[발송배전기술사] Corona!
다음은 발송배전기술사 송전공학 문제 중 Corona에 대한 풀이입니다.
Corona의 정의, Corona 임계전압과 발생 원리, Corona 장점, Corona 장해, Corona 저감대책 순으로 서술하겠습니다.
[문제] 초고압 송전선로 Corona 방전 시 임계전압과 Corona 장해 및 방지대책에 대하여 설명하시오.(제107회 2교시)
[답]
1. Corona의 정의
· Corona란 공기의 절연이 부분적으로 파괴되어 낮은 소리와 엷은 빛을 띠면서 방전하는 현상을 말하는데, 불꽃방전
(섬락 : Flash Over)일보 직전의 국부적인 방전현상이다.
2. Corona 임계전압($E_{0}$)과 발생 원리
1) Corona 임계전압($E_{0}$)
(1) 「공기 중에서 임의의 폐곡면 S를 통과하는 전기력선의 총수는 그 폐곡면 내에 존재하는 전하 Q의 $\frac{1}{ \varepsilon _{0} }$배와
같다.」(Gauss의 정리)
(2) P점의 전계의 세기(E)는
· $\oint _{s} E \cdot ds= \frac{Q}{ \varepsilon _{0} } =\frac{ \lambda l}{ \varepsilon _{0} }$ ($\lambda [C/cm]$ : 선전하 밀도)
· $E \times 2 \pi x l =\frac{ \lambda l}{ \varepsilon _{0} }$ ∴ $E = \frac{ \lambda }{ 2 \pi \varepsilon _{0} x}[V/cm]$ · · · ①
(3) P점의 전위(V)는
· $V =- \int_{D}^{r} E\, dx = \int_{r}^{D} \frac{ \lambda }{2 \pi \varepsilon _{0} x} \, dx = \frac{ \lambda }{2 \pi \varepsilon _{0}} ln \frac{D}{r} [V] $ · D[cm] : 선간 거리
∴ $\lambda = \frac{2 \pi \varepsilon _{0} V}{ln \frac{D}{r}} $ · · · ②
(4) 식 ②를 식 ①에 대입하면
· $E = \frac{ \lambda }{ 2 \pi \varepsilon _{0} x}=\frac{1}{ 2 \pi \varepsilon _{0} x} · \frac{2 \pi \varepsilon _{0} V}{ln \frac{D}{r} } =\frac{ V}{x · ln \frac{D}{r} } = G$ · $G$ : 전위경도
(5) 최대전위경도는 전선의 표면일 때 이므로, x = r 로 하고, E = G = 21.1[kV/cm]를 대입하면
· $21.1= \frac{V}{r · ln \frac{D}{r} } $
∴ $V = 21.1r · ln \frac{D}{r} =21.1 r· \frac{ log _{10} \frac{D}{r} }{ log _{10} e} $
$ =21.1 r \times \frac{1}{0.4343} \times log _{10} \frac{D}{r}
=24.3d· log _{10} \frac{D}{r}$ (∵ d = 2r)
(6) 이 식에 기타 변수( 전선표면 상태, 날씨, 상대공기밀도 등)를 적용하면, Corona 임계전압($E_{0}$)은
$E_{0} =24.3 \, m_{0} m_{1} \delta \,d \, log_{10} \frac{D}{r} [kV]$ 이 된다.
2) Corona 발생 원리
(1) 공기의 절연내력은 한도가 있어 표준상태(20[˚C], 760[mmHg])에서 직류는 30[kV/cm], 교류는 21.1[kV/cm]의
전위경도를 인가하면 공기의 절연은 파괴된다. 이를 파열극한 전위경도($g_{0} $)라 한다.
(2) 위 그림과 같이 전극의 어느 부분이 Corona 임계전압을 넘으면, 공기의 절연이 파괴되어 섬락은 없으나
낮은 소리와 엷은 빛을 띠는 Corona가 발생한다.
(3) Corona는 불꽃방전 일보 직전의 국부방전 현상임
3. Corona 장점
1) 진행파 이상전압(Surge)이 코로나가 발생하면 감쇠된다.
