절연물의 특성

전기재료연구실

전 용 식

목차

1. 서론2. 방전현상의 기초 1. 기체중의 전압 전류 특성 2.TOWNSEND LAW 3. 불꽃방전3. 절연물의 종류와 성질4.SF6 가스

서 론

고전압기기에는 자기자체에서 발생하는 고전압 또는 외부에서 침입하는 고전압이 코로나 , 부분방전 , 섬락등의 방전현상을 일으키는 것이 최대의 문제이며 , 이에 대한 대책이 절연설계이다 . 반면에 방전현상을 능동적으로 이용하는 기기도 있다 . 이와 같은 목적을 달성하기 위하여는 각종 절연물의 고전압에 대한 특성 즉 , 절연특성을 알아야 될 필요가 있다 .

따라서 절연특성 및 방전특성은 절연물의 종류 , 조건 , 전압파형 , 전극의 형상 및 배치에 따라 다르므로 그 특성을 파악하는 것이 바람직하다 .

방전현상의 기초

1. 기체중의 전압 전류 특성

oa: 전압과 전류의 관계가 직선적 . [ 옴의 영역 ] ab: 포화되어 전류가 변화가 없다 . [ 포화 영역 ] bc: 전류가 전압의 지수함수에 비례 .[ 전류 급증 영역 ]

2. 고체중의 전압 전류 특성 절연체의 v-i 특성은 절연체의 전기절연 성능평가 및

전기전도기구를 결정하는데 중요하다 . 일반적으로 고체절연체의 v-i 특성은 그림과 같이 3 영역으로 구분되나 , 기체나 순수액체 절연체에 나타나는 전류포화영역이 거의 나타나지 않는다 .

그림에서 VH 이하의 Ohm's law 가 성립하는 영역을

저전계 영역 ,VH 이상의 비직선 영역을 고전계 영역이라 한다 .

region(Ⅰ) : 저전계 영역으로 Ohm's law 이 성립 region(Ⅱ) : Ohm's law 에서 벗어나 비직선적 증대를 보이고 나중에 절연파괴로 이행 region(Ⅲ) : 절연파괴전구영역

3. 액체유전체의 전압 - 전류특성 ⁃ 그림과 같이 v-i 특성은 기체에 가깝지만 , 극히

고순도의 액체 이외에는 포화전류영역이 나타나지 않는다 .

(Ⅰ) Ohm's law region ∙ 저전계에서 ion 의 전극표면에서의 소멸이나 확산이

재결합에 비해 무시할 수 있으므로 전류밀도는 로 되어 전계에 비례한다 . ∙ 수 kv/ ㎝이하의 전계에서 나타남

(Ⅱ) saturation region ∙ 중전계에서는 발생한 ion 이 재결합에 의해 소멸되기

전 에 모두 전극에 도착하므로 , 전류밀도는 다음과 같이 되어 대략 일정하게 된다 .

where d : 전극간 거리

∙ 그러나 전계인가시 Schottky effect 에 의해 potential barrier 의 높이가 만큼 낮아지므로

로 되어 전계와 함께 증가하므로 전류는 완전히 포화되지는 않는다 .

(Ⅲ) pre-breakdown region ∙ 고전계에서는 전자의 충돌전리 , 음극에서의 전 자 방 출 에 의 해 전 류 가 급 증 하 고 , 나 중 에 는 절 연 파 괴 에 이 르 므 로 “파괴전계영역”이라 한다

• 고전계에서의 carrier 증가의 원인은 전자의 충돌전리에 의한 electron avalanche, 전극 또는 중성분자에서의 전계방출 , Schottky 전자방출 등 전자성 전도에 의해 지배된다 .

