KR101605511B1 - 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치 - Google Patents

낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 "낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"는,
사장교에 설치된 피뢰침(40), 피뢰침과 대지와 전기적인 접속을 용이하게 하기 위한 접지체 (80), 피뢰침과 접지체를 연결하는 인하도선(50), 사장교의 주탑과 교량상판을 연결하는 지지케이블(30), 상기 다수의 지지케이블 중 최상부 지지케이불상에 하나이상의 다수의 절연지지체(90)로 지지되고 인하도선(50)과 피뢰침(50)의 하단에서 접속되는 지지케이블상의 보호용 낙뢰유도선(60), 지지케이블과 병설되고 지지케이블의 양끝단 부분에서 인하도선(50) 및 접지체(80)과 접속되는 지지케이블에 병설되는 전류분산용 도체(70)로 구성되어 본 발명에 따른 뇌운에 극성에 따라 뇌운에서 대지로 하향방전 하는 낙뢰(이하 하향낙뢰 라 합니다)이든, 대지에서 뇌운으로 상향방전하는 낙뢰(이하 상향낙뢰 라 합니다) 이든 사장교에 설치된 피뢰침 또는 지지케이블을 통하여 낙뢰가 유입 된 경우 낙뢰전류(낙뢰에 의하여 유입된 전류)는 인하도선과 각각의 지지케이블에 병설된 전류분산용 도체로 분산되어 흐르게 됨으로서 지지케이블 특히 지지케이블을 이루는 강철소선의 집합체로 흐르는 전류를 최소화 시킴으로서, 지지케이블에서 발생되는 발열 즉 낙뢰전류와 강철소선의 집합체의 전기저항에 의한 주울열에 의한 지지케이블에서의 화재 또는 열에 의한 지지케이블의 기계적 강도를 저하를 방지하여 사장교의 안정 성을 확보 할 수 있으며, 아울러 뇌운의 극성에 따라 방전개시 전압의 편차를 최소화 한 쌍극자 피뢰침을 구비함으로서 인하도선과 전류 분산용 도체에 흐르는 전류 크기의 편차가 최소화됨으로서 사장교량의 피뢰설비 설계시 인하도선과 전류 분산용 도체의 용량 선정을 용이하게 할 수 있는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"이다.
또한 지지케이블(30)로 유입되는 낙뢰 방지를 위하여 지지케이블(30)마다 피뢰침을 설치하고 인하도선을 각각설치 하는 것과 같은 효과를 발휘하는 것이어서 하나의 피뢰침으로 사장교 지지케이블마다 피뢰장치를 설치하는 복잡성, 시공성, 경제성이 우수한 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치이다.

Description

낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치{LIGHTNING PROTECTING APPARATUS FOR SPREADING LIGHTNING CURRENT FOR CABLE-STAYED BRIDGE}
본 발명은 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사장교의 지지케이블은 뇌운의 위치에 따라 근본적으로 낙뢰 유입경로가 될 수밖에 없는 상황에서, 지지케이블로 유입된 낙뢰에 의하여 유입된 전류를 어느 한 지지케이블에 의하여만 대지와 형성되는 전류 경로를 다양한 전류경로가 될 수 있도록 하고, 지지케이블의 기계적 작용력을 담당하는 지지케이블을 구성하는 강철소선(피아노선등)으로 흐르는 전류를 최소화하기 위한 사장교 낙뢰 유입시 사장교 케이블을 낙로로부터 보호하고자 하는 사장교 낙뢰 방지에 관한 것이다.
사장교의 지지케이블이 낙뢰에 의하여 손상되는 경우가 발생 되고 있다.
지구 온난화 등의 낙뢰 발생 빈도가 증가하고 있는 실정이며 낙뢰전류의 크기도 10×350us 50KA 이상인 고전류 낙뢰 발생이 빈번한 실정이며, 특히 사장교는 구조물 안전에 치명적인 영향을 주는 핵심 부품이나, 사장교의 특성상 지지케이블은 그 어느 한쪽은 대지에 전기적으로 연결 되어 있고 다른 한쪽은 뇌운과 대향 하고 있는 형태의 구조적 특징을 가지고 있어 낙뢰유입의 가능성이 상존하고 있으며, 낙뢰유입지 지지케이블은 피뢰침의 인하도선과 같은 역할을 하고 있으며, 지지케이블 자체가 하나의 저항도체로서 낙뢰전류에 의한 고열 발생가능한 전기적 특징을 가지고 있다.
사장교의 주요 구성요소인 지지케이블이 낙뢰 유입시 뇌운과 대지간에 전류경로가 형성 되게 되고 지지케이블이 전류 경로가 됨으로 인하여 지지케이블의 전기저항 또는 지지케이블과 주탑 및 상판과 연결하는 연결부의 접촉저항에 의한 낙뢰전류와의 상호 작용으로 인하여, 지지케이블에 발열이 발생하고 이 발열에 의하여 지지케이블에서의 화재뿐만 아니라 지지케이블의 기계적 강도를 약화시켜 사장교의 안전에 심각한 영향을 주고 있다.
일반적으로 사장교의 주탑상부에 피뢰장치(일반적으로 플랭크린 돌침 형태의 피뢰침, 이하에서는 피뢰 침이라 한다)가 설정되어 있다 하나 사장교의 특성상 주탑에 설치된 피뢰침보다 낮은 위치에서 뇌운이 생성되는 경우가 비일 비재하며, 뇌운이 (+) 전하를 띠게 된 경우와, 뇌운이 (-) 전하를 띠고 있는 경우, 뇌운에 극성에 따라 대전된 뇌운에 의한 뇌운과 대지간에 섬락 진행 방향이 상이하고 주탑에 설치된 피뢰침의 형태에 뇌운과 대지간에 섬락 개시 전압도 상당한 히 큰 편차가 있어 낙뢰 전유의 크기도 다르게 됨으로 지지케이블 또는 피뢰침의 인하도선에 흐르는 전류도 상이하다.
이와 같이, 사장교에서 주탑과 교량의 상판을 연결하는 지지케이블은 피아노선과 같은 강선을 집합 결속한 도체로서 비록 나동선 등과 같은 피뢰침에 연결되는 인하도선보다 큰 저항을 가지고 있으나 도체일 뿐으로서, 사장교의 지탱 구조상 지지케이블은 교량상판을 통하여 대지와 접속된 상태이고 주탑의 결속되는 상단부는 피뢰침 역할을 할 수밖에 없는 상황이다.
이러한 구조적 특징으로 인하여 사장교의 지지케이블에 낙뢰가 유입되어 케이블이 절단되는 사고가 발생 되면, 이로 인하여 교량안전에 심각한 영향을 미치고 있다.
이를 구체적으로 살펴보면 지지케이블은 교량 상판을 주탑과 연결하는 금속 도체로서 피뢰침처럼 대지와 양호한 접지 상태는 아니라 할지라도 접지된 상태이다.
이러 하다면 상향 또는 하향하는 낙뢰에 의한 전류 경로는 피뢰장치와는 연결되는 전류의 방전경로와 뇌운과 지지케이블로 이루어지는 낙뢰 전류의 방전경로가 형성되어 있다.
즉 낙뢰 발생 시 낙뢰가 피뢰장치를 통하여 뇌운과 방전경로를 형성하거나 뇌운이 지지케이블을 통하여 대지로 연결되는 방전경로를 형성하는 경우가 있을 수 있다.
일반적으로는 피뢰침의 설치 높이의 일정반경 하단은 피뢰침에 의하여 보호 된다고 알려져 있으나, 사장교의 지지케이블이 피뢰침 보다 더 가까운 지역에서 뇌운이 형성된 경우에는 낙뢰의 유입은 지지케이블을 통하여 대지로 흐르는 낙뢰전류의 방전경로(이하에서는 이를 전류경로라 한다)를 형성한다.
