KR101936103B1 - 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치 - Google Patents

의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙뢰 또는 EMP에 의한 PCI(Pulse current injection) 전기적 충격에 의해 전기 선로 혹은 통신 선로에 유도된 고 전압과 고 전류를 제거하여 전기장비, 전자장비, 통신장비 등을 안전하게 보호하고자 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 모든 전기용품에 대해 낙뢰 서지와 PCI에너지에 의한 피해예방 능력을 크게 향상시킬 수 있으므로 전기장비, 전자장비, 통신장비의 생존성을 보장하여 자연 재해 감소는 물론, 고객의 요구에 부응하고 전기통신 및 가전산업의 안전성 확보에 크게 기여할 수 있는 기초를 마련할 수 있게 된다.

Description

의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치{Dual Class SURGE and EMP Protector}
본 발명은 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙뢰 또는 EMP에 의한 PCI(Pulse current injection) 전기적 충격에 의해 전기 선로 혹은 통신 선로에 유도된 고 전압과 고 전류를 제거하여 전기장비, 전자장비, 통신장비 등을 안전하게 보호하고자 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명인 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치는 좁은 공간 내에 수전반, 분전반, 부하기기가 설치되거나 공간의 제약을 받는 선박이나 해상장비 등의 환경에서 더욱 유용하게 사용될 수 있다.
낙뢰 등에 의해 갑자기 고 전류, 고 전압이 발생하기도 하는데, 이때, 전력 계통의 전원선, 통신선, 신호선, 랜선 등의 도체 선로(Line)를 따라 고 전류, 고 전압이 전달된다.
이러한 과도 이상 전압을 서지(Surge) 전압이라고 한다.
구체적으로 설명하면, 자연적인 현상에서 천둥은 소리에너지와 번개는 빛에너지로 소멸되지만, 상당한 에너지는 전자기파(뇌파)가 되어 공기 중으로 전파된다.
이렇게 전파되어 날아온 뇌파는 각종 전기기기, 전자기기, 통신기기에 필수적인 전기선 또는 통신선 등 선로에 이르면 플레밍의 오른손 법칙에 의거하여 유도현상이 일어나고, 이때, 유도된 에너지를 뇌서지라고 한다.
상기한 뇌서지는 KS C IEC60060 등 KS 규격에서 정의하며, 1.2 us에 이르는 빠른 상승 시간을 가지며, 천천히 하강하면서 소멸되는데, 그 반치 시간을 50 us로 규정하고, Surge 발생원에 대한 내부 저항을 2Ω으로 규정하고 있어 IEEE C62.41 규정에 따르면 통상 20kV 수준의 높은 고 전압과 10 kA에 달하는 높은 고 전류를 가지는 특징을 가지며 국내에서는 KS C IEC61643-11 규격으로 제정하고 KS인증 제도를 시행하고 있다.
PCI(Pulse current injection)는 MIL-STD-188-125-1 규격에서 정의하며, 대표적인 단펄스의 경우 20 ns에 이르는 더 빠른 상승 시간을 가지며, 천천히 하강하면서 소멸되는데, 그 반치 시간을 500 ns로 규정하고 전원선의 경우, PCI 발생원에 대한 내부저항을 20 Ω으로 규정하고, 통신 선로의 경우, PCI 발생원에 대한 내부저항을 100 Ω으로 규정하고 있어 동 규정상 50 kV의 높은 고 전압과 최대 2500 A의 높은 고 전류를 가지는 특징이 있다.
부연 설명하자면, 자연적인 현상에서 낙뢰와 이로 인한 Surge, 전자기폭탄 또는 핵폭발 때 발생되는 전자기파 즉, EMP가 선로에 유도되면 PCI(Pulse Current Injection)로 유도되는 바, 이러한 고주파 펄스 에너지는 전기 장치 혹은 통신 장치에 치명적인 고장을 유발하게 되어 미군에서는 MIL-STD-188-125-1 등에 규격화되어 있다.
그런데, 상기한 규격의 시험 설비를 참고하여 Surge나 PCI 에너지를 전자분야 엔지니어 입장에서 단순화하여 보면 캐패시터에 충전된 에너지를 방전하면서 일정한 모양의 파형을 형성하기 위한 일정 시간에 맞추어 방전한 것이고, 그 방전된 에너지가 전기 선로 혹은 통신 선로를 통해 장비에 유입되면 장비가 고장나는 원리일 뿐이다.
이때, 본 발명에서는 서지보호장치 즉 SPD(Surge protective Device)를 기준으로 설명하되 EMP에 의한 PCI Protector도 같은 원리를 적용하게 된다.
그리고, SPD에 대한 KS 표준인 KS C IEC61643-11과 KS C IEC60634-5-53 규격을 보면 SPD는 낙뢰 노출 등급에 따라 Class1, Class2, Class3로 구분한다.
