절연체
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1. 개요
절연체는 전기 전도성을 막는 물질로, 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 역사적으로는 전보선에 사용된 유리 절연체에서 시작하여, 현재는 세라믹, 고분자 복합 재료 등 다양한 재료로 제작된다. 밴드 이론에 따르면 절연체는 원자가띠와 전도띠 사이에 큰 띠틈을 가지며, 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하여 전류가 흐르게 된다. 절연체는 재료, 형태, 용도에 따라 다양하게 분류되며, 전선, 케이블, 전기 기기, 전자 부품 등 다양한 분야에서 널리 사용된다.
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| 절연체 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 정의 | 전기 전류가 흐르지 못하게 하는 물질 |
| 주요 역할 | 전기가 통하는 물체 사이에서 전류의 흐름을 막거나 감소시켜 전기가 필요한 곳으로만 흐르게 함 |
| 다른 이름 | 부도체 |
| 특징 | |
| 전기 저항 | 매우 높음 |
| 자유 전자 | 거의 없음 |
| 유전체 상수 | 유전율이 낮음 |
| 항복 강도 | 높은 전압에서 파괴되지 않는 정도 |
| 내열성 | 온도 변화에 강함 |
| 종류 | |
| 고체 | 유리 도자기 고무 플라스틱 에폭시 수지 |
| 액체 | 기름 변압기유 |
| 기체 | 건조 공기 질소 육불화황 |
| 응용 분야 | |
| 전기 장비 | 전선 피복 케이블 절연 변압기 절연 회로 기판 |
| 전력 시스템 | 전신주 애자 개폐기 피뢰기 |
| 전자 제품 | 반도체 소자 콘덴서 인쇄 회로 기판 |
| 기타 | 고전압 장비 의료 장비 자동차 부품 |
| 관련 개념 | |
| 도체 | 전기가 잘 통하는 물질 |
| 반도체 | 전기 전도성이 중간인 물질 |
| 유전체 | 전하를 축적하는 물질 |
| 유전 분극 | 전기장에 의해 유전체 내부에서 발생하는 현상 |
| 주의사항 | |
| 파괴 | 과도한 전압이나 온도에 의해 절연 능력이 상실될 수 있음 |
| 습도 | 습기가 많은 환경에서는 절연 능력이 저하될 수 있음 |
| 오염 | 먼지나 오염 물질은 절연 능력을 감소시킬 수 있음 |
| 추가 정보 | |
| 절연 내력 | 절연체가 견딜 수 있는 최대 전압 |
| 절연 저항 | 절연체의 전기 저항 측정값 |
| 절연 파괴 | 절연체가 더 이상 절연체로서 기능을 할 수 없게 되는 현상 |
2. 역사
절연체를 이용한 최초의 전기 시스템은 전보선이었다. 나무 기둥에 전선을 직접 부착하는 방식은 특히 습한 날씨에 매우 좋지 않은 결과를 초래했다. 초기에 대량으로 사용된 유리 절연체는 나사산이 없는 핀홀을 가지고 있었다. 이 유리 조각들은 기둥의 가로대에서 수직으로 위쪽으로 뻗어 나온 가늘어지는 나무 핀에 배치되었다. 이러한 "나사산 없는 절연체"에 연결된 전선의 자연적인 수축과 팽창으로 인해 절연체가 핀에서 빠져 나와 수동으로 다시 장착해야 했다.
밴드 이론에서 절연체는 반도체와 마찬가지로 원자가띠와 전도띠 사이에 띠틈이 존재하는 상태나 그 상태를 나타내는 물질을 말한다. 반도체보다 띠틈이 큰 것이 절연체이지만, 이 둘의 차이는 명확하지 않은 경우가 있다. (예: 모트 절연체) 통상적으로 띠틈이 2 전자볼트 이상이면 절연체로, 미만이면 반도체로 구분한다.
절연체는 자유전자를 가지지 않아 전기를 잘 통하지 않는 물질로, 부도체라고도 불린다. 전도체를 지지하고 전류가 흐르지 않도록 전기 기기에 사용되며, 전주나 철탑에 전선을 부착하는 애자가 대표적인 예시이다. 유전체라고도 불린다.
