소소한 POWER SYSTEM

액체의 절연파괴 현상은 간단하게 설명되기 어려울 뿐만 아니라, 기술적 경계 조건 측면에서 관측된 현상에 관하여 상당히 크게 의존적이다. 매우 많은 고려사항들이 있지만 이 섹션에서는 가장 중요한 두가지 사항만 이야기 하려 한다.

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A) 진성 절연 파괴(Intrinsic breakdown)

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가스나 고체의 절연 물질 처럼, 전자 사태 (avalanche)에 의한 절연파괴가 순수 절연 용액에서도 가능하다. 만약 이온화 조건이 Eλ≥U_i 이라고 가정하면, 가스의 액화로 인한 평균 자유 경로 λ (mean free path)의 감소는 반드시 그의 상응하는 이온화 전계 강도 증가에 의해 보상되어야 한다.

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LN₂의 예시가 보여주듯이 이론적으로 원하는 전계강도의 값은 실험에서 달성하기가 힘들다. 실험적으로 결정된 전계 강도의 값에 대하여 전자의 운동에너지는 액체의 부분적인 기화 효과에 대하여 충분해야 한다(액화 분자와의 충돌에 의한 기화 효과).

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작은 가스 버블이 형성된 경우, 큰 평균 자유 경로(mean free path λ)를 가지며, 이 경우가 가지는 우세한 전계 강도는 충돌로 인한 이온화, 전사 사태 형성을 야기 시킨다. LN₂의 모델은 파괴 전계 강도를 약 300 kV/cm 정도를 가지게 된다.

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기술적으로, 절연 오일은 더 복잡한 매커니즘을 가지게 되는가 그 중 제기되는 하나의 가능성은 다른 요소들의 존재의 원인이다. DC 전계에서 절연용액과 함께하는 전극 구조를 고려해 볼때, 전류 밀도 (the current density) S가 나타나며 몇분 정도 후에 거의 일정한 값에 도달하게 된다(Figure 1.4-3a).

이러한 현상에 관한 원인은 다른 mobility(가동성)를 가지는 대전 캐리어의 존재 때문이다. 마지막 단계로, 일정한 전류가 무거운 전해질 이온에의해 결정되게 되고 이러한 무거운 전해질 이온은 해리(불열, 또는 분리)를 통해 형성된다.

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낮은 전계강도에는 옴의 법칙은 가스에서처럼 포화전류 상태에 도달하기 전 까지는 거의 유요하다. 만얀 전계 강도 E가 추가로 더 증가하게 되면, 전류 또한 불균형하게 절연파괴가 일어날때까지 증가하게 된다. 전류 밀도 S 는 다음과 같이 표현된다.

대전 캐리어의 밀도 n의 증가가 예측 될 가능성이 있으며 그 이유는 가동성(mobility b)가 변화될 이유가 없기 때문이다. 액화된 가스의 절연파괴와 비슷하게, 대전된 캐리어의 증식은 액체의 가스나 기포 부분의 충돌 이온화에 기여할 가능성이 있다. 이러한 현상은 절연 파괴로 이어질 수 있으며 "masked gaseous breakdown"이라고 일컬어 진다. 이 모델은 실험적으로 관측된 절연용액의 전기적 강도가 압력에 따라 증가됨을 설명하는데 도움이 된다.

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B) 섬유 브릿지 형성에 의한 절연파괴(Breakdown by fibre bridge formation)

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기술적 절연용액은 항상 육안으로 보이는 불순문들은 포함하고 있는데 이에 해당하는 것들은 섬유소 형태의 분자들, 셀룰로오스, 솜(cotton)등의 물질들이 해당된다. 특히 이러한 불순물들이 절연용액으로 부터 수분을 흡수하게 되면, 이 불순물에 향하는 힘이 더 높은 전계 강도의 영역으로 옮겨지게 되고 또한 전계의 방향와 나란히 하게 된다. 이러한 불순물과 대조적으로, 가스 버블은 더 낮은 절연 상수 때문에 가장 높은 전계영역에서 제외되버린다.

이러한 방식으로, Fig 1.4-4에 나타나 있는것 처럼, 전극들 사이의 섬유 브릿지(a fibre bridge)가 생길 수 있으며 이것은 전도 경로는 대표하게 된다. 저항 손실은 상당한 가스 절연 파괴 분자를 포함한 수분의 기화를 야기 할 수 있다. 이 현상은 또한 부분적으로 약한 전도 경로로 부터 오는 열에 의한 절연파괴로 해석 되어질 수 있다. 기술적으로 섬유 브릿지 형성으로 인해 극도의 절연파괴의 생성은 자유 오일 간극의 높은 전기적 응력을 금지한다.

섬유 브릿지 절연 파괴는 절연 스크린을 통해 효과적으로 예방 될 수 있으며 이 절연 스크린은 가능하면 전계에 수직적으로 배치된다. 추가적인 유요 측정은 전극들은 고체 절연 물질 않으로 내장하는 것이며 이 경우 선호적으로 종이 붕대(paper bandage)를 사용한다

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

절연유가 적용되는 대부분의 경우에서는 더 많은 고려사항들이 존재하게 된다. 예를들어 절연유는 트랜스포머의 와인딩과 코어의 열을 식히는데 이용되고 또한, 서킷브레이커의 아크현상(열이나 불꽃을 나타내는 현상)을 끄기 위해서도 쓰인다. 또한, 내장된 캐패시터에서, 절연유는 절연지의 절연 상수를 증가 시키는 역할을 한다.

