KR101138941B1 - 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부, 캡슐형 서지 피뢰기, 및 능동부 제조 방법 - Google Patents

캡슐형 서지 피뢰기용 능동부, 캡슐형 서지 피뢰기, 및 능동부 제조 방법 Download PDF

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Abstract

능동부(2)는 배리스터 컬럼(3) 뿐 아니라 고전압에 연결가능한 전극(4) 및 접지 전위에 연결가능한 전극(5)을 포함한다. 더욱이, 상기 능동부는 전계 제어 요소(6)를 포함하는데, 상기 전계 제어 요소는 고전압 전극(4)에 연결되고, 서지 피뢰기의 캡슐(1)에 능동부(2)를 삽입한 후에, 배리스터 컬럼(3)과 캡슐(1) 사이에 배열되고, 서지 피뢰기의 동작 동안 전계를 제어한다. 전계 제어 요소(6)는 배리스터 컬럼(3)에 고정되고, 폴리머 매트릭스 및 상기 매트릭스에 내장된 충전재를 포함하는 합성 물질을 포함한다. 이러한 합성 물질은, 최대 100Hz의 교류 전계의 전기 부하 하에, 5 내지 45의 유전 상수 및/또는 비선형 전기-전압 특성을 갖는다.

Description

캡슐형 서지 피뢰기용 능동부, 캡슐형 서지 피뢰기, 및 능동부 제조 방법{ACTIVE PART FOR AN ENCAPSULATED SURGE ARRESTER,ENCAPSULATED SURGE ARRESTER, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE ACTIVE PART}
도 1은, 원통형 대칭 캡슐을 갖고 상기 캡슐에 배열된 본 발명에 따른 능동부를 갖는 서지 피뢰기(surge arrester)에 대한 축 방향으로 연장하는 측면 단면도로서, 능동부가 고전압 전극, 및 고전압 전극에 인접한 배리스터 컬럼(varistor column)의 부분을 커버하는 전계 제어 요소를 포함하는, 도면.
도 2는 도 1에 도시된 실시예와 대조적으로, 전계 제어 요소가 전체 배리스터 컬럼 및 접지 전극의 부분을 커버하는, 서지 피뢰기의 도 1에 따른 측면 단면도.
도 3은, 이전 실시예와 대조적으로, 전계 제어 요소가 배리스터 컬럼을 둘러싸는 절연 요소 상에 배열되는, 서지 피뢰기의 도 1에 따른 측면 단면도.
도 4는, 이전 실시예와 대조적으로, 배리스터 컬럼의 축에 수직인 전계 제어 요소의 두께가 고전압 전극에서 시작하는 컬럼 축에 걸쳐 감소하는, 서지 피뢰기의 도 1에 따른 측면 단면도.
도 5는, 이전 실시예에 대조적으로, 전계 제어 요소가 절연층에 의해 서로 떨어져 있고 상이한 길이의 배리스터 축에 걸쳐 연장하는 2개의 전계-제어 층을 포함하는, 서지 피뢰기의 도 1에 따른 측면 단면도.
도 6은, 상기 캡슐에 배열된 본 발명에 따른 능동부를 갖는 원통형 대칭 캡슐을 갖고, 2개(대안적으로 3개)의 배리스터 컬럼 및 전계 제어 요소를 갖는, 서지 피뢰기에 대해 축방향으로 연장하는 부분을 도시한 측면 단면도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 캡슐 2: 능동부
3: 배리스터 컬럼 4, 5: 전극
6: 전계 제어 요소
본 발명은 청구항 1항의 프리앰블(preamble)에 따라 캡슐형 서지 피뢰기(surge arrester)용 능동부(active part)에 기초한다. 본 발명은 또한 이러한 유형의 능동부를 제조하는 방법, 및 그러한 능동부를 포함하고 중간-전압 및 고-전압 그리드 또는 시스템에서 전압을 제한시키는 캡슐형 서지 피뢰기에 관한 것이다.
그러한 능동부는 서지 피뢰기의 제조 동안 보호된 캡슐에 삽입되며, 여기서 상기 캡슐은 일반적으로 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 강과 같은 금속, 전도성 플라스틱, 또는 전기적 전도층으로 코팅되는 절연 물질로 구성된다. 능동부는 고전압(고-전압 전극)에 연결가능하고 접지 전위(접지 전극)에 연결가능한 전극 뿐 아니라 2개의 전극 사이에 배열되는 하나 이상의 배리스터 컬럼(column)을 포함한다.
