KR101050807B1

KR101050807B1 - 서지 어레스터 장치 및 그 사용 방법

Info

Publication number: KR101050807B1
Application number: KR1020077002776A
Authority: KR
Inventors: 지그프리트 그로트; 울란트 궤벨; 페터 뉘흐터; 마르쿠스 간터
Original assignee: 후버 앤드 주흐너 아게
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2011-07-20
Also published as: WO2006012754A1; BRPI0418994A; US7567417B2; CN1998117B; KR20070035595A; TW200618017A; TWI357088B; EP1774630B1; BRPI0418994B1; DE502004012168D1; EP1774630A1; US20070253136A1; CN1998117A

Abstract

본 발명은 소정의 제1 전압을 초과할 때 비전도 상태에서 전도 상태로 변화하고, 훨씬 더 낮은 제2 전압 아래로 떨어질 때에만 비전도 상태로 되돌아가는 서지 어레스터(22); 및 서지 어레스터(22)를 지나는 전류 흐름에 반응하고 상기 서지 어레스터(22)를 지나는 전류 흐름을 차단하며, 그 후 자동으로 안정 상태(rest condition)로 되돌아가는 스위칭 기구(26, ...31)를 가지는, 자동으로 트리거하는 서지 어레스터 장치(20)에 관한 것이다. 이러한 서지 어레스터 장치의 경우, HF 애플리케이션에 적합한 간단하고 견고하며 컴팩트한 어셈블리를 구현할 수 있고, 이에 따라 스위칭 기구(26, 31)은 전류 흐름에 의해 서지 어레스터(22) 내에 발생된 열에 가역적으로 반응한다.

서지, 어레스터, 스위칭 기구, 열팽창, 낙뇌, 보호

Description

서지 어레스터 장치 및 그 사용 방법 {AUTOMATICALLY-TRIGGERING SURGE ARRESTER ARRANGEMENT AND USE OF SUCH A SURGE ARRESTER ARRANGEMENT}

본 발명은 전기적 보호 분야에 관한 것이다. 본 발명은 특히 청구의 범위 제1항의 전제부에 기재된 바와 같이 자동으로 방전을 멈추는(quench) 서지 어레스터 장치(surge arrester arrangement) 및 그러한 서지 어레스터 장치의 사용 방법에 관한 것이다.

낙뢰 또는 기타 단시간 발생하는 현상은, 무선 안테나와 같은 노출된 장치에 연결되어 있는 전기 케이블이나 전기 회로에서 발생하는 위험한 전압 스파이크(voltage spike)을 발생시키고, 이는 전기적 디바이스에 영구적인 손상이나 완전 고장을 초래할 수 있다. 그러한 전압 스파이크를 해가 없도록 하기 위해, 다양한 설계의 서지 어레스터 및 동작 방법이 아주 오랫동안 보호될(피보호) 디바이스에 적당한 지점에 설치되어 왔는데, 이것은 정상적인 환경에서는 비전도성이지만, 위험한 과전압이 발생할 때 스위칭되어 발생한 전위차를 없앤다(equalize out).

서지 어레스터의 가능한 유형 중 하나는, 위험한 전압 스파이크가 발생할 수 있는 두 도체 사이에 연결되는 전압 종속 저항기(voltage-dependent resistor), 예를 들면 금속 산화물 바리스터(metal-oxide varistor, MOV)로 구성된다. 정상적인 동작 전압에서는, 바리스터의 저항이 높아서, 두 도체 사이에는 소량의 누설 전류만이 흐른다. 고전압 스파이크가 발생하면, 바리스터의 저항은 급격하게 감소하여, 희망했던 평형 전류(equalization current)가 흐를 수 있다. 하지만, 내부 변화의 결과로서 정상 상태에서조차 바리스터에 크게 증대된 누설 전류가 흐를 때, 바리스터의 경우에 문제가 생기는데, 이는 보호될 회로에 부하를 인가하고 동작에 변화를 초래할 수 있다. 따라서, 열적으로 활성화될 수 있는 스위칭 디바이스를 바리스터와 직렬로 연결하여, 주요 누설 전류의 결과로 바리스터가 가열됨에 따라 그 바리스터를 통해 전류를 차단하는 것과, 이 대신에 추가적인 과전압 보호기능으로서 분리된 연결부(disconnected connection)에 불꽃 갭(spark gap)을 도입하는 것이 이미 제안되었다(문헌 US-A-4,288,833 참조). 열적으로 활성화될 수 있는 스위칭 디바이스는 탄성의 스위칭 암(switching arm)에 제공되며, 스위칭 암은 기계적으로 압축 응력을 받도록 일단(one end)이 바리스터에 납땜되어 있고, 바리스터에 대한 전기적 연결을 만든다. 과도한 누설 전류로 인해 바리스터가 심하게 가열되면, 납땜된 접합 부분의 땜납이 녹아, 전기 스위칭 암은 그 압축 응력에 의해 바리스터에서 들리게 되고, 바리스터를 통해 흐르는 전류를 차단시킨다. 스위칭 암이 들리게 됨으로써 , 바리스터와 들린 스위칭 암 또는 특별히 이 목적으로 제공된 도체 사이에 형성된 불꽃 갭이 효력을 나타내게 된다. 이 서지 어레스터 장치는, 스위칭 소자가 트리거될 때 장치 내의 변화가 비가역적(irreversible)이라는 단점이 있다. 또한 문헌 DE-A1-197 31 312에서의, 외부의 단락 회로 디바이스를 구비한 서지 어레스터의 스위칭 과정도 마찬가지로 비가역적이다. 서지 어레스터가 과 도하게 가열되면, 두 절연 스페이서(insulating spacer)가 녹아서, 탄성 있게 압축 응력을 받는 단락회로 브래킷이 서지 어레스터의 2개 또는 3개의 연결 접촉부와 단락할 수 있고, 따라서 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름을 인계받을 수 있다.