상기 Class1은 낙뢰 노출 정도가 심한 수전부, Class2는 Class1 보다는 정도가 낮은 분전반, Class3은 각종 전기, 전자 제품을 보호하기 위한 것으로서, 상기한 3단계 보호 방법이 표준화되어 있고, 각각의 SPD 유효 보호범위는 10 m로 규정하고 있다.
이를 참조하면, Class1 SPD가 설치된 상황에서 Class2 SPD는 약 10m의 선로거리를 두고 설치해야 한다는 것이다.
왜냐하면, 선로 임피던스를 감안한 것으로 통상 전기선의 굵기에 다르지만, 약 1 uH의 리액턴스와 일정량의 저항을 포함하고 있다.
따라서, 10 m 길이의 선로는 약 10 uH의 리액턴스를 가지며, xL = 2pie * F * L에, 낙뢰의 주파수 20 kHz ~ 20 MHz 중 중심주파수 1 MHz를 대입하여 그 고주파에 대한 저항성분을 구하면, 2 * 3.14 * 1 * 106 * 10-5 = 62.8 Ω이 되는바, 이때, 낙뢰 전류가 3 kA라면 불과 10m에서 일어날 수 있는 전압강하는 62.8 * 3,000 = 188.4 kV나 될 수 있기 때문에 낙뢰 피해 예방을 위한 SPD에 있어 상기한 Class 등급별 선로 거리, 즉, 임피던스는 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
또한, PCI성분이라면 50 MHz를 기준으로, 2 * 3.14 * 50 * 106 * 10-5 = 3,140 Ω으로 큰 저항이 된다.
그러나, 상기 10 uH의 리액턴스는 직류에 대하여 0에 가까우며, 60 Hz라 하더라도 약 3.8 mΩ 수준의 교류 저항 성분밖에 되지 않는다.
단, 상기 도체가 가지는 고유 저항은 3.0 mm 도선이면 2.489 mΩ 수준이므로 무시해도 무방하다.
종래 기술에 따른 KS 규격에서는 50kA(10/350 us) Class1 SPD는 용량이 매우 크지만, 보호레벨이 4 kV인데 반해, 50kA(8/20us) Class2 SPD는 Class1의 SPD 용량의 1/20에 불과하지만, 보호 레벨이 2.5 kV로 규정하여 두 SPD를 함께 설치하게 되면 Class2 SPD가 대부분의 서지 에너지를 흡수하게 되고, 그러다 보면 용량이 작은 Class2 SPD는 고장으로 이어질 수밖에 없었다.
더욱이, Class3 SPD는 최대용량이 10kA(8/20us, 순간적으로 유입되는 급 과도 전류)에 불과하며, 제한전압이 1.5 kV로 상대적으로 매우 낮기 때문에 상기한 Class1 혹은 Class2 SPD와 함께 설치한다면 모든 Surge 전류는 Class3 SPD로 집중되어 파괴될 것은 자명한 사실이다.
그런데, 현장에 SPD를 설치하고자 할 때, 상기한 KS 규격에 따른 3단계 설치방법, 즉, 수전반에는 Class1, 분전반은 Class2, 장비보호용으로 Class3를 구분하기 어려운 경우가 허다한 실정이다.
실례로서, 상수도 가압장의 경우 불과 10 m2 의 작은 콘크리트 함체 내에 장비가 집결되어 있어 수전반, 분전반, 장비용 전원 구분조차 없는 경우가 대부분이어서, 규정대로 Class1, Class2, Class3을 구분하는 3단계 보호 규정을 따를 수가 없는 문제점이 발생하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 낙뢰 또는 EMP에 의한 PCI(Pulse current injection) 전기적 충격에 의해 전기 선로 혹은 통신 선로에 유도된 고 전압과 고 전류를 제거하여 전기장비, 전자장비, 통신장비 등을 안전하게 보호하고자 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치를 제공하고자 한다.
