임계전압(Critical Voltage)은 전기 공학에서 특정 전기적 현상이 시작되거나 어떤 기준점에 도달하는 최소한의 전압 값을 의미하며, 문맥에 따라 다르게 사용될 수 있습니다. 일반적으로 전기 설비의 절연 성능과 관련된 맥락에서 사용될 때는 다음과 같은 두 가지 주요 의미를 가집니다.

임계전압(Critical Voltage)의 정의와 대책

임계전압(Critical Voltage)은 전기 공학에서 특정 전기적 현상이 시작되거나 어떤 기준점에 도달하는 최소한의 전압 값을 의미하며, 문맥에 따라 다르게 사용될 수 있습니다. 일반적으로 전기 설비의 절연 성능과 관련된 맥락에서 사용될 때는 다음과 같은 두 가지 주요 의미를 가집니다.

1. 절연파괴 임계전압 (Dielectric Breakdown Critical Voltage)
   • 정의: 절연 재료(고체, 액체, 기체)에 전압을 가했을 때, 그 절연체가 더 이상 절연 기능을 유지하지 못하고 전류가 흐르는 전도성 경로가 형성되기 시작하는 최소한의 전압 값입니다. 이 전압을 초과하면 절연파괴(Insulation Breakdown)가 발생합니다. 이 값은 해당 절연 재료의 **절연 내력(Dielectric Strength)**과 밀접하게 관련되어 있습니다.
   • 영향 요인: 절연 재료의 종류 및 두께, 전극의 형상(전계 분포), 온도, 습도, 압력(기체의 경우), 인가 전압의 파형 및 지속 시간, 절연체 내부의 결함이나 오염 여부 등에 따라 달라집니다.
2. 코로나 발생 임계전압 (Corona Onset Critical Voltage)
   • 정의: 공기나 다른 기체 매질 내에 있는 도체 표면 근처에서 전기장의 강도가 특정 값 이상이 될 때, 주변 기체가 부분적으로 이온화되면서 코로나 방전(Corona Discharge)이라는 미세한 방전이 시작되는 최소한의 전압 또는 전압 기울기 값입니다.
   • 영향 요인: 도체의 직경(크기가 클수록 임계전압 높아짐), 도체 표면 상태(매끄러울수록 높아짐), 공기의 밀도(온도, 압력, 고도), 습도, 도체 간의 간격 등에 따라 달라집니다.
   • 영향: 코로나 발생 시 에너지 손실, 전파 간섭, 소음(히싱 사운드), 오존 발생 등의 문제가 생기며, 심한 경우 절연 파괴의 전조 증상이 될 수 있습니다.

이 외에도 반도체 소자(예: MOSFET의 문턱 전압), 전력 시스템의 전압 안정도(Voltage Stability) 등에서도 '임계'라는 단어가 사용될 수 있으나, 일반적으로 전기 설비의 절연 관련 맥락에서는 위의 두 가지 의미로 주로 사용됩니다. 특히 절연파괴 임계전압은 장비의 절연 설계에 있어 가장 중요한 기준 중 하나입니다.

임계전압 관련 대책

임계전압과 관련된 문제(절연파괴 또는 코로나 발생)를 방지하기 위한 대책은 기본적으로 **'인가되는 전압을 임계전압 이하로 유지'**하거나 '임계전압 자체를 높이는(절연 내력을 강화하는)' 방향으로 이루어집니다.

1. 절연파괴 임계전압 관련 대책
   • 설계 단계:
     • 충분한 절연 거리 및 연면 거리 확보: 예상되는 운전 전압 및 이상 전압 수준에 맞는 법적/기술적 기준 이상의 충분한 이격 거리를 설계합니다.
     • 적절한 절연 재료 선정 및 두께 확보: 사용 환경과 전압 레벨에 맞는 충분한 절연 내력을 가진 재료를 선택하고 필요한 두께를 적용합니다.
     • 전계 집중 방지 설계: 도체의 모서리나 연결 부위 등 전기장이 집중되기 쉬운 부분을 부드럽게 처리하거나, 스트레스 콘 등 보조적인 수단을 사용하여 전계 분포를 균일하게 만듭니다.
   • 제작 및 시공 단계:
     • 고품질 제작: 절연체 내부에 기포, 이물질 등의 결함이 없도록 제조 공정을 철저히 관리합니다.
     • 정확한 시공: 케이블 종단 처리, 접속 작업 시 표준 절차를 준수하고 절연체 손상을 방지합니다.
     • 청결 유지: 시공 중 절연체 표면에 오염 물질이 묻지 않도록 관리합니다.
   • 운전 및 유지보수 단계:
     • 이상 전압 억제: 개폐 서지나 낙뢰 서지 등 시스템에 가해지는 이상 전압의 크기를 제한하기 위해 피뢰기(Surge Arrester)를 설치하고, 적절한 개폐 조작 절차를 준수합니다.
     • 환경 관리: 습기, 오염으로부터 절연체를 보호하기 위해 청결 상태를 유지하고 필요한 경우 방습/제습 대책을 적용합니다.
     • 정기적인 절연 진단: 절연 저항 측정, 부분 방전 측정, 유전 정접 측정, 내전압 시험(필요 시) 등을 통해 절연체의 상태를 주기적으로 점검하고 열화 징후 발견 시 조치합니다.
2. 코로나 발생 임계전압 관련 대책
   • 도체 형상 개선: 송전선로 등에서는 단일 굵은 도체 대신 여러 개의 가는 도체를 묶어서 사용하는 다도체 방식(Bundled Conductor)을 사용하여 도체 표면의 전계 집중을 완화하고 코로나 발생 임계전압을 높입니다.
   • 도체 표면 관리: 도체 표면을 매끄럽게 유지하고, 먼지, 물방울, 얼음 등이 부착되지 않도록 관리합니다.
   • 전압 관리: 선로의 운전 전압이 코로나 발생 임계전압보다 충분히 낮게 유지되도록 시스템을 설계하고 운전합니다.

요약하자면, 임계전압은 절연체가 버틸 수 있는 한계 전압이거나 특정 방전 현상이 시작되는 전압이며, 이를 초과하지 않도록 설계적으로 충분한 절연 강도를 확보하고, 운전 중 가해지는 전압 스트레스를 관리하며, 절연체의 열화나 손상을 방지하기 위한 유지보수를 철저히 수행하는 것이 핵심적인 대책입니다.