KR101000484B1 - 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빠른 서지(Surge) 유입대비 낮은 전압에서도 방전소자가 방전 갭 내부에 봉입된 주입물질에 전리현상을 촉발시킬 수 있도록 한 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 제어장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 선로 측의 보호회로(MOV)와 연동하는 서지보호기의 유전체 외부에 방전제어전극과 연결된 커패시터 병렬회로가 구비된 방전소자와 상기 방전소자에 고전압을 인가하기 위한 고압트랜스포머를 구성하여 정상파에서는 서지보호기인 방전소자를 보호하며, 매우 빠른 서지유입 시에는 낮은 전압에서도 방전소자의 전리현상을 촉발시키며 커패시터를 통해 미소전류를 흘려 방전소자의 잔류 전압특성을 개선시키는 특징이 있다. 또한, 종래의 기술과 전혀 다른 새로운 방전제어전극을 갖는 방전소자를 제공하는 특징이 있다.
가스방전관(GDT), 방전전극, 방전제어전극, 방전 갭, 방전개시물질, 커패시터, 병렬회로, 보호소자(MOV), 고압트랜스포머

Description

방전제어전극을 갖는 방전소자 및 제어장치{Discharge Element with Discharge-Control Electrode and the Control Apparatus Thereof}
본 발명은 빠른 서지(Surge) 유입대비 낮은 전압에서도 방전소자가 방전 갭 내부에 봉입된 주입물질에 전리현상을 촉발시킬 수 있도록 한 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 제어장치에 관한 것이다.
정보통신의 발달과 더불어 생산라인의 자동화나 효율화가 크게 진전되고 있다. 더욱이 정보통신 분야에 있어서도 고성능화나 다양화가 이루어져 왔으며 광역네트워크를 구성한 멀티미디어사회가 실현되었다. 사회시스템의 전기에너지와 정보통신에 대한 의존도가 증가함에 따라 낙뢰의 피해 양상도 다각도로 변하고 있다. 따라서 현대 산업화 사회시스템에 있어서 고도정보화, 도시기능화, 전기에너지 이용의 하이테크화 등에 의해 전기의 안정적 공급과 정보통신망의 질적 확보에 대한 사회적 요구가 높아지고 있다. 특히 그 중에서 뇌방전에 의한 피해가 큰 비중을 차지하고 있다. 정보통신망에 입사한 이상전압으로부터 정보통신기기, 컴퓨터, 전자기기 및 신호제어기기의 보호에 서지억제소자가 활용되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
낙뢰는 대용량의 서지전류의 전압을 발생시킬 수 있는 파괴력을 가지고 있다. 세계 도처에서는 매 시간마다 약 360,000회가 발생되며 피크전류는 수kA에서 150kA로 20kA 내외가 약 50% 정도를 차지하고 있다. 낙뢰는 복합적인 것이므로 광범위한 주파수 성분도 함께 포함하고 있다. 특히 낙뢰는 낙뢰 방전시의 형태에 따라 직격뢰와 유도뢰로 구분하며 직격뢰가 기기에 유입될 경우에는 기기와 인명의 보호가 어렵게 된다. 따라서 우선 직격뢰에 의한 피해는 적정한 보호개소에 피뢰침을 설치하여 1차적인 보호를 하여야 한다. 또한, 통신용 서지 보호기는 정상 상태에서의 삽입 손실을 최소화하고, 서지전압으로부터 피보호기를 보호해야 한다. 이를 위해 통신용 서지보호기는 회로에서 작은 입력 정전용량, 서지 전압에 대한 고속동작 특성, 피보호기 보호에 충분한 서지 내량을 만족하여야 한다.
서지(Surge)란, 선로(Line) 또는 회로를 따라서 전달되며, 급속하게 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전기적인 전류, 전압 또는 전력의 과도현상이다. 서지는 우리 주변에서 흔히 발생하는 현상이며, 종류 및 특성이 다양하여 보호대책이 완전히 정립되지 않은 것이 사실이다. 예를 들어, 벼락이 떨어질 경우 뇌 서지는 전기, 전자 통신설비를 파괴시키며, 스위치, Relay, 용접 등의 아크와 단락에 의한 개폐 서지, 모터 등의 구동 서지 등 우리 주변에서 끊임없이 서지가 발생하고 있다. 특히, 첨단 과학기술분야의 발전이 급속화됨에 따라 반도체가 전기, 전자분야에 광범위하게 이용되고, 그에 따라 서지에 의한 피해도 확산, 증가 추세에 있 다.
