전기적 응력의 강화를 피하는 방법(Measures to avoid intensification of electric stress)

전기적 응력의 강화를 피하는 방법(Measures to avoid intensification of electric stress)

다양한 종류의 절연 물질과 경계 표면사이는 기술적인 절연 시스템이 적용된다. 균일한 응력(stress)의 작용은 만약 절연 시스템의 각 부분이 허용가능한 일정한 전압하일 경우 일어나게 된다. 절연 시스템의 디자인을 고려해보면, 응력의 분배는(the stress distribution) 전극의 배열(arrangement) 와 형태(shape)에 의해 큰 영향을 받게 되며 또한 절연 몸체(insulating body)에 의해 영향을 받는다. 경계표면(boundary surface)에 작용하는 전기적인 응력은 피할수 없는 존재이기 때문에 이러한 응력을 허용 값까지 제한하는 기술을 매우 중요하다.

a) 전계 컨트롤을 위한 전극의 외부적 스크리닝(External screening electrodes for field control)

만약 절연 배열에서 전극의 면적이 간극(the gap length)와 비교했을때 작은편이라면, 주변의 다른전극에서 전계의 강도는 매우 높다. 이러한 경우에는, 전극의 외부 스크리닝(external screening electrodes)를 사용한 전계 컨트롤에 의해 응력(stress)의 상당한 균일화를 이끌어 낼 수 있다. 전극의 외부적 스크리닝의 예는 실리더 형태의 절연 배열시스템의 위쪽 전극부분을 예로 들 수 있으며 이에 해당하는것은 지지 절연체(support insulator), 고 전압 캐패시터, 또는 실험 트랜스포머(testing transformer)이다.

Figure 3.1-10은 다향한 디자인의 예를 보여주며 화살표는 가장 높은 전계(highest field strength)강도의 위치를 나타낸다. 위에 올려진 반구 형태를 들여다 보면 a) 와 b) 모형은 실질적으로 필요 없는 형태이다. 이러한 경우들은 중요 경계 표면이 높은 전계 강도 영역에 노출되게 되며 결국에는 gliding 부분방전을 야기 한다. c)는 b)의 향상된 디자인며 전계 분배에 있어서 좋은 디자인이다. d)또한 매우 좋은 전극 보호 디자인이다. 이러한 전극형태는 특히 매우 높은 전압에서의 사용이 증명되었는데 그 이유는, 삽입된 전극의 접합 포인트는 전계 그늘안에 배열될 수 있으며, 그로 인해 발생되는 간편한 연결성때문이다.

구형(spherical)과 실린더(cylindrical) 형태의 전극을 측정하기 위해, 내부 반경 rk와 외부반경 R를가지는 구형의 집중적인 형태에 의해 발생되는 전계로 부터 시작점을 잡아야 한다. 대략적인 R의 값은 그라운드(earthed)된 부분의 제거에 상응한다. 구형 내부의 전압 U에서의 전계 강도는 다음과 같다.

가장 가능성이 높은 전계 강도는 절연 파괴 전계 강도 Ed로 표현된다. 만약 R>>r의 경우, 개시전압(inception voltage) 값은 대략적으로 다음과 같다.

좋은 조건의 실험 조건하에 절연체(dielectrics)로써의 공기는 약 Ed=20kV/m 정도의 절연 파괴 전계 값을 가지게 된다. 

d=2r_k의 값에 관해서 다음과 같은 유용한 관계식을 얻게 된다

위의 관계식은 곡면이 부드러운 구형의 전극과 관련해서 약 1MV의 전압까지 사용이 가능하다. 높은 전압에서는, 위쪽의 전극의 지름은 반드시 비례적으로 증가해야 하며 약 10kV/cm의 전계 값까지 허용 가능하다. 하지만, 이정도 값을 견딜 수 있는 사이즈의 전극은 실현되기 매우 어려우며 비용적인 문제도 존재하게 된다. 

따라서 위의 문제점을 경제적으로 다가가기 위해서 표면이 작은 원으로 세분화된 방식이 대체 방안으로 제안될 수 있다 (Figure 3.1-11).

