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절연물의 특성
전기재료연구실
전용식
목차
1.서론
2.방전현상의 기초
1.기체중의 전압 전류 특성
2.TOWNSEND LAW
3.불꽃방전
3.절연물의 종류와 성질
4.SF6 가스
서
론
 고전압기기에는 자기자체에서 발생하는 고전압 또는
외부에서 침입하는 고전압이 코로나, 부분방전, 섬락등
의 방전현상을 일으키는 것이 최대의 문제이며, 이에 대
한 대책이 절연설계이다. 반면에 방전현상을 능동적으
로 이용하는 기기도 있다. 이와 같은 목적을 달성하기
위하여는 각종 절연물의 고전압에 대한 특성 즉, 절연특
성을 알아야 될 필요가 있다.
따라서 절연특성 및 방전특성은 절연물의 종류, 조건,
전압파형,전극의 형상 및 배치에 따라 다르므로 그 특성
을 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 전
기전도기구를 결정하는데 중요하다. 일반적으로 고체절
연체의 v-i 특성은 그림과 같이 3영역으로 구분되나,
기체나 순수액체 절연체에 나타나는 전류포화영역이 거
의 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 고순도
의 액체 이외에는 포화전류영역이 나타나지 않는다.
 (Ⅰ) Ohm's law region
∙저전계에서 ion의 전극표면에서의 소멸이나 확산이 재
결합에 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 되
어 대략 일정하게 된다.
where d : 전극간 거리
∙ 그러나 전계인가시 Schottky effect에 의해 potential
barrier의 높이가
만큼 낮아지므로
로 되어 전계와 함께 증가하므로 전류는 완전히 포화되
지는 않는다.
 (Ⅲ) pre-breakdown region
∙ 고전계에서는 전자의 충돌전리, 음극에서의
전자방출에 의해 전류가 급증하고, 나중에는
절연파괴에 이르므로 “파괴전계영역”이라 한
다
• 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
3
108 ~ 1010 쌍/ m 의 일정한 양의 이온들
↓중성자 분자
C
←+ion
-ion →
A
↑방사선
전극간의 직류전압 v를 인가하면 전계E에 의해




J  (n eu  n eu ) E
 +ion의 밀도 n+
 -ion의 밀도 n +ion의 이동도 u+
 -ion의 이동도 ue=1.601 Ⅹ10 19 [C] (전자의 전하량)
① oa영역 (옴의 영역)
인가전압의 증가와 더불어 하전입자의 drift velocity가
증대되고 전극에 유입되기 전에 부착, 재결합, 확산 등
에 의해 소멸되는 비율이 적으므로 전류가 선형적으로
증가.
 ② ab영역 (포하영역)
대부분의 하전입자는 전극사이에서 소실되기 전에 전극
에 도달하고 전류는 전극간의 하전입자의 생성비율에 의
해 결정되는 포화전류값에 도달한다.
d
+
C[-]
A[+]
x
+
3
q
1초동안 흐르는 전하량: 쌍/(sec• m )
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 동시
에 이로 인해 생성된 (+) ion, 광자및 meta-stable atom에
의한 음극에서의 전자방출과 기체의 광전리 등의 2차적
인 현상이 나타나 전류는 급증한다.
이 영역에서의 방전이론을 “Townsend discharge”이라 한
다.
Townsend law
1.전자의 충돌 전리 작용 ( -process)
e
C
hv
A
⇒ hv에의해 전자가 생김
→e를 많이 생성
AA →중성원자와 충돌
→두개의 e가 생성

e의 운동에너지는 중성원자의 이온화 에너지보다 커야한다.
1
2
mv  Ei
2
2.+ion의 충돌 전리 작용 (  -precess) - E↑,ℓ↑

