KR101002073B1

KR101002073B1 - 서지 보호 장치

Info

Publication number: KR101002073B1
Application number: KR1020100046436A
Authority: KR
Inventors: 여인식
Original assignee: 여인식
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2010-12-17

Abstract

본 발명은 간단한 구성을 갖는 온도 센서로부터 제공되는 서지보호 소자의 표면 온도변화에 의해 누설전류나 서지전류의 크기를 파악하여 서지보호 소자의 교체 여부나 한계 수명을 정확하게 예측하여 알려줄 수 있도록 한 서지 보호 장치에 관한 것이다.
본 발명의 서지 보호 장치는 전기 선로에 설치되는 1개 이상의 서지보호 소자; 각각의 상기 서지보호 소자의 표면 온도를 감지하는 온도 센서; 각각의 상기 온도 센서로부터 출력되는 아날로그 감지 신호를 상응하는 크기의 디지털 온도 데이터로 변환하는 A/D 변환부; 온도변화와 누설전류 사이의 관계를 나타낸 온도-누설전류 데이터 테이블 및 온도변화와 에너지 관계를 나타낸 온도-에너지 데이터 테이블을 포함하는 데이터 테이블; 장치의 동작 중에 발생하는 각종 사항을 표시하는 표시부 및 상기 A/D 변환부를 거쳐 입력되는 디지털 온도 데이터를 상기 온도-누설전류 데이터 테이블에 대입하여 얻어진 현재의 누설전류에 의해 서지보호 소자의 사용 가능 여부를 판단하거나 상기 디지털 온도 데이터를 상기 온도-에너지 데이터 테이블에 대입하여 얻어진 에너지 량에 의해 서지전류의 크기를 판단한 후에 상기 표시부를 통해 출력하는 중앙처리장치를 포함하여 이루어진다.

Description

서지 보호 장치{Surge Protection Apparatus}

본 발명은 서지 보호 장치에 관한 것으로, 특히 간단한 구성을 갖는 온도 센서로부터 제공되는 서지보호 소자의 표면 온도변화에 의해 누설전류나 서지전류의 크기를 파악하여 서지보호 소자의 교체 여부나 한계 수명을 정확하게 예측하여 알려줄 수 있도록 한 서지 보호 장치에 관한 것이다.

낙뢰는 대용량의 에너지를 가진 번개와 천둥을 동반하는 급격한 방전현상으로 구조물에 직/간접적으로 영향을 미칠 경우 막대한 피해를 발생시킨다. 최근 지구온난화에 의해 지구의 온도가 증가하는 가운데 우리나라도 온대기후에서 아열대기후로 변화하면서 강우량이 증가하고 있으며 그로 인해 낙뢰의 발생빈도도 증가하고 있다. 또한 현재의 장비들에 고성능의 전자부품들을 많이 사용하는 추세로서 서지전류에 대한 보호의 필요성이 증대되고 있다.

서지전류에는 스위칭에 의해 발생되는 개폐서지와 낙뢰에 의해 발생되는 뇌 서지가 있다. 개폐서지의 경우 스위칭 동작을 하는 부분에 자체적으로 서지의 발생을 억제시키는 회로를 구성하여 보호하며 뇌 서지의 경우에는 피뢰설비와 서지보호기를 통해 보호하고 있다.

서지보호기(Surge Protection Device: SPD)는 크게 전원용과 통신용으로 나누어지며 통신용에 비해 전원용 서지보호기의 보호용량이 상대적으로 크다. 서지보호기에 사용하는 소자로는 GDT(Gas Discharge Tube: 가스방전관), TVS(Transient Voltage Suppressor: 과도전압 억제장치) 및 배리스터가 대표적이다.

아래의 표 1은 뇌격으로 인해 예상되는 서지전류^[1]로서, 10/350㎲ 서지전류는 인입설비에 직접적으로 뇌격될 때의 파형이고, 8/20㎲ 서지전류는 인입설비 근처에 뇌격되어 간접적으로 발생된 파형인바, 10/350㎲의 파형은 8/20㎲의 파형에 비해 동일한 파고치를 가졌을 때 약 26배 이상 큰 에너지양을 갖는다.

저압 계통
인입설비 뇌격	인입설비 근처 뇌격	구조물 또는 구조물 근처 뇌격
손상원인 : 직격뢰 파형 : 10/350㎲(㎄)	손상원인 : 간접뢰 파형 : 8/20㎲(㎄)	손상원인 : 유도전류 파형 : 8/20㎲(㎄)

기존의 배리스터의 연구는 8/20㎲ 파형을 기준으로 8/20㎲ 임펄스전류를 인가하여 크기와 인가횟수간의 관계에 따른 배리스터의 수명^[2]과 누설전류^[3] 및 소손^[4]등을 살펴보는 식으로 진행되었으나 10/350㎲ 파형에 대해서는 연구가 부족하였다. 또한 기존의 제품화된 SPD의 경우 수명을 배리스터의 누설전류를 통하여 판단하는 제품이 출시(본 발명자의 선행출원인 등록특허 제858356호 참조)되어 있으나 미소전류를 측정하는 CT(Current Transformer: 계기용 변류기)는 가격이 비쌀 뿐만 아니라 서지전류의 침입 후 히스테리시스 곡선의 편중으로 정확한 측정을 할 수 없었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 간단한 구성을 갖는 온도 센서로부터 제공되는 서지보호 소자의 표면 온도변화에 의해 누설전류나 서지전류의 크기를 파악하여 서지보호 소자의 교체 여부나 한계 수명을 정확하게 예측하여 알려줄 수 있도록 한 서지 보호 장치를 제공함을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 서지 보호 장치는 전기 선로에 설치되는 1개 이상의 서지보호 소자; 각각의 상기 서지보호 소자의 표면 온도를 감지하는 온도 센서; 각각의 상기 온도 센서로부터 출력되는 아날로그 감지 신호를 상응하는 크기의 디지털 온도 데이터로 변환하는 A/D 변환부; 온도변화와 누설전류 사이의 관계를 나타낸 온도-누설전류 데이터 테이블 및 온도변화와 에너지 관계를 나타낸 온도-에너지 데이터 테이블을 포함하는 데이터 테이블; 장치의 동작 중에 발생하는 각종 사항을 표시하는 표시부 및 상기 A/D 변환부를 거쳐 입력되는 디지털 온도 데이터를 상기 온도-누설전류 데이터 테이블에 대입하여 얻어진 현재의 누설전류에 의해 서지보호 소자의 사용 가능 여부를 판단하거나 상기 디지털 온도 데이터를 상기 온도-에너지 데이터 테이블에 대입하여 얻어진 에너지 량에 의해 서지전류의 크기를 판단한 후에 상기 표시부를 통해 출력하는 중앙처리장치를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 상기 전기 선로는 상용 전원 선로이고, 상기 서지보호 소자는 배리스터인 것을 특징으로 한다.

한편, 서지전류 또는 누설전류의 발생 시간과 크기 및 지속 시간 정보를 지속적으로 저장하는 데이터 저장부를 더 포함한다.

또한, 상기 데이터 테이블에는 서지전류의 크기와 한계 수명 사이의 관계를 나타낸 서지보호 소자 수명 데이터 테이블이 더 포함되고, 상기 중앙처리장치는 상기 데이터 저장부에 저장되어 있는 서지전류 크기와 발생 회수 정보를 상기 서지보호 소자 수명 데이터 테이블에 대입하여 서지보호 소자의 한계 수명을 예측한 후에 사용자가 알 수 있도록 상기 표시부를 통하여 출력한다.

상기 온도-에너지 데이터 테이블과 상기 서지보호 소자 수명 데이터 테이블은 표준 파형의 서지전류에 의거하여 작성될 수 있다.

본 발명의 서지 보호 장치에 따르면, 간단한 구성을 갖는 온도 센서로부터 제공되는 서지보호 소자의 표면 온도변화에 의해 누설전류나 서지전류의 크기를 파악하여 서지보호 소자의 교체 여부나 한계 수명을 정확하게 예측하여 알려줌으로써 전원 시스템의 안정화에 기여할 수가 있다.

