코로나 장해 및 방지대책

왜 배우는가: 코로나 장해는 고전압 송전선로의 전력손실, 잡음, 전파장해, 오존 발생 등 여러 문제를 한꺼번에 일으키며 설계 단계의 전선 선정과 직결된다. 기술사 시험에서 1교시 용어형과 3교시 논술형으로 반복 출제되므로 개념 정의와 원리를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 12번, 제114회 3교시 1번, 제108회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

코로나 방전은 전선 주위 공기절연이 국부적으로 파괴되어 낮은 소리나 엷은 빛을 내며 방전하는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 코로나 임계전압
• 표면 전위경도
• 전력손실
• 코로나 잡음
• 전파장해
• 오존(O3)
• 복도체
• 코로나 링

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 송전선 표면의 전기장이 너무 세지면 주변 공기가 이온화되어 전기가 새어 나가는 현상이다. 밤에 고압선 주변에서 희미한 푸른빛과 치직거리는 소리가 나는 것이 대표적인 모습이다.

정식으로는 전선 표면의 전위경도가 공기의 절연내력을 넘을 때 공기가 국부적으로 절연을 잃고 방전하는 현상을 코로나 방전(Corona Discharge)이라 한다. 전위경도가 공기의 절연내력을 넘는 최소 전압을 코로나 임계전압이라 부르며, 해수면 기압에서 공기의 절연내력은 전위경도로 표현되는 일정한 한계값으로 알려져 있다.

표면 전위경도는 전선 반지름이 작을수록 커진다. 곡률이 큰 부분에 전기장이 집중되기 때문이다. 그래서 가는 전선이나 돌기가 있는 금구에서 코로나가 먼저 생긴다.

코로나가 생기면 다음 문제가 나타난다. 첫째, 방전으로 전력손실이 생긴다. 둘째, 방전 펄스가 코로나 잡음과 가청 소음을 만든다. 셋째, 고주파 성분이 전파장해를 일으킨다. 넷째, 공기 중 산소가 분해되어 오존(O3)과 질소 산화물이 생기고, 이는 애자나 전선 외피를 열화시킨다.

코로나 방전은 무조건 나쁜 것만은 아니다. 낙뢰 서지의 파고를 낮추는 효과가 있다는 점이 함께 언급된다. 그러나 송전 설계에서는 손실과 잡음을 줄이는 것이 기본 방향이다.

3. 등장 배경과 필요성

송전전압이 높아질수록 같은 전력을 더 적은 손실로 보낼 수 있다. 전력은 전압의 제곱에 비례하므로 송전전압을 올리는 것이 효율적이다. 그러나 초고압 선로에서는 전선 표면의 전위경도가 임계값을 넘기 쉬워 코로나 문제가 본격적으로 드러난다.

대용량 화력발전소나 도시에서 멀리 떨어진 원자력발전소가 늘면서 대전력을 장거리로 보내야 하는 요구가 커졌다. 이 과정에서 코로나 손실을 줄이는 기술이 필요해졌다. 송전선 설계에서 전선 굵기, 전선 배열, 가선금구 형상을 정하는 기준이 바로 코로나 억제다.

또한 전기 기기 내부에서도 같은 현상이 문제가 된다. 변압기, 발전기, 축전기의 내부 절연에 부분방전이 생기면 절연이 파괴되고 수명이 단축된다. 따라서 코로나 대책은 송전선뿐 아니라 고전압 기기 전반의 절연 설계와 연결된다.

전력계통 측면에서는 코로나 손실이 송전 효율을 떨어뜨리므로 경제성 문제로도 이어진다. 특히 대략 2,000kV를 넘는 초초고압에서는 코로나 손실이 도체 저항손을 상쇄할 수 있다는 점이 알려져 있다.

4. 구성요소·원리·절차

코로나 장해는 송전선 주변 공기가 국부적으로 절연 파괴되어 발생하므로, 장해의 크기를 정하는 것은 전선 표면의 전위경도(표면 전계의 세기)다. 전위경도가 코로나 임계전압을 넘으면 공기가 이온화되고, 그 결과 방전 손실·잡음·오존 등이 생긴다. 방지대책은 모두 전선 표면 전위경도를 낮추는 쪽으로 설계된다.

도체 표면 전위경도는 대략 전선 지름에 반비례한다. 따라서 지름이 커지면 같은 전압에서 표면 전계가 낮아진다. 복도체는 소도체 사이 간격을 두어 전체 등가 지름을 키우는 것과 같은 효과를 낸다. 전위경도가 임계값보다 작으면 공기 절연이 유지되어 방전이 일어나지 않는다.

