코로나 방전: 코로나 효과를 줄이는 방법

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필드: 기본 전기학

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전기방전이란 무엇인가

코로나 방전 또는 코로나 효과는 고압을 가진 도체 주변의 유체(주로 공기)를 이온화시키는 전기 방전 현상입니다. 충분한 주의를 기울이지 않으면 고압 시스템에서 코로나 효과가 발생할 수 있습니다.

코로나 방전은 에너지 손실을 초래하므로, 엔지니어들은 전력 손실, 오존 가스 생성 및 라디오 간섭을 최소화하기 위해 코로나 방전을 줄이는 방법을 찾고 있습니다.

코로나 방전은 도체 주변의 공기를 이온화시키면서 들리는 소음이나 갈라지는 소음을 일으킬 수 있습니다. 이는 고압 전력 송전선에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다. 코로나 효과는 또한 보라색 빛, 도체 주변의 오존 가스 생성, 라디오 간섭 및 전력 손실을 초래할 수 있습니다.

송전선에서의 코로나 방전

500kV 송전선에서의 코로나 방전

코로나 효과란?

공기는 완벽한 절연체가 아니므로, 일반적으로 많은 자유 전자와 이온을 포함하고 있습니다. 두 도체 사이에 전기장이 형성되면, 공기 중의 자유 이온과 전자는 힘을 받게 됩니다. 이를 통해 이온과 자유 전자는 가속되고 반대 방향으로 이동합니다.

이동하는 동안 이들 전하 입자는 서로 충돌하며 느리게 움직이는 무전하 분자와도 충돌합니다. 따라서 전하 입자의 수가 급격히 증가합니다. 만약 전기장이 충분히 강하면, 공기의 절연 파괴가 발생하여 도체 사이에 아크가 형성됩니다.

전력 송전은 발전소에서 도시 등 소비 중심지까지의 대량 전력 전송을 다룹니다. 이러한 이유로, 장거리 송전선은 효과적인 전력 전송을 위해 필수적입니다. 그러나 이로 인해 시스템 전체에서 큰 손실이 발생합니다.

이러한 에너지 손실을 최소화하는 것은 전력 엔지니어들에게 큰 과제였습니다. 코로나 방전은 EHV(초고압) 선로에서 전력 시스템의 효율성을 크게 저하시킵니다.

코로나 방전이 발생하기 위해서는 두 가지 요인이 중요합니다:

선로에 교류 전압 차가 공급되어야 합니다.
도체 간의 간격은 선 지름보다 충분히 커야 합니다.

코로나 효과

두 도체 사이의 간격이 그들의 지름보다 충분히 크다면, 교류 전류가 두 도체 사이를 흐르게 되면, 도체 주변의 공기(이온으로 구성됨)는 절연 스트레스를 받게 됩니다.

공급 전압 값이 낮을 때는 스트레스가 너무 작아 도체 외부의 공기를 이온화시키기에 충분하지 않습니다. 그러나 임계값(임계 파괴 전압이라고 함)을 넘어서 전압 차가 증가하면, 전기장의 세기가 공기 주변을 이온화시키기에 충분해집니다. 이 임계 파괴 전압은 약 30kV 정도에서 발생합니다.

이온화된 공기는 도체 주변에서 전기 방전을 일으킵니다(이온의 흐름 때문). 이로 인해 미세한 빛과 함께 부스럭거리는 소음과 오존이 방출됩니다.

이러한 고압 송전선에서 발생하는 전기 방전 현상을 코로나 효과라고 합니다. 만약 선로 사이의 전압이 계속해서 증가하면, 빛과 소음은 더욱 강해져 시스템에 큰 전력 손실을 초래합니다.

코로나 손실에 영향을 미치는 요인

도체의 선로 전압은 송전선에서 코로나 방전의 주요 결정 요인입니다. 전압 값이 임계 파괴 전압보다 낮을 때, 공기의 스트레스는 절연 파괴를 일으키기에 충분하지 않으며, 따라서 전기 방전이 발생하지 않습니다.

전압이 증가함에 따라, 송전선에서 코로나 효과는 도체 주변의 대기 공기의 이온화로 발생합니다. 이는 주로 케이블의 상태와 대기의 물리적 상태에 의해 영향을 받습니다. 코로나 방전에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다:

대기 조건
도체의 상태
도체 간의 간격

이러한 요인들을 더 자세히 살펴보겠습니다:

대기 조건

공기의 절연 파괴를 위한 전압 경사는 공기 밀도와 비례합니다. 따라서 폭풍우 날에는 지속적인 공기 흐름으로 인해 도체 주변의 이온 수가 증가하여, 맑은 날보다 전기 방전이 더 가능하게 됩니다.

전압 시스템은 이러한 극단적인 조건을 감안하여 설계되어야 합니다.

도체의 상태

코로나의 영향은 도체와 그들의 물리적 상태에 크게 의존합니다. 이 현상은 도체의 지름과 반비례하므로, 지름이 증가하면 코로나 효과가 크게 감소합니다.

또한, 도체에 먼지나 거칠기가 있으면 임계 파괴 전압이 감소하여 코로나 손실에 더 취약해집니다. 이 요인은 특히 오염이 심한 도시와 산업 지역에서 중요하며, 이를 완화하기 위한 전략이 필요합니다.

도체 간의 간격

도체 간의 간격은 코로나 방전에 중요한 요소입니다. 코로나 방전이 발생하기 위해서는 선 간의 간격이 그 지름보다 훨씬 커야 합니다.

그러나 간격이 너무 크면, 공기의 절연 스트레스가 감소하여 코로나 효과가 줄어듭니다. 간격이 너무 크면, 해당 구간에서 코로나 방전이 전혀 발생하지 않을 수도 있습니다.

코로나 방전을 줄이는 전략

코로나 방전은 광, 소음, 열, 화학 반응 형태의 전력 손실을 불가피하게 초래하므로, 고압 네트워크에서 이러한 현상을 최소화하기 위한 전략을 사용하는 것이 중요합니다.

코로나 방전을 줄이는 방법은 다음과 같습니다:

도체 크기 증가: 큰 도체 지름은 코로나 효과를 줄입니다.
도체 간격 증가: 도체 간격을 늘리면 코로나 효과가 줄어듭니다.
다발 도체 사용: 다발 도체 는 도체의 유효 지름을 증가시키므로 코로나 효과를 줄입니다.
코로나 링 사용: 전기장은 도체의 뾰족한 부분에서 더 강해지므로, 코로나 방전은 먼저 뾰족한 부분, 모서리, 각에서 발생합니다. 코로나 링은 고전압 도체에 전기적으로 연결되어 코로나 효과가 가장 가능성이 높은 부분을 둘러싸고, 도체 표면의 뾰족함을 줄이고 전하를 더 넓은 면적에 분산시켜 코로나 방전을 줄입니다. 코로나 링은 매우 고전압 장비(예: 고전압 변압기 부싱)의 단자에서 사용됩니다.