KR20100098720A - 낮은 응답 서지 전압을 가진 과전압 분배기 - Google Patents

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KR20100098720A
KR20100098720A KR1020107016857A KR20107016857A KR20100098720A KR 20100098720 A KR20100098720 A KR 20100098720A KR 1020107016857 A KR1020107016857 A KR 1020107016857A KR 20107016857 A KR20107016857 A KR 20107016857A KR 20100098720 A KR20100098720 A KR 20100098720A
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울프강 다우머
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에프코스 아게
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Abstract

서지 어레스터가 개시되며, 상기 서지 어레스터는 적어도 하나의 절연 몸체(4)에 의해 형성된 내부 공간내로 연장된 2 개의 측면 전극들(2) 및 중앙 전극(5)을 포함하고, 측면 전극들 사이의 말단-측면 간격(A)은 각각의 측면 전극과 중앙 전극 사이의 간격(C)보다 크고, 상기 측면 전극들 사이의 간격(A)은 상기 중앙 전극의 말단 영역들과 상기 측면 전극들의 베이스 사이의 간격(B)보다 작다.

Description

낮은 응답 서지 전압을 가진 과전압 분배기{OVERVOLTAGE DIVERTER WITH LOW RESPONSE SURGE VOLTAGE}
본 발명은 낮은 응답 서지 전압을 가진 서지 어레스터(surge arrester) 및 그의 사용에 관한 것이다.
서지 어레스터는 문헌 DE 4330178 B4에 기술된다.
서지 어레스터의 내부에서, 특정 한계 전압, 점화 전압(ignition voltage)이 초과될 시, 아크 플래시오버(arc flashover)는 2 개 또는 3 개의 전극들 사이에서 일어난다. 한계 전압은 정적 상태 또는 안정 상태의 부하의 경우에서 100 V/s의 전압 상승으로 응답 DC 전압 Urdc로 나타내고, 동적 부하의 경우에서는 1 kV/㎲의 전압 상승으로 응답 서지 전압 urs로 나타낸다. 아크는 상기 아크에 대한 조건이 전기적으로 존재하는 한 공급 전류에 의해 유지된다.
이루고자 하는 일 과제는 낮은 응답 서지 전압을 가지는 서지 어레스터, 및 그의 사용을 정의하는 것에 있다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 서지 어레스터에 의해 이루어진다.
상기 과제는 추가로 청구항 12에 따른 사용에 의해 이루어진다.
서지 어레스터는 적어도 하나의 절연 몸체에 의해 형성된 내부 공간, 중앙 전극 및 2 개의 측면 전극들을 포함한다. 서지 어레스터는 3 개의 전극 서지 어레스터이다. 서지 어레스터의 전극들은 특히, 적어도 하나의 관형 절연 몸체, 바람직하게는 적어도 하나의 세라믹 실린더에 의해 연결되어, 서지 어레스터를 형성한다. 서지 어레스터는 중앙 전극의 영역내로 연장된 그의 측면 전극들로 설계되어, 내부 공간에서, 측면 전극들 사이의 간격이 각각의 측면 전극과 중앙 전극 사이의 간격보다 크지만, 중앙 전극의 말단 영역들과 측면 전극들의 베이스 사이의 간격보다 작다. 서지 어레스터는, 응답 서지 전압이 1 kV/㎲의 전압 상승의 경우에서 정상 응답 정상 응답 DC 전압보다 2.2 배 작도록, 그리고 중앙 전극 및 측면 전극들 중 하나의 소정의 파라미터들이 동일하도록 설계된다.
특히, 바람직하게는, 서지 어레스터는 외경이 8 ㎜ 미만인 원통형 형태로 구현된다. 특히나, 바람직한 실시예에서, 서지 어레스터는 외경이 커야 5 ㎜가 된다. 특히 소형의 설계 및 우수한 전기적인 값들은 사용에 있어, 특히 소형 전자 장치들에 있어 다양한 가능성을 가져온다.
