코로나 임계전압

왜 배우는가: 코로나 임계전압은 송전선로 설계에서 전선 직경과 간격을 정하는 기준이며, 전력손실·코로나 잡음·통신 장해와 직결되어 발송배전기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해 출제된다. 정의, 관계식, 방지대책을 함께 묻는 경우가 많아 원리까지 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제132회 1교시 5번, 제120회 4교시 6번, 제116회 1교시 11번, 제110회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

코로나 임계전압은 도체 표면의 전위경도가 공기의 절연내력을 넘어 코로나 방전이 시작되는 최소 전압이다.

• 코로나 임계전압
• 전위경도
• 공기 절연내력
• 코로나 방전
• Peek 식
• 표면계수(m_v)
• 상대공기밀도(δ)
• 코로나 방지대책

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 송전선에 전압을 걸면 전선 표면 주변의 전기장이 강해진다. 전기장이 어느 한계를 넘으면 전선 주위의 공기가 국부적으로 깨져서 소리와 빛을 내며 방전한다. 이 현상을 코로나라고 하고, 코로나가 처음 시작되는 전압을 코로나 임계전압이라고 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 코로나 임계전압은 전선 표면의 최대 전위경도가 공기의 파괴 임계 전위경도에 도달하는 선간 전압이다. 전선이 가늘수록, 간격이 좁을수록 표면 전계가 커져 임계전압은 낮아진다.

전계의 세기는 E=V/d 로 표현된다. E는 전계의 세기(V/m), V는 전압(V), d는 도체와의 거리(m)다. 거리가 멀어지면 전계는 급격히 약해지므로, 코로나는 주로 도체 바로 주변에서 발생한다.

핵심 원리는 다음과 같다. 공기는 표준상태(20℃, 760mmHg)에서 직류 약 30kV/cm, 교류 실효치 약 21kV/cm 의 전위경도에서 절연이 파괴된다. 전선 표면의 전위경도가 이 한계를 넘으면 코로나가 발생한다.

코로나 임계전압을 실용식으로 쓰면 Peek 식이 된다. Peek 식은 도체 반경, 선간 거리, 공기밀도, 표면상태를 함께 넣는다. 이때 m_v는 표면 상태계수로 매끈한 단선은 1, 거친 전선은 0.98~0.93, 케이블은 0.87~0.83 이다.

E_0는 상대공기밀도와 표면계수에 비례하고 도체 반경의 함수로 표현되는 실험식으로 구하며, 단위는 kV/cm이다.

E_0는 코로나 개시 전위경도(kV/cm), \delta는 상대공기밀도, m_v는 표면계수, r은 도체 반경(cm)이다. 여기에 선간 거리 D를 넣어 선간 임계전압 V_0를 구한다.

선간 임계전압 V_0는 표면계수, 상대공기밀도, 도체 반경에 비례하고 선간거리와 반경의 비의 로그에 비례하는 형태로 표현되며, 단위는 kV이다.

이 식은 Peek 식의 단상 상전압 형태를 기준으로 한 것이다. 실제 계산에서는 3상 선로의 기하학적 평균거리 D(cm)와 도체 반경 r(cm)을 대입한다. 결과는 상전압 기준 kV 로 나온다.

3. 등장 배경과 필요성

송전전압이 높아지고 굵은 알루미늄 전선이 쓰이면서 전선 표면의 전계는 점점 커졌다. 설계 단계에서는 코로나 임계전압이 통상 운전전압보다 충분히 높도록 도체 직경과 선간 거리를 정한다.

그러나 실제 선로에서는 전선 표면에 먼지나 염분이 붙거나, 표면이 손상되거나, 미세한 돌기가 생기면 그 부분의 전계가 국부적으로 커진다. 이 경우 설계 임계전압보다 낮은 전압에서도 코로나가 생긴다.

코로나가 생기면 전력손실, 가청 잡음, 라디오와 통신 장해, 오존 생성, 전선과 금구의 부식 같은 문제가 나타난다. 따라서 임계전압을 정확히 구하고, 그보다 낮은 운전 여건을 확보하는 것이 송전계통 설계의 기본 과제가 된다.