도 1은 서지전류 파형,
도 2는 8/20㎲와 10/350㎲ 파형의 비교 그래프,
도 3은 서지보호기의 일반적 표시도,
도 4는 배리스터와 제너다이오드의 특성 곡선도,
도 5는 방식1의 3상4선식 결선도,
도 6은 방식2의 3상4선식 결선도,
도 7은 3상 3선식 결선도,
도 8은 단상 2선식 결선도,
도 9는 단상 2선식 결선도,
도 10은 단상 3선식 결선도,
도 11은 전원 SPD 시험 공정도,
도 12는 배리스터의 내부 구조도,
도 13은 배리스터 등가회로도,
도 14는 배리스터의 전압-전류 특성 곡선도,
도 15는 서지전류인가 실험의 시스템 구성도,
도 16은 10/350㎲ 서지전류파형 파두장의 시뮬레이션 파형도,
도 17은 10/350㎲ 서지전류파형 파미장의 시뮬레이션 파형도,
도 18은 자력선도,
도 19는 실제 실험장비를 보인 사진,
도 20은 10/350㎲ 서지전류파형의 파두장 및 파미장 파형도,
도 21은 직류누설전류인가 실험의 시스템 구성도,
도 22는 200㎂ 인가시 온도변화 그래프,
도 23은 전압 분포도,
도 24는 누설전류에 따른 온도상승값 및 저항값을 보인 그래프,
도 25는 상온에서 30초 간격으로 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 온도 그래프,
도 26은 50℃에서 30초 간격으로 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 온도 그래프,
도 27은 90℃에서 30초 간격으로 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 온도 그래프,
도 28은 상온에서 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 29는 50℃에서 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 30은 90℃에서 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 31은 상온에서 10/350㎲ 0.75㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 32는 50℃에서 10/350㎲ 0.75㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 33은 90℃에서 10/350㎲ 0.75㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 34는 상온에서 10/350㎲ 1㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 35는 50℃에서 10/350㎲ 1㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 36은 90℃에서 10/350㎲ 1㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 37은 서지전류에 따른 온도 상승 그래프,
도 38은 서지전류와 온도상승과의 관계를 나타낸 그래프,
도 39는 상온에서 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시의 전력 그래프,
도 40은 상온에서 10/350㎲ 0.75㎄ 인가시의 전력 그래프,
도 41은 상온에서 10/350㎲ 1㎄ 인가시의 전력 그래프,
도 42는 20/170㎲ 서지전류파형의 파두장 파형도,
도 43은 20/170㎲ 서지전류파형의 파미장 파형도,
도 44는 상온에서 20/170㎲ 0.94㎄ 인가시의 전력 그래프,
도 45는 상온에서 20/170㎲ 0.94㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 46은 50℃에서 20/170㎲ 0.94㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 47은 50℃에서 20/170㎲ 0.94㎄ 인가시의 온도변화 그래프,
도 48은 200㎂ 인가시 온도변화 그래프,
도 49는 400㎂ 인가시 온도변화 그래프,
도 50은 600㎂ 인가시 온도변화 그래프,
도 51은 800㎂ 인가시 온도변화 그래프,
도 52는 1㎃ 인가시 온도변화 그래프,
도 53은 본 발명의 일 실시예에 따른 서지 보호 장치의 블록 구성도이다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 서지 보호 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하는데, 이에 앞서 이를 뒷받침하는 본 발명자의 연구 논문에 대해 상세하게 설명한다.

전술한 바와 같이, SPD란 Surge Protective Device의 약자로써 서지보호기를 말한다. 서지보호기는 서지전류로부터 부하를 보호해주는 역할을 하며 일정한 수명을 가지고 있다. 서지전류에 종류에는 개폐서지와 뇌 서지가 있는데 서지 보호기는 이중에서 에너지양이 상대적으로 큰 뇌 서지에 대한 보호를 주목적으로 한다.

1. 서지전류

서지(Surge)란 전기전자 회로계통에 있어 순간적으로 발생하는 과도성 과전압 또는 과전류를 말하며 크게 개폐서지와 뇌 서지로 구분된다.

개폐서지는 스위칭의 on/off에 의하여 발생되는데 스위칭을 하는 대부분의 장비에는 개폐서지에 대해서 자체적으로 보호를 해 주고 있다.

뇌 서지는 낙뢰에 의해 발생된 서지를 말하며 직격뢰, 간접뢰, 유도뢰로 나누어진다. 직격뢰는 어떤 물체와 뇌운 사이에 직접 뇌 방전이 발생하였을 때의 낙뢰를 말하며 가장 큰 에너지를 가진다. 또한 화재 및 폭발 등의 피해가 크며 사람이나 가축이 피해를 입기도 한다. 간접뢰는 송전선로와 통신선로에 뇌격하여 선로를 통하여 물체에 전도되는 뇌를 말하며 유도뢰는 낙뢰지점에 근접한 대지를 통하여 유입되는 서지를 말한다.

서지전류는 전술한 바와 같이 대표적으로 크게 두 가지의 기준파형으로 나눌 수 있다. 첫 번째는 8/20㎲의 파장을 가지는 파형이고 두 번째는 10/350㎲ 파장을 가지는 파형이다. 서지파형은 크게 두 가지의 숫자로 구성되어 표현을 하는데, 이때 앞에 언급되는 숫자는 파두장을 말하고 뒤에 언급되는 숫자는 파미장을 말한다.

도 1은 서지전류 파형이다. 도 1을 살펴보면 파형의 상승부분에서 최댓값의 10% 되는 지점과 최댓값의 90%가 되는 지점을 직선으로 연결하여 시간 축과 만나는 지점을 가상의 서지전류의 시작점으로 정하고 그 점에서 10%지점과 90%지점을 연결한 직선이 서지전류의 최댓값이 되는 시간(T₁), 다시 말해 10% ~ 90%까지의 시간 T에 1.25배 한 시간(T₁)을 파두장이라고 하며 이것이 앞에서 언급한 두 파형의 8㎲와 10㎲에 해당한다. 파미장은 파형이 최댓값을 지나 하향하는 구간에서 최댓값의 50%에 해당하는 값을 가질 때의 시간으로 파두장에 의해서 결정된 가상의 서지전류 시작점에서부터의 시간 T₂이며 이것이 앞에서 언급한 두 파형의 20㎲와 350㎲ 해당한다.

현재까지 시험기관에서 행해진 시험들은 8/20㎲ 파형을 기준으로 하였으며 표 2는 8/20㎲ 서지전류 파형의 허용오차^[5]이다.

	허용오차
피크값	10%
전단 시간	10%
반치 도달 시간	10%
오버슈트 및 진동	피크값의 5% 이내

8/20㎲ 및 10/350㎲ 파형 두 가지 모두 서지전류의 기준파형이지만 에너지양은 10/350㎲ 파형이 8/20㎲보다 매우 크다. 수학식 1은 에너지양을 구하는 공식이며 표 3은 파형에 따른 에너지양이다.

	0.5㎄	1㎄	1.5㎄	2㎄
① 8/20㎲의 에너지양(J)	9.5344	21.4568	34.9526	50.5266
② 10/350㎲의 에너지양(J)	454.1507	893.9349	1362.9265	1882.0216
비율(②/①)	47.63	41.66	38.99	37.25

도 2는 8/20㎲와 10/350㎲ 파형을 비교한 그래프이다. 도 2에 도시한 10/350㎲ 파형은 표 1에서 보듯이 직격뢰에 대한 파형으로 국내 시험기관내에서 시험파형으로 현재 많이 사용되지 않고 있으며 8/20㎲ 파형은 간접뢰와 유도뢰의 파형으로서 현재 국내 시험기관내에서 가장 많이 수행되고 있는 파형이다. 그러나 최근에 들어 서지전류 파형에 대한 에너지양을 기준으로 한 실험에서 에너지양이 많은 10/350㎲ 서지전류 파형에 대한 실험으로 관심이 옮겨가고 있다.