상기와 같은 피뢰침을 매개로 하는 대지와 뇌운 간에 전류 경로가 설정되지 아니한 상태에서, 지지케이블로 낙뢰가 유입되는 경우 지지케이블 자체는 낙뢰전류가 흐르는 선로가 되어 지지케이블은 주울 열 만큼의 열이 발생한다.
더구나 지지케이블을 지지하는 주탑과 지지케이블을 연결하는 연결부 또는 지지케이블과 교량 상판을 연결하는 연결부가 대지와 전기적으로 안정적 접속을 유지하는 경우 낙뢰전류가 대지로 흡수나, 지지케이블의 저항과 낙뢰전류에 의한 주울열 발생은 피할 수 없는 것이고, 낙뢰전류는 통상 수백내지 수천 암페어 이상인 경우가 대부분임으로 지지케이블의 열화에 의한 기계적 강도에 영향을 미치게 되고, 이로 인한 교량의 안전에 영향을 준다는 것은 자명 하다 할 것이다.
또한 지지케이블과 연결되는 주탑 연결부 또는 교량 상판 연결부 등에서 전기적 접속이 불안정한 경우 낙뢰, 전류에 의한 직렬아크가 발생 할 수 있고, 설령 직렬아크 정도는 아니라 할지라고 연결부에 접촉저항 증가로 연결부에 서는 지지케이블의 다른 부위에 비하여 많은 열이 발생 할 수 있다.
또한 뇌운에 의한 낙뢰 전류와 전압은 수천 볼트이며, 전류 역시 수백~수천 암페어가 단시간에 도선을 통하여 대지로 방전되는 전지적 특성을 가지고 있다.
이를 위하여 피뢰침으로 유입되는 낙뢰전류를 대지와 원활히 방전 되도록 피뢰침으로부터 대지로 연결되는 인하도선은 전기저항이 0.2Ω 이하가 되도록 하여야하고, 나동선 기준 50㎟ 이상인 전선을 사용하고 있다.
하나 사장교와 같이 다수의 강선 다발로 이루어진 지지케이블은 비록 도체라 하더라도 정상적인 인하도선 보다 저항이 크고, 전기적 특성에 관점을 둔 것이 아닌 인장강도 등 기계적 강도 측면에 관점을 둔 금속재로서, 낙뢰 유입 시 낙뢰가 가지고 있는 전류를 대지로 원활히 흡수하고자 하는 전기적 특성을 고려 한 것은 아니다.
특히 사장교와 같은 구조물는 개별 지지케이블이 뇌운과 근접하는 위치에 설치되는바 비록 주탑에 피뢰침을 부설하여 낙뢰 피해를 방지 하고자 하나
지지케이블이 주탑의 피뢰침보다 뇌운에 더근접 한 경우에는 지지케이블로 낙뢰가 유입 될 수 있는 구조다.
특히 이를 해결 하고자 에서 등록된 선행문헌 1에는 지지케이블과 전기적으로 절연된 나동선등을 병설하여 지지케이블로 유입되는 낙뢰를 방지하고자 하는 구조의 사장교의 낙뢰 방지 구조에 대하여 제시하고 있다.
철골조의 철근구조물 과 철근콘크리트구조체인 경우 이의 저항이 0.2Ω이하인 경우 낙뢰 전류 유입에 효과적으로 대응 할 수 있는 것으로 알려져 있으나(건축물의 설비기준에 등에 관한 규칙 제20조 참조),이는 철근구조물이 다양한 전류 경로를 가지고 있어서 어느 한 철골 구조로 전류가 집중 되지 아니하기 때문에 문제가 되지 아니하나, 사장교처럼 지지케이블 하나 하나가 피뢰침의 인하도선 역할을 할 수 있는 경우에는 각지지 지지케이블에는 집중적으로 전류가 흐를 수밖에 없고 이로 인한 발열을 피할 수 없는 것이다.
상기한 바와 같이 사장교의 지지케이블은 근본 적으로 낙뢰 유입경로가 될 수밖에 없는 상황에서, 지지케이블로 유입된 낙뢰에 의하여 유입된 전류는 어떠한 형태로든 지지케이블의 발열을 야기 할 수밖에 없고, 낙뢰 전류가 지지케이블로 유입되어 발열에 의한 지지케이블의 손상이 된다는 문제점을 여전히 내포하고 있다.
선행문헌1에서 뇌운의 극성에 따라 상향되는 선행 방전에 의하여 낙뢰가 발생 할 경우 주탑에 설치된 피뢰 돌침에 의하여 상향되는 낙뢰에 의하여 효과적으로 보호 될 수 있고, 최상부 지지케이블 상부에 나동선 배치로 하향 낙뢰에 대응 할 수 있다고 제시 되어 있다.
하나 사장교의 경우 지지케이블 자체가 일단은 접지되고 타단은 뇌운을 향하여 돌출된 돌침 역할을 하는 것으로 뇌운의 위치에 따라 상향 되는 낙뢰가 지지케이블 상단을 통하는 전류경로가 설정되어 뇌운과 지지케이블간에 섬락이 발생 할 수 있으며, 이 경우 섬락되는 케이블에는 낙뢰에 의한 전류가 흐르게 되어 케이블 손상을 야기 할 수 있다.
하향하는 낙뢰의 경우 최상부 지지케이블 상단에 배치된 나동선에 의하여 하향 낙뢰를 흡수 할 수 있다하나, 사장교의 지지케이블의 배치를 보면 상하로 펼쳐진 형태로서, 뇌운의 위치에 따라 최상부 지지케이블 뿐 만 아니라 최상부하단의 다른 지지 케이블로도 낙뢰 유입 가능성이 상존하게 되고,
낙뢰가 유입된 지지테이블이 인하도선 역할을 하여 대전류가 흐르게 되어 지지케이블의 손상을 야기 시킬 수 있는 문제점을 항시 내포 하고 있다.
본 분야의 선행기술인 일본 등록특허 특허제 3199226호(이하 문헌1)는 낙뢰 유입을 최소화하기 위한 방책을 제시하는 것이고, 본 발명은 어떠한 형태이든 낙뢰가 사장교의 케이블로 유입되었을 경우,
유입된 전류가 지지케이블 중 어느 하나에만 집중됨에 따른 지지케이블 손상을 최소화 하고자 하는 것으로,
선행문헌1과 본 발명은 사장교를 낙뢰로 부터 보호하고자 한다는 것에는 동일하다 할 수 있으나,
선행문헌1은 낙뢰가 사장교의 지지케이블에 유입되는 것을 방지하고자 하는 것이고, 본 발명은 낙뢰가 사장교의 지지케이블에 유입된 경우 지지케이블을 보호하고자 하는 것으로, 낙뢰로 부터 사장교를 보호하는 기술적 사상 즉 발명의 목적이 상이하고, 해결수단도 상이하며 그 구성도 상이한 발명이다.
또한 사장교 주변에서 발생 될수 있는 뇌운의 극성에 따른 뇌운과 대지간의 방전 형태를 파악하기 위하여, 양단간에 고전압이 대전된 상태에서 대전된 전극사이에 공기층을 매개로한 절연이 파괴되어 방전이 발생하는 코로나 방전 시 전자사태가 발생하는 패턴을 살펴보면,
먼저 고전압이 대전되는 전극 중 어느 하나인 침전극에는 (+)전압을 인가하고, 다른 하나는 평판 전극으로 하여 대지에 접지한 상태에서 전자사태가 발생되어 최종적으로 전극간 절연파괴 되는 방전과정을 보면, 도5에 나타난 바와 같이
양이온(+)이
Figure 112015122298330-pat00001
와 같은 형태로 침전극 주변에는 이탈된 전자가 모이게 되고, 평판전극 쪽으로 점점 축소되는 형상으로 양이온이 형성되는 1차적인 전자 사태가 발생하며 이후 침전극 주변에는 양이온과 전자 군이 혼합된 혼합형태의 이온지역이 형성되어
Figure 112015122298330-pat00002
같은 형태의 2차 전자사태(avalanches)가 진행된다.