일반적으로 배리스터 컬럼은 서로의 위에 적층되는 도핑된 산화 아연을 주원료로 하는 수 개의 원통형 배리스터를 포함한다. 열을 흡수하거나 컬럼을 연장시키는 금속 요소는 또한 적어도 2개의 배리스터 사이에 배열될 수 있다. 2개 이상의 배리스터 컬럼이 제공되면, 절연 요소는 또한 2개의 배리스터 사이에 제공될 수 있다. 그 때 상이한 컬럼의 배리스터는 직렬로 연결될 수 있다.
캡슐은 고체, 액체 또는 기체일 수 있는 절연 물질로 채워진다. 우발적인 접촉에 대한 서지 피뢰기의 보호는 이러한 캡슐화로 달성된다. 캡슐의 크기를 비교적 작게 유지시키는 동시에, 개별적인 배리스터가 균일한 부하를 받도록 하기 위해, 캡슐은 또한, 고전압 전극에 연결되고 서지 피뢰기의 동작 동안 캡슐의 내부에 작용하는 전계를 제어하는 요소를 수용한다.
능동부의 제조시, 배리스터 및 2개의 접촉 전극(그 중 하나는 고전압 전극)의 적층은 함께 클램핑되어, 배리스터 컬럼 또는 이 컬럼의 섹션을 포함하는 사전-조립 유닛이 형성되며, 여기서 전계 제어 요소는 후속적으로 사전-조립 유닛 상에 고정된다. 서지 피뢰기의 제조 동안, 이에 따른 사전-조립 능동부 및 전계 제어 요소는 캡슐에 삽입된다.
처음에 언급된 유형의 능동부는 특허 EP 0 036 046 B1, EP 0 050 723 B1, EP 0 630 030 B1 및 US 5,585,996 A에 설명되어 있다. 이들 능동부는, 예를 들어 SF6과 같은 절연 가스 또는 가능하면 절연 오일로 채워진 금속 캡슐을 각각 포함하는 서지 피뢰기에 설치된다. 하나의 배리스터 컬럼 또는 수 개의 직렬-연결된 배리스터 컬럼은 한정될 전압 레벨에 따라 금속 캡슐에 배열된다. 캡슐의 크기를 비교적 작게 유지하기 위해, 전계 제어 요소는, 각각 캡슐의 벽과 배리스터 컬럼 또는 배리스터 컬럼들 사이에 이들 서지 피뢰기 각각에 배열되어, 즉 그 결과 컬럼(들)을 환형으로 둘러싸게 된다. 이러한 전계 제어 요소는 서지 피뢰기의 동작 동안 캡슐의 내부에 작용하는 전계를 균일하게 하여, 각각 상기 배리스터 컬럼 또는 배리스터 컬럼들에 배열된 배리스터는 다소 일정한 부하를 받게 된다. 전계 제어 요소는, 컬럼 축에 동심으로 배열되고 절연 요소에 유지되는 전기 전도성 커패시터 막으로 구성될 수 있거나(EP 0 036 046 B1), 컬럼 축을 따라 배열되고 축방향으로 서로로부터 이격되는 커패시터 실드를 포함할 수 있거나(EP 0 050 723 B1), 고전압 전위로 유지되는 구형 만곡 표면부를 갖는 스크리닝 전극으로 구성될 수 있다.
EP 1 083 579 A2로부터 이전에 알려져 있는 캡슐형 서지 피뢰기에서, 전계 제어 요소는 제거될 수 있는데, 그 이유는 하우징의 적합한 설계가 배리스터 컬럼의 고전압부에서의 전계를 균일하게 할 수 있기 때문이다.
전압 제어 작업을 위해, 특히 폴리머를 주원료로 하는 합성물, 및 폴리머에 내장된 적합한 충전재와 같은 전압-제어 물질을 이용하는 것이 또한 알려져 있다. 이 점에서, R. Strumpler 등의 논문 "Smart Varistor Composites"(1994년, 제 8회 CIMTEC Ceramic Congress and Forum on Materials Symposium의 회보), 및 US 6,124,549 A 및 EP 1 337 022 A1를 참조한다. 이러한 경우에, 상기 충전재는 본질적으로 작은 구형 산화 아연 입자의 형태인 마이크로배리스터로 구성된다. 이들 입 자는 예를 들어 Sb2O3, Bi2O3, Cr2O3 및 Co3O4와 같은 상이한 금속 산화물로 도핑되고, 900℃ 내지 1300℃의 온도로 소결된다. 배리스터와 같이, 소결된 입자는 전계 세기에 따라 좌우되는 비선형 전기적 특성을 갖는다. 상기 입자는 낮은 전계 세기에서 절연체와 같이 작용하고, 전계 세기가 증가함에 따라 점점 더 전도성이 증가하게 된다. 이들 비선형 전기적 특성으로 인해, 폴리머 합성물은 우수한 전계 제어 특성을 갖는다.
