고 진공에서의 절연파괴(Breakdown in High Vacuum)

가스, 유체, 고체 절연 물질과 관련된 모든 절연파괴 이론들이 가정하는 것은 이온화 과정에 의해 전도성이 생긴다는 것이다. 고 진공 (p≤10^-5mbar)에서, 평균 자유 경로 ( mean free path λ)는 매우 크며, 가스 나머지 부분에서의 출동 과정은 절연 파괴 과정에 있어서 무 의미 해진다. 오히려, 전극에서의 매커니즘이 절연 파괴 행동에 있어서 더 중요하게 여겨진다.

​

만얀 직류나 교류 전압이 진공 간극에 적용된다면, 예비 전류는 절연 파괴 전압보다 훨씬 더 낮은 위치에서 시작하게 되고, 전압의 증가와 함께 기하급수적으로 증가하게 된다.

$S:\ current\ density\left(A/cm^2\right)$S: current density(A/cm2)​

$E:\ field\ strength\left(V/cm\right)$E: field strength(V/cm)​

$W_a:\ work\ function\left(eV\right)$Wa​: work function(eV)​

전극으로부터의 넓은 영역의 전계 방사(field emission)에 관해서, 전류가 측정될 수 있으며 이 전류는 예비 전류보다 몇 배 더 크다. 이러한 현상은 마이크로픽(micropeak)에 의해 전극의 표면에서 나타나며 부분적으로 전계(electric field)를 강화시킨다.

​

많은 절연 파괴 가설들이 진공 간극(in vacuum gaps)에서 매커니즘을 설명하기 위해 발전되어 왔다. 캐소드 절연 파괴 가설은 전계 방사 전류가 캐소드에 마이크로픽에서 일정 전류 밀도를 넘어서 많은 열 방출로 이끌 수 있으며 이러한 열 방출은 마이크로픽이 폭발적으로 증발함으로 생긴다. 금속에서는, 이온화 충돌로 인한 기포들이 발생하게 된다. 만약 충분한 대전 캐리어의 증식에 도달하게 되면, 진공 간극에서의 절연파괴는 이온화된 금속 기포 운집을 따라서 발생하게 된다.

​

애노드 절연파괴 가설측면에서는, 전계에 의해 캐소드로부터 방출된 전자가 전계에서 가속화 되고 (에너지 W=eU), 이러한 에너지가 애노드에 열을 가함으로써 애노드 물질의 증기화에 관연하게 된다. 이러한 급속 증기는 충동 과정에 의해 이온화 되게 되고 전자의 방출을 캐소드로 돌려 보내는 업무에 힘을 실어 주게 된다.

​

애노드에서 충분히 높은 증기화 비율과 관련해서, 메탈 증기 운집안에서 가스 절연 파괴가 일어나게 된다. 또 다른 가설에 따르면, 진공 절연 파괴는 자유 금속 분자에 의해 시작 된다고 하며 이러한 자유 금속 분자는 전극에 잔존하는 것들이며 전계의 힘에 의해 분리되고 가속 된다 (반대쪽 전극에 충돌).

진류 전압의 스트레스와 관련해서 균일 전계 또는 아주 약한 비균일 전계에서의 진공의 간극 (s) 에서의 전기적 강도는 다음의 수식을 만족한다.

$U_d\sim \sqrt{s}$Ud​~√s​

위의 수식은 충동 전압(impulse voltage)와 관련해 짧은 절연 파괴 시간영역(t_d<0.1μs)에서 확인 되었으며 충동전

압-시간 커브의 가파른 증가가 관측 되었다. Figure 1.5-1에서 보여지는바와 같이 전극 물질은 전계 강도에 영향을 끼친다. 동일한 조건하에서, DC 절연파괴 전압은 전극 재료의 높은 녹는점과 함께 증가한다. 이 행동은 앞서 언급한 여러 가설들에 해당되는 점이다. 전극을 냉각 시키는 것은 높은 녹는점 온도와 같은 효과를 가지며 구조의 전기적 강도를 증가 시킨다 (Fig 1.5-2).

​

직류 전압 하에서의 절연파괴는 애노드의 아주 강한 부식을 일으키게 된다. 반대로, 캐소드의 표면 마감은 향상되게

된다.

위의 두 그림은 진공 절연파괴 후에 애노드와 캐소드의 전극 표면을 현미경으로 관측한 것이며 그림에서 보여지듯이 애노드 부분에서는 눈에 띄는 침식이 일어난 것이 확인된다.

​

균일 전계에서의 AC스트레스가 작용하면, 캐소드와 애노드 두 전극 모두 다 동일하게 침식이 일어나게 되는데 그 이유는 전극들이 애노드와 캐소드역할을 번갈아 가면서 맡기때문이다. 이 경우 두 전극 모두에서 침식이 일어나게 때문에 파괴 전압은 dc 스트레스가 작용할때 비하여 낮은 편이다.

​

반면에 비균일 전계에서는, ac 와 dc 스트레스에서 파괴전압은 모두 동일하다. 그 이유는, 교류 파괴 전압은 (-) 극성의 전극(작은 반경의 곡면을 가지고 있음)에 관하여 일어나는 것을 선호하기 때문이다. 그리고 눈에 띌 만한 침식은 극 반경의 곡면을 가지는 전극에서만 발견되어 진다. 따라서, 비슷한 표면과 절연파괴 전압이 AC와 DC 전압 모두에게서 관측 된다.

​

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