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절연유의 사용은 기술적인 측면에서 기체 그리고 고체 절연 기술과는 조금 다르다. 액체의 절연은 불순물에의해 상당한 영향을 받으며 수명 또한 공간 전하(space charge)의 영향을 크게 받는다. 절연유의 절연파괴는 확실하게 통일된 이론은 없으므로 여러가지 사항을 복합적으로 고려하여야 한다.

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A) 절연유 기술적 구조의 전기적 강도(Electric strength of technical configuration with insulating liquids)

고 전압 기술에서는, 미네랄 오일이 절연물질로써 지배적이다. 즉, 절연 지지대(소프트 페이퍼, 프레스보드 등) 부근에서 절연 활로를 연다. 미네랄 오일은 매우 낮은 점성을 가지고 있어서, 트랜스포머의 절연 오일로써 많이 쓰인다. 이러한 점성도는 온도에 매우 의존적이기때문에 다른 적합한 증류액과 섞으므로써 냉각이나 오일을 머금게(침투) 함에 있어서 용이하다.

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미네랄 오일은 천연 오일로 부터 추출되며 이러한 절연유는 각기 다른 성질을 가지는 여러 탄화수소의 혼합체이다. 대형의 기술 시스템(트랜스포머 같은)이나 대기와 접촉이 일어나는 몇몇에 경우에 절연유는 불순물이 용해된 가스나 액체의 형태로 가지고 있게 된다. 뿐만아니라, 전도가 가능한 입자나 전도가 불가능한 입자(fibre pieces, sludge) 또한 포함하게 된다.

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많은 실험들이 보여주기를 이러한 불순물의 존재는 절연파괴의 특성에 있어서 이상적으로 순수 절연액에 비해서많은 영향을 준다. 사실, 액화된 가스들은 순수 절연액을 대표하는데, 매우 낮은 온도의 질소액이 이에 해당한다(LN₂). 액화 헬륨 또한 저온 기술에서 사용될 가능성이 있다.

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합성 절연액인 chlorinated diphenyls (염소처리된 디페닐)은 파워 캐패시터에서 절연종이가 머금게 하기 위해 (함침)쓰인다. 미네랄 오일과 비교하였을때, chlorinated diphenyls은 거의 2배 더 큰 절연 상수를 가지고 있었다.

추가적 이점으로는, 불이 잘 붙지 않으며, 예전에는 배전(distribution) 트랜스포머 안쪽에 사용되기에 적합 했다. 하지만 오늘 날에는, 에폭시 레신(epoxy resins)과 함께 건식 트랜스포머에 사용된다.

아래 표는 몇몇의 절연액의 특성을 포함하고 있다.

불순물에 대한 의존성을 제외하고, 전기적 강도는 또한 다른 요소들의 영향을 받는데 특히, 압력과 스트레스(stress duration) 작용 기간이 이 요소들중 하나에 해당한다. 충동 전압의 스트레스작용 동안, 절연 파괴 전계 강도는 많은 영향을 받게 된다. 균일 전계에서의 절연체는 아마 최대 E_d=200 kV/cm 의 절연 파괴 전계를 가진다. 트랜스포머안에 전극의 충동 전압-시간 커브(Figure 1.4-1)는 스트레스 작용효과에 관하여 생각해 보게 만든다.

불순물을 포함한 절연액에 관하여 전형적인 절연 파괴 요건은 큰 확산과 불규칙적인 선-방전(pre-discharge)의 발생 빈도이다(균일 전계 상태도 포함). 더욱이, 순수 액체 간극들에서는(in pure liquid gaps), 절연 파괴는 상당한 자가 회복 작용(self-healing)과 함께 발생한다.

위의 그래프는 절연파괴 전계 강도 E_d의 측정결과 값과 50Hz에서의 분산 요소 tanδ 를 수분 포함 함수 v에 관하여 나타내어졌다. v=50*10^-6 을 초과한 지점에서의 E_d 의 감소는 용액이 유화되는 변천을 겪는데 영향을 끼치게 된다.

200kV/cm의 절연파괴 전계 강도에서는 잔존하는 수분 함량은 v<10^-5 이어야 한다. 용해된 수분 기포와 대조적으로, 용해된 가스는 보통 절연액에 전기적 강도에 큰 영향을 미치지 않는다 (산소에 의한 노쇠화 과정은 별개). 그러나, 만약 평형생태를 벗어났을때 과포화 상태는 매우 중요한 부분이 될 수 있다. 다시말하면, 용해된 가스들이 아주 작은 버블형태로 나타나게 되는데 이러한 버블들은 기계적 진동 (강제 냉각 순환 등)이나 고 전계 강도에 의해 발생된다.