∙ 수십 kv/ ㎝ 이상의 전계에서 나타남

기체의 영역별 해석 쌍 / 의 일정한 양의 이온들 ↓ 중성자 분자

C ←+ion A -ion →

↑ 방사선

전극간의 직류전압 v 를 인가하면 전계 E 에 의해

108 10~10 3m

EeuneunJ )(

+ion 의 밀도 n+ -ion 의 밀도 n- +ion 의 이동도 u+ -ion 의 이동도 u- e=1.601 Ⅹ [C] ( 전자의 전하량 ) ① oa 영역 ( 옴의 영역 ) 인가전압의 증가와 더불어 하전입자의 drift velocity 가

증대되고 전극에 유입되기 전에 부착 , 재결합 , 확산 등에 의해 소멸되는 비율이 적으므로 전류가 선형적으로 증가 .

1910

② ab 영역 ( 포하영역 ) 대부분의 하전입자는 전극사이에서 소실되기 전에

전 극 에 도 달 하 고 전 류 는 전 극 간 의 하 전 입 자 의 생성비율에 의해 결정되는 포화전류값에 도달한다 .

d + C[-] - A[+] - x + 1 초동안 흐르는 전하량 : 쌍 /(sec )• 3mq

1 초동안 ab 면을 통과하여 이동되는 – ion 은 : qAxe 1 초동안 ab 면은 통과하여 이동되는 +ion 은 : qA(d-x)e ⊙1 초동안 흐르는 전류는 I=qAde=c(conde) → 전압에 대해 I 는 변화하지 않는다 .→ 포화 [I=qAxe+qA(d-x)e=qAde]③ bc 영역 ( 전류 급증 영역 ) 전자가 충돌전리를 일으키기에 충분한 energy 를 전계로 부터 얻어 중성기체분자의이온화 , 자극를 일으킴과

동시에 이로 인해 생성된 (+) ion, 광자및 meta-stable atom 에 의한 음극에서의 전자방출과 기체의 광전리 등의 2 차적인 현상이 나타나 전류는 급증한다 .

이 영역에서의 방전이론을 “ Townsend discharge” 이라 한다 .

Townsend law

1. 전자의 충돌 전리 작용 ( -process) ⇒ hv 에의해 전자가 생김 e →e 를 많이 생성

C hv A → 중성원자와 충돌 → 두개의 e 가 생성

e 의 운동에너지는 중성원자의 이온화 에너지보다 커야한다 .

iEmv 2

2

1

A

A

2.+ion 의 충돌 전리 작용 ( -precess) - E↑,ℓ↑ 중성원자의 이온화된 들이 음극으로 가다가 가속이

되어 일때 그냥 탄성충돌이 아닌 그 중성원자를 다시 이온화 시킨다 .

3. -process ⇒ -process +ion 이 아주 빠른 속도로 음극면에 충돌하면 2 차 전자가

나오는데 이 2 차 전자가 다시 전자 충돌 전리 작용을 한다 .

A

iEmv 2

2

1

)( r

수식표시 -process n• 개가 왼쪽⇒오른쪽 나올

증가한 전자의 개수 :dn = 전자 1 개가 단위거리 주행중에 충돌전리 시킨

횟수 (n 개→ n )

dn= ndx 양극 전자에 들어가는 횟수

0nn n

x dx

A

B

1n 2n

l

dxenn 0

dloennlx

)/

exp(PE

BA

P

적으면 양극의 도달하는 전자수는 만족하고 커지면 양극의 도달하는 전자수는 크다• -process+ process -process : -process :

lpE ,/lpE ,/ dlen0

210 nnnn

dxnn )( 10 dxn 2

dxndxnndn 2101 )(

nnnAe

cxnnn

dxnnn

dn

x

))((

]))(ln[(1

))((

10)(

10

10

1

nle

enn

ennnn

nnnlx

ennnnn

nnAnx

l

l

l

x

...............)(

])([)(

],[

])([))((

])(,0,0[

)(

)(

0

)(0

10

)(010

01

양이온의 음극 충돌에 의한 2 차 전자 방출작용 r-process+( -process)

- +

충돌

r 배만큼 튀어나오는 전자의 양

+ion 개수 :

2 차 전자방출

e 1n

2n

)1( 1 n

)1( 1 nr 개

d

)1( 12 nrn충돌

+ion 개

→1 개의 양이온이 음극면에 충돌했을때 튀어나오는 전자 의양

라면 z는 유한 ]

r

...........