또한, 반도체의 직접도가 커지면서 반도체 내부의 회로 폭이 좁아지고, 저전압으로 동작시키기 위해 전도성이 우수한 소재를 사용하게 됨으로 인하여 단락(短絡)현상의 최고치가 낮아져 반도체를 많이 내장한 시스템은 내압에 약해지고 그만큼 서지 피해의 위험성도 커지게 된다.
서지가 시스템에 미치는 영향은 스트레스의 일종으로 작은 서지의 반복은 소자를 열화시켜 만성적으로 파괴시키며, 강한 서지는 일거에 회생불능 상태로 만든다.
이를 극복하기 위해 국내외에 다수의 특허기술이 제안된 바 있으며, 특히 국내 등록특허공보 제10-0817485호(2008. 03. 21)의 방전제어전극이 구비된 방전소자 및 제어회로에 개시된 종래기술 및 본 기술에 의하면[도 1의 (가) 내지 (라) 참조],
상기 도 1의 (가)는, 종래기술에 대한 2극형 방전소자를 도시한 것으로, 세라믹절연체로 조성된 원통형 관 양단에 방전전극1 및 방전전극2를 구비하여 관 내부에 방전 갭이 구비되고, 방전 갭 내부에는 주입물질(gas)이 봉입된 구조를 갖고 있다.
상기한 방전소자는 방전전극 1과 방전전극 2 간에 고전압이 인가되면 방전 갭 내부에 봉입된 주입물질이 전리현상을 일으키면서 글로우 방전을 일으키기 시작하는데, 글로우 방전에 의하여 방전전류가 커지면 곧 아크방전으로 이어져 방전전극 간에 인가된 전압이 순간적으로 방전하여 소멸하게 되는 것이다.
또한, 상기 도 1의 (나)는, 종래기술에 대한 3극형 방전소자를 도시한 것으로, 세라믹절연체로 조성된 원통형 관 양단에 방전전극1, 방전전극2 및 어스전극이 구비되어, 방전전극 1과 방전전극 2에 의해 방전 갭이 형성되고, 방전 갭 내부에는 주입물질(gas)이 봉입된 구조를 갖고 있다.
상기 3극형 방전소자는, 방전전극1-방전전극2, 방전전극1-어스전극 또는 방전전극2-어스전극 간에 고전압이 인가되면 내부에 봉입된 주입물질이 전리현상을 일으키면서 글로우 방전을 일으키기 시작하는데, 글로우 방전에 의하여 방전전류가 커지면 곧 아크방전으로 이어져 전극 간에 인가된 고전압이 순간적으로 방전되어 소멸되게 되는 것이다.
그러나 상기 도 1의 (가) 및 (나)의 경우, 방전소자를 구성하는 모든 전극이 물리적 및 전기적으로 봉입된 주입물질과 연결되어 있다. 통상적으로 주입물질은 가스 또는 진공인 가스봉입방전관으로서, 그 방전특성은 직류 또는 상승속도가 100V/sec 정도로 느린 과도전압에 대하여 약 90V 수준에서 방전을 하지만, 1,000V/㎲수준의 빠른 과도전압이 인가되는 경우, PSTN의 기준인 보호소자는 ITU-T 가 규정한 600V 이내에 방전(700V 이하의 수준에서는)이 일어나지 않는 문제점을 가지고 있다.
또한, 상기 도 2의 (가)는, 세라믹 절연 재료로 형성된 기밀 실린더(120)와 한 쌍의 방전전극(111,112) 사이에 봉입된 주입물질(130)과 기밀 실린더(120) 외부에 형성된 방전제어전극(150)을 통해 인가된 제어전압에 의해 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 간의 방전이 유도되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자를 나타낸다.
또한, 상기 도 2의 (나)는, 방전제어전극이 구비된 방전소자(100)의 제어회로에 있어서, 고압트랜스포머(300) 및 전류를 제한하는 제한소자(200)를 포함하는 방전제어전극이 구비된 방전소자의 제어회로를 나타낸다.
그러나 상기 도 2의 (가)의 경우, 기밀 실린더(120) 외부에 형성된 방전제어전극(150)이 단순히 금속선, 금속박 또는 금속편의 형태로만 구성되어 있으므로, 매우 빠른 서지(과도 전압)가 유입되더라도 이러한 방전소자 자체로는 외부의 소자 도움 없이는 미소전류를 흘릴 수가 없으므로 방전소자에 잔류하는 전압까지 완전히 제거할 수가 없다.
