애자
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1. 개요
애자는 전기 절연성, 내후성, 기계적 강도가 요구되는 장치로, 주로 도자기를 소재로 사용하며 유리, 폴리머 등 다양한 재질로 만들어진다. 고압 전선을 지지하고 전선의 장력을 유지하는 데 사용되며, 용도에 따라 송전선용, 배전선용, 옥내 배선용, 차단기·피뢰기용 등으로 구분된다. 애자는 절연 성능과 강도가 우수한 자기가 널리 사용되며, 제조는 원료 분쇄, 성형, 소결 과정을 거쳐 이루어진다. 초기에는 나무나 유리로 만들어졌으나, 1890년대 미국과 유럽에서 전력망 보급과 함께 자기제 핀 애자가 사용되었고, 이후 현수 애자, 수지 애자 등이 개발되었다.
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- 전력 - 직류
직류(DC)는 전압이나 전류의 크기와 방향이 시간에 따라 변하지 않고 일정한 전력 시스템으로, 전지나 정전기에 의해 발생하며, 초기에는 발전 사업에 사용되었으나 교류에 밀려났다가 고압 직류 송전 기술 개발로 장거리 송전 분야에서 다시 활용된다. - 전력 - 전류 전쟁
전류 전쟁은 19세기 후반 전기 보급 초기에 토머스 에디슨의 직류 방식과 조지 웨스팅하우스와 니콜라 테슬라의 교류 방식이 전력 시스템 표준을 놓고 경쟁한 사건으로, 기술적 우위, 특허, 금융, 선전전 양상으로 전개되어 결국 교류가 표준으로 자리 잡았다. - 전기 - 전기장
전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다. - 전기 - 전압
전압은 두 지점 사이의 전위차로서 단위 전하당 에너지 차이를 나타내며, 정전기학에서는 단위 전하를 이동시키는 데 필요한 일, 회로 이론에서는 노드 간 전위차로 정의되고, 직류 및 교류 전압으로 구분되며, 다양한 방식으로 발생하여 여러 분야에 응용된다.
애자 | |
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지도 | |
개요 | |
정의 | 전선, 전기 기기 등을 지지하거나 고정하는 데 사용되는 절연체 |
주된 목적 | 전기가 흐르는 도체와 접지된 부분 사이의 절연을 유지하여 전류 누설 및 감전 사고 방지 |
재료 | |
주요 재료 | 도자기 유리 고분자 복합 재료 |
과거 사용 재료 | 나무 고무 |
용도 | |
주요 용도 | 전신주 철탑 가공 전선 전기 기기 |
전신주 애자 | 가공 전선 지지 및 절연 |
전기 기기 애자 | 기기 내부 부품 간 절연 |
종류 | |
핀 애자 | 전선로 지지, 저압 및 중압선로에 사용 |
현수 애자 | 고압 및 초고압 송전선로에 사용, 여러 개를 연결하여 사용 |
장간 애자 | 고압 및 특고압 선로에 사용, 현수 애자 대신 사용 가능 |
라인 포스트 애자 | 고압 및 특고압 선로에서 수평 또는 수직으로 설치 |
폴리머 애자 | 강화 플라스틱으로 제작, 경량 및 내오염성 우수 |
유리 애자 | 단단하고 내구성이 강함, 파손 시 쉽게 확인 가능 |
자기 애자 | 전통적인 도자기 재질 애자 |
특성 | |
절연 내력 | 전압에 견디는 능력, 높을수록 좋음 |
기계적 강도 | 외부 힘에 견디는 능력, 높을수록 좋음 |
내오염성 | 오염 환경에서 절연 성능을 유지하는 능력, 중요 |
내후성 | 기상 조건 변화에 견디는 능력 |
전기적 특성 | |
누설 전류 | 절연체를 통해 흐르는 원치 않는 전류, 최소화해야 함 |
섬락 전압 | 절연 파괴를 일으키는 전압, 높을수록 좋음 |
유전율 | 전기장을 저장하는 능력, 재료마다 다름 |
유전 손실 | 전기장 내에서 에너지 손실 정도, 작을수록 좋음 |
시험 | |
전압 시험 | 정해진 전압에서 절연 성능 확인 |
섬락 시험 | 섬락이 일어나는 전압 측정 |
기계적 시험 | 파괴 강도 및 인장 강도 시험 |
환경 시험 | 온도, 습도, 오염 등 다양한 환경 조건에서 성능 확인 |
규격 및 표준 | |
관련 표준 | IEC (국제 전기 표준 회의) ANSI (미국 국가 표준 협회) KS (한국산업표준) |
규격 내용 | 애자 성능, 시험 방법 등 규정 |
기타 | |
일본어 표기 | がいし (외자) |
로마자 표기 | gaishi |
2. 특징
애자는 주로 도자기를 소재로 하여 전기 절연성, 야외에서의 내후성(耐候性), 기계적 강도를 갖도록 만들어진다. 유럽이나 구 공산권 지역(예: 중앙 유럽, 러시아, 몽골)에서는 유리로 만든 애자도 사용된다. 북미, 중동 등에서는 가벼운 폴리머 애자가 주로 쓰인다.