(선행문헌) 대한민국 등록특허 10-0817485호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 하나의 SPD에 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치를 구성함으로써, 낙뢰 또는 EMP에 의한 PCI(Pulse current injection) 전기적 충격에 의해 전기 선로 혹은 통신 선로에 유도된 고 전압과 고 전류를 제거하여 전기장비, 전자장비, 통신장비 등을 안전하게 보호하고자 하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 자체 캐패시터 성분으로 형성되는 입력보호부용캐패시터(xC1)로 구성되는 입력보호부(100), 리액턴스로 형성되는 의사선로부용리액터(L1, L2)로 구성되는 의사선로부(200), 자체 캐패시터 성분으로 형성되는 제1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3)로 구성되는 EMP보호용반도체부(300)를 이용하여 노이즈 필터를 구성함으로써, 노이즈 필터를 겸하는 서지 및 전자기펄스 보호장치를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치는,
2개의 입력 선로(L, N)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력 선로로 유입되는 서지 및 전자기펄스로부터 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하기 위한 입력보호부(100)와;
2개의 입력 선로(L, N)와 2개의 출력 선로(L', N') 사이에 리액터(L1, L2)로 구성되는 의사선로부(200)와;
상기 의사선로부(200)의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력보호부(100)를 통해 보호된 후, 발생된 잔류 전압을 다시 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하기 위한 EMP보호용반도체부(300);를 포함하여 구성되되,
상기 의사선로부(200)는,
의사선로부(200)의 2개의 입력 선로(A, B)는 상기 2개의 입력 선로(L, N)에 접속되어 상기 입력보호부(100)에 병렬로 접속되고, 의사선로부(200)의 2개의 출력 선로(C, D)는 EMP보호용반도체부(300)의 입력단과 출력 선로(L', N')에 각각 접속되어, 주전원이 입력 선로(L, N)로 공급될 경우에 클래스1(등급1)와 클래스2(등급2) 중 어느 하나의 클래스에 대하여 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치를 통해, 전기선로 혹은 통신 선로에 유도된 높은 고 전압과 높은 고 전류를 가지는 뇌서지와 EMP에 의한 PCI 충격파 에너지 즉, Surge와 PCI를 완벽하게 제거하여 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 안전하게 보호하는 효과를 발휘하게 된다.
구체적으로, Class1 또는 Class2 및 Class3의 Surge와 PCI를 완벽하게 제거하여 전기장비, 전자장비, 통신장비를 안전하게 보호하는 효과를 발휘한다.
또한, 자체 캐패시터 성분으로 형성되는 입력보호부용캐패시터(xC1)로 구성되는 입력보호부(100), 리액턴스로 형성되는 의사선로부용리액터(L1, L2)로 구성되는 의사선로부(200), 자체 캐패시터 성분으로 형성되는 제1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3)로 구성되는 EMP보호용반도체부(300)를 이용하여 노이즈 필터를 구성함으로써, 노이즈 필터를 겸하는 서지 및 전자기펄스 보호장치를 제공하는 효과를 발휘한다.
따라서, 모든 전기용품에 대해 낙뢰 서지와 PCI에너지에 의한 피해예방 능력을 크게 향상시킬 수 있으므로 전기장비, 전자장비, 통신장비의 생존성을 보장하여 자연 재해 감소는 물론, 고객의 요구에 부응하고 전기통신 및 가전산업의 안전성 확보에 크게 기여할 수 있는 기초를 마련할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 KS기준 Class1 혹은 Class2, Class3를 충족시키는 회로도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 개략적 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 구체적인 구성도.
도 4는 종래의 노이즈 필터를 나타낸 회로도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치가 노이즈 필터에 적용될 경우의 노이즈 필터 등가 회로도.
도 6은 국제기구인 IEEE에서 발행한 기술집 1100-2005에 설명한 SPD의 문제점을 나타낸 예시도.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다.
또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
<실시예>
본 발명의 제1 실시예에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치는,
2개의 입력 선로(L, N)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력 선로로 유입되는 서지 및 전자기펄스로부터 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하기 위한 입력보호부(100)와;
2개의 입력 선로(L, N)와 2개의 출력 선로(L', N') 사이에 리액터(L1, L2)로 구성되는 의사선로부(200)와;
상기 의사선로부(200)의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력보호부(100)를 통해 보호된 후, 발생된 잔류 전압을 다시 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하기 위한 EMP보호용반도체부(300);를 포함하여 구성되되,
상기 의사선로부(200)는,
의사선로부(200)의 2개의 입력 선로(A, B)는 상기 2개의 입력 선로(L, N)에 접속되어 상기 입력보호부(100)에 병렬로 접속되고, 의사선로부(200)의 2개의 출력 선로(C, D)는 EMP보호용반도체부(300)의 입력단과 출력 선로(L', N')에 각각 접속되어, 주전원이 입력 선로(L, N)로 공급될 경우에 클래스1(등급1)와 클래스2(등급2) 중 어느 하나의 클래스에 대하여 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 의사선로부(200)에 구성되는 리액터(L1, L2)는 10uH 내지 10mH의 리액턴스를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 EMP보호용반도체부(300)는,
의사선로부(200)의 2개의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 형성되어, 정, 역에 관계없이 항상 일정한 극성으로 정형하고, 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력을 수행하여 트리거신호모듈(320)로 제공하기 위한 파형정형모듈(310);
상기 파형정형모듈(310)에 의해 제공된 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력을 획득할 경우에 트리거 펄스 신호를 발생시켜 스위칭모듈(320)로 제공하기 위한 트리거신호모듈(320);
충방전모듈(340)과 접속되어 상기 트리거신호모듈(320)에 의해 제공된 트리거 펄스 신호를 이용하여 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압의 고주파 에너지를 충방전모듈(340)로 흘려보내는 스위칭모듈(330);
상기 스위칭모듈(340)을 통해 순간적으로 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압의 고주파 에너지를 소멸시키는 충방전모듈(340);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 트리거신호모듈(320)은,
평상시의 상용 전압 60Hz에는 트리거 펄스 신호를 발생시키지 않으며, 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력일 경우에 트리거 펄스 신호를 발생시켜 스위칭모듈을 트리거시키는 것을 특징으로 한다.