다음으로 혼합된 이온지역에서 평판전극 방향으로 음이온이 밀집되면서
Figure 112015122298330-pat00003
와 같은 형태의 글로우 방전이 개시되고 평판전극 방향으로 전자 군 영역에서 다시 상기한 1차적 전자사태, 제2 전자사태를 거처 글로우 방전으로 진전 되면서 주위에 분포되는
Figure 112015122298330-pat00004
형상으로 진행됨에 따라 침전극에서 평판 전극 쪽으로 브레이크다운 스트림(Breakdown streamer)이 형성되면서 광이 출사 된다.
이를 낙뢰 보호 장치인 피뢰장치에 적용하여 보면
침 전극은 양전하가 대전되는 대지에 접지된 전극에 해당하는 것이고, 음전하가 대전된 평판전극은 뇌운에 해당하는 것이 된다.
따라서 기존의 전통적인 피뢰침은 이를 바탕으로 하여 침 전극의 형태를 띠고 있다.
다음은 고전압이 대전되는 전극 중 어느 하나인 침 전극에는 (-)전압을 인가하고, 다른 하나는 평판 전극으로 하여 대지에 접지한 상태에서의 전극사이에서 인가하여 전자사태가 발생되어 최종 전극 간 절연파괴 되는 방전과정을 보면, 도6에 나타난 바와 같이
양이온(+)과 전자가
Figure 112015122298330-pat00005
와 같은 형태로 (-)의 침전극 주변에서 시작하여 (+)의 평판전극 쪽으로 점점 확대 되면서 확대되는 형상으로 양이온이 발생하고 양이온은 무게가 전자에 비해 무거우므로 리더 형상에 고르게 분포 되고,
(+)의 평판 전극 쪽에는 전자가 가벼우므로 모두 쉽게 전면에 모여 형성되는 전자의 집합체 형태가 된다. 이러한 대전 상태에서 글로우 방전으로 진행 되는 과정은 양전자는 점점 침전극 쪽으로 확산되면서 집중되고 침전극 쪽에서 멀어진 부분에는 양전하 밀도가 낮아지며, 이에 따라 전자도 분산되면서 밀도가 낮아지는 양이온 주위에 분포되는
Figure 112015122298330-pat00006
형상으로 진행된다.
이후 음이온과 양이온은 전극사이에서 상기와 같은 과정이 반복되면서
Figure 112015122298330-pat00007
브레이크다운 스트림(Breakdown streamer)을 형성하고 광이 출사 된다.
상기한 바를 보면 동일한 전극구조를 가지고 있다 하더라도 각각의 전극에 인가되는 전압의 극성에 따라 섬락까지 전개되는 양상이 다름을 알 수 있다.
이러함에도 불구하고 접지된 전극이 침전극의 형태로 이루어진 전통적인 피뢰장치가 활용되고 있으며, 본 발명자 역시 직격뢰 유입 확률 감소를 위한 쌍극자 원리를 이용한 피뢰 장치를 구현함에 있어, 침전극형태의 쌍극자 피뢰침을 개발하였으며,
그 대표적인 사례를 보면,
"낙뢰로부터 보호되는 물체의 상단부에 설치되어 접지 수단에 연결되는 전도성 물질의 로드; 관형(tube)으로 이루어져 그 중심에 상기 로드가 관통하고 상기 로드 쪽으로 침형의 팁이 형성되어 있는 대전관과, 상기 대전관의 양단을 상기 로드에 결합시켜 주는 제1캡 및 제2캡으로 구성되는 대전수단; 및 상기 로드와 전기적으로 연결되는 대전판을 포함하되, 상기 대전판은 제1,2대전판으로 구성되고, 상기 제2대전판과 제2캡 사이에는 제3,4대전판이 개재되며, 상기 제4대전판에는 원주 가장자리를 따라 요철(凹凸)이 반복 형성되고, 상기 제1,2대전판은 가장자리가 하부를 향하도록 겹쳐지며, 상기 제3대전판의 가장자리는 하부를 향하고 상기 제4대전판의 가장자리는 상부를 향하되 상기 가장자리는 서로 맞닿으며, 상기 로드에 결합되어 낙뢰를 유도하는 로드 캡이 더 구비되고, 상기 로드캡과 제1대전판은 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판 전극형 쌍극자 대전관 피뢰장치"를 특허 출원하여 등록 받은 등록특허 10-1025499호(이하 선행문헌2) 과
"고정플레이트; 상기 고정플레이트에 길이방향 일단이 결합되며 대지 전하가 대전되는 로드부재; 상기 로드부재의 길이방향을 따라 적어도 2개 이상 설치되는 애자; 이웃하는 상기 애자들 사이에 설치되며 상기 로드부재와 전기적으로 절연되고 대지 전하와 반대되는 극성이 대전되는 대전판; 상기 대전판과 애자 사이에 설치되고 상기 대전판과 전기적으로 연결되며 대지 전하와 반대되는 극성을 가진 전하가 대전되는 대전관; 및 상기 로드부재의 상단에 결합되어 낙뢰를 유도하는 로드 캡을 포함하되, 상기 로드 캡은 낙뢰 유입 면적을 크게 향상시켜 방전효율을 높일 수 있도록 상기 애자와 비교하여 상대적으로 큰 외경을 가지며, 돔 형상의 제1 캡과, 상기 제1 캡의 반경방향 외주 둘레에 결합되는 제2 캡과, 상기 제1 캡을 로드부재에 고정시키는 결합부재를 포함하고, 상기 결합부재는 결합구멍을 형성한 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 결합구멍에 결합되는 결합구로 구성되, 상기 결합구의 길이방향 외주둘레에는 다단형 걸림턱이 형성되며, 상기 로드 캡의 내측에는 상기 결합구를 수용함과 동시에 상기 걸림턱에 대응하여 결합이 이루어지는 걸림편을 형성한 체결플레이트가 형성되는 것을 특징으로 하는 쌍극자 피뢰장치"를 특허 출원하여 등록 받은 등록특허 10-1496979호(이하 문헌3) 등 다수의 관련특허를 등록받고 있으며 지속적인 연구개발을 하고 있다.
상기한 문헌2 및 3에 나타난 침상 형상의 쌍극자 피뢰 장치는 상기한 평판 대 침전극에서 일어나는 방전현상을 고려하여 접지전극이 대체적으로 침전극 형태로 된 것이다.
하나 상기와 같은 대전되는 전극에 인가되는 전압의 극성에 따라 방전의 양상이 다름으로 인하여,
동일조건, 동일이격거리에서 뇌운에 해당하는 평판전극과 본 발명자가 기 개발하였든 상기한 쌍극자 피뢰 장치사이에 동일한 파형의 전압을 증가시키면서 실험한 결과를 보면
뇌운에 해당하는 평판전극에 부전압(-)전압을 인가하고 침상형상의 쌍극자 피뢰침(본 발명자가 기 개발하였든 상기한 쌍극자 피뢰 장치)에 정전압(+) 전압을 인가한 경우 절연파괴전압 즉 전극간 섬락은 130KV 이며,
이와 반대인 뇌운에 해당하는 평판전극에 정전압(+)전압을 인가하고, 침상형상의 쌍극자 피뢰침(본 발명자가 기 개발하였든 상기한 쌍극자 피뢰 장치)에 부전압(-) 전압을 인가한 경우 절연파괴전압 즉 전극간 섬락은 90KV 임을 알 수 있어, 뇌운에 대전된 전하의 극성에 따라 섬락전압의 차이가 40 KV에 달함을 알 수 있다.