애자는 사용되는 곳에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.
고압 전선을 지지할 때에는 보통 애자를 통해 전신주나 철탑 등에 고정한다. 초고압 송전선에서는 절연성을 확보하기 위해 수 미터 길이의 애자를 사용하기도 한다. 전선의 장력을 줄이기 위한 지선에는 구슬 애자를 사용하여 절연을 확보한다. 여러 개의 애자를 연결한 것을 '''애자련'''(碍子連, insulator string)이라고 한다.
애자는 비나 염분, 먼지 등이 묻으면 표면을 따라 누설 전류가 흐르거나 전기적 파괴가 발생하기 쉽다. 따라서 애자는 이러한 상황에서도 절연성이 유지되도록 표면 거리를 길게 확보하는 파형, 원판, 또는 컵을 쌓아 올린 모양을 하고 있다. 컵 모양은 비가 올 때 한쪽 면이 젖지 않도록 하기 위한 것이다.
낙뢰 시에는 이상 고전압과 대전류로 인해 애자가 파괴될 수 있다. 이를 막기 위해 애자 양 끝에 아크 혼 또는 아크 링이라는 금속 단자를 부착하여, 고전압 발생 시 이 단자 사이로 전류를 흘려보낸다.
3. 용도에 따른 구분
4. 재질
애자는 주로 도자기를 소재로 하지만, 유럽이나 구 공산권 등지에서는 유리로 만들어진 것도 있다. 북미·중동 등에서는 경량인 폴리머 애자가 보급되어 있다.
- '''자기''': 절연 성능과 강도가 모두 우수하여 가장 널리 사용된다. 석영과 뮬라이트를 주성분으로 하는 장석질 자기가 가장 일반적이다. 특히 높은 강도가 요구되는 용도에는 코란덤을 포함한다. 표면을 덮는 유약은 장석질 유리이다.[8]
- '''유리''': 내아크 방전 성능과 내열 충격 특성이 우수하지만, 기계적 강도가 낮고 대형 제품을 만들기 어렵다. 일반적으로 소다석회유리가 사용되며, 높은 강도가 요구되는 경우에는 강화유리화 처리를 한다.[9][10]
- '''합성수지''': 자기 제품보다 가볍고, 충격에 강하며 소형화가 가능하다. 에폭시 수지를 유리섬유로 강화한 섬유강화플라스틱을 심재로 하고, 이것을 가황실리콘 고무나 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA 수지)로 피복한 것이 사용된다.[11]
5. 제조 방법
도자기로 만든 애자는 일반적으로 다음과 같은 방법으로 제조된다. 원료로는 도석, 장석, 규석, 점토 등이 사용된다. 천초도석을 사용하면 높은 강도의 애자를 얻을 수 있으며, 규슈뿐만 아니라 도카이 지방의 제조업체도 이를 들여와 원료로 사용하고 있다.[12] 높은 성능이 요구되는 용도에는 정제된 산화알루미늄이 첨가되기도 한다. 원료를 분쇄하여 분말로 만들고, 물을 가하여 진흙 상태로 만든다. 원통형 애자는 압출성형과 절삭법, 현수애자는 둥근 주걱 성형으로 소정의 형상으로 만든다. 프레스 성형이나 주입 성형과 같은 방법을 사용하기도 한다.[13] 이것을 충분히 건조한 후, 유약을 도포하고 1300°C~1350°C에서 소성하여 소결시켜 도자기로 만든다.[14]
6. 역사
초기에 애자는 나무 또는 유리로 만들어졌으나, 이후 절연 성능과 강도가 높은 자기가 주로 사용되었다. 1890년대 미국과 유럽[15]에 전력망이 보급될 때 자기제 핀 애자가 사용되었다. 1920년대부터는 LOCKE사에 의해 현수 애자가 고안되어 사용되기 시작했다.[16]
1960년대 초반에는 고리형 지방족 에폭시 수지를 응용한 옥외용 애자가 영국과 미국에서 제조되었으나 신뢰성이 낮았다. 1964년 독일에서 실용적인 제품이 개발되었고, 1970년대에 걸쳐 프랑스, 영국, 미국 등에서도 제조되었다.[17][18]
6. 1. 한국에서의 역사
1869년 10월 23일(메이지 2년 9월 19일) 도쿄-요코하마 간 공중 전신선 건설 공사가 시작되면서 애자가 본격적으로 사용되기 시작했다. 초기에는 "적애자"라고 불리는 밤색의 수입품을 사용했다.[21][22] 그러나 수입 애자는 불량률이 높고 개당 25-26전(당시 쌀 1되 가격이 5전)이나 하는 비싼 가격이었다.[23]일본 정부는 애자의 국산화를 추진했다. 1875년 발행된 『전신두제일보고』에는 전선 이외의 부품이나 기기는 전신료(逓信省의 전신) 내에서 제조하거나 외부 기능공에게 만들게 하여 수입품이 매우 줄었다고 기록되어 있다.[24] 아리타야키 제조와 무역을 담당했던 후카가와 에이자에몬(8대)은 1870년(메이지 3년) 전신료로부터 애자 제조 제안을 받고, 같은 해 말에 시제품을 납품하여 채택되었다.[25] 후카가와 에이자에몬은 후에 코란샤를 설립했다.
