KR101106603B1 - 하이브리드형 낙뢰보호 장치 - Google Patents

하이브리드형 낙뢰보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피뢰침을 통해 낙뢰를 유도하는 기능과 함께 방전 특성이 다른 제 1 및 제 2 이오나이저를 통해 충전전하 이동원리(Charge Transfer System)를 응용하여 낙뢰를 방지하는 기능을 동시에 수행하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치로서, 최상부에 위치되어 낙뢰를 유도하는 피뢰침; 상기 피뢰침에 원통 나선형의 브러쉬 행태로 끼워져 낙뢰를 방지하는 제 1 이오나이저 및 상기 피뢰침에 슬리브를 통해 일단이 고정되고, 상기 일단으로부터 연장된 타단이 상기 제 1 이오나이저를 둘러쌓으면서 방사선 형으로 배치되어 낙뢰를 방지하는 제 2 이오나이저를 포함하여, 직격뢰에 의한 인명 사고 및 화재 등의 피해를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 직격뢰에 의해 발생되는 서지 발생 원인을 제거함으로써 전자 통신시설의 손상을 방지할 수 있다.

Description

하이브리드형 낙뢰보호 장치{HYBRID TYPE LIGHTNING PROTECTION APPARATUS}
본 발명은 하이브리드형 낙뢰보호 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피뢰침을 통해 낙뢰를 유도하는 기능과 함께 방전 특성이 다른 제 1 및 제 2 이오나이저를 통해 충전전하 이동원리(Charge Transfer System)를 응용하여 낙뢰를 방지하는 기능을 동시에 수행하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치에 관한 것이다.
최근, 지구의 온난화가 빠르게 진행됨에 따라 낙뢰의 횟수가 빈번히 발생되고 있으며 또한 낙뢰의 강도가 나날이 강해지고 있는데, 이로 인해 인명 및 통신시설에 대한 피해가 급격히 증가되고 있다.
상기 낙뢰는 뇌운의 발달로 인하여 뇌운과 대지간의 전계강도가 일정치 이상 상승하면 과도적으로 뇌운과 대지 간에 방전경로가 형성되어 뇌운이 방전되는 현상으로써, 낙뢰로 인한 피해에는 직격뢰와 유도뢰에 의한 피해가 있다.
종래에는 피뢰침을 통해 직격뢰에 의한 충격전류를 대지로 안전하게 유도함으로써 낙뢰로 인해 발생되는 인명사고 및 통신시설의 파손 등과 같은 피해를 방지하고 있으나, 상기 피해의 대부분은 직격뢰가 아닌 유도뢰에 의해 발생되고 있다.
즉, 종래의 피뢰침에 의해 직격뢰가 유도되는 경우, 필수적으로 수반되는 현 상에 의하여 유도뢰가 발생되는데, 이러한 직격뢰의 유도가 오히려 실내에 설치된 전자 통신시설의 파손 등의 피해에 악영향을 초래한다.
그럼에도 불구하고, 낙뢰관련 산업표준 규격에서는 낙뢰를 유도하는 장치인 피뢰침만을 사용하도록 권장하고 있을 뿐이며, 현재는 낙뢰를 유도하면서 방지도 하는 복합적인 하이브리드형 낙뢰보호장치가 전무한 상태이다.
즉, 종래의 일반 피뢰침과 하이브리드형 낙뢰보호장치의 특성곡선을 비교한 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 일반 피뢰침 단독으로는 대지 충전전하를 공기중으로 방산시키는 이온 방산 기능이 아주 제한적이어서 낙뢰를 유도하게 되는 문제가 발생된다.