본 발명의 청구항은, 간단한 설계를 갖고 그 캡슐이 상당히 축소된 크기를 갖는 캡슐형 서지 피뢰기에 대한 처음에 언급된 능동부를 개발하고, 더욱이 이러한 능동부를 쉽고 저비용으로 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 능동부에서, 전계 제어 요소는 배리스터 컬럼에 고정되고, 폴리머 매트릭스 및 매트릭스에 내장된 충전재로 구성되는 합성물을 포함한다. 최대 100Hz의 교류 전기가 인가될 때, 이러한 합성물은 5 내지 45의 유전율 및/또는 비선형 전류-전압 특성을 갖는다. 합성물로 이루어진 전계 제어 요소는 종래에 금속 또는 전기 전도성 플라스틱으로 이루어진 전계 제어 요소보다 더 낮은 전도율을 갖는다. 이것은, 전계 제어 요소가 배리스터 컬럼에 매우 가까이 위치할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 능동부는 배리스터 컬럼에 수직인 작은 직경을 갖고, 캡슐의 크기, 및 능동부를 유지하기 위해 제공된 절연체의 크기는 감소될 수 있다. 전계 제어 요소의 비교적 높은 유전율 및/또는 비선형 전류-전압 특성은 또한 전계의 균일화를 초래하므로, 배리스터 컬럼의 개별적인 배리스터를 과부하로부터 보호한다. 본 발명에 따른 능동부는, 전계 제어 요소가 비선형 전류-전압 특성을 갖는 경우, 예를 들어 서지 피뢰기 절연의 유형 테스트에 요구된 바와 같이 특히 높은 서지 용량을 갖는다.
적절한 전계는, 충전재가 특히 전도성 그을음(conductive soot)과 같이 높은 전도율을 갖는 물질, 및/또는 예를 들어 티탄산염, 바람직하게는 티탄산 바륨과 같은 높은 유전율을 갖는 물질, 및/또는 마이크로배리스터를 포함하는 경우 다수의 응용에 대해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 능동부, 또는 이러한 능동부를 포함하는 서지 피뢰기의 전기적 특성 각각은 충전재의 적어도 부분이 마이크로배리스터를 포함하는 경우 매우 잘 재생될 수 있다. 이것은, 특히 도핑되고 소결된 산화 아연을 주원료로 한 마이크로배리스터의 전기적 특성이 화학적 합성물 및 충전재의 소결 상태에 따라 조정될 수 있기 때문이다. 따라서, 전계 제어 요소를 형성하는 폴리머 합성물의 전기적 특성, 특히 전계 세기의 함수로서 전기 저항은 적합한 마이크로배리스터를 선택하고 폴리머에서 마이크로배리스터의 적합한 농도를 선택함으로써 조정될 수 있다. 전기 저항이 마이크로배리스터의 고유 특성이고 폴리머 매트릭스에서 마이크로배리스터의 분산에 의존하지 않거나 단지 매우 약간 의존하기 때문에, 마이크로배리스터의 이러한 특성은 크게 재생가능한 방식으로 조정될 수 있다. 더욱이 우수한 재생 능력은, 마이크로배리스터로 채워진 폴리머가 채워지지 않은 폴리머 또는 절연 가스보다 더 높은 열적 전도율을 갖는다는 사실로 인해 개선된다. 배리스터 컬럼이 더 높은 부하를 받는다면, 우수한 열적 전도율은 또한 배리스터 컬럼으로부터 벗어나는 열 전달을 촉진시킨다.
어려운 전계 제어 작업을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 능동부 또는 이러한 능동부를 포함하는 서지 피뢰기 각각이, 일반적으로 배리스터 컬럼의 총 길이의 1/4을 갖고 고전압 전극에 연결되는 적어도 하나의 길이 부분에 걸쳐 연장하는 경우 충분하다.
또한 충분한 정밀도로 배리스터 컬럼의 나머지 부분을 제어하기 위해, 전계 제어 요소는 배리스터 컬럼의 전체 길이에 걸쳐 연장하는 것이 바람직하다. 그러한 전계 제어 요소는 또한 제조 기술에 대해 특정한 장점을 제공하는데, 즉 이는 능동부의 양쪽 전극에 인접하는 주형(casting mould)으로 쉽게 제작될 수 있기 때문이다. 이것은 이에 따라 능동부의 제조 비용을 감소시킨다.