)1()1(

]1.....[..........

321

1112

01

nnnz

nrnenrn

nend

d

1)1([)1(1

.....)1()1(1[

11

1

21

211

nrnr

n

nrnrn

⇒튀어나온 전자가 1 개가 아니라 라면

, • 음극에서의 광전자 방출작용

- 재결합 과정에서 광양자 방출 , 음극에서 다시 조사

0n

)1(10

d

d

er

enn

)1(10

d

d

er

eTI

processprocess

)1(0

d

d

e

enn

불꽃방전 불꽃방전 ( 자속방전 )-스스로 계속되는 방전⇒방전이

일어나는 원인을 제거해도 방전이 계속된다 . 불꽃방전의 조건

ex)

~10~1~1

~

~1

~0

iI

)1(10 d

d

er

eiI

불꽃방전이 일어나려면 ( 계속 )

1)1( der

streamer 이론 ⁃ 전자 충돌 전리 작용 space charge effect )( process

(a)(b)

(c)

외부전계

플라즈마 (+ion 과 – ion 의 밀도가 높다 )

완전도체

(a) cathode-directed streamer 음극에서 전차 방출→이동→가속→충돌전리발생 (townsend

law)→ 지수함수적으로 증가⇒+ion 남 남는다 : -ion 의 속도에 비해 +ion 은 매우 느리다⇒space charge effect (+ion 의 의한 )⇒ (b) Anode-directed streamercathode 에서 전자 방출→충돌전리→공간전하*전계방향

V2

(c) leader channel and leader streamers

밑으로 파괴

전자방향

Leader streamers

침전극

Leader channel

Leader streamers tip (끝단 )

Paschen’s 법칙 ( 실험 ) “Townsend's criterion for sparking discharge” 윗 식을 이용하여 불꽃전압을 구하기 위해 윗 식을 변형하면

일반적으로 는 의 함수이므로 , (E,p 는 각각 전계 및 기체의 압력 )

라 놓고 , 이들은 (1) 에 대입하면 다음 식으로 된다 .

0)1(1 der

)1

1ln(r

d

rp

,

p

E

)(),( 21 p

Efr

p

Ef

p

……….(1)

평등전계 중에서 이므로 불꽃전압을 Vs 라 하면 ,

불꽃전압 Vs 에 대해 윗 식을 정리하면

])(

11ln[)(

2

1

pE

fpd

p

Ef

d

EV

])(

11ln[)(

2

1

pdV

fpd

Vf

s

d

)(')( lawspaschenpdfVs

⁃ 즉 기체의 불꽃전압은 pd 에만 관계 ; 불꽃전압은 (pd) 가 적은 영역에서는 (pd) 의 증가와 함께 감소하고 , (pd) 가 (pd)min 에서 최소불꽃전압이 되고 , 그 이상 (pd) 가 크게 되면 불꽃전압은 대략 직선적으로

증 가 한 다 ( 이 유 : pd) 의 변 화 에 의 한 전 자 의 충돌전리작용의 감소 또는 증가 때문 )

for

⁃ 이 법칙의 성립한계는 확실하지는 않지만 , 대부분의 기체에서 다음 범위에서 성립

][6.7~0.3)(],[450~186)( .min mmHgmmpdVVs

2222 ,,,, oNNcoAr

maxmin )(100)(1.0 pdpdpd

⁃ 이 법칙을 더욱 일반화하면 ① 전극 및 전극간 거리의 칫수를 고르게 배로 하고 ,

기압을 로 하면 불꽃전압은 변하지 않는다 . ② 이 경우 방전에 의해 흐르는 전류도 변하지 않는다 .