또한, 도 2의 (나)의 경우, 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 커패시터 소자 등으로 하는 제한소자가 LC공진회로를 구성하여 소자가 가지는 자체 커패시턴스와 고압트랜스포머가 가지는 리액턴스에 의한 고주파 고전압을 발생으로 빠른 서지유입에 대비하여 낮은 전압에서도 방전소자가 전리현상을 유발시킬 수 있도록 하고 있으나, 미소전류를 처리하는 소자가 구비되어 있지 않으므로 방전소자에 잔류하는 전압까지 처리하는데 있어 여전히 한계가 있다.
따라서 본 발명은 전기, 전자기기, 통신용 장치를 보호하기 위한 가스 방전관(Gas Discharge Tube : GDT)의 잔류전압을 줄이기 위한 방안으로 대기압하에서의 주입된 가스의 종류, 전극간의 거리 변경에 따라 나타나는 잔류전압 특성으로부터 가스방전관의 외형에 커패시터로 구성된 병렬회로를 삽입시킴으로써, 잔류전압에 미치는 영향을 검토하여 현재의 방전소자 제작 방법에서 보다 용이하게 제조가 가능한 새로운 방전소자 및 그 제어장치를 제공하고자 한다.
상술한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명의 목적은 선로 측의 보호회로(MOV)와 연동하는 서지보호기의 유전체 외부에 방전제어전극과 연결된 커패시터 병렬회로가 구비된 방전소자를 구성함으로써, 60Hz의 정상파에서는 속류차단 불능으로 인한 방전소자의 소손을 사전에 방지하며, 빠른 서지와 같은 충격파 유입 시 낮은 전압에서도 방전소자가 (방전 갭 내부에 봉입된 주입물질에) 전리현상을 촉발시키고, 미소전류가 커패시터 병렬회로로 흐르게 하여 미처 방전하지 못한 잔류 전압까지 효과적으로 처리할 수 있도록 한 방전제어전극을 갖는 방전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
서지보호용 가스방전관(GDT)의 잔류 전압특성을 개선하며 선로에 유입되는 낙뢰/서지로부터 2차 측의 기기를 보호하기 위한 방전소자에 있어서,
상기 방전소자는 세라믹 관으로 아크릴 재질의 유전체를 갖고 일정한 규격으로 형성되되 상하부에는 개구부를 갖는 원통(530)과;
상기 원통의 개구부를 기밀 상태로 유지하기 위해 불활성가스(Ar,N2)로 치환된 대기압 상태에서 평평한 원형의 황동을 사용하여 밀봉한 다음 고정되는 방전전극(510,520)과;
상기 방전전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 일정한 간격을 유지하는 방전 갭(540)과;
상기 원통 외부에는 하나 이상의 금속선(C, C')이 상하로 일정한 간격을 두고 독립된 전기적인 회로를 갖되, 세라믹관의 유전특성에 의해 형성된 값을 갖고 전자류의 크기, 속도 또는 방향을 제어하기 위한 방전제어전극(550, 551)과;
상기 방전제어전극(551)의 금속선(C')과 연결되고 상기 방전소자의 단자(B)와 연결되어 병렬회로를 구성하는 다수개의 커패시터(560a,560b,560c)를 포함하여,
상기 방전제어전극의 금속선 단자(C)와 상기 방전소자의 한 단자(B)에 인가된 고전압에 의해 방전전극(510,520)간의 전리현상을 촉발시키며 상기 커패시터로 미소전류를 흘림으로써, 빠른 서지유입 시 낮은 전압에서도 방전소자의 잔류 전압특성을 개선시키도록 하는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 방전 갭은, 방전소자의 성능개선을 위해 0.1mm, 0.3mm, 0.5mm 간격 중 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 상기 다수개의 커패시터는, 상기 방전소자의 잔류 전압특성을 개선시키기 위해 커패시터의 값을 2pF ~ 5pF인 것을 특징으로 한다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면,
서지보호용 가스방전관(GDT)의 잔류 전압특성을 개선하며 선로에 유입되는 낙뢰/서지로부터 2차 측의 기기를 보호하기 위한 방전소자의 제어장치에 있어서,
상기 방전소자는 세라믹계통의 아크릴 재질의 유전체를 갖고 일정한 규격으로 형성되되 상하부에는 개구부를 갖는 원통(530)과;
상기 원통의 개구부를 기밀 상태로 유지하기 위해 불활성가스(Ar, N2)로 치환된 대기압 상태에서 평평한 원형의 황동을 사용하여 밀봉한 다음 고정되는 방전전극(510,520)과;
상기 방전전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 일정한 간격을 유지하는 방전 갭(540)과;
