KR100993595B1 - 임피던스 저감형 탄소 접지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 저항체의 외측으로 통전되는 낙뇌전류를 신속하게 대지로 방전시킬 수 있는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈에 관한 것으로, 길이방향을 따라 연장형성되는 탄소 저항체; 상기 탄소 저항체의 횡단면 중심부에 상기 길이방향으로 설치되는 전도성 심봉; 상기 탄소 저항체의 외측면 둘레에 대하여 밀착한 상태로 감싸는 방전부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하므로, 탄소 저항체의 표면효과에 따른 전류가 보다 신속하게 대지로 방전되는 효과가 있다.
또한, 상기 방전부재에 의해 상기 탄소 저항체가 파손되는 것을 억제시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

임피던스 저감형 탄소 접지모듈{CARBON GROUNDING MODULE FOR IMPEDANCE REDUCTION TYPE}

본 발명은 임피던스 저감형 탄소 접지모듈에 관한 것으로, 특히 탄소 저항체의 외측으로 통전되는 낙뢰전류를 신속하게 대지로 방전시킬 수 있는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 접지 장치(grounding device)는 통신 장비, 전자 계측 장비, 피뢰 장치 및 전력 장비 등을 전기적으로 대지와 연결시켜 장비에 작용하는 과부하나 낙뢰 등에 의한 서지 전압을 지상으로 흘려 보낼 수 있도록 하는 장치를 가리킨다.

접지 장치의 일 예가 한국등록특허 제10-0610604호(이하, '종래기술'이라 함)에 개시되어 있으며, 이 종래기술에 따른 접지 장치에서는 전기 전도성이 우수한 흑연 등의 탄소계 비금속 광물과 전해질로 구성된 저 저항체 내부에 금속재 심봉이 박힌 형태의 임피던스 저감형 탄소 접지모듈이 사용되었다.

한편, 낙뢰를 형성하는 뇌운의 경우, 계절에 따라 예를 들면, 하절기에 (-)전하를 과도하게 포함하거나 동절기에 (+)전하를 과도하게 포함하게 되는데, 이와 같이 낙뢰가 발생할 경우 종래기술의 임피던스 저감형 탄소 접지모듈은 전기 전도성이 우수하기 때문에 하절기에는 뇌운의 (-)전하를 급격하게 대지로 유입시키고, 동절기에는 대지의 (-)전하를 뇌운으로 급격하게 유출시킨다.

그러나, 종래기술에 따른 탄소 접지모듈의 경우, 흑연 소재 등을 사용하여 낮은 접지저항을 유지하여 구리 동봉보다는 뛰어난 접지특성으로 서지 전압을 대지로 신속히 전달할 수 있었으나, 탄소 접지모듈과 대지와의 급격한 저항 차이에 의해 방전 작용이 정체되는 장애 현상이 있었다.

이러한 장애 현상으로 인하여 외측으로 전도되는 전류 주파수의 흐름이 지체되면서 역서지전압이 발생되는 문제점이 있었다.

더욱이, 전도된 전류의 주파수 흐름이 지체될 경우, 탄소 저항체의 내부에 균열이 발생되어 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 탄소 저항체의 표면으로 전도되는 뇌전류가 정체되지 않고 신속하게 대지로 방전되는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소 저항체가 뇌전류에 의해 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈을 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈은, 길이방향을 따라 연장형성되는 탄소 저항체;

상기 탄소 저항체의 횡단면 중심부에 상기 길이방향으로 설치되는 전도성 심봉;

상기 탄소 저항체의 외측면 둘레에 대하여 밀착한 상태로 감싸는 방전부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방전부재는 외부 형상에 대응하여 변형 가능한 금속 시트와,

상기 금속 시트의 외측면을 감싼 상태에서 체결하는 클램프로 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 방전부재는 상기 탄소 저항체의 저항값보다 작은 스테인레스, 동 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속 시트에는 표면을 관통하는 다수의 관통공이 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 클램프는 소정의 길이를 가지는 띠의 형태로써, 이 띠의 일단에는 체결용 스크류나사를 구비한 체결부가 설치되고, 타단에는 상기 스크류나사에 대응하는 상태로 접하는 나사부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소 저항체의 둘레방향 외측면에는 일정한 간격을 두고 내측으로 함몰되는 복수의 골이 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 탄소 저항체의 횡단면 내부에는 길이방향을 따라 복수의 홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 심봉은 구리, 스테인레스 또는 동 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 탄소 저항체의 길이방향 외면 둘레 전체에는 탄소 저항체 보다 전도율이 좋은 방전부재가 설치됨으로써, 탄소 저항체의 표면효과에 따른 전류가 보다 신속하게 대지로 방전되는 효과가 있다.