서지 어레스터의 다른 유형은, 과전압이 2개 또는 3개의 전극을 갖는 폐쇄형 가스충전 캡슐(gas-filled capsule) 내에 트리거되는 가스 방전을 초래하는 가스 캡슐 어레스터로 구성된다. 이 어레스터는 일단 가스 방전이 트리거되면, 상당히 낮은 발화 전압(burning voltage)에서 지속된다는 문제가 있다. 예를 들면, 발화 전압 이상의 원격 전자기기의 공급 전압 또는 고 RF 전력이 정상 동작중에 회로나 케이블 내에 설치된 가스 캡슐 어레스터에 인가되면, 가스 방전이 과전압 스파이크의 트리거가 발생한 후에 태우기 위해 계속되고, 회로나 케이블에 부하를 인가한다. 또한 어레스터에서 발생되는 과도한 열에 반응하여 어레스터에의 전류 공급을 영구적으로 차단하거나(문헌 US-A-4,051,546 참조), 우회로에 의해 어레스터를 영구적으로 단락시키는(문헌 US-A-3,755,715 또는 US-A-4,132,915 참조) 다른 비가역적인 스위칭 디바이스는 가스 캡슐 어레스터용으로 제안되었다. 열적으로 활성화되는 스위칭 디바이스는, 개별적으로 구성될 수도 있고 외부에서 서지 어레스터에 열적으로 결합될 수도 있지만(문헌 US-A-4,275,432 참조), 서지 어레스터에 통합될 수도 있다(위에서 언급한 문헌들 참조). 열적으로 활성화되는, 비가역적 단락 디바이스는 또한 동축 케이블용 가스 캡슐 어레스터와 관련하여 공지된 것이기도 하다(문헌 US-A-5,724,220, 도 24 및 도 25 참조).

가스 캡슐 어레스터를 통해 흐르는 방전 전류를 차단하기 위한 비가역적 스 위칭 디바이스는 문헌 US-A-4,068,277에 의해 알려져 있다. 이 경우에, 바이메탈 소자(bimetallic element)를 가지고, 열적으로 동작하며, 가열 소자(heating element)가 어레스터에 직렬로 연결되어 있는 개별 접촉기(contactor)가 제공된다. 일단 트리거되면, 방전은 어레스터 내에서 일정한 시간 동안 계속되고, 어레스터 및 하나의 선로를 통해 흐르는 전류를 차단한다. 비교적 긴 시간, 예를 들면 20-30초 후에 접촉기가 일단 다시 충분히 냉각되면, 어레스터 및 선로를 통해 흐르는 전류를 자동으로 다시 연결하고, 이에 따라 초기 상태를 회복한다. 이 해결책은 개별의 접촉기 때문에 소형의 공간 절약형 장치는 불가능하다는 단점이 있다. 또한, 하나의 선로에서의 차단은, 다른 회로 부분을 위한 공급 전류가 복수의 선로를 통해 흐르는 애플리케이션의 경우에 적당하지 않다.

서지 어레스터 장치는, 무선 주파수용의 동축 도체 장치(coaxial conductor arrangement)에 통합되므로, 초단파(VHF)에 적합해야할 뿐만 아니라 물리적으로 소형이고 기능적으로 신뢰성이 있으며, 로버스트(robust)하고 유지보수를 거의 필요로 하지 않아야 하는, 특별한 필요조건을 요한다.

서지 어레스터 장치는 통합되어 있지만 임의의 추가적인 스위칭 소자는 없는 동축 도체 장치의 예는 본 출원의 출원인의 문헌 CH-A5-660 261, EP-A1-0 855 756, 또는 EP-A1-0 938 166에 개시되어 있다. DC 전압 또는 무선 주파수 신호가 인가되는 경우에도 가스 캡슐 어레스터가 비전도 상태로 쉽게 전환될 수 있도록 하기 위해, 이와 같은 서지 어레스터 장치로 인한 결함의 경우에, 본 출원의 출원인의 문헌 WO-A1-2004/032276는 인덕턴스, 전자기적으로 동작되는 인터럽터 스위 치(interrupter switch), 및 다이오드를 포함하여, 추가의 스위칭 장치를 제안한다. 이 스위칭 장치는 두 개의 동일한 가스 캡슐 어레스터를 포함하는 직렬 회로와 상호작용한다. 상기 장치의 구성 및 동작 방법은 인용문헌에서 찾을 수 있다.

문헌 WO-A1-2004/032276에 의해 공지된 스위칭 장치는 연속적인 부하상태에 대해 가스 캡슐 어레스터를 신뢰성 있게 보호하고, 가스 캡슐 어레스터에서의 가스 방전이 멈춘 후에 자동으로 다시 접속된다. 이 장치는 실용적인 것으로 입증되었고, 처음부터 이 용도로 설계되는 경우 동축 도체 장치에 통합될 수 있다.

하지만, 특히 광대역에 걸쳐 사용될 수 있고, 설계가 단순하며, 저비용으로 제조할 수 있되, 또한 문헌 CH-A5-660 261에 기술되어 있는 바와 같이, 동축 도체 장치 자체에 전혀 물리적인 변경을 가하지 않고 기존의 동축 도체 장치에 서지 어레스터를 통합하여 개장(retrofit)할 수 있는, 자동으로 방전을 멈추는 서지 어레스터 장치에 대한 요구가 절박하다.

따라서, 본 발명의 목적은 설계가 단순하고 로버스트하며, 기능상 신뢰성이 높고, 극히 공간 절약형으로 구현될 수 있으며, 특히 물리적인 변경을 가하지 않고 기존의 동축 도체 애플리케이션에 개장될 수 있는, 자동으로 방전을 멈추는 광대역 및 저비용의 서지 어레스터를 창작하는 것이다.

상기 목적은 제1항의 특징의 전체에 의해 달성된다. 본 발명의 본질은 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름에 의해 발생된 열에 가역적으로 반응하여 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름을 차단하고, 그 후 자동으로 다시 초기 상태로 되돌아가는 스위칭 기구(switching mechanism)를 제공하는 것이다. 가장 단순한 경우에, 이것은 순수하게 전자적 수단, 예를 들면 양의 온도 계수(positive temperature coefficient, PTC) 또는 음의 온도 계수(negative temperature coefficient, NTC)를 갖는 저항기(resistor)를 사용하여, 서지 어레스터 내의 열을 감시하고 그 저항의 변화의 결과로서 가스 방전을 차단함으로써 달성될 수 있다.