서지 어레스터는, 230 V의 정상 응답 DC 전압에서, 응답 서지 전압이 500 V 미만이고, 중앙 전극에 대해 각각의 측면 전극 사이에서 정격 서지 전류 및 정격 AC 전류에 대한 파라미터들이 대칭적이고 동일하다는 사실에서 두드러지는 이점을 가진다. 정상 응답 DC 전압이 +/-20% 만큼 변동할지라도, 서지 어레스터는 응답 서지 전압이 500 V라는 점에서 두드러지는 이점을 가진다.
1s 구간 동안 10 A의 정격 AC 전류라 함은 각각의 측면 전극들로부터 중앙 전극으로 흐르는 5 A의 전류 각각을 의미한다. 서지 어레스터는 정격 AC 전류로 10 번의 반복적인(ten-fold repetition) 부하를 가능케 하는 이점을 가진다.
표준화된 형태의 8/20, 즉, 8 ㎲의 상승 시간 및 20 ㎲의 반-값(half-value)에 대한 시간의 10 kA의 정격 서지 전류라 함은 각각의 측면 전극들에서 중앙 전극으로 흐르는 +/-5 kA의 전류 각각을 의미한다. 서지 어레스터는 정격 서지 정류로 10 번의 반복적인 부하를 가능케 하는 이점을 가진다.
표준화된 형태의 10/1000, 즉 10 ㎲의 상승 시간 및 1000 ㎲의 반-값에 대한 시간의 200 A의 서지 전류라 함은 각각의 측면 전극들에서 중앙 전극으로 흐르는 100 A의 전류 각각을 의미한다. 서지 어레스터는 수명 또는 부하 성능을 특징으로 하는 이 서지 전류로, 300 번의 반복적인 부하를 가능케 하는 이점을 가진다.
서지 어레스터의 내부 공간은 기밀 방식(gastight manner)으로 주변 환경(surroundings)으로부터 폐쇄되어 있다. 가스는 서지 어레스터의 내부 공간에 있다. 그 결과, 서지 어레스터의 파라미터들은 유리하게 재현될 수 있는 방식(reproducible manner)으로 발생된다.
서지 어레스터는 통신 장치, 예를 들면 통신 네트워크에 사용되는 것이 바람직하다; 그러나, 통신 네트워크들에 한정되지는 않고, 높은 전압이 서지 어레스터에 의해 분산되어야 하는 다른 임의의 전기 회로에서 사용될 수도 있다. 특히, 서지 어레스터는 낙뢰 보호 응용물에 적합하고, 상기 낙뢰 보호 응용물에서 서지 어레스터는 때때로 적어도 지면에 대해 대칭 전압 상태로 되거나 될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 측면 전극들 및 중앙 전극은 복합물 형태(composite fashion)로 구성된다. 실시예는 서로 다른 금속들 및/또는 합금들의 사용을 통해 가능해지고, 이로 인해, 내부 공간에 대해 최적화된 어레스터를 제공하고, 동시에 전극들의 외부 연결부들에 대해 매우 우수한 납땜 또는 용접 속성을 가질 수 있다.
서지 어레스터의 내부 공간에서 전극들에 대해 구리를 사용하고, 철-니켈 합금으로 구성된 외부 연결부들을 제공하는 것이 바람직한 것으로 증명되었다. 특히, 철-니켈 합금, 예를 들면 Fe58Ni42는 동판인 것(copper-plated)이 바람직하다. 이로 인해, 서지 어레스터의 내부 공간에서, 그리고 폐쇄 납땜(closure soldering)의 경우에서 최적의 속성을 이룰 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 중앙 전극은 관부, 특히, 구리로 구성된 관부, 링부, 특히 철-니켈로 구성된 링부로 구성된다. 관부는 일정한 벽 두께를 가지거나 또는 링부의 영역에서 비드(bead)를 포함한다.
실시예에서, 서지 어레스터의 기밀 내부 공간 및 가스로 충전된 내부 공간은 수소 첨가물을 포함하는데, 이는 특히나 바람직하다. 수소 비율은 5% 내지 30%가 가능하고; 그러나 전형적으로 수소 첨가물은 약 20%이다. 그 결과, 서지 어레스터의 응답시의 방전(discharge)에 대한 확보 시간(build-up time)은 단축되고, 응답 서지 전압은 감소된다.