공간 요구조건은 감소될 수 있고, 특히 전계 제어 요소의 높은 효율은, 전계 제어 요소의 적어도 일부분이 배리스터 컬럼의 표면적에 놓여 있는 경우 달성될 수 있다. 배리스터 컬럼의 영역에서의 국부적인 전계 비균일성은 이러한 방식으로 효과적으로 방지된다.
그러나, 적절한 전계 제어 특성은, 일반적으로 전계 제어 요소가 배리스터 컬럼의 표면 영역 상에 유지되거나 고정되는 절연 요소에 의해 운반되는 경우 또한 달성된다. 이에 따라 설계된 능동부는 또한 제조 기술에 대해 장점을 제공하는데, 즉 이는 고체 실린더가, 쉽게 처리될 수 있는 충전재(filler) 없는 폴리머를 배리스터 컬럼 상으로 주조(casting)하거나, 적용가능한 경우, 수 개의 배리스터 컬럼 상으로 주조함으로써 달성되기 때문이다. 이 경우에, 전계 제어 요소는 이때 충전재 및 폴리머를 포함하는 합성물 상에 감겨지거나 분무함으로써 이러한 고체 실린더 상에 쉽게 부착될 수 있다.
특정한 전계 제어 작업에 대해, 전기 절연 층에 의해 서로 떨어져 있는 적어도 2개의 전계-제어 층을 갖는 전계 제어 요소를 이용할 수 있다. 이들 층이 상이한 전기적 특성을 갖고 및/또는 상이한 길이의 배리스터 컬럼에 걸쳐 연장하는 것이 유리하다.
일반적으로 컬럼 축에 수직인 전계 제어 요소의 두께는 일반적으로 제조 기술로 인해 배리스터 컬럼의 길이에 걸쳐 일정하다. 그러나, 그 두께가 특정한 전계 제어 작업을 수행하기 위해 배리스터 컬럼의 길이에 걸쳐 변화하는 경우 유리할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도율은, 전계 제어 요소의 표면 단면이 이러한 위치에서 더 크고 단면적이 능동부의 길이에 걸쳐 계속해서 감소하는 경우 능동부의 일단부 상에서 유리하게 증가될 수 있다.
본 발명의 능동부의 제조 방법에서, 배리스터 및 2개의 접촉 전극의 적층은 서로 클램핑되어, 배리스터 컬럼 또는 이 컬럼의 부분을 포함하는 사전-조립된 유닛이 형성된다. 후속적으로, 전계 제어 요소는, 전계 제어 요소를 배리스터 컬럼 또는 배리스터 컬럼을 둘러싸는 절연 요소 상에 부착함으로써 사전-조립된 유닛 상에 고정된다. 이러한 적용이 충전된 폴리머를 주조하거나 사출 성형함으로써, 또는 충전된 폴리머를 운반하는 지지 부재를 수축(shrinking)시키거나 감음으로써 유리하게 발생하기 때문에, 능동부는 저가로 대량 생산에 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명에 따라 능동부를 포함하는 서지 피뢰기의 높은 유전 세기를 달성하기 위해, 능동부를 캡슐에 삽입한 후에 남아있는 잔여 체적은 고체, 액체 및/또는 가스 절연 물질로 채워질 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 아래에 더 구체적으로 설명된다.
모든 도면에서, 동일하게 능동부는 동일한 참조 부호로 표시된다. 각각 도 1 내지 도 5에 도시된 서지 피뢰기는, 개방 포트(open pot)의 형태로 실현되고 능동부(2)가 배열되는 원통형 대칭 금속 캡슐(1)를 포함한다. 능동부는 배리스터 컬럼(3)과, 고전압에 연결가능한 전극(4){고전압 전극(4)}과, 접지 전위에 연결가능한 전극{접지 전극(5)}과, 서지 피뢰기의 동작 동안 캡슐(1)의 내부에서 작용하는 전계를 제어하는 전계 제어 요소(6)를 포함하며, 여기서 상기 요소는 배리스터 컬럼(3)과 캡슐(1) 사이에 배열되고, 전기적 전도 방식으로 고전압 전극(4)에 연결된다.
배리스터 컬럼(3)은 고체 실린더의 형태로 수 개의 배리스터 요소(7)를 포함하고, 상기 배리스터 요소(7)는 서로 위에 적층되고, 예를 들어 금속 산화물, 특히 적합하게 도핑된 ZnO를 주원료로 하는 비선형 높은 저항 물질을 포함한다. 배리스터 컬럼(3)은, 2개의 전극(4 및 5)(도 1 내지 3 및 도 5) 또는 2개의 임의 전극 상에 특정 압축 응력(prestress)으로 지지되는 전기적 절연 루프형 클램프(8)에 의해 기계적으로 고정되며, 상기 2개의 임의 전극 중 하나는 고전압 전극(4)으로 구성되 고, 다른 하나는 접지 전극(5)(도 4)으로 구성되어, 즉 안정한 사전-조립된 유닛이 형성된다.