상기 스위칭 기구는 스위칭 수단(switching means) 및 상기 서지 어레스터에 열적으로 연결되어 상기 스위칭 수단을 동작시키기 위한 작동 수단(operating means)을 구비하는 것이 바람직하며, 상기 작동 수단은 종래 기술의 용융 납땜된 접합부(joint)와는 현저히 다르게 상기 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름에 의해 발생된 열에 가역적으로 반응한다. 상기 작동 수단의 상기 서지 어레스터에 대한 직접적이고 열적인 연결은 이 둘이 물리적으로 결합될 수 있도록 하여, 매우 작고 경제적인(compact) 장치를 만들 수 있도록 한다. 상기 서지 어레스터에서 발생된 열(온도)에 대한 작동 수단의 반응은, 차단이 일정한 지연을 가지고 상기 서지 어레스터가 실제로 계속적인 부하를 받을 때에만 이루어지도록 보증한다. 상기 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름을 차단한 후에, 상기 서지 어레스터의 가열이 다시 쇠퇴하는 경우, 상기 작동 수단은 자동으로 초기 상태로 복귀하여, 상기 서지 어레스터 장치는 일정한 시간 지연 후에 다시 사용할 준비가 된다.

예로서, 가열된 결과로서 형상이 변화하고 개별 스위칭 수단을 동작시키거나 자체가 스위칭 수단의 일부인 기억 금속(memory metal) 또는 바이메탈 스트립을 작동 수단으로 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 개선점 중 하나는, 열 팽창에 의해, 상기 서지 어레스터 내의 전류 흐름에 의해 발생된 열을 스위칭 동작(switching movement)으로 변환하는 팽창 수단(expansion means)을 가지는 점에서 구별된다. 열 팽창은 상기 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름을 차단할 수 있으므로, 특히 간단하고, 효과적이며, 기능적상 신뢰성이 있고, 스위칭 동작(switching movement)을 만드는 방식이 재현 가능하다. 상기 서지 어레스터가 그 후에 다시 냉각되어 팽창에 이어서 수축되는 경우, 초기 상태로 되돌아간다.

원칙적으로, 기체, 액체, 또는 고체의 열 팽창을 사용할 수 있다. 단순성 및 견고성(robustness)의 면에서, 바람직한 일 확장예(development)에 따르면, 팽창 수단은, 제1 축에 대한 열 팽창이 스위칭 동작으로 사용되는, 고체 재료로 구성된 팽창체(expansion body)를 갖는 것이 특히 유리하다. 이것은 적절한 스위칭 수단과 특히 쉽게 결합될 수 있는 선형 스위칭 동작을 발생시킨다. 구체적으로, 이 경우에, 제1 축에 대한 팽창체의 열 팽창은 팽창체의 적당한 형상에 의해 또는 이방성 거동(anisotropic behavior)을 가지는 팽창체의 재료에 의해 증대될 수 있다. 적당한 형상의 일례는 (반대 방향으로 작용하는) 토글 레버(toggle lever) 형태의 각진 형상(angled shape)이다.

상기 팽창체는 내열성 고무 탄성 재료(heat resistant rubber elastic material), 특히 실리콘 고무(silicone rubber) 또는 플루오르엘라스토머(fluoroelastomer)로 구성되는 것이 바람직하고, 팽창체는 반경 방향의 팽창을 한정하는 제한 소자(limiting element)로 둘러싸이는 것이 바람직하다. 제한 소자는 제1 축에 대한 반경 방향으로의 열 팽창을 제한하고, 그 결과 팽창체의 "준 유체정역학적(quasi-hydrostatic)" 작용의 결과로서 제1 축 방향으로의 팽창의 상당한 증대를 초래한다.

일 확장예에 따르면, 상기 팽창체는 제1축에 대해 굴대 모양(axial)의 원형 디스크 형태이고, 특히 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 구성되는, 중공의 원통(hollow-cylindrical)이고, 동축이며, 전기 및 열적으로 절연시키는 절연체 슬리브(insulator sleeve)가 제한 소자로 제공되며, 이것이 옆으로의 팽창을 제한한 결과로서 팽창체로 흘러드는 열이 원하지 않는 쪽으로 흐르는 것을 방지할 수 있도록 한다.

원칙적으로, 상기 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름은 직렬 연결된 스위치를 열거나 병렬 연결된 스위치를 닫음으로써 차단될 수 있다. 상기 서지 어레스터 장치의 설계는, 상기 스위칭 수단이 상기 서지 어레스터에 직렬로 연결되어 있고 초기 상태에는 닫혀있으며, 상기 작동 수단이 상기 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름에 의해 발생된 열에 반응할 때 열리는 스위치를 가지는 경우에, 특히 단순하고 컴팩트하다. 하지만, 본 발명의 범위 내에서 상기 스위칭 수단이 상기 서지 어레스터에 병렬로 연결되어 있고 초기 상태에는 열려있으며, 상기 작동 수단이 상기 서지 어레스터를 지나는 전류 흐름에 의해 발생된 열에 반응할 때 열리는 스위치를 가지는 것도 또한 가능하다.

상기 스위치는, 스프링 소자(spring element)에 의해 서로를 가압하고 스프링 소자의 압력에 반하여 서로 분리될 수 있는 두 개의 금속의 접촉 소자를 가지되, 상기 접촉 소자 중 하나는 상기 서지 어레스터 장치에 연결되되, 특히 납땜되어 있고, 상기 두 개의 접촉 소자 사이에 배치되어 있는 작동 수단 및/또는 팽창 수단을 가지는 것이 바람직하다. 상기 접촉 소자는 마멸되는 것을 방지하기 위해, 특히 은으로 코팅함으로써 표면 처리되어 있다.

