오염 섬락의 매커니즘 (Mechanism of Pollution flashover)

오염된 절연체의 섬락현상의 발생은 매우 복잡한 과정이며 우연에 의해서도 일어날 가능성이 있다. 따라서 몇가지 설명이 가능한 프로세스들을 예를 들어보자.

​

A) 건조 밴드의 형성 (Formation of dry bands)

Figure 1.6-4a 는 균일 오염 전도층 (σ_s)를 가지는 평면 구조를 보여준다. 이 경우 누수 전류가 흐르게 되고 이러한 누수 전류는 선형의 전위 분배를 발생시킨다. 이러한 현상은 특정한 양의 건조 오염층으로 이끌게 되고 figure 1.6-4b 처럼 부분적으로 넒은 밴드 현상을 유발 할 수 있다. 이러한 건조 밴드층에서는 다른 σ_s 값은 갖게되고 전류는 일시적으로 매우 작아지게 된다. 마지막으로, figure 1.6-4c 처럼 각각의 밴드는 부분적 아크(불꽃)로 인해 브릿지 현상(절연체가 전도체가 되는 현상)을 겪게되며, 결국에 완전한 섬락 현상으로 유도하게 된다.

​

이 경우는 만약 표면이 완전히 건조한 경우 방지되게 되고 다시 한번 선형 전위 분배를 발생할때 위험 레벨보다 훨씬 더 낮은 전류의 값을 갖게 된다. 이러한 현상은 마치 균일한 건조와 연속적인 부분 아크사이의 경쟁처럼 여겨질 수 있다.

​

B) 오염모델을 통한 안정성 고려(Stability considerations using the contamination model)

Figure 16.5에 따르면, 건조 밴드와 오염층을 보유한 절연체는 직렬연결의 아크(arc) 경로 길이 x 와 '균일 저항층/단위길이'의 저항에 의해 대표된다 R'=R'(I). 이 모델과 함께 연소된 아크의 연장이 또는 소멸이 조사 되어질 수 있다.

총 전압 U는 아크와 오염층을 가로지르는 부분전압으로 구성된다. 아크 전계 강도 E_b=E_b(I) 와 관련해서

$U=E_bx+IR"\left(s-x\right)$U=Eb​x+IR′(s−x)​

방전이 소멸되는 조건에서는, 전압은 아크가 가지는 성향을 기초로한 아크 확장에 의해 얻어진다. 그리고 E_b(I)는 더 저항층읠 가로지르는 공급체로부터 사용가능한 전계보다 훨씬 더 빨리 증가하게 되는것을 추정할 수 있다.

$\frac{\partial \left(E_bx\right)}{\partial x}>\frac{\partial \left(U-IR"\left(s-x\right)\right)}{\partial x}$∂(Eb​x)∂x​>∂(U−IR′(s−x))∂x​​

추가적으로 추정될 수 있는것은, 아크 전압은 오직 작의 부분의 전압 U를 형성하며 전류 I는 x에 관해서 독립적이게 된다 (소멸 조건에서).

$E_b>IR"$Eb​>IR′​

이후, 만약 특정 중요 전류 값(I_k)을 초과 했을 경우 아크의 순방향 성장이 반드시 나타나게 된다.

$I_k=\frac{E_b}{R"}$Ik​=Eb​R′​​

위의 그림은 아크의 순방향 성장과 아크의 소멸 경계면에 관한 다이어그램이다. 이 경우는 E_b와 R'가 전류가 증가할때 감소한다고 가정된다. 빗금이 쳐진 영역에서는 아크는 최종적으로 완전한 섬락현상으로 발전되게 된다. 이 경우 대략적인 I_k 의 값은 다음과 같다.

$E_b=b\cdot I^{-n}$Eb​=b·I−n​

$R"\sim const\ 라고\ 가정한다면$R′~const 라고 가정한다면​

$I_k=\left(\frac{b}{R"}\right)^{\frac{1}{n+1}}\sim \sigma _s^{\frac{1}{n+`}}$Ik​=(bR′​)1n+1​~σ1n+`​s​​

다시 말하면 특정 최대 허용전류가 존재한다면 섬락현상 또한 존재가 가능하다. 실제로, 오염층과 관련된 절연 실패에 관해서, 섬락현상 이전에 최대 누수 전류는 오염형태에 상당히 독립적인 측정값이다.

Figure 1.6-7은 누수 전류가 완전한 섬락현상으로 발전되는 과정을 보여주며 figure 1.6-4의 아이디어를 기반으로 하고 있다. 하지만 더 중요한것은 I_k에 상응하는 U_k의 값이며 이 값은 만약 아크(arc)의 길이가 중요 길이 보다 훨씬 짧다고 (x≪s) 가정되었을때 구할 수 있다.

절연체 길이 s에 관한 아크 전압의 선형적 의존성은 이미 고전압에 관하여 증명되었다. 지수 n/n+1에 관하여 0.2~0.6사이의 값들이 얻어지게 된다.

처음의 대략적인 값은 심플하게 n=1을 통해 얻어진다. 즉, 다음과 같다.

비록 이러한 복합적인 시뮬레이션 모델이 실제 조건들보다 훨씬 나을지라도, 실제적인 요소들 (즉, 실험값)들을 간과해서는 안된다.

​

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