고전압 전극(4)은 포트의 개구부를 통과하여 연장하는 전류 전도체(9)에 의해 캡슐(1) 외부에 배열된 플러그형 접점(10)에 전기적 전도성 방식으로 연결된다. 접지 전극(5)은, 포트의 하부에 제공된 개구부를 통과하여 연장하고 캡슐(1)에 대해 전기적으로 절연되는 전류 전도체(11)에 의해 캡슐(1) 외부에 배열된 접지 전류 연결부 즉 단자(12)에 연결된다. 예를 들어 실리콘을 주원료로 한 절연 바디(13)는 포트의 개구부를 관통하고 리드되는 전도체(9) 및 캡슐(1)에 대한 능동부(2)를 절연시킨다.
전계 제어 요소(6)는 배리스터 컬럼 상에 직접적으로 또는 간접적으로 유지된다. 상기 전계 제어 요소는 그 안에 내장된 충전재를 갖는 폴리머 매트릭스의 형태인 합성물을 포함한다. 최대 100Hz의 교류 전계로 충전될 때, 이러한 합성물은 5 내지 45의 유전 상수, 바람직하게는 8 내지 30의 유전 상수, 및/또는 비선형 전류-전압 특성을 갖는다.
폴리머 매트릭스는 고체 실리콘을 주원료로 한 엘라스토머로부터 형성될 수 있지만, 예를 들어 EPDM 또는 부틸 고무와 같은 임의의 다른 엘라스토머로부터도 형성될 수 있다. 폴리머 매트릭스에 대해 고려될 수 있는 다른 폴리머는 예를 들어 PE, PVC, PBT 또는 EVA와 같은 열 가소성 물질, 예를 들어 에폭시드 또는 폴리우레탄을 주원료로 한 두로머(duromer), 또는 열가소성 엘라스토머이다. 폴리머 매트릭스는 또한 여러 폴리머 성분으로 된 혼합물 또는 공중합체로 구성될 수 있다.
마이크로배리스터는 폴리머 매트릭스에 내장될 충전재용 물질로서 사용된다. 전도성 그을음은 다른 적합한 충전재이지만, 결과적인 합성물의 유전 상수 또는 유전율이 50Hz에서 대략 10 내지 30이 되도록 높은 농도로 폴리머에 내장될 필요가 있다. 높은 유전율을 갖는 세라믹 물질, 예를 들어 티탄산 바륨은 또한 충전재로서 잘 맞는다.
마이크로배리스터는 도핑되고 소결된 산화 아연 입자로 구성된다. 일반적인 합성물, 입자 크기 및 소결된 상태는 전술한 종래 기술에 개시되어 있다. 일반적으로 Bi, Co, Cr, Mn 및 Sb 산화물로 구성된 산화물, 및 선택적으로 예를 들어 Al, B, Fe, Ni 및 Si와 같은 다른 요소의 산화물로 도핑된 ZnO 입자는 900℃ 내지 1300℃의 온도로 소결된다. 소결 공정 동안 형성된 마이크로배리스터 분말은 원하는 입자 크기 단편, 예를 들어 약 100㎛의 채로 걸러진다. 추가 금속 충전재는 선택적으로 이러한 분말 단편에 혼합될 수 있고, 마이크로배리스터에 소결될 수 있다. 채로 걸러진 분말은 예를 들어 분쇄기(mill)에서 폴리머 매트릭스(예를 들어, HTV 실리콘)로 가공된다. 엘라스토머 유형에 따라, 다른 첨가제(예를 들어, 보조 가교제, 안정제)는 이 점에서 첨가될 수 있다. 일반적으로 합성물에서의 충전재의 체적 단편은 20 내지 45%이다.
이에 따라 제조된 합성물은 배리스터 컬럼(3), 또는 그 부분, 또는 종래의 사출 성형 방법에 의해 배리스터 컬럼을 둘러싸는 절연 요소(14)(도 3) 상으로 부착되어, 즉 전계 제어 요소(6)가 형성된다. 액체 실리콘이 사용되면, 실리콘-충전재 혼합물은 직접 주조에 의해 적용될 수 있다. 실리콘으로 형성된 바디(13)의 절 연 물질은 합성물의 가교 이후에 제 2 처리 단계에서 사출 성형될 수 있다.