2. 서지보호기

서지보호기는 크게 전원용과 통신용 서지보호기로 분리된다. 전원용 서지보호기는 상용전원계통으로 유입되는 서지전류를 보호할 목적으로 설계되며 일반적으로 부하와 병렬로 연결되며 주로 1포트 방식을 사용한다. 도 3은 서지보호기의 일반적인 표시로서, 1개 포트 서지보호기를 나타내고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 1포트 서지보호기는 단자 간에 특정 계열 임피던스가 없는 분리된 입출력 단자를 갖고 있다. 1포트 이외에 2포트 방식도 사용되는데 이는 주로 통신, 신호계통에 사용되며 전원회로에 사용되는 경우는 드물다. 기능에 따른 서지보호기를 살펴보면 크게 3가지로 나눌 수 있다.

전압 스위치형 서지보호기

서지가 인가되지 않는 경우 높은 임피던스 상태에 있으며 전압서지에 응답하여 급격하게 낮은 임피던스 값으로 변화하는 기능을 갖는 서지보호기를 말한다.

전압 제한형 서지보호기

서지가 인가되지 않은 경우 높은 임피던스 상태에 있으며 전압서지에 응답한 경우는 임피던스가 연속적으로 낮아지는 기능을 갖는 서지보호기를 말한다.

복합형 서지보호기

전압 스위칭형 소자 및 전압 제한형 소자의 모든 기능을 갖는 서지보호기를 말한다. 아래의 표 4는 기능에 따른 서지보호기의 종류를 나타낸 도표이다.

기능	SPD 소자의 예 및 조합
전압 스위치형	에어갭 가스방전관 사이리스터
전압 제한형	배리스터 TVS
복합형	직렬조합
복합형	병렬조합

표 4에서 알 수 있듯이 전압 스위칭형 서지보호기에는 에어갭, 가스방전관, 사이리스터 서지보호기가 있고 전압 제한형 서지보호기에는 배리스터, TVS 서지보호기가 있다. 또한 복합형에는 전압 스위칭형과 전압 제한형을 직렬 혹은 병렬 조합으로 사용하는 서지보호기가 있다.

서지 보호 소자로 주로 사용되는 것으로는 GDT, TVS 및 배리스터가 있다. 상용전원에 유입되는 서지전류를 보호하는 목적으로 주로 배리스터와 GDT 소자가 사용되며 그 중에서도 배리스터가 가장 널리 쓰인다. 통신용에 유입되는 서지전류를 보호할 목적으로는 주로 GDT와 TVS가 사용된다. 배리스터와 TVS는 전압-전류 특성이 매우 흡사하나 그 용량과 정밀도측면에서는 다소 차이가 난다.

도 4는 배리스터와 제너다이오드의 전압-전류 특성 곡선을 비교한 것으로서 TVS는 흔히 고용량의 제너다이오도를 말하므로 배리스터와 제너다이오드를 비교하였다. 도 4의 전압-전류특성 곡선에서 보듯이 배리스터와 제너다이오드는 그 특성곡선이 매우 흡사하며 제너다이오드의 클램핑 전압이 배리스터보다 더 정밀하게 제한되는 것을 알 수 있다. 그러므로 상대적으로 예민한 성능을 가지는 통신용 장비의 서지보호소자로 제너다이오드가 주로 사용되며 배리스터는 전원용 장비의 서지보호소자로 주로 쓰인다.

도 5는 3상 4선식에서의 SPD의 결선 방법 중 중성선으로 서지전류를 흘려보내는 결선도이다. 도 5에서 서지보호기는 각상과 중성선 사이에 결선되어 있고 또한 접지와 중성선 사이에 연결되어 있다. 이러한 형태의 결선이 현재 3상 4선식 방식에 가장 많이 쓰이고 있으며 이와 달리 접지로 서지전류를 흘려보내는 방식도 있다.

도 6은 3상 4선식에서의 SPD의 결선 방법 중 접지로 서지전류를 흘려보내는 결선도이다. 도 6에서 알 수 있듯이 각상과 중성선 모두 접지와 직접 연결되어 있다.

도 7은 3상 3선식 방식에서의 SPD의 결선도이다. 도 7에서 알 수 있듯이 3상 3선식방식은 각상과 접지사이에 서지보호기를 설치하여 상으로 들어오는 서지전류를 접지로 통하여 흘려보낸다.

도 8과 도 9는 각각 단상 2선식 방식에서의 SPD의 결선도이다. 도 8은 전원선-중성선, 전원선-접지 및 중성선-접지 사이에 SPD를 결선한 방식이고, 도 9는 전원선-접지 및 중성선-접지를 결선한 방식으로 두 방식 모두 현재 많이 쓰이고 있다.

도 10은 단상 3선식의 SPD의 결선도이다. 단상 3선식은 기존의 단상 2선식 방식에 중간탭을 연결하여 사용하는 방식으로 도 6과 같이 전원선-접지 및 중간탭-접지 사이에 SPD를 연결한다.

3. 배리스터

배리스터(varistor)란 variable resistor의 합성어로서 전압에 따라 저항값이 변화하는 소자이다. 일반적인 저항소자가 전압과 전류에 대한 선형관계인 반면 배리스터는 비선형의 성질을 가지고 있다. 전원 SPD의 경우 배리스터가 SPD를 구성한다고 해도 과언이 아닐 정도로 배리스터의 기능이 SPD의 기능을 결정한다.

도 11은 토지주택공사에서 전원 SPD의 성능 시험에 대하여 정한 공정도이다. 도 11에서 빠른 열화에 대한 과전류 보호 시험을 제외한 나머지 항목들은 배리스터의 성능에 의해 결정되어진다. 그 중 절연저항 측정과 느린 열화에 대한 열적 안정성 시험은 본 논문에서 실험하는 직류누설전류인가 실험과 연관되며 최대방전전류 실험은 본 논문에서 서지 인가실험과 연관성을 가지고 있다. 또한 제한전압 측정실험은 본 논문의 연구에 앞서 실시한 적이 있다.

여기에서는 일반적으로 서지보호소자로 사용하는 ZnO 배리스터 특성에 대해서 살펴보고 본 논문에서 사용하는 전원 SPD용 배리스터 선정에 대해서 살펴본다.

ZnO 배리스터 특성

ZnO 배리스터는 1970년대에 새로이 실용화되기 시작했으며 일반 접합형태 반도체와 달리 제조기술이 그다지 어렵지 않고 제조원가가 제너 다이오드의 10~20%정도로 저렴하며 기계적 구조가 견고하여 양산체제가 가능하다. 전기적 특성은 서지에 대한 내구력과 응답속도 및 제한전압 특성 면에서 볼 때 매우 우수하다고 판명되었다.^[6]

도 12는 일반적인 배리스터의 내부구조^[7]이다. 도 12에서 배리스터는 양쪽에 전극이 존재하고 그 안에 ZnO 입자들이 존재한다. 이 때 전극사이에 평균적인 ZnO 입자들의 개수가 배리스터 전압을 결정짓는 중요한 요소가 된다.

배리스터는 일반적인 R과 C의 병렬구조^[8]로 표현되며, 도 13과 같이 표시된다. 일반적으로 C의 값은 소자에 따라 수백㎊ ~ 수만㎊이며 R의 값은 평상시에는 수십㏁이었다가 서지전류가 유입될 경우에는 0Ω에 가까운 값을 가진다.