코로나는 전선 표면 전위경도가 임계값을 넘을 때 발생한다

등가 반지름과 표면 전위경도가 핵심 개념이다. 복도체에서는 소도체 간격이 커질수록 등가 반지름이 커지고, 표면 전계가 낮아진다.

방지대책의 절차는 다음과 같다.

• 설계 전압과 선로 환경(고도·오염·기상)을 정한다.
• 전선 표면 전위경도를 계산하여 임계값과 비교한다.
• 임계값을 넘으면 전선 지름을 키우거나 복도체로 구성한다.
• 가선금구·애자 금구의 곡률을 완만하게 하고 코로나 링을 설치한다.
• 설치 후 잡음·손실을 점검하고 필요 시 보강한다.

코로나 손실은 대략 다음과 같이 나타낸다. 손실 P_c는 전압 V, 주파수 f, 전선 표면 전위경도 E의 함수이며, 전압이 임계전압을 넘는 만큼 급격히 커진다. 임계전압 V_c는 Peek 식으로 근사하며, 공기밀도 \delta와 전선 반지름 r, 선간 기하평균거리 D에 의존한다.

$V_c = 21.1\,m\,\delta\,r\left(1+\frac{0.301}{\sqrt{\delta r}}\right)\log_{10}\frac{D}{r}\ \text{[kV, 실효값]}$

여기서 m은 표면 상태 계수, \delta는 상대 공기밀도, r은 도체 반지름(cm), D는 선간 거리(cm)다. 식에서 r이 커지면 V_c가 올라가므로 코로나가 억제된다. 같은 식으로 복도체의 등가 반지름을 대입하면 임계전압이 높아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

코로나 방지와 직접 연결된 법정 기준은 「전기설비기술기준」과 「한국전기설비규정(KEC)」의 가공전선 관련 조항이다. 세부 조항 번호는 확실하지 않아 쓰지 않는다. 송전 전압 체계와 전선 설계는 KEC 가공전선로 조항에 따른다. 아래 표는 코로나 방지 설계에 쓰이는 기준값과 설계 요소를 정리한 것이다.

송전선 설계 시 전압 등급이 높을수록 복도체 구성이 일반적이다. 복도체는 전위경도 감소와 함께 인덕턴스 감소·정전용량 증가 효과를 낸다. 이 효과는 안정도 향상에 기여하지만, 단락 시 소도체 사이 흡입력과 수전단 전압 상승(페란티 효과)을 함께 고려해야 한다.

코로나 관련 개정 연혁은 전기설비기술기준의 판단기준에서 한국전기설비규정(KEC)으로의 체계 전환이 주된 변화다. 2021-01-01부터 KEC가 시행되었으며, 전선 설계의 기본 원리(전위경도 억제)는 그대로 유지된다.

6. 유형과 비교

코로나 장해를 줄이는 방법은 전계 완화와 전선 표면 전위경도 저감의 두 방향으로 나뉜다. 전선 지름 확대, 복도체 채택, 가선금구 개량, 코로나 링 설치는 표면 전위경도를 낮추는 방식이고, 전선 표면에서 발생한 코로나 방전을 제어하는 방식은 별도로 분류되지 않는다. 아래 표는 방지대책 유형별 원리와 적용 위치를 비교한 것이다.

표에서 보듯 전선 자체를 바꾸는 방식은 설계 단계에서 적용하고, 코로나 링은 이미 설치된 기기나 애자에 보강하는 방식이다. 두 방식은 대체 관계가 아니라 함께 쓰이는 경우가 많다.

다도체 방식은 여기서 한 단계 더 나눌 수 있다. 복도체는 한 상에 2본, 다도체는 3본 이상의 소도체를 쓰며, 소도체 간격은 스페이서로 유지한다. 간격이 넓을수록 등가 반지름이 커져 전위경도가 낮아지지만, 설치 비용과 풍하중이 함께 커진다는 점을 답안에 함께 적는다.

코로나 링은 기기의 방전 억제 목적에 따라 두 형태로 쓰인다. 기기 단말의 코로나 링은 전계 집중을 줄이고, 애자련의 코로나 링은 전압 분담을 균일하게 하여 애자의 코로나와 전파 잡음을 함께 줄인다. 두 용도를 구분하면 문제에서 장치 위치를 묻는 경우에 답하기 쉽다.