또한, 상기 방전부재에 의해 상기 탄소 저항체가 파손되는 것을 억제시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1는 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈에 의한 전류 분류율을 측정하기 위한 실험계를 나타내는 구성도이다.
도 5a는 탄소 0%의 탄소 저항체에 대한 임피던스 저감형 탄소 접지모듈의 주파수별 분류 전류량을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 탄소 10%의 탄소 저항체에 대한 임피던스 저감형 탄소 접지모듈의 주파수별 분류 전류량을 나타낸 그래프이다.
도 5c는 탄소 20%의 탄소 저항체에 대한 임피던스 저감형 탄소 접지모듈의 주파수별 분류 전류량을 나타낸 그래프이다.
도 5d는 탄소 20%의 탄소 저항체에 대한 임피던스 저감형 탄소 접지모듈의 주파수별 분류 전류량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 탄소 저항체의 탄소 함유량과 주파수별 분류율(I3/I1)을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈(1000)은 길이방향을 따라 연장형성되는 탄소 저항체(100)와, 상기 탄소 저항체(100)의 횡단면 중심부에 상기 길이방향을 따라 설치되는 전도성 심봉(200)과, 상기 탄소 저항체(100)의 외측면 둘레에 대하여 밀착한 상태로 감싸는 방전부재(300)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 탄소 저항체(100)는 원통형 또는 다각형의 형태로 이루어지되, 그 둘레방향을 따라 외측면에는 일정한 간격을 두고 내측으로 함몰되는 복수의 골(110)이 형성되어 있다.

또한, 상기 탄소 저항체(100)의 횡단면 내부에는 길이방향을 따라 복수의 홀(120)이 관통 형성될 수 있다.

상기 홀(120)은 탄소 저항체(100)가 지면에 매립되었을 때 수분 흡수력과 습도 유지력을 향상시키는 역할을 수행한다.

상기 탄소 저항체(100)는 주성분인 흑연을 결합제와 혼합하여 형성할 수 있으며 그 구체적인 제조방법은 한국등록특허 제0610604호 등에 개시되어 있다.

예컨대, 상기 탄소 저항체(100)는 83wt%의 흑연과 결합제인 17wt%의 타르(tar)로 구성될 수 있다.

이와 같은 탄소 저항체(100)의 구성에 의해 전기 전도도가 약 99%에 이르도록 할 수 있다.

이와 같이, 상기 탄소 저항체(100)는 저 저항성을 가지는 흑연을 주재료로 구성됨에 따라 낙뢰와 같은 서지 전압을 신속하게 대지로 전달할 수 있다.

상기 심봉(200)은 전도성이 우수한 구리, 스테인레스 또는 동 등이 사용될 수 있다.

상기 심봉(200)은 상기 탄성 저항체(100)를 성형하는 과정에서 일체로 형성하되 그 횡단면의 중심부에 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 방전부재(300)는 상기 탄소 저항체(100)의 외측면 둘레에 밀착한 상태로 감싸는 것으로, 상기 탄소 저항체(100)의 외측 표면으로 전도되는 전류를 보다 신속하게 대지로 전달하는 매개체의 역할을 수행할 뿐만 아니라 외부 요인에 의해 손상되거나 전류 주파수에 의해 파손되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.

구체적으로, 상기 방전부재(300)는 외부 형상에 대응하여 변형이 용이하도록 플렉시블한 구조의 금속 시트(310)와, 상기 금속 시트(310)의 외측면을 감싸서 체결하는 클램프(320)로 구성된다.

상기 클램프(320)는 소정의 길이를 가지는 띠의 형태로써, 이 띠의 일단에는 체결용 스크류나사(321a)를 구비한 체결부(321)가 설치되고, 타단에는 상기 스크류나사(321a)에 대응하는 상태로 접하는 나사부(322)가 형성된다.

