3.1 연면플래쉬오버전압

Fig. 3은 전극갭에 따른 연면플래쉬오버전압을 보여준다. 연면플래쉬오버전압은 고체 유전체 기울기에 지대한 영향을 받지 않는다. 전극갭이 1∼4cm 일 때, 고체 유전체 기울기에 따른 연면플래쉬오버전압은 감소하는 것으로 측정되었지만, 전극갭이 4cm를 초과하는 경우에 고체 유전체 각도의 증가와 함께 연면플래쉬오버전압은 불규칙적으로 변화한다. 다시 말해서, 실험 범위내의 전극갭에 대하여 연면플래쉬오버전압에서 고체 유전체 기울기의 영향은 거의 없으며, 측정 오차 수준의 전압 차이가 확인되었다. 이는 고체 유전체의 기울기가 고전압 전극 주위에 삼중점 전계와 연면방전의 발달 동안 전자생성 메커니즘의 상당한 변화에 기여하지 않기 때문이라 해석된다.

본 연구의 결과는 이전에 수행된 고체 유전체 기울기에 따른 연면방전에 관한 유사 연구와 상이하다. 이전 연구들은^{[6, 11]} 스페이서와 전극 사이에 접촉각에 따라 연면플래쉬오버전압의 명확한 차이를 보고하고 있다. 그 차이는 고체 유전체 표면 충전과 삼중점 전계와 관련된다^[11]. 본 연구는 60Hz의 교류전압을 적용하였기 때문에, 임펄스 전압과 펄스성 전압을 인가한 이전의 연구^{[11, 12]}와 고체 유전체 표면에 충전 현상이 상이할 수 있다. 더욱이 고체 유전체 형상도 본 연구와 다르다. 고체 유전체 표면의 충전과 절연체 형상은 연면방전전압에서 강력한 영향이 존재하기 때문에^{[1, 8]}, 언급한 실험조건의 차이는 상이한 실험결과 를 초래할지도 모른다.

Fig. 3. Surface flashover voltages with the electrode gap at the contact angle of 0°, 30°, and 60°

3.2 연면방전 메커니즘

연면방전 메커니즘을 분석하고 제안하기 위해, 전극갭에 따른 방전로가 측정되어졌다. 방전로는 전극갭에 따라 3가지 경우로 관측되었다. Fig. 4는 고체 유전체 기울기의 각도가 30°일 때, 전극갭에 따른 3개의 방전로 진전 유형을 보여준다. 각각의 방전로는 Case A, Case B, Case C로 정의하였다. Case A는 봉전극 표면에서 고체 유전체를 경유하지 않고 공기를 통하여 접지전극으로 진전한다. 방전로가 삼중점에서 고체 유전체 표면으로만 발달하는 경우는 Case B이다. Case C는 방전로가 봉전극 표면에서 공기를 경유한 후 고체 유전체 표면으로 발달한다.

Case A와 Case B와 같은 유형에서 연면방전에 지배적인 메커니즘은 각각 공기 중 충돌전리(전자사태)와 고체유전체 표면으로 진전하는 전자사태이다. 전극갭이 짧은 2cm 이하일 경우(Case A), 음극의 표면이나 고체유전체 표면에서 전자방출로 생성된 전자가 공기 중으로 충돌전리를 통하여 전자사태로 발달한다. 그런 후 스트리머 형성을 통한 공기 중 절연파괴가 발생한다. 전극갭이 3∼4cm(Case B)로 증가하는 경우는 공기를 통한 절연이 강화되기 때문에, 공기보다는 고체유전체 표면에 접하는 공기층으로 전자사태가 발생하고, 유전체 표면을 따르는 연면방전이 형성된다. 대기압 공기 중 평균자유행정은 진공에 비해 상당히 짧기 때문에, 전계에 의해 가속된 전자의 운동에너지는 진공보다 상당히 제한될 것으로 추정된다. 제한된 전자의 운동에너지는 고체유전체 표면에서 2차 전자방출사태를 초래하는데 요구되는 전자에너지를 충족하지 못한다. 그러므로, 진공에서 연면방전의 지배적인 메커니즘인 SEEA는 대기압 공기의 연면방전의 발달에 중요한 인자로 적용될 수 없다. 이러한 추정은 SF6와 공기 중 연면방전의 해석에서 적용된 바 있다 ^{[5, 12]}.