상기한 실험의 결과는 본 발명자 설정한 조건에의 실험한 결과이며 전극간거리, 시험 시 실험실 조건, 쌍극자 피뢰침의 크기에 따라 달라 질수 있는 섬락 전압으로서, 평판전극에 공급되는 전압의 극성에 따라 섬락 전압의 차이가 있음 설명하기 위한 실험으로, 상기한 실험값은 본 발명의 설명을 위하여 실험값을 제시한 것이며, 이러한 실험실에서 측정한 측정값이 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 이는 이하에서도 동일하다.
상기한 실험값을 추출하기 위한 실험 장치는 상기한 본 발명자의 등록 특허인 10-1025499호의 도6에 나타난 실험 장치를 활용한 것이어서 구체적 설명을 생략한다.
상기한 실험결과를 보면 상기한 문헌2,문헌3에 나타난 쌍극자 피뢰침을 포함하는 종래의 피뢰장치들은 뇌운에 대전되는 전하의 종류 즉 지역, 계절, 기온 등등의 요인에 의하여 뇌운의 전하의 극성이 변하는 경우 기존의 쌍극자 피뢰침은 동작특성 즉 섬락전압의 차이가 있다는 문제점을 내포하고 있고, 아울러 문헌1,문헌2에 나타난 쌍극자 피뢰침은 방전과, 대전과 접지전극 등을 적층하고 , 이들을 적층구조에 따른 제조상어려움으로 인하여 원가 상승 요인으로 작용 할 뿐 만 아니라 무거운 피뢰장치가 되어 설치, 운반, 유지보수 등에도 불편하다는 문제점이 있음을 알게 되었다.
상기와 같은 문제점을 해결 하고자
낙뢰에 의하여 지지케이블로 유입된 전류를 어느 한 지지케이블에 의하여만 대지와 형성되는 전류 경로를 다양한 전류경로가 될 수 있도록 하고,
지지케이블의 기계적 작용력을 담당하는 지지케이블을 구성하는 강철소선(피아노선등)으로 흐르는 전류를 최소화하기 위하여
강철선보다 전기저항이 월등히 낮은 나동선 또는 주석도금 동선 또는 이들을 편조한 편조동선을 지지케이블을 구성하는 강철소선의 최외각에 병행설치(이하 병가라 한다)하여
지지케이블에 흐르는 전류를 분산시키는 전류 분산용 전선을 피뢰침의 인하도선과 전기적으로 접속시킴으로서 낙뢰에 의한 지지케이블에 전류 유입시 지지케이블을 구성하는 강철소선들로의 전류흐름을 최소화 한 "낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"를 제공하고자 함이다.
더나가 사장교 주변에서 발생하는 뇌운의 전하는 지역, 계절 ,온.습도의 영향 등등에 따라 뇌운의 극성이 다르게 되고, 뇌운의 극성에 따라 뇌운 접근 시 선행 방전의 방향이 상향 이거나 하향되며 이러한 선행 방전의 특성에 따라 피뢰장치의 선행 방전 개시전압의 편차가 발생한다.
따라서 본 발명은 주탑 등에 설치하는 피뢰침을 뇌운 접근시 선행 방전을 통하여 뇌운과 대지 간에 전위를 감소시키는 쌍극자 원리를 이용한 쌍극자 피뢰침을 설치하되, 뇌운의 극성에 따른 선행방전의 개시 전압의 편차가 적은 쌍극자 피뢰침을 사용함으로서, 뇌운 극성에 따라 안정적으로 동작하는 사장교용의 낙뢰보호 장치를 제공하고 자하는 것이다.
선행문헌1:일본 등록특허 특허제 3199226호 선행문헌2:한국 등록특허 10-1025499호 선행문헌3:등록특허 10-1496979호
본 발명은 사장교의 지지케이블은 뇌운의 위치에 따라 근본적으로 낙뢰 유입경로가 될 수밖에 없는 상황에서, 지지케이블에 유입된 전류를 어느 한 지지케이블에 의하여만 대지와 형성되는 전류 경로를 다양한 전류경로가 될 수 있도록 하고,
지지케이블의 기계적 작용력을 담당하는 지지케이블을 구성하는 강철소선(피아노선등)으로 흐르는 전류를 최소화하기 위하여
강철선보다 전기저항이 월등히 낮은 나동선 또는 주석도금 동선 또는 이들을 편조한 편조동선을 지지케이블을 구성하는 강철소선의 최외각에 병행설치(이하 병가라 한다)하여
지지케이블에 흐르는 전류를 분산시키는 전류 분산용 전선을 피뢰침의 인하도선과 전기적으로 접속시킴으로서 낙뢰에 의한 지지케이블에 전류 유입 시 지지케이블을 구성하는 강철소선들로의 전류흐름을 최소화 한 "낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"를 제공하고자 함이다.
더나가 사장교 주변에서 발생하는 뇌운의 전하는 지역, 계절 ,온.습도의 영향 등등에 따라 뇌운의 극성이 다르게 되고, 뇌운의 극성에 따라 뇌운 접근 시 선행 방전의 방향이 상향 이거나 하향되며 이러한 선행 방전의 특성에 따라 피뢰장치의 선행 방전 개시전압의 편차가 발생함으로 주탑 등에 설치하는 피뢰침을 뇌운 접근시 선행 방전을 통하여 뇌운과 대지 간에 전위를 감소시키는 쌍극자 원리를 이용한 쌍극자 피뢰침을 설치하되, 뇌운의 극성에 따른 선행방전의 개시 전압의 편차가 적은 쌍극자 피뢰침을 사용함으로서, 뇌운 극성에 따라 안정적으로 동작하는 "낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"를 제공하고자 함이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치는
사장교에 설치된 피뢰침(40), 피뢰침과 대지와 전기적인 접속을 용이하게 하기 위한 접지체 (80), 피뢰침과 접지체를 연결하는 인하도선(50), 사장교의 주탑과 교량상판을 연결하는 지지케이블(30), 상기 다수의 지지케이블 중 최상부 지지케이불상에 하나이상의 다수의 절연지지체(90)로 지지되고 인하도선(50)과 피뢰침(50)의 하단에서 접속되는 지지케이블상의 보호용 낙뢰유도선(60), 지지케이블과 병설되고 지지케이블의 양끝단 부분에서 인하도선(50) 및 접지체(80)과 접속되는 지지케이블에 병설되는 전류분산용 도체(70)로 구성된 "낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"이다.
상기에서 피뢰침은
인하도선(50)과 보호용 낙뢰유도선(60) 및 전류분산용 도체(70)와 전기적으로 접속되는 금속지지체, 상기 금속지지체의 일단에 연결된 평판형 접지전극, 상기 평판형 접지전극과 이격되어 평판형 전극과 반대되는 극성으로 대전대는 금속재의 대전전극, 일단은 대전전극을 지지하고 타단은은 금속지지체 또는 평판형 접지전극을 지지하는 절연지지체로 구성되어 뇌운 접근 시 평판형 접지전극과 대전전극 사이에 방전이 발생되는 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침이며,
상기 평판형 접지전극은 원판형이고 대지전극은 원판형 접지전극의 원주의 외측에 이격되어 구비되는 링 형상의 대전전극인 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침다.
상기 링 형상의 대전전극은 금속 파이프로 된 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침이며,
상기 평판형 접지전극은 원판형이고 대전전극은 원판형 접지전극의 원주의 외측에 이격되어 동일 평면상에 구비되고, 대지전극은 금속판 또는 금속 선재 또는 금속재 파이프, 금속봉 중 어느 하나로 내부 평면 공간이 형성 된 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침인 것을 특징으로 한다.
평판형 접지전극 및 금속판 형상 으로된 대전전극은 빗물이 관통하는 우수공이 천공된 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰장침인 것을 특징으로 하며.
