1.1 연구의 배경

산업사회의 발전에 따라 오염에 대한 문제가 발생되고 있어 환경에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 온실효과에 의한 기후변화로 인하여 전 세계 곳곳에서 자연재해 현상이 관측되고 있어 환경보호에 대한 경각심이 고조되고 있다. 특히 대기온실가스 농도 증가로 한국의 기후가 아열대기후로 변화하고 있어 심각성이 이슈화 되고 있다.

온난화 가스 중 현재까지 많이 사용되고 있는 절연재인 $SF_{6}$는 1900년 최초로 합성된 이후⁽¹⁾, 1947년 부터 상업적으로 적용하게 되었으며, 전력설비의 컴팩트화 및 신뢰성 부분에 많은 공헌을 하였다.

하지만 $SF_{6}$ 가스는 온실효과 지표 GWP(Global Warming Potential)가 100년 경과한 시 $CO_{2}$ 가스의 23,900배로 높은 것으로 확인되어 있으며, 이러한 결과로 부터 $SF_{6}$ 분자의 수명이 3200년으로 길고⁽²⁾, $SF_{6}$ 분자가 적외선 흡수특성이 강하여 그 방사강제력이 큰 것으로 보고되고 있다⁽³⁾. 현재 각종 온실효과가스의 온난화에 기여율의 통계에서 $CO_{2}$가스가 약 64 [%]를 차지하며, $SF_{6}$는 0.01 [%]로 온실효과 인공가스 전체로는 0.07 [%]로 확인되고 있으나, 100년 후 $SF_{6}$ 가스의 이용량이 현재와 같다면, $SF_{6}$ 가스의 대기 중 농도율 증가로, $SF_{6}$ 가스를 지속적 사용시 온실효과를 감소시키는 것은 불가능하다고 보고되고 있다⁽⁴⁾.

이러한 국내외의 실정에서 $SF_{6}$ 가스를 매질로 하는 전력설비를 대체하기 위하여 건조공기, 제조공기와 같은 매질을 사용한 친환경전력설비의 개발이 꾸준히 연구 및 상용화되고 있다. 현재 상용화된 친환경절연재를 이용한 차단기 구조에서 가장 취약한 부분이 절연파괴에 의한 사고로 인식되고 있다. 현재까지 연구된 내용에서 평등전계의 절연특성은 친환경절연재을 사용하는 전력설비에 설계시 적용되고 있지만 일반적인 전력설비 내부 전계는 준평등으로 봉전극과 같은 전계에 가까운 전극의 절연파괴 매커니즘을 적용하는 것이 일반적이다. 이에 본 논문에서는 봉전극을 이용한 준평등전계를 모의하여 절연파괴특성을 확인/분석하고자 한다.

3.1 봉전극의 절연파괴특성

그림 2에서 제조공기 중 절연파괴전압의 결정요소는 곡률반경, 갭 길이, 압력에 의하여 결정됨을 확인할 수 있다. 곡률반경은 챔버 내부압력 이 1, 2, 3[atm]으로 상승과 곡률반경의 증가함에 따라 상승한다. 또한 갭길이의 변화시 곡률반경에 대한 절연파괴전압도 상승함을 확인하였다. 위와 같은 절연파괴전압의 상승은 전계완화로 인한 것이다. 봉전극 곡률반경의 증가는 봉전극 표면에 전계집중을 완화시켜, 전극 사이에 전계분포를 불평등 전계에서 준평등전계로의 변화를 초래한다. 가스의 절연파괴는 집중된 전계와 그 전계아래에서 전자생성 메커니즘에 의존하는데, 전계의 완화와 전자 생성을 제한하면 가스의 절연파괴를 억제할 수 있다. 봉전극 곡률변화는 전극 표면에 전계를 완화시키고, 그 완화는 음극방출과 전자사태와 같은 전자생성 메커니즘을 제한할 수 있다. 이러한 전계완화는 음극방출과 전자사태를 억제하고 절연파괴전압의 상승에 기여한다. 추가적으로 압력상승과 갭길이에 따른 제조공기 중 절연파괴전압의 상승은 파센의 법칙에 부합하는 결과이다.

