3-1  코로나 방전(Corona Discharge)

3-2  연면 코로나(Surface Corona, Surface Flashover)

3-3  불꽃방전(Spark Discharge)

3-4  섬락(Flashover)

3-5  코로나 손(Corona Loss)

3-6  라디오 노이즈(Radio Noise)

3-7  공기중의 전기전도현상

3-8  전자사태(Electron Avalanche)

3-9  파센의 법칙(Paschen's Law)

3-10  더스트 피겨(Dust Figure)

3-11  전위경도(Potential Gradient)

3-12  지상 전계강도

3-13  다단식 충격전압 발생기

(Multistep Impulse Voltage Generator)

3-14  고체유전체(Solid Dielectric)

3-15  복합유전체(Composit Dielectric)

3-16  유전체손(Dielectric Loss)

3-17  유전체 역율(Dielectric Power Factor)

3-18  유전손실각(Dielectric Loss Angle)

3-19  와그너의 열적파괴이론

3-20  손톤 및 톰손 전압계

(Thornton & Thompson Voltmeter)

3-21  선구방전(Leader Stroke)

3-22  복귀방전(Return Stroke or Main Stroke)

3-23  충격비(Impulse Ratio)

3-24  충격코로나

3-25  절연파괴(Dielectric Breakdown)

3-26  개폐충격전압 절연설계

3-27  피뢰기의 V-t곡선

3-28  스트리머(Streamer) 방전

3-29  계단상 선구방전(Step Leader)

3-30  불꽃 저항

3-31  불꽃의 늦음

3-32  코로나 쉴드(Corona Shield)

3-33  매질효과(Medium Effect)

3-34  겉보기 방전전하(Apparent Charge)

3-35  절연파괴시험

3-36  섬락시험

3-37  뇌충격전압파

3-38  개폐충격전압파(Switching Impulse)

3-39  선행불꽃방전

3-40  트래킹

3-1 코로나 방전

3. 고전압

Ⅰ. 전기학술분야

(Corona Discharge)

전극사이에서 전계가 강한 국부만이 절연파괴되어 발생하는 국부파괴의 상태를 코로나 방전이라 한다. 전선의 임계 표면 전위경도는 Peek氏에 의하면 다음 식으로 표시된다.

[eqn: G_crit = 21.1m□(1+ 0.301 over root {r□} )kV/cm] …(1)

단, m은 전선표면계수, □는 상대공기밀도, r는 도체의 반경[cm]이다.

【표 1】 전선의 표면계수[m]

전선의 상태	m
닦은 단일선 粗面 또는 풍우에 노출된 선 7본 연선 19∼61본 연선	1 0.98∼0.93 0.87∼0.83 0.85∼0.80

【표 2】 표고와 기압과의 관계

해면에서의 높이(m)	P[mmHg]
0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500	760 711 668 627 590 555 521 489

[eqn: □= 0.392P over 273+t] …………(2)

P는 기압[□Hg], t는 온도[℃]이다. 전선의 표면전위경도는 다음 식으로 표시된다.

[eqn: G_avg = Q over {□□_0 d}] …………(3)

단, Q는 단위길이당 전하량[C]이며, d는 도체의 직경이다.

송전선에 있어서 전하량(Q)은 Maxwell의 전위계수를 사용해서 구할 수 있다.

[V] = [P]·[Q]

여기서 [V]는 상전압 matrix, [P]는 maxwell의 계수전위 matrix이다.

[eqn: P_11 = 1 over 2□□_0 ln ( 2h over r )]

[eqn: P_12 = P_21 = 1 over 2□□_0 ln ( {L_12 '} over L_12 )] …………(4)

여기서 h : 도체의 높이, L12 : 1상과 2상의 거리, L12' : 1상과 2상의 영상과의 거리이다.

3-2 연면 코로나

(Surface Corona, Surface Flashover)

고체 유전체의 표면에 그림과 같이 전극을 배치하고, 교번전압을 인가하여 전압을 점점 올려가면 電極端의 자속밀도는 다른 곳에 비하여 대단히 크므로 여기에서 먼저 코로나가 발생하고, 이 코로나는 전압의 상승과 더불어 고체 유전체의 표면을 따라 진전하여 불꽃連絡으로 되고, 회로의 상태에 따라서는 아아크로까지 발전한다. 이 경우의 코로나 개시전압 및 불꽃전압은 고체 유전체가 없는 공간에 있어서의 경우에 비하여 대단히 낮아 진다. 이와 같이 고체 유전체의 표면을 따라 발생하는 코로나를 연면 코로나라 한다. 고체 유전체의 표면에 연면 코로나 또는 연면 섬락이 발생하면 그 화학작용 및 열작용에 의하여 고체 유전체의 성질이 열화 또는 손상되어 파괴를 일으킨다. 특히 이 경우에는 방전이 고주파 진동을 수반하므로 더욱 나쁜 영향을 미치게 된다. 고체 유전체의 내부에 존재하는 기포 및 공극에서 발생하는 코로나도 그 화학작용과 열작용으로 인하여 고체 유전체의 성질을 열화시켜 파괴에까지 도달하므로, 연면방전과 더불어 기포, 공극에서의 이온화 방지에 대한 대책도 고전압 절연상 중요한 문제가 된다.