배리스터는 전압과 전류의 관계에 따라 3구간으로 나눌 수 있다. 도 14는 배리스터의 전압-전류 특성곡선이다. 도 14에서 prebreak down 영역은 초기의 ohmic한 특성을 나타내는 영역으로써 이 영역에서의 전압-전류 특성은 역방향으로 바이어스된 Schottky 전위장벽(Reverse Biased Schottky barrier)을 넘어가는 열적으로 여기된 전자의 흐름에 의해 지배된다. break down 영역은 높은 비저항성을 갖는 영역으로써 이 영역에서의 전압-전류 특성은 역방향으로 바이어스 된 Schottky 전위장벽을 tunneling 현상에 의하여 지나가는 전자의 흐름에 의해 지배된다. 끝으로 up turn 영역은 고전압-대 전류에서 reohmic한 특성을 갖는다^[9].

전원 SPD용 ZnO 배리스터 선정

현재 우리나라의 수전반에 공급되는 상용 전원은 교류 60㎐에 상전압 220V가 일반적이며 이에 맞추어 SPD를 제작한다. 상용전압의 허용오차는 ±10%이며 198V ~ 242V이다. 토지주택공사에서는 U_C(maximum continuous operating voltage|최대 연속 동작 전압)을 275V, 서지전류 용량을 8/20㎲ 40㎄ 혹은 80㎄, U_P(voltage protection level|전압보호레벨)는 L-N과 N-PE 사이에서는 2㎸이고 L-L 과 L-PE 사이에서는 3㎸를 기준으로 하고 있다.

표 5는 일반적으로 많이 쓰이는 SUCCESS ELECTRONICS사의 40㎄의 용량을 가진 34S계열 배리스터의 전압 규격이다.

배리스터 전압(V)	최대 허용 전압
배리스터 전압(V)	AC(V)	DC(V)
130	82	108
150	95	125
180	115	150
200	130	170
220	140	180
240	150	200
270	175	225
300	190	250
330	210	275
360	230	300
390	250	320
430	275	350
470	300	385
510	320	415
560	350	460
620	385	505
680	420	560
750	460	615
780	485	640
820	510	670
910	550	745
950	575	760
1000	625	825
1100	680	895
1200	750	980
1400	850	1120
1500	930	1220
1600	1000	1320

표 5에서 최대 허용 전압 교류전압 및 직류전압은 최대 연속 동작 전압에 상응하는 수치이다. 주공의 기준에서 최대 연속 동작 전압이 275V_rms이므로 표 5에서는 배리스터 전압이 430V이상인 소자가 선택된다. 또한 주공의 기준에서 전압보호레벨에 대한 기준이 있는데 전압보호레벨을 결정하는 실험은 개방회로에서 1.2/50㎲ 20㎸의 전압 임펄스와 단락회로에서 8/20㎲ 10㎄의 전류 임펄스를 적용하는 발생장치에서 수행하며 단락 피크전류에 대한 개회로 피크전압의 비는 2Ω이다. 전압보호레벨실험을 통해서 우리가 얻어야 하는 전압값은 앞에서 살펴본 L-N과 N-PE사이에서는 2㎸이고 L-L과 L-PE사이에서는 3이며 이를 만족하는 34S 계열 배리스터는 620V 이하의 배리스터 전압을 갖는 소자들이다.

이로 인해 최대 연속 동작 전압과 전압보호레벨 두 조건을 모두 만족하는 소자는 배리스터 전압이 430V ~ 620V인 소자들이 된다. 참고로, 서지보호기에 서지전류를 용량을 늘리기 위해서는 배리스터를 병렬로 추가하여 사용한다.

표 6은 34S621k 배리스터의 특성표이다.

최대 허용 전압	AC.rms(V)	385
	DC(V)	505
배리스터 전압	min.(VDC)	558
	max.(VDC)	682
최대 클램핑 전압/실험 전류(VDC/A)		1025/300
최대 직류 누설 전류(㎂)		200
커패시턴스@1㎓(㎊)		2200

표 6에서 교류 최대 허용 전압은 385V이고 직류 최대 허용 전압은 505V이며 직류 505V를 인가하였을 경우에 최대 허용 누설전류는 200㎂이다. 배리스터 전압은 최소 558V에서 최대 682V까지 형성되고 34S621k의 소자는 ±10%의 배리스터 전압 오차를 가지는 것을 알 수 있으며 8/20㎲ 300A를 인가하였을 때 1025V에서 전압이 형성됨을 알 수 있다.

4. 실험

전원장치 제작

서지전류 발생장치

배리스터에 서지전류를 인가하기 위하여 서지발생기를 제작하여 시스템을 구성하였다. 도 15는 서지전류인가 실험의 시스템 구성도이다. 도 15에 도시한 바와 같이, 전체 시스템은 크게 상용전원 교류 220V를 직류로 정류하여 승압시키는 승압부와 실제 10/350㎲ 서지전류를 발생시키는 서지발생기 및 시료를 장착하여 파형을 측정하는 측정부로 나눌 수 있다. 오실로스코프는 Lecroy사의 WaveRunner 104MXi 1GHz를 사용하였고 항온항습기는 석산엔지니어링사의 KQ-CT-01을 사용하였으며 배리스터는 34S621k를 사용하였다. 승압장치는 1㎾ 슬라이닥스와 배전압 정류회로를 통하여 원하는 전압으로 승압하며 이때 배전압 정류로 통하여 발생되는 전압 V_C의 크기는 수학식 2와 같다.

여기서 n은 배전압 정류를 적용한 횟수이며, V_max는 슬라이드닥스 출력전압의 최댓값이다. 온도측정은 400℃까지 측정이 가능한 미스미사의 MSNDHG를 이용하였으며 V_C를 맞춰주기 위해 CPU를 사용하여 설정 값(V_ref)으로 충전되면 S1과 S2를 오프시켜 충전이 멈추도록 설정하였고 충전전압은 4000V까지 가능하게 설계하였으며 충전전압 오차는 V_ref에 최대 2% 미만이다. 또한 LCD 디스플레이를 설치하여 V_ref와 V_C의 상태를 관측하였다. 서지발생기는 R, L, C의 직렬구조로 되어 있으며 Simplorer를 이용하여 파라미터들의 값을 선정하였다.

도 16과 도 17은 각각 서지전류의 파두장과 파미장에 관한 시뮬레이션 파형이다. R, L 및 C 값에 대한 선정은 자체적으로 제작하기에 가장 까다로운 C값을 먼저 선정하고 나머지 R과 L을 시뮬레이션을 통해 선정하였다. 도 16에서는 파두장의 시간을 측정한 것으로 7.9㎲이다. 우리가 원하는 파두장의 길이가 10㎲이므로 10% ~ 90%까지의 시간은 8㎲이어야 하며 오차를 고려하면 7.2㎲ ~ 8.8㎲이어야 하는데 시뮬레이션에서의 파두장이 원하는 시간에 파장을 가지는 것을 알 수 있다.

도 17은 파미장의 시간을 측정한 것으로 355.9㎲이다. 우리가 원하는 파미장의 길이가 350㎲이며 오차를 고려하면 315㎲ ~ 385㎲이어야 하는데 시뮬레이션에서의 파두장이 원하는 시간에 파장을 가지는 것을 알 수 있다. L을 설계하기 위해 전자장해석나라를 이용하였다. 시뮬레이션은 3차원축대칭 정전장으로 수행하였고 횡축과 종축의 값은 각각 2000㎜, 1000㎜로 설정하였다. 도체의 모형은 가로 2㎜, 세로 10㎜ 사용하였고 공심코어를 기준으로 하였다. 전류밀도는 1A/㎡로 설정하였으며 각각의 반경을 달리하여 시뮬레이션 하였다. 인덕터값은 인덕터주위에 발생하는 전체 에너지를 가지고 도출하였으며, 아래의 수학식 3과 같다.

여기서 W는 도체주위의 전체 에너지양이고 I는 도선에 흐르는 전류이다. 수학식 3을 L에 대해서 정리를 하면 아래의 수학식 4와 같다.

수학식 4에서와 같이 인덕터값은 전체에너지의 두 배한 값을 전류의 제곱으로 나눈 값으로 표현된다.