상기 충방전모듈(340)은,
저항(R), 인덕턴스(L), 커패시터(C), 전압제한소자 중 어느 하나 내지 조합으로 이루어지며, 스위칭모듈을 통해 순간적으로 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압을 충전시키고, 서서히 방전시켜 서지 전압 혹은 PCI 전압을 소멸시키는 것을 특징으로 한다.
상기 충방전모듈(340)은,
에너지 스토리지 커패시터(Energy storage Capacitor)와 저항을 병렬로 접속하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파형정형모듈(310), 트리거신호모듈(320), 스위칭모듈(330)은 반도체 소자를 포함한 칩으로 구성되되, 리드프레임 공법으로 하나의 반도체모듈로 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따라, 본 발명의 서지 및 전자기펄스 보호장치는 노이즈 필터로 사용될 수 있으며 이 경우,
상기 입력보호부(100)는 입력보호부용캐패시터(xC1)에 의해 노이즈 필터의 캐패시터 성분으로 작용하고, 상기 의사선로부(200)는 의사선로부용리액터(L1, L2)에 의해 노이즈 필터의 리액턴스 성분으로 작용하고, 상기 EMP보호용반도체부(300)는 제1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3)에 의해 노이즈 필터의 캐패시터 성분으로 작용하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명에 의한 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 KS기준 Class1 혹은 Class2, Class3를 충족시키는 회로도이다.
도 1의 회로도는 KS C IEC61643-11 규정을 참고하더라도 Class1 내지 Class3 각각의 SPD(Surge protective Device)는 오로지 각 등급에 맞는 단로기(F, Fuse)와 MOV1, MOV2, MOV3의 용량을 동일한 방식으로 구성하고 있다.
구체적으로 설명하면, 종래 기술에 있어 Class1, Class2, Class3 구분은 낙뢰 노출 수준을 정의한 것으로 통상 낙뢰노출 정도가 큰 전기 수전부를 Class1으로 정의하며, Surge 파형은 10/350us의 비교적 넓은 파형을 가지게 되므로 에너지가 크며, 통상 20kA ~ 50kA의 큰 전류를 가지는 바, 개략식으로 계산하면, 100kV의 전압에 50kA의 전류, 350 us의 파미장을 가질 때, W = V * I * T 이므로 100kV * 50kA * 350us = 1,750kW/us의 큰 에너지를 가지는 특징이 있어 MOV 용량을 크게 설계하였으나, 용량이 큰 만큼 잔류 전압을 4kV로 제한한 것이다.
그리고, Class2는 낙뢰 노출 정도가 비교적 중간 단계인 분전반 등을 지칭하며 8/20us 파형을 가지며 통상 20kA ~ 50kA의 전류를 가지는 바, 개략식으로 계산하면, 100kV의 전압에 50kA의 전류, 20us의 파미장을 가질 때, W = V * I * T이므로 100kV * 50kA * 20us = 100kW/us의 에너지를 가지므로 이에 적합한 MOV를 적용하여 설계한 것에 불과하며 잔류 전압을 2.5kV로 제한한 것이다.
그리고, Class3는 콘센트에 접속되는 수준의 각종전기 통신장비 보호를 목적으로 하며 낙뢰 노출 정도가 낮은 수준으로 1.2/50us의 전압 파형과 8/20us의 전류파형을 가지는 콤비네이선 파형이라고 부르는 10kA이하의 Surge 에너지를 가지는 바, 개략식으로 계산하면, 100kV의 전압에 50kA의 전류, 350us의 파미장을 가질 때, W = V * I * T이므로 20kV * 10kA * 20us = 4kW/us의 비교적 작은 에너지를 가지는 특징이 있어 MOV 용량을 작은 용량이지만 서지 보호 효과를 높여 잔류 전압을 1.5kV로 제한한 것이다.
그러나, 상기한 KS 규격의 제한 잔류 전압 규정에도 불구하고, 각 Class등급에 따라 각각 4kV, 2.5kV, 1.5kV 잔류 전압이 남아 보호대상 장비에 충격을 주게 되므로 종래 기술에 의한 서지보호장치는 도 6에 도시한 바와 같이, 구체적으로, IEEE 1100-2005 p109에 보인 바와 같이, 'MAY or MAY NOT' 즉, '보호할 수도 있고 보호하지 못할 수도 있다'는 수준으로 Surge에 대한 보호 성능이 미흡하며 EMP에 의한 PCI는 아예 보호하지 못하는 것이 현실적인 문제인 것이다.
상기한 바와 같이, KS기준에 있어 SPD는 Class1, Class2, Class3 등급으로 설치하도록 규정하고 있으며, 물론 수전반에 Class3 SPD(Surge protective Device)를 설치하면 4kV로 제한된 Surge가 Class2 SPD로 입력될 것이고, 여기서 다시 2.5kV로 제한되어 Class3 SPD(Surge protective Device)로 인가되기 때문에 단계적인 설치로 효과를 기대할 수도 있을 것이다.