【그림 1】 연면 코로나

3-3 불꽃방전(Spark Discharge)

코로나 방전 등의 국부파괴로부터 전극 전체에 거쳐 강한 빛과 소리를 내는 전로파괴로 이행되는 도중의 과도현상을 불꽃방전이라 한다. 이 불꽃방전에 의하여 기체 또는 액체 유전체 중에 있는 전극간에 불꽃으로서 교락되는 현상을 불꽃연락이라 한다. 특히 기체 또는 액체 유전체 중에 있는 고체 유전체의 표면을 따라 발생하는 불꽃방전 및 불꽃연락을 각각 연면 불꽃방전, 연면 불꽃연락이라 한다.

3-4 섬락(Flashover)

불꽃방전에 뒤이어 기체 유전체중에 있는 전극간이 電弧(arc)로서 교락되는 현상을 전호연락이라 하며, 특히 기체 유전체중에 있는 고체 유전체의 표면을 따라 발생하는 전호연락을 연면전호연락이라 한다. 섬락이라 함은 종래에는 고체 유전체 또는 액체 유전체의 표면에 있어서의 불꽃연락 또는 전호연락만을 의미하는 용어로 사용해 왔으나, 현재는 기체 유전체 또는 액체 유전체중에 있는 간극사이의 불꽃연락 및 전호연락을 섬락이라 부르고 있다.

3-5 코로나 손(Corona Loss)

상용 주파수의 교번전압에 의한 가공 송전선에서의 코로나 손은 선로와 잔류 공간전하 사이에 계속하여 일어나는 코로나 방전으로 인하여 소비되는 것이며 Peek의 실험식이 널리 채용된다. 지금 상대공기밀도 □, 주파수 f, 전선의 반경 r[cm], 전선의 중심간 거리 D[cm], 1선의 중성점에 대한 전압을 Vn[kV](실효치), 파괴임계전압(disruptive Critical Voltage)을 1선의 중성점에 대한 전압으로 표시하여 Von[kV](실효치)라 하면 단상 2선식 또는 정삼각형으로 배치된 삼선식 송전선의 전선 1조 1[km]당 코로나 손 P[kW]는

[eqn: P = 241 over □ (f+25) root { r over D } (V_n - V_on )^2 × 10^ -5]

(1선 1km당) ………(1)

로 표시된다. 여기서 파괴임계전압 Von은

[eqn: V_on = 21.1 m_0 m_1 □r log _e D over r kV ( r m s )]……(2)

이며, m0는 도선 표면상태에 따른 계수, m1은 기상상태에 따른 계수이다. m1의 값은 맑은날에 1, 흐린날(雨, 雪, 露)에 0.8을 적용한다.

3-6 라디오 노이즈(Radio Noise)

라디오 Noise는 라디오 주파수 범위에서 원하지 않은 전자신호 또는 Energy로 정의된다. 송전선에서 발생하는 Radio Noise는 발산되는 그 에너지가 아주 적기 때문에 그 자체로는 사람이나 환경에 해롭지는 않다. 그러나 이 Radio Noise는 특히 AM 주파수(540kHz∼1,600kHz)대에서 원하는 라디오 주파수 신호 수신에 지장을 줄 수 있다. 비가 올 때의 Radio Noise는 날씨가 좋을 때에 비하여 17[dB]가 높다. 한 상당 라디오 간섭(RI)에 대한 계산식은 다음과 같다.(1□V/m 기준)

[eqn: RI = 48+3.5(E-17.5)+30log(D/35.1)]

[eqn: +20log(30.7 Y/R^2 )+10(1-f)[db]]

단, R≤CH

여기서 CH=□/2□이며, E는 최대전선 표면 전위경도[kV(rms)/cm], D는 전선직경[mm], Y는 도체의 수직높이[m], R은 송전선에서 계산지점까지 거리[m], f는 계산하고자 하는 주파수[MHz]이다.

3-7 공기중의 전기전도현상(電氣傳導現象)

공기중에서 평행평판 전극간에 전압을 인가해서 상승할 때 전극간에 걸리는 전압 V와 전류 I와의 관계는 [그림 2]와 같다.

【그림 2】 공기중의 導傳

인가전계가 약한 (가)의 범위에서는 공기중에 약간 존재하는 양음의 ion이 전계강도의 증가와 더불어 이동속도가 증가하기 때문에 전압상승과 더불어 전류가 증가하고, 전계가 조금 강한 (나)의 범위에서는 우주선, 기타의 원인에 의해서 미약한 전리작용을 받아서, 발생한 ion이 전부 전극에 도달하나, 단위시간에 발생되는 전리작용은 대체로 일정하기 때문에 전류가 포화하고, (다)의 부분은 강전계의 범위에서는 전자가 충분히 가속되어 중성의 기체분자와 충돌하여 충돌전리작용을 일으켜 새로운 전자와 ion을 만들고, 이 전자와 ion이 또 가속되어 다시 충돌전리작용을 일으키는 현상이 반복되어 전류가 급증된다. 이와 같이 해서 전극간 전압이 임계전압치 Vs에 도달하면 불꽃을 발생하여 공기의 절연이 파괴되어 글로우방전(glow discharge) 또는 아아크방전(arc discharge)으로 이행한다. 이 Vs를 불꽃전압(Sparking Voltage)이라 부른다. 그러나 전극의 형상이 국부적으로 전계를 집중하기 쉬운 것이 있을 경우에는 전계가 집중하고 있는 부분만 절연이 파괴(Break down)되고, 다른 부분은 절연이 파괴되지 않는 상태를 경과한다. 이와 같은 방전을 코로나 방전(corona discharge)이라 한다. 코로나가 발생할 때의 전압치를 코로나 개시 전압(corona starting voltage)이라 한다.