도 18은 자력선도이다. 도 18에서 알 수 있듯이 에너지는 도체주위에서 가장 크다. 표 7은 각 반경에 따른 1turn당 인덕턴스이다.

반경(㎜)	요소수	절점수	에너지(J)		인덕턴스(μH)	턴수
반경(㎜)	요소수	절점수	도체	도체외부	인덕턴스(μH)	턴수
400				5.0268 X 10^-17	0.5	2.32
300				1.2008 X 10^-16	1.2	1.5
250				1.3468 X 10^-16	1.35	1.42
248	13864	7119	3.3965 X 10^-18	1.3714 X 10^-16	1.37	1.4
245	12087	6175	3.2172 X 10^-18	1.3535 X 10^-16	1.354	1.41
240	12560	6410	3.3042 X 10^-18	1.3185 X 10^-16	1.32	1.43
225	10474	5359	2.7896 X 10^-18	1.2248 X 10^-16	1.22	1.48
200	19678	10014	2.756 X 10^-18	1.0568 X 10^-16	1.06	1.6
180	18011	9161	2.3866 X 10^-18	9.0035 X 10^-17	0.9	1.73
100	10723	5485	1.373 X 10^-18	4.4218 X 10^-17	0.44	2.47
60	12013	6142	7.1957 X 10^-19	2.3412 X 10^-17	0.24	3.34
45	12217	6211	5.4266 X 10^-19	1.5915 X 10^-17	0.16	4.12

도체외부에너지만을 고려하여 인덕턴스를 계산하는 것이 도체외부의 에너지와 도체내부의 에너지 전체를 고려하는 표 7에서 알 수 있듯이 시뮬레이션결과 도체내부의 에너지는 도체외부의 에너지보다 상대적으로 매우 작은 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 그로 인해 계산시 도체내부에너지를 제외하고 계산한 것과 거의 같으므로 계산상 편의를 위해 도체외부 에너지만을 가지고 인덕턴스를 계산하였다. 인덕턴스는 반경이 줄어들수록 에너지가 증가하다가 일정 범위 내에서는 다시 줄어드는 양상을 보였는데 제작과정에 있어서 동일한 인덕턴스의 값을 제작시 공간적으로 측면에서 반경이 작은 쪽으로 제작하는 것이 유리하므로 제작이 용이한 반경인 45㎜로 하여 설계하였다. 인덕터의 검증은 GWINSTEK사에서 제작한 LCR-819 LCR meter를 가지고 검증하였다.

도 19는 실제 실험 장비를 보인 사진이다.

도 20은 10/350㎲ 서지전류파형의 파미장 및 파두장 파형이며 횡축은 200㎲/div.이다. 도 20에서 위의 파형은 파미장이며 밑의 파형은 파두장이다. 파두장은 10% ~ 90%까지의 시간이 7.848㎲으로 1.25*7.848 = 9.81㎲인 것을 알 수 있고 파미장은 326.495㎲인 것을 알 수 있으며 이로 인해 10/350㎲파형에 적합한 것을 알 수 있다.

직류전류 발생장치

배리스터에 직류 누설 전류를 인가하기 위하여 시스템을 구성하였으며 도 21과 같다. 직류 누설 전류 인가 시스템은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 배리스터의 온도와 누설전류를 측정하는 측정부와 누설전류를 일정하게 제어해주는 정전류부 그리고 전압을 승압하여 정류시키는 고압평활부로 나눌 수 있다. 측정부는 서지전류인가실험과 동일하며 온도의 발산을 최대한 줄이기 위하여 배리스터를 단열재로 감싸서 측정하였고 정전류부는 전원전압을 받아 전압을 강압시키는 강압변압기와 전류의 값을 검출하여 트랜지스터를 제어하는 정전류회로로 구성되며 전압을 0 ~ 40V까지 가변시켜 원하는 전류값을 얻는다.

고압평활부는 슬라이드닥스와 승압변압기 통하여 원하는 전압으로 설정하고 정류기를 통하여 직류로 변환하고 커패시터로 평활한다. 그 때의 전압은 고압평활부와 정전류부의 합인 0 ~ 850V, 전류는 0 ~ 1000㎂까지를 사용하며 고압평활부 리플은 전류가 적으므로 정전류회로 0 ~ 40V의 제어로 안정화되며 도 22의 C1의 전류파형과 같이 안정된 정전류를 만들 수 있다.

- 배리스터의 성능평가

서지전류의 크기와 인가횟수에 따른 배리스터의 수명예측

서지전류는 0.5㎄, 1㎄, 1.5㎄, 2㎄를 1분 간격으로 인가하였으며 배리스터가 소손되기 전까지 실험하였다. 표 8은 0.5㎄, 1㎄, 1.5㎄ 및 2㎄의 서지전류를 배리스터에 인가하여 측정한 제한전압과 배리스터가 소손이 될 때까지의 서지인가횟수의 평균치이다.

시료	평균실험전류	평균제한전압	소손까지의 평균횟수
32D511K	0.507 ㎄	790.6 V	395
	1.002 ㎄	801.1 V	7.1
	1.553 ㎄	823.1 V	4.4
	2.033 ㎄	835.5 V	1.4

표 8에서 실험전류인 서지전류가 증가 할수록 배리스터 양단에 걸리는 평균제한전압은 증가하는 것을 알 수 있었고 배리스터의 소손횟수는 감소하는 것을 알 수 있었다.

도 23은 실제 실험 데이터의 전류에 대한 전압 분포도이다.

같은 사양의 시료를 사용하였음에도 불구하고 같은 전류에서의 제한전압 크기가 다소 차이가 나타나는 것을 알 수 있었다. 0.5㎄를 인가하였을 경우 최소 / 최대 제한전압은 730V / 818V 이고, 1㎄를 인가하였을 경우에는 670.2V / 879.2V이며, 1.5㎄를 인가하였을 경우에는 770.3V / 872.5V이며, 2㎄를 인가하였을 경우에는 800V / 859V이다. 10/350㎲ 서지전류를 배리스터에 인가하여 배리스터의 양단에 걸리는 제한전압과 배리스터의 소손횟수를 측정한 것으로 배리스터에 인가된 서지전류가 클수록 제한전압의 평균크기가 증가하는 것을 알 수 있었고 서지전류가 작을수록 소손시 서지전류 인가횟수가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 서지전류가 인가된 후 배리스터의 표면온도가 고온으로 증가하였으며 이로 인해 배리스터가 온도에 의한 소손인지 서지전류에 의한 소손인지 측정할 수가 없었다. 그리하여 30초 간격으로 서지전류 인가하여 배리스터에 최대허용온도 측정한다.

- 절연저항 측정에 의한 배리스터의 열화평가

34S621k 배리스터의 허용 누설전류가 200㎂인 것을 감안한다면 주위의 온도보다 2.4℃이상 증가하면 배리스터의 성능이 이상이 있음을 간접적으로 추론할 수 있다.

도 24는 직류누설전류에 따른 배리스터의 표면온도 상승값 및 저항값을 보인 그래프이고, 표 9는 직류누설전류에 따른 배리스터의 표면온도 상승값과 저항값 및 전압에 대한 표이다.

누설전류I_leak(㎂)	온도상승값ΔT(℃)	저항값(㏁)	양단전압V_clamp(V)
25	0.4	19.4	486
50	0.8	9.8	490
75	1.4	6.5	491
100	1.9	4.9	493
200	2.4	2.5	500
400	3.55	1.25	505
600	4.58	0.85	509
800	5.53	0.64	512
1000	6.6	0.51	513

도 24에서 보듯이 100㎂ 이상에서는 배리스터가 클램핑 모드이어서 양단간의 전압은 V_clamp로서 일정하다. 따라서 온도 상승(ΔT)은 누설전류 I_leak에 비례하게 된다. 그리고 100㎂에서의 저항값 4.9㏁은 주택공사에서 정한 기준조건인 500V 절연저항시험에서의 요구하는 절연저항 5㏁에 근접한 값으로 직류누설전류가 100㎂이상이 되면 주공의 기준조건에 만족하지 못하는 상태이다. 또한 제조사에서는 200㎂이상이면 정상 동작 상태에서 벗어난 것으로 간주하게끔 되어 있는데, 주택공사는 이 보다 더 엄격한 기준을 제시하는 것을 알 수 있다. I_leak가 100㎂미만인 경우를 보면 100㎂이상일 때와는 다른 기울기를 갖는 ΔT-I_leak 관계를 가지며 식으로 표현하면 아래의 수학식 5와 같다.

