절연물의 특성 전기재료연구실 전 용 식

목차 1.서론 2.방전현상의 기초 1.기체중의 전압 전류 특성 3.절연물의 종류와 성질 4.SF6 가스 2.TOWNSEND LAW 3.불꽃방전 3.절연물의 종류와 성질 4.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 3영역으로 구분되나, 기체나 순수액체 절연체에 나타나는 전류포화영역이 거의 나타나지 않는다.

그림에서 VH 이하의 Ohm's law가 성립하는 영역을 저전계 영역,VH 이상의 비직선 영역을 고전계 영역이라 한다. region(Ⅰ) : 저전계 영역으로 Ohm's law이 성립 region(Ⅱ) : Ohm's law에서 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 ion의 전극표면에서의 소멸이나 확산이 재결합에 비해 무시할 수 있으므로 전류밀도는   로 되어 전계에 비례한다. ∙수 kv/㎝이하의 전계에서 나타남 (Ⅱ) saturation region    ∙ 중전계에서는 발생한 ion이 재결합에 의해 소멸되기 전 에 모두 전극에 도착하므로, 전류밀도는 다음과 같이 되어 대략 일정하게 된다.

where d : 전극간 거리 ∙ 그러나 전계인가시 Schottky effect에 의해 potential barrier의 높이가 만큼 낮아지므로 로 되어 전계와 함께 증가하므로 전류는 완전히 포화되지는 않는다.

(Ⅲ) pre-breakdown region ∙ 고전계에서는 전자의 충돌전리, 음극에서의 전자방출에 의해 전류가 급증하고, 나중에는 절연파괴에 이르므로 “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 v를 인가하면 전계E에 의해

+ion의 밀도 n+ -ion의 밀도 n- +ion의 이동도 u+ -ion의 이동도 u- e=1.601 Ⅹ [C] (전자의 전하량) ① oa영역 (옴의 영역) 인가전압의 증가와 더불어 하전입자의 drift velocity가 증대되고 전극에 유입되기 전에 부착, 재결합, 확산 등에 의해 소멸되는 비율이 적으므로 전류가 선형적으로 증가.

② ab영역 (포하영역) 대부분의 하전입자는 전극사이에서 소실되기 전에 전극에 도달하고 전류는 전극간의 하전입자의 생성비율에 의해 결정되는 포화전류값에 도달한다. d + C[-] - A[+] - x + 1초동안 흐르는 전하량: 쌍/(sec• )

1초동안 ab면을 통과하여 이동되는 –ion은: qAxe 1초동안 ab면은 통과하여 이동되는 +ion은: qA(d-x)e ⊙1초동안 흐르는 전류는 I=qAde=c(conde) →전압에 대해 I는 변화하지 않는다.→포화 [I=qAxe+qA(d-x)e=qAde] ③ bc 영역 (전류 급증 영역) 전자가 충돌전리를 일으키기에 충분한 energy를 전계로 부터 얻어 중성기체분자의이온화, 자극를 일으킴과 동시에 이로 인해 생성된 (+) ion, 광자및 meta-stable atom에 의한 음극에서의 전자방출과 기체의 광전리 등의 2차적인 현상이 나타나 전류는 급증한다.  이 영역에서의 방전이론을 “Townsend discharge”이라 한다.

Townsend law 1.전자의 충돌 전리 작용 ( -process) ⇒ hv에의해 전자가 생김 e →e를 많이 생성 C hv A →중성원자와 충돌 →두개의 e가 생성 e의 운동에너지는 중성원자의 이온화 에너지보다 커야한다.

2.+ion의 충돌 전리 작용 ( -precess) - E↑,ℓ↑ 중성원자의 이온화된 들이 음극으로 가다가 가속이 되어 일때 그냥 탄성충돌이 아닌 그 중성원자를 다시 이온화 시킨다. -process ⇒ -process +ion이 아주 빠른 속도로 음극면에 충돌하면 2차 전자가 나오는데 이 2차 전자가 다시 전자 충돌 전리 작용을 한다.