2) 애자련의 불균일한 전압분포가 코로나가 발생하면 평형이 된다.
4. Corona 장해
1) Corona 손실
(1) Peek의 실험식으로 Corona 손실을 나타내면
· $P_{l} = \frac{241}{ \delta } (f+25) \sqrt{ \frac{d}{2D} }(E- E_{0} )^{2} \times 10^{-5}[kW/km \,· line]$
· E[kV] : 전선의 대지전압 · $E_{0}$[kV] : Corona 임계전압
· f[Hz] : 주파수 · d[cm] : 전선의 지름 · D[cm] : 선간 거리
· $ \delta $ : 상대공기밀도($ \delta = \frac{b}{273+t} \times \frac{273+20}{760}= \frac{0.386b}{273+t}$)
(2) 전선비를 절약하기 위해 가는 전선을 사용할 경우 Corona 손실이 발생하기 쉽고(∵ $E_{0} \downarrow $ → $P_{l} \uparrow $),
굵은 전선을 사용할 경우 건설비가 비싸지므로, 양자를 고려하여 적정한 굵기의 전선을 선정하여야 한다.
2) Corona 잡음
· Corona는 교류전압의 반파마다 간헐적으로 발생하며 이 Corona Pulse는 송전선로
근방의 Radio, TV 등에 전파장애와 반송계전기, 반송통신설비에도 잡음 방해를 준다.
3) 코로나에 의한 전선의 진동
· 우천시 코로나에 의한 전선의 진동 발생
4) 통신선에의 유도장해
· Corona에 의한 고조파 전류 중 제3고조파 성분은 중성점 전류로 나타나고, 중성점 직접접지방식의 송전선로
부근의 통신선에 유도장해를 일으킨다.
5) 소호리액터방식의 소호능력 저하
· 1선 지락 고장 시 건전상의 대지전위 상승에 의한 Corona 발생은 고장점의 잔류전류 유효분을 증가시켜서
소호리액터의 소호능력을 저하시킨다.
6) 전선의 부식 촉진
· Corona에 의한 화학작용으로 오존($O_{3}$) 발생 → 전선 부식 촉진
5. Corona 저감대책
1) 코로나 임계전압을 크게한다.
· $E_{0} =24.3 \, m_{0} m_{1} \delta \,d \, log_{10} \frac{D}{r} [kV]$
2) 굵은 전선을 사용한다.
· $E_{0} =24.3 \, m_{0} m_{1} \delta \,d \, log_{10} \frac{D}{r} [kV]$에서 굵은 전선을 사용하면(d를 크게), 전선표면의 전위경도는 완만해져서
Corona 임계전압은 높아지고, Corona 발생은 감소한다.
(1) 765[kV]에서 코로나와 경제성을 고려 480[$mm^{2}$}의 전선채용
(2) ACSR 사용 - 가볍고 굵어진다.
3) 다도체 사용
(1) 단도체의 반지름을 r, 다도체의 등가 반지름을 $ r_{e} $라 하면, $ r < r_{e} (= \sqrt[n]{r ·\, S^{n-1} } )$가 되며, 전선의 반경이
단도체에 비해 증대되어 Corona 임계전압은 높아지고, Corona 발생은 억제된다.
(2) 765[kV]에서 480[$mm^{2}$} × 6도체 사용
4) 가선금구의 개량
· 특정 부위의 전위경도를 완만하게 하여 Corona 발생 억제
5) Arcing Horn, Arcing Ring 설치
· 현수 애자련의 전위분포를 고르게 하여 애자금구에서 발생하는 Corona 발생 억제
6) 매끈한 전선표면 유지
· 전선의 표면계수($m _{0} $)가 ˙1˙에 가까울수록 Corona 발생이 적다.
7) 다도체의 경우 Spacer - Damper를 사용하여 전선의 진동 및 충돌에 의한 전선표면 손상 방지
8) 핀애자의 경우는 반도체 유약을 바르면 코로나 손실이 저감된다.
오늘은 발송배전기술사 송전공학 문제로 나올 법한 Corona에 대하여 알아 보았습니다.