부분 방전(Partial Discharge in Electrical Insulation)

부분 방전(Partial Discharge: PD)이란?

두 전도체 사이에 발생하는 불완전한 절연파괴이며 대게의 부분방전은 3.3kV(phase to phase) 또는 그 이상의 전압에서 발생된다. 그리고 부분방전이 발생하는 장소는 Power 케이블, stator windings, 트랜스포머, 스위치기어등이 있다.

이름에서 보여지듯이 부분방전이란 부분적으로 일어나는 방전현상을 말하며 고 전압이 적용되었을때 부분적으로 절연체과 전도체사이를 전기적으로 잇는 현상을 말한다. 보통 부분 방전(partial discharge)의 현상은 부분적인 전기적 스트레스(electrical stress)의 집중으로 인해 발생하며, 절연체의 수명을 단축 시켜버리지만 즉각적인 시스템의 실패나 절연파괴는 일으키지 않는다.

• 내부적 방전(Internal Discharge):​ 고형이나 액체의 절연체 내부의 작은 기포나 공간(cavities)에 의해 발생

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• 표면 방전(Surface Discharge): 고체 절연체 표면에서 발생하는 방전현상 (고체-고체, 고체-액체 포함)

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• 코로나 방전(Corona Discharge): Corona 부분방전을 들 수 있다. Corona 부분방전은 보통 도체의 표면에서 발생하며 그 결과로, 매우 강도가 높고 불균형한 전기응력(electric stress)을 발생시킨다.

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고체의 절연체에서, 가스(gas)나 공기(air)로 체워져있는 작은 기포(cavity)는 절연기술 측면에서 좋지 않은것로 여겨지는데 크게 두가지 이유가 존재한다.

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첫째로는, 공기의 절연 강도는 고체의 절연 강도에 비해 낮은 편이다. 다시 말하면 순수 절연 물질의 최대 전계 강도 값이 더 높기 때문에 절연 실패로 이어질 확율이 상대적으로 더 낮다.

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두번째로는, 기포(cavity)는 주변의 절연체의 비해서 상대적으로 낮은 전기적 유전율을 갖게 된다. 따라서, 기포 주변의 전계(electric field)는 주변 절연체에 비해 더 보강된 값을 가지게 된다. (아래는 이와 관련된 대전되지 않은 상태에서의 수식이다)

위의 수식에서 보여지듯이 기포 주변의 전계는 factor >1 상태로 인해 증가하게 된다. 이러한 방식은 결국 부분적인 전계의 보강으로 이루어 지며 가스로 채워진 기포내에서 방전에 필요한 전계의 초과를 야기할 수 있다. (전자 사태를 유발할 수 있음)

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부분방전은 이온화 과정으로 인해 일어나게 되며 이러한 이온화 과정의 발생을 위해서는 다음의 두 조건을 반드시 충족시켜야 한다.

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1. 기포내의 부분적 전계의 강도는 반드시 최소 파괴 전압에 상응하는 특정 전계값을 초과해야 한다.

2. 두번째로는, 기포 내부의 가스에서 자유 전자는 이온화 과정의 시작을 위해 반드시 존재 하여야 한다.

이온화 과정과 관련된 전자사태(electron avalanche)는 기포 표면에 자유 전자의 배치를 이끌어 내게 되며 결론적으로, 전하들은 전계의 방향과 나란히하며 기포의 표면으로 이동하게 된다.

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이러한 전하들은 기포의 표면에 갇히게 되고 결국 적용된 전계의 반대방향으로 또 다른 전계를 형성시킨다.

이 현상은 매우 짧은 순간(microseconds 단위)로 발생하게 된다. 그 결과 기포 주변(cavity)의 총 전계(the total electric field)는 급격하게 감소하게 되고 방전의 소멸로 이끌게 된다.

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이러한 과정 뒤에, 같힌 전하(trapped charge)들은 (+) 과 (-)의 전하들의 재결합 과정을 통해 소멸되게 된다. 그리고 일정 시간이 지난 후 전계는 다시 새로운 방전이 시작할 만큼 충분히 강해지게 된다.

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● PD는 두 도체사이의 가스(air, SF6, hydrogen) 가 존재할때만 발생된다.

● 두 도체사이에 고압이 적용되었을때 electric stress를 만들게 된다.

● 만약 가스가 존재하는 공간에서, electric stress 가 3kV/mm을 초과하였을때 전자들이 가스 원자로부터 떨어져 나오기 시작한다.

● 보통의 액체 또는 고체의 절연체들은 가스에 비해 50~100배의 더 큰 전기적 강도를 가지게 된다.

● 음극성 전자들(negative electrons)은 공기를 통해 양극성을 띈 도체로 이동하려는 성질을 보이게 되며, 절연체의 손상을 주게한다.

● 시간과 공간을 이동하는 전자들은 전류를 발생시키며 식은 i=dq/dt이다.

출처:

[1] Greg Ston (Iris Power – Qualitrol): Partial Discharge in Electrical Insulation

[2] https://www.quora.com/Whats-PD-partial-discharge