그러나, 배경 기술에 설명하였듯이, 상수도 설비의 사례와 같이 좁은 공간내에 수전반, 분전반, 부하기기가 혼재할 때, 이를 구분하여 설치하는 것은 불가능하다.
따라서, 잔류 전압이 4kV, 2.5kV, 1.5kV인 각 등급의 SPD(Surge protective Device)를 좁은 한 공간에 함께 설치한다면 잔류 전압이 1.5kV로 가장 낮은 Class3 SPD(Surge protective Device)가 먼저 작동하는 것은 상식인데, 상기한 바와 같이 그 용량이 상대적으로 매우 작아 Surge 유입시 Class3 SPD(Surge protective Device)는 쉽게 고장나게 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 구체적인 구성도이다.
도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명인 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치는 크게, 입력보호부(100), 의사선로부(200), EMP보호용반도체부(300)를 포함하여 구성된다.
상기 입력보호부(100)는 2개의 입력 선로(L, N)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력 선로(L, N)로 유입되는 서지 및 전자기펄스로부터 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하게 되는 것이다.
도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 상기 입력보호부(100)는 적색 점선 내부회로와 같은 구성을 가지는 바, 2개의 입력 선로(L, N)에 단로기(F)를 각각 구성하고, 전압제한소자인 MOV1, MOV2를 상기 단로기의 후단에 접속 구성하며, MOV1, MOV2의 다른 단자는 함께 접속하여 GCA 소자의 한 단자에 접속하고, GCA소자의 다른 한 단자는 접지(G)에 접속 구성한다.
참고로 상기 GCA 소자는 방전 전극을 구비한 방전관과 그 제어회로를 의미하며, 상기 'GCA'는 복수의 방전 제어전극(10)과 고압트랜스포머(30) 및 전류를 제한하는 제한소자(20)를 포함하여 구성되며, 방전 제어전극 중 한 단자(A)는 제한소자(20)를 통해 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(31)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 다른 단자(32) 및 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 한 단자(33)는 상기 방전 제어전극의 다른 단자(B)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 다른 단자(34)는 상기 방전 제어전극의 단자(C)와 접속되며, 상기 제한소자(20)는 방전 제어전극의 한 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(31) 사이에 형성된다.
상기 제한소자(20)는 방전 제어전극의 한 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(31) 사이에 구비되며 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터 TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자에서 선택된 하나 이상의 소자로 구성되는 것이다.
한편, GCA 소자보다는 성능이 떨어지지만 활용 가능한 소자로는 개스봉입 방전관(GDT)를 들 수 있어 상기한 GCA소자란 이를 포함할 수도 있다.
상기 의사선로부(200)는 2개의 입력 선로(L, N)와 2개의 출력 선로(L', N') 사이에 리액터(L1, L2)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 의사선로부(200)를 구성하는 의사선로부용 리액터(L1, L2)의 리액턴스는 10m 전기선로에 해당하는 리액턴스로 구성하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 본 발명의 의사선로부(200)가 충분한 노이즈 제거를 겸하기 위하여 약 10uH 내지 10mH의 리액턴스를 가지는 의사선로부용 리액터(L1, L2)로 구성하게 된다.
다음은 도 2를 참조하여 접속 관계에 대하여 구체적으로 설명하도록 하겠다.
의사선로부(200)의 2개의 입력 선로(A, B)는 2개의 입력 선로(L, N)에 접속되어 상기 입력보호부(100)에 병렬로 접속되고, 의사선로부(200)의 2개의 출력 선로(C, D)는 EMP보호용반도체부(300)의 입력단과 출력 선로(L', N')에 각각 접속되어, 주전원이 입력 선로(L, N)로 공급될 경우에 클래스1(등급1)와 클래스2(등급2) 중 어느 하나의 클래스에 대하여 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같은 접속을 통해 상기 의사선로부(200)는 서지(surge) 또는 EMP에 의한 PCI(pulse current injection)에 대하여 매우 큰 리액턴스를 가지므로 입력보호부(100)가 작동하는 중에는 EMP보호용반도체부(300)에 큰 영향을 미치지 못하므로 입력보호부(100)가 Class1 또는 Class2에 해당하는 큰 서지(surge) 또는 EMP에 의한 PCI(pulse current injection)를 처리한 후, 나머지 성분 즉, 잔류 전압이 의사선로부(200)를 거쳐 EMP보호용반도체부(300)에 도달하게 되는데, 이때는 이미 KS규격에 따른 입력보호부(100)의 보호 레벨(4kV 또는 2.5kV)에 해당하는 비교적 낮은 수준으로 제한된 Class3의 Surge 또는 PCI전압이 출력된다.