세라믹 절연체를 처음 생산한 업체 중에는 영국의 기업들이 있다. 스티프(Stiff)와 로열 돌턴(Royal Doulton)은 1840년대 중반부터 석기(stoneware)를 사용했고, 조셉 번(Joseph Bourne, 후에 덴비 도자기 회사(Denby Pottery Company)로 이름이 바뀜)는 1860년경부터, 불러스(Bullers)는 1868년부터 생산했다. 1865년 7월 25일, 루이 A. 코베(Louis A. Cauvet)는 나사산이 있는 핀홀을 가진 절연체의 생산 공정에 대한 특허([http://reference.insulators.info/patents/detail/?patent=48906&type=U 48,906])를 받았다. 핀형 절연체는 여전히 나사산이 있는 핀홀을 가지고 있다.
현수형 절연체의 발명으로 고전압 전력 전송이 가능해졌다. 송전선 전압이 60000V를 넘어서면서 필요한 절연체는 매우 크고 무거워졌으며, 88000V의 안전 여유를 두고 제작된 절연체는 제조 및 설치에 있어 실질적인 한계에 도달했다. 반면, 현수형 절연체는 송전선의 전압에 필요한 만큼 길게 연결할 수 있다.
다양한 전화, 전신 및 전력 절연체가 제작되었다. 일부 사람들은 역사적 가치와 많은 절연체 디자인과 마감의 미적 품질 때문에 이들을 수집한다. 수집가 단체 중 하나는 9,000명이 넘는 회원을 보유한 미국 전국 절연체 협회(US National Insulator Association)이다.[17]
3. 정의
4. 절연체의 종류
유리, 종이, 테플론 등은 우수한 절연 특성을 가지며, 비저항이 높은 절연물은 전선이나 전기 배선 절연에 사용된다. 고무나 플라스틱은 저전압 및 중간 전압(수백에서 수천 볼트)에서 실용적인 절연물로 사용된다.
4. 1. 재료에 따른 분류
유리, 종이, 테플론, 세라믹, 고분자 복합재료 등 다양한 재료가 절연체로 사용된다. 고전압 송전에는 주로 유리, 자기, 복합 고분자 재료가 사용된다.[8][9][10]
실리콘 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지 등 다양한 합성수지도 절연체로 사용된다. 전선 절연에는 폴리에틸렌, 가교 폴리에틸렌, PVC, 캡톤, 고무, 오일 함침지, 테플론, 실리콘, 변성 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 등이 사용될 수 있다.
4. 2. 형태 및 용도에 따른 분류
절연체는 용도에 따라 여러 종류로 분류된다.
| 송전선 전압 (kV) | 디스크 개수 |
|---|---|
| 34.5 | 3 |
| 69 | 4 |
| 115 | 6 |
| 138 | 8 |
| 161 | 11 |
| 230 | 14 |
| 287 | 15 |
| 345 | 18 |
| 360 | 23 |
| 400 | 24 |
| 500 | 34 |
| 600 | 44 |
| 750 | 59 |
| 765 | 60 |
5. 절연 파괴
항복 전압 이상의 전압이 절연체에 가해지면 절연 파괴가 일어나 전류가 흐르게 된다. 절연 파괴는 물질의 물리적, 화학적 변화를 일으켜 절연 특성을 영구적으로 저하시킨다.[1][2]
절연 파괴에는 두 가지 유형이 있다.
- 관통 아크(puncture arc): 절연체 내부를 통과하는 전기 아크가 발생하여 재료가 파괴되고 전도되는 현상이다. 이때 아크로 인한 열은 절연체를 회복 불가능하게 손상시킨다. 관통 아크를 발생시키는 전압을 관통 전압(puncture voltage)이라고 한다.