서지 어레스터의 응답에 따른 방전의 확보를 지원하기 위해서는, 내부 공간이 절연 몸체의 내벽에 복수의 점화 스트립들(ignition strips)을 포함하는 경우가 바람직한 것으로 증명되었다. 점화 스트립들은 측면 전극들 중 어느 하나와 전기적으로 연결되고 중앙 전극의 뒤를 향하여 방전 후면 공간(discharge rear space)내로 우측 연장되되, 각각의 다른 측면 전극의 후면 공간내로 너무 깊이는 연장되지는 않는다. 이로 인해, 벽 방전이 방지된다. 대안적으로, 점화 스트립들은 전극들에 연결되지 않는다. 추가적인 실시예에서, 점화 스트립 배치의 양 대안물은 사용되는 것이 바람직하다.
바람직한 추가적인 실시예에서, 핀-형상(pin-shaped) 측면 전극들은 함몰부들(depressions)에서 활성 합성물(activating compound)을 차지하기 위해, 말단 측면에서 표면의 허니콤 구조물(honeycomb structure)을 가진다. 활성 합성물은 방전 확보 및 그의 재현성에 긍정적인 효과를 가진다.
서지 어레스터는 대표적인 실시예들 및 연관된 도면에 기반하여, 다음에서 보다 상세하게 설명된다.
다음에서 기술된 도면들은 정확하게 치수화된 것으로 간주되어서는 안된다. 오히려, 각각의 크기는 설명을 자세하게 제시하기 위해서, 치수적으로 확대되고, 감소될 수 있거나, 왜곡될 수 있다.
동일한 소자들 또는 동일한 기능을 가지는 소자들은 동일한 참조 기호로 나타낸다.
도 1은 측면 전극들 및 중앙 전극들을 부분적으로 단면으로 나타낸 서지 어레스터의 개략적인 도면이고,
도 2는 커버링 디스크를 가진 서지 어레스터의 측면 전극을 도시한 도면이고,
도 3은 서지 어레스터의 중앙 전극의 개략적인 도면이고,
도 4는 SMD 장착을 하는 중앙 전극 및 측면 전극들을 부분적으로 나타낸 서지 어레스터의 개략적인 도면이고,
도 5는 단락-회로 연결부(short-circuiting link)를 가진, SMD이 장착가능한 서지 어레스터의 개략적인 도면이고, 그리고
도 6은 단락-회로 연결부 및 외부 배선을 가진 서지 어레스터의 개략적인 도면이다.
도 1은 제 1 실시예의 서지 어레스터(1)를 (부분적인) 단면으로 도시한다. 서지 어레스터는 2 개의 측면 전극들을 가지고, 상기 2 개의 측면 전극들 각각은 2 개의 부분들(2a, 2b 및 3a, 3b)로 구성된다. 측면 전극들로 인해, 폐쇄 납땜(7)에 의해 2 개의 절연 몸체들(4a, 4b)은 측면에서 마감된다. 중앙 전극(5a, 5b)은 절연 몸체들 사이에서 중앙에 배치되고, 상기 절연 몸체들은 관형으로 되어 있고, 세라믹으로 구성되고, 이와 마찬가지로 상기 중앙 전극도 복합물로 되어 있다. 이로써, 서지 어레스터의 내부 공간은 기밀 방식으로 폐쇄되어 있고, 가스를 포함하고 있으며, 상기 가스는 5% 내지 30%, 특히 20%의 수소비율을 가진다.
측면 전극들은 외부 상에 각각의 FeNi 디스크(disk)(2a, 3a)를 가지고, 상기 디스크는 동판으로 되어 있다. 디스크들은 스탬프화된(stamped) 부분들 또는 냉간-압출 성형된(cold-extruded) 부분들이다. SCP 또는 AgCu 납땜을 이용한 납땜 연결(9)로, 또는 용접 연결로, 디스크는 각각의 전극(2b, 3b)과 결합되고, 이때 상기 각각의 전극은 구리로 구성되고, 내부 공간내로 돌출된다. 각각의 전극(2b, 3b)은 선회부(turned part) 또는 냉간-압출 성형된 부분이고, 그리고 디스크(2a, 3a)에 납땜된 컵형상의 전극 베이스(cup-shaped electrode base) 및 핀-형상 부분을 가지고, 이때 상기 핀 형상 부분은 말단 측면에서 활성 합성물을 차지하는 허니콤 구조물(8)을 가진다. 전극 베이스의 직경은 세라믹 관(4)에서 전극을 가이드하기 위해 선택된다. 각 측면 전극(2, 3)의 핀-형상의 부분은 중앙 전극(5)의 관형 영역내로 돌출된다. 측면 전극들의 말단 측면들 사이의 간격은 A이다.
