기체의 절연파괴(絶緣破壞)

절연파괴 (絶緣破壞, insulation breakdown, dielectric breakdown)는 규정된 전압을 넘는 이상전압에 의하여 전류가 증가하여 절연이 파괴되는 현상을 말한다. 절연성능을 넘어서는 고전압을 인가하거나 절연체 손상 등에 의해서 방전(放電, electrostatic discharge)이 발생한다. 정전기, 번개 등의 현상은 모두 공기의 절연이 파괴되어 생기는 방전의 한 종류이다.

 

 

 

기체의 절연파괴(絶緣破壞)

절연(絶緣)이란 시스템 내 원치 않는 전류 흐름을 차단하기 위해 취하는 조치를 칭한다.

절연파괴 (絶緣破壞, insulation breakdown, dielectric breakdown)는 규정된 전압을 넘는 이상전압에 의하여 전류가 증가하여 절연이 파괴되는 현상을 말한다.

이 절연파괴에 수반하여 절연 성질을 잃어버리게 되어 전류가 흐르는 것을 방전(放電, discharge)이라고 한다.

절연성능을 넘어서는 고전압을 인가하거나 절연체 손상 등에 의해서 방전이 발생한다.

정전기, 번개 등의 현상은 모두 공기의 절연이 파괴되어 생기는 방전의 한 종류이다.

전력설비에서 발생하는 절연파괴에 의한 방전은 코로나, 브러쉬 방전과 같은 부분 방전으로 시작하여 점진적인 절연체의 파괴를 유도하고, 결국 전극간의 단락에 의해 고장으로 이어진다.

절연재료에 전계를 인가한 후 점차 전계를 증가시키면 어느 시점에서 재료는 절연성을 잃고 전류를 흘리는데 이것을 절연 파괴현상이라 한다. 절연 파괴를 일으키는 전압(V)를 절연 파괴 전압이라 하며 V를 시료의 두께 d로 나눈 값 V/d를 절연파괴강도 또는 절연 내력이라 한다.

 

 

기체 방전의 전압-전류특성

보통상태에서 기체는 전기절연물이지만, 어느 조건에서는 도전성을 갖게 된다. 우주선이나 지중방사성 물질에서의 방사선에 의해서 대기중에서는 항상 약간의 전리가 이루워지고 있다. 때문에, 대기중에는 전자와 이온이 약간이나마 존재한다.

그래서 방전이란 공기중에 있는 2개의 평행판 전 극간에 직류전압을 가하면 극히 전류가 흐르는 현상을 말한다.

 

아래 그림과 같이 공기중에 2개의 전극을 배치하여 전극간에 전압과 전류의 관계로 부터 방전의 형태를 살펴본다.

<그림 1> 평행 평판 방전전극

 

기체는 걸어준 bias voltage에 따라 다양한 방전 양상을 띠고, Townsend breakdown에 따른 플라즈마 발생은 기체 방전의 단계 중 하나이며, 전반적으로는 dark current나 arc와 같은 여러 현상들을 확인할 수 있다.

 

 

가하는 직류전압 V를 서서히 상승케하면서 회로에 흐르는 전류I 를 측정하면 전압에따라 방전의 형태는 아래 그림과 같이 달라지게 된다.

 

 

<그림 2> current voltage characteristics for electrical discharge of gases

(그림 출처: SNU 정경재 High-voltage Pulsed Power Engineering, Fall 2018 & https://seraphy.tistory.com/6)

 

 

1) A-B : background ionization(recombination region)

- 전압이 매우 낮으면 전자와 이온의 이동 속도가 충분히 빠르지 않아 이들 간의 재결합이 주요한 현상으로서 나타난다. 이 상태에서 전압을 올리면 재결합 비율이 급격히 감소하여 초기에 방전판 사이에 존재하던 대전 입자들이 모두 관측된다.
2) B-C : saturation regime(ion chamber region)

- 방사선에 의해 생성된 대전 입자들이 모두 방전판에 흡수되고 나면, 한동안은 bias voltage에 상관없이 전류가 증가하지 않는 구간에 들어선다. 이때의 전류를 saturation current라 하고, 그 양은 초기에 들어온 방사선의 에너지에 비례한다.
3) C-D : Townsend regime(proportional region)

- 전압이 충분히 커지면 Townsend 이론에 따른 전자의 1차 증배가 시작되어 전류가 급격히 증가한다. 증배의 특성상 초기에 들어온 전자의 수에 따라 전류가 지수적으로 증가하는 양상을 보인다. 
4) D-E : corona regime(Geiger-Muller region)

- 전압이 너무 높으면 avalanche에 필요한 전자-이온 pair의 수가 줄어들면서 결국 하나의 pair만으로도 avalanche가 발생하게 되고, 초기 대전 입자의 수와 무관하게 매우 강한 전류가 관측된다. 