- 플래시오버 아크(flashover arc): 절연체 주위나 표면의 공기가 파괴, 전도되어 절연체 외부를 따라 아크가 발생하는 현상이다. 절연체는 보통 플래시오버를 견딜 수 있도록 설계되어 손상되지 않는다. 플래시오버 아크를 발생시키는 전압을 플래시오버 전압(flashover voltage)이라고 한다.
대부분의 고전압 절연체는 손상을 막기 위해 관통 전압보다 낮은 플래시오버 전압으로 설계된다. 따라서 관통되기 전에 플래시오버가 먼저 발생한다.
고전압 절연체 표면에 먼지, 오염물, 소금, 특히 물이 있으면 전도성 경로가 생성되어 누설 전류와 플래시오버를 유발할 수 있다.[11] 절연체가 젖으면 플래시오버 전압이 50% 이상 감소할 수 있다. 옥외용 고전압 절연체는 누설 경로의 길이를 최대화하여 누설 전류를 최소화하도록 설계된다. 이를 위해 표면은 일련의 주름이나 동심원 디스크 모양으로 만들어진다. 여기에는 '컵' 아래의 표면 누설 경로 부분이 습한 날씨에도 건조하게 유지되도록 하는 하나 이상의 활(shed)이 포함된다.
코로나 방전은 고전압 도체 주변 공기가 이온화되어 발생하는 현상으로, 전력 손실을 유발할 수 있다.[16] 초고전압 선로에서 절연체는 코로나 링으로 둘러싸여 있을 수 있다. 코로나 링은 절연체가 선로에 부착되는 지점의 전기장을 감소시켜 코로나 방전을 방지하고 전력 손실을 줄이도록 설계되었다.
6. 내열 등급
일본 산업 규격(JIS)에서는 절연체를 내열 온도별로 분류하며, "내열등급 Y", "내열등급 200"과 같이 부른다.
| 내열등급 | 최고 허용온도 | 주요 재료 | 접착, 충전 재료 |
|---|---|---|---|
| Y | 90°C | 솜, 종이, 폴리에틸렌, 폴리염화 비닐, 천연고무 | 없음 |
| A | 105°C | 절연유, 천연 니스 | |
| E | 120°C | 폴리에스텔, 에폭시수지, 멜라민수지, 페놀수지, 폴리우레탄 같은 합성수지 | 없음 |
| B | 130°C | 운모, 석면, 유리섬유 | 일반 접착제 |
| F | 155°C | 실리콘 알키드수지 | |
| H | 180°C | 실리콘수지 | |
| 200 | 200°C | 생운모, 석면, 자기 | 없음 |
| 220 | 220°C | ||
| 250 | 250°C |
과거에는 180°C를 넘는 절연체를 모두 "C종류"라고 불렀으나, 현재의 JISC4003에서는 세분화되어 250°C를 넘는 경우 25°C 간격으로 내열등급이 마련되어 있다.
7. 응용 분야
절연체는 전기 기기, 전력 시스템, 전자 부품 등 다양한 분야에서 활용된다.
전선과 케이블의 유연한 코팅, 인쇄 회로 기판, 반도체 소자의 절연, 고전압 시스템의 액체 절연유, 애자 등이 그 예이다. 절연체는 단락 회로 및 화재 위험을 방지하고, 감전으로부터 사람을 보호하며, 전자파 반사를 막는 등 중요한 역할을 한다. 변압기 및 축전기와 같은 고전압 시스템에서는 액체 절연유를 사용하여 아크를 방지한다.[18]
7. 1. 전기 기기 및 시스템
전선 및 케이블은 감전을 방지하고 단락 회로를 막기 위해 절연체로 덮여 있다. 변압기, 발전기, 전동기의 권선(코일)은 여러 층의 얇은 폴리머 바니시 필름, 유리섬유 절연 테이프, 종이, 목재, 바니시, 광유 등으로 절연 처리되어 있다. 이를 통해 제한된 공간에 더 많은 권선을 배치하고, 전기 코로나를 방지하며, 자기적으로 유도되는 진동을 줄일 수 있다.[19] 개폐 장치의 버스바 및 차단기는 유리 강화 플라스틱 절연체로 절연되어 화재 확산을 막고 전류 추적을 방지한다.송전탑 및 전주는 전선을 지지하고 절연하기 위해 애자를 사용한다. 애자는 유리, 자기, 또는 복합 고분자 재료로 만들어지며, 특히 자기는 높은 기계적 강도를 제공한다. 고분자 복합 재료는 비용이 저렴하고 가벼우며, 오염된 지역에서 우수한 성능을 보인다.[10] 고전압 송전선에서는 모듈식 현수형 절연체 설계를 사용하여, 필요에 따라 절연체 유닛 수를 조절하여 다양한 전압에 대응할 수 있다.