상기 원통 외부에는 하나 이상의 금속선(C, C')이 상하로 일정한 간격을 두고 독립된 전기적인 회로를 갖되, 세라믹관의 유전특성에 의해 형성된 값을 갖고 전자류의 크기, 속도 또는 방향을 제어하기 위한 방전제어전극(550, 551)과;
상기 방전제어전극(551)의 금속선(C')과 연결되고 상기 방전소자의 단자(B)와 연결되어 병렬회로를 구성하는 다수개의 커패시터(560a,560b,560c)를 포함하며,
또한, 상기 방전소자의 한 단자(A)와 선로(a)에 연결되며 60Hz의 정상파에서 속류차단 불능으로 인해 상기 방전소자(500)가 파괴되는 것을 사전에 방지하는 보호소자용 MOV(Metal Oxide Varistor)(600)와;
상기 방전제어전극(550)의 금속선(C)에 고전압을 인가하기 위한 고압트랜스포머(700)를 구성하여 빠른 서지유입 시에는 낮은 전압에서도 방전소자의 내부에 주입된 방전개시물질의 전리현상을 촉발시키며 상기 커패시터로 미소전류를 흘려 잔류 전압특성을 개선시키는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 고압트랜스포머(700)는 1차 코일은 고주파의 전류가 흐를 수 있도록 하되, 저주파에서는 임피던스가 매우 큰 코일인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 상기 고압트랜스포머(700)는 1차 측에 인가된 전압보다 2차 측 전압이 최소 N2배로 승압된 고전압인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 상기 고압트랜스포머(700)는, 1차 측 한 단자(701)는 CT의 한 단자(801)와 연결되며, 다른 단자(702)는 상기 CT의 다른 단자(802) 및 상기 고압트랜스포머의 2차 측 한 단자(703)와 함께 상기 방전전극의 단자(B)와 연결되며, 상기 고압트랜스포머의 2차 측 다른 단자(704)는 상기 방전소자의 방전제어 전극(550)의 금속선(C)에 연결되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 의하여, 선로 측의 보호회로(MOV)와 연동하는 서지보호기의 유전체 외부에 방전제어전극과 커패시터 병렬회로가 구비된 방전소자를 구성함으로써,
(1) 정상파에서 속류차단 불능으로 인한 서지보호기인 방전소자의 소손을 사전에 방지할 수 있다.
(2) 빠른 서지와 같은 충격파 유입대비 낮은 전압에서도 방전소자가 방전 갭 내부에 봉입된 주입물질에 전리현상을 촉발시키고 미소전류를 커패시터로 흐르게 하여 미처 방전하지 못한 잔류전압까지 효과적으로 처리할 수가 있다.
(3) 낙뢰/서지보호기는 서지의 유입에도 기기를 충분히 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 잔류전압 특성을 제공하는 종래 기술과는 전혀 다른 새로운 방전소자 및 그 제어장치를 제공할 수가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 3을 참조하여, 가스방전관(Gas Discharge Tube : GDT)의 일반적인 동작특성을 살펴보면,
가스방전관은 대단히 적은 정전용량(1pF ~ 3pF)을 갖는 크로우버(Crowber)소자로 일종의 전압제어 스위치의 동작으로 표현할 수 있다. 즉 방전개시전압 이하의 A영역에서 가스방전관은 회로에 병렬로 접속되어 극히 적은 용량의 캐패시턴스로만 동작한다. B영역은 소자 모델링에 있어 가스방전관의 중요한 특성을 나타내는 부분으로 가스방전관 양단에 인가된 전압이 방전개시전압 이상으로 되면 양전극사이에는 방전이 개시되어, 아주 짧은 시간 내에 글로우방전 영역에서 아크방전 영역으로 이행하고, 가스방전관은 C영역에서 나타나는 바와 같이 약 10~30V의 낮은 아크전압을 유지하게 된다. 이 상태에서 가스방전관을 흐르는 전류가 아크방전을 지속하는데 필요한 방전유지전류(약10㎃)이하가 되면 아크방전이 종료되고 다시 A영역의 정상상태로 되돌아온다.
이와 같이, GDT는 내부 정전용량이 작아서 통신용 서지보호기로 널리 사용되고 있는 소자이다. 하지만 가스방전관의 동작개시를 위해서는 방전이 개시될 수 있는 충분한 전압과 시간이 필요하며, 이 동작개시전압은 피보호 회로가 서지에 민감한 장비일 경우 손상을 줄 수 있을 만큼 크므로 최근에는 조합 형태로 적용하는 경우가 대부분이다. 이렇게 초기 과전압이 상당 부분 존재하는 가스방전관에는 필터나, 다른 회로를 추가하여 피크 전압을 제한할 필요가 있다.