-  그림 2에서 나타나는 corona regime은 전압을 걸어주는 전원의 내부저항에 의해 지속된다. 요컨대 이 내부저항이 강하면 breakdown에 필요한 충분한 전류를 공급받지 못해 점화 조건을 갖췄음에도 corona regime에 머물게 된다. 

- breakdown voltage를 넘어서면 기체 방전은 glow discharge, arc discharge의 단계로 넘어가 luminous plasma가 관측되고, 번개 역시 플라즈마 현상의 일종이다. 

5) E-F : breakdown

- breakdown이 시작되면 전류는 증가하는데 이에 대응하는 전압은 감소하는 일이 벌어진다.

- Townsend regime에서는 이온 또는 광자 충격으로 인해 음극에서 방출되는 이차 전자가 추가되면서 electrical breakdown이 발생한다. breakdown 또는 스파크 전위 VB에서 전류는 10^4~10^8배까지 증가할 수 있으며, 일반적으로 플레이트 사이에 연결된 전원 공급 장치의 내부 저항에 의해서만 제한된다.

- 전원 공급 장치의 내부 저항이 매우 높으면 전극에 작은 corona point 또는 brush discharge이 뚜렷한 corona regime로 유지되고, 전원 공급 장치의 내부 저항이 상대적으로 낮으면 가스는 전압 VB에서 분해되어 normal glow discharge regime으로 이동한다. 
6) F-G : normal glow

-  mA scale의 전류가 점차 증가하는 반면 전압은 거의 일정하게 유지된다. 전류가 증가하는 동안 cathode에서 플라즈마와의 접촉 면적도 증가한다. 

- 그림 2에서는 또한 F에서 D를 향하는 hysterisis curve를 볼 수 있다. breakdown voltage에 이르기 전까지 normal glow가 유지되며, 해당 전압이 되면 Townsend model이 다시 적용된다. 

7) G-H : abnormal glow

- cathode의 모든 면이 플라즈마와 접촉하게 됨에 따라, 지점 G부터는 전류의 증가에 맞춰 전압도 따라 증가한다. 요컨대, cathode fall의 등장으로 필요 전압이 낮아졌던 것이 다시 원래 수준으로 돌아가는 과도기라 볼 수 있다. 이 구간에서는 cathode fall 역시 증가한다. 
8) H-K : glow-arc transition (unstable) & arc region: 
- 지점 H에서 전극은 충분히 뜨거워져 음극이 열적으로 전자를 방출한다.

- DC 전원 공급 장치의 내부 저항이 충분히 낮은 경우 방전은 glow에서 arc 전환(H-I)을 거치게 된다.

- I에서 K까지의 arc region은 전류가 증가함에 따라 방전 전압이 감소하는 영역으로, 점 J에서 큰 전류에 도달할 때까지 방전 전압이 감소하고 그 이후에는 전류가 증가함에 따라 전압이 천천히 증가한다.

<요약>

방전전류 영역 중 0∼B 구간은 옴의 법칙이 적용되는 영역으로서, 전극 사이 기체분자의 전리 작용에 의해 만들어지는 이온과 전자가 전계에 의해 가속되어 전극에 흡수되며, 이때 방전전류와 인가전압은 대략 비례하여 증가한다. 이때 일부 전자와 이온은 확산과 부착, 재결합 등으로 소실되지만 전극에 흡수되는 전자와 이온이 더 많은 상태이며, 인가전압이 더 높아지는 B∼C 구간에서는 하전입자들이 전계에 의해 더 빨리 가속되어 소실되는 양이 더욱 적어지기 때문에 전극에 도달하는 하전입자 수는 다소 증가한다. 그러나, 단위시간 동안 전리 작용으로 만들어지는 이온과 전자의 양은 한정되기 때문에 생성되는 이온과 전자가 모두 전극에 흡인되어도 전류의 양은 증가하지 않으며, 이때의 전류를 포화전류로 분류한다. 이 구간의 포화전류는 극히 작은 전류 밀도(10^-17[A/㎠])를 갖는다.