3-8 전자사태(Electron Avalanche)

[그림 2]의 공기중 전기전도현상에서 포화전류 상태에서 전압을 상승시키면 질량이 작은 전자가 먼저 전리속도를 얻어 중성분자와 충돌하여 중성분자를 전리시켜 전자와 양이온을 발생시킨다. 전압이 더욱 높아지면 충돌전리로 발생한 전자도 또한 전리속도를 얻어 다른 중성분자를 전리시키게 되고, 이때 생긴 전자가 또 다시 같은 역할을 하게 된다. 이와 같이 전압의 상승과 더불어 전자사태(Electron avalan- che)가 형성되므로 전류의 증가는 [그림 2]의 BC와 같이 현저하게 된다.

3-9 파센의 법칙(Paschen's Law)

평등전계에 걸리는 불꽃전압(Vs)은 온도가 일정할 경우, 기압 P와 갭의 간격 d와의 곱인 (P·d)만의 함수가 된다. 이것을 파센의 법칙(Paschen's law)이라 한다.

[eqn: V_s =f`(Pd) = B· Pd over {const + log Pd}]

여기서 Vs는 불꽃전압, P는 기압, d는 갭의 간격거리이다. 이 법칙은 (Pd)의 넓은 범위에 걸쳐서 성립한다. 파센의 법칙을 일반화하여 전극 및 갭의 간격을 일정한 모양으로 n배하고, 기압을 1/n배하면 불꽃전압은 동일하며, 이 경우 방전에 의하여 흐르는 전류도 변하지 않는다. 이들 법칙을 총괄하여 相似律(Law of Similarity)이라 한다. 이것은 어느 상태에서 얻은 값으로부터 다른 상태를 비교하는 경우에 중요한 법칙이다. [그림 3]과 같이 불꽃전압이 어느 값(Pd)c에서 최소치 Vmin로 되는 V 곡선이 나타나며, Pd 값이 이 값보다 크게 되어도, 적게 되어도 불꽃전압을 증가한다. 또한 온도가 변화할 때에는 P 대신에 기체밀도 □을 쓰면(□d)만의 함수로 된다. 그러나 기압이 너무 증가하면(공기에서 약 50[kg/ □]) 불꽃방전전압은 기압의 증가율보다 적게 증가한다.

【그림 3】 파센의 법칙 (Paschen's law)

3-10 더스트 피겨(Dust Figure)

1777년 리히덴베르그(Lichtenberg)는 침대평판 전극간에 절연판을 삽입하고, 여기에 연면방전을 시킨 후 절연판에 유황, 수지 등의 細粉을 뿌리면 절연판상에 세분이 부착하여 원형이 형성된다는 것을 발견하였다. 이러한 방전원형은 절연판상에 세분을 미리 뿌려 놓고 방전을 시켜도 얻을 수 있다. 그 후 1884년에 듀크레데(Ducretet)는 침대평판 전극간에 사진건판 또는 필름의 약면이 침단에 접촉하도록 이것에 연면방전을 시킨 후 이것을 현상하면 아름다운 방전도형이 나타난다는 것을 발견하였다. 절연판상의 세분이 그린 도형을 더스트 피겨(dust figure), 사진건판 또는 필림상에 나타나는 도형을 리히덴베르크 피겨(Lichtenbergs figure)라 하고 있다.

3-11 전위경도(Potential Gradient)

전계중의 전위곡선의 구배를 나타낸 것을 전위경도라 한다. 예컨대 [그림 4]와 같은 전위곡선이 있는 경우 □[eqn: l][m] 진행할 때 □V[V]의 전위가 상승한 경우, 그 전위가 증가한 비율 G는

[eqn: G = □V over □l = tan□]

가 되어 전위경도를 표시한다.

이에 대하여 [그림 5]와 같이 □[eqn: l][m]의 사이에 □V[V]의 전압을 가할 때의 전계의 세기 E는 전계의 방향으로 전위가 내리므로 전위의 경도로 표시하면

[eqn: E = - □V over □□ = -G]의 관계가 있다.

따라서 전위경도와 전계의 세기는 절대값이 같으며, 그 방향은 반대가 된다. 일반적으로 절연물의 절연파괴의 세기는 이 전위경도, 즉 전계의 세기에 의하여 표시된다. 그리고 이 경우는 [kV/cm], [kV/ mm] 등의 보조단위로 표시되는 것이 보통이다.

【그림 4】

【그림 5】

3-12 지상 전계강도(地上 電界强度)

[그림 6]과 같이 뇌운 중의 지상고 H인 球狀空間(간단히 전하분포범위를 球狀으로 가정함)내에 있는 Q라는 전하에 의하여 지상, 그 직하점으로부터 D라는 거리에 있는 A점에 나타나는 전계는 지면에 수직이며, 그 값 F는 CGS 정전단위로

[eqn: F= 2QH over {(H^2 + D^2 ) ^3/2 } = 2Q over D^2 sin□ cos^2 □]가 된다.

단, F의 정방향을 하향으로 취한다.

송전선로에 의한 지표면의 전계강도도 각 도체의 전하를 [그림 6]과 같이 고려할 수 있으며, 다음 식에 의해서 [Q]를 계산할 수 있다.

[Q]=[P]-1[V]

여기서 P는 maxwell의 전위계수 matrix이며, V는 상전위 matrix이다.