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액체의 절연 재료들은 함침제(impregnants)로 캐패시터의 절연체, 소프트 페이퍼, 그리고 트랜스포머의 프레스 보드에 쓰인다. 뿐만 아니라, 오일이 함유된 페이퍼 케이블에도 적용 가능하다. 그리고, 액체의 절연 재료들은 매우 높은 전기적 강도에 도달이 가능하지만, 효과적인 대류 냉각(convection cooling) 측면에서 비용적으로 효율적이지 못하다.

다음의 표는 각각의 물질들이 20^oC에서 가지고 있는 특성들을 보여준다.

위의 표에서 보여지는 혼합된 절연체들은 매우 강한 전기적 강도를 가지며 약 100kV/cm 또는 그 이상의 전계 강도까지 허용이 가능하다. 아주 짧은 순간동안은, 파괴 전계 강도 E_d의 스트레스 값이 약 최대 1MV/cm 까지 측정될 수 있다. 그러나 특히, 매우 높은 주변 온도 상황에서는 열에 의한 절연 파괴상황을 반드시 고려하여야한다. 추가로, 극도록 짧은 순간같은 특이한 경우에는, 심지어 수분또한 매우 높은 절연파괴 전계 강도를 보유하게 된다.

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실험적 조건에 따라서, 약 mm 단위의 공간에 대해서 100~500kV/cm의 전계 강도 값을 가질 수 있다 (※작용 시간은 10μs 를 넘지 않는다). 절연용액을 기술적 측면으로 바라본다면, 전기적 강도는 압력에 비례해 매우 급격하게 증가한다. 이러한 특성을 고려해 본다면 매우 높은 절연 상수 ε_r=약 80을 가지고 있는 물 또한 플래시오버(flash over)의 위험성에 관해서 잘 들어 맞는다고 볼 수 있다.

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

부분 방전(PD: partial discharge)는 전기적 형태의 방전으로써 절연의 일부분을 전기적으로 연결시키며 보통 펄스의 형태를 가지고 있다. 불완전한 절연파괴의 형태와 함께 가스로 채워져있는 절연체 내부의 기포에서 발생하거나 작은 반경의 곡면을 가지고 있는 전극이, 고형의 절연체에 완전히 내장되지 않았을때 발생한다.

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PD는 오랜기간동안 방치되면 완전한 절연파괴로 발전될 수 있으며 특히 교류전압의 스트레스가 발생하는 동안 더 주의깊게 다뤄야 한다. 부분방전과 관련된 유요한 매커니즘은 생각보다 복잡하다. 따라서 부분방전의 매커니즘을 설명할때는 여러 사항들을 동시에 고려하여야 한다.

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플라스틱같은 균일한 절연 물질안에서의 가스로 채워진 공간은 취약 지점으로 고려되여야 하며 절연기술에 있어서 달갑지 못한 부분이다. 하드보드(hardboad)처럼 라미네이트된 절연물질에서는 이러한 부분방전은 피할 수 없다.

이러한 빈 공간(cavities)들은 고강도 전계 응력때문에 균일한 절연체에서도 발생된다. 이러한 PD의 경로로는treeing(나뭇가지처럼 뻗어나감)이 이에 해당된다.

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Leading 전계는 오직 작은 반경이 곡면을 가진 전극 부근의 방전을 유지할 정도로만 충분히 강하다. 따라서 이 사실에 의하면 완전한 절연파괴로의 즉각적인 변화는 지연되게 된다.

고형의 절연체 안쪽 또는 표면쪽에서의 부분 방전은 기체의 절연 관점에서 불완전한 절연 파괴로 고려되며 전형적인 형태의 부분방전의 예시가 아래 Figure. 1.3-14에 나타나있다.

완전한 절연파괴로의 빠른 변화는 고형의 절연 물질에 의해 방지되는데, 즉, 방전이 가능한 가스의 제한된 부피와 방전 전류의 제한에 의해 방지된다. 너무 얇은 막의 두께의 관해서, 완전한 절연 파괴는 방전 경로들(보통 가스로 체워져있는 기포 또는 미세한 공간)을 따라서 일어나게 된다.

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A) 부분 방전에 의한 절연파괴 매커니즘(Mechanisms of partial discharge breakdown)

절연체에 가해지는 장기적인 전기적 응력동안에는, 내부의 부분 방전 (internal partial discharge)이 절연체에 해를 입힐 수 가 있다. 부분 방전에 의한 절연체의 노쇠화는 교류 전압의 응력에 의해 발생하는데 점화 과정에서의 주기적 반복 현상때문이다. 또한, 부분 방전의 기포는 고 전압에서 상당한 전기적 강도의 변화를 야기시킬 수 있지만, 장기간에 걸쳐 이루어 지지는 않는다.

이 부분방전을 통해 일어나는 가장 중요한 결과들은 다음과 같다.