중성원자의
이온화된
들이 음극으로 가다가 가속이
A
1
2
되어 2 mv  Ei 일때 그냥 탄성충돌이 아닌 그 중성원자
를 다시 이온화 시킨다.
3.(   )-process ⇒ r -process
+ion이 아주 빠른 속도로 음극면에 충돌하면 2차 전자가
나오는데 이 2차 전자가 다시 전자 충돌 전리 작용을
한다.
 수식표시
 -process
n0
n A
x
n
dx
n2
n1
B
l
•n개가 왼쪽⇒오른쪽 나올
증가한 전자의 개수:dn
 = 전자1개가 단위거리
주행중에 충돌전리 시킨
횟수(n개→  n )
dn=  ndx
n  n0 e dx
dl
x

l

n

n
e
양극 전자에 들어가는 횟수
o

B
  A exp( 
)
P
E/P
 E / p, l 적으면 양극의 도달하는 전자수는 만족하고
•
dl
커지면
양극의
도달하는
전자수는
크다
n
e
E / p, l
0
-process+ process

n  n0  n1  n2
 -process : (n0  n1 )dx
 -process : n2 dx
 dn1  (n0  n1 )dx  n2 dx
dn1
 dx
(n0  n1 )(   )   n
1
ln[( n0  n1 )(   )   n]  x  c
 
Ae(   ) x  (n0  n1 )(   )  n
[ x  0, n1  0, A  n0 (   )  n]
 (n0  n1 )(   )  n  [n0 (   )  n]e (   ) x
[ x  l , n  n0  n1 ]
 n(   )  n  [n0 (   )  n]e (   ) l
(   ) l
(   )e
 n  n0
...............l  n 
(   ) l
  e
 양이온의 음극 충돌에 의한 2차 전자 방출작용
r-process+( -process)
n1
e
충돌
+ion (n1 1) 개
-
+
r (n1  1)개
2차 전자방출
충돌
+ion개수:
d
n2  r (n1 1)
r배만큼 튀어나오는 전자의 양
n2
r →1개의 양이온이 음극면에 충돌했을때 튀어나오는 전자
의양
n1  ed ...............[n0  1]
n2  r (n1  1)ed  rn1 (n1  1)
 z  n1  n2  n3  ...........
 n1  [1  r (n1  1)  r (n1  1)  .....
2
2
n1

[r (n1  1)  1 라면 z는 유한]
1  r (n1  1)
⇒튀어나온 전자가 1개가 아니라
n0ed
n
1  r (ed  1)
,
n0 라면
ed
I  T0
1  r (ed  1)
• 음극에서의 광전자 방출작용
  process    process
 -재결합 과정에서 광양자 방출, 음극에서 다시 조사
d
n0e
n
d
   (e  1)
불꽃방전
 불꽃방전(자속방전)-스스로 계속되는 방전⇒방전이 일어
나는 원인을 제거해도 방전이 계속된다.
 불꽃방전의 조건
~
~
I  i0

   1 ~  0  1 ~
1 ~
1 ~
ex)
ed
I  i0
불꽃방전이 일어나려면(계속)
d
1  r (e  1)
d
 r (e
 1)  1
 streamer 이론
⁃ 전자 충돌 전리 작용 (  process )  space charge effect
플라즈마(+ion과 –ion의 밀도가 높
다)
외부전계
완
전
도
체
(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)

⇒  2V   
(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
 Paschen’s 법칙 (실험)
“Townsend's criterion for sparking discharge”
1  r (ed  1)  0
윗 식을 이용하여 불꽃전압을 구하기 위해 윗 식을 변형하면
1
d  ln( 1  )
r
……….(1)
일반적으로  는 E의 함수이므로, (E,p는 각각 전계 및 기
,r
체의 압력)
p
p