도 4의 (가)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 단일 커패시터로 구성된 병렬회로이며, 도 4의 (나)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자의 기하학적 구조의 전기적 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 4의 (가)의 방전제어전극을 구비한 방전소자(400)는, 병렬회로를 구성하는 커패시터(470)의 추가 구성을 제외하면 후술하는 도 5의 (가)와 실질적으로 동일한 구성이므로 여기서는 더 이상 설명하지 않는다.
여기서, 방전소자의 기하학적 구조의 전기적 회로 구성에 대하여 상기 도 4의 (나)를 참조하여 설명한다.
Cs는 방전제어전극(450)의 커패시턴스로 세라믹으로 형성된 원통(혹은 세라믹 관)(430)의 유전특성에 의해 형성된 값을 가지며, 상기 세라믹 관 외부에 (＋), (－)전극 중간에 병렬회로를 구성하는 커패시터(CL)의 리드선이 위치할 수 있도록 부착함으로써 세라믹 관 내 외벽에 양, 음전하가 유도되도록 전기적인 회로가 구 성되도록 한다.
또한, 상기 전기적인 회로 구성으로부터 방전제어전극(450)을 구비한 방전소자(400)의 방전과정을 설명한다.
일반적인 가스방전관(GDT)에서는 (＋)전극에서 (－)전극으로 방전로가 형성되며, 인가된 전압이 일정 값 이상이 되면 절연이 파괴되어 글로우, 아크방전으로 이행하게 된다. 즉, 일정전압 이상이 되면 (＋)전극면과 (＋)전극면 가까운 곳에 위치한 세라믹 내벽에 유도된 전하가 1차적으로 절연파괴의 과정을 수행하면서 방전이 일어나게 된다. 이때 세라믹 내벽에 유도된 전하가 1차적으로 절연파괴를 일으킴으로 인해 GDT의 동작 과전압을 다소 감소시킬 수 있는 원인을 제공하게 된다.
한편, 관 내부의 공기가 절연파괴 되는 과정에서 발생되는 불꽃은 외부에서 관찰할 수 있을 정도로 강렬하게 반응하며, 외부에 삽입된 커패시터(CL)는 (－)전극을 공통으로 하는 병렬회로가 되어 매우 빠르게 진행되는 절연파괴 과정에 관여하게 되고 커패시터(CL)를 통해 미소의 전류가 흐를 수 있는 조건이 형성된다.
다시 말해서, 외부에 커패시터(CL)를 삽입함으로써 기존 방전로 외에 세라믹 관 외벽으로의 회로 형성으로 GDT의 동작 과전압에 영향을 미칠 수 있게 되는 것이 다.
따라서 본 발명의 방전제어전극을 갖는 방전소자는, 빠른 서지와 같은 충격파 유입대비 낮은 전압에서도 방전소자가 방전 갭 내부에 봉입된 방전개시물질(가스 또는 공기)에 전리현상을 촉발시키고, 커패시터로 구성된 병렬회로에 미소전류를 흐르게 함으로써, 방전소자에서 미처 방전하지 못한 잔류 전압까지 효과적으로 처리할 수 있는 종래기술과 전혀 다른 새로운 방식의 방전제어전극을 갖는 방전소자를 제공하게 되는 것이다.
도 5의 (가)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 커패시터가 추가 구성된 병렬회로를 나타낸 도면이며, 도 5의 (나)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자의 기하학적 구조를 실물형상으로 표현한 전기적 회로 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 방전제어전극을 갖는 방전소자의 핵심 기술적 구성수단은, 원통(530), 방전전극(510,520), 방전 갭(540), 방전제어전극(550, 551), 다수개의 커패시터(560a,560b,560c)를 포함하여 이루어진다.
상기 원통(530)은, 일종의 세라믹 관으로 아크릴 재질의 유전체를 갖고 일정한 규격으로 형성되며 상하부에는 개구부가 형성된다.
상기 방전전극(510,520)은, 상기 원통(530)의 상하부의 개구부에 삽입되는 한 쌍의 전극으로서, 상기 개구부를 기밀 상태로 유지하기 위해서는 불활성가스(Ar, N2)로 치환된 대기압 상태에서 평평한 원형의 황동을 사용하여 접착제(에폭시)로 밀봉한 다음 고정시킨다.