[eqn: Q□ = q_r□ + jq_i□]로 표현하였을 때 MKS로 나타내면

[eqn: G□ = {q_ｖ□ ／ jq_ｍ□ } over ６□□ · ６Ｌ□ over {Ｌ□^2 + D□^2 }]

로 나타내어진다. 여기서 [eqn: q_r□],[eqn: q_i□]는 도체[eqn: □]의 전하의 실수부 허수를 나타낸다. [eqn: D□]는 도체와 지표면에서 전위경도를 측정하고자 하는 점까지의 거리이다.

【그림 6】 뇌운전하와 지상전계강도

각 도체에 의한 총 전위경도 G는

G = ¤[eqn: Q□]

로 된다. 초고압 계통에 있어 평지의 지표면 전위경도를 5[kV/m]로 검토되고 있다. 현 기술기준에 의해서 지상고를 정할 시 평지에서는 역상배열시 7[kV/m]로 되어 一般公衆에 불안감을 줄 우려가 있어 검토된 바 있다.

3-13 다단식 충격전압 발생기(Multistep

Impulse Voltage Generator)

충격전압발생장치는 뇌전압을 인공적으로 발생시키는 것이 그 목적이므로 전압이 대단히 높아야 한다. 고전압의 충격전압을 발생하기 위해서는 다단식 충격전압 발생기가 사용된다. 이 발생기에는 직렬, 병렬, 직병렬 충전방식의 3종류가 있다. 일반적으로 사용되는 충전방식은 [그림 7]에서 표시하는 바와 같이 캐노트론 2개를 사용해서 전파정류회로로 병렬로 접속된 각단의 Condenser에 충전시키고, 충전전압은 방전시에는 직렬로 연결되어 2배의 전압을 발생하는 倍電壓 직렬충전방식을 사용한다. 각단의 충전저항은 방전시 각 콘덴서 개개의 충전전압에 견딜 수 있으면 되므로 耐電壓이 낮은 동종의 저항체가 사용될 수 있어서 다른 방식에 비해서 단수가 적고, 구조상, 취급상 간단히 된다.

【그림 7】 倍電壓 충전방식

[그림 7]에서와 같이 최종단의 중점과 방전저항 RO를 충전저항 R로서 접속하여 접지측의 충전을 종단측부터 하여서 각 Condenser에 충전속도의 균일화가 이루어진다. 각단의 球 갭(Gap)의 양측에 있는 제동저항 r은 발생회로의 표유용량 및 인덕턴스에 의해서 발생전압파형에 고주파 진동이 겹치는 것을 방지한다.

3-14 고체유전체(Solid Dielectric)

고전압 절연에 실제로 사용되고 있는 고체절연물에는 여러 가지 종류가 있으며, 대별하여 무기재료와 유기재료로 구분한다. 무기재료에는 운모, 석면의 천연재료와 유리, 자기 등의 인조재료가 있으며, 유기재료에는 목면, 종이, 수지, 고무 등의 천연재료와 페놀 레진, 비닐수지, 폴리에치렌 등의 인조재료가 있다.

3-15 복합유전체(Composit Dielectric)

고체유전체에 의한 절연이라 할지라도 실은 그것이 단독으로 존재할 수는 없고, 고체유전체와 기체유전체의 복합유전체로 되어 있는 경우가 많다. 일반적으로 고체유전체의 표면에 접하고 있는 공기는 공기만이 단독으로 전극사이에 있는 경우에 비하여 낮은 전위경도에서 파괴된다.

3-16 유전체손(Dielectric Loss)

흡수현상을 수반하는 고체유전체에 교번전압을 인가하면 그 실효치와 동일한 직류전압을 인가할 때 보다 큰 전력손실이 생기며, 이것을 일반적으로 유전체손이라 한다. 이 유전체손은 쌍극자배향에 의한 흡수전류로 인한 것이며, 따라서 흡수전류가 크면 유전체손도 커진다. 고전압에 있어서는 고체유전체 중에 존재하는 기포 또는 공극이 고전계로 인해 이온화되어 코로나 방전을 일으킨다. 이로 인해 코로나 손실이 발생하며 이것이 유전체손에 포함된다.

3-17 유전체 역률

(Dielectric Power Factor)

전극사이의 고체유전체에 교번전압 V를 인가하면, 유전체에는 충전전류 Ic, 누설전류 Ig 및 쌍극자 전도전류 Id가 [그림 8]과 같이 흐른다. 따라서 이 경우 공급되는 전력, 즉 유전체에서 소비되는 전력은

[eqn: VIcos□ = VIsin□ ≒ VItan□]

여기서 tan□를 유전정접이라 하며, □를 유전손실각, cos□를 유전체 역률이라 한다. 그림에서 누설전류 Ig는 대단히 적으므로 무시해도 된다. 정전용량을 C, 주파수를[eqn: f] 라 하여[eqn: □`=`2□f{}]라 하면, 유전체손 W는 대략 다음과 같이 된다.

[eqn: W`=`□CV^2 tan delta]

여기서 C는 유전체의 비유전율 [eqn: epsilon_r]에 비례하므로 유전체손은 [eqn: epsilon_r tan delta]에 비례한다. 코로나가 발생하면 이 유전체손이 증가하기 때문에 유전체손의 측정은 고체유전체의 절연열화의 정도를 방법으로 사용되고 있다.