한편, 방전 특성이 다른 제 1 및 제 2 이오나이저를 구비한 본 발명의 하이브리드형 낙뢰보호장치는 종래의 일반 피뢰침에 비해 이온 방산 전류값이 훨씬 크게 되어 첫째로 뇌운과 대지간의 전계강도 상승을 억제시켜 하향리더의 발생조건을 없애고 나아가 본 장치 상단에 강한 코로나 층을 형성시켜 하향리더에 대응하는 카운터 리더의 생성을 억제시킴으로써 대부분의 낙뢰를 방지할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 종래의 피뢰침만을 통해 낙뢰를 유도하는 경우에는 뇌격지점 주변의 2차 영향으로 인한 서지(Surge)가 발생하여 전자 통신시설에 피해를 주는 문제점이 있다.
즉, 낙뢰의 2차 영향으로는, 1) 대지과도전류(Earth Current Transients), 2) 전자기력펄스(EMP: Electromagnetic Pulse), 3) 정전기펄스(ESP: Electrostatic Pulse), 4) 대기 중 과도현상(AT: Atmospheric Transients) 및 5) 국부충전현상(The Bound Charge) 등이 있는데, 이러한 2차 영향은 피뢰침이 낙뢰를 유도함으로써 필수적으로 수반되는 유도뢰를 발생시키는 원인이 되어 결과적으로는 이상전압을 일으켜 전자 통신시설을 파손시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 낙뢰를 유도하는 피뢰침과, 낙뢰를 방지하는 저 정전압용의 제 1 이오나이저 및 고 정전압용의 제 2 이오나이저를 통해, 대지 및 구조물에 유도된 전하를 공기 중으로 방산시켜 뇌운과 대지 간의 정전압 강도의 상승을 억제시킴으로써 뇌운으로 부터의 하향리더의 발생 원인을 제거하고, 상기 제 1 및 제 2 이오나이저의 상부에 공간전하에 의한 코로나 층(Space Charge Layer)을 형성하여 하향리더(Downward Leader)에 대한 카운터 리더의 생성을 억제시킴으로써 낙뢰를 방지하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치를 제공하는 것이다.
특히, 방전 특성이 다른 두 종류의 이오나이저, 즉 저 정전압용의 제 1 이오나이저와 고 정전압용의 제 2 이오나이저를 동일 높이에 배치하여 상기 제 1 및 제 2 이오나이저의 방전특성 보완에 의해 공간전하의 밀도를 높게 함과 동시에 제 1 및 제 2 이오나이저 상부에 더욱 강한 코로나 층(Space Corona Layer)을 형성하여 낙뢰 방지를 향상시킬 수 있는 하이브리드형 낙뢰보호 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드형 낙뢰보호 장치 는, 상부에 위치되어 낙뢰를 유도하는 피뢰침(110); 상기 피뢰침(110)에 원통 나선형의 브러쉬 행태로 끼워져 낙뢰를 방지하는 제 1 이오나이저(120); 및 상기 피뢰침(110)에 슬리브(140)를 통해 일단이 고정되고, 상기 일단으로부터 연장된 타단이 상기 제 1 이오나이저(120)를 둘러쌓으면서 방사선 형으로 배치되어 낙뢰를 방지하는 제 2 이오나이저(130)를 포함한다.
바람직하게, 상기 제 1 이오나이저(120)는 저 정전압 강도에서 대지상의 충전 전하를 대기중으로 분산시키고, 상기 제 2 이오나이저(130)는 고 정전압 강도에서 대지상의 충전 전하를 대기중으로 분산시키되, 상기 제 1 이오나이저(120) 및 제 2 이오나이저(130)를 동일 높이에 방사선형으로 배치하여 상부에 공간 코로나 층을 형성함으로써 카운터 리더의 발생을 억제시킨다.
더 바람직하게, 상기 제 1 이오나이저(120)는 제 1 평판도체(121) 및 제 2 평판도체(122) 사이에 복수개의 스테인레스 와이어(123)를 일렬로 배치하고, 상기 제 1 평판도체(121) 및 제 2 평판도체(122)를 절반으로 접어 고정시킨 후 나선형으로 성형되어 구성된다.