수학식 5에서 보듯이 ΔT를 측정하면 I_leak를 환산할 수 있다. 이와 같이 주공의 기준에 비추어 볼 때 100㎂이상인 경우 배리스터의 지속적인 온도는 주위 온도보다 2℃이상이 되어 절연저항이 기준치에 미달되며 더 이상 사용하지 못한다.

- 배리스터의 최대 허용 온도 설정

도 25, 도 26 및 도 27은 상온, 50℃ 및 90℃에서 10/350㎲ 0.5㎄를 30초 간격으로 인가하여 최대온도 상승을 살펴본 것이다. 여기서 종축은 500㎷/div.이고 횡축은 100㎲/div.로써 0.1℃/㎷이며 1000초간 측정하였다. 도 25는 상온에서의 최대 온도상승을 살펴본 것으로 239.6℃까지 온도가 상승하였고, 도 26은 50℃에서의 최대 온도상승을 살펴본 것으로 244.9℃까지 온도가 상승하였으며, 도 27은 90℃에서의 최대 온도상승을 살펴본 것으로 247.9℃까지 온도가 상승하였다. 이와 같이 온도는 최대 약 248℃까지 증가한 후 더 이상 온도가 증가하지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 배리스터의 리드 즉 단자가 납땜으로 연결함으로 인해 땜납이 녹는 온도이다.

- 10/350 서지전류인가 실험

- 주위온도에 따른 온도상승

도 28, 도 29 및 도 30은 상온, 50℃ 및 90℃에서 10/350㎲ 0.5㎄를 인가한 경우의 온도변화 그래프이다. 여기서 종축은 200㎷/div.이고 횡축은 100㎲/div.로써 0.1℃/㎷이며 1000초간 측정하였다. 도 28은 상온 22℃에서 온도변화를 측정한 것으로 28.6℃가 증가하였고, 도 29는 50℃에서 온도변화를 측정한 것으로 27.9℃가 증가하였으며, 도 30은 90℃에서 온도변화를 측정한 것으로 29.1℃가 증가하였으며 평균적으로 약 28.5℃가 증가한 것을 알 수 있었다.

도 31, 도 32 및 도 33은 상온, 50℃ 및 90℃에서 10/350㎲ 0.75㎄를 인가한 경우의 온도변화 그래프이다. 여기서 종축은 200㎷/div.이고 횡축은 100㎲/div.로써 0.1℃/㎷이며 1000초간 측정하였다. 도 31은 상온 22℃에서 온도변화를 측정한 것으로 35.4℃가 증가하였고, 도 32는 50℃에서 온도변화를 측정한 것으로 36.4℃가 증가하였으며, 도 33은 90℃에서 온도변화를 측정한 것으로 36.3℃가 증가하였으며 평균적으로 약 36가 증가한 것을 알 수 있었다.

도 34, 도 35 및 도 36은 상온, 50℃ 및 90℃에서 10/350㎲ 1㎄를 인가한 경우의 온도변화 그래프이다. 여기서 종축은 200㎷/div.이고 횡축은 100㎲/div.로써 0.1℃/㎷이며 1000초간 측정하였다. 도 34는 상온 22℃에서 온도변화를 측정한 것으로 47.6℃가 증가하였고, 도 35는 50℃에서 온도변화를 측정한 것으로 50.5℃가 증가하였으며, 도 36은 90℃에서 온도변화를 측정한 것으로 49.1℃가 증가하였으며 평균적으로 약 49.1℃가 증가한 것을 알 수 있었다.

도 37은 상온에서 서지전류에 따른 온도상승 그래프이고, 표 10은 서지전류에 따른 온도 상승값과 그에 따른 수치들이다.

	서지전류I_p(㎄)	온도상승값δT(℃)	I_p X δT	I_p ²
1	0.07	8.0	0.56	0.0049
2	0.14	12.9	1.806	0.0196
3	0.2	16.6	3.32	0.04
4	0.26	17.9	4.654	0.0676
5	0.33	21.2	6.996	0.1089
6	0.36	22.9	8.244	0.1296
7	0.46	25.1	11.526	0.2116
8	0.5	28.5	14.25	0.25
9	0.62	32.5	20.15	0.3844
10	0.68	34.7	23.596	0.4624
11	0.75	36.0	27.0	0.5625
12	0.85	43.8	37.23	0.7225
13	0.88	46.0	40.48	0.7744
14	1.0	49.1	49.1	1.0
Σ			248.932	4.7348

배리스터가 동작하는 breakdown 영역에서는 전류의 변화에 따른 클램핑 전압의 변화가 상대적으로 매우 작기 때문에 전류에 따른 클램핑 전압이 일정하다고 볼 수 있으며 전압이 일정하기 때문에 서지전류의 크기 변화가 에너지의 변화에 직접적으로 영향을 미친다. 그러므로 배리스터에 인가되는 에너지는 수학식 6과 같고, 어떠한 물체에서 발생하는 열에너지는 수학식 7과 같다.

수학식 6과 7에 의하여 서지전류에 의한 순간온도변화

와 서지전류의 최대치

사이에는 일정한 비례관계식이 성립되며 이에 의거하여 추세 방정식을 세울 수 있는데, 그것을 나타낸 그림이 도 38이고, 수학식 8과 같다.

결과적으로, 서지전류의 크기와 인가횟수에 따른 배리스터의 성능평가에서 서지전류에 따른 소손횟수와 본 실험의 서지전류와 온도상승에 관한 데이터를 가지고 배리스터의 성능과 수명을 예측할 수 있다.

서지전류의 에너지와 온도상승

도 39, 도 40 및 도 41은 상온에서 10/350㎲ 파형의 0.5㎄, 0.75㎄ 및 1㎄ 인가시의 배리스터에서 살펴본 전력파형이다. 위의 3가지 그림 모두 위에서부터 서지전류파형, 배리스터 양단 전압파형, 전압과 전류 곱셈파형 및 전압과 전류 곱셈파형의 시간에 대한 적분파형이다. 도 39는 0.5㎄ 인가시의 전력으로 0.1433*12*101 = 173.68VA이 되고, 도 40은 0.75㎄ 인가시의 전력으로 0.2047*12*101 = 248.1VA이 되며, 도 41은 1㎄ 인가시의 전력으로 0.2688*12*101 = 325.79VA가 된다. 이를 비율로 나타내면 1 : 1.43 : 1.88의 비율이 되어 서지전류 인가 크기와 거의 비례적으로 전력이 발생되는 것을 알 수 있었다.

도 42 및 도 43은 20/170㎲ 서지전류 파형의 파두장 및 파미장이다. 도 42에서 횡축은 20㎲/div.이고, 도 43에서는 횡축은 100㎲/div.이다. 도 42는 20/170㎲파형의 파두장으로서 10% ~ 90%까지의 시간이 16.435㎲으로 파두장이 1.25*16.435 = 20.544㎲인 것을 알 수 있고, 도 43은 20/170㎲파형의 파미장으로서 파미장은 158.332㎲인 것을 알 수 있으며 이로 인해 20/170㎲파형에 적합한 것을 알 수 있다.

도 44는 20/170㎲ 0.94㎄ 인가시의 배리스터에서 살펴본 전력파형이다. 위에서부터 서지전류파형, 배리스터 양단 전압파형, 전압과 전류 곱셈파형 및 전압과 전류 곱셈파형의 시간에 대한 적분파형이다. 도 44에서의 전력은 0.1437*12*101 = 174.16VA로 10/350㎲ 0.5㎄의 전력과 거의 같음을 알 수 있다.