【그림 8】 전압전류의 벡터 다이어그램

3-18 유전손실각(Dielectric Loss Angle)

변압기 油의 유전손실은 극히 적으므로 그 측정이 매우 곤란하다. 望月氏의 실험에 의하면 절연유를 1∼2시간 동안 어느 일정한 온도로 유지하면서 그 온도를 올려 가는 경우 역률과 온도와의 관계는 [그림 9]와 같이 되며, 절연유의 절연내력이 최대로 되는 부근의 온도에서 역률이 최소가 되고, 다음에 온도를 내려가면 온도를 올려갈 때보다 역률이 훨씬 커진다는 것을 발견하였다.

【그림 9】 온도와 역률과의 관계

3-19 와그너의 열적파괴이론

[그림 10]에서 전극 E, E 사이에 유전체 P를 넣고 전극사이에 전압을 인가한 경우를 생각한다. 만일 유전체가 균일한 재료이면 각 부분의 전류밀도는 동일하게 될 것이다. 그러나 실제로는 이와 같은 균일한 유전체는 거의 없다. 지금 그림에서 A부분의 도전율이 다른 부분보다 조금 크다고 생각한다. 즉 그림에서 곡선 (1)과 같다고 한다. 그러면 A부분의 전류밀도는 다른 부분보다 크므로 따라서 이 부분은 다른 부분보다 온도가 높아진다.

【그림 10】 열적파괴의 기구

그런데 절연물의 저항온도계수는 陰이므로 A부분의 도전율은 더욱 커진다. 이리하여 이 부분은 다른 부분보다 온도가 높아져 다른 부분으로 흐르는 열량도 많아진다. A부분에서 발생하는 열량과 이 부분에서 다른 곳으로 흐르는 열량이 같아지면 열의 평형상태가 이루어져 일정한 온도로 된다. 이를테면 이와 같은 상태하의 도전율의 곡선은 (3)과 같이 된다. 그러나 인가전압을 올리면 나중에는 평형상태가 무너져 A부분의 온도는 더욱 상승하고 온도가 상승하면 도전율이 커져 전류는 더욱 증가한다. 이리하여 최후에는 A부분의 온도가 심하게 상승하여 이 부분의 재료가 열적으로 녹거나 타게 된다. 즉 열적인 파괴가 일어난다. 이것이 와그너의 열적 절연파괴의 기구이다.

3-20 손톤 및 톰손 전압계

(Thornton & Thompson Voltmeter)

[그림 11]에서와 같이 평행극판간의 중앙에 절연계로 매달려 있는 금속체를 진동시켰을 때 극판간에 전위차가 없으면 그 진동은 자유진동으로 되지만, 전압이 인가되면 금속체의 長軸端에 유기된 전하와 전계와의 상호작용에 의하여 그 진동주기가 짧아진다는 것을 이용한 것이다. 평행전극간의 전계의 세기 E는

[eqn: E = k root {N_1^2 - N_2^2 }]

여기서 k는 구조에 따라 결정되는 정수, N1, N2는 각각 전계가 있는 경우와 없는 경우의 금속체의 진동수이다. 전계의 세기가 대단히 클 때에는 N1은 N2에 비하여 상당히 크므로

E ≒ kN1

이 계기는 임피던스가 높고, 주파수에 관계가 없는 특성을 가지고 있으므로 표준계기로서 사용된다. 이 기기의 측정한도는 약 200kV 정도이다.

【그림 11】 손톤 및 톰손전압계

3-21 선구방전(Leader Stroke)

뇌방전의 불꽃은 長間隔 불꽃방전의 특성을 지니고 있다. 두 전극이 금속이 아니고, 水滴의 집합체인 구름과 흙으로 되어 있다는 점만이 실험실에 있어서의 불꽃방전과 다를 뿐이다. 구름 내부 또는 그 주변에서 공기의 절연파괴가 시작되어 스트리머(Streamer)가 나타나면, 그 선단에 전계가 집중하여 절연파괴가 더욱 전방으로 전진하여 스트리머가 대지로 향하여 뻗어간다. 이 과정을 선구불꽃 또는 선구방전(leader stroke)이라 한다.

3-22 복귀방전

(Return Stroke or Main Stroke)

선구방전의 스트리머가 대지에 가까워짐에 따라 그 직하부근의 지상 전계가 점점 높아지고, 지상의 돌출도체 선단으로부터 코로나 전류가 차차 증대한다. 이것이 스트리머로 되어 상방으로 전진하여 하강하는 선구방전 스트리머와 만나게 되면 구름과 대지와의 사이에 방전통로가 연결된다. 이렇게 되면 뇌운 하층의 부전하에 의하여 지면에 유도되어 있던 정전하가 이 길을 통하여 상승하고, 그 결과 선구방전에 의하여 그 통로에 분포되어 있던 부전하를 중화하게 된다. 이 경우, 선구방전으로 인하여 전리된 상당한 양의 잔류이온이 존재하는 길을 정전하가 흐르게 되는 것이므로, 전하의 상승속도에 따라서 전류치는 수만 또는 십수만[A] 정도에 달한다. 그러나 그 방전의 계속시간은 선구방전(계속시간이 ms 정도)에 비하여 짧으며, 수십[□s] 정도이다. 이것을 복귀방전(Return Stroke), 또는 주방전(Main Stro- ke)이라 한다.