또한, 상기 와이어(123)는 0.1mm ~ 0.3mm의 직경을 갖고서, 1mm ~ 5mm의 간격을 두고 일렬로 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 이오나이저(130)는 1.6mm ~ 2.6mm의 직경을 갖는 복수개의 스테인레스 와이어로 이루어지되, 상기 상기 제 2 이오나이저(130)의 와이어는 100mm ~ 300mm 거리를 두고 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 이오나이저(130)의 끝단은 30°~ 45°의 각도로 사선 절단 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬리브(140)는 상기 제 2 이오나이저(120)와 용접된 후 캐드 웰드(150)를 통해 지지봉(160)과 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지봉(160)에는 접지도선용 캐드웰드(180)를 통해 접지도선(170)이 접속되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 하이브리드형 낙뢰보호 장치에 따르면, 피뢰침을 통해 낙뢰를 유도하고, 방전 특성이 다른 제 1 및 제 2 이오나이저를 통해 낙뢰를 방지함으로써, 직격뢰에 의한 인명 사고 및 화재 등의 피해를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 직격뢰에 의해 발생되는 서지 발생 원인을 제거함으로써 전자 통신시설의 손상을 방지함과 동시에 그 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 낙뢰방지장치를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드형 낙뢰보호 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 제 1 이오나이저의 형상을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 4는 제 1 이오나이저의 구조를 상세하게 나타내는 도면이다.
또한, 도 5는 제 1 이오나이저의 와이어의 굵기에 따른 방전 특성을 나타내 는 그래프이고, 도 6은 제 2 이오나이저가 방사선 형태로 펼쳐지기 전의 구성을 나타내는 도면이다.
또한, 도 7은 방전 특성이 서로 다른 제 1 및 제 2 이오나이저를 동일 높이에 배치함으로써 코로나 층이 형성되는 원리를 설명하는 도면이다.
또한, 도 8은 사선 절단된 제 2 이오나이저의 끝단의 각도를 나타내는 도면이고, 도 9는 제 2 이오나이저의 끝단 각도에 따른 방전 특성을 나타내는 그래프이며, 도 10은 제 2 이오나이저의 포인트의 상호 이격 간격에 따른 방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 낙뢰보호 장치는 피뢰침(110), 제 1 이오나이저(120), 제 2 이오나이저(130), 슬리브(140), 캐드 웰드(150), 지지봉(160), 접지도선(170) 및 접지도선용 캐드웰드(180)를 포함한다.
이때, 상기 피뢰침(110), 제 1 이오나이저(120) 및 제 2 이오나이저(130)는 볼트 및 너트에 의한 접속없이 단일체로 구성되어 전기적으로 접속된다.
구체적으로, 상기 피뢰침(110)은 단면적 50mm2이상의 스테인레스 스틸 또는 동봉으로 이루어지며, 상단이 원추형으로 형성되어 낙뢰방지 성능 이상의 뇌운이 발달될 경우에 낙뢰를 유도한다.
제 1 이오나이저(120)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 원통 나선형의 브러쉬 행태로 형성되어 상기 피뢰침(110)에 끼워지며, 양 선단이 피뢰침(110)에 용접을 통 해 고정됨으로써 뇌전류의 충격에 의한 기계적 변형이 발생되지 않게 구성한다.
상세하게, 상기 제 1 이오나이저(120)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 평판도체(121) 및 제 2 평판도체(122) 사이에 0.1mm ~ 0.3mm의 직경을 갖는 복수개의 스테인레스 와이어(123)를 1mm ~ 5mm의 간격을 두고 일렬로 배치하고, 상기 제 1 평판도체(121) 및 제 2 평판도체(122)를 절반으로 접은 후 고정시켜, 대략 1000 ~ 3000 개의 포인트를 형성하여 피뢰침(110)에 결합함으로써, 이온 방전 특성을 최대화함과 동시에 저 정전압 강도에서 대지상의 충전 전하를 대기중으로 최대한 분산시킨다.
여기서, 본 출원인은 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 1 이오나이저(120)의 와이어(123)의 직경이 0.3mm이하로 가늘수록 동일 조건에서 이온 방산전류 값이 증가하는 것을 실험을 통해 확인하였다.