상기 평판형 접지전극의 끝단은 대전전극방향으로 톱니형상 또는 핀 형상의 방전 핀이 구비된 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침인 것을 특징으로 하며,
상기 평판형 접지전극의 끝단과 대전전극의 서로 마주 보는 방향으로 방전핀이 구비된 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰장침인 것을 특징으로 하며,
상기 평판형 접지전극의 외주면 하부에 링형상의 대전전극이 상하로 배치된 것을 특징으로 하는 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침인 것을 특징으로 한다.
또한 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침에서 대전전극이 금속 파이프에 의한 링 형상인 경우, 링 형상에서의 코로나 방전을 용이하게 하기 위해 금속 파이프 내부에 Na, K, Ca, Al, Pt, Cr, Mn, W, Mo, Ce, ErCl3, Nd2O3, Y2O3 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물 또는 합금인 상자성재료이거나, Fe, Ni, Co 및 이 금속들 간의 합금, 규소강, Permalloy, CrBr3, GdCl3 중 어느 하나인 강자성 재료이거나, FeO, MnO, NiO, CrSb, EuTe, MnTe, FeCl2, CoCl2, MnF2 중 어느 하나인 반강자성 재료이거나, Fe3O4, Ferrite, Y3Fe5O12인 페리자성재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자성재료를 충진 시킴으로서 자성재료가 자연환경에 노출되지 아니하고 설치된 장소의 진동에 의한 자성재료의 탈락 등에의 한 방전 특성의 변화를 최소화 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침이다.
본 발명에 따른 뇌운에 극성에 따라 뇌운에서 대지로 하향방전 하는 낙뢰(이하 하향낙뢰 라 합니다)이든, 대지에서 뇌운으로 상향 방전하는 낙뢰(이하 상향낙뢰 라 합니다) 이든 사장교에 설치된 피뢰침 또는 지지케이블을 통하여 낙뢰가 유입 된 경우 낙뢰전류(낙뢰에 의하여 유입된 전류)는 인하도선과 각각의 지지케이블에 병설된 전류분산용 도체로 분산되어 흐르게 됨으로서 지지케이블 특히 지지케이블을 이루는 강철소선의 집합체로 흐르는 전류를 최소화 시킴으로서, 지지케이블에서 발생되는 발열 즉 낙뢰전류와 강철소선의 집합체의 전기저항에 의한 주울열에 의한 지지케이블에서의 화재 또는 열에 의한 지지케이블의 기계적 강도를 저하를 방지하여 사장교의 안정성을 확보 할 수 있으며,
특히 지지케이블(30)로 유입되는 낙뢰 방지를 위하여 지지케이블(30)마다 피뢰침을 설치하고 인하도선을 각각설치 하는 것과 같은 효과를 발휘하는 것이어서 하나의 피뢰침으로 사장교 지지케이블마다 피뢰장치를 설치하는 복잡성, 시공성, 경제성이 우수한 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치"이다.
아울러 뇌운의 극성에 따라 방전개시 전압의 편차를 최소화 한 쌍극자 피뢰침을 구비함으로서 인하도선과 전류 분산용 도체에 흐르는 전류 크기의 편차가 최소화됨으로서 사장교량의 피뢰설비 설계 시 인하도선과 전류 분산용 도체의 용량 선정을 용이하게 할 수 있다.
또한 뇌운 접근시 선행 방전을 통하여 뇌운과 대지 간에 전위를 감소시키는 쌍극자 원리를 이용한 쌍극자 피뢰침을 설치하되, 뇌운의 극성에 따른 선행방전의 개시 전압의 편차가 적은 쌍극자 피뢰침을 사용함으로서, 뇌운 극성에 따라 안정적으로 동작한다는 이점이 있다.
도 1은 사장교의 일반적 구조
도2는 본 발명에 따른 지지케이블 전류 분산용 인하도선이 연결된 낙뢰보호용 사장교 구조도
도3은 본 발명에 따른 지지케이블 전류 분산용 인하도선이 접지체에 연결구 구조 도
도4는 본 발명에 따른 전류 분산용 인하도선이 병설된 지지케이블 단면도
도 5는 평판 대 침전극에서 평판전극에 (+) 전압을 인가하고 침전극 접지한 경우 방전 양상을 나타낸 도면
도 6는 평판 대 침전극에서 평판전극에 (-) 전압을 인가하고 침전극 접지한 경우 방전 양상을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침
도10은 본 발명의 자성재료를 내장한 평판형 접지 전극의 단면도
이하, 도 1 내지 도10를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치는
사장교의 지지케이블은 뇌운의 위치에 따라 근본적으로 낙뢰 유입경로가 될 수밖에 없는 상황에서, 지지케이블로 유입된 낙뢰에 의하여 유입된 전류를 어느 한 지지케이블에 의하여만 대지와 형성되는 전류 경로를 다양한 전류경로가 될 수 있도록 하고, 지지케이블의 기계적 작용력을 담당하는 지지케이블을 구성하는 강철소선(피아노선등)으로 흐르는 전류를 최소화하기 위하여
도2에 나타난 바와 같이 사장교에 설치된 피뢰침(40), 피뢰침과 대지와 전기적인 접속을 용이하게 하기 위한 접지체 (80), 피뢰침과 접지체를 연결하는 인하도선(50), 사장교의 주탑과 교량상판을 연결하는 지지케이블(30), 상기 다수의 지지케이블 중 최상부 지지케이불상에 하나이상의 다수의 절연지지체(90)로 지지되고 인하도선(50)과 피뢰침(50)의 하단에서 접속되는 지지케이블상의 보호용 낙뢰유도선(60), 지지케이블과 병설되고 지지케이블의 양끝단 부분에서 인하도선(50) 및 접지체(80)과 접속되는 지지케이블에 병설되는 전류분산용 도체(70)로 구성된 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치이다.
본 발명의 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치가 설치 된 사장교 주변에 뇌운이 형성 된 경우 뇌운과의 거리에 따라 또는 뇌운의 극성에 따라,
뇌운과 피뢰침(40) 또는 뇌운과 낙뢰유도선(60) 또는 뇌운과 지지케이블(30)사이에 후술하는 도5 또는 도6에 도시한 형태의 선행방전이 개시되고, 뇌운 과의 거리 또는 습도등의 상태등의 섬락 조건이 성립되는 상향 또는 하향되는 섬락이 발생하게 되고, 이로 인하여 낙뢰에 의한 유입 전류가 인하도선(50), 또는 지지케이블(30)의 강철소선(30-1)의 집합체 와 전류분산용도체(70) 또는 낙뢰유도선(60)흐르게 된다.
통상적으로는 사장교 주탑등에 설치된 피뢰침(40)과 뇌운이 섬락하게 되며, 인하도선을 통하여 낙뢰에 의한 유입전류가 대부분 흐르게 되고, 일부 분산되어 강철소선(30-1)의 집합체 와 전류분산용도체(70)를 통하여 흐르게 됨으로 강철소선(30-1)에서의 발열은 미미하게 된다.
사장교의 특성상 뇌운이 피뢰침(40)보다 낙뢰유도선(60)에 더 근접하여 낙뢰유도선(60)과 뇌운이 섬락하는 경우가 발생하게 되며, 이때에는 낙뢰유도선(60)이 피뢰침(40)의 하단에 인하도선(50)과 연결되어 대부분의 유입전류가 인하도선(50)으로 흐르게 되고 상대적으로 전기저항이 큰 지지케이블(30)의 강철소선(30-1)의 집합체로는 흐르게 되지 아니하고 설령 유입된다 하여도 철소선(30-1)과 전기적으로 접속되면서 병설된 전류분산용도체(70)로 흐르게 되어
강철소선(30-1)에서의 발열은 미미하게 된다.