3-23 충격비(Impulse Ratio)

충격비라 함은 어느 주어진 간극에 있어서 주어진 파형의 충격전압파에 대한 불꽃 전압치(파고치) Vi와 그 간극의 직류 불꽃전압치 또는 상용주파수 교류 불꽃전압치(파고치) Vs와의 비 Vi/Vs를 말한다. 즉

[eqn: 충격비= {충격불꽃(섬락) 전압(파고치)} over {직류 또는 상용주파수} # 교류 불꽃(섬락)전압(파고치)}]

3-24 충격코로나

충격전압이 인가된 경우에 발생하는 Corona방전의 성질은 대체로 다음과 같다.

(1) 충격코로나 개시전압은 직류 또는 교류의 경우와 비교하여 大差가 없다. 가령 차이가 있다 하여도 5∼10[%] 정도로 본다.

(2) 양극 Corona 형식으로는 스트리머 코로나(선조코로나)의 형식으로 되기 쉽다.

(3) 충격전압의 파두준도에 따라 공간전하효과의 영향이 달라져 충돌 Corona 발생에 영향을 미친다.

3-25 절연파괴(Dielectric Breakdown)

고체유전체의 표면에 연면코로나 또는 연면섬락(외부섬락 또는 외락)이 발생하면 그 화학작용 및 열작용에 의하여 고체유전체의 성질이 노화 또는 손상되어 파괴를 면하지 못하게 된다. 고체유전체의 내부에 존재하는 기포 또는 공극에서 발생하는 코로나도 그 화학작용과 열작용으로 인하여 고체유전체의 성질을 노화시켜 파괴에까지 도달시키게 하는 것이다.

3-26 개폐충격전압 절연설계

가. 결정적 방법에 의한 개폐충격전압 절연설계방법

개폐충격 과전압에 대한 절연설계방법으로는 애자련의 절연강도 V3를 최대 개폐 과전압(EM)과 같게 하는 절연설계방법을 말한다. 수식으로 나타내면 EM = V3이다.

나. 확률적 방법에 의한 개폐충격전압 절연설계방법

송전선로의 절연비를 경제적으로 하기 위하여 개폐충격전압 섬락사고율(SSFOR)을 1/100 또는 1/1,000로 하여 애자련의 강도를 정하는 방법을 말한다.

3-27 피뢰기의 V-t곡선

[그림 12]는 1.5×40□s파에 대한 선로용 피뢰기 간극의 충격파괴의 V-t곡선의 한 예이며, 이 경우 종축은 피뢰기 최대 대지전압 정격(파고치)과의 비로 표시되어 있다. [그림 13]은 피뢰기나 피뢰기가 보호할 기기와의 V-t곡선을 비교한 것이며, 이와 같이 피뢰기의 V-t곡선은 변압기 권선의 V-t곡선보다 그 경사가 완만하므로, 수평부분에서 적당한 속도를 갖게 하여 두면 단시간의 구역에서는 속도가 더욱 커져 파두의 준도가 높은 서어지 파에 대하여도 절연협조가 확보되는 셈이 된다.

【그림 12】 선로용 피뢰기의 V-t곡선

【그림 13】 각종 기기의 V-t곡선

3-28 스트리머(Streamer) 방전

에벌런체가 진전되어 나가는 경우, 전자는 양극에 중화되고, 양이온이 [그림 14]의 (a)와 같이 간극 중에 원추장으로 남게 된다. 이온밀도는 양극에 가까운 부분을 제외하고는 비교적 낮으며 양이온의 존재는 그 자신 간극의 파괴를 일으키지 않는다. 그러나 avalanche의 頭部를 이루고 있는 밀도가 높은 전리가스로부터 방사되는 광양자로 인하여 에벌런체 주위의 가스 중에 광량자가 발생하면 이들 광량자로 인하여 負 에벌런체가 [그림 14]의 (a)와 같이 여러 개 생기게 된다.

간극을 횡단하여 진전하는 streamer는 전자와 양이온이 거의 같은 밀도의 공간, 즉 이른바 플라즈마의 도전성 선조를 만들어 드디어 전극간을 단락하게 되는 것이며, 이 plasma의 선조가 불꽃路(spark channel)의 최초의 단계를 만든다. [그림 14]의 (b)는 plasma 통로가 간극의 도중까지 진전된 상태를 표시하며, (c)는 streamer가 음극에 도달하여 plas- ma 통로가 전극사이를 교락한 상태를 표시한다.

【그림 14】 스트리머의 이론

3-29 계단상 선구방전(Step Leader)

Step leader라 하며, 지면으로부터 대단히 높이 돌출되어 있는 도체, 이를 테면 고층 건조물이 雷雲의

直下에 오면 그 선단의 전계의 세기가 현저하게 높아져 거기서부터 상향의 선구방전도 계단적으로 진전하며 그 선단의 광도가 강해진다. 제1 방전의 계단상 선구방전이 상방으로 진전하여 구름에 도달한 후 그것에 긴 시간동안 잔광이 계속되고 있는데, 여기에는 주방전에 상당한 것은 나타나 있지 않다. 가지는 상방으로 일어나는데 이 경우에는 가지가 없다. 이 제1 방전에 이어 일어나는 제2, 제3 등의 후속 분방전은 구름으로부터 하방으로 진전되는 주방전으로 되어 있으며 이점은 평지 뇌방전의 경우와 변함이 없다. 제1분 방전의 선구방전은 지표의 정전하를 구름의 부전하쪽으로 보내는 과정이며 대지 유입전류는 부극성이고 수백암페어의 장시간 계속전류가 흐르게 된다. 후속분 방전에서는 대지 유입전류는 평지 뇌격의 경우와 마찬가지로 수백암페아의 파고치를 가진 부극성 충격전류로 되는데 제1 방전이후의 계속전류가 이것에 연결되고, 제2, 제3 등의 후속분 방전의 충격전류는 연속 전류파의 도중에 尖頭部로 나타나게 된다.

