정의 및 개요
코로나 현상이란 송전선로의 전압이 일정 수준(임계전압) 이상으로 상승했을 때, 도체 표면의 전위경도가 공기의 절연 내력을 초과하여 도체 주변의 공기가 부분적으로 절연 파괴되는 현상을 말한다. 이때 백색의 빛을 내며 ‘치익’ 하는 소음이 발생하고 오존 가스가 생성되는 것이 특징이다.
기술사 시험에서는 주로 송전 효율 저하와 통신선 유도장해 관점에서 출제되며, 특히 초고압 송전망 설계 시 복도체 채택의 타당성을 논하는 핵심 근거로 다뤄진다. 실무적으로는 전력 손실 증대뿐만 아니라 가청 소음으로 인한 민원 발생이 주요 쟁점이 된다.
발생 메커니즘과 조건
전선 표면의 전계 강도가 공기의 절연 파괴 강도인 약 30kV/cm(표준 상태)를 넘어서게 되면, 도체 주변의 공기 분자가 이온화되기 시작한다. 전압이 더 높아지면 전자는 가속되어 주변 분자와 충돌하며 연쇄적인 전자 방출을 일으키고, 이것이 국부적으로 방전되는 형태가 바로 코로나 방전이다.
발생에 영향을 주는 주요 요인은 다음과 같다. 첫째는 도체의 반지름으로, 반지름이 작을수록 표면 전위경도가 급격히 증가하여 발생하기 쉽다. 둘째는 선간 거리이며, 거리가 멀어질수록 전계 분포가 완만해져 임계전압이 상승한다. 셋째는 기상 상태로, 비나 눈이 올 때 도체 표면에 수적(물방울)이 형성되면 국부적으로 전계가 집중되어 방전 전압이 크게 낮아진다.
임계전압 산출 및 계산 예제
코로나 임계전압 Ec는 방전이 시작되는 최저 전압을 의미하며, 일반적으로 Peek의 실험식을 통해 산정한다. 수식은 다음과 같다.
Ec = m0 · m1 · δ · E0 · r · ln(D / r) [kV]
여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다. m0는 도체 표면계수(매끄러운 구리 1.0), m1은 날씨 계수, δ는 공기의 밀도 계수이며, E0는 공기 파열극한전위경도(21.1 kV/cm), r은 도체의 반지름(cm), D는 전선 간의 거리(cm)를 나타낸다.
[계산 예제]
조건: 맑은 날씨(m0=1, m1=1, δ=1), 도체 반지름 r = 3 cm, 선간 거리 D = 30 cm인 경우의 코로나 임계전압 Ec를 구하시오.
풀이:
Ec = 1 · 1 · 1 · 21.1 · 3 · ln(30 / 3)
Ec = 63.3 · ln(10) ≈ 63.3 · 2.302
Ec ≈ 145.7 kV
결과적으로 이 전선로의 대지전압이 약 146kV를 초과하면 코로나 현상이 발생하기 시작한다.
영향 및 방지대책
코로나 현상이 지속되면 송전 효율 면에서 전력 손실이 증가하며, 이는 곧 경제적 손실로 이어진다. 또한 방전 시 발생하는 고조파 성분이 인근 통신선에 전자기 유도장해를 일으켜 통신 품질을 저하시키고, 가청 소음과 오존 발생으로 환경 문제를 야기한다.
이를 방지하기 위한 대책은 기본적으로 도체 표면의 전위경도를 낮추는 방향으로 진행된다.
- 복도체 채택: 2가닥 이상의 도체를 일정 간격으로 배치하여 등가 반지름을 크게 함으로써 임계전압을 높인다.
- 도체 굵기 증가: 단일 도체 사용 시 더 굵은 전선을 사용하여 표면 전계를 완화한다.
- 선간 거리 확대: 철탑의 설계를 변경하여 전선 사이의 거리를 넓힌다.
- 코로나 링 설치: 애자금구 등 전계가 집중되는 부위에 링을 설치해 전계를 분산시킨다.
핵심 요약
코로나 현상은 도체 표면의 전위경도가 공기의 절연 내력을 초과하여 발생하는 국부적 방전 현상으로, 복도체 채택을 통해 등가 반지름을 키워 임계전압 Ec를 높이는 것이 핵심 방지책이다. 특히 초고압 계통에서는 송전 손실 감소와 유도장해 방지를 위해 필수적으로 고려되어야 하며, 기상 상태(m1)와 공기 밀도(δ)에 따라 변동성이 크다는 점을 유의해야 한다.