상기 서지 어레스터 장치는 상기 서지 어레스터, 상기 금속의 접촉 소자, 상기 스프링 소자와 상기 작동 수단 및/또는 상기 팽창 수단이 공용의 하우징(common housing) 내에서 제1 축에 대해 다른 축방향으로 차례로 배치될 때, 상기 하우징이 도전성을 갖고서 상기 서지 어레스터에 대해 전력 공급선(supply line)으로 사용될 때, 그리고 상기 하우징과의 접촉을 위해 접촉 스프링이 제공될 때, 매우 간단하고 동축 무선 주파수 케이블용으로 특히 적합하다.

상기 금속 접촉 소자, 상기 스프링 소자와 상기 작동 수단 및/또는 상기 팽창 수단은 이 경우에 상기 서지 어레스터의 일측에 배치될 수 있다.

하지만, 상기 금속 접촉 소자와 상기 작동 수단 및/또는 상기 팽창 수단은 또한, 타측에는 상기 스프링 소자가 배치되어 있는 상기 서지 어레스터의 일측에 배치될 수도 있다.

상기 하우징은 일측이 개방되어 있고 나사로 고정될 수 있는 형태의 하우징일 수 있다. 하지만, 상기 하우징은 또한 일측이 개방되어 있고 인쇄 회로에 상기 서지 어레스터 장치를 삽입하기 위한 결합핀(connecting pin)이 상기 하우징의 상기 개방된 측에 설치되는 형태도 또한 가능하다.

상기 서지 어레스터는 가스 캡슐 어레스터 형태이고, 단면(end face) 상에 전기적 연결부(electrical connection)를 가지는 원통 형상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 서지 어레스터, 상기 금속의 접촉 소자, 상기 스프링 소자와 상기 작동 수단 및/또는 상기 팽창 수단이 상기 공용의 하우징 내에서 제1 축에 대해 다른 축방향으로 차례로 배치되어 있고, 상기 하우징이 도전성을 갖고서 상기 서지 어레스터에 대해 전력 공급선으로 사용되며, 상기 하우징과의 접촉을 위해 접촉 스프링이 제공되는, 서지 어레스터 장치가 동축 도체 장치로 사용된다.

특히, 상기 동축 도체 장치는 제2 축 상에 배치되어 있는 내부 도체와 상기 내부 도체를 축 방향으로 둘러싸는 외부 도체; 상기 제2 축에 직각으로 제1 축을 가지고 상기 동축 도체 장치에 부착되어 있되, 특히 나사로 고정되어 있는 서지 어레스터 장치; 상기 외부 도체에 도전성을 갖고서 연결되어 있는 하우징; 및 상기 내부 도체에 도전성을 갖고서 연결되어 있는 상기 어레스터에 대한 제2 전력 공급선을 갖는다.

다른 실시예는 종속항에 구체적으로 기재되어 있다.

이하 본 발명에 대해 첨부 도면과 함께 대표적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 대표적인 실시예에 따른 나사로 고정되는 서지 어레스터 장치를 가지는 동축 도체 장치의 종단면도이다.

도 2는 가스 캡슐에 적합한 도 1의 서지 어레스터 장치의 구성도이다.

도 3은 인쇄 회로 내에 설치하기 적합한, 본 발명의 다른 대표적인 실시예에 따른 서지 어레스터 장치를 나타낸 도면이다.

도 4는 "매끈한(flowing)" 배선(wiring)을 위해 축 연결 와이어를 가지는, 도 3에 필적하는 대표적인 실시예를 나타낸 도면이다.

도 5는 토글 레버인 형상에 의해, 하나의 축에 대해 증대된 열 팽창 활동을 하는 팽창체의 단면도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

10: 동축 도체 장치 11: 외부 도체(하우징)

12, ... 15: 내부 도체부 16, 17: 홀더(holder)

18, 19: 외부 나사산(external thread) 20, 46: 서지 어레스터 장치

21: 절연 컵

22: 서지 어레스터(가스 캡슐 어레스터)

23: 나사산형 구멍(threaded hole) 24: 결합편(connecting piece)

25: 하우징(캡슐 홀더 하우징) 26: 스프링 소자(스프링 와셔)

27: 접촉 디스크 28: 접촉 스프링

29, 48: 팽창체(expansion body) 30: 중앙 접촉부

31, 31': 절연체 슬리브(insulator sleeve) 32: 나사산(screw thread)

33: 볼트 34: (팽창체의) 축

35: (동축 도체 장치의) 축 36: 접촉판(contact plate)

37: 연결 와이어 38: 구멍

39: 접촉 볼트 40: 기초판(base plate)

41: 돌기(projection) 42: 언더컷부(undercut)

43: 하우징 44, 45: 연결 수단

47: 대향 베어링(opposing bearing)

도 1은 본 발명의 바람직한 대표적인 실시예에 따른 나사로 고정된(screwed-in) 서지 어레스터 장치를 가지는 동축 도체 장치의 종단면도이다. 도 1 에 도시된 동축 도체 장치(10)의 구성 및 외적인 치수(external dimension)는, 본 출원의 출원인이 시장에 내놓은 특히 이동 무선 기지국에 사용되는 것과 같은, 공지된 가스 캡슐 낙뇌 보호 디바이스(gas capsule lightening-protection device)에 필적하는 것이다. 이러한 보통 임피던스가 50Ω인 가스 캡슐 낙뇌 보호 디바이스는 최대 수 GHz까지의 주파수에 사용될 수 있고, 최대 30kA까지의 단일 전류 펄스(single current pulse) 및 최대 20kA까지의 복수의 전류 펄스가 실릴 수 있다. 일반적인인 외적인 치수는, 축 길이가 100mm이고 외부 직경이 약 30mm이다. 본 발명은 상당한 변경을 가할 필요없이 이러한 가스 캡슐 낙뇌 보호 디바이스가 자발적으로 방전을 멈추는데 적합한 스위칭 디바이스에 소급적(retrpspectively)으로 잘 맞도록 해준다.