또한 사장교의 구조적 특징을 보면 사장교의 교량상판(20)과 주탑(10)을 연결하는 지지케이블(30)은 금속제로된 연결되게 됨으로 일단이 교량상판(20)과 일정 저항값을 가진 접지 상태이고, 주탑(10)과의 연결부는 뇌운을 향하는 돌침과 같은 구조여서 지지케이블(30)이 돌침과 연결된 인하도선과 같은 역할을 하는 피뢰장치와 같은 역할을 하게 된다.
이와 감은 상태에서 상기한 피뢰침(40) 또는 낙뢰유도선(60)보다 주탑(10)을고 연결되는 지지케이블(30)의 접속부가 뇌운에 더 접근되어 낙뢰가 유입된 경우 지지케이블(30)은 인하도성이 되어 낙뢰에 의한 유입전류가 모두 지지케이블(30)의 강철소선(30-1)로 흐르게 되어 강철소선(30-1)을 발열하게 될수 있고,
지지케이블(30)의 접속부의 전기적 접속불량 , 또는 접촉저항이 큰 경우 직렬아크가 발생하여 지지케이블(30)의 단선을 유발 할 수 있다.
하나 본 발명과 같이 지지케이블(30)의 의 구조를 도전성이 우수한 나동선 또는 주석도금 동선, 소선을 편조하거나 연합한 도체로 이루어진 전류분산용도체(70)을 도3에 나타난 바와 같이 강철 소선(30-1)에 병설하여 집합시켜 일체로한 지지케이블(30)을 구성하고, 도4에 도시한 바와 같이 지지케이블(30)을 주탑(10) 과 접속하는 접속부와 교량 상판(20)을 접속하는 접속부 전단에서 인출하여 각각을 인하도선(50) 및 접지체(80)에 전기적으로 접속됨으로 인하여,
지지케이블(30)에 유입된 낙뢰 전류가 전류분산용도체(70)를 통하여 흐르게 되고 더나가 낙뢰가 유입되지 아니한 전류분산용도체(70)등으로 분산되어 흐르게 되어, 지지케이블(70)이 낙뢰전류에 의한 손상을 방지 할 수 있다.
더나가 지지케이블(30)의 주탑과 연결된 접속부는 전기적으로 전류분산용도체(70)와 인하도선(50) 및 후술하는 쌍극자 피뢰침(40)과 전기적으로 연결됨에 따라 실질적으로 쌍극자피뢰침이 지지케이블(30)의 주탑 과 연결된 접속부에 설치된 것 과 같은 것이 된다.
또한 지지케이블(30)로 유입되는 낙뢰 방지를 위하여 지지케이블(30)마다 피뢰침을 설치하고 인하도선을 각각설치 하는 것과 같은 효과를 발휘하는 것이어서 하나의 피뢰침으로 사장교 지지케이블마다 피뢰장치를 설치하는 복잡성, 시공성, 경제성이 우수한 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치이다.
상기에서 전류분산용도체(70)가 지지케이블(30)을 구성하는 강철소선(30-1)과 집합시킨 구조의 지지케이블(30)을 도4를 예시적으로 제시하였으며 이는 지지케이블(30)을 생산단계에서 생산한 경우를 예시적으로 제시한 것이다.
기 사용중인 전류분산용 도체(70)가 지지케이블(30)에 일체로 연합되지 아니한 지지케이블(30)인 경우에는 상기한 지지케이블상의 보호용 낙뢰 유도선(60)을 설치하듯이 지지 케이블상에 도전성이 우수한 나동선, 주석도금선, 이들을 편조하거나 연합한 도체를 지지케이블(30)을 보호하는 보호 피복(30- 2)상에 설치하여 상기 전류분산용도체(70)를 접속하는 방법과 동일하게 전기적으로 접속하여 시공 할 수 있다.
또한 지지케이블(30)을 보호하는 보호 피복(30- 2)을 강철소선보다 도전률이 높은 금속으로 하고 이를 상기한 전류분산용도체(70)를 접속하는 방법과 동일하게 전기적으로 접속하여 시공 할 수 있다.
지지케이블상의 보호용 낙뢰유도선(60)을 설치방법은 본 발명에서 제시된 선행문허1등에 나타난 공지된 기술을 활용하여 지지 할 수 있는 정도이면 되는 것이어서 구체적 설명을 생략 한다.
본 발명에서 사용되는 피로침은 쌍극자피뢰 침으로서 도7내지 도10을 통하여 구체적으로 설명 하고자 한다.
본발명에서 활용되는 쌍끄자 피뢰침의 실시예에 따른 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침은 고정플레이트(도시하지 아니함) 또는 건물의 외부에 지지부(도시하지 아니함)에 일단이 결합되거나 고정되며 전선 등을 통하여 도시하지 아니한 대지에 매설된 접지체 등에 전기적으로 연결된 금속지지체(300)와
금속지지체(300)에 나사결합 또는 용점 등의 기계적 결합에 의하여 결합되고 전기적으로 연결된 금속재질의 평판형 접지전극(100)과
뇌운 접근 시 평판형 접지전극(100과 반대극성으로 대전되는 금속선, 금속 파이프, 금속 판, 금속 봉 등으로 만들어진 내부 평면 공간이 형성된 대전전극(200)과
대전전극(200)을 평판형 접지전극(100)과 일정거리 이격되게 고정하여 즉 뇌운접근 시 대전전극(200)과 접지전극(100)사이에 방전이 일어 날수 있도록 간극을 유지하도록 하는 대전전극(200)과 접지전극(100) 또는 대전전극(200)과 금속지지체(300)사이를 연결하도 전기적으로 절연될 수 있도록 하는 절연재질로 이루어진 절연지지체(400)로 구성된 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침이다.
상기에서 내부 평면 공간이라 함은 대전전극(200)이 금속선, 금속면, 금속봉, 금속 파이프 등에 의하여 폐쇄된 루프를 형성한 내부 공간을 의미하며, 본 발명에서는 링 형상(도우넛 형상)을 도시하고 이를 중심으로 설명하고 있으나,
본 발명이 이에 한정 되지 아니한다. 즉 본 발명의 실시자가 필요에 따라 형상변경 가능 한 것이다.
먼저, 상기 평판형 접지전극(100)은 상기한바와 같이 금속지지체(300)의 일단에 나사결합 되거나 용접되어 전기적으로 연결된 상태이고, 궁극적으로 대지에 접지된 상태이며, 뇌운의 접근시 뇌운과 대지간의 대향전극 역할을 하는 전극이며 ,이는 평판형상의 원판 형태이다.
대전전극(200)과의 방전 효과를 극대화시키기 위하여 원주면 일부, 또는 전부 가공하여 톱니형상으로 하거나 핀 형상 (원형 톱형상)으로 가공한 원주상에 형성된 대전전극방향(200)으로 향하는 방전핀(110)을 더 구비 할 수 있는 평판형 접지 전극(110)이다.
상기에서 본 발명의 설명의 편의를 위하여 접지전극을 평판형 원판이라 하였으나 이에 한정하지 아니하며 뇌운 방향으로 평면을 유지 하면서 상기한 대전전극의 형상에 대응되는 다양한 모양으로 변경 될 수 있음은 자명하다 할 것이다.
또한 평판형 접지전극(100)이 평판 형상임으로 빗물 등이 배수 될 수 있는 우수공(120)을 구비 할 수 있다.
또한 평판형 접지전극(100)에는 뇌운 접근하여 뇌운과 섬락이 되기 전까지, 평판형 접지전극(100)과 대전전극(200)사이에서 상기한 종래의 기술 등에서 설명된 본 분야의 공지된 쌍극자 원리에 의한 방전이 발생 할 수 있도록 일정간격 이격된 대전전극(200)을 지지하는 전극간지지절연체(410)가 구비 되어 있다.