다음은 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 적용 사례를 구체적으로 설명하도록 한다.
즉, 입력보호부(100)는 Class1 또는 Class2 의 보다 강력한 서지(surge) 또는 EMP에 의한 PCI(pulse current injection)를 1차적으로 보호하는 바, 예를 들어 20kV의 Surge가 유입된다면, 의사선로부(200)가 높은 주파수 성분에서는 대단히 큰 리액턴스를 가지기 때문에 입력보호부(100)가 동작하여 그 등급별 특성에 따라 잔류 전압만이 리액턴스 만큼의 큰 저항을 통과하여 EMP보호용반도체부(300)에 전달되는 한편, 입력 전원은 직류 또는 상용교류 60Hz 성분에 대하여 무시할 수준의 낮은 임피던스이므로 그대로 전달되는 특징이 있다.
그러나, Surge나 PCI와 같은 높은 주파수의 과도 전압인 경우, 예를 들어, 62.8Ω ~ 3,140Ω의 높은 임피던스를 가지게 되므로 의사선로부(200)를 통해 전달되는 KS기준 잔류전압 1.5kV라면,
Surge에 의한 전류 Is = V / R이므로 1500V / 62.8 Ω = 23.88A,
PCI에 의한 전류 Ip = 1500V / 3,140Ω = 0.48A에 불과한 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 EMP보호용반도체부(300)는 상기 의사선로부(200)의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력보호부(100)를 통해 보호된 후, 발생된 잔류 전압을 다시 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하는 기능을 수행한다.
상기와 같은 기능을 수행하기 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이, EMP보호용반도체부(300)는 파형정형모듈(310), 트리거신호모듈(320), 스위칭모듈(330), 충방전모듈(340)을 포함하여 구성되며, 이와 같은 구성을 통해 상기 의사선로부(200)에서 출력되는 비교적 낮은 수준의 서지 또는 PCI 전압의 파형에 대하여 Class3의 제한 전압(잔류 전압)인 1.5kV보다 월등히 낮은 출력 즉, Noise 수준으로 제거하는 우수한 보호 특성을 가지게 되는 것이다.
구체적으로 설명하면, 파형정형모듈(310)은 의사선로부의 2개의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 형성되어 정, 역에 관계없이 항상 일정한 극성으로 정형하고, 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력을 수행하여 트리거신호모듈(320)로 제공하게 된다.
즉, 파형정형모듈(310)은 트리거신호모듈(320), 스위칭모듈(330), 충방전모듈(340)이 동작 가능하도록 +, - 성분을 한 방향으로(항상 일정한 극성) 정형하고 서지 또는 PCI 파형과 같은 펄스폭의 출력을 수행하여 트리거신호모듈(320)로 전달하는 것이다.
다시 말하면, 선로에 입력되는 전원이나 신호의 극성을 한 방향으로 정형해 주는 기능을 수행하는 것이며, 예를 들어, 파형정형모듈(310)은 상용교류 60Hz 전압이 인가되는 상태에서 Surge, PCI에너지가 중첩되어 유입되면 이 파형을 정형하여 정, 역에 관계없이 항상 일정한 극성으로 정형하고 서지 또는 PCI 파형과 같은 펄스폭의 출력을 수행하여 트리거신호모듈(320)로 전달하는 것이다.
상기 파형정형모듈(310), 트리거신호모듈(320), 스위칭모듈(330)은 각각의 기능을 수행하는 반도체 소자를 조립하여 구비할 수 있으나, 부피와 공수가 커지는 단점이 있다.
따라서, 바람직한 본 발명의 실시 예에서는 상기 여러 반도체 소자로 구비된 Chip을 리드프레임 공법으로 하나의 반도체 모듈로 제조하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 스위칭모듈(330)의 출력에는 충방전모듈(340), 즉, 부하를 구성하게 된다.
상기와 같은 구성을 통해, 10Hz ~ 300MHz 범위 내의 광대역 Surge와 PCI를 제거하게 된다.
상기 트리거신호모듈(320)은 상기 파형정형모듈(310)에 의해 제공된 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력을 획득할 경우에 트리거 펄스 신호를 발생시켜 스위칭모듈(320)로 제공하게 된다.
구체적으로 설명하자면, 상기 트리거신호모듈(320)은 평상시의 상용 전압 60Hz에는 반응하지 않게 되어 트리거 펄스 신호를 발생시키지 않으며, 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력일 경우에 트리거 펄스 신호를 발생시켜 스위칭모듈을 트리거시키는 것이다.
상기 스위칭모듈(330)은 충방전모듈(340)과 접속되어 상기 트리거신호모듈(320)에 의해 제공된 트리거 펄스 신호를 이용하여 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압의 고주파 에너지를 충방전모듈(340)로 흘려보내는 기능을 수행하게 된다.
상기 충방전모듈(340)은 상기 스위칭모듈(330)을 통해 순간적으로 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압의 고주파 에너지를 소멸시키는 기능을 수행하게 된다.