동축 도체 장치(10)는, 동시에 하우징으로도 사용되는 (표면 처리된 황동(brass) 등으로 이루어진) 금속의 외부 도체(11), 계단 모양의 직경(diameter), 및 복수의 내부 도체부(12, ...15)로 구성된 내부 도체를 갖는다. 내부 도체부(12, ...15)는 디스크 형태의 절연 홀더(16, 17)에 의해 외부 도체(11)에 축 방 향으로 배치되고 고정되어 있다. 양단의 내부 도체부(14, 15)는 홈이 있는 부시(bush) 형태이고 나사형의 플러그 결합부(screw-type plug connection)의 일부이다. 외부 도체(11)는 나사 결합을 위해 외부 나사산(external thread)(18, 19)을 가진다. 외부 도체(11) 및 그 내부 직경은 동축 도체 장치(10)의 중앙부에서 넓어진다. 감소된 외부 직경을 가지는 내부 도체부(30)가 이 부분에 동시에 설치되어 있다. 나사산형 구멍(threaded hole)(23)은 외부 도체 및/또는 하우징(11)의 (도 1의 위쪽) 일측에 동축 도체 장치(10)의 축(35)에 직각으로 편입되어 있고, 본 발명에 따른 서지 어레스터 장치(20)는 이 나사산형 구멍(23)에 나사로 고정될 수 있다.

서지 어레스터 장치(20)는 원래 공지된 (원통의) 서지 어레스터(22)를 포함하고, 원통 축이 서지 어레스터 장치(20)의 축(34) 상에 위치되어 있는 양극 가스 캡슐 어레스터(two-pole gas capsule arrester) 또는 가스 방전 어레스터(gas discharge arrester)이다. 예를 들면 Epcos사로부터 입수할 수 있는 이와 같은 가스 방전 어레스터는 70V에서 수 kV까지의 응답 전압을 가지고, 트리거된 상태에서 10-30V의 아크 발화 전압(arc burning voltage)을 가진다. 트리거된 상태에서의 내부 저항은 < 1Ω의 값이고, 차단된 상태(방전이 멈춘 상태)는 1GΩ < 의 값이다. 커패시턴스는 겨우 수 pF이며, 이것은 RF 애플리케이션에 특히 유리하다. 외적인 치수(길이 x 외부 직경)는 대략 6mm x 8mm의 크기이다.

서지 어레스터(22)는 서지 어레스터 장치(20)에 분리 가능하게 유지되어 있고, 단부(end)에 두 개의 접촉면(contact face)을 가지는데, 이들은 내부의 가스 방전 경로와 연결되어 있고 중간의 세라믹 하우징에 의해 서로 격리되어 있다. 서지 어레스터(22)의 하부 자유단(lower free end)은 절연 컵(21) 내에 설치되어 있다.

서지 어레스터(22)의 하부 접촉면은 절연 컵(21)의 바닥 내의 구멍을 통해 내부 도체부(13)와 접촉하는 도전성의 결합편(connecting piece)(24) 상에 있다.

도 1에 예시된 서지 어레스터 장치(20)는 도 2에 확대 도시되어 있다. 서지 어레스터 장치(20)는 바닥(bottom)이 개방되어 있고 서지 어레스터 또는 가스 캡슐 어레스터(22)(캡슐 홀더 하우징)를 보유하는 하우징(25)을 갖고 있다. 바깥쪽에, 하우징(25)은 키 면(key surface)이 마련되어 있고, 외부 도체(11)(도 1 참조) 내의 나사산형 구멍(23)에 고정될 수 있는 나사산(32)을 갖고 있다. 처음에, 하우징(25)은 하우징 내에 수용되는 기능 소자(functional element)(22 및 26, ... 31)가 하우징의 내부로 도입될 수 있도록 하기 위해 다른 쪽도 개방되도록 설계되어 있다. 그 후에 볼트(33)를 사용하여 상부의 개구부를 (영구적으로) 폐쇄한다.

서지 어레스터(22), 중앙 접촉부(30), 팽창체(29), (상부 주변의 에지에서 끼워져 앞쪽으로 돌출되는), 접촉 스프링을 구비한 접촉 디스크(27), 및 스프링 와셔(spring waher) 형태의 스프링 소자(26)가 하우징(25) 내의 서지 어레스터 장치(20)의 축(34)을 따라 바닥에서부터 위쪽으로 차례로 배치되어 있다. 중앙 접촉부(30)는 원형 디스크 형태의 기초판(base plate)(40)을 갖고 있고, 그 위에 감소된 직경을 가지는 원통형의 접촉 볼트(39)가 위쪽이 뾰족하게 일체로 형성되어 있다. 기초판(40)의 외부 직경은 서지 어레스터(22)의 외부 직경보다 약간 크다. 예로서, 중앙 접촉부(30)는 황동으로 구성되고, 접촉 특성을 개선하기 위해, 구체적으로는 마모를 방지하기 위해, 특히 은으로 코팅하여 표면처리된다.

팽창체(29)는 원형 디스크 형태이고, 내열성 고무 탄성 재료, 특히 실리콘 고무 또는 플루오르엘라스토머 구성되는 것이 바람직하다. 팽창체(29)는 중앙에 직경이 중앙 접촉부(30)의 접촉 볼트(39)의 직경과 일치하는 동축의 구멍(38)을 갖고 있다. 조립된 상태(도 2)에서, 접촉 볼트(39)를 구비한 중앙 접촉부(30)는, 동작 온도에서 접촉 볼트(39)의 단면(end surface)이 팽창체(29)의 상부면에 인접하여 같은 높이가 되고, 그리고 동시에 팽창체(29) 위에 배치된 접촉 디스크(27)의 하부면과 전기적으로 접촉할 정도로까지 실제로 팽창체(29)를 관통한다.