-heating(열 생성)

-erosion(침식, 노쇠화)

-chemical effect(화학적 효과)

-charge carrier injection(대전 캐리어의 주입)

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이러한 부분 방전은 항상 추가적인 절연의 손실, 지정된 이온화의 손실들을 가져오며 이러한 부분 방전들은 부분적으로 집중해서 나타나며 또한 점 같은 열원(heat source)으로 대표된다. 많은 이미 시행된 추정값들이 보여주는것은 오직 높은 주파수(MHz 범위) 경우에서만, 부분 방전은 초과된 부분적인 열을 유발 시키며 결국엔 열에의한 절연 파괴로 이끌게 된다.

부분방전이 있는 절연체의 가스로 채워진 공간에서는, 전자 그리고 이온의 가속도는 쿨롱의힘(Coulomb forces)에 의해 일어난다. 절연체 벽의 특수 부분에서의 이온에 의한 충격은 침식을 유발하게 되는데, 즉, 물체의 기계적인 패임현상을 일컫는다.

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반면에, 부분방전과 관련해서 공기로 채워진 기포(크리스탈라인 물질의 경우)는 현미경을 통해 전자의 움직임을 관찰 할 수 있다. 본래 매우 매끄러운 표면이 후에 거칠게 변할 수 있으며, 이러한 과정은 부분방전 경로를 생성하는 시발점이 될 수 있다.

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인공 기포를 포함하고 있는 플라스틱 절연 물체의 부분 방전의 관한 시험 또한 많이 시행되어왔다. 만약 부분방전에 노출된 절연체가 기계적으로 해를 입지 않았다면 초기 도입 주기는 반드시 나타나야 한다.

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기계적으로 준비되거나 부분 방전에 의해 충분히 침식된 부분에서는 경로 형성과 함께 파괴적인 단계가 비교적 빠르게 시작된다. 반면에, 균일한 침식한 잔존하는 절연체두께의 감소 결과로부터 오는 부분 방전에의한 절연파괴는 아직까지 발견되지는 않았다.

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또한 절연파괴와 연관된 화학적 작용은, 절연체 표면에서 부분방전을 야기 시킬 수 있다. 기본적으로 적당한 환경적 영향이 존재하는 한, 모든 화학적 반응들은 고분자(macromolecules)에 있을 가능성이 있다. 예를 들어, 높은 습도와 온도에서는, 에폭시 레신(epoxy resins)은 상대적으로 쉽게 가수 분해 된다. 추가적으로, 공기중에서의 전기적 방전은 물질의 부식을 제외하고 NO(nitrous oxide)는 수증기와 함께 HNO₃를 형성한다. 또한, 가스로 채워진 기포와 고형의 절연체에서의 화학적 변화는 이온화 과정동안 일어나는 짧은 파장의 방사(radiation)에 의해 촉진 될 수 있다.

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또 다른, 절연체의 노쇠화 매커니즘은 대전 캐리어의 절연체로의 주입이 해당되는데 (대게, 전자의 주입) 이러한 대전 캐리어들은 절연체를 뚫고 지나가며 트랩에 갇히게 된다. 즉, 트랩으로 부터 전도대로에 이동이 쉬워지게 된다(절연이 실패될 가능성이 높아짐).

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PE foil에서의 공기 기포로 인한 결과는 이미 많이 증명 되어왔다. 이 상태에서는, 절연체가 전자의 파장에 의해 관통당하게되며 결국 높은 전도율을 이끌어 낸다. 따라서, 이로 인해 열적으로 매우 불안정해지게 된다(Fig 1.3-14c).

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반면에, Figure 1.3-14d에서 처럼 절연체 표면에서 에너지가 풍부한 방전의 시작점으로 부터 전자들은 높은 공간 전하 field 강도의 도움으로 인해 절연체를 통과할 수 있다. 그리고 이러한 경우는 결국 표면 아래에 부분방전의 경로를 유발하게 된다. 만약 이러한 상황이 계속 지속된다면, 완전하지만 변칙적인 절연 파괴(anomalous breakdown)를 이끈다(아래 그림 참조).

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

절연 물질에서는, 절연 손실 P_diel이 발생하는데 이러한 절연 손실에는 전도, 극성, 그리고 이온화 손실로 구성되어있다. 이러한 손실들은 절연체의 온도를 증가시킬 뿐만 아니라 절연체를 스스로를 온도의 대한 의존성을 부여하게 된다. 절연체 손실이 온도와 함께 급격히 증가하는 영역에서는, 고체 절연체의 과열 같은 위험이 존재하며 이러한 과열 문제는 절연 파괴로 이어질 수 있다. 이러한 열에 관한 기초적인 절연파괴 메커니즘을 thermal breakdown이라고 하며 1922년에 K.W. Wanger에 의해 설명되었다.

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A) 절연 손실의 온도 의존성(Temperature dependence of dielectric losses)

교류 전계에서의 구체적인 절연 손실은 다음과 같다

손실 요인 ε_rtanδ 절연체의 절연 손실의 크기가 없는 값이며 그 범위는 약 10^-3~10^-1 정도이다.

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직류 전계에서의 수식은 다음과 같다.

위의 두 경우 모두, 온도의 대한 의존도는 다음과 같이 표현될 가능성이 있다.