도 1의 대표적인 실시예에서, 도 2에서 도시된 바와 같이, 전극 베이스는 직경(D1)이 2.8 ㎜인 반면, 핀-형상의 부분은 직경(D2)이 1.6 ㎜이다. 절연 몸체(4)의 내경은 2.8 ㎜이다.
도 3에 따라서, 중앙 전극(5)은, 작은 벽 두께를 가진 관부(5b) 및 링부(5a)로 구성된다. 관부(5b)는 구리 또는 철-니켈 합금으로 구성되고, 바람직하게는 동판으로 구성된다. 방전의 경우에서, 관부의 길이가 절연 몸체들(4a, 4b)을 가리도록 설계되어, 방전은 절연 몸체의 영역내로 이르지 못한다. 동시에, 측면 전극(2b, 3b)의 베이스 및 관부(5b)의 에지(edge) 사이의 간격(B)은 방사형 방향으로 내부 전극 간격(C)보다 크다. 이로써, 제 2 차 방전은 신뢰성이 높게 방지된다. 특히 바람직한 일 실시예에서, 관부는 활성 합성물로 페이스트된다(pasted).
길이 방향으로의 간격(A)은 방사형 방향으로의 간격(C)보다 크지만, 그러나 간격(B)보다는 작다.
대표적인 실시예에서, A = 0.56 ㎜, B = 0.68 ㎜ 및 C = 0.4 ㎜이다. 관부(5b)의 외경은 약 2.8 ㎜이지만, 그러나 여하튼 간에 절연 몸체의 내경보다는 근소하게 작다.
중앙에서, 관부(5b)는 링부(5a)에 의해 둘러싸이고, 이때 상기 링부는 철-니켈 합금으로 구성되는 것이 바람직하다. 링부는 동판일 수 있다. 링부로 인해, 중앙 전극은 절연 몸체들에 대해 대칭적으로 가이드될 수 있다.
도 3에 따라서, 중앙 전극은 납땜(11)에 의해 또는 정밀하게 맞추는 상호 연결 방식(precisely fitting interconnection)에 의해 또는 레이저의 도움으로 인한 스폿 용접(spot welding)에 의해 제공된다. 후자 방법에 있어서, 예비조립(preassembly) 동안에, 관(5b)은 링(5a)과 동심원이 되도록 위치되고, 관(5b)과 링(5a) 사이의 갭(gap)에서 하나 또는 복수의 용접 스폿들에 의해 일 측면 상에서 적어도 고정적으로 스폿-용접된다. 그 후에, 관(5b)과 링(5a) 사이의 전기적으로 신뢰가능한 접촉-연결은, 폐쇄 납땜의 경우, 예를 들면, 납땜 호일 베어링(soldering foil bearing)에 의해 확보된다. 절연 몸체들(4)의 내벽에서 중앙 전극의 전극 가이드는 서지 어레스터의 폐쇄 납땜 동안에 적당하게 영향을 받는데, 이는 세라믹으로 구성된 절연 몸체들(4)에 대해 금속제의 중앙 전극(5)의 높은 열 팽창 계수로 인한 것이다. 측면 전극들은 또한 폐쇄 납땜 동안 세라믹 절연 몸체의 내경에 가이드된다.
서지 어레스터는 절연 몸체들(4)의 내벽에서 점화 스트립들(6)을 가진다. 점화 스트립들(6a)은 측면 전극에 연결되고, 서지 어레스터의 중앙을 넘어서는 연장되지 않는다. 점화 스트립들(6b)은 방전 공간내로 돌출되지만, 그러나 전극에는 연결되지 않는다.
도 4는 서지 어레스터가 SMD 성능을 가진다는 점에서, 도 3과는 다르다. 이에 대해, 측면 전극(3)의 외부 디스크(3c)는 대략적으로 정사각형으로 형성된다. 중앙 전극의 관부(5c)는 링부의 영역에서 비드를 가진다.
