의해 억제된다.

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크리스털 라인 물질의 낮은 온도 부근에서, 파괴전압은 오직 약간의 온도 증가와 함께 변하는 것이 관측된다(low temperature). 내부의 전계 방사(internal field mechanism) 메커니즘에 의해, 전자대(valence band) 또는 트랩(trap)으로부터의 전자들은 충돌 없이 전계로부터 에너지를 사용한다. 그러고 나서, 전도대로 이동하게 된다.

내부의 전계 방사 과정은 Figure 1.3-3에 도식으로 표현되어 있으며 에너지 밴드 모델을 기반으로 하고 있다. 만약 절연체 1의 두께가 s가 두 전극 2,3 사이에 위치한다면, 두 전극에 페르미 준위 F 는 eU의 에너지만큼 서로 반대로 이동하게 될 것이다. 절연체의 에너지 레벨은 그의 상응하게 기울게 된다. 각도에 의해 구해지는 tangent(탄젠트) 값은 다음과 같다.

$\frac{eU}{s}=eE$eUs​=eE​

만약 터널링(tunnelling)의 조건들이 충족된다면, 가전 대로부터의 전자들은 절연체의 해당하는 전도대 L로 이동할 수 있다. 트랩으로부터의 이동은 더욱더 용이하다. 내부의 전계 방사는 반드시 무 정형(amorphous) 절연 물질에서 나타나야 하며 불순물을 포함하고 있어야 한다.

크리스털 라인과 무정형 고체의 예시(ExamplesOf.net)

일정한 제한 온도를 초과하게 되면, 많은 수의 트랩의 자리가 빈 공간이 돼버린다. 예를 들면, 온도의 증가와 함께 무정형 쿼츠(amorphous quartz)의 절연파괴 강도의 감소는 내부의 전계 방사에 의해 발생되는 전자의 생성의 대한 가정을 힘을 실어준다(Figure 1.3-2: high temperature breakdown).

다음의 보이는 절연파괴 전계 강도 (E_d) 절대온도 (T)의 관계식은 다음과 같다.

$\ E_d\sim e^{\frac{\Delta W}{2kT}}$ Ed​~eΔW2kT​​

폴리에틸렌(the polyethylene)에서는 보통 0.03eV~0.05eV 사이에서 에너지 활성화(△W)를 위한 값이 결정된다. 외분 전계 방사 동안에는 (external field emission), 전자들은 캐소드를 통해 절연체로 이동하게 되고 부분적으로 전계 상승 구역으로 먼저 이동한다. 이 메커니즘은 Fig 1.3-3 transition b에 의해 나타내어져 있다. 이 부분은 강한 비균일 전계에서 상당히 중요하게 생각해야 하는 부분이다. 반면에 절연파괴 전계 강도 영역에서 균일 전계에서는 내부 전계 방사에 의한 전자의 증식이 지배적이다.

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B) 기술적 절연 시스템에서의 절연 파괴(Breakdown in technical soild insulation systems)

기술적인 절연 시스템은 물리적 매커니즘과 비교했을 때 조금 다르게 느껴질 수 있다. 만약 얇은 레이어(layer)가 두께가 아주 두꺼운 물체로 교체된다면, 여러 개의 레이어 절연체와 더 강한 비 균일 전계가 이용된다. 그러나 많은 케이스들에서, 발전된 모델들은 최소 질적인 측면에서 중요 고 전압 절연 물질에 적용될 수 있어야 한다(특히, 플라스틱).

Figure 1.3-4는 폴리에틸렌 호일(polyethylene foil)의 측정값을 보여준다. 다시 말하면 파괴 전계의 값이 온도의 따라서 변동하는 것을 위의 그래프를 통해 확인 가능하다. 낮은 온도에서는 보통 충돌 이온 화가 지배적이며 반대로 높은 온도에서는 내부 전계 방사가 지배적이다. 이 두 영역(low and high T) 사이의 경계 온도는 불순물들에 의해 더 낮은 값을 갖게 된다. 기술적 측면에서, 종종 내부 전계 방사가 발견되기도 한다. 또한 파괴 전압은 보통 온도가 증가하면 감소되게 된다.

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실제로, 얇은 막의 절연 파괴 전계 강도는 약 (100μ m 이하의 두께) 매우 큰 값을 가진다. 가스에서처럼, 이 현상에 대한 이유는, 작은 전극의 간극에서, 대전된 캐리어의 증식에 관한 메커니즘이 방해를 받기 때문이다. 더 큰 절연체의 관해서 (두께(mm 정도의 범위)와 그의 상응하는 고전압) 절연파괴 전계 강도는 두께로부터 독립적이라는 증거는 오직 충족된 조건하에서만 나타난다.

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가득 차지 않은 EP 몰딩의 측정값은 약 1MV/cm~3MV/cm 사이에 존재한다. 모델 콘셉트으로부터의 예상대로, 절연체의 비균일 전계의 각도는 진성 절연 파괴(intrinsic breakdown)에 아주 큰 영향을 미친다.

일반적으로, 물질들은 가능한 균일해야 한다 왜냐하면 방해 물질들이 트랩(trap)을 형성할 수 있기 때문에 절연체에 있어서 매우 좋지 않다 (참고로 전자들은 trap 을 통해 더 쉽게 전도대로 이동할 수 있다). 유사하게, 구조적 경계 표면은 매우 약한 지점처럼 행동하는데 쿼츠 파우더 필러(quartz powder fillers)를 동반한 EP-몰딩이 이에 해당한다. 다음은 전압 파괴 전계의 강도의 감소가 filler content F_g 를 증가시키기 위해 충동 전압 그리고 교류전압에 따른 측정값을 보여준다.