다시 말하면,

온도 의존도:

B) 열에 의한 절연파괴 모델(Model to describe thermal breakdown)

Figure 1.3-9에서는 절연체의 온도 T 와 구체적인 절연 손실 P_diel은 부분적으로 일정하다고 고려된다. 전극 1과 2사이의 쿨링 파워 P_ab 와 함께하는 열전도가 주변 온도 T_u에 대해서 비례한다고 생각해보면

안정적인 동작 지점은 반드시 다음 조건들을 만족시켜야 한다(Fig 1.3-9b).

만약 안정적이 동작 지점이 존재하지 않는다면, 열에 의한 절연파괴가 시작된다. 뚜렷하게 보이듯이 교차점 A는 안정적인 동작 지점인 반면, 교차점 B는 불안정한 포인트이다. 주변 온도 T_u를 증가시키거나 전압 U를 증가시킴으로써, 포인트 A와 B는 마지막에 C 지점에서 합쳐지게 된다. 상응하는 전압은 중요한 전압 U_k로 표시되었으며 이는 열에 의한 절연파괴 전압이다.

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질적인 측면에서 위에 Figure는 절연체 내에서 부분적으로 일정한 온도라고 가정되었다. 그러나 절연파괴 수행에 있어서 양적인 측면은, 절연체에서의 온도 분배 현상은 반드시 고려될 사항이다.

균일 전계에서 향상된 모델은 Figure 1.3-10에 보인다. 이 모델은 전극 1, 2의 주변 온도가 일정하다고 가정되었다. 다시 말하자면, 열전도는 오직 x 방향으로 만 향하고 절연체의 열전도성 λ은 일정하다고 가정되었다. 최대 온도 T_m은 위치 x=0에서의 경계 조건은 위의 수식과 같다.

정적인 케이스에서는, 열전도에 의해 전달되는 전력 각각의 볼륨 요소는 다음과 같다.

수식 유도과정은 생략하고 전압과 최대 온도의 관한 수식은 다음과 같이 표현된다.

위의 수식은 다음과 같이 다시 나타내어질 수 있다.

Function f(бΔT_m)은 figure 1.3-11에 나타나있다. 물리적으로 의미 있는 답안은 명백히 증가하는 전압과 높은 값의 최대 온도를 요구하지만 최댓값의 오른쪽 영역에서는 더 이상 이 조건들이 만족 되지 않는다. 가장 높은 수치는 бΔT_m ≒1.2에서 가지는 0.663 정도인데 이는 열에 의한 파괴전압 U_k 의 상응한다. 이에 우리는 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.

보통 한쪽의 쿨링판에서 일어나는 케이스에서는, x=0 부터 x=s 까지의 적분을 통해 U_k의 절반값은 얻어낼 수 있다. 놀랍게도 이 U_k의 값은 판의 두께 s에 의존하지 않는다. 하지만, 주어진 주변 온도와, 물질의 재료의 대해서는 의존적이다. 보통의 고전압 절연 물체에 대해서는, 50Hz의 주파수에서 50kV~500kV 범위의 값이 얻어진다. 하지만 주변 온도가 상승하면, U_k의 값은 급격하게 감소한다.

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예를 들면, oil-paper 절연체는 50Hz 그리고 20℃에서 다음과 같은 값을 가진다.

한쪽 면의 열전도 그리고 주변 온도 20℃에 대한 U_k값은 444kV이다. 주변 온도가 100℃이라면 199kV의 값을 가지게 된다. Figure 1.3-10에 보이는 바와 같이, 전극에 존재하는 열전도율 관련 모델에서는, 서로 반대 방향을 하고 있는 전극 섹션 사이의 온도 분배는 항상 같다(화살표 방향을 의미). 따라서, 이런 현상을 global thermal breakdown이라고 일컫는다.

대조적으로, K.W. Wanger는 Figure 1.3-12에서 보이듯이 그의 조사의 따르면 그는 증가된 전도성의 얇은 경로는 절연체 안에 존재하고 방사성(radial) 열전도는 이 절연체로부터 발생한다. 이 모델을 부분적 열 절연 파괴(local thermal breakdown) 이라고 하며 다음과 같이 나타내어진다.

이론의 가정은 실제 경우에서 부분적으로만 들어맞는다. 그래서, 이론을 통한 계산은 근삿값만을 제시할 수밖에 없으며 열의 안정성과 관련된 실험을 완전히 대체할 수는 없다. 열 변화(정적 최대 온도)가 완전히 끝난 다음에, 동작 조건에서 고려된 전압 조건하에 오래 시간 동안 절연체를 실험할 때 이 상황은 종결될 수 있다. 즉 일정한 손실 요인의 안정성의 가능한 결과는 figure 1.3-13에서 보이며 이것은 비-파괴 결정자 U_k를 인가한다. 또한 이러한 실험들은 부싱(bushings), 파워 캐패시터, 케이블과 관련해서 매우 중요하다.

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

절연 시스템에 있어서 고체 절연 물질은 기술적인 측면에서 반드시 필요한데 가장 큰 이유 중 하나는 역학적으로 전극 또는 다른 부분들을 지탱하기 때문이다. 각각의 물질을 은 다른 성질들을 갖게 된다. 자연적 또는 인위적 합성을 통해 얻어지는 무기농과 유기농 물질들의 해당하는 것은 polyethylene(PE) 또는 epoxy resin(EP) 몰딩(mouldings) 등이 있다.