※ 고기압인 경우 불꽃 방전전압이 Paschen's law 에 의한 것보다 낮은 원인 (by Zeirer)

① (+) ion 에 의한 공간전하의 영향 ② 전계가 크기 때문에 발생하는 음극으로부터의 전자방출

n

n

1

절연물의 종류와 성질

절연종류 - 대기압 공기 - 대기압 공기 외의 기체 :질소… ..(SF6 를 가장 많이 사

용 ) - 액체 : 물 , 극저온 액체 …⇒변압기 - 고체 : 자기 , 유리… .. -진공 -복합 절연 : 기름 묻힌 종이절연물 특성 - 소호특성 :BD이 일어난뒤 그대로 멈춘 상태 - 절연특성 : 절연파괴 정도가 크면 좋다 - 기계적특성 : 고전압부분의 지지절연물에서는 압축 , 인장강도 ,굽힘 탄성 ,,,

-열적특성 : 도전전류에 의한 손실 , 유전체손으로 발생

하는 온도상승에 대한 특성 - 화학적특성 : 방전이 생기는 경우 발생하는 화학적 반응으로 부터 안정되어야 함

여러가지 절연물 특성의 비교 절연물특성

기체( )

액체( 절연유 )

고체( 에폭시 )

진공

절연특성기계적특성열적특성소호특성

O∆Ⅹ⊙

O∆⊙O

⊙⊙ⅩⅩ

O∆Ⅹ⊙

6SF

⊙: 아주양호 , O:양호 , :∆ 고체의 지지물에 의존 , Ⅹ: 불량

SF6 가스 및 기타 기체 가스 차단기 (gas cir

cuit breaker, GCB) 는 SF6 (육불화황 )가스를 이용한 차단기이다 . 가스의 뛰어난 소호 능력과 고절연 내력을 이용한 고성능의 소형 접지 탱크형이다 . 그림에 가스 차단기의 구조와 동작 원리를 나타냈다 .

( 가 ) 구조와 동작 원리 가스 차단기의 소호 원리는 그림에서 보는 바와 같이 단일 압력 퍼퍼 (puffer) 방식이다 . 그림에서 (a) 의 폐로 상태에서 차단 동작이 시작되면 , 그림 (a) 의

(b) 의 개로중 상태와 같이 고정 접촉자와 노즐이분리되기 전까지 퍼퍼 실린더 (puffercylinder) 내부의 SF6 가스는 그림 (b) 의 (c) 의 개로 상태의 화살표 방향과 같이 일부는 고정 접촉자 쪽으로 , 나머지는 아크 접촉자와 퍼퍼 실린더의 중심 통로로 강하게 불려 나간다 . 그러면서 분리된 접촉자 사이와 같이 고정 접촉자와 아크 접촉자의 양 방향으로 동시에 충분한 압력의 SF6 가스를 불어 줌으로써 대용량 차단이 가능하다 .

( 나 ) 차단 성능 SF6 가스 차단기에는 전류 차단 때 극간에 수만 k 의 고온 아크가 발생한다 . 이 고온 아크에 고압 ·고속의 SF6 가스를 불어서 소호시키는데 , 아크의 소호 현상은 매우복잡하고 다양하다 . 이러한 소호 현상을 해결하기 휘하여 최근에는 광섬유 (optical filber) 를 사용한다

-SF6 의 용도 전기절연체용 전력 산업용 : 초고압에서의 고체 절연체에 비해 뛰어난

절연성을 가지고 있고 장비의 경량화를 실현할 수 있으며 사용이 용이한 장점이 있다 .

회로 차단기 (Circuit Breakers): 고압에서의 Arc 방지력과 절연성이 뛰어나 고압 (345kV) 과 초고압 (1000kV) 용 차단기에 쓰인다 .

개폐기 :Oil 용이나 진공 개폐기에 비해 Arc 방지력과 절연성이 뛰어나다 . (7.5-35kV)

가스 절연 송전선 (Gas Insulated Transmission(GIT) Line):송전선 용지가 기존 설비에 비해 약 1/10 로 감소되고 지하 매설이 가능해졌으며 SF6 를 검출하므로서 검사가 용이해 졌다 .

소형 배전소 (Minisubstation): 소형 배전소에는 차단기 , 송전시설등이 있고 기존의 공기 절연장치에 비해 10-20%의 공간으로 설치가 가능하다 .

기 타 : 도파관 (Waveguide), Van de Graaff 발전기 , 선형 가속기용 절연체로 사용된다