합성물로 이루어진 전계 제어 요소(6)는 종래에 금속 또는 전기적 전도성 플라스틱으로 이루어진 전계 제어 요소보다 더 낮은 전도율을 갖는다. 이것은, 전계 제어 요소가 배리스터 컬럼(6)에 매우 가까이 위치될 수 있고, 능동부(2)를 캡슐(1)에 설치한 후에, 능동부(2)를 유지시키기 위해 제공된 절연체 및 캡슐의 크기가 감소된다는 것을 의미한다. 전계 제어 요소의 비교적 높은 유전율 및/또는 비선형 전류-전압 특성은 또한 전계의 균일함을 초래하여, 배리스터 컬럼(3)의 개별적인 배리스터(7)가 서지 피뢰기의 동작 동안 과부하되는 것을 방지한다. 세라믹 마이크로배리스터의 이용으로 인해, 전계 제어 요소(6)의 합성물의 열적 전도율은 충전재 없는 폴리머에 비해 상당히 증가한다. 그러므로, 배리스터 컬럼(2)으로부터 외부로 벗어나는 열 전달은 개선되고, 개별적인 배리스터는 대응하는 더 높은 열적 부하를 받을 수 있다. 본 발명에 따라 능동부를 포함하는 서지 피뢰기는 종래에 설계된 능동부를 갖는 서지 피뢰기보다 상당히 더 높은 서지 용량을 갖는다. 따라서, 유사한 성능이 감소된 크기로 달성될 수 있다.
도 1에 따른 실시예에서, 전계 제어 요소(6)는 또한 고전압 전극(4)의 외부 표면상에, 그리고 고전압 전극에 연결되는 배리스터 컬럼(3)의 부분의 표면 영역 상에 접착 코팅에 의해 배열된다. 전계 제어 요소(6)가 고전압 전위를 받는 능동부(2)의 영역에 걸쳐 연장하기 때문에, 전계는 이러한 크게 응력을 받는 영역에서 균일화된다.
배리스터 컬럼 상의 전계 제어 요소의 배열은 공간 절약 설계를 허용하고, 배리스터 컬럼(3)의 영역에서 국부적인 전계 비균일성을 효과적으로 방지하는 동시에, 배리스터 컬럼(3)에서 발생된 열의 외부로의 우수한 전달을 제공한다.
도 2에 따른 실시예에서, 배리스터 컬럼(3) 상에 부착된 전계 제어 요소(6)는 고전압 전극(4)으로부터 접지 전극(5)으로 전체 배리스터 컬럼(3)에 걸쳐 연장한다. 그러므로, 전계는 전체 배리스터 컬럼에 걸쳐 균일하게 되고, 배리스터 컬럼의 모든 배리스터(7)는 매우 정밀한 방식으로 제어될 수 있다. 더욱이, 이러한 유형의 전계 제어 요소가 설치된 능동부는 매우 쉽게 제조될 수 있는데, 그 이유는 능동부(2)의 양쪽 전극(4 및 5)에 인접한 주형이 몰딩 동안 이용될 수 있기 때문이다.
도 2에 따른 능동부를 갖는 서지 피뢰기의 서지 용량은 IEC 규정 60099-4 및 60071-1에 따라 테스트되고, 대응하여 설계되지만 전계 제어 요소를 갖지 않는 서지 피뢰기의 대응하여 테스트된 서지 용량과 비교되었다. 이 경우에, 양쪽 서지 피뢰기는, 양극의 15 연속 1/50 고전압 임펄스, 및 음극의 15 대응 임펄스로 각각 충전되었다. 임펄스의 형태는 1㎲의 펄스 최대치의 상승 시간, 및 50㎲의 펄스 최대치 절반의 하강 시간에 의해 한정된다. 이러한 비교는, 본 발명에 따른 능동부를 갖는 서지 피뢰기가 전계 제어 요소를 갖지 않는 서지 피뢰기보다 적어도 1.7배 더 높은 고전압을 받을 수 있다는 것을 보여준다.
도 3에 따른 실시예에서, 전계 제어 요소(6)는 배리스터 열의 표면 영역 상에 유지된 절연 요소(14)에 의해 운반된다. 이에 따라 설계된 능동부(2)는 제조 기술에 대해 장점을 제공하는데, 그 이유는 고체 실린더가, 쉽게 처리될 수 있는 충 전재 없는 폴리머를 배리스터 컬럼(3) 상에 주조함으로써 얻어지기 때문이다. 그 다음에, 전계 제어 요소(6)는, 예를 들어 합성물 상에 감거나 분무함으로써, 또는 합성물을 포함하는 지지 부재 상에 쉬링크함으로써 이러한 고체 실린더 상에 쉽게 부착될 수 있다.
