코로나 방전 이해: 가공 송전선에 미치는 영향

이전 글에서 송전선을 통해 발전소 전력이 소비자에게 전달되는 과정을 다뤘습니다. 전력 송전 중 도체에서 시각적·청각적 효과가 나타나며, 이로 인해 송전선에 전력 손실이 발생하는데 이를 코로나 효과라 합니다.

송전선에서 코로나 효과/방전이란?

“가공 송전선에서 보라색 글로우, 히싱 소음, 오존 가스 발생 현상을 코로나라 한다.”

단면적에 비해 간격이 큰 두 도체 송전선에 교류 전압을 인가하면, 저전압에서는 주변 공기에 변화가 없습니다. 하지만 전위차가 임계 파괴 전압을 넘으면 도체 주위에 희미한 보라색 글로우(코로나)가 나타납니다. 이 효과에는 히싱 소음, 보라색 글로우, 무선 간섭, 오존 발생이 동반됩니다.

전압이 높을수록 도체 주위의 발광 범위, 소음, 전력 손실이 커집니다. 전위차가 파괴 값을 넘으면 도체 간 플래시오버가 발생해 공기 절연이 타버립니다. 도체가 매끄럽고 광택이 있으면 균일한 글로우가 나타나고, 거친 부분은 더 밝게 빛납니다. 직류 전압에서는 양극선은 균일 글로우, 음극선은 점상 글로우가 관찰됩니다.

코로나 형성 이론:

우주선, 자외선, 방사능 등으로 공기에는 항상 어느 정도 이온화가 존재합니다. 따라서 정상 상태에서도 공기에는 자유 전자, 음이온, 중성 분자가 있습니다. 하지만 도체 간 전위차가 일정 값을 넘으면 도체 표면에 전위 기울기가 형성됩니다. 전위 기울기가 30kV/cm에 도달하면 자유 전자가 중성 분자와 충돌해 전자를 방출할 만큼 충분한 힘을 얻습니다.이 과정이 다른 분자에서도 연쇄적으로 일어나 대량의 자유 전자가 도체 주변 공기로 튀어 나가 공기가 이온화되고 도체 간 스파크가 발생합니다. 코로나 효과는 소리(청각)와 글로우(시각) 두 부분으로 나눌 수 있습니다.

1. 임계 파괴 전압: 코로나가 발생하는 최소 상-중성선 전압입니다. 반지름 r, 간격 d인 두 도체에 전압 V를 인가하면 도체 표면 전위 기울기는 g = V / [r logₑ(d/r)] V/cm입니다.
2. 시각 임계 전압: 도체 전체를 따라 글로우가 나타나는 최소 상-중성선 전압입니다. 평행 도체에서는 코로나 글로우가 파괴 전압 Vc가 아닌 더 높은 전압 Vv(시각 임계 전압)에서 시작됩니다. 시각 임계 전압의 실효값은 다음 공식으로 구합니다.
   

코로나에 영향을 미치는 요인

코로나 현상은 대기의 물리적 상태와 선로 조건에 영향을 받습니다. 주요 요인은 다음과 같습니다.

1. 대기: 코로나는 도체 주변 공기의 이온화로 생기므로 대기의 물리적 상태에 영향을 받습니다. 폭풍우 시 이온 수가 평소보다 많아 코로나가 맑은 날보다 훨씬 낮은 전압에서 발생합니다.
2. 도체 크기 및 형상: 도체 표면이 불규칙하면 매끄러운 도체보다 코로나 발생이 쉽습니다. 표면 요철이 코로나 발생 기회를 더 많이 만들기 때문입니다.
3. 도체 간 간격: 송전선 도체 간 간격은 도체 직경보다 커야 합니다. 간격이 너무 작으면 도체 주변 공기가 낮은 전압에서 이온화됩니다.
4. 선로 전압: 선로 전압이 코로나에 큰 영향을 미칩니다. 저전압에서는 주변 공기에 변화가 없어 코로나가 발생하지 않지만, 일정 값을 넘으면 도체 표면에 정전 응력이 생겨 공기가 이온화되고 코로나가 발생합니다.

코로나 효과 저감 방법

33kV 이상 운전 전압에서 강한 코로나 효과가 관찰되므로, 송전선과 변전소 설계 시 이러한 파괴적 영향을 피하도록 주의해야 합니다. 코로나 방전 효과를 줄이는 방법은 다음과 같습니다.

1. 도체 크기 증가: 도체 크기를 키우면 코로나 발생 전압이 높아져 효과가 크게 줄어듭니다.
2. 도체 간격 증가: 도체 간 간격을 코로나 발생 간격보다 넓히면 효과를 크게 줄일 수 있습니다. 간격이 넓으면 도체 사이 입자를 더 많이 수용할 수 있습니다.

코로나 효과의 장단점

코로나에는 장단점이 있습니다. 올바른 고압 가공선로 설계에서는 다음이 가장 중요하게 고려됩니다.

장점

1. 코로나로 도체 간 공간이 이온화되어 도전 경로가 되므로 도체의 가상 직경이 커집니다.
2. 코로나는 서지에 의한 과도 현상 효과를 줄여줍니다.

단점

1. 코로나는 에너지 손실을 동반해 송전선 효율을 떨어뜨립니다.
2. 코로나 발생 시 생성되는 오존이 부식을 유발할 수 있습니다.
3. 코로나로 인한 선로 전류는 비정현파이므로 선로에 비정현파 전압 강하가 발생합니다.