따라서, 띠의 타단이 원주방향으로 굴곡되어 일단에 형성된 체결부(321)에 끼워진 상태에서 상기 스크류나사(321a)를 일방향으로 회전시키면, 상기 스크류나사(321a)와 접하는 나사부(322)가 이동하는 과정에서 띠가 조여지게 되므로 안정적인 체결상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 해체가 가능한 장점이 있다.

특히, 상기 방전부재(300)는 상기 탄소 저항체(100)의 저항값보다 작은 저항값을 가지는 스테인레스나 동 등의 소재로 제작하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속 시트(310)에는 다수의 관통공(311)이 형성되어 탄성 저항체(100)가 노출되도록 하는 것이 좋다.

이는, 대지의 흙이 관통공(311) 내로 유입되어 방전을 위한 접지면적을 한층 높일 수 있기 때문이다.

이하, 상기 본 발명에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈(1000)의 작용을 설명한다.

먼저, 상기 심봉(200)으로 낙뢰전류가 인가되면 낙뢰전류의 일부는 탄소 저항체(100)를 관통하는 심봉(200)을 따라 흐르게 된다.

이 과정에서 낙뢰전류의 일부는 심봉(200)과 직접 접하는 하단부에서 대지로 방전이 이루어지게 되고, 낙뢰전류의 다른 일부는 심봉(200)과 접하는 탄소 저항체(100)로 전도되어 그 표면과 접하는 대지로 방전된다. 이때, 상기 탄소 저항체(100)의 외면 둘레에는 탄소 저항체(100)보다 전도율이 더 높은 방전부재(300)가 접촉함으로써, 상기 탄소 저항체(100)의 표면으로 흐르는 전류를 보다 신속하게 대지로 방전시킬 수 있다.

도 4에는 본 발명에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈에 의한 전류 분류율을 측정하기 위한 실험계를 나타내는 구성도이다. 이 경우, 심봉(200)과 방전부재(300)는 스테인레스의 재료를 사용했다.

도 5a는 탄소 0%의 탄소 저항체에 대한 임피던스 저감형 탄소 접지모듈의 주파수별 분류 전류량을 나타낸 그래프이다. 파형에서 보는 바와 같이 분류되는 전류들이 위상차가 발생하지만 동위상에서 출력전류의 합이 입력전류와 같다.

그리고 전류 주파수의 경우에는 약 100kHz에서부터 급격히 분류가 일어나며, 700kHz이상에서는 외부의 도체에 더 많은 전류가 흐르는 것으로 나타났다.

도 5b는 탄소가 함유되면서 더 낮은 주파수에서부터 분류가 일어남을 확인하였다.

즉, 70kHz 이상의 주파수에서는 외부에 더 많은 전류가 흐르기 시작하며, 1MHz에서는 약 60% 이상의 전류가 외부 도체를 통하여 흐르는 것으로 나타났다.

도 5c의 경우, 탄소의 함유량이 증가하면서 도전성이 증가하기 때문에 저주파에서도 전류가 분류되어 흐르며, 20kHz 이상에서는 외부의 도체에 더 많은 전류가 흐르는 것을 알 수 있다.

도 5d는 1kHz 저주파에서도 약 30%정도의 전류가 분류되어 흐르는 것으로 나타났다. 20kHz에서는 약 70%정도의 전류가 외부 도체를 통하여 흐르지만 1KHz에서는 약 60%의 전류가 외부 도체를 통하여 분류되어 흐르는 것으로 나타났다.

종합적으로 도 6은 탄소 저항체의 탄소 함유량과 주파수별 분류율(I3/I1)을 나타내는 그래프이다.

도시한 바와 같이, 탄소 저항체(100)를 구성하는 탄소의 함유량이 높을수록 도전성이 증가하기 때문에 저주파수에서 분류되어 흐르는 전류가 더 많아지는 것을 알 수 있다.

즉, 탄소의 함유량이 많아질수록 탄소 저항체의 전기 저항은 작아지고, 이 전기 저항이 작을수록 표피효과(skin effect)가 빠르게 진행되어 전류의 분류가 더 활발하게 이루어진다.