위와 같이 구성된 제 1 이오나이저(120)는 낙뢰 유도시 그 중앙에 감겨진 피뢰침(110)이 뇌전류의 주회로 기능을 전담하게 되어 낙뢰 유도기능 및 낙뢰 방지기능을 반복적으로 유지할 수 있게 된다.
즉, 제 1 이오나이저(120)는 낙뢰 유도시 뇌전류가 피뢰침(110)에 의해 방류되게 하며, 이오나이저 기능을 수행하는 와이어(123)를 철사를 꼬아서 고정시키지 않고 제 1 및 제 2 평판도체(121 및 122)를 접어서 고정시킴으로써 전기적인 부담이 경감되게 한다.
한편, 제 2 이오나이저(130)는 상기 제 1 이오나이저(120)의 하부에 방사선형으로 배치되며, 일단이 슬리브(140)에 의해 상기 피뢰침(110)에 고정되고 타단이 상기 제 1 이오나이저(110)의 와이어(123)들을 둘러쌓아 동일 높이에 배치되어 고 정전압 강도에서 대지상의 충전 전하를 대기중으로 최대한 분산시킨다.
즉, 제 2 이오나이저(130)는 도 6에 나타낸 바와 같이, 방사선 형태로 펼쳐지기 전에는 제 1 이오나이저(120)의 외부에 대략 피뢰침(110)과 같은 높이를 가지면서 다발형태로 되어 있으며, 슬리브를 통해 고정 설치된 후에는 원형의 방사선 형태로 펼쳐진다.
이때, 방전 특성이 서로 다른 제 1 이오나이저(120) 및 제 2 이오나이저(130)를 동일 높이에 방사선형으로 배치함으로써, 도 7에 나타낸 바와 같이 저 정전압 강도에서부터 고 정전압 강도까지 이온 방산 전류를 증대시키고 카운터 리더를 억제하는 코로나 층(Space Corona Layer)의 형성을 더욱 강하게 하여 낙뢰를 방지하게 된다.
계속해서, 상기 제 2 이오나이저(130)는 풍압하중 및 설중하중에 견딜수 있도록 1.6mm ~ 2.6mm의 직경을 갖는 스테인레스 와이어로 이루어져 80 ~ 120개의 포인트로 구성된다.
또한, 상기 제 2 이오나이저(130)는 이온 방산 특성을 최대화하기 위하여 도 8에 나타낸 바와 같이, 그 끝단을 30°~ 45°로 사선 절단하며, 각 포인트 상호 간의 이격 거리는 100mm ~ 300mm가 되게 등간격으로 배치된다.
여기서, 본 출원인은 도 9에 나타낸 바와 같이, 제 2 이오나이저(130)의 끝단의 절단 각도가 30°~ 45°정도로 예리할수록 이온 방산 전류값이 증가함을 확인하였으며, 도 10에 나타낸 바와 같이, 제 2 이오나이저(130)의 포인트의 상호 간격 이 100mm ~ 300mm 정도로 넓을수록 이온 방산 전류값이 증가하며, 100mm 미만의 간격에서는 인가전압이 일정치 이상이 되면 선단끼리의 절연이 파괴되면서 포인트 상호 간에 코로나 현상이 발생되어, 인가전압을 단계적으로 상승시킬 경우에 방출전하가 포화점에 이르게 되어 결국은 하나의 포인트와 같은 방산 특성을 갖게 됨을 실험을 통해 확인하였다.
한편, 상기 슬리브(140)는 상기 제 2 이오나이저(120)를 고정한 후, 기계적 및 전기적 특성을 충족시킬 수 있도록 용접된 후 캐드 웰드(150)를 통해 지지봉(160)과 접속된다.