일반적으로 배리스터 컬럼(3)의 축에 수직인 전계 제어 요소(6)의 두께는 제조 기술로 인해 배리스터 컬럼의 길이에 걸쳐 일정하다. 그러나, 특정한 전계 제어 작업을 수행하기 위해 전계 제어 요소(6)의 두께가 배리스터 컬럼(3)의 길이에 걸쳐 변경하는 것이 유리하다. 예를 들어, 고전압{전극(4)}을 받는 능동 컬럼의 단부 상의 전기 전도율은, 전계 제어 요소(6)의 단면적이 이러한 위치에서 더 크고 그 단면 영역이 부분에 걸쳐 또는 필요시 능동부(2)의 전체 길이에 걸쳐 계속해서 감소되는 경우, 유리하게 증가될 수 있다. 능동부의 그러한 실시예는 도 4에 도시되어 있다. 도 4는, 또한 배리스터 컬럼(3)이, 각각 2개의 전극과, 상기 전극 사이에 각각 배열된 배리스터(7' 및 7")의 적층과, 각각 루프형 클램핑 요소(8' 및 8")를 구비하는 2개의 사전-조립된 유닛(31 및 32)을 포함할 수 있다. 사전-조립된 유닛(31)에서, 2개의 전극은 고전압 전극(4) 및 중간 전극(15)이고, 여기서 사전-조립된 유닛(32)의 2개의 전극은 중간 전극(15) 및 접지 전극(5)이다. 이것은, 중간 전극(15)이, 양쪽 사전-조립된 유닛(31, 32)이 개별적으로 전달될 수 있도록 별도의 방식으로 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 매우 긴 배리스터 컬럼(3)에서, 중간 전극만을 포함하는 사전-조립된 유닛이 제공된다.
도 5에 따른 실시예에서, 사용된 전계 제어 요소(6)는 전기 절연 층(61)에 의해 서로 떨어져 있는 2개의 전계-제어 층(62 및 63)을 포함한다. 층(62 및 63)은 특히 정밀한 전계 제어를 허용하고, 상이한 전기적 특성을 가질 수 있고 및/또는 도면에 도시된 바와 같이 상이한 길이의 배리스터 컬럼(3)에 걸쳐 연장할 수 있다.
도 6에 따른 실시예는, 능동부(2)가 하나의 배리스터 컬럼을 포함할 뿐 아니라, 2개의 배리스터 컬럼(3', 3"), 또는 적용가능한 경우, 3개{컬럼(3', 3") 뒤에 배열된 배리스터 컬럼(3"')의 형태로 표시됨} 또는 그 이상의 배리스터 컬럼을 포함할 수 있다는 것을 나타낸다. 이 실시예에서, 양쪽 컬럼의 배리스터(7)가 커넥터(16)에 의해 일렬로 연결되기 때문에, 이들 컬럼은 배리스터(7), 및 그 단부 상의 컬럼에 가까이 있는 2개의 전극(17', 17", 17"')을 포함할 뿐 아니라, 컬럼에서 서로 인접하여 배열된 배리스터(7), 및 배리스터(7)와 전극(17"')의 전위를 각각 분리시키는 절연 부분(18)을 포함한다. 전술한 전극 중 전극(17')은 고전압 전극(4)에 전기 전도성 방식으로 연결되거나, 그 안에 통합되고, 관통(lead-through) 절연체(91)를 통해 전기 절연성 방식으로 캡슐(1)로부터 안내되는 전류 전도체(9)에 의해, 예를 들어 과전압으로부터 보호될 라인인 고전압 소스에 전기 전도성 방식으로 연결된다. 따라서, 전극(17")은 접지 전극(5)에 전기 전도성 방식으로 연결되거나, 그 안에 통합되고, 절연 방식으로 캡슐(1)로부터 안내되는 전류 전도체(11)에 의해 접지된다.
이 경우에, 전계 제어 요소(6)는 전극(4, 17' 및 17"')을 수용하는 부분 전계 제어 요소(6'), 및 가장 높은 전위를 받는 배리스터 컬럼(3')의 부분을 수용하는 인접한 부분 전계 제어 요소(6")로 구성된다. 2개의 부분 전계 제어 요소(6', 6")는 도시된 바와 같이 상이한 합성 물질로 구성된다. 부분 전계 제어 요소(6')는 주조에 의해 적용될 수 있고, 부분 전계 제어 요소(6")는 쉬링크되거나 감겨질 수 있다.
전계 제어 요소(6)가 하나의 부분만으로 구성되는 경우, 또한 공통적으로 케이스 형태로 모든 배리스터 컬럼(3', 3", 3"')을 수용하도록 달성될 수 있다.
