[고체 절연체] 부분방전에 의한 절연파괴(Partial Discharge Breakdown)
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.
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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.