여기서, 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 대한 각각의 주입가스에 대해 전극간 거리에 따른 잔류전압 특성을 나타낸다.
상기 도 6으로부터, 아르곤가스를 주입했을 경우 보다 질소가스를 주입했을 때가 잔류 전압특성이 양호하나, 공기를 주입했을 때와 큰 차이가 없음을 알 수가 있다. 질소가스를 봉입하여 사용하는 것은 밀폐의 유지나 제조상의 어려움이 따를 수 있다. 그리고 공기 중에 제작한다면 가스를 주입시키고, 밀폐시키기 위한 브레이징(brazing) 공정 등이 필요 없으므로 제조가 용이할 수 있으나 과전압을 낮춰야 하는 과제가 남아있다.
이를 해결하기 위해서는, 전극간격을 0.1㎜이하로 좁히게 되면 성능이 크게 개선되는 효과를 얻을 수도 있으나, 방전관의 거리를 미세하게 조절하는 데에는 기 술적인 어려움이 있으므로, 본 발명에서는 상술한 도 4의 (나)와 같이 기하학적 구조의 전기적 회로 구성을 통한 개선 방법을 제안하게 되는 것이다.
상기 방전 갭(540)은, 방전을 일으키기 위하여 회로의 일부에 두 전극을 마주보게 배치한 폭이 좁은 방전공간으로 상기 한 쌍의 방전전극(510,520) 사이에 일정한 간격을 유지시킨다. 방전 갭에 전술한 방전개시물질인 불활성가스(Ar, N2)나 공기가 주입된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 방전 갭(Discharge Gap)은, 방전소자의 성능개선을 위해서는 0.1mm, 0.3mm, 0.5mm 간격 중 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 방전제어전극(550, 551)은, 전자류의 크기, 속도 또는 방향을 제어하기 위한 전극으로, 상기 원통(530) 외부에 하나 이상의 금속선(C, C')이 상하로 일정한 간격을 두고 독립된 전기적인 회로를 갖되, 세라믹관의 유전특성에 의해 형성된 값을 갖는다.
특히, 상기 방전제어전극(550)은, 매우 빠른 서지(과도 전압) 유입 시 상기 방전전극(510,520)에 가해지는 전압보다 높은 고전압을 상기 방전제어전극(550)의 단자(C)와 상기 방전소자의 한 단자(B)에 인가시켜 상기 방전 갭(540) 내부에 주입 된 방전개시물질(541)에 전리현상을 촉발시킴으로써 방전전극(510,520) 간의 방전을 유도시키는 특징을 갖는다.
또한, 상기 방전제어전극(551)은, 서지 유입 시 상기 방전제어전극(550)을 통해 방전소자 내부에서 먼저 방전이 발생된 후, 상기 커패시터(560a,560b,560c)를 통해 2차적으로 미소전류가 흐르도록 하여 보다 낮은 전압에서도 방전이 용이하게 발생하도록 방전소자의 잔류 전압특성을 개선시키는 수단이다.
상기 다수개의 커패시터(560a,560b,560c)는, 상기 방전제어전극(551)의 금속선(C')과 상기 방전소자의 단자(B)와 연결되는 병렬회로를 구성한다.
또한, 상기 커패시터(560a,560b,560c)는 상기 방전제어전극(551)과 병렬회로를 구성함으로써, 커패시터로 미소전류가 흐르도록 하여 빠른 서지유입 시 보다 낮은 전압에서도 방전소자의 잔류 전압특성을 개선하는 특징을 가진다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 다수개의 커패시터는, 빠른 서지 유입 시 가스방전관의 잔류 전압특성을 개선시키기 위하여 상기 방전제어전극(551)의 금속선(C')과 방전소자의 한 단자(B)와 연결되며 커패시터의 값은 2pF ~ 5pF인 것을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 대한 커패시터 용량에 따른 각각의 잔류 전압특성을 나타낸 도면이다.
상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전소자 외부에 커패시터를 연결한 실험에서 잔류전압을 확인해 본 결과, 커패시터를 추가하지 않았을 때의 전압인 914V보다 2pF부터 5pF까지의 커패시터를 연결했을 때 약 35% 개선된 593V로 잔류전압이 줄어드는 효과를 볼 수가 있어 매우 빠른 서지 유입대비 낮은 잔류 전압특성을 갖는다고 말할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치를 나타낸 것으로, 서지보호용 가스방전관(GDT)의 잔류 전압특성을 개선하며 선로에 유입되는 낙뢰/서지로부터 2차 측의 기기를 보호하기 위한 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치를 제공하게 된다.
