코로나 현상

왜 배우는가: 코로나 현상은 초고압 송전선로의 전력손실, 통신 장해, 전식의 근본 원인이며, 송전설계의 임계전압과 방지대책을 묻는 문제로 반복 출제된다. 전계 세기와 파열극한전위경도의 개념을 먼저 잡아야 임계전압과 방지대책 문제를 함께 풀 수 있다.

출제 이력: 제137회 3교시 1번, 제131회 3교시 1번, 제124회 1교시 13번, 제114회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 코로나 방전은 도체 주위 전위경도가 공기의 절연내력을 넘어 공기가 국부적으로 이온화되며 음향과 빛을 동반해 일으키는 부분 방전이다. 도체 표면 전위경도가 파열극한전위경도를 넘을 때 공기가 부분적으로 이온화되어 발생하는 부분 방전

• 코로나 방전
• 파열극한전위경도
• 코로나 임계전압
• 전위경도
• 부분 방전
• 코로나 손실
• 전파 장해
• 복도체

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전선 표면 가까이의 전기장이 너무 세서 공기가 일부만 깨지며 빛과 소리를 내는 현상이다. 공기는 일종의 절연물이므로 절연 한계가 있다. 그 한계를 넘으면 전체가 파괴되기 전에 전선 주변만 먼저 이온화된다.

정식 정의: 코로나 방전은 도체 주위의 유체(공기)가 이온화되어 생기는 전기적 방전이다. 전위경도(전기장의 세기)가 특정값을 넘지만 완전한 절연파괴나 아크를 일으키기에는 부족한 조건에서 발생한다. 위키백과 정의와 같은 뜻이다.

파열극한전위경도는 공기가 절연을 잃고 파괴되기 시작하는 전위경도다. 기온·기압 표준상태에서 직류는 관련 기준이 정한 값 이상, 정현파 교류 실효치는 약 21kV/cm 이상이다. 이 값을 넘으면 전선 표면 주변의 공기가 부분적으로 파괴되어 코로나가 일어난다.

코로나 임계전압은 전선 표면의 전위경도가 파열극한전위경도에 도달하는 선간 전압이다. 전선 표면이 매끄럽지 않으면 국부 전계가 커져 이보다 낮은 전압에서도 코로나가 생길 수 있다.

전위경도는 거리에 따른 전압 변화율이다. 전선 반경이 작을수록 표면 전위경도가 커진다. 전선에서 멀어질수록 전위경도는 급격히 줄어든다.

부분 방전은 절연 전체가 파괴되지 않고 일부 공간에서만 방전이 일어나는 현상이다. 코로나는 전압이 임계치를 넘었을 때 나타나는 대표적 부분 방전이다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 전압이 높아지면서 전선 표면의 전위경도도 커졌다. 전력수요 증가로 초고압 송전과 굵은 알루미늄 전선이 도입되었다. 전선이 굵을수록 같은 전압에서 표면 전위경도는 줄어들지만, 도입 과정에서 송전 전압 자체가 커져 코로나 문제가 다시 부각되었다.

코로나는 송전효율을 떨어뜨린다. 코로나 손실은 전압의 제곱에 비례하므로 고압 선로일수록 손실이 커진다. 또 코로나 잡음과 고조파 성분이 통신선 유도 장해를 일으킨다. 전선 표면의 먼지·손상·미소돌기는 국부 전계를 키워 임계전압 이하에서도 코로나를 만든다. 그래서 설계 단계에서 임계전압을 운전전압보다 높게 잡는 것이 필요하다.

이 때문에 코로나는 초고압 송전 설계의 핵심 제약 조건이다. 설계에서는 코로나 임계전압이 통상 운전전압보다 높도록 전선 굵기, 도체 배치, 복도체 사용을 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

코로나 방전은 도체 주위 전계의 세기가 공기의 파열극한전위경도를 넘을 때 공기가 국부적으로 이온화되어 생긴다. 이 현상의 구성요소는 방전을 일으키는 도체, 전계를 만드는 기하 조건, 그리고 이온화를 이어 가는 공기다. 원리는 전자 충돌에 의한 이온화가 연쇄적으로 일어나는 것이다.