또한, 상기 접지도선(170)은 상기 지지봉(160)에 접지도선용 캐드웰드(180)에 의해 접속됨으로써, 별도의 접지도선 연결용 커넥터를 필요로 하지 않으면서 전기적인 접속을 완벽하게 구현가능하게 하여 뇌 전류를 대지에 방류시키고, 설치를 용이하게 하고 부식 및 이완에 의한 접속 불량 원인을 방지한다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 낙뢰방지 장치는 일차적으로 대부분의 낙뢰를 방지하여 직격뢰에 의한 인명사고 및 화재와 같은 피해를 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 상기 직격뢰에 의해 발생되는 서지 발생 원인을 제거함으로써 전자 통신시설의 파손을 사전에 차단할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
즉, 본 발명의 일실시예에서는 하이브리드형 낙뢰보호 장치가 대지와 같은 고정구조물에 설치되는 것으로 설명하고 있지만, 이동통신차량, 방송국 중계차량, 특설 야외공연장 및 군사용 통신차량과 같은 이동식 설비에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래의 일반 피뢰침과 본 발명의 하이브리드형 낙뢰보호 장치의 특성곡선을 비교한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드형 낙뢰보호 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 제 1 이오나이저의 형상을 개략적으로 나타내는 도면.
도 4는 제 1 이오나이저의 구조를 상세하게 나타내는 도면.
도 5는 제 1 이오나이저의 와이어의 굵기에 따른 방전 특성을 나타내는 그래프.
도 6은 제 2 이오나이저가 방사선 형태로 펼쳐지기 전의 구성을 나타내는 도면.
도 7은 방전 특성이 서로 다른 제 1 및 제 2 이오나이저를 동일 높이에 배치함으로써 코로나 층이 형성되는 원리를 설명하는 도면.
도 8은 사선 절단된 제 2 이오나이저의 끝단을 나타내는 도면.
도 9는 제 2 이오나이저의 끝단 각도에 따른 방전 특성을 나타내는 그래프.
도 10은 제 2 이오나이저의 포인트의 상호 이격 간격에 따른 방전 특성을 나타내는 그래프.

Claims (8)

  1. 상부에 위치되어 낙뢰를 유도하는 피뢰침(110);
    상기 피뢰침(110)에 원통 나선형의 브러쉬 행태로 끼워져 낙뢰를 방지하는 제 1 이오나이저(120); 및
    상기 피뢰침(110)에 슬리브(140)를 통해 일단이 고정되고, 상기 일단으로부터 연장된 타단이 상기 제 1 이오나이저(120)를 둘러쌓으면서 방사선 형으로 배치되어 낙뢰를 방지하는 제 2 이오나이저(130)를 포함하되,
    상기 슬리브(140)는 상기 제 2 이오나이저(120)와 용접된 후 캐드 웰드(150)를 통해 지지봉(160)과 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 이오나이저(120)는 저 정전압 강도에서 대지상의 충전 전하를 대기중으로 분산시키고, 상기 제 2 이오나이저(130)는 고 정전압 강도에서 대지상의 충전 전하를 대기중으로 분산시키되,
    상기 제 1 이오나이저(120) 및 제 2 이오나이저(130)를 동일 높이에 방사선형으로 배치하여 상부에 공간 코로나 층을 형성함으로써 카운터 리더의 발생을 억제시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 이오나이저(120)는 제 1 평판도체(121) 및 제 2 평판도체(122) 사 이에 복수개의 스테인레스 와이어(123)를 일렬로 배치하고, 상기 제 1 평판도체(121) 및 제 2 평판도체(122)를 절반으로 접어 고정시킨 후 나선형으로 성형되어 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 와이어(123)는 0.1mm ~ 0.3mm의 직경을 갖고서, 1mm ~ 5mm의 간격을 두고 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 이오나이저(130)는 1.6mm ~ 2.6mm의 직경을 갖는 복수개의 스테인레스 와이어로 이루어지되, 상기 상기 제 2 이오나이저(130)의 와이어는 100mm ~ 300mm 거리를 두고 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 이오나이저(130)의 끝단은 30°~ 45°의 각도로 사선 절단되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 지지봉(160)에는 접지도선용 캐드웰드(180)를 통해 접지도선(170)이 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 낙뢰보호 장치.
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