상기 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치에 대한 핵심 기술적 구성은, 전술한 방전제어전극을 갖는 방전소자의 기술적 수단들을 모두 포함하며, 보호소자용 MOV(Metal Oxide Varistor)(600)와 고압트랜스포머(700)를 더 포함하여 구성되는 것으로 한다.
상기 MOV(600)는, 전기, 전자회로에 주로 사용되며 비선형 전압, 전류의 특 성을 갖고 억제형 서지보호기에 사용되는 보호소자로, 상기 방전소자의 한 단자(A)와 선로(a)에 연결되며 60Hz의 정상파에서 속류차단 불능으로 인해 방전소자가 소손되는 것을 사전에 방지하는 수단이다.
또한, 상기 MOV(600)는 사용전압보다 15 ~ 25%정도 높은 전압이 유입될 때 동작하는 보호기로 정상상태에서는 매우 높은 임피던스를 유지하고 있다가 동작전압을 초과하는 서지에 대해서는 매우 낮은 임피던스를 갖는다. 즉 선로 임피던스와 서지보호기 임피던스의 상관관계에 의해 서지가 억제되며, 억제형은 방전형과 달리 전압을 특정 레벨(Level)까지만 제한한다.
또한, 상기 고압트랜스포머(700)는, 상기 방전제어전극(550)의 단자(C)와 방전소자의 한 단자(B)에 고전압을 인가하기 위한 일종의 고압을 발생시키는 승압기이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 고압트랜스포머(700)는, 1차 코일은 고주파의 전류가 흐를 수 있도록 하되, 저주파에서는 임피던스가 매우 큰 코일인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 고압트랜스포머(700)는, 1차 측에 인가된 전압보다 2차 측 전압이 최소 N2배로 승압된 고전압인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 고압트랜스포머(700)는, 1차 측 한 단자(701)는 CT의 한 단자(801)와 연결되며, 다른 단자(702)는 상기 CT의 다른 단자(802) 및 상기 고압트랜스포머의 2차 측 한 단자(703)와 함께 상기 방전전극의 단자(B)와 연결되며, 상기 고압트랜스포머의 2차 측 다른 단자(704)는 상기 방전소자의 방전제어전극(550)의 금속선 단자(C)에 연결되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 제어장치는, 선로 측의 보호회로(MOV)와 연동하는 서지보호기의 유전체 외부에 방전제어전극과 연결된 커패시터 병렬회로가 구비된 방전소자와 상기 방전소자에 고전압을 인가하기 위한 고압트랜스포머를 구성하여 정상파에서는 서지보호기인 방전소자를 보호하며, 매우 빠른 서지유입 시에는 낮은 전압에서도 방전소자의 전리현상을 촉발시키며 커패시터를 통해 미소전류를 흘려 방전소자의 잔류 전압특성을 개선시키는 특징이 있다. 또한, 종래의 기술과 전혀 다른 새로운 방전제어전극을 갖는 방전소자를 제공하는 특징이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1의 (가)(나)는 종래기술의 2극/3극형 방전소자를 나타낸 도면
도 2의 (가)(나)는 종래기술의 2극형 방전소자 및 구동회로를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스방전관(Gas Discharge Tube : GDT)의 동작특성을 나타낸 그래프
도 4의 (가)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 단일 커패시터로 구성된 병렬회로를 나타낸 도면
도 4의 (나)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자의 기하학적 구조의 전기적 회로 구성을 나타낸 도면
도 5의 (가)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 커패시터가 추가 구성된 병렬회로를 나타낸 도면
도 5의 (나)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자의 기하학적 구조를 실물형상으로 표현한 전기적 회로 구성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 대한 각각의 주입가스에 대해 전극간 거리에 따른 잔류전압 특성을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자에 대한 커패시터 용량에 따른 각각의 잔류 전압특성을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치를 나타낸 도면
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
400, 500 : 방전소자 410, 420, 510, 520 : 방전전극
430, 530 : 원통(혹은 세라믹 관) 440, 540 : 방전 갭
441, 541 : 방전개시물질 450, 550, 551 : 방전제어전극
460, 560 : 커패시터 병렬회로 600 : 보호소자(MOV)