여기서 전극간지지절연체(410)는 지지부위를 달리하여 별도의 명칭을 부여 하였으나 실질적으로 지지 부위만 다를 뿐 절연지지체 (400)와 동일한 기능을 하는 것이다.
따라서 본 발명에서 전극간지지절연체(410)는 절연지지체(400)에 포함되는 한 종류에 해당하는 것이다.
본 발명에서 설명의 편의를 위하여 도1에 나타난바와 같이 접지전극(100)과 대전전극(200)을 전극간지지절연체(410)로 연결 지지하는 구조를 제1실시예 라 한다.
전극간지지절연체(410)는 상기한 절연지지체(400)와 동일한 기능과 재질로 이루어지며 전극간지지절연체(410)는 도시하지 아니하나 나사 또는 클립구조의 연결부가 구비되어 평판형 접지전극(100)과 대전전극(200)을 고정지지 한다.
전극간지지절연체(410)는 본 분야에서 관용적으로 활용되는 절연애자를 활용 할 수 있으며, 연면 절연거리 확보를 위하여 표면을 물결형상(파형형상이라고도 한다)의 요철구조를 구비 할 수 있다.
대전전극(200)역시 평판형 접지전극(100)과 같은 재질의 금속재를 사용 할 수 있으며
금속 파이프, 금속선, 금속 봉, 금속 판을 이용하여 링 형상(도우넛 형태)으로 가공된 것이며, 이 링 형상의 내부 공간에는 일정간격 이격된 평판형 접지전극(100)이 배치된 구조를 기본으로 하고 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 설명을 위하여 대전전극(200)을 도우넛 형태를 기본으로 하여 설명하고 있으나 이에 한정되지 아니함을 다시 한 번 밝혀둔다.
이 역시 평판형 접지전극(100)방향으로 방전을 용이하게 하기 위하여 방전핀을 구비 할 수 있으며, 상기에서는 설명한 바와 같이 평판형 접지전극(100)과 동일 편면 상에서 전극간지지절연체(410)로 결합 될 수 있으며, 제2 실시예인 도2에 나타난 바와 같이 금속지지체(300)에 결합되는 절연지지체(400)에 의하여 지지 될 수 있다.
대전전극(200)과 금속지지체(300)를 지지 결합하는 절연지지체(400)는 본 분야에서 관용적으로 활용되는 절연애자를 활용 할 수 있으며, 우수 시 연면 절연거리 확보를 위하여 표면을 물결형상(파형형상이라고도 한)의 요철구조를 구비 할 수 있다.
상기에서는 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)을 동일평면상에 수평 배치하되 도우넛 형상의 대전전극(200)내부 평판형 접지전극(100을 배치하여
뇌운 접근시 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)사이에 방전이 발생하는 구조의 쌍극자 피뢰침에 대하여 설명 하였으나, 눈이 많이 오는 지역에서는 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)사이에 적설에 의한 전기적 도통이 발생하는 경우 본 발명의 고유 기능인 쌍극자에 의한 방전이 발생하지 못하는 경우가 발생 한다.
이에 대비하여 상기한 수평배치구조의 본 발명(제1 및 제2실시예)과 동작 원리는 동일하나 평판형 접지전극(100)을 대전전극(200) 상부에 배치하는 구조의 제3 실시예를 도3을 활용하여 설명한다.
도3에 나타난 바를 보면
대전전극(200)과 금속지지체(300)를 상기한 절연지지체(400)에 의하여 지지결합하며 평판형 접지전극(100)이 원주면 하단의 일부가 대전전극(200)을 형성하는 링 상부만을 덮는 구조이며 이를 부연설명하면 대전전극(200)은 평판형 접지전극(100)의 가장자리 하부에 이격되어 일부 중첩되게 함으로서, 눈이 내리는 경우에도 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)사이에 절연상태를 유지 할 수 있어 쌍극자에 의한 방전에 방해 받지 아니한 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침을 구현 할 수 있다.
더나가 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)사이에 방전을 용이하게 하기 위하여 상기한 상하로 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)마주 보는 부분에 방전핀 (110)을 더 구비 할 수 있다.
이 경우 평판형 접지전극(100)의 우수공(120)은 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)이 겹쳐지는 부분에는 설치하지 아니한다.
상기한 1,2,3실시예 모두에서 방전핀은 대전전극(200)과 평판형 접지전극(100)마주 보는 부분에 설치되며, 어느 한쪽에만 설치 또 양쪽모두 설치 할 있으며, 양쪽모두에 설치하는 경우 빗살(110)처럼 서로 일정간격 두고 교차되게 설치 할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예인 제4 실시예는 도시 하지 아니하나,
대전전극(200)이 금속 파이프에 의한 링 형상인 경우,
링 형상에서의 코로나 방전을 용이하게 하기 위해 금속 파이프 내부에 Na, K, Ca, Al, Pt, Cr, Mn, W, Mo, Ce, ErCl3, Nd2O3, Y2O3 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물 또는 합금인 상자성재료이거나, Fe, Ni, Co 및 이 금속들 간의 합금, 규소강, Permalloy, CrBr3, GdCl3 중 어느 하나인 강자성 재료이거나, FeO, MnO, NiO, CrSb, EuTe, MnTe, FeCl2, CoCl2, MnF2 중 어느 하나인 반강자성 재료이거나, Fe3O4, Ferrite, Y3Fe5O12 인 페리자성재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자성재료를 충진 시킴으로서 자성재료가 자연환경에 노출되지 아니하고 설치된 장소의 진동에 의한 자성재료의 탈락 등에의 한 방전 특성의 변화를 최소화 하면서,
평판형 접지전극(100)과 대전전극(200)사이에 방전이 개시된 이후에는 방전전류를 종래의 쌍극자 피뢰 장치에 비하여 증가시킨 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침을 구현 할 수 있으며, 이는 기존의 쌍극자 피뢰침에 자성물질을 코팅하여 방전 전류를 증가시키는 쌍극자 피뢰침에서 진동 등에 의항 자성재료의 탈락, 자연노출에 다른 산화 등으로 인한 방전 특성변화를 본 발명에 따른 대전전극(200)이 금속 파이프로 되어 있고 이 파이프 내부에 자성 재료를 충진 함으로서 실현 될 수 있는 것이다. 쌍극자 피뢰침에서 자성물질에 의한 내부 분극현상 극대화로 방전전류를 증가시키는 사실은 본 발명자가 등록 받은 한국등록 특허 10-1512025에 개시된바 있어 설명을 생략한다.
상기 제1 및 제4 실시예 에서 평판형 접지전극(100)은 도4에 나타난 바와 같이 전기적으로 연결된 두 개의 금속판사이에 자성재료를 내장한 구조로 할 수 있으며, 이로 인한 작용과정 및 작용효과는 상기한 대전전극(200)이 금속 파이프에 의한 링 형상인 경우에 자성물질을 내장시킨 경우와 동일하며, 자성재료의 종류 역시 동일하여 구체적인 설명을 생략하며, 자성재료의 두께 및 내장방법은 한국등록 특허 10-1512025에 나타난 기술을 활용하는 것이어서 구체적 설명을 생략한다.
또한 본 발명에서 뇌운의 접근 시 접지전극과 접지전극과는 반대 극성으로 대전되는 대전전극 사이에 방전이 발생하는 쌍극자원리에 의한 방전이 발생된다는 사실과 방전 발생이 섬락전압에 영향을 미치는 사실 등 본 발명에서 활용되는 쌍극자를 채용한 피뢰장치의 동작은 상기한 특허문헌 등에 나타나 원리와 동일하여 생략한다.