7. 2. 전자 부품
인쇄 회로 기판(PCB)은 에폭시 수지나 유리섬유로 만들어진 절연체 판으로, 구리 도체층을 지지한다.[18] 전자 부품에는 절연체인 에폭시 수지나 페놀 수지로 봉입한 것, 또는 유리나 세라믹으로 코팅한 것이 있다.[18]트랜지스터나 집적 회로(IC)와 같은 반도체 소자에서, 실리콘은 도핑을 통해 도전성을 갖지만, 열과 산소를 가함으로써 부분적으로 양호한 절연체로 만들 수도 있다.[18] 산화된 실리콘은 석영, 즉 이산화 규소이다.[18]
7. 3. 기타
방송용 안테나는 전파탑으로 세워지는 경우가 많으며, 특히 마스트 구조는 전체에 고전압이 걸려 에너지를 공급받기 때문에 지면으로부터 절연되어야 한다. 그러므로 활석을 받침대로 하는 경우가 많다. 그것들은 경우에 따라서는 400kV에 달하는 안테나에 걸리는 전압을 견딜 뿐만 아니라, 안테나의 무게에도 견뎌야 한다. 마스트형 안테나에는 낙뢰도 자주 발생하므로, 아크혼과 피뢰기도 필수적이다.[18]
마스트형 안테나를 지지하는 지선에는 지면과의 단락이나 감전을 방지하기 위해 내장애자를 삽입한다. 또, 지선이 송신 파장과 공명하지 않도록 여러 곳에 절연체를 삽입하여, 그 길이가 파장의 약수가 되지 않도록 한다. 그러한 절연체로는 세라믹제 구형 애자 등을 사용한다(사진 참조). 구형 애자는 장력이 아니라 압축력이 걸린다는 장점이 있으며, 설령 그것이 파괴되어도 지선 자체는 안테나를 계속 지지할 수 있다는 장점도 있다.
이러한 애자에는 과전압 보호 장치를 장비할 필요가 있다. 지선의 애자 치수에 대해서는 지선이 갖는 정전 용량을 고려해야 하며, 마스트가 높을수록 송신기로 인해 안테나에 걸리는 전압보다 정전기에 의한 전압이 커지고, 지선을 애자로 여러 개로 나눌 필요성이 높아진다. 그 경우, 지면에 코일을 경유하여 지선을 접지하거나, 경우에 따라서는 직접 접지한다.
안테나와 무선 기기를 연결하는 급전선(특히 평형형 피더선)은 금속 구조물로부터 거리를 유지할 필요가 있는 경우가 많다. 이 경우의 애자를 「격리 애자 (standoff insulator)」라고 부른다.
참조
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서적
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New Age International
2005-01-01
[2]
서적
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https://books.google[...]
Routledge
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논문
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논문
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논문
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2017
[6]
서적
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[7]
뉴스
Understanding IEC Appliance Insulation Classes: I, II and III
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Electrical Porcelain Insulators
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Universal Clay Products, Ltd.
2008-10-19
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논문
Transmission lines detection technology
2017
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High Voltage Insulators
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IDC Technologies
2008-10-17
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간행물
Insulated bushings for alternating voltages above 1,000 V
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The Electric Power Engineering Handbook
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Technical Publications
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2017-01-19
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웹사이트
Artificial rain test of outdoor long rod insulators (PDF Download Available)
https://www.research[...]
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