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고체 절연 물질의 적용에 앞서 선행되어야 하는 조건은 충분한 전계 강도가 필요하다는 것이며 대부분의 장치들은 전열 파괴 없이 높은 응력에서 오랜 시간 동안(몇 십 년 정도)를 견뎌내야 한다.

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전열 물질의 전계강도에 있어서 가장 중요한 요인은 온도이다. 다시 말하자면, 열의 생성과 온도의 분배는 매우 중요한 고려 사항이며 열 절연파괴(thermal break down※추후에 이야기하려 한다)을 이해 함에 있어서 특히 더 중요하다. 또한 고체 절연 시스템에서의 부분방전도 절연 파괴로 이끌 수 있기 때문에 이 부분 또한 신경 써야 한다.

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낮은 전계 강도에서의 대전 캐리어 (Charge carriers at low field strength)

자유 대전 캐리어(free charge carriers)는 고체의 절연체에서 양(+)이 온 음(-)이 온 그리고 전자(electron)로써 존재할 수 있다. 한 개의 이온을 단순화 시켜볼 때 전류 밀도(S)를 가스에 관해 유도할 수 있다.

절연 액체(insulating liquid)에서는 제품의 노쇠화나 전해질 불순물로부터 분리로 인해 형성된 이온들의 움직임 때문에 전도체는 이온화 상태이다. 이온화 격자와 있는 물질 안에서는, 더 높은 온도에서 열로 인해 활성화된 격자 이온들이 존재하여야 한다. 구체적인 전도율 k_i(specific conductivity)에 상응하는 부분이 이온 분리 그리고 mobility의 증가 때문에 강력하게 온도와 함께 증가한다. 수식은 다음과 같이 표현된다.

Polyethylene 같은 크리스털 또는 크리스털 라인의 물질에서 발견되는 d.c. 전도율(conductivity)는 대부분 전자 전도(electron conduction)에 의해서 발생한다. 절연체 안에서, 전자들(electrons)의 허용 에너지 레벨(the permitted energy level)은 다음과 같이 나타내어지며 밴드 모델을(band model) 일 기반으로 하고 있다.

a)의 ideal insulation에서는 금지대(a forbidden zone) 의 eV 단위의 너비 △W 전자대(V: valence band)와 전도대(L: conduction band)사이에 존재한다. 전도대 L 에는 자유전자는 존자하지 않고 전도율(the conductivity)는 0이다.

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외부의 원자의 존재로 인한 격자 구조의 변동에 의해서 b)에서 보이는 것과 같이 전자들이 금지대의 트랩 H에 이주 될 가능성이 증가한다. 그리고 이 트랩 H는 전도대 바로 아랫부분에 존재한다. 이 부분으로부터 단일 전자들은 금지되를 다 가로지를 필요 없이 약간의 이동경로만을 이용하여 금지대로 이동할 수 있다.

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이 내부의 전계 방출(터널 효과)를 통해서 전도대의 존재하는 전자의수가 주목할 만하게 게 증가한다. 그리고 심지어 실온에서도 전자의 개수가 증가됨을 목격할 수 있다 (전기적 전도율이 증가됨).

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하지만, 매우 높은 퀄리티의 전자 전도 절연 물질에서는, 눈의 띌 만하게 많은 수의 전자들이 종종 열에 의해 활성화되는 것보다 전하 전송에 참여하는 듯한 모습이 보인다.

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결론적으로 말하면, 전자들은 또한 전극으로부터 외부의 전계 방사(external field emission)에 의해서 고체의 절연체로 주입될 수 있다. 그러나, 몇몇의 전자들은 최종적으로 전류 밀도를 억제하는 공간전하를 유발한다.

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

뇌 충격전압에 비해서 개폐 충격전압은 더 큰 펄스 시간을 보여준다.(250/2500μ s). 이 개폐 충격 전압은 곡면이 심한 양극성의 전극(조건: 비균일 전계, 공기 중 간극이 큰 비대칭 전극 구조) 대하여 파괴전압을 유도할 수 있기 때문에, 외부의 절연 시스템의 단위 측정에 있어서 동작 전압(operating voltage)는 400kV 또는 그 이상이 되어야 한다.

Fig 1.2-15는 양(+) 뇌 충격전압이 또는 개폐 충격전압이 적용될 때 rod-plate-gap에 작용하는 응력의 기간 동안 강도의 관해서 다른 특성들을 보여준다.

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그래프에서 보이듯이 뇌 충격전압은 가장 큰 간극(s)에 도달할 때까지 5kV/cm의 기울기로 꾸준하게 증가함을 보이는 반면, 개폐 충격전압에서는 간극(s)가 5m 지점에 도달하는 순간 포화 곡선의 특성을 보여준다.

