불평등 전계 중 방전

기체 중에 놓인 두 전극 간에 전압을 인가하면 전극구조로 결정되는 어느 전압에 도달하면 양 전극 가에는 불꽃에 의하여 단락한다. 그러나 평판 전극의 경우는 불꽃 전압 이하의 전압을 인가할 때도 침 전극의 뾰족한 부분에 국부적으로 전계가 집중하게 되어 이 부분에서 절연파괴 현상이 발생한다. 이처럼 코로나가 발생하는 전압을 코로나 개시전압이라고 한다.
 실용의 고전압 전기설비에서는 대부분 불평등 전계를 형성하는 구조로 되어 있어 이 영역의 방전 특성과 그 방전기구의 이해가 극히 중요하다. 또 고전압 송전선로에 있어서 코로나가 발생하면 전력손실이 발생하고 또한 방송파에 대응하는 주파수의 전파를 발생하므로 전파장애의 요인이 된다. 특히 장거리 송전선에서는 이 전력손실이 상당히 커서 이러할 때는 코로나의 영향을 줄일 필요가 있다.

[코로나 방전의 성질 - 직류 코로나]
침대 평판 전극을 장치하여 침전 극을 양극, 평판 전극을 음극으로 하여 직류전압을 전극 간에 서서히 증가시키면 소음이 발생하기 시작하여 침전 극의 끝부분에 희미한 빛이 나타난다. 이것은 전계의 불평등한 집중으로 인하여 침전 극의 선단부 공기가 국부적으로 절연파괴 되었기 때문이다. 이처럼 국부적으로 절연파괴 되는 현상을 부분파괴(partial breakdown) 또는 코로나 방전(corona discharge)이라고 부른다. 더욱 전압을 증가시키면 코로나가 점점 발달하여 평판 전극에 도달하여 결국 전로 파괴 현상인 불꽃방전이 된다.

 불꽃방전에 이르기까지의 경과를 어두운 방에서 세밀하게 관찰하면 여러 단계를 거쳐 진전하는 것을 확인할 수 있다. 전압을 서서히 상승시키는 경우 최초로 나타나는 코로나는 침 끝부분이 희미한 광으로 둘러싸인 상태가 나타난다. 이것을 글러우 코로나라고 하며, UA 정도의 전류가 흐르며 맥동이 작다. 더욱 전압을 상승시켜 전류가 10 UA 이상이 되면, 침전 극의 끝부분에서 맥동 적으로 방전이 생겨, 상당한 주파수의 진동을 포함한 코로나가 나타난다. 이것을 빗 코로나(brush corona)라고 한다. 전류는 맥동을 수반하며 큰 주파수 성분을 포함하고 있으며 특유한 코로나 잡음을 낸다. 전압을 더더욱 키우면 코로나의 발광 부가 전극 사이를 교락 한 것처럼 보이는 방전이 나타난다. 자세히 관찰하면 양전극 간이 가느다란 빛 막대기가 많이 집합해 있는 것을 볼 수 있다. 이것을 streamer corona라고 한다. 그러나 전극 간의 거리가 짧을 때는 글로우 코로나에서 곧바로 불꽃방전이 되는 때도 있어 반드시 순서를 거쳐서 성장하는 것은 아니고, 전극의 모양, 전극의 간격 등에 의해서 어떤 형식으로부터 불꽃으로 자라는지가 결정된다.

 음성 코로나의 형식은 brush corona와 닮았고, 양성 코로나의 경우와 비교하여 전압상승과 더불어 현저하게 성장하지 못하고 불꽃으로 곧바로 성장한다.
 극성이 반대인 음성 코로나의 경우는 streamer 코로나가 발생하지 않으며, 전류는 코로나 발생 부에서 10^(-8) A 정도이고, 불꽃 직전에는 10^(-5) A 정도이다. 그러나 송전선로의 코로나에서는 이보다 훨씬 큰 값을 갖는다.

[코로나 방전의 성질 - 교류 코로나]
 50~60Hz 정도의 주파수의 교류가 전극에 가해진 경우에는 반주기마다 직류코로나에서와 같은 양성과 음성 코로나가 극성에 의해 발생한다. 전압-전류 특성은 전압이 (+)일 때의 전류 파형은 맥동하는 파가 되고, 전압이 (-)일 때의 전류 파형은 매끈한 파가 됨을 관찰할 수 있다.
 음성 코로나 영역의 전류의 파형을 자세히 관찰하면 규칙적인 펄스 형을 나타내고 있으며, 주파수는 10~100kHz 정도로, 전류가 클수록 또는 전압이 높을수록 주파수는 높아지게 된다. 이것을 Trichet 펄스라 한다.

[코로나 방전의 성질 - 충격 코로나]
 침대 평판 전극 사이에 충격전압을 인가하였을 때 나타나는 충격 코로나는 매우 단시간에 발생하고, 또 광학적으로 매우 어두운 현상이기 때문에 직류 또는 교류 코로나만큼 상세한 부분까지 아직은 규명되어 있지는 않다. 충격 코로나의 대체적인 성질로써 충격 코로나의 개시전압을 사진 건판을 써서 얻은 코로나 도형에서 관측하여보면 (-)쪽이 조금 낮은 전압에서 발생하는 것처럼 보이나 직류 또는 교류와 별 차이는 없으며, 코로나의 성장 속도는 (-) 쪽보다 (+)쪽이 Streamer 코로나의 모양이 되기 쉽다.
 (+) 충격 코로나가 커지기 쉬운 이유는 전압의 상승이 급격하게 커지기 때문에 양이온이 확산할 시간적 여유가 없고, 국부적인 공간전하로서 작용하여 더욱더 코로나의 진전을 조장하기 때문이다. 충격 코로나를 관찰하기 위해서는 사진 건판을 써서 코로나 도형을 구하는 방법인 방전 전하 그림을 사용하는 방법과 voice 카메라의 image 관을 사용하여 측정하는 두 가지 방법이 있다.

[코로나 방전의 성질 - 고주파 코로나]
 고주파도 침대 평판 전극과 같이 비평 등 전계 중에서는 코로나가 발생하며, 그 개시전압도 직류나 교류의 경우와 큰 차이는 없으나 실제로 주파수가 높아지면 불꽃 개시전압이 수 퍼센트 낮아진다.
 기체 중의 고주파 코로나는 방전전류가 수 mA 이하이나, 전극 간에 정전용량이 나타나 직류와 교류 때의 방전전류보다 매우 증가한다. 전류는 고저항도 R을 통과할 필요가 없이 정전용량 C를 통과할 수 있으므로 코로나 부분에 공급되는 에너지도 현저하게 증가하게 된다. 또한, 코로나의 색과 형태도 주파수가 증가하여 100kHz만큼 되면 붉은빛을 띠고 외관도 불꽃을 나타내게 된다. 이것을 torch corona라고 부른다.

 

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