곡률반경에 따른 봉전극에서 갭 길이에 따른 전계를 산출하면, 전극사이에 전계 평등성이 확인된다. 이를 위해 그림 3은 봉-평판전극 구조에서 갭 길이에 따른 전계를 보여준다. 봉전극 곡률이 증가할수록 갭 길이에 따른 전계의 감소율이 낮아진다. 이는 봉전극 곡률의 증가가 전극사이에 전계분포를 평등하게 형성하는데 기여함을 암시한다. 6.3[mm]의 곡률반경을 가지는 봉전극에서 갭 길이에 따른 전계감소는 압력의 증가와 함께 현저하다. 특히 3[atm]에서 6.3[mm] 봉전극에서 전계감소는 1, 2[atm]에서 보다 현저한 차이를 확인할 수 있다. 하지만, 다른 곡률반경(9.4, 12.6 mm)을 가지는 봉전극에서 갭 길이에 따른 전계감소는 압력의 변화에 영향이 적고, 일정한 감소 경향을 보였다. 이런한 결과는 봉전극 곡률이 작을수록 불평등 전계를 형성함을 의미한다. 상술한 바와 같이 불평등 전계는 전극 표면에 전계집중을 초래하며, 전계집중은 전자사태와 음극방출을 쉽게 유도한다. 이러한 유도가 봉전극 곡률반경 감소에 따른 절연파괴전압 감소의 이유인 것으로 생각된다.

그림 4는 50, 40, 30 kV를 얻기 위한 갭 길이와 봉전극의 곡률반경을 나타내고 있다. 높은 절연파괴전압을 얻기 위해서는 갭 길이와 봉전극의 곡률반경이 증가해야 한다. 갭 길이의 증가는 고전압 전력설비 내부에서 절연거리의 상승을 의미하고, 이는 고전압 전력설비의 크기를 증가시켜 콤팩트한 전력설비의 절연설계에 상충한다. 전극의 곡률반경을 길게 하는 것을 검토해야 한다.

그림 5.는 지름 5mm인 봉-평판전극을 수직배치에 따른 압력과 길이 변화에 따른 절연파괴전압과 전계을 나타내고 있다. 그림 5-(a)에서는 전체적으로 일정 압력시 갭 길이에 증가 함에 따라 상승하는 일반적인 특성이 보이고 있지만 6mm 이상의 구간에서는 갭길이가 증가함에 따라 상대적으로 불평등성이 증가하는 경향을 확인하였다. 그림 5-(b)는 봉-평판의 전계특성을 나타내고 있는데, Schumann의 전계불꽃방전조건식에 의거 갭이 증가함에 따라 반비례 감소하면서 포화 것을 확인하였다. 그림 5-(c)는 갭 변화에 따른 절연파괴전압의 증가율 곡선을 보여주는 그래프로 갭 변화에 따른 절연파괴상승률에서도 포화되었으며, 압력이 증가에 따라 안정화됨을 확인하였다.

그림 6은 그림 5와 같이 1, 2, 3[atm]에 따른 봉전극 9, 18[mm]일 때 절연파괴전압을 나타내고 있다. 그림 6-(a)는 지름이 9[mm]인 봉-평판의 압력, 갭 길이 변화시 절연파괴전압을 측정한 그래프이다. 지름이 증가하면 전계의 평등성이 강해져 그림 6-(b)과 달리 갭 간 압력별 절연파괴전압이 비례하여 상승함을 알 수 있다. 또한 그림 6-(a)에서 압력이 높을수록 갭의 상승에 따른 절연파괴전압이 비례하여 상승하였다.

그림 6-(b)는 지름이 18[mm]인 봉-평판전극의 압력 및 갭 길이에 대한 절연파괴전압특성을 나타낸 그림이다. 그림 6-(a)와 같이 지름이 증가함에 따라 평등성이 강해져 갭 증가에 따른 절연파괴전압이 비례적으로 상승함 확인하였다.