원형의 접촉 디스크(27)도 마찬가지로 표면 처리된, 특히 은 도금된(silver-plated) 황동으로 구성된다. 주변에 분포되어 접촉 디스크(27)의 상부 에지에 끼워지는 접촉 스프링(28)은 축 방향으로 연장되고 바깥쪽으로 약간 굽어 있으며, 하우징(25)의 내벽과 미끄럼 접촉(sliding contact)을 일으킨다. 하우징(25)은 동시에 서지 어레스터(22)에 대한 전력 공급선으로도 사용된다. 중앙 접촉부(30)와 접촉 디스크(27)가 하우징(25)을 통해 단락되는 것을 방지하기 위해, 중앙 접촉부(30)는 바깥쪽이 동축의 절연체 슬리브(31)에 의해 둘러싸이는데, 이 절연체 슬리브(31)는 또한 팽창체(29)와 접촉 디스크(27)의 아래쪽 부분도 둘러싼다. 절연체 슬리브(31)는 중공의 원통 형태이고 전기적 및 열적으로 절연되는 내열성 재료, 바람직하게는 폴리테트라프루오르에틸렌으로 구성된다. 절연체 슬리브(31)는 하우징(25)의 아래를 잘라낸 부분인 언더컷부(undercut)(42)을 넘어서 맞물리는 바깥쪽 돌기(outer projection)(41)를 갖고 있다. 기초판(40)을 구비한 중앙 접촉부(30)는 절연체 슬리브(31) 내의 언더컷부(42)에 상에 지지된다. 따라서 상부의 접촉면이 중앙 접촉부의 기초판(40)에 납땜되어 있는 서지 어레스터(22)는 하우징(25) 내에 유지된다.

스프링 소자(26)는 접촉 디스크(27)의 상부면과 하우징(25) 또는 볼트(34) 사이에 배치되고, 다른 형상( 컵 스프링, 나선 스프링 등)을 취할 수도 있지만 도시된 예에서는 스프링 와셔의 형태이다. 스프링 소자(26) 및 서지 어레스터 장치(20)의 개별 구성요소의 축 치수(axial dimension)는, 접촉 볼트(39)와 접촉 디스크(27)가 서로에 대해 가압되도록, 정상 상태(동작 온도에서)의 스프링 프리텐션(spring pretension)에 의해 접촉하도록 설계되어 있다.

서지 어레스터 장치(20)는 다음과 같이 동작한다: 정상 상태에서, 서지 어레스터(22)가 트리거되지 않고 장치가 본래 동작 온도에 있는 경우, 중앙 접촉부(30)로 구성된 스위칭 접촉부와 접촉 디스크(27)는 여전히 닫혀있다. 따라서 서지 어레스터(22)는 제1 단부에서 내부 도체부(13)에, 그리고 타 단부에서 소자(30, 27, 28) 및 하우징(25)을 통해 외부 도체(11)에 도전성을 갖고서 접속되어 있다. 이제 번개가 치거나 서지 어레스터(22)의 트리거 전압보다 큰 여타의 짧은 전압 펄스가 동축 도체 장치(10)에 인가되면, 서지 어레스터(22)는 트리거되고, 전위차는 크게 균등화된다. 전압 펄스가 쇠퇴한 후에 전압이 다시 서지 어레스터(22)의 발화 전압 아래로 떨어질 때, 서지 어레스터(22)는 방전을 멈추고 초기 상태를 되찾는다. 서지 어레스터(22)가 의미 있을 정도로 가열되지 않기 때문에, 팽창체(29) 도 의미 있을 정도로 가열되지 않는다.

대조적으로, 서지 어레스터(22)를 통해 여전히 흐르고 있는 전류에 의해, 전압 펄스가 쇠퇴한 후에도 서지 어레스터(22)에 발화 전압 이상의 전압이 여전히 유지되는 경우, 이 전류는 어레스터의 내부 저항의 결과로서 열을 발생시켜 서지 어레스터(22)의 가열을 초래한다. 서지 어레스터(22)에서 생성된 열은 기초판(40)을 통해 축 방향으로, 그리고 기초판(40)의 접촉 볼트(39)를 통해 반경 방향으로 팽창체(29)로 흘러, 팽창체(29)를 가열하고 열적으로 절연시키는 절연체 슬리브(31)에 의해 하우징(25)으로의 열의 반경 방향의 빠른 유출이 방지되면서 열 팽창을 발생시킨다. 이 경우에, 팽창체(29)의 열 팽창은 사실상 오직 축 방향으로만 일어나는데, 그 이유는 팽창체(29)가 절연체 슬리브(31)에 의해 반경 방향으로 경계를 짓고 있고, 이 속박에 의해 생성되는 압력이 팽창체(29)의 "준 유체정역학(quasi-hydrostatic)" 재료 특성으로 인해 축 방향으로 작용하기 때문이다. 이것은 팽창체(29)를 등방성 팽창보다 3배 이상 축 방향으로 팽창시키므로, 상당한 확대 효과를 나타낸다. 예를 들어 100℃ 이상으로 충분히 고온에 도달하였으면, 두 개의 접촉부(30, 27) 사이에서의 팽창체(29)의 축 방향 열 팽창은 스프링 소자(26)의 압력에 대항하여 이 두 접촉부가 서로 분리되도록 한다. 접촉부(30, 27)가 분리될 때, 서지 어레스터(22)를 지나는 전류 흐름과 그에 따라 발생된 열이 차단된다(스스로 방전을 멈춘다). 차단 후에 다시 충분한 열이 팽창체(29) 밖으로 유출되고 팽창체(29)가 냉각되어 다시 수축되자마자, 중앙 접촉부(30) 및 접촉 디스크(27)로 구성된 스위치가 다시 닫혀, 초기 상태로 돌아간다.

전술한 스위칭 과정이 팽창체(29)에 사용된 재료의 열 팽창 계수가 클수록 더 잘 동작한다는 것은 자명하다. 하지만 동시에, 재료는 > 200℃까지의 온도에 대해 내열성을 가지고 충분한 내구성(resistance to ageing)을 가져야 한다. 끝으로, 재료는 또한 동축 케이블 장치에 사용하기에 유리한 유전 특성(dielectric characteristic)도 가져야 한다. 팽창체(29)의 유전 특성은 이와 같은 스위칭 디바이스를, 스스로 방전을 멈추는 스위칭 디바이스가 없는 서지 어레스터를 구비한 동축 낙뢰 보호 디바이스에 소급적으로 설치하는 것을 목표로 할 때, 본 발명에 따른 서지 어레스터 장치의 경우에 유리하게 가능하기 때문에, 특히 중요하다.