Figure 3.1-11에서 보여지듯이 아주 큰 지름의 전극의 top 부분을 이루기 위해서 하나의 큰 구형보다는 작은 구형을 부착함으로써 상대적으로 적은 비용으로 효율을 높일 수 있다.

실린더 형태의 전극(Cylindrical electrodes)는 주로 실험 세팅구역과 스위칭 구역에서 튜브의 연결을 요구 한다. 동심원의 구형 형태의 전극과 대조적으로, 같은 축의 실린더 형태의 전극의 개시 전압(the inception voltage)는 매우 큰 값의 외부 반지름(R)에 관하여 제한된 값을 가지지 않는다.

내부 반지금 (r_z)와 관련해서 실린더가 가지는 개시전압(the inception voltage)는 다음과 같다.

구형 과 관련해서 존재하는 관계식은 다음과 같으며 위의 식과 유사하다.

만약 측정 목적으로 R>20r_k라고 가정한다면, r_k>3r_z의 값을 얻게 된다. 즉, 같은 개시전압에 관해서 실린더형태의 전극은 구형 형태의 전극에 비해 구형이 가지는 지름의 약 1/3만을 필요로 하게 된다. 하지만, 이러한 구형이나 실린더 형태의 전극을 구성하는것은 조건적으로만 가능하다. 

b) 전계 컨트롤을 위한 전극 내부 스크리닝(Internal screening electrodes for field control)

특정 표면 경계에서의 전계의 집중도는 내부 전극을 돌출 시키는 방법을 통해 완화 시킬 수 있다. Figure 3.1-12은 10kV의 에폭시 레신(epoxy resin)이 절연체를 서포트하는 모습을 보여준다. 이음새를 내장함으로써, 절연체 표면의 전계 강도는 매우 균일하게 구성 될 수 있다. 외부의 시멘트로 접착된 지지 절연체와 비교하면, 구조적인 높이는 훨씬 낮은 편이다. 동축 지지 절연체(the coaxial support insulator)와 관련해서 돌출된 전극은 내부 전도체 중요 부근의 표면 경계에서의 전계 강도를 줄여준다.  돌출 전극은 절연 오일 장비의 간극 부분에서 매우 흔하게 여겨진다. Figure 3.1-13은 오일 전연 테스팅 트랜스포머에서 내부 링 전극이 적절하게 배열된 모습을 보여준다. 이러한 형태는 보통 케이블 종이의 절연 밴드(bandage)화 함께 구성되며 이를통해 전극에서의 허용 전계 강도를 증가시킨다.

c) 중간 전극에 의한 포텐셜 통제(Potential control by intermediate electrodes)

전기적 응력의 균일화를 하는 방법중 하나는 중간 전극을 삽입하는 것이며, 이러한 삽입 방식은 특정 등위(equipotential) 표면을 유발한다. 배열의 하위 부분들의 목적은 거의 같은 부분 전압을 생산을 하기 위함이다. 직류전압을 위한 중간 전극의 포텐셜 통제는 유요한 부분 저항을 통해 이루어 질 수 있다. 교류 그리고 충동 전압과 관련해서는, 유요한 부분 캐패시터가 사용된다. 

캐패시터 포텐셜 컨트롤은 배열의 부분 캐패시터에 의해 달성될 수 있다 (self control). 추가로, 외부적으로 배열된 캐패시터(externally arranged grading capacitors)도 또한 제공된다(external control). 

만약 오직 하나의 외부 전극만이 역할을 수행하게 되면, 이러한 현상을 단순 커플링(simple coupling)이라고 부른다. 반면에 figure 3.1-14는 더블 커플 캐패시터라고 한다.

Cv: Main capacitor

Chv: Coupling capacitor

Cev: leads to an unequal voltage distribution

Figure 3.1-15는 체인의 따른 전압 분배를 보여주며 n은 총 단계수를 말하며, v는 총 n 단계중에 단계 번호를 일컫는다. 가장 이상적인 전압 분배는 1번 곡선이다. 만약 그라운드 캐패시터만 존재하면, 2번 곡선의 현상을 가지게 된다. 만약, 고 전압 커플링 캐패시터만이 존재한다면, 3번 곡선을 가지게 된다. 만약 두 커플링 모두 취하게 된다면, 4번 형태의 곡선을 가지게 된다.

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