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개폐 충견 전압이 crest 지점을 통과하는 시간 (T_cr≥250μs)이상 부터는 상황이 더 복잡해지는데 더 낮은 50% 즉, crest에 관한 더 긴 시간을 향해 최소 강도(더 큰 간극)가 향함에 따라, 절연 파괴 전압이 나타난다.

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공기의 습도 또한 절연파괴 전압과 함께하는 방전 메커니즘에 또한 영향을 줄 수 있다. 따라서 최소 강도의 곡선 (Fig 1.2-15에서 낮은 곡선에 해당 curve 3)은 절연 시스템을 구축할 때 가장 높은 전압(the highest voltage)을 고려하여야 한다.

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양(+) rod-plate 배열의 비하여 전극 구조에서 전계 강도는 비 대칭 그리고 비균일 전계의 증가와 함께 같이 증가한다. 이러한 현상은 간극 요인 (gap factor) k에 의해 다음과 같이 정의된다.

rod-plate-gap 은 양(+) 개폐 전압에 관해서 가장 낮은 전계 강도를 보여주기 때문에 k의 값은 1이 된다. 실제 전극 구조에서 간극 요인 (gap factor)의 값은 k=1~2. Rod-plate-gap의 50%의 파괴전압의 의존도는 간극에 달려있기 때문에 (Fig 1.2.-15) 대부분 구조의 파괴전압은 다른 값비싼 장비 필요 없이 제공된 간극 요인(gap factor)를 통해 결정할 수 있다.

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양(+) 개폐 전압과 함께 응력이 적용된 Rod-plate-gap의 낮은 절연 파괴 강도의 대한 원인은 방전 원리를(discharge) 통해 고려되어야 한다 (e.g. streamer-leader mechanism).

위의 그림에서 보이듯이 이온화 전계 강도를 도달했을 경우, 존재하던 전계에서 양극성의 공간전하가 떠나가는 양(+)의 방향 쪽에서, streamer 방전은 발전되게 된다. 암 간격(dark interval) 이후에는 증가된 전압의 영향 하에서 더 강한 streamer 방전이 나타나게 된다. 그리고 충동 전류에 의해 더 뚜렷해진다.

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연속적인 streamer 방전은 특정 부분에 매우 높은 전류 밀도를 유발하는데 이 특정 부분은 열 브러시 방전(thermal brush discharge)가 형성되는 부분이고 이 열 브러시 방전은 마지막에는 지속적인 foward-growing-leader로 변하게 된다.

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Leader streamer의 끝 쪽 부분으로부터, 방전은 지속적으로 증가하며 이 방전의 전류 충족 조건들은 열 이온화를 도우면서 the leader의 영역을 만들게 된다. 절연 파괴는 streamer가 전극 면에 도달했을 때 시작된다.

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Streamer가 전압 조건을 약 4.5kV/cm을 가지는 반면, leader는 단지 1kV/cm의 필요로 한다. 따라서, leader는 포인트의 전위(potential)을 전계 영역까지 확장을 하고 머리 부분에 해당하는 지점에서 streamer에 의한 추가 발전의 대해 준비하게 된다. 이 방식에서는, 간극(the gap)은 간헐적은 단계 방식으로 연결되게 된다. 경로의 공간 전인 발전에서의 가능성들을 통해서, 더 큰 분산제(scatter)가 파괴전압 안에서 뒤따르게 된다.

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이 Ledear 메커니즘은 또한 파괴전압이 유일하게 간극(gap spacing) 공간의 증가의 관련하여 왜 미미하게 증가하는지를 설명해 준다.

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

실험들이 통해 알려진 것은 절연파괴의 진행은 제한되어 있는 시간이 요구된다. 짧은 시간 동안의 응력(stress)에 있어서 매우 중요하게 여겨지는데 이 부분에 있어서 자세히 다뤄보려 한다.

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A) 통계적 시간 차(Statistical time lag)

만약 개시전압(U_e)보다 더 큰 전압이 균일하거나 약하게 비균일 전계와 함께 적용된다면 초기 전자가 전극의 중요 부분의 나타났을 시에만 전자사태(electron avalanche)가 시작된다.

일반적으로, 전계 방출은 전극에서 약 MV/cm 단위의 전계강도를 요구하기 때문에 이 전자들은 반드시 자연적으로 발생되거나 또는 인공적인 외부의 이온화 과정에 의해서 생성되어야 한다.

시차(파괴 전계에 도달하는 시간과 요구된 초기 전자가 등장하는 시간의 차)가 실험들마다 다르기 때문에 이것을 통계적 시간차(statistical time lag: t_sv)라고 일컫는다.

Figure 1.2-11은 전극의 배열을 보여주며 모두 동일한 n₀ 으로 구성되어 있고 무두 상호 독립적 간극(mutually independent gaps)들로 구성되어 있다.

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단계 전압(step voltage) U>U_e 이 t=0일때를 생각해 보자.

만약 n이 초기 전자들이 아직 나타나지 않은 간극(gaps)의 개수라면, 시간 간격(dt)의 따른 개수의 변화(dn)는 비례 요인(proportionality factor) 와 함께 다음과 같이 표현된다.