E
E
 f1 ( ), r  f 2 ( )
p
p
p
라 놓고, 이들은 (1)에 대입하면 다음 식으로 된다.
E
1
f1 ( ) pd  ln[ 1 
]
E
p
f2 ( )
p
평등전계 중에서 V 
f1 (
E
d
이므로 불꽃전압을 Vs라 하면,
Vd
1
)  ln[ 1 
]
Vs
pd
f2 ( )
pd
불꽃전압 Vs 에 대해 윗 식을 정리하면
Vs  f ( pd )  paschen' s(law)
⁃ 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 충돌전리작용
의 감소 또는 증가 때문)
(Vs )  186 ~ 450[V ], ( pd ) min .  3.0 ~ 7.6[mm  mmHg]
for Ar, co2 , N2 , N2 , o2
⁃ 이 법칙의 성립한계는 확실하지는 않지만, 대부분의 기체
에서 다음 범위에서 성립
0.1( pd ) min  pd  100( pd ) max
⁃ 이 법칙을 더욱 일반화하면
① 전극 및 전극간 거리의 칫수를 고르게 n 배로 하고, 기
1
압을 로 하면 불꽃전압은 변하지 않는다.
n
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
절연특성
기계적특성
열적특성
소호특성
기체
( SF6 )
액체
(절연유)
고체
(에폭시)
진공
O
∆
Ⅹ
⊙
O
∆
⊙
O
⊙
⊙
Ⅹ
Ⅹ
O
∆
Ⅹ
⊙
⊙:아주양호, O:양호, ∆:고체의 지지물에 의존, Ⅹ:불량
SF6가스 및 기타 기체
 가스 차단기(gas
circuit breaker,
GCB)는 SF6 (육불
화황)가스를 이용
한 차단기이다. 가
스의 뛰어난 소호
능력과 고절연 내력
을 이용한 고성능의
소형 접지 탱크형이
다.
그림에 가스 차단기
의 구조와 동작 원
리를 나타냈다.
(가) 구조와 동작 원리
가스 차단기의 소호 원리는 그림에서 보는 바와 같이 단
일 압력 퍼퍼(puffer)방식이다. 그림에서
(a) 의 폐로 상태에서 차단 동작이 시작되면, 그림(a)의
(b)의 개로중 상태와 같이 고정 접촉자와 노즐이분리되
기 전까지 퍼퍼 실린더(puffercylinder) 내부의 SF6 가스
는 그림(b)의
(c)의 개로 상태의 화살표 방향과 같이 일부는 고정 접
촉자 쪽으로, 나머지는 아크 접촉자와 퍼퍼 실린더의 중
심 통로로 강하게 불려 나간다. 그러면서 분리된 접촉자
사이와 같이 고정 접촉자와 아크 접촉자의 양 방향으로
동시에 충분한 압력의 SF6 가스를 불어 줌으로써 대용
량 차단이 가능하다.
(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 매우
복잡하고 다양하다.이러한 소호 현상을 해결하기 휘하
여 최근에는 광섬유(optical filber)를 사용한다
-SF6의 용도
전기절연체용
전력 산업용:초고압에서의 고체 절연체에 비해 뛰어난 절
연성을 가지고 있고 장비의 경량화를 실현할 수 있으며
사용이 용이한 장점이 있다.
회로 차단기(Circuit Breakers):고압에서의 Arc 방지력과 절
연성이 뛰어나 고압 (345kV)과 초고압(1000kV)용 차단
기에 쓰인다.
개폐기:Oil용이나 진공 개폐기에 비해 Arc 방지력과 절연성
이 뛰어나다. (7.5-35kV)
가스 절연 송전선(Gas Insulated Transmission(GIT) Line):
송전선 용지가 기존 설비에 비해 약 1/10로 감소되고 지
하 매설이 가능해졌으며 SF6를 검출하므로서 검사가 용
이해 졌다.
소형 배전소(Minisubstation):소형 배전소에는 차단기, 송전
시설등이 있고 기존의 공기 절연장치에 비해 10-20%의
공간으로 설치가 가능하다.
기 타:도파관(Waveguide), Van de Graaff 발전기, 선형 가
속기용 절연체로 사용된다