선호적 절연 파괴 경로의 성장과 구형의 경계에서 구조적 경계의 강도 감소의 다른 예는 부분적인 크리스털 라인 폴리머에서 발견된다. 일반적으로, 전극과 절연체의 결합과 함께하는 플라스틱 물질은 약한 부분은 기본적으로 존재하며 절연 구조에서 절연파괴의 수행능력을 결정한다. 외부 그리고 내부의 기계적 응력뿐만 아니라 두께, 부피는 절연 시스템에 미치는 부정적인 영향들은 취약 부분을 분산시키거나 특정 지점을 취약하게 만든다.

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하지만 실용적인 측면에서, 허용되는 전기적 응력은 이 값들 보다 아래에 있으며 이 값들은 보통 실험실에서 이상적인 구조를 위해 얻어진다. 아쉽게도 진성 절연파괴에서의 적용들은 아직까지 실제적 고 전압 절연 시스템에서는 실현되기 힘들다. 그럼에도 불구하고, 제안된 모델들은 상당하게 기술적인 측면에서 많이 공헌해왔다.

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C) 작은 반경을 가지고 있는 전극의 절연파괴 매커니즘(Breakdown mechanisms on electrodes with small radius of curvature)

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고체 절연 시스템에서는, 작은 반경의 곡면을 가지고 있는 전극을 기피해야 한다. 경제적은 이유로 인해 이 물체는 유전체로 활용되어야 하고 가능한 한 균일해야 한다. 그러나 날카로운 부분이나 날카로운 경계면은 실제 절연 시스템에서 제외될 수 없다. 반면에, 바늘 형태의 전극은 매우 종종 실험체로써 고체 물질의 절연파괴를 위해 쓰이며 여기서 얻어지는 실험 결과들은 높은 전기적 응력에 관해 절연 물질들의 특성 분석에 이용된다.

교류전압에서의 실험은, 일정한 전압이 시작 시간(t_e: 처음 부분 절연파괴 경로까지의 등장 시간)이 측정된다. 만약 응력이 지속적이라면, 경로는 나뭇가지의 형태로 절연파괴 시간 t_d에 도달할 때까지 진행되게 되고 결국에는 완전한 절연 파괴를 야기한다.

Figure 1.3-7은 절연 파괴의 경로이며 이것은 쪼개진 뇌 충동 전압에 의한 응력으로 인해 발생했다. 여러 가지 실험에 따르면 뾰족한 부분의 반경이 변하더라도 개시 전압(inception voltage U_e)의 값은 거의 일정했다. 그리고 이런 뾰족한 형태의 전극은 뾰족한 부분 극성의 공간 전하에 전계(electric field)가 약화되는 경향이 있다. 어떠한 경우라도 가장 강한 전계의 강도 (최대 약 MV/mm 단위까지)는 전계 방사가 가능한 곳에서는 반드시 존재 관측되여야 한다. 음극의 바늘 전극에서는 전자는 외부 전계에 의해 절연체로 주입되고 그곳에 음극성 공간전하의 형태로 트랩(traps)에 남아있게 된다.

반면에 양극성의 바늘 전극에서는 전자는 내부 전계에 의한 가전대 또는 트랩(trap)으로부터 자유로워질 수 있으며 양극성의 공간전하를 남긴다. 이러한 형태의 메커니즘은 일 함수(work function: W_A++)를 극복하는 동안 애노드(anode)로부터 오는 양극성 정공(holes)의 주입으로 해석 될 수 있다.

공간전하에 의한 이러한 전계의 변형(field transformation)은 ns 단위로 매우 짧은 시간에 일어나기 때문에 시간의 따른 전계의 곡선에서 개시 전압의 매우 낮은 의존성을 설명하는 데 도움을 준다.

Figure 1.3.-8은 개시전압(U_e) 와 파괴전압(U_d)를 가득 차지 않은 EP 몰딩 샘플에 대해서 실험한 것이다. 그리고 이 실험은 바늘, 로드(rod) 전극이 50Hz의 주파수를 가진 응력 동안에 교류 전압과 웨지 모양의 충동 전압이 기울기 S (최대 10MV/μs)기능을하는것을 실험한다.

부분 방전 경로는 대전 캐리어 같은 전자사태의 결과물이다. 참고로 대전 캐리어는 전계 강도 시간의 증가를 제공한다. 그리고 이러한 방전은 공간 전하로 인해 전계 감소를 지배하게 된다. 실제로 바늘 전극의 끝부분에서의 부분방전의 발생은 오직 충동 전압이 생기는 시점에서만 관측된다 즉 전압이 시간과 함께 증가하는 동안을 말한다.

짧은 순간의 응력 작용 동안의 작은 반경의 곡면을 가지고 있는 전의 행동 특성은 (가득 차지 않은 몰딩처럼) 다른 절연체들처럼 행동을 같이한다 (특히, polyethlene). 이것은 파트 A) 부분의 진성 절연파괴의 모델을 이해하는 데 도움이 된다. 그리고 교류 전압과 함께 오랜 시간 응력이 작용하게 되면 플라스틱 절연체의 적합성 여부의 테스트는 절대 첫 방전 경로 형성을 위한 다른 메커니즘을 예외로 둬서는 안된다. 현재까지 언급된 모든 것들을 포함하여, 열 그리고 전기-기계적 효과 또한 고려되어야 한다.

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