3-30 불꽃 저항

공기중에서 전극사이에 불꽃 방전이 일어날 때 불꽃의 저항은 시간에 대하여 일정하지 않다. 즉 불꽃방전이 일어나지 않는 동안은 저항은 무한대라 생각할 수 있으나 불꽃이 일어나면 저항은 급격히 적어진다. 불꽃방전의 시간은 약 10-7초 정도인데, 이 단시간내에 저항이 어떻게 변화하는가에 대한 문제는 고전압 공학, 특히 충격전압발생장치 등에서 필요한 사항이 된다. Toepler는 많은 실험 결과 불꽃저항이 다음 식으로 표시된다고 하고 있다.

[eqn: R = kF over Q]

여기서 R은 시간 t에 있어서의 불꽃의 저항, Q는 시간 t까지에 불꽃간극을 흐른 전하, F는 불꽃간극의 거리, k는 불꽃정수이며, k는 전류, 전압 및 전극의 모양에 관계가 없이 Toepler에 의하면 k=0.482×10-3이다.

3-31 불꽃의 늦음

충격전압에 의한 섬락에서는 전압을 인가해서부터 섬락이 일어날 때까지의 시간이 문제가 된다. 종래에는 이것을 불꽃의 늦음(time lag of sparking) 또는 섬락의 늦음(time lag of flashover)이라 부르고 있었다. 현재에는 이 불꽃의 늦음을 섬락까지의 시간이라고도 하며, 인가한 전압의 규약영점으로부터 섬락이 발생하는 순간까지의 시간으로서 정의하고 있다. 이 경우 전압이 상당히 감쇠한 파미에서 섬락이 일어났을 때에도 파괴는 파고치에서 일어난 것으로 보고 이 경우의 섬락전압치는 그 파고치로서 표시한다.

섬락까지의 시간의 장단은 전극의 형상, 충격파의 파형, 파두준도, 파고치, 극성 및 간극에의 자외선 또는 방사선 조사여부 등에 따라 달라진다. 피이크는 불꽃의 늦음을 다음과 같이 정의하고 있으며 과거의 문헌에는 이것을 채용하고 있는 것이 상당히 많다. 즉 [그림 15]는 충격전압파의 파두준도와 섬락전압 및 섬락의 늦음과의 관계를 표시한 것인데, 피이크는 섬락의 늦음을 그림의 t1, t2,... 등과 같이 50, 60[cps]의 교번전압에 의한 섬락전압치를 초과하여 섬락에 이르기까지의 시간을 섬락의 늦음으로 측정하고 있다. 이와 같은 섬락의 늦음에 대한 표시법을 피이크식의 섬락의 늦음이라 부르는 사람도 있다.

【그림 15】 불꽃의 늦음

3-32 코로나 쉴드(Corona Shield)

면사, 면포 등의 섬유질 재료를 절연으로 사용하는 고전압 기기의 코일 등은 섬유 사이에 있는 공기를 축출하고(진공처리) 그 대신 절연유, 와니스 또는 콤파운드 등을 함침시켜서 사용하는 것이 보통이며, 이것은 기포, 공극내의 corona의 발생을 방지함과 동시에 수분의 침입을 방지하는 데에도 그 목적이 있다. 또한 다량의 절연물을 사용하여도 침대편판 전극과 같이 전계가 심한 불평등을 유지하면 그 효과가 대단히 적은 경우가 있다. 이와 같은 경우 침 대신에 곡률 반경이 큰 전극으로 감싸고 이를 전기적으로 연결하면 코로나 또는 국부방전을 방지하는 것이 가능하다. 이와 같이 고전압 도체를 감싸는中空導體를 일반적으로 corona shield라 한다.

3-33 매질효과(Medium Effect)

고체유전체의 절연내력을 측정할 때 절연유중에 전극과 시료를 넣고 시험을 하는 유중 내전압시험 또는 유중파괴시험이 실시되고 있다. 이때 시료가 관통하기 전에 전극의 주변에서 유중 corona가 발생하고 있는 것이 보인다. 따라서 이러한 경우에는 유중 corona의 작용으로 파괴가 촉진되는 것으로 생각할 수 있다. 이와 같이 시료 주위의 매질중에서 일어나는 연면 corona로 인하여 시료가 조기에 파괴되는 현상을 매질효과(medium effect)라 한다. 절연내력시험에서 이 매질효과를 완화시키는 방법으로는 적당한 도전율을 가진 매질, 이를 테면 키시롤(xylol)을 사용하거나, 전극의 절연부를 유전율이 높은 유전체로 싸든가 또는 전극주위의 시료 표면에 적당한 도전율의 물질을 칠하는 방법이 취해지고 있으나 아직 완전한 것은 되지 못한다.

3-34 겉보기 방전전하(Apparent Charge)

공시물의 전극 사이에 순간적으로 전압을 인가했을 때 발생하는 부분방전에 의해 일어나는 전압변화와 동일한 양의 전극간 전압변화에 대응하는 주입 전하이다. 겉보기 방전전하는 유전체 중의 방전공극을 이동하는 전하와 혼동해서는 안되며, 쿨롱으로 나타낸다.