C∼D 구간은 전계에 의해 더욱 가속화된 전자가 전리속도를 얻어 중성 기체분자와 충돌하여 충돌전리를 일으키는 단계로서 D 지점 이전까지는 기체의 절연성은 유지되며, 암류(dark current)의 범위로서 비자속방전 영역에 속한다.
D 지점 이후의 전류 범위는 자속방전 구간으로서 전리속도 이상으로 가속된 전자들이 급격히 증가하여 전자사태(electron avalanche)가 일어나며, 이때의 기체는 절연파괴 상태로서 도전체로서 작용한다.

 

 

기체 방전의분류

절연물에 어느 한도 이상의 전압이 인가되면 유전체는 도체로서 작용하게 되는데 이러한 현상을 절연파괴라 하고, 이 절연파괴에 수반하여 절연 성질을 잃어버리게 되어 전류가 흐르는 것을 방전(discharge)이라고 한다.

기체는 보통 전기절연체이지만 어떤 특별한 상태(전계강도가 일정 값을 초과)에서는 중성분자의 이온화가 일어나 방전이 일어나는데 이를 기중방전이라 한다.

기체에서의 방전 현상은 기체가 갖고 있는 절연성능 이상의 전압(전계)이 인가될 때, 기체분자의 충돌전리현상으로 인해 방전전류가 형성되며, 인가전압의 크기와 기체의 압력상태, 방전거리 등의 특성에 따라 방전전류의 크기 및 형태가 정해진다.

이러한 방전 현상은 크게 비자속방전(非自續妨電, non-self sustaining discharge)과 자속방전(自續妨電, self sustaining discharge)으로 분류되며, 비자속방전은 포화전류와 암류 단위의 방전전류를 포함하는 방전으로서 외부전계의 작용이 사라지면 방전도 함께 사라져 방전전류가 0이 되는 범위의 방전을 말한다. 자속 방전의 경우엔 암류 이상의 높은 전류 범위를 갖는 방전으로 글로우방전과 아아크방전 영역으로, 외부전계의 작용과 무관하게 충돌전리작용에 의해서 방전전류를 지속시키는 절연파괴 영역에 속한다.

 

예를 들면, 공기 중에 설치된 침 전극 대 평판 전극 간에 직류전압을 인가하여 전압을 증가시키면 침전극의 끝부분 공기가 먼저 절연파괴를 일으키며 미약한 빛을 발하기 시작한다. 이와 같은 현상을 총칭하여 부분 방전, 국부 방전 또는 불완전 방전이라고 한다. 더욱 더 전압을 상승시키면 어느 값에서 전극 간 전체에서 절연파괴가 일어나 전극 간은 도전성이 매우 높은 방전 통로로 완전히 연결되어 전류가 급증하는 전로 파괴 또는 섬락이 발생한다.

이처럼, 전로 파괴로 이행할 때의 단시간의 과도현상을 불꽃방전이라고도 하며, 대기 중에서의 불꽃방전은 소리와 강렬한 빛을 수반한다. 이 영역에서의 방전에 관한 정량화는 Townsend에 의하여 처음으로 연구가 이루어졌으므로 Townsend 방전이라고도 부른다.

 

 

1. 비자속방전(non-self sustaining-discharge)

dark discharge(암전류, 暗流, dark current )

- 빛이 발생하지 않는 구간으로, 비자속방전(non-self sustaining-discharge) 특성을 보이며 방사선 계측에 주로 사용된다. 

- 대기중에는 방사선이나 우주선에 의해서 항상 전리현상이 일어나며, 확산이나 재결합에 의해서 소멸되고 있다. 이 때 전리된 상태에서의 양이온과 전자를 偶存이온이라 한다.

- 이 상태에서 전계를 인가하면 전리된 전자가 양극으로 이동되고 10^-17 [A/㎠] 정도의 포화전류가 나타나며, 이 전류를 암류라 한다.

 

2. 자속방전(自續放電:self-sustaining-discharge)

- 어느 전압 이상이 될 때 충돌전리작용이 비약적으로 증대하여 스스로 방전을 지속시키는 현상을 자속방전이라 한다.

 

코로나 방전(Corona discharge)

암류에서 전계를 더 높이면 불꽃방전이 생기기 이전에 국부적으로 전계가 집중되기 쉬운 곳에서 먼저 자속 방전이 발생하는데 이를 Corona(crown in Latin)라 한다.