상기한 본 발명의 판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침을 본 발명자의 등록 특허인 10-1025499호의 도6에 나타난 실험 장치를 활용하여,
뇌운에 해당하는 평판전극에 부전압(-)전압을 인가하고 본 발명의 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침에 정전압(+) 전압을 인가(대지에 접속)한 경우 절연파괴전압 즉 전극간 섬락은 170KV이며,
이와 반대인 뇌운에 해당하는 평판전극에 정전압(+)전압을 인가하고, 본 발명의 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침에 부전압(-) 전압을 인가(대지에 접속)한 경우 절연파괴전압 즉 전극 간 섬락은 150KV 임을 알 수 있다. 즉 본 발명의 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침은 뇌운의 극성에 다른 편차가 20 KV 임을 알 수 있다.
상기한 실험결과를 보면 본 발명의 평판형 접지전극을 구비한 쌍극자 피뢰침은 뇌운에 극성변화에 따라 기존의 쌍극자 피뢰침에 비하여 섬락전압의 편차가 50%이상 감소하는 효과가 있음을 알 수 있다.
아울러 문헌1,문헌2에 나타난 쌍극자 피뢰침은 방전관, 대전판, 접지전극 등을 적층하고 , 이들을 적층하여 쌍극자에 의한 방전이 발생하도록 하기 위하여,
로드부재의 길이방향을 따라 적어도 2개 이상 설치되는 애자, 이웃하는 상기 애자들 사이에 설치되며 상기 로드부재와 전기적으로 절연되고 대지 전하와 반대되는 극성이 대전되는 대전판, 대전판과 애자 사이에 설치되고 상기 대전판과 전기적으로 연결되며 대지 전하와 반대되는 극성을 가진 전하가 대전되는 대전관, 로드부재의 상단에 결합되어 낙뢰를 유도하는 로드 캡, 상기 로드 캡은 낙뢰 유입 면적을 크게 향상시켜 방전효율을 높일 수 있도록 상기 애자와 비교하여 상대적으로 큰 외경을 가지며, 돔 형상의 제1 캡과 상기 제1 캡의 반경방향 외주 둘레에 결합되는 제2 캡과 상기 제1 캡을 로드부재에 고정시키는 결합부재를 포함하는 등 다양한 부품과 대전관, 애자, 대전판 등을 로드부제에 결합하여야 하는 복잡한 조립구조를 가지고 있으나,
본 발명은 상기한바와 같이 금속지지체(300), 평판형 접지전극(100), 대전전극(200), 절연지지체(400)로 구성됨으로서 부품수가 현저히 감소하고, 피뢰장치의 전체 중량이 약 5~7kg 감소하며 조립이 극히 용이함을 알 수 있다.
10: 주탑 20:교량상판
30:지지케이블 40: 피뢰침
50:인하도선 60: 지지케이블상의 보호용 낙뢰유도선
70, 70-1,70-2,: 지지케이블에 병설되는 전류분산용 도체
80:접지체 90; 절연지지체
30-1: 지지케이블을 이루는 강철소선
30-2: 지지케이블을 보호하는 보호 피복
100: 평판형 접지전극 110: 방전핀
120: 우수공 200: 대전전극
300: 금속지지체 400: 절연지지체
410: 전극간지지절연체

Claims (9)

  1. 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치에 있어서,
    사장교에 설치된 피뢰침(40), 피뢰침과 대지와 전기적인 접속을 용이하게 하기 위한 접지체(80), 피뢰침(40)과 접지체(80)를 연결하는 인하도선(50), 사장교의 주탑(10)과 교량상판(20)을 연결하는 지지케이블(30), 상기 다수의 지지케이블 중 최상부 지지케이불 상에 하나 이상의 다수의 절연지지체(90)로 지지되고, 인하도선(50)과 피뢰침(40)의 하단에서 접속되는 보호용 낙뢰유도선(60), 지지케이블과 병설되고 지지케이블의 양끝단 부분에서 인하도선(50) 및 접지체(80)와 접속되는 전류분산용 도체(70)로 구성된 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    피뢰침(40)은,
    지지부에 일단이 결합되거나 고정되며 대지에 전기적으로 연결된 금속지지체(300)와,
    금속지지체(300)에 기계적 결합에 의하여 결합되고 전기적으로 연결된 평판형 접지전극(100)과,
    뇌운 접근 시 평판형 접지전극(100과 반대극성으로 대전되는 금속선 또는 금속 파이프 또는 금속 판 또는 금속 봉 중 어느 하나로 만들어진 내부 평면 공간을 형성한 대전전극(200)과,
    뇌운접근 시 대전전극(200)과 접지전극(100)사이에 방전이 일어 날수 있도록 간극을 유지하면서 대전전극(200)과 접지전극(100) 또는 대전전극(200)과 금속지지체(300)를 지지하고 전기적으로 절연될 수 있도록 하는 절연재질로 이루어진 절연지지체(400)로 구성되며,
    상기한 대전전극(200)의 내부 평면 공간에 접지전극(100)이 배치되며, 대전전극(200)과 접지전극(100)이 동일 평면상에 구비된 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    피뢰침(40)은,
    지지부에 일단이 결합되거나 고정되며 대지에 전기적으로 연결된 금속지지체(300)와,
    금속지지체(300)에 기계적 결합에 의하여 결합되고 전기적으로 연결된 평판형 접지전극(100)과,
    뇌운 접근 시 평판형 접지전극(100)과 반대극성으로 대전대는 금속선재 또는 금속 파이프, 또는 금속판 또는 금속봉 중 어느 하나로 만들어진 내부 평면 공간을 형성한 대전전극(200)과,
    뇌운접근 시 대전전극(200)과 접지전극(100)사이에 방전이 일어 날수 있도록 간극을 유지하면서 대전전극(200)과 금속지지체(300)를 지지하고 전기적으로 절연 될 수 있도록 하는 절연재질로 이루어진 절연지지체(400)로 구성되며,
    상기한 대전전극(200)은 평판형 접지전극(100)의 가장자리 하부에 일부 중첩되게 배치되어 평판형 접지전극(100)과 대전전극(200)이 뇌운 접근 시 방전이 발생 될 수 있도록 상하로 대향되면서 이격된 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    평판형 접지전극(100)에 우수 시 빗물이 관통하는 우수공이 구비된 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    절연지지체(400)는 연면거리 확보를 위하여 요철부 또는 굴곡부를 형성한 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    평판형 접지전극(100)은 원판이며 대전전극(200)은 원형 링(도우넛 형상)상인 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    대전전극(200)은 금속 파이프이며, 금속 파이프 내부에는 Na, K, Ca, Al, Pt, Cr, Mn, W, Mo, Ce, ErCl3, Nd2O3, Y2O3 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물 또는 합금인 상자성재료이거나, Fe, Ni, Co 및 이 금속들 간의 합금, 규소강, Permalloy, CrBr3, GdCl3 중 어느 하나인 강자성 재료이거나, FeO, MnO, NiO, CrSb, EuTe, MnTe, FeCl2, CoCl2, MnF2 중 어느 하나인 반강자성 재료이거나, Fe3O4, Ferrite, Y3Fe5O12인 페리자성재료 중 어느 하나가 들어간 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    접지전극(100)은 전기적으로 연결된 두 개의 금속판사이에 Na, K, Ca, Al, Pt, Cr, Mn, W, Mo, Ce, ErCl3, Nd2O3, Y2O3 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물 또는 합금인 상자성재료이거나, Fe, Ni, Co 및 이 금속들 간의 합금, 규소강, Permalloy, CrBr3, GdCl3 중 어느 하나인 강자성 재료이거나, FeO, MnO, NiO, CrSb, EuTe, MnTe, FeCl2, CoCl2, MnF2 중 어느 하나인 반강자성 재료이거나, Fe3O4, Ferrite, Y3Fe5O12인 페리자성재료 중 어느 하나가 들어간 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    대전전극(200)과 접지전극(100)이 대향되는 면에는 뇌운 접근 시 방전이 용이하도록 방전핀(110)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 낙뢰 전류를 분산하는 사장교의 낙뢰 보호 장치.
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