-process •n개가 왼쪽⇒오른쪽 나올 수식표시 -process •n개가 왼쪽⇒오른쪽 나올 증가한 전자의 개수:dn = 전자1개가 단위거리 주행중에 충돌전리 시킨 횟수(n개→ n ) dn= ndx 양극 전자에 들어가는 횟수

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

r-process+( -process) 양이온의 음극 충돌에 의한 2차 전자 방출작용 r-process+( -process) - + 충돌 +ion 개 개 2차 전자방출 +ion개수: 충돌 r배만큼 튀어나오는 전자의 양

→1개의 양이온이 음극면에 충돌했을때 튀어나오는 전자 의양 라면 z는 유한]

⇒튀어나온 전자가 1개가 아니라 라면 , • 음극에서의 광전자 방출작용 -재결합 과정에서 광양자 방출, 음극에서 다시 조사

불꽃방전 불꽃방전(자속방전)-스스로 계속되는 방전⇒방전이 일어나는 원인을 제거해도 방전이 계속된다. 불꽃방전의 조건 ex) 불꽃방전이 일어나려면(계속)

⁃ 전자 충돌 전리 작용 space charge effect streamer 이론 ⁃ 전자 충돌 전리 작용 space charge effect 플라즈마(+ion과 –ion의 밀도가 높다) 외부전계 완전도체 (a) (b) (c)

(a) cathode-directed streamer 음극에서 전차 방출→이동→가속→충돌전리발생(townsend law)→지수함수적으로 증가 ⇒+ion남 남는다: -ion의 속도에 비해 +ion은 매우 느리다 ⇒space charge effect (+ion의 의한) ⇒ (b) Anode-directed streamer cathode에서 전자 방출→충돌전리→공간전하 *전계방향

(c) leader channel and leader streamers 침전극 Leader channel Leader streamers tip (끝단) Leader streamers 전자방향 밑으로 파괴

“Townsend's criterion for sparking discharge” Paschen’s 법칙 (실험) “Townsend's criterion for sparking discharge” 윗 식을 이용하여 불꽃전압을 구하기 위해 윗 식을 변형하면 일반적으로 는 의 함수이므로, (E,p는 각각 전계 및 기체의 압력) 라 놓고, 이들은 (1)에 대입하면 다음 식으로 된다. ……….(1)

평등전계 중에서 이므로 불꽃전압을 Vs라 하면,

⁃ 즉 기체의 불꽃전압은 pd 에만 관계    ; 불꽃전압은(pd)가 적은 영역에서는(pd)의 증가와 함께 감소하고, (pd)가(pd)min에서 최소불꽃전압이 되고, 그 이상(pd)가 크게 되면 불꽃전압은 대략 직선적으로     증가한다(이유: pd)의 변화에 의한 전자의 충돌전리작용의 감소 또는 증가 때문)                                                                for ⁃ 이 법칙의 성립한계는 확실하지는 않지만, 대부분의 기체에서 다음 범위에서 성립                         

⁃ 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 law에 의한 것보다 낮은 원인(by Zeirer)  ① (+) ion에 의한 공간전하의 영향  ② 전계가 크기 때문에 발생하는 음극으로부터의 전자방출

절연물의 종류와 성질 절연종류-대기압 공기 -대기압 공기 외의 기체:질소…..(SF6를 가장 많이 사용) -액체:물, 극저온 액체 …⇒변압기 -고체:자기,유리….. -진공 -복합 절연 : 기름 묻힌 종이 절연물 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 절연물 특성 기체 ( ) 액체 (절연유) 고체 (에폭시) 진공 절연특성 기계적특성 열적특성 소호특성 O ∆ Ⅹ ⊙ ⊙:아주양호, O:양호, ∆:고체의 지지물에 의존, Ⅹ:불량

SF6가스 및 기타 기체  가스 차단기(gas circuit 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 k의 고온 아크가 발생한다 (나) 차단 성능                    SF6 가스 차단기에는 전류 차단 때 극간에  수만 k의 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 -SF6의 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:Oil용이나 진공 개폐기에 비해 Arc 방지력과 절연성이 뛰어나다. (7.5-35kV) 가스 절연 송전선(Gas Insulated Transmission(GIT) Line):송전선 용지가 기존 설비에 비해 약 1/10로 감소되고 지하 매설이 가능해졌으며 SF6를 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