전극의 형태가 뾰족한 경우 국부적으로 전계가 집중되어 불꽃전압에 이르기 전에 국부만이 절연 파괴되어 발광하는 상태를 코로나 방전(Corona discharge)이라 한다.

따라서 평행 평판 전극에서의 방전 개시 전압보다 작은 전압에서도 뾰족한 전극 근처에서 기체가 이온화 된다. 이온화된 기체는 서서히 반대 전하의 전극을 향하게 되고 Corona가 발생하게 된다. 충분한 전위차가 있을 때는 지속적인 arc가 발생하기도 한다.

<그림 3> 코로나(Corona) 방전 개념도

 

뾰족한 전극이 양극인지 음극인지에 따라서 양성 코로나(Positive corona)와 음성 코로나(Negative corona)로 구별된다.

양전하 이온은 자유전자에 비해 매우 무겁기 때문에 발생하는 차이로서, 물리적인 성질 역시 다르다. 코로나 방전은 기체가 아닌 액체에서도 발생할 수 있다.

* Corona의 영향 : loss(전력손실), noise(전파장해), 화학작용(전극의 부식)

 

* Corona의 방지책

  - 전극 : 면을 고르게 할 것

  - 전선 : 직경을 크게 할 것 -- ACSR선, 중공전선 등 다도체(多導體) 사용

 

불꽃방전(spark discharge)

- corona 방전 등의 국부파괴로 부터 전극 전체에 걸쳐 강한 빛과 소리를 내는 전로파괴로 이행되는 과도현상으로 불꽃방전 때 일어나는 발광을 스파크라 한다. 

- 불꽃 방전은 전압이 어떠한 한계를 넘어 전극 간에 불꽃이 관찰되는 현상으로 불연속적인 과도한 현상의 경우를 나타낸다. 

- 전극 간에 인가되는 전압을 올리면, 전극 사이에 존재하는 기체 분자가 고전압에 의해 가속된 전자와 충돌하여 전리되고 또한 이러한 전리에 의하여 생성된 양이온이 음극과 충돌할 때 일어나는 2차 전자방출에 의해 음극으로부터 전자가 전극 간에 공간에 공급되게 된다. 이러한 작용에 의해 생성되는 하전입자의 양이 양 전 국간 또는 주의 공간으로 손실되는 양보다 많으면 전극 사이에 흐르는 하전입자의 양은 사태처럼 증가하여 전극 사이에 대전류가 흐르게 되는 이유로 발생한다.

- 불꽃 방전이 지속해서 흐르면 글로우 방전이나 아크 방전으로 변한다.

 

방전형태의 세부적인 내용은 기 포스팅 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1382

방전에 의한 점화

 

 

 

glow discharge vs. arc discharge

glow discharge	arc discharge
breakdown voltage에 도달하면 2차 전자 증배가 시작되어 자발적으로 플라즈마가 유지되는 단계에 이른다. 이 구간 이후의 현상들은 방전으로 인한 섬광을 동반하는데, 이러한 발광 현상은 네온 사인의 원리로서 실생활에서도 사용된다.    가속된 전자는 기체 분자를 여기(excitation)시키고, 이들이 바닥 상태로 돌아오면서 빛이 방출된다. 만약 전자가 excitation을 일으킬 만큼의 에너지를 갖지 못하거나, 또는 너무 많은 에너지를 가져 excitation이 아닌 이온화를 발생시킬 경우에는 발광이 일어나지 않는다.	매우 높은 전압이 걸리면 가열된 cathode에서 열전자가 방출되고, 전극물질이 증발(arc erosion)하기 시작한다. glow discharge에서는 cathode에서 방출된 전자가 기체를 여기(excitation)시켜 빛을 냈다면, arc discharge에서 대량으로 방출되는 열전자들은 방전판 사이의 기체를 통해 양극으로 넘어가고 이 과정에서 빛이 발생한다. 필라멘트에서 나오는 열전자를 사용해 빛을 내는 형광등이나 회로가 short될 때 전선 사이에서 관측되는 빛이 arc discharge의 한 예이다. 에너지가 매우 커 절단기(cutter)나 용접기 제조 기술에 사용된다.
- 전극간 전압 : 수백 V - 전류 : 수 mA - 양이온이나 광자에 의한 음극에서의 이차전자 방출에 의하여 방전이 지속되며 기체 중에 전극물질의 증발성분을 포함시키지 않는다.	- 전극간 전압 : 수십 V - 전류 : 수 A 이상 - 음극의 2차 기구로서 열전자 방출 및 자계 방출이 중요한 역할을 하고 증발한 전극 물질은 기체분자와 더불어 방전의 형성과 유지에 관계한다.