국산 애자는 수입품과 성능이 비슷했지만, 가선 거리가 길어짐에 따라 통신 장애가 발생했다. 해안 근처 전신선에서 우천 시 자주 발생하는 것으로 보아 염해로 인한 절연 저하가 원인이었고, 1883년경부터 절연 부분의 우산을 이중 구조로 만든 이중 통신용 애자를 사용했다. 이것이 국산 통신용 애자의 주류가 되었다.[26][22]
1887년 11월 29일, 도쿄전등 주식회사의 제2전등국(화력발전소, 니혼바시 가야바초)이 공중 전선에 의한 송전 서비스를 개시했다.[27] 오사카, 나고야, 교토 등에서도 전등회사가 개업했다. 초기에는 송전 범위가 좁아 발전소의 송전 전압이 125-220볼트 정도의 저압이었고, 절연에는 전신용 핀 애자가 사용되었다. 그러나 발전소가 집중화, 대규모화되고 소비지와의 거리가 멀어지면서 송전 전압이 높아져, 핀 애자를 여러 개 연결한 형태의 현수 애자가 사용되었다.[28]
일본도기합명회사(후의 노리타케 캄파니 리미티드)의 히야쿠키 사부로는 1907년(메이지 40년) 15,000볼트 송전용 애자를, 1909년(메이지 42년)에는 45,000볼트 송전용 핀 애자를 개발하여[29][30] 회사의 발전과 전력망 발달에 공헌했다.[31]
1990년경부터 전력중앙연구소와 전력회사 등에서 수지 애자를 66,000볼트부터 275,000볼트까지의 고전압 송전망에 적용하기 위한 실용화 시험이 시작되었다. 같은 시기에 철도종합기술연구소 가쓰키 염해 시험장에서 철도 용도에 대한 시험도 실시되어, 1993년에는 도카이도 신칸센에서 사용이 시작되어 자기제에서 수지제로 교체가 진행되었다.[11]
참조
[1]
서적
絶縁・誘電セラミックスの応用技術
[2]
논문
Burning of Wooden Pins on High-Tension Transmission Lines
[3]
서적
絶縁・誘電セラミックスの応用技術
[4]
서적
絶縁・誘電セラミックスの応用技術
[5]
서적
セラミック工学ハンドブック第2版応用編
技報堂出版
[6]
서적
焼結セラミックス詳論4 ファインセラミックス
技報堂
[7]
웹사이트
あかりの再生 その3 碍子引き配線
http://www.kyomachiy[...]
2010-09-11
[8]
서적
絶縁・誘電セラミックスの応用技術
[9]
서적
ガラスハンドブック
朝倉書店
[10]
서적
絶縁・誘電セラミックスの応用技術
[11]
논문
Applications of polymeric outdoor insulation in Japan
[12]
서적
実践陶磁器の科学
内田老鶴圃
[13]
서적
絶縁・誘電セラミックスの応用技術
[14]
서적
窯業の事典
朝倉書店
[15]
논문
European Practice in the Construction and Operation of High-Pressure Transmission Lines and Insulators
[16]
논문
Development of the Porcelain Insulator
[17]
논문
History and bibliography of polymeric insulators for outdoor applications
[18]
서적
エポキシ樹脂ハンドブック
日刊工業新聞社
[19]
서적
文字符号の歴史 欧米と日本編
共立出版
[20]
서적
新版 電気の技術史
オーム社
[21]
서적
有田町史陶業編2
有田町
[22]
서적
逓信史要
逓信省
[23]
서적
日本碍子株式会社社史
日本碍子株式会社
[24]
서적
日本帝国政府電信頭第一報告書
[25]
서적
有田窯業の流れとその足おと: 香蘭社百年の歩み
香蘭社
[26]
서적
[27]
서적
東京電灯株式会社開業五十年史
東京電灯
[28]
서적
がいし
電気学会
[29]
서적
ノリタケ100年史
ノリタケカンパニーリミテド
[30]
서적
にっぽん電化史
日本電気協会新聞部
[31]
서적
近代日本の陶磁器業
[32]
서적
近代日本の陶磁器業
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