도 5는 도 4에 따른 서지 어레스터를 도시한 것으로, 이때 중앙 전극은 용접-온 단락 회로 연결부(welded-on short-circuiting link)(12)를 가지고, 필름(film)(13)에 의해 측면 전극들로부터 절연된다. 그 결과, 열 부하(thermal loading)가 높아서 필름(13)이 녹는 경우, 서지 어레스터는 연결부(12)의 도움으로 단락-회로로 된다. 단락-회로 연결부는 CuBe으로 구성되고, 필름은 호스타판(Hostaphan) 또는 폴리프로필렌으로 구성된다.
도 6은 도 1에 따른 서지 어레스터를 도시한 것으로서, 여기서는 단락-회로 연결부(12) 및 3 개의 전극들의 3 중 외부 배선(14, 15 및 16)을 도시한다.
대표적인 실시예들에 따른 서지 어레스터는 외경(D)이 5 ㎜이고, 길이는 7.8 ㎜이다. 다음의 특징적인 성능을 가진다:
응답 DC 전압 Urdc - 230 V +/-20%,
1 kV/㎲의 전압 상승에 대한 500 V 미만의 응답 서지 전압 urs,
정격 AC 전류 IACR = 10A(1s 및 10 번 반복), 이 경우에서 측면 전극과 중앙 전극 사이에서 각각 5 A이고,
정격 서지 전류 iSR = 10 kA(8/20 ㎲ 및 10 번 반복), 이 경우에서 측면 전극과 중앙 전극 사이에서 각각 5 kA이고, 그리고
LD = 200 A(서지 전류의 형태의 10/1000 ㎲ 및 300 번 반복), 이 경우에서 측면 전극과 중앙 전극 사이에서 각각 100 A이다.
1, 10 서지 어레스터
2 측면 전극
3 측면 전극
4 절연 몸체
5 중앙 전극
6 점화 스트립
7 폐쇄 납땜
8 허니콤 구조물
9 전극 납땜
11 납땜 링(Solder ring)
12 단락-회로 연결부
13 필름
14 연결 배선
15 연결 배선
16 연결 배선

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 절연 몸체(4)에 의해 형성된 내부 공간내로 연장된 2 개의 측면 전극들(2) 및 중앙 전극(5)을 포함하고,
    상기 측면 전극들 사이의 말단-측면 간격(A)은 각각의 측면 전극과 중앙 전극 사이의 간격(C)보다 크고, 상기 측면 전극들 사이의 간격(A)은 상기 중앙 전극의 말단 영역들과 상기 측면 전극들의 베이스 사이의 간격(B)보다 작은 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서지 어레스터는 응답 서지 전압이 1 kV/㎲의 전압 상승의 경우에서 정상 응답 정상 응답 DC 전압보다 2.2 배 작도록, 그리고 상기 중앙 전극 및 상기 측면 전극들 중 하나의 소정의 파라미터들이 동일하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 서지 어레스터는 원통형 형태를 가지고, 외경이 8 ㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면 전극들 및/또는 상기 중앙 전극 각각은 2 개의 전극 부분들로 구성되는 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 서지 어레스터의 내부 공간에서의 전극 부분들은 구리를 포함하고, 외부에서 접근가능한 전극 부분들은 철-니켈 합금을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 전극은 관부(5b) 및 링부(5a)로 구성된 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면 전극들의 외부에서 접근가능한 전극 부분들(2, 3)은 원형 또는 정사각형으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 공간에 있는 측면 전극들은 핀-형상 형태로 구현되고, 상기 중앙 전극의 영역에서 상기 중앙 전극과 동심원으로 이루어져 돌출되는 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 공간은 수소 첨가물을 가진 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 측면 전극들의 말단 면들은 허니콤 구조물을 가지는 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 공간에서 점화 스트립들(6)이 구비되고, 상기 점화 스트립들이 상기 측면 전극들 중 하나와 접촉되어 연결된 경우에서, 각각의 측면 전극보다 짧은 것을 특징으로 하는 서지 어레스터.
  12. 전자 장치 또는 전력 공급 시스템에서 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 서지 어레스터의 사용.
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