3-35 절연파괴시험

시험전압을 점차로 상승시켜 시료가 파괴될 때의 최소 절연파괴전압을 구하는 시험이다. 일반적으로 절연물 고유의 값으로 일정한 파괴전압을 얻는 것은 곤란하다. 이의 원인으로는 코로나 방전 등에 의하여 절연물이 파괴되기 이전에 열화작용을 하기 때문에 고유의 파괴강도보다 낮은 전압에서 파괴된다. 따라서 시험방법의 조건에 따라 다른 결과가 나오므로, 주된 시험방법은

① 전압을 0.5∼1[kV/s]의 비율로 올리고, 파괴하기 까지 전압을 상승시킨다.

② ①에서 얻어진 전압의 약 1/2를 인가하고, 파괴전압의 1/10 이하인 전압마다 계단적으로 상승시키고 일정한 전압을 유지하여 파괴하지 않는 경우 다음 단계의 전압으로 상승시켜 파괴전압을 구한다.

3-36 섬락시험

애자 등의 절연물은 절연물 자체가 파괴되기 이전의 전압에서 공기와 접촉하는 면에서 섬락하는 전압을 구하는 방법으로, 애자의 양(兩)전극간에 전압을 가하고 전압을 차차 올릴때 애자가 건전하면 애자 주위에 공기를 통하여 양(兩)전극간에 아크가 발생할 때의 전압이다. 측정방법은 내전압시험과 비슷하나, 섬락전압은 전압의 파형과 애자의 형태, 크기, 오염의 정도, 외부기체의 밀도, 온도 등에 따라 다른 값을 나타낸다. 애자의 섬락전압으로서는 상용주파수에 의한 건조섬락전압 주수섬락전압 유중파괴전압 충격파섬락전압등을 사용한다. 애자련의 섬락전압으로서는 상용주파수에 의한 건조 및 주수섬락전압  충격파의 정극파 또는 부극파에 의한 섬락전압, 개폐서지 충격파에 의한 섬락전압이 사용된다. 상용주파수에서는 전압의 실효값, 충격파전압에서는 파고값로서 섬락전압값을 나타낸다.

3-37 뇌충격전압파

송전선이나 변전설비의 절연을 파괴하여 사고를 일으키는 이상전압 중에서 특히 피해가 현저한 것이 雷이상전압이다. 따라서 이들 설비의 절연을 설계하든가 시험하고자 할 경우에는 뇌이상전압을 대상으로 하여야 한다. 따라서 뇌이상전압중 자주 일어 나는 대표적인 파형이면서, 인공적으로 쉽게 발생시킬 수 있는 파형을 그림과 같이 표준파형으로 선정하여 사용하고 있다.

여기서 파두길이란 파고값의 30%에서 90%까지인 점을 직선으로 연결하여 이것이 零線과 만나는 점과 100%인 선과 만나는 점 사이의 시간이다. 그리고 파미길이는 파미의 파고치가 50%로 저하하기까지의 시간이다. 우리 나라에서는 파두길이가 1.2[□s], 파미길이가 50[□s]를 사용하는데, 1.2×50[□s]로 표시한다.

【그림 16】 뇌충격전압파형

3-38 개폐충격전압파(Switching Impulse)

이상적으로 최대값으로 급상승하고 상승시 보다는 하강속도가 떨어져 0이 되는  비주기성의 과도적인 충격전압파로서, 차단기나 단로기의 개폐시의 발생하는 고전압을 모의한 충격성 과전압으로 파두시간이 수십 □s에서 수ms로 통상 명료하게 관측될 수 있으므로 실제 파두시간을 사용한다. 파두시간은 원점에서 파고점까지의 시간이며, 파미시간은 원점에서 반파고치까지의 시간이다. 표준개폐충격전압은 ±250/2,500[□s] 이다.

3-39 선행불꽃방전

유중에 소형의 구간극을 놓고 교류전압을 인가하여 전압을 서서히 상승시키면, 처음에 불안정한 불꽃이 발생하는 경우가 있다. 그러나 이와 같은 불안정한 불꽃방전은 지속성이 없고 곧 소멸하며, 그 후는 전압을 상승하여도 파괴되기 까지 불꽃이 발생하지 않는다. 이와 같은 현상을 선행불꽃방전이라 한다. 이러한 일시적인 불꽃방전은 참다운 파괴전압이라 생각하지 않는 것이 보통이며, 더욱 전압을 올려 영구적인 절연파괴를 발생하는 경우의 불꽃전압을 파기전압이라 본다. 이와 같은 선행불꽃전압은 유중에 포함되어 있는 먼지가 전계의 작용으로 전극사이에 교락되기 때문으로 생각하고 있다.

3-40 트래킹

트래킹이란 절연물 표면상 연면방향으로 전계가 존재할 때 탄화도전로(track)가 형성되는 현상으로, 절연물 연면방향의 절연성능에 나쁜 영향을 준다. 특히 애자와 같이 외기와 접촉하고 있는 경우, 먼지나 염분, 수분 등이 부착하기 쉽고, 부착량이나 부착분포에 따라 표면에 전류가 흐를 수 있다. 그 결과 주울열에 의하여 dry spot나 dry band라고 하는 국부적인 건조지대가 발생하고, 오손상태나 습윤상태에 따라 절연파괴로 진전된다.