도 45, 도 46 및 도 47은 각각 상온, 50℃ 및 90℃에서 20/170㎲ 0.5㎄를 인가한 경우의 온도변화 그래프이다. 여기서 종축은 200㎷/div.이고 횡축은 100㎲/div.로써 0.1℃/㎷이며 1000초간 측정하였다. 도 45는 상온에서의 온도변화로서 28.2℃ 상승하였고. 도 46은 50℃에서의 온도변화로서 28.2℃ 상승하였으며, 도 47은 90℃에서의 온도변화로서 29.4℃ 상승하여 평균적으로 약 28.6℃ 상승하였다. 이것은 10/350㎲ 0.5㎄ 인가시 배리스터의 온도변화와 거의 동일하였으며 이로 인해 파형이 서로 다른 서지전류의 경우에는 배리스터에 인가된 전력이 같다면 같은 온도만큼 상승함을 알 수 있었다. 이로 인해 임의의 서지 파형의 경우에도 온도의 상승분을 안다면 어떠한 기준파형으로 환산된 상대적인 서지전류를 알 수 있다.

- 누설전류인가 실험

- 누설전류에 의한 온도상승

도 48 내지 도 52는 각각 200㎂, 400㎂, 600㎂, 800㎂ 및 1㎃ 직류전류 인가시 배리스터의 온도변화를 살펴본 것이다. 여기서 도 48 내지 도 51은 종축이 200㎷/div.이고 횡축이 20㎲/div.이며 도 52는 종축이 500㎷/div.이고 횡축이 20㎲/div.로써 0.1℃/㎷이다. 도 48은 200㎂ 인가시의 온도변화를 살펴본 것으로 2.4℃ 증가하였고, 도 49는 400㎂ 인가시의 온도변화를 살펴본 것으로 3.55℃ 증가하였으며, 도 50은 600㎂ 인가시의 온도변화를 살펴본 것으로 4.58℃ 증가하였다. 도 51은 800㎂ 인가시의 온도변화를 살펴본 것으로 5.53℃ 증가하였고, 도 52는 1㎃ 인가시의 온도변화를 살펴본 것으로 6.6℃ 증가하였다.

5. 결론

본 논문에서는 배리스터에 인가되는 10/350㎲ 서지전류의 크기와 인가횟수를 측정함으로 배리스터의 성능을 평가한다. 0.5㎄의 서지전류를 395번 인가후 소손되었으며, 1㎄의 서지전류는 약 7번, 1.5㎄의 서지전류는 약 4번, 2㎄의 서지전류는 약 1번 인가후 소손되었다.

10/350㎲의 서지전류 측정과 직류누설전류의 측정을 위해 본 논문에서는 배리스터의 표면온도를 측정함으로서 서지전류와 직류누설전류의 값을 온도변화 양으로 환산하였다. 서지전류인가실험은 주택공사에서 제시하는 최대방전전류 기준에 관련이 있으며 직류누설전류인가실험은 주택공사에서 제시하는 절연저항 기준과 느린 열화에 대한 열적 안정성 기준에 관련이 있다.

실험 전류의 크기는 10/350㎲ 서지전류의 경우 0.5㎄, 0.75㎄ 및 1㎄를 인가하였으며 비교파형으로 사용한 20/170㎲ 서지전류의 경우에는 10/350㎲ 서지전류의 0.5㎄를 배리스터에 인가할 때의 전력량과 같아지는 크기인 0.94㎄를 사용하였다. 직류누설전류의 경우에는 200㎂ ~ 1㎃의 전류를 200㎂ 간격으로 사용하였다.

10/350㎲ 서지전류 인가실험의 경우 0.5㎄, 0.75㎄ 및 1.0㎄ 인가시 각각의 전류에 대해 상온, 50℃ 그리고 90℃의 세 경우에 대하여 실험하였으며 0.5㎄ 인가에는 약 28.5℃, 0.75㎄ 인가에는 약 36℃ 그리고 1.0㎄ 인가에는 약 49.1℃가 상승하였고 온도상승은 주위온도와는 무관하며 같은 서지전류에서는 일정한 상승폭으로 온도가 변화하였다. 또한 0.5㎄, 0.75㎄ 및 1㎄의 배리스터에서 살펴본 전력을 비교한 결과 서지전류의 크기와 비례하였다.

10/350㎲ 서지전류 0.5㎄와 전력량이 같은 20/170㎲ 서지전류 0.94㎄를 인가하였을 경우에도 각각의 온도에서 약 28.6℃의 온도상승이 발생하였다. 이로 인해 서지전류에 의한 배리스터의 온도상승은 인가된 에너지양 비례함을 알 수 있었다.

이를 근거로 다른 파장을 가지는 서지전류의 경우도 어떠한 기준 서지전류 파형에 대한 상대적인 크기로 환산할 수 있음을 알 수 있다. 또한 서지의 파형과 무관하게 배리스터에 공급되는 전력에 비례하는 순간온도 상승이 있음을 알 수 있다. 따라서, 순간온도 상승의 크기와 횟수를 판독함으로써 배리스터의 수명을 예측할 수 있게 된다.

직류누설전류 인가실험의 경우 배리스터의 표면온도가 2.4℃ 증가하였을 경우 누설전류는 200㎂, 3.55℃ 증가하였을 경우에는 누설전류는 400㎂, 4.58℃ 증가하였을 경우에는 누설전류는 600㎂, 5.53℃ 증가하였을 경우에는 누설전류는 800㎂ 그리고 6.6℃ 증가하였을 경우에는 누설전류는 1㎃이었음을 알 수 있었다. 이로 인해 누설전류가 증가할수록 배리스터의 온도는 지속적인 전력 공급에 의해 주변 온도보다 높이 상승하며, 이를 통해 간접적으로 현재의 배리스터의 절연저항을 알 수 있다. 즉 주택공사에서 제시하는 100㎂, 5㏁ 더 이상 사용이 불가능하며 제조사에서 제시하는 200㎂, 2.5㏁ 사용이 불가능한 것으로 현재의 열화정도를 알 수 있다.

이 두 실험을 통해 배리스터 표면에서 나타나는 순간온도상승과 주변온도와의 온도차를 측정하면 서지전류와 직류누설전류의 정도를 측정하며 배리스터의 서지인가횟수에 따른 배리스터의 소손시점과 병행하여 배리스터의 수명을 진단 할 수 있다. 또한 임의의 서지전류를 기준 서지전류로 환산이 가능하다는 장점이 있다.

도 53은 본 발명의 일 실시예에 따른 서지 보호 장치의 블록 구성도이다. 도 53에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 서지 보호 장치는 크게, 전기 선로에 설치되는 1개 이상의 서지보호 소자(미도시), 각각의 서지보호 소자의 표면 온도를 감지하는 온도 센서(10), 각각의 온도 센서(10)로부터 출력되는 아날로그 감지 신호를 상응하는 크기의 디지털 온도 데이터로 변환하는 A/D 변환부(20), 현재의 시간 정보, 즉 년/월/일/시/분/초 정보를 생성하는 리얼타임클록(Real Time Clock; RTC)(30), 서지보호 소자의 성능과 수명 예측에 관계된 각종 데이터가 저장되어 있는 데이터 테이블(50), 서지전류 또는 누설전류의 발생 시간과 크기(온도 또는 에너지) 및 지속 시간 등의 정보를 지속적으로 저장하는 데이터 저장부(60), 고장, 서지전류 또는 누설전류의 발생 사실이나 서지보호 소자의 수명 및 장치의 동작 중에 발생하는 각종 사항을 표시하는 표시부(70) 및 장치의 동작을 총괄적으로 제어함과 함께 A/D 변환부(20)로부터 입력되는 디지털 온도 데이터를 데이터 테이블(50)에서 조회하여 서지전류나 누설전류의 크기를 파악하고 한계 수명을 예측하는 중앙처리장치(Central Process Unit; CPU)(40)를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 서지보호 소자는 바람직하게는 배리스터로 구현되나, GDT나 TVS로 구현될 수도 있다. 나아가, 이러한 서지보호 소자는 도 5 내지 도 10에 도시한 다양한 결선 방식으로 상용전원에 연결될 수 있는데, 이에 따라 적게는 2개에서 많게는 4개까지의 서지보호 소자가 사용될 수 있다.

