전력공학 - 코로나 방전(Corona Discharge)

전력공학 - 코로나 방전(Corona Discharge)

1. 코로나 방전의 정의

공기는 보통 절연물이라고 취급하고 있지만 실제에서는 그 절연내력에 한계가 있다. 즉, 기온 기압의 표준상태(20℃ 760mmHg)에 있어서는 직류에서 약 30㎸/㎝, 교류에서 약 21㎸/㎝-실효값의 전위경도를 가하면 절연이 파괴되는데 이것을 파열극한 전위경도라 한다. 예를들어 평면 전극간에 전압을 인가할 경우에는 평면전극이기 때문에 양극간의 전위경도가 균일하므로 인가전압이 상기의 한도를 초과하면 그 공간 내의 절연성이 상실되어 불꽃방전이 발생한다.

송전선로의 전선표면의 근방에서처럼 전극간의 일부분에서만 전위의 경도가 위의 한계값을 넘을 때에는 그 부분에서만의 공기의 절연이 파괴되어 전체로서는 섬락에까지 이르지 않는다.

공기 중에서 대전체 간의 전계가 현저하게 불 균일할 때 전기력선 밀도가 어떤 값(전위 기울기가 약 직류 30㎸/㎝, 교류 21㎸/㎝-실효값 ) 이상이 되면 대전체 표면의 공기가 이온화되어 일어나는 방전현상. 즉, 전극사이에서 전계가 강한 국부 1개소 만이 절연파괴되어 발생하는 국부절연 파괴현상을 말한다.(코로나는 불꽃방전의 일보직전의 국부적인 방전현상이다)

 

2. 코로나 방전의 특성

1) 임계전압

- m0 : 전선표면계수

(매끈한 단선 : 1, 거친단선 : 0.98~0.93, 7본연선 : 0.87~0.83, 19~61개연선 : 0.85~0.80)

- m1 : 기후에 관한 계수 : 맑은 날씨 1.0, 안재 및 비오는 날 0.8

- δ : 상대공기밀도 기압을 b(mmhg), 기온을 t℃라 하면

b의 값은 토지의 높이에 따라 달라지며 개략값은 표와 같다.

- d : 전선의 직경(㎝),

- D : 선간거리(㎝)

 

식에서 알 수 있듯이 전선의 굵기가 커지면 코로나의 임계전압이 높아져서 코로나의 발생은 억제된다. 반대로 전선이 가늘어지면 코로나의 임계전압이 내려가서 코로나가 일어나기 쉬워진다.

송전선로의 설계에서 임계전압을 좌우하는 것은 선간거리와 전선의 반지름인데, 그 중에서도 전선의 반지름이 큰 영향을 미친다. 345KV를 넘는 송전선로에서 중공동선이나 ACSR선이 채택되는 것도 바로 이 때문이다.

 

2) 코로나 손실 ( PEEK의 式 )

- E : 전선의 대지전압 - E0 : 코로나 임계전압

- f : 주파수 - r : 전선의 반경(cm)

- D : 선간거리(cm) - δ : 상대공기밀도

 

3. 전선간의 코로나 방전

전선간의 경우 코로나 개시전압은 선간의 거리, 전선의 굵기, 표면상태, 주위의 기상조건 등에 의해 방전개시전압이 달라진다.( 기온 20℃ 기압 1,013mbar인 경우 전위 기울기가 직류 30㎸/㎝, 교류 21㎸/㎝-실효치 되면 도체 표면 가까이에 절연파괴현상 (이온화)이 생기게 되어 방전이 개시된다.

 

4. 코로나장해

1) 전력손실

Peek's 식에 의한 계산할 수 있는 전력손실이 발생한다.

 

2) 코로나 잡음

코로나 방전에 의해 코로나 펄스(코로나는 전선의 표면에서 전위경도가 임계전압을 넘을 때에만 일어나므로 교류전압의 반파마다 간헐적으로 일어나게된다)가 발생하고 코로나 잡음으로써 전파장해(라디오 소음, TV간섭)를 일으킨다.

 

3) 고주파전압,전류의 발생

전압파형이 코로나 방전에 의해서 잘려짐으로써 푸리에 급수에 의해 전개하면 고조파를 포함하게 된다. 코로나에 의한 고조파전류중 제3고조파는 중성점전류로서 나타나고 중성점 직접접지방식의 송전선로에서는 유도장해의 원인이 되고, 비접지계통에서 파형을 일그러지게 한다.

 

4) 소호리액터에 대한 영향

- 코로나가 발생하면 전선의 겉보기 굵기가 증가하므로 대지정전용량이 증대하고 계통은 부족보상이 된다. 또 코로나 손실의 유효분 전류나 제3고조파 전류는 잔류전류가 되어 소호작용을 방해한다.

- 1선 지락시에 건전상의 대지전압상승에 의한 코로나 발생은 고장점의 잔류 전류의 유효분을 증가해서 소호능력을 저하시키기 때문에 소호리액터 접지방식에서는 이것이 문제가 된다.

 

5) 전력선 반송장치에의 영향

보안, 업무용 전화, 보호계전방식, 원격측정제어 등에 전력선 반송장치를 사용하는데 코로나에 의한 고조파가 여기에 영향을 미친다.

 

6) 전선의 부식

코로나에 의한 화학작용(오존 및 산화질소가 발생하여 수분과 합해서 초산(HNO3) 이 되면)으로 전선이나 바인드를 부식한다.

진행파의 파고값 감쇠(코로나의 유일한 장점에 해당됨)

이상전압 진행파(Surge)는 전압이 높기 때문에 항상 코로나를 발생시키면서 진행한다. 이러한 서지의 감쇠효과는 대부분 코로나 방전에 의한 것이다.

 

5. 방지대책

전선의 표면 전위경도, 표고, 전선표면조건, 기후조건, 시간 등 외에 먼지 등 이물질이 전선 표면에 접촉되어 돌출부가 생길 경우 코로나 영향이 심화된다. 그러나 코로나의 발생을 방지하기 위해서는 무엇보다도 코로나 발생의 임계전압을 상규전압 이상으로 높여주면 된다.

1) 굵은 전선을 사용한다.

전선을 굵게하면 표면의 전위의 기울기는 완만하게 되어 코로나의 임계전압은 올라가서 공기의 절연은 튼튼하게 된다. 만일 가는 전선을 사용하면 반대로 전위의 기울기가 급해져서 주위의 공기의 절연은 약해진다.

 

2) 복도체를 사용한다.

복도체라는 것은 각상의 전선을 2가닥 이상으로 나누어서 비교적 가는 전선을 사용하면서 코로나의 임계전압을 높이고자 하는 것이다. 또한 복도체는 단선의 경우와 비교해서 선로의 작용인덕턴스는 줄어들고 정전용량은 증대되기 때문에 송전전력을 증대시킬 수 있다는 장점도 있다.

 

3) 가선금구를 개량한다.

표면이 거칠거나 예리한 경우에는 코로나의 발생이 쉬워지므로 이에 대한 대책으로 금구류의 표면을 완만하게 한다.