서브노트 300제 · 6번 · 중요도 ★★
주제: 전기재료의 고유특성 — 고분자 전기재료 유전특성(분극·유전손실) / 4대 특성(유전율·투자율·도전율·저항률)
1. 서론
1) 의의
- 전기재료는 전계·자계·전류에 대한 반응에 따라 도전재료·절연(유전)재료·자성재료로 나뉘며, 그 성질은 유전율·투자율·도전율·저항률의 4대 고유특성으로 표현됨
- 이 물성값에 형상(면적·길이·간격)을 곱하면 회로정수 C·L·G·R이 되므로, 케이블·변압기·접지 설계의 출발점이 됨
- 최근 124·126·133·139회에 연속 출제되어 1교시 10점·3교시 25점 모두에 대비해야 하는 주제임
2) 구성
- 2장: 고분자 전기재료 특성 — 고분자 절연재료 종류, 유전분극 4종류, 유전손실(tanδ)과 영향인자
- 3장: 4대 특성 — 유전율·투자율·도전율·저항률의 정의, 회로정수 대응, 재료 분류, 온도특성과 실무 적용
- 4장: 결론 — 재료특성 정리와 실무 대응
2. 고분자 전기재료 특성
1) 고분자 절연재료 개요
- 고분자(Polymer)는 단량체가 반복 결합한 거대분자로, 가볍고 가공성·절연성이 우수해 케이블 절연체·몰드 변압기·애자·절연지지물에 널리 쓰임
- 요구 조건: 절연저항 높음 · 유전손실 작음 · 내전압(절연파괴강도) 큼 · 열적 안정성 · 기계적 강도 (절유내열기)
| 재료 |
분자 구조 |
비유전율 εr (IEC 60287 계산값) |
특징·용도 |
| PE (폴리에틸렌) |
비극성 |
2.3 |
유전손실 매우 작음, 내열성 낮음(열가소성) |
| XLPE (가교 폴리에틸렌) |
비극성(가교) |
2.5 |
PE를 가교해 내열성 향상(상시 90 ℃), 고압·특고압 케이블 주력 |
| EPR (에틸렌프로필렌 고무) |
비극성 + 충전제 |
3.0 |
유연성·내수트리성 우수, 이동용·선박용 |
| PVC (폴리염화비닐) |
극성 |
8.0 |
유전손실 큼, 저압 전선·시스 위주, 연소 시 염화수소 발생 |
| 에폭시 수지 |
극성(열경화성) |
— |
몰드 변압기·부싱·절연 지지물 |
2) 유전분극의 4가지 종류
- 유전분극: 전계를 가하면 유전체 내부 전하가 미소 변위해 쌍극자가 생기는 현상 → 분극이 클수록 비유전율이 큼
- 분극 종류(응답 빠른 순): 전자 · 이온 · 배향 · 계면 (전이배계)
| 분극 종류 |
발생 원리 |
응답 주파수 |
해당 재료 |
| 전자 분극 |
원자핵과 전자구름의 상대 변위 |
~10¹⁵ Hz (광 영역) |
모든 물질 |
| 이온 분극 |
양·음이온의 상대 변위 |
~10¹² Hz (적외선 영역) |
이온결합 결정, 세라믹 |
| 배향 분극 |
영구 쌍극자가 전계 방향으로 회전·정렬 |
상용~고주파 (온도 영향 큼) |
PVC 등 극성 고분자, 물 |
| 계면 분극 |
이종 재료 경계에 전하 축적 |
저주파 (수 Hz 이하~) |
복합절연물, 수분·불순물 포함 절연체 |
- 주파수가 높아지면 느린 분극부터 따라가지 못해 εr이 계단식으로 감소하고, 각 천이 구간에서 유전손실이 최대가 됨
- 비극성 고분자(PE·XLPE)는 전자 분극 위주라 εr·tanδ가 작고 주파수·온도 의존성이 작음 → 고압 케이블에 유리함
3) 유전손실(tanδ)과 영향인자
- 교류 전압에서 유전체 전류는 전압보다 90°가 아닌 (90° − δ) 앞섬 → δ를 유전손실각, tanδ를 유전정접이라 함
- 유전손실: W = ω·C·V²·tanδ = 2πf·C·V²·tanδ [W] → 주파수·정전용량·전압의 제곱에 비례함
- 계산 예(가정값): 22.9 kV 케이블, C = 0.3 μF/km, tanδ = 0.001 → 상당 W = 377 × 0.3×10⁻⁶ × (22,900/√3)² × 0.001 ≈ 19.8 W/km
| 영향인자 |
유전특성 변화 |
실무 영향 |
| 주파수 |
천이 구간에서 tanδ 증가 |
고조파·고주파 서지 시 발열 증가 |
| 온도 |
극성 재료는 온도 상승 시 tanδ 급증 |
발열 → tanδ 증가 → 재발열의 열폭주 위험 |
| 수분 |
계면 분극·이온 전도 증가로 εr·tanδ 증가 |
수트리 발생, 절연저항 저하 |
| 열화 |
산화·트리잉으로 tanδ 증가 |
tanδ 측정을 절연열화 진단 지표로 활용 |
- 열화 진단: tanδ 측정·부분방전(PD) 측정·절연저항(IR) 측정을 병행하여 고분자 절연체 상태를 평가함
3. 4대 특성(유전율·투자율·도전율·저항률)