다음으로, 온도 센서(10)는 서지보호 소자와 일대일로 대응되어 각각의 서지보호 소자의 표면에 부착되거나 표면 부근에 이격 설치될 수 있는데, 예를 들어 써미스터나 열전쌍 등으로 구현될 수 있을 것이다. 표시부(70)는 평판 표시기, 예를 들어 LCD와 그 구동부로 이루어질 수 있는바, 이외에도 서지보호 소자를 교체할 것을 청각적인 경보하는 부저 등이 더 구비될 수도 있다.

데이터 테이블(50)은 ROM과 같이 읽기만 가능하고 쓰기가 불가능한 메모리 소자나 현재 많이 사용되고 있는 플래시 메모리에 구축될 수 있는바, 플래시 메모리로 구현되는 경우에는 사용자에 의한 접근이 불가능한 안전 영역에 구축될 수 있을 것이다. 한편, 이러한 데이터 테이블(50)에는 전술한 바와 같이 온도변화와 누설전류 사이의 관계를 나타낸 온도-누설전류 데이터 테이블(52), 온도변화와 에너지 관계, 즉 온도변화와 인가된 서지전류의 크기 사이의 관계를 나타낸 온도-에너지 데이터 테이블(54) 및 순간온도 상승의 크기, 즉 서지전류의 크기와 한계 수명 사이의 관계를 나타낸 서지보호 소자 수명 데이터 테이블(56)을 포함하여 이루어질 수 있다.

다음으로, 데이터 저장부(60)는 전원이 제거되더라도 데이터가 지워지지 않는 플래시 메모리 등으로 구현될 수 있다.

마지막으로, 중앙처리장치(40)는 온도 센서(10) 및 A/D 변환부(20)를 거쳐 입력되는 디지털 온도 데이터를 온도변화와 누설전류 사이의 관계를 나타낸 데이터 테이블(52)에 대입하여 얻어진 현재의 누설전류, 즉 절연저항에 의해 서지보호 소자의 사용 가능 여부를 판단한 후에 RTC(30)의 시간 정보를 참조하여 데이터 저장부(60)에 이를 기록함과 동시에 표시부(70)를 통해 사용자에게 알린다. 중앙처리장치(40)는 또한 온도 센서(10) 및 A/D 변환부(20)를 거쳐 입력되는 디지털 온도 데이터를 온도변화와 인가된 에너지 관계 테이블(54)에 대입하여 얻어진 에너지 량에 의해 표준 파형, 즉 10/350이나 8/20으로 환산한 서지전류의 크기를 파악한 후에 RTC(30)의 시간 정보를 참조하여 데이터 저장부(60)에 기록함과 함께 데이터 저장부(60)에 저장되어 있는 서지전류 크기와 발생 회수 정보를 서지보호 소자 수명 데이터 테이블(56)에 대입하여 서지보호 소자의 한계 수명을 예측한 후에 사용자가 알 수 있도록 표시부(70)를 통하여 출력한다.

본 발명의 서지 보호 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

- 참고문헌 -

[1] KS C IEC 62305-1 “피뢰시스템 제 1 부 : 일반 원칙”, pp. 73, 2007.

[2] 이복희, 이봉, “8/20 [㎲]임펄스전류의 인가횟수와 크기가 ZnO바리스터의 수명에 미치는 영향”, Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers Vol. 21, No.1, pp. 118 ～ 124, January 2007.

[3] 이복희, 이봉, 이수봉, “서지전류가 입사된 ZnO 바리스터에 흐르는 누설전류의 특성”, 한국조명·전기설비학회 2006춘계학술대회 논문집, 2006. 5.

[4] 이한규, 김재중, 장석원, 곽계달, “ZnO(산화아연)바리스터의 가속수명시험”, 대한기계학회 2006년도 추계학술대회 강연 및 논문 초록집, pp. 13 ~ 18, 2006. 11.

[5] KS C IEC 61643 - 1 “저압 배전 계통의 서지 보호 장치 - 제 1 부 : 성능 및 시험 방법”, pp. 14, 2003.

[6] 오명환, “산화아연 바리스터의 기술적 현황과 전망”, 전자공학회잡지 제7권 4호, pp. 52 ~ 62, 1980. 12.

[7] http://www.interferencetechnology.com

[8] Bin Wei, Yuanfang Wen, Yuejin Tang, Jingdong Li, Yusheng Zhou, “Investigation into the Characteristics of MOV at Liquid Nitrogen Temperature in Low Current Region”, Transmission and Distribution Conference and Exhibition: Asia and Pacific, 2005 IEEE/PES, pp. 1 ～ 5, 2005.

[9] 오명환 외5명, “전력계통 ZnO 비직선 저항체의 전기적 특성 향상을 위한 연구”, 한국과학기술원, 1987.

[10] 여인식, 고영민, 김동진, 김영선, 이기식, “10/350 서지전류의 크기와 인가횟수에 따른 바리스터의 제한 전압 특성 고찰”, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 2138 ～ 2139, 2009. 7.

10: 온도 센서, 20: A/D 변환부,
30: 리얼타임클록, 40: 중앙처리장치,
50: 데이터 테이블, 60: 데이터 저장부,
70: 표시부

Claims

전기 선로에 설치되는 1개 이상의 서지보호 소자;
각각의 상기 서지보호 소자의 표면 온도의 크기를 감지하는 온도 센서;
각각의 상기 온도 센서로부터 출력되는 아날로그 감지 신호를 상응하는 크기의 디지털 온도 데이터로 변환하는 A/D 변환부;
온도변화와 누설전류 사이의 관계를 나타낸 온도-누설전류 데이터 테이블 및 온도변화와 에너지 관계를 나타낸 온도-에너지 데이터 테이블을 포함하는 데이터 테이블;
장치의 동작 중에 발생하는 각종 사항을 표시하는 표시부 및
상기 A/D 변환부를 거쳐 입력되는 디지털 온도 데이터를 상기 온도-누설전류 데이터 테이블에 대입하여 얻어진 현재의 누설전류에 의해 서지보호 소자의 사용 가능 여부를 판단하거나 상기 디지털 온도 데이터를 상기 온도-에너지 데이터 테이블에 대입하여 얻어진 에너지 량에 의해 서지전류의 크기를 판단한 후에 상기 표시부를 통해 출력하는 중앙처리장치를 포함하여 이루어진 서지 보호 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전기 선로는 상용 전원 선로이고,
상기 서지보호 소자는 배리스터인 것을 특징으로 하는 서지 보호 장치.
제 2 항에 있어서,
서지전류 또는 누설전류의 발생 시간과 크기 및 지속 시간 정보를 지속적으로 저장하는 데이터 저장부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 서지 보호 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 데이터 테이블에는 서지전류의 크기와 한계 수명 사이의 관계를 나타낸 서지보호 소자 수명 데이터 테이블이 더 포함되고,
상기 중앙처리장치는 상기 데이터 저장부에 저장되어 있는 서지전류 크기와 발생 회수 정보를 상기 서지보호 소자 수명 데이터 테이블에 대입하여 서지보호 소자의 한계 수명을 예측한 후에 사용자가 알 수 있도록 상기 표시부를 통하여 출력하는 것을 특징으로 하는 서지 보호 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 온도-에너지 데이터 테이블과 상기 서지보호 소자 수명 데이터 테이블은 표준 파형의 서지전류에 의거하여 작성된 것을 특징으로 하는 서지 보호 장치.