 

* Glow 방전에서 Arc방전으로의 이행과정

<그림 4> Glow 방전에서 Arc방전으로의 이행과정

 

 

타운젠트(Townsend) 이론 vs. 스트리머(Streamer) 이론

방전이라고 하면 흔히 불꽃이 일어나는 현상을 육안으로 볼 수 있는데, 그러한 현상이 일어나기 직전에 어떠한 작용이 일어나는가 하는 것을 Townsend가 연구하였고, 이를 눈에 보이지 않는 dark current 현상이라고 하였으며,기체 절연 파괴의 전단계 현상에 대한 연구 이론을 타운젠트(Townsend) 이론이라 한다.

 

그리고 이온화 에너지를 넘지 못한 일부 기체원자는 이온화되지 못 하고 전자가 높은 궤도로 여기했다가 다시 낮은 궤도로 내려오면서 안정화 되고, 이 과정에서 빛이 방출된다. 우리는 보통 이 빛을 보고 플라즈마가 발생했다고 말한다.

 

이온화 과정에서 발생한 자유전자는 전극 사이의 전계에 의해 음전극에서 양전극으로 이동한다. 이동하는 자유전자가 중성분자와 충돌하면서 또 다시 양이온과 자유전자를 발생시킨다. 이런 형상은 양전극에 도달할 때까지 반복적으로 발생하여 큰 전류가 흐르게 되어 기체절연이 파괴된다. 이들로 인해 플라즈마 생성 반응이 자발적으로 유지될 수 있기 때문 일정 전압을 넘겨 충분한 증배를 일으켜준다면 전자가 이온을 생성하고 그 이온이 다시 전자를 만들어내는 방식의 반응이 일어날 수 있다. 이 과정에서 전자와 이온은 계속해서 증식하고, 이러한 electron avalanche는 불꽃 방전을 동반한 Townsend breakdown을 발생시킨다. 방전 반응이 self-sustaining한 특성을 가질 조건, 즉 Townsend breakdown이 발생할 수 있는 최소 전압(자발 방전이 일어날 수 있는 전압)은 방전판 사이의 거리와 기체 압력의 곱 pd에 대한 함수로 쓸 수 있다. 이를 그래프로 나타낸 것을 Paschen curve라 한다. 

 

<그림 5> 타운젠트(Townsend) 이론 개념도

 

하지만 타운젠트(Townsend) 이론은 대기압보다 높은 압력이거나 전극간 길이가 길어지게 되면 실험결과와 이론이 일치하지 않는 문제가 있어 이를 보완하기 위해 스트리머(Streamer) 이론이 발표된다.

즉 Townsend breakdown mechanism은 상대적으로 낮은 압력과 짧은 간격(pd < 200 Torr·㎝)에만 적용할 수 있다.

 

 

스트리머(Streamer) 이론에서 자유전자가 충돌하는 과정에서 새로운 전자를 계속 만들어낸다는 점은 타운젠트(Townsend)이론과 동일하다.

이 과정에서 눈사태처럼 기하급수적으로 늘어나는 전자 애벌런치(electron avalanche)가 형성된다. 양이온화된 기체분자는 전자에 비해 상대적으로 매우 무겁기 때문에 전자만 이동하는 것처럼 보인다.

 

<그림 6> 스트리머(Streamer) 이론 개념도

 

(a)처럼 전자 avalanche(電子沙汰)가 양극에 도달하게 되면 양극에 흡인되고 양이온이 양 극 사이에 남게 된다. 양이온 주변에서 전자가 다시 발생하게 되면 작은 avalanche가 형성되고 이 avalanche가 양이온의 끝쪽을 향하면서 도전성인 Plasma 방전로를 만들며, 이 때의 방전로를 Streamer 라 한다. 이러한 통로가 음극에 도달하면 방전이 발생한다는 것이 스트리머(Streamer) 이론이다.

-  양극에 도달한 電子 들은 중화되고 부전자사태(副電子沙汰)가 나타난다. 副電子沙汰가 자꾸 나타남에 따라 Streamer 는 음극으로 뻗어 가고 점점 심화된다. Streamer 가 음극에 도달하여 Plasma 방전로를 형성하여 불꽃방전이 된다.

 

 

Reference : 1. SNU 정경재 High-voltage Pulsed Power Engineering, Fall 2018

2. https://seraphy.tistory.com/6