구체적으로 설명하자면, 상기 충방전모듈(340)은 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시터(C), 전압제한소자 중 어느 하나 내지 조합으로 이루어지며, 스위칭모듈을 통해 순간적으로 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압을 충전시키고, 서서히 방전시켜 서지 전압 혹은 PCI 전압을 소멸시키는 것이다.
한편, 부가적인 양태에 따라, 상기 충방전모듈(340)은 에너지 스토리지 커패시터(Energy storage Capacitor)와 저항을 병렬로 접속하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성하게 되면, 에너지 스토리지 커패시터(Energy storage Capacitor)를 통해 충전한 후, 병렬로 접속된 저항을 통해 방전하면서 에너지를 소진하게 되는 것이다.
상기 EMP보호용반도체부(300)는 의사선로부(200)의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력보호부(100)를 통해 보호된 후, 발생된 잔류 전압을 다시 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호한다.
즉, 상기 의사선로부(200)로부터 전달되는 상용전원 성분과 이미 낮아진 Surge 또는 PCI 성분은 파형정형모듈(310) -> 트리거신호모듈(320) -> 스위칭모듈(330)을 거쳐 충방전모듈(340)에 저장되는데, 이때 충방전모듈이 캐패시터로 구성될 경우에 상기 캐패시터는 1uF ~ 수천 uF까지 구성할 수 있는 바, 100uF으로 가정하고 캐패시턴스를 구하면,
Surge에 의한 xC = 1/2pie * F * C 이므로 xC = 1 / 6.26 * 1Mhz * 100uF = 1.6mΩ이 되며, PCI에 의한 xC = 1/2pie * F * C 이므로 xC = 1 / 6.26 x 50Mhz x 100uF = 32uΩ이 되어 큰 영향을 주는 수준은 아이나 EMP보호용반도체부(300)를 통해 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 추가적으로 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호한다.
즉, 의사선로부(200)를 통과한 1500V의 Surge 전압은 1.6mΩ에 대입하여 잔류 전압을 구하면, V = I * R이므로 V = 28.88A * 1.6mΩ = 46mV의 잔류전압 밖에 남지않아 그 영향은 크지 않지만 본 발명에서는 EMP보호용반도체부(300)를 통해 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 보호 처리하여 추가적으로 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하는 것이다.
도 4는 종래의 노이즈 필터를 나타낸 회로도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 종래의 일반적인 노이즈 필터는 입력선로 L과 출력선로 L' 사이에 리액터 L1을 형성하며, 입력선로 N과 출력선로 N' 사이에 리액터 L2를 형성하며, 상기 리액터 L1과 리액터 L2의 앞단에 코일 C1을, 뒷단에 코일 C2와 코일 C3를 형성하되, 코일 C2와 코일 C3의 중간 접속점을 접지(G)하는 구조를 가지고 있다.
본 발명의 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치는 노이즈 필터로 적용될 수 있으며 도 5는 본 발명의 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치의 노이즈 필터 등가 회로도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 서지 및 전자기펄스 보호장치가 노이즈 필터로 적용될 경우에,
상기 입력보호부(100)는 상기 입력보호부(100)는 입력보호부용캐패시터(xC1)에 의해 노이즈 필터의 캐패시터 성분으로 작용하고, 상기 의사선로부(200)는 의사선로부용리액터(L1, L2)에 의해 노이즈 필터의 리액턴스 성분으로 작용하고, 상기 EMP보호용반도체부(300)는 1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3)에 의해 노이즈 필터의 캐패시터 성분으로 작용하는 것을 특징으로 한다.
상기한 도 4의 종래의 노이즈 필터의 구성에 대비해 설명하면, 종래 노이즈 필터의 C1은 본 발명의 입력보호부(100)인 자체 캐패시터 성분으로 형성되는 입력보호부용캐패시터(xC1)에 해당하며, 종래 노이즈 필터의 L1과 L2는 본 발명의 의사선로부(200)인 리액턴스로 형성되는 의사선로부용리액터 L1과 L2에 해당하며, 종래 노이즈 필터의 C2와 C3는 본 발명의 EMP보호용반도체부(300)인 자체 캐패시터 성분으로 형성되는 제1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3)에 해당하여 본 발명인 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치는 노이즈 필터 역할을 수행하게 된다.
즉, 본 발명에 있어서 Noise Filter라는 기술적인 사상으로 접근할 때, 본 발명의 입력보호부(100)가 가지는 자체 캐패시턴스 성분(입력보호부용캐패시터(xC1)), 의사선로부(200)가 가지는 자체 리액턴스 성분(의사선로부용리액터(L1, L2)), EMP보호용반도체부(300)가 가지는 자체 캐패시턴스 성분(제1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3))은 도 2의 종래의 Noise Filter의 C1, L1, L2, C2, C3에 각각 대체되는 것을 특징으로 하고, 이를 통해 본 발명은 Noise Filter를 겸하는 서지 및 전자기펄스 보호장치로 사용될 수 있는 것이다.