700 : 고압트랜스포머 800 : 변류기(CT)

Claims (7)

  1. 서지보호용 가스방전관(GDT)의 잔류 전압특성을 개선하며 선로에 유입되는 낙뢰/서지로부터 2차 측의 기기를 보호하기 위한 방전소자에 있어서,
    상기 방전소자는 세라믹 관으로 아크릴 재질의 유전체를 갖고 일정한 규격으로 형성되되 상하부에는 개구부를 갖는 원통(530)과;
    상기 원통의 개구부를 기밀 상태로 유지하기 위해 불활성가스(Ar,N2)로 치환된 대기압 상태에서 평평한 원형의 황동을 사용하여 밀봉한 다음 고정되는 방전전극(510,520)과;
    상기 방전전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 일정한 간격을 유지하는 방전 갭(540)과;
    상기 원통 외부에는 하나 이상의 금속선(C, C')이 상하로 일정한 간격을 두고 독립된 전기적인 회로를 갖되, 세라믹관의 유전특성에 의해 형성된 값을 갖고 전자류의 크기, 속도 또는 방향을 제어하기 위한 방전제어전극(550, 551)과;
    상기 방전제어전극(551)의 금속선(C')과 연결되고 상기 방전소자의 단자(B)와 연결되어 병렬회로를 구성하는 다수개의 커패시터(560a,560b,560c)를 포함하여,
    상기 방전제어전극의 금속선 단자(C)와 상기 방전소자의 한 단자(B)에 인가된 고전압에 의해 방전전극(510,520)간의 전리현상을 촉발시키며 상기 커패시터로 미소전류를 흘림으로써, 빠른 서지유입 시 낮은 전압에서도 방전소자의 잔류 전압 특성을 개선시키도록 하는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방전 갭은, 방전소자의 성능개선을 위해 0.1mm, 0.3mm, 0.5mm 간격 중 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다수개의 커패시터는, 상기 방전소자의 잔류 전압특성을 개선시키기 위해 커패시터의 값을 2pF ~ 5pF인 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자.
  4. 서지보호용 가스방전관(GDT)의 잔류 전압특성을 개선하며 선로에 유입되는 낙뢰/서지로부터 2차 측의 기기를 보호하기 위한 방전소자의 제어장치에 있어서,
    상기 방전소자는 세라믹계통의 아크릴 재질의 유전체를 갖고 일정한 규격으로 형성되되 상하부에는 개구부를 갖는 원통(530)과;
    상기 원통의 개구부를 기밀 상태로 유지하기 위해 불활성가스(Ar,N2)로 치환된 대기압 상태에서 평평한 원형의 황동을 사용하여 밀봉한 다음 고정되는 방전전극(510,520)과;
    상기 방전전극 사이에 방전을 발생시키기 위해 일정한 간격을 유지하는 방전 갭(540)과;
    상기 원통 외부에는 하나 이상의 금속선(C, C')이 상하로 일정한 간격을 두고 독립된 전기적인 회로를 갖되, 세라믹관의 유전특성에 의해 형성된 값을 갖고 전자류의 크기, 속도 또는 방향을 제어하기 위한 방전제어전극(550, 551)과;
    상기 방전제어전극(551)의 금속선(C')과 연결되고 상기 방전소자의 단자(B)와 연결되어 병렬회로를 구성하는 다수개의 커패시터(560a,560b,560c)를 포함하며,
    또한, 상기 방전소자의 한 단자(A)와 선로(a)에 연결되며 60Hz의 정상파에서 속류차단 불능으로 인해 상기 방전소자(500)가 파괴되는 것을 사전에 방지하는 보호소자용 MOV(Metal Oxide Varistor)(600)와;
    상기 방전제어전극(550)의 금속선(C)에 고전압을 인가하기 위한 고압트랜스포머(700)를 구성하여 빠른 서지유입 시에는 낮은 전압에서도 방전소자의 내부에 주입된 방전개시물질의 전리현상을 촉발시키며 상기 커패시터로 미소전류를 흘려 잔류 전압특성을 개선시키는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 고압트랜스포머(700)는 1차 코일은 고주파의 전류가 흐를 수 있도록 하되, 저주파에서는 임피던스가 매우 큰 코일인 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 고압트랜스포머(700)는 1차 측에 인가된 전압보다 2 차 측 전압이 최소 N2배로 승압된 고전압인 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 고압트랜스포머(700)는, 1차 측 한 단자(701)는 CT의 한 단자(801)와 연결되며, 다른 단자(702)는 상기 CT의 다른 단자(802) 및 상기 고압트랜스포머의 2차 측 한 단자(703)와 함께 상기 방전전극의 단자(B)와 연결되며, 상기 고압트랜스포머의 2차 측 다른 단자(704)는 상기 방전소자의 방전제어전극(550)의 금속선(C)에 연결되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극을 갖는 방전소자의 제어장치.
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