애자의 종류와 역할(insulator), 초호환 및 초호각(Arcing horn)

애자(碍子, insulator)는 송전선 등에서 전기를 절연하기 위해 사용되는 기구입니다. 또한 송전선뿐만 아니라 수배전반 내부에서도 절연을 위해 널리 사용되고 있습니다. 오늘은 이러한 애자의 종류와 역할 및 초호환(Arcing ring) 및 초호각(Arcing horn)에 대해서 말씀드리겠습니다. 

 

전선로용 애자는 구조와 용도에 따라서 핀애자, 현수애자, 장간애자 및 지지애자로 크게 나누어 볼 수 있습니다.

 

일반적으로 핀애자는 66KV이하의 전선로에 사용되고, 현수애자는 송전선에 널리 사용되고 있습니다. 장간애자는 특수한 장소에 사용되며, 지지애자 중 라인포스트 애자(LP애자)는 저전압의 송전선로에서 핀애자의 대용으로 사용되는 수가 있습니다. 

 

 

 

 

 

1. 핀애자(Pin Type Insulator)

핀애자(Pin type Insulator)

고압용 핀애자는 위의 왼쪽 그림과 같이 갓모양의 자기 또는 유리를 2~3층으로 해서 시멘트로 접합하고 철제 베이스로써 자기를 지지한 후 아연도금판을 박아서 원추형의 주철제 베이스를 통하여 완목위에 고정시키고 있습니다. 

 

핀애자는 현수애자와 달라서 한 개로 전선을 지지하게 되므로 전압에 따라서 자기의 크기, 층수, 절연층의 두께 등이 달라지지만 66kV를 초과하면 형태가 커지고 제작도 어려워지며, 또 기계적인 강도에도 한계가 있을 뿐 아니라 경년열화가 심해지므로 최근에는 33kV이하의 전선로에서만 주로 사용되고 있을 뿐입니다. 

 

 

 

 

 

2. 현수애자(Suspension Insulator)

현수애자는 원판형의 절연체 상하에 연결금구를 시멘트로 부착시켜 만든 것으로서 전압에 따라 필요 개수만큼 연결하여 사용합니다. 우리나라에서는 66kV이상의 모든 선로에는 거의 현수애자를 사용하고 있는데 위의 그림은 250mm 표준형의 현수애자의 구조를 보여줍니다. 

 

이중 (a)는 클레비스(Clevis) 형이고 (b)는 볼소켓(ball and socket) 형입니다. 과거에는 클레비스형을 주로 사용하였으나 활선작업(전선로에서 전압을 살려서 송전을 계속하면서 애자, 완목, 주상변압기 등을 보수 내지 교환하는 작업)등의 편리상 최근에는 볼 소켓형만 사용하고 있습니다. 

 

 

 

현수애자(Suspension Insulator)

 

절연체로서는 경질 자기나 경질유리를 사용하며 가단 주철제의 캡과 강제의 핀을 시멘트로 붙인 것입니다. 현수애자는 한 개 단독으로 사용하는 경우도 있으나 일반적으로는 수개 내지 10 수개를 쇠사슬 상태로 연결하고 이것을 철탑의 완금으로부터 현수 해서 그 최하단에 전선을 고착시키고 있습니다. 

 

현수애자에는 여러 가지 특수한 형태와 구조를 갖는 것이 있으나 일반적으로 사용되고 있는 것은 위 그림의 표준형입니다. 표준형에는 대형과 소형의 두 가지 종류가 있는데 소형은 자기, 즉 절연 측의 지름이 180mm, 대형은 250mm가 표준입니다. 

 

 

 

 

 

3. 장간애자(Long Rod Insulator)

장간애자(Long Rod Insulator)

 

장간애자는 위 사진과 같이 많은 갓을 가지고 있는 원통형의 긴 애자인데 속까지 꽉 찬 긴 자기편의 양단에 연결용 금구로서의 캡을 시멘트로 고착시킨 막대기형 현수애자의 일종으로서 사용전압이나 필요강도에 따라 자기체의 구조 및 연결개수를 변화할 수 있도록 하고 있습니다.