본 발명에 의하면, 전기선로 혹은 통신 선로에 유도된 높은 고 전압과 높은 고 전류를 가지는 뇌서지와 EMP에 의한 PCI 충격파 에너지 즉, Surge와 PCI를 완벽하게 제거하여 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 안전하게 보호하는 효과를 발휘하게 된다.
즉, Class1 또는 Class2 및 Class3의 Surge와 PCI를 완벽하게 제거하여 전기장비, 전자장비, 통신장비를 안전하게 보호하는 효과를 발휘한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100 : 입력보호부
200 : 의사선로부
300 : EMP보호용반도체부

Claims (8)

  1. 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치에 있어서,
    2개의 입력 선로(L, N)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력 선로로 유입되는 서지 및 전자기펄스로부터 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하기 위한 입력보호부(100)와;
    2개의 입력 선로(L, N)와 2개의 출력 선로(L', N') 사이에 리액터(L1, L2)로 구성되는 의사선로부(200)와;
    상기 의사선로부(200)의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 구성되어 입력보호부(100)를 통해 보호된 후, 발생된 잔류 전압을 다시 클래스3(등급3)의 보호 레벨에 맞게 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하기 위한 EMP보호용반도체부(300);를 포함하여 구성되되,

    상기 의사선로부(200)는,
    의사선로부(200)의 2개의 입력 선로(A, B)는 상기 2개의 입력 선로(L, N)에 접속되어 상기 입력보호부(100)에 병렬로 접속되고, 의사선로부(200)의 2개의 출력 선로(C, D)는 EMP보호용반도체부(300)의 입력단과 출력 선로(L', N')에 각각 접속되어, 주전원이 입력 선로(L, N)로 공급될 경우에 클래스1(등급1)와 클래스2(등급2) 중 어느 하나의 클래스에 대하여 전기장비 혹은 전자장비 혹은 통신장비를 보호하는 것을 특징으로 하고,

    상기 EMP보호용반도체부(300)는,
    의사선로부(200)의 2개의 출력 선로(C, D)와 접지(G) 선로 사이에 형성되어, 정, 역에 관계없이 항상 일정한 극성으로 정형하고, 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력을 수행하여 트리거신호모듈(320)로 제공하기 위한 파형정형모듈(310);
    상기 파형정형모듈(310)에 의해 제공된 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력을 획득할 경우에 트리거 펄스 신호를 발생시켜 스위칭모듈(320)로 제공하기 위한 트리거신호모듈(320);
    충방전모듈(340)과 접속되어 상기 트리거신호모듈(320)에 의해 제공된 트리거 펄스 신호를 이용하여 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압의 고주파 에너지를 충방전모듈(340)로 흘려보내는 스위칭모듈(330);
    상기 스위칭모듈(320)을 통해 순간적으로 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압의 고주파 에너지를 소멸시키는 충방전모듈(340);을 포함하는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 의사선로부(200)에 구성되는 리액터(L1, L2)는,
    10uH 내지 10mH의 리액턴스를 가지는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 트리거신호모듈(320)은,
    평상시의 상용 전압 60Hz에는 트리거 펄스 신호를 발생시키지 않으며, 서지 혹은 PCI의 파형과 같은 펄스폭의 출력일 경우에 트리거 펄스 신호를 발생시켜 스위칭모듈(330)을 트리거시키는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 충방전모듈(340)은,
    저항(R), 인덕턴스(L), 커패시터(C), 전압제한소자 중 어느 하나 내지 조합으로 이루어지며, 스위칭모듈(330)을 통해 순간적으로 유입되는 서지 전압 혹은 PCI 전압을 충전시키고, 서서히 방전시켜 서지 전압 혹은 PCI 전압을 소멸시키는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 충방전모듈(340)은,
    에너지 스토리지 커패시터(Energy storage Capacitor)와 저항을 병렬로 접속하여 구성되는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 파형정형모듈(310), 트리거신호모듈(320), 스위칭모듈(330)은,
    반도체 소자를 포함한 칩으로 구성되되, 리드프레임 공법으로 하나의 반도체모듈로 제조하는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 서지 및 전자기펄스 보호장치가 노이즈 필터로 사용되는 경우,
    상기 입력보호부(100)는 입력보호부용캐패시터(xC1)에 의해 노이즈 필터의 캐패시터 성분으로 작용하고, 상기 의사선로부(200)는 의사선로부용리액터(L1, L2)에 의해 노이즈 필터의 리액턴스 성분으로 작용하고, 상기 EMP보호용반도체부(300)는 제1EMP보호용반도체부용캐패시터(xC2)와 제2EMP보호용반도체부용캐패시터(xC3)에 의해 노이즈 필터의 캐패시터 성분으로 작용하는 것을 특징으로 하는 의사선로를 구비한 다중 보호등급을 위한 서지 및 전자기펄스 보호장치.
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