가스 밀폐 캡슐(1)의 잔여 체적(19)은 일반적으로 SF6인 절연 가스로 채워진다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 또한 이러한 유형의 능동부를 제조하는 방법, 및 그러한 능동부를 포함하고 중간-전압 및 고-전압 그리드 또는 시스템에서 전압을 제한시키는 캡슐형 서지 피뢰기 등에 효과적이다.

Claims (15)

  1. 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부(active part)(2)로서, 상기 능동부는 적어도 하나의 배리스터 컬럼(varistor column)(3, 3', 3", 3"')과, 고전압에 연결가능한 전극(4) 및 접지 전위에 연결가능한 전극(5)과, 서지 피뢰기 동작 동안 캡슐(1)의 내부에서 작용하는 전계를 제어하는 전계 제어 요소(6, 6', 6")를 포함하며, 상기 전계 제어 요소(6, 6', 6")는 상기 능동부(2)를 상기 서지 피뢰기의 캡슐(1)에 설치한 후에, 상기 배리스터 컬럼(3, 3', 3", 3"')과 상기 캡슐(1) 사이에 위치하고, 상기 고전압 전극(4)에 연결되고, 상기 전계 제어 요소(6, 6', 6")는 상기 적어도 하나의 배리스터 컬럼(3, 3'. 3". 3"') 상에 유지되고, 폴리머 매트릭스 및 그 안에 내장된 충전재를 포함하는 합성물을 포함하고, 상기 합성물은 최대 100Hz의 교류 전계를 받을 때, 5 내지 45의 유전율 및 비선형 전류-전압 특성 중 적어도 하나를 갖는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 충전재는 전도성 그을음(conductive soot), 티타늄 및 마이크로배리스터(microvaristor) 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 포함하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 마이크로배리스터의 적어도 일부분은 도핑되고 소결된 산화 아연으로부터 형성되는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전계 제어 요소(6, 6', 6")는 상기 고전압 전극(4)에 연결되는 상기 배리스터 컬럼(3, 3', 3", 3"')의 적어도 길이 방향에 걸쳐 연장하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 전계 제어 요소(6)는 상기 배리스터 컬럼(3)의 전체 길이에 걸쳐 연장하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 전계 제어 요소(6, 6', 6")의 적어도 한 부분은 상기 배리스터 컬럼(3, 3', 3", 3"')의 표면 영역 위에 놓이는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 전계 제어 요소(6)는 상기 배리스터 컬럼(3)의 표면 영역 위에 유지되는 절연 요소(14)에 의해 수용되는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 전계 제어 요소(6)는 전기적 절연 층(61)에 의해 서로 떨어져 있는 적어도 2개의 전계-제어 층(62, 63)을 포함하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전계-제어 층(62, 63)은 상이한 전기적 특성을 갖거나, 상이한 길이의 상기 배리스터 컬럼(3)에 걸쳐 연장하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 전계-제어 층(62, 63)은 상이한 전기적 특성을 갖고, 상이한 길이의 상기 배리스터 컬럼(3)에 걸쳐 연장하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  11. 제 4항에 있어서, 상기 컬럼 축에 수직인 상기 전계 제어 요소의 두께는 상기 배리스터 컬럼의 길이에 걸쳐 변하는, 캡슐형 서지 피뢰기용 능동부.
  12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 능동부(2)의 제조 방법으로서,
    배리스터(7, 7', 7") 및 2개의 접촉 전극(4, 5, 15, 17, 17', 17", 17"')의 적층은 함께 클램핑되어, 상기 배리스터 컬럼(3, 3', 3", 3"') 또는 이 컬럼의 부분을 포함하는 사전-조립된 유닛(31, 32)이 형성되고, 상기 전계 제어 요소(6, 6', 6")는 후속적으로 상기 사전-조립된 유닛(31, 32) 상에 고정되고, 상기 전계 제어 요소(6, 6'. 6")는 상기 배리스터 컬럼(3, 3', 3", 3"'), 또는 상기 배리스터 컬럼(6)을 둘러싸는 절연 요소(14) 상에 부착되는, 능동부 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 전계 제어 요소는 상기 충전된 폴리머의 주조(casting) 또는 사출 성형에 의해, 또는 상기 충전된 폴리머를 포함하는 지지 부재 상에 쉬링크(shrinking)하거나 감겨짐으로써 적용되는, 능동부 제조 방법.
  14. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 능동부(2)를 수용하고, 우발적 접촉에 대해 보호되는 캡슐(1)을 갖는, 캡슐형 서지 피뢰기.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 캡슐(1)과 상기 능동부(2) 사이의 캡슐(1)에 남아있는 잔여 체적(19)은 고체, 액체 및 가스 절연 물질 중 적어도 하나로 채워지는, 캡슐형 서지 피뢰기.
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