230V와 90V의 트리거 전압으로 전술한 유형의 가스 캡슐 어레스터를 사용하여, 실험실에서 도 1에 도시된 바와 같은 서지 어레스터 장치 및 동축 도체 장치를 가지고 다양한 측정을 수행하였다. (IEC 61000-4-5에 따른) 4kV/2kA의 펄스는 대략 10s 내지 20s의 캡슐 연소 시간과 대략 1-2분의 재활성화 시간을 가져왔다.

하지만, 본 발명에 따른 서지 어레스터 장치는 도 1에 도시한 유형의 동축 도체 장치와 함께 사용하기에 유익하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 과전압 보호를 위해 가스 캡슐 어레스터가 사용될 때는 언제나 사용될 수도 있다. 예를 들면, 연결 와이어나 땜납 핀을 구비한 가스 캡슐 어레스터(문헌 DE-A1-197　31　312 참조)를 인쇄 회로에 결합하는 것이 일반적인 실천예이다.

도 3은 본 발명에 따라 변형된 서지 어레스터 장치를 나타낸 도면이다. 도 3에서 서지 어레스터 장치(46)는 일 측이 개방된 하우징(43)에 수용된 가스 캡슐 형태의 서지 어레스터(22)를 갖고 있다. 차례로 직렬 연결된 스위칭 디바이스는 캡슐(22)에 납땜되어 있는 중앙 접촉부(30), 디스크 형태의 팽창체(29), 및 접촉판(36)을 포함하고, 이들은 절연 슬리브(31')에 의해 하우징(43)과 격리되어 있다. 이 경우에 스위칭 디바이스는 서지 어레스터(22) 아래에 배치되고 접촉 디스크(27)를 구비한 접촉 스프링(28)은 서지 어레스터(22) 위에 위치되어 있다. (바닥의) 일측에, 서지 어레스터(22)는 중앙의 연결 수단(45) 및 스위치(30, 36)을 통해 연결되어 있다. (상부의) 타측에 외부 연결 수단(44), 하우징(43) 및 접촉 스프링(28)을 구비한 접촉 디스크(27)를 통해 연결이 제공되어 있다. 연결 수단(44, 45)은 서지 어레스터 장치(46)를 인쇄 회로에 연결하는데 유익하게 사용될 수 있다.

하지만, 또한 도 3에 예시된 타입의 서지 어레스터 장치의 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 일측에 배치된 연결 수단(44, 45) 대신에 축 방향(또는 반경 방향) 연결 와이어(37)를 제공하는 것도 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 따라서 서지 어레스터 장치(46)는 "매끈한(flowing)" 배선, 즉 임의의 원하는 회로에 설치될 수 있는 배선을 가질 수 있다.

또한 본 발명의 범위 내에서, 원형 디스크 형태의 평평한 팽창체(29)를 사용하는 대신, 특수한 형상이나 그 재료가 이방성 거동을 가지는 것에 의해 증대된 열팽착 작용을 수행하는 팽창체를 사용하는 것도 가능하다. 수수한 형상의 팽창체의 일례는 도 5에 도시하였다. 도 5에서 팽창체(48)는 월뿔형의 디스크(conically shaped disk)나 중앙에 굴곡부(bend)가 있는 스트립(strip)으로 구성됨으로써 토글 레버(toggle lever)의 기계적인 원리를 사용한다. 팽창체(48)의 바깥쪽 에지는 대 향하는 베어링(47)으로 지지되어 있다. 도 5에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같이 열 팽창은 특수한 형상 때문에, 역 토글 레버 효과(reverse toggle-lever effect), 즉 스위칭 동작으로 유익하게 사용될 수 있는 축(34)에 대한 증대된 열 팽창 활동이 생긴다.

Claims

소정의 제1 전압을 초과할 때 비전도 상태에서 전도 상태로 변화하고, 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압 이하로 언더슛(undershoot) 될 때에만 비전도 상태로 되돌아가는 서지 어레스터(22); 및

전류가 서지 어레스터(22)를 흐를 때 반응하고 상기 서지 어레스터(22)를 지나는 전류 흐름을 차단하며, 자동으로 초기 상태로 다시 돌아가는 스위칭 기구(26, ..., 31, 31')

를 포함하는, 자동으로 방전을 멈추는 서지 어레스터 장치(20, 46)로서,

상기 스위칭 기구(26, ..., 31, 31')가 상기 서지 어레스터(22) 내의 상기 전류 흐름에 의해 발생된 열에 가역적으로 반응하는, 서지 어레스터 장치.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 기구(26, ..., 31, 31')는,

스위칭 수단(26, 27, 30 및 26, 30, 36); 및

상기 서지 어레스터(22)와 열적으로 결합되어 상기 스위칭 수단(26, 27, 30 및 26, 30, 36)을 작동시키는 작동 수단(29, 31, 31', 48)을 가지며,

상기 작동 수단(29, 31, 31', 48)은 상기 서지 어레스터(22) 내의 상기 전류 흐름에 의해 발생된 열에 가역적으로 반응하는, 서지 어레스터 장치.
제2항에 있어서,

상기 작동 수단(29, 31, 31')은, 상기 서지 어레스터(22) 내의 상기 전류 흐름에 의해 발생된 열을 열 팽창에 의해 스위칭 동작으로 변환하는 팽창 수단을 가지는, 서지 어레스터 장치.
제3항에 있어서,

상기 팽창 수단은 제1 축(34)에 대한 열 팽창이 스위칭 동작으로 이용되는, 고체 재료로 이루어진 팽창체(expansion body)(29, 48)를 포함하는, 서지 어레스터 장치.
제4항에 있어서,

상기 팽창체(29)는, 내열성 고무 탄성 재료(heat resistant rubber elastic material)로 이루어지되, 실리콘 고무(silicone rubber) 또는 플루오르엘라스토머(fluoroelastomer)로 이루어지고, 반경 방향의 팽창을 제한하여 축 방향의 팽창을 증대시키는 제한 소자(31, 31')로 둘러싸여 있는, 서지 어레스터 장치.
제5항에 있어서,

상기 팽창체는 상기 제1 축(34)에 대해 굴대 모양의(axial) 원형 디스크 형태이고,

상기 제한 소자는, 중공의 원통형이고, 동축이며, 전기 및 열적으로 절연시키는 절연체 슬리브(31, 31')인, 서지 어레스터 장치.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭 수단은,