만약 실험이 단일 간극(n₀)의 시간에 대해서 수행된다면, n 은 t_sv>t 보다 크게 측정된 실험의 횟수를 의미하게 된다. 연산적인 의미에서 모든 n₀의 값과 t_sv (v=1...n₀) 는 다음과 같이 표현될 수 있다.

전기적으로 강하게 응력 된 부피와 전계가 증가할 때 평균 통계적 시차(the mean statistical time lag)는 감소한다. 이것은 단지 μs 시간 정도의 마찰이지만 좋지 않은 경우 몇몇 더 높은 강도가 될 수 있다. 강한 비균일 전계(strongly inhomogeneous field)에서는, 적절한 수의 대전 캐리어가 선-방전(the pre-discharge)에 의해 이용 가능하다. 따라서, 통계적 시차(statistical time lag)는 완전한 절연파괴에 있어서 아무런 영향을 끼치지 않는다.

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B) 형성적 시간 차 (Formative time lag)

절연파괴 메커니즘에서 정말 문제 되는 것은 대전된 캐리어의 움직임이며 대전된 캐리어는 전계(electric field)에서 그 움직임이 가속된다. 대전된 캐리어들은 제한된 강도를 가지고 있는 속도로 움직이는데 이것은 충동 전압의 응력 시간 동안 반드시 고려되어야 한다.

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1차 전자사태의 시작부터 높은 전도 절연파괴 경로의 형성까지의 시간차는 "방전의 형성적 시간 차 t_a"로 지정된다. 그리고 일반적으로 이 경우는 전압 붕괴 현상으로 이끈다. 각각의 적절한 메커니즘에 해당하는 프로세스들은 시간 t_a 동안 일어난다.

형성적 시간차 t_a 의 적용된 단계 전압(applied step voltage) 의존도는 위의 그래프에서 보인다.

만약 오직 정적인 파괴전압 (U_d∞)만이 적용된다면, 매우 큰 값의 t_a 를 가지게 된다 반면에, 매우 강한 과전압(strongly overshooting voltage)가 적용된다면, 매우 작은 값의 t_a 을 얻게 된다. 비균일 전계에 관련해서 절연파괴에서의 경로의 불확실성 때문에 형성적 시간 차 (t_a) 는 일정 scatter(분산)의 대상이 된다. 이것은 t_av를 사용을 통해 반드시 고려되어야 할 상황이다. 가이드라인에 따르면, 형성적 시간차 t_a는 대기에서( 균일 전계 그리고 약한 비균일 전계에서 5%의 과전압) 약 1μs이하로 잘 나타내어지고 이보다 높은 값은 매우 강한 비균일 전계의 값이다.

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C) 충동 전압-시간 곡선(Impulse Voltage-Time Curves)

전기적으로 응력이 가해진 전극의 구조에서, 완전한 절연 파괴는 통계적 시간 차 t_sv 와 형성적 시간 차 t_av 의 합쳐진 시간 차 이후에 발생한다.

총 점화 시간차 t_vV=t_sv+t_av 로 표현된다.

제한된 선두가 가파른 충동 전압에 대하여, 점화 시간 차 ( t_vV)는 실제로 정적인 파괴전압 (U_d∞)을 초과하는 짧은 순간으로부터 계산된다. 완전한 절연 파괴가 일어나기 위해서, 응력이 작용하는 시간은 반드시 그의 상응하는 점화 시간 보다 길어야 한다. 만약 전극의 배열이 아주 큰 동일은 충동 전압 (충분한 강도)과 함께 응력을 받는다면, 파괴 전압(U_d) 와 절연 파괴 시간 (t_d)가 함께 얻어 질 수 있다.

만약 앞쪽의 위치한 경사면에서 충동 전압과 함께 측정이 반복된다면, 충동 전압과 시간 band의 관계의 위의 그림에서 나타나는 바와 같다. 그리고 이것은 파괴전압 시간 (t_d)의 최솟값과 최댓값이 주어진 충동 전압의 따라서 예측될 수 있다. 제한 커브 1보다 작은 충동 전압-시간 band는 절연 파괴 0%를 의미하고 제한 커브 2보다 높은 값은 100%의 절연파괴를 의미한다. 절연 시스템과 관련해서 이 낮은 제한 커브(curve 1)는 상당히 중요하게 여겨진다.

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그리고 이 커브 t_sv≒0 에 가깝기 때문에 형성적 시간 특성이라고 불린다. 이 충동 전압-시간 커브는 가스 절연 시스템(뇌 충동 전압의 응력을 받고 있는)을 측정할 때 매우 중요한 기초가 된다.

충동 전압-시간 커브의 계산식은 다음과 같다.

오직 약한 비균일 전계로 구성된다면, 기준전압(U_b: reference voltage)은 개시 전압 U_e (inception voltage)와 같아지게 된다. 만약 기준전압 값이 구해지면 등면적법 (equal area criterion)은 근삿값으로 구해질 수 있다. 여러 종류의 전압이 등반된 공기 중 다른 간극들은(gaps) 몇몇의 예외를 제외하고는 등면적법이 전압-시간 행동에 있어서 만족할 만한 예상을 가져다주는 것이 확인되었다.

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