1) 4대 고유특성 정의
- 4대 특성: 유전율 · 투자율 · 도전율 · 저항률 (유투도저)
| 구분 |
기호·단위 |
정의 |
진공값·대표값 |
| 유전율 |
ε = ε0·εr [F/m] |
전계 속에서 전하(전속)를 축적하는 정도, D = εE |
ε0 ≈ 8.854×10⁻¹² F/m, XLPE εr 2.5 |
| 투자율 |
μ = μ0·μr [H/m] |
자계 속에서 자속을 통과시키는 정도, B = μH |
μ0 ≈ 4π×10⁻⁷ H/m, 규소강판 μr 수천 |
| 도전율 |
σ [S/m] |
전류를 흘리는 능력, J = σE |
IACS 100% 구리 58×10⁶ S/m (20 ℃) |
| 저항률 |
ρ = 1/σ [Ω·m] |
전류 흐름을 방해하는 정도, R = ρ·l/S |
구리 1.724×10⁻⁸ Ω·m, 알루미늄 2.65×10⁻⁸ Ω·m |
- ※ 2019년 SI 재정의 이후 μ0는 정의값이 아닌 측정값(약 1.25663706×10⁻⁶ H/m)이 되었으나 실무상 4π×10⁻⁷와 동일하게 사용함
- 관계식: 진공 중 광속 c = 1/√(μ0·ε0) ≈ 3×10⁸ m/s → 유전율과 투자율이 전자파 속도를 결정함(5번 주제와 연계)
2) 회로정수와의 대응
| 고유특성 |
회로정수 |
관계식 |
적용 예 |
| 유전율 ε |
정전용량 C |
C = ε·S / d |
케이블 충전전류, 콘덴서 용량 |
| 투자율 μ |
인덕턴스 L |
L = μ·N²·S / l |
변압기·리액터 철심 설계 |
| 도전율 σ |
컨덕턴스 G |
G = σ·S / l |
누설전류, 절연저항의 역수 |
| 저항률 ρ |
저항 R |
R = ρ·l / S |
전선 굵기 선정, 접지저항 |
- 대응 암기: 유C · 투L · 도G · 저R (유C 투L 도G 저R) — 회로정수 = 물성 × 형상
3) 재료 분류
| 분류 기준 |
구분 |
특성 |
예 |
| 저항률 ρ |
도체 |
약 10⁻⁸~10⁻⁶ Ω·m, 자유전자 많음 |
은·구리·알루미늄 |
| |
반도체 |
도체와 절연체의 중간, 온도·불순물에 민감 |
실리콘·게르마늄 |
| |
절연체 |
약 10⁸ Ω·m 이상, 자유전자 거의 없음 |
유리·고무·XLPE |
| 비투자율 μr |
강자성체 |
μr ≫ 1, 자화 강함·히스테리시스 있음 |
철·니켈·코발트(철심) |
| |
상자성체 |
μr이 1보다 약간 큼 |
알루미늄·백금 |
| |
반자성체 |
μr이 1보다 약간 작음 |
구리·은·비스무트 |
- 자성체 분류: 강자성 · 상자성 · 반자성 (강상반) — 철심에는 강자성체(규소강판·아몰퍼스)를 사용함
4) 저항률의 온도특성과 실무 적용
- 금속(도체)은 온도 상승 시 격자 진동이 커져 저항이 증가함(정(+)의 온도계수), 반도체·절연체는 반대로 감소함(부(−)의 온도계수)
- 온도 환산식: R₂ = R₁[1 + α₁(t₂ − t₁)], 구리 α₂₀ ≈ 0.00393 /℃
- 계산 예: 구리 도체 20 ℃ → 75 ℃ 환산 시 R₇₅/R₂₀ = 1 + 0.00393 × 55 ≈ 1.22배 → 전압강하·손실 계산 시 운전온도 저항을 적용해야 함
- 저항률 영향인자: 온도 · 불순물 · 가공(냉간가공) · 결정구조 (온불가결)
| 적용 분야 |
관련 특성 |
설계 포인트 |
| 전선·부스바 |
도전율 σ, 저항률 ρ |
구리·알루미늄 선정, 온도 보정 저항으로 전압강하 계산 |
| 케이블 절연 |
유전율 ε, tanδ |
εr·tanδ 작은 XLPE 적용 → 충전전류·유전손실 저감 |
| 변압기·리액터 |
투자율 μ |
고투자율·저손실 규소강판·아몰퍼스 철심으로 여자전류·철손 저감 |
| 접지 |
대지저항률 ρ |
대지저항률 측정(웨너 4전극법) 후 전극 형상·깊이 결정 |
| 전자파 차폐 |
도전율 σ, 투자율 μ |
고주파는 도전성 차폐(구리), 저주파 자계는 고투자율 차폐 |
4. 결론
- 전기재료 특성은 분극(전이배계) → 유전율·유전손실, 4대 특성(유투도저) → 회로정수 C·L·G·R의 흐름으로 정리됨
- 성패는 각 특성의 정의식·단위·대표값을 정확히 쓰고, 이를 케이블·변압기·접지 설계와 연결해 설명하는 데 달려 있음
- 실무에서는 저손실 절연재 선정, 운전온도 저항 보정, tanδ 기반 열화진단으로 재료특성을 설비 신뢰성에 반영해야 함
참고 및 출처
※ 법령·기준은 개정될 수 있으므로 최신 규정을 확인할 것.