더욱이, 본 발명에 따른 임피던스 저감형 탄소 접지모듈(1000)에는 탄소 저항체(100)보다 전기전도도가 우수한 금속의 방전부재(300)가 추가적으로 설치됨으로써, 낮은 주파수 대역에서의 표피효과에 의한 낙뢰전류를 신속하게 대지로 흘려보낼 수 있기 때문에 역서지 전압이 발생되는 것을 근본적으로 차단시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 통상의 접지 전도체는 수시로 파장의 낙뢰전류를 대지로 신속하게 방전시키는 것으로, 낙뢰전류는 수 kHz ~ 수 MHz 대역의 고주파 성분을 함유하게 된다.

상기 고주파 성분이 함유된 낙뢰전류가 접지 전도체를 통과하게 되면, 상기 접지 전도체의 구조와 낙뢰전류의 주파수에 의하여 접지 전도체는 저항 성분과 리액턴스 성분(X_L)의 조합이 임피던스에 의하여 낙뢰전류의 흐름을 방해하는 저항체로 작용 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 리액턴스 성분(X_L)을 상쇄시킬 수 있는 캐패시턴스 성분(X_C)을 임피던스 저감형 탄소 접지모듈(1000)에 갖게 함으로써, 리액턴스 성분(X_L)과 캐패시턴스 성분(X_C)의 합에 의하여 접지 전도체의 임피던스를 최소화하고자 함에 있다.

즉, 임피던스 저감형 탄소 접지모듈(1000)은 심봉(200), 상기 심봉(200)을 감싸는 탄소 저항체(100)와, 상기 탄소 저항체(100)를 감싸는 금속의 방전부재(300)를 구성함으로써, 심봉(200)과 방전부재(300) 사이의 탄소 저항체(100)가 유전체층 역할을 수행하는 캐패시턴스 성분(X_C)을 가지게 됨으로써, 낙뢰전류 입력시

라는 관계가 성립된다. 즉, X_L와 X_C를 상쇄시켜 탄소 저항체(100) 전체의 임피던스가 저감됨으로써 낙뢰전류가 원활하게 대지로 방전되는 것이다.

100 : 탄소 저항체
110 : 골
120 : 홀
200 : 심봉
300 : 방전부재
310 : 금속 시트
311 : 관통공
320 : 클램프

Claims (8)

1. 길이방향을 따라 연장형성되는 탄소 저항체;
   상기 탄소 저항체의 횡단면 중심부에 상기 길이방향으로 설치되는 전도성 심봉;
   상기 탄소 저항체의 외측면 둘레에 대하여 밀착한 상태로 감싸는 방전부재를 포함하며,
   상기 방전부재는,
   외부 형상에 대응하여 변형 가능한 금속 시트와,
   상기 금속 시트의 외측면을 감싼 상태에서 체결하는 클램프로 구성되되,
   상기 클램프는 소정의 길이를 가지는 띠의 형태로써, 이 띠의 일단에는 체결용 스크류나사를 구비한 체결부가 설치되고, 타단에는 상기 스크류나사에 대응하는 상태로 접하는 나사부가 형성된 것을 특징으로 하는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 방전부재는 상기 탄소 저항체의 저항값보다 작은 스테인레스, 동 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 금속 시트에는 표면을 관통하는 다수의 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 탄소 저항체의 둘레방향 외측면에는 일정한 간격을 두고 내측으로 함몰되는 복수의 골이 형성된 것을 특징으로 하는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈.
   
7. 길이방향을 따라 연장형성되는 탄소 저항체;
   상기 탄소 저항체의 횡단면 중심부에 상기 길이방향으로 설치되는 전도성 심봉;
   상기 탄소 저항체의 외측면 둘레에 대하여 밀착한 상태로 감싸는 방전부재를 포함하며,
   상기 탄소 저항체의 둘레방향 외측면에는 일정한 간격을 두고 내측으로 함몰되는 복수의 골이 형성되고, 상기 탄소 저항체의 횡단면 내부에는 길이방향을 따라 복수의 홀이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈.
   
8. 길이방향을 따라 연장형성되는 탄소 저항체;
   상기 탄소 저항체의 횡단면 중심부에 상기 길이방향으로 설치되는 전도성 심봉;
   상기 탄소 저항체의 외측면 둘레에 대하여 밀착한 상태로 감싸는 방전부재를 포함하며,
   상기 탄소 저항체의 둘레방향 외측면에는 일정한 간격을 두고 내측으로 함몰되는 복수의 골이 형성되고,
   상기 심봉은 구리, 스테인레스 또는 동 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 임피던스 저감형 탄소 접지모듈.
   

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