 

장간애자는 경년열화가 적고 표면 누설거리가 비교적 길어서 염분에 의한 애자소손이 적은 데다가 씻기가 쉽고, 또 내무성도 좋고 보안점검이 용이하다는 점 등으로 내염 내무 애자로서 널리 사용되고 있습니다. 

 

 

 

 

 

4. 포스트 애자(Post Insulator)

라인포스트 애자(Line Post Insulator, LP애자)

포스트 애자는 발전소, 변전소 또는 개폐소의 모선, 단로기 기타의 기기를 지지하거나 연가용 철탑에서 점퍼선을 지지하기 위해서 쓰이고 있는데 그중 전선로용으로 라인 포스트 애자(Line Post Insulator, LP애자)가 그 대표적인 것입니다. 

 

이것은 위 그림에 나타낸 것처럼 장간애자와 거의 비슷한 모양의 자기봉의 상단부에 핀애자와 같은 도선홈과 바인드선 흠을 두고 하단에는 교차시키기 위한 핀과 베이스 금구를 시멘트로 접착한 것입니다. 

 

LP애자는 장간애자와 같은 장점을 구비하고 있기 때문에 77kV이하의 송전선로 등에 사용되고 있습니다. 

 

 

 

 

 

5. 애자의 전압분포

좌: 애자련의 등가회로,   우:애자련의 전압분포

현수애자는 몇 개씩을 직렬로 연결해서 사용하는 것이 일반적이기 때문에 여기서는 주로 애자련의 전압분포에 대해서 설명드리겠습니다. 

 

애자련의 각 애자는 자체의 정전용량 Cm [pF] 외에 애자금구와 철탑(대지), 금구와 전선과의 사이에 각각 Ce [pF], Cd [pF]의 정전용량을 가지고 있으므로 그 등가회로는 위 그림과 같이 됩니다. 

 

따라서 각 애자의 전압분담은 균등하지 않고 위 그림에 나타난 것처럼 곡선으로 되어 전선에 가장 가까운 애자가 가장 분담비가 크고 중간의 것은 낮고 지지물에 가까운 것은 약간 커지고 있습니다. 

 

이와 같이 각 애자의 분담전압은 서로 다르기 때문에 애자의 수를 늘린다고 해서 그 개수에 비례해서 애자련의 전역내력이 증가한다는 것은 아닙니다. 한편, 이와 같이 전압분포가 불평등할 경우에는 분담비가 작은 애자에 비해서 분담비가 큰 애자 쪽이 그만큼 더 열화 되기 쉬우므로 애자 전체로서의 이용률은 저하하게 됩니다. 

 

 

 

초호환 (Arcing ring)

후술 하는 초호환을 설치하면 전압분포가 개선됩니다. 또, 인가전압을 증대해 가면 전압분담비가 큰 전선 측의 애자에 코로나가 발생해서 애자 자체의 외견상의 정전용량이 약간 증가하게 되므로 전압분포가 개선되어 섬락 직전에서는 전압분포가 거의 균등하게 되고 있습니다. 

 

 

 

이러한 효과를 더 높이기 위해서 전선 측에 이른바 초호환(Arcing ring) 또는 초호각(Arcing horn)을 붙여서 전선에 대한 정전용량(Cd)을 늘리도록 하고 있다. 또, 이들 초호환, 또는 초호각은 위의 목적 외에 선로의 섬락시 애자가 열적으로 파괴되는 것을 막는 데에도 효과가 있습니다. 

 

 

 

좌: 초호각(Arcing horn),   우:초호환(Arcing ring)

위 그림은 이들의 개요를 보인 것인데 가령 전선이 낙뢰 등으로 애자련에 이상전압이 생겨서 섬락이 발생하였을 경우 이들 초호환 또는 초호각 사이에서 아크가 직접 연결되어서 자기 부에는 아무런 손상을 입히지 않도록 하고 있습니다. 

 

 

 

 

 

 

오늘은 애자의 종류와 역할(insulator), 초호환 및 초호각(Arcing horn)에 대해서 알아보았습니다. 오늘의 글이 전기에 대해서 입문하시는 분들이나 관심이 있는 분들께 도움이 되었으면 좋겠습니다. 감사합니다.