Case C는 공기와 고체유전체 두 매질에서 생성된 전자에 의해 발달하는 연면방전 유형이다. 이 유형에 대한 상세한 연면방전 모델은 Fig. 5에서 보여준다. 그 연면방전 모델은 초기 전자사태의 발달과 고체유전체 대전, 양이온의 축적과 추가적인 전자사태, 스트리머 형성의 3단계로 구성된다.

초기의 전자사태와 고체유전체 대전은 Fig. 5(a)에서 확인할 수 있다. 초기 전자사태는 음극에서 방출된 전자로부터 발달한다(Fig. 5(a)). 인가전압의 음의 주기에서, 삼중점에 근접한 봉전극(음극) 표면의 전계가 높기 때문에, 봉전극 표면에서 전자가 방출된다. 이 전자는 전계에 가속되어 충돌전리계수($\alpha$)와 전자부착계수($\eta$)가 동일한 지점까지 전자사태로 진전한다. 이 과정에서 전자사태의 앞부분은 광자에 의한 광전리(photoionization)와 광전자방출(photoemission)이 발생한다. 광전리는 공기 중 추가적인 전자를 생성하고, 광전자방출은 고체유전체 표면으로부터 전자를 방출시켜 그 유전체 표면을 양극성으로 대전시킨다^{[5, 13]}. 그 전자사태 뒷부분에는 충돌전리로부터 형성된 양이온들이 잔류한다.

Fig. 5(b)는 양이온의 축적과 추가적인 전자사태를 보여준다. 인가전압의 증가와 함께 전자사태는 고체유전체 표면 방향으로 이전 단계보다 더욱더 발달하며, 그 과정에서 많은 양이온들을 형성한다. 양이온은 전자보다 속도가 상당히 느리기 때문에, 음극에 도달하여 소멸되지 못한 양이온들의 무리가 Fig. 5(b)와 같이 형성된다. 인가전압의 음극성 주기에서, 음극과 축적된 양이온 무리 사이에 전계가 강화되어(공간전하효과), 봉전극으로부터 양이온 무리의 방향으로 추가적인 전자사태들이 Fig. 5(b)와 같이 발달한다. 전자사태로부터 양이온들이 축적되는 과정에서 광전자방출로 인해 고체유전체 표면의 양극성 충전은 음극방향으로 점차 확장된다. 광전리, 광전자방출, 전자사태에 의해 생성된 전자들은 주위에 O2에 부착되어 음이온(O2-)이 형성된다.

Fig. 5(c)는 공기와 고체유전체 표면으로 발달하는 스트리머를 보여준다. 전자사태에서 스트리머로의 전환은 방전공간에 약 108개의 전자가 생성될 때 가능하다. Fig. 5(b)에서 설명된 추가적인 전자사태와 그 과정에서 발생하는 전자생성 메커니즘(광전리, 광전자방출, 음이온의 전자분리)은 전극과 고체유전체 표면 사이에 많은 수의 전자를 생성한다. 이로 인해 생성된 전자가 108개를 초과하면, 전자사태와 전자가 형성된 위치(electron sources)를 따라 스트리머가 형성 및 발달한다. 스트리머가 봉전극과 접지전극 사이를 교락하여 공기 중과 고체유전체 표면으로 도전성 채널이 형성되면, 연면플래쉬오버가 Fig. 4(c)와 같이 공기와 고체유전체 표면으로 발생한다.

Fig. 4. Surface discharge paths with electrode gap at 30° slope of solid dielectric

Fig. 5. Surface discharge model for an electrode structure with an electrode gap of 7cm at a slope of 30° of solid dielectric