상기 서지 어레스터(22)에 직렬로 연결되어 있고, 초기 상태에는 닫혀있으며, 상기 작동 수단(29, 31, 31')이 상기 서지 어레스터(22) 내의 전류 흐름에 의해 발생된 열에 반응할 때 열리는 스위치(27, 30 또는 30, 36)를 가지는, 서지 어레스터 장치.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭 수단은,

상기 서지 어레스터(22)에 병렬로 연결되어 있고, 초기 상태에는 열려있으며, 상기 작동 수단이 상기 서지 어레스터(22) 내의 전류 흐름에 의해 발생된 열에 반응할 때 닫히는 스위치를 가지는, 서지 어레스터 장치.
제7항에 있어서,

상기 스위치는, 스프링 소자(26)에 의해 서로를 가압하고, 상기 스프링 소자(26)의 압력에 반하여 서로 분리될 수 있는 두 개의 금속의 접촉 소자(27, 30 및 30, 36)를 가지되, 상기 접촉 소자 중 하나(30)는 상기 서지 어레스터 장치(22)에 연결되어 있고,

상기 작동 수단(29, 31, 31') 및 상기 팽창 수단(29) 중 하나 이상이 상기 두 개의 접촉 소자(27, 30 및 30, 36) 사이에 배치되어 있는, 서지 어레스터 장치.
제9항에 있어서,

상기 접촉 소자(27, 30 및 30, 36)는 표면 처리되어 있는, 서지 어레스터 장치.
제9항에 있어서,

상기 서지 어레스터(22), 상기 금속의 접촉 소자(27, 30 및 30, 36), 및 상기 스프링 소자(26), 그리고 상기 작동 수단(29, 31, 31')와 상기 팽창 수단(29) 중 적어도 하나의 수단이, 공용의 하우징(25, 43) 내에서 제2 축(34)에 대해 다른 축 방향으로 차례로 배치되어 있고,

상기 하우징(25, 43)은 도전성을 가지고 상기 서지 어레스터에 대한 전력 공급선(supply line)으로 사용되며,

상기 접촉 스프링(28)은 상기 하우징(25, 45)과의 접촉을 위해 제공되는, 서지 어레스터 장치.
제11항에 있어서,

상기 금속의 접촉 소자(27, 30 및 30, 36) 및 상기 스프링 소자(26), 그리고 상기 작동 소자(29, 31, 31') 및 상기 팽창 수단(29) 중 적어도 하나가 상기 서지 어레스터(22)의 일측에 배치되어 있는, 서지 어레스터 장치.
제11항에 있어서,

상기 하우징(25, 25')은 일측이 개방되어 있고 나사로 고정될 수 있는 형태의 하우징인, 서지 어레스터 장치.
제11항에 있어서,

상기 금속의 접촉 소자(27, 30 및 30, 36), 그리고 상기 작동 소자(29, 31, 31') 및 상기 팽창 수단(29) 중 적어도 하나가 상기 서지 어레스터(22)의 일측에 배치되어 있고,

상기 스프링 소자(26)는 상기 서지 어레스터의 타측에 배치되어 있는, 서지 어레스터 장치.
제14항에 있어서,

상기 하우징(43)에는, 상기 서지 어레스터 장치(46)를 회로에 연결하기 위한 연결 수단(37, 44, 45)이 설치되어 있는, 서지 어레스터 장치.
제9항에 있어서,

상기 스프링 소자(26)는 스프링 와셔(spring washer)인, 서지 어레스터 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 서지 어레스터(22)는 가스 캡슐 어레스터이고, 단면들(end faces)에 배치된 전기 연결부를 가지는 원통 형상인, 서지 어레스터 장치.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 기구는 양의 온도 계수(PTC) 또는 음의 온도 계수(NTC)를 갖는 저항 소자를 가지는, 서지 어레스터 장치.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 기구는 바이메탈(bimetallic) 소자 또는 기억 금속 소자를 가지는, 서지 어레스터 장치.
제3항에 있어서,

상기 팽창 수단은 열 팽창을 이용하여 스위칭 작용을 일으키는 기체 또는 액체 형태인, 서지 어레스터 장치.
제4항에 있어서,

상기 제1 축(34)에 대한 상기 팽창체(48)의 열 팽창은 상기 팽창체가 소정 형상을 갖도록 성형함으로써 증대되는, 서지 어레스터 장치.
제4항에 있어서,

상기 제1 축(34)에 대한 상기 팽창체(48)의 열 팽창은 이방성 거동(anisotropic behavior)을 갖는 팽창체 재료에 의해 증대되는, 서지 어레스터 장치.
제6항에 있어서,

상기 절연체 슬리브(31, 31')는 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어진, 서지 어레스터 장치.
제9항에 있어서,

상기 접촉 소자(30)는 상기 서지 어레스터 장치(22)에 납땜으로 연결되어 있는, 서지 어레스터 장치.
제10항에 있어서,

상기 접촉 소자(27, 30 및 30, 36)는 은으로 코팅되어 표면 처리되는, 서지 어레스터 장치.
제15항에 있어서,

상기 회로는 인쇄 회로로 구성된, 서지 어레스터 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 서지 어레스터 장치(20)를 포함하는 동축 도체 장치(10).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 서지 어레스터 장치(20)를 포함하는 동축 도체 장치(10)로서,

제2 축(35) 상에 배치되어 있는 내부 도체(12, ..., 15), 및

상기 내부 도체(12, ..., 15)를 동축으로 둘러싸는 외부 도체(11)

를 포함하되,

상기 서지 어레스터 장치(20)는 상기 동축 도체 장치(10)의 상기 제2 축(35)과 직각을 이루는 제1 축(34) 방향으로 장착되고,

하우징(25)이 상기 외부 도체(11)에 전기전도(electrical conductive) 가능하게 연결되어 있으며,

상기 서지 어레스터(22)에 대한 제2 전력 공급선(24)이 상기 내부 도체(12, ..., 15)에 전기전도 가능하게 연결되어 있는, 동축 도체 장치(10).