KR20130001732A

KR20130001732A - 스파크 갭

Info

Publication number: KR20130001732A
Application number: KR20127028034A
Authority: KR
Inventors: 미햐엘 죄더; 데니 랑에; 외르크 오흐스
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2013-01-04
Also published as: RU2012150810A; EP2564479A1; US20130038977A1; RU2548035C2; CN102934303A; KR101427021B1; WO2011134508A1; CN102934303B; EP2564479B1; US9118168B2; CN201887330U

Abstract

짧은 탈이온화 시간을 갖는 전극들(3, 4, 20)이 서로 대향해 있는 과전압 보호용 스파크 갭(1)을 제공하기 위해, 상기 전극들(3, 4, 20)은 전극들(3, 4, 20) 자체에서의 희망 전류 경로를 강제하기 위한 전류 경로 제한 수단(7, 16, 17)을 적어도 부분적으로 갖는다.

Description

스파크 갭{SPARK GAP}

본 발명은 전극들이 서로 대향해 있는 전극 어레이를 갖는 과전압 보호용 스파크 갭에 관한 것이다.

스파크 갭은 전력 전송 및 전력 분배 분야에서 예를 들어 직렬 보상 장치에서 이용된다. 그와 같은 직렬 보상 장치는 일반적으로 교류 전압 회로망에서 무효 전력 보상에 이용되며, 소위 유연 송전 시스템(FACTS)의 개념에 포함된다. 직렬 보상을 위해 일반적으로 커패시터 뱅크가 교류 전압 라인에 직렬로 접속되며, 보호되는 어레스트 뱅크는 커패시터 뱅크에 병렬로 배치된다. 스파크 갭은 커패시터 뱅크의 보호와 어레스터 뱅크의 보호 모두에 이용된다. 스파크 갭은 기계식 파워 스위치에 비해 매우 빠르게 점화될 수 있으므로, 어레스터 뱅크 및 커패시터 뱅크에서의 과전압이 억제될 수 있다.

종래의 스파크 갭은 전극들이 서로 마주하는 하나 이상의 전극 어레이를 가지며, 전극 간격(들)는 스파크 갭이 소정의 전압 미만에서 자연적으로 파괴되지 않도록 조정되므로, 스파크 갭이 능동적으로 점화될 수 있다. 스파크 갭이 점화되면, 전극들 사이에서 아크가 형성될 수 있다. 아크의 형성 후 스파크 갭에 병렬로 배치된 파워 스위치가 닫히면 아크는 소거된다.

스파크 갭이 짧은 탈이온화 시간을 가짐으로써, 아크의 소거 후 신속하게 스파크 갭의 절연 내력에 다시 도달하는 것이 바람직하다. 상기 절연 내력이 조정되었다면, 병렬 파워 스위치는 다시 개방될 수 있다. 그런 경우 스파크 갭이 다시 사용 준비된다.

아크는 먼저 전극 간격이 가장 작은 지점에서 발생한다. 짧은 탈이온화 시간을 위해서는 아크가 간격이 가장 작은 상기 지점을 최대한 빠르게 벗어나야 한다. 또한, 전극 어레이 및 아크를 통해 흐르는 전류에 의해 야기되는 자기장의 힘으로 아크가 밀려 이동되는 점이 공지되어 있다. 전류에 의해 형성된 자기장 밀도가 외부에서보다 루프 내부에서 더 커진다는 이유에서, 전류가 흐르는 가동형 도체 루프를 확대하려는 시도 역시 이미 공지되어 있다. 전류 세기는 자기장의 세기를 결정하므로 아크를 밀어내는 자력의 크기를 결정한다. 상기 자력의 방향은 전류 경로를 통해 결정된다.

실제로 이런 종류의 전극 어레이는 하나 이상의 스파크 갭 하우징 안에 수용되므로, 전극들이 유해한 환경 영향으로부터 보호될 수 있다.

본 발명의 과제는, 형성된 아크가 전극 간격이 최소인 지점을 가능한 한 빠르게 벗어나면서 확대되는 전술한 종류의 스파크 갭을 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 전극들이 전극 내에 희망하는 전류 경로를 강제하기 위한 전류 경로 제한 수단을 적어도 부분적으로 가짐으로써 해결된다.

본 발명에 따르면 스파크 갭의 전극들의 적어도 일부는 전극 자체 내에 희망하는 전류 경로를 제한 또는 고정하기 위한 전류 경로 제한 수단을 갖는다. 본 발명이 근거하는 사상은, 아크에 매우 가까이에서 적절하게 연장되는 전류 경로가, 예를 들어 공급 라인의 설계를 통해 제공되며 절연 내력의 준수 때문에 아크 발생 지점 가까이에 임의로 배치될 수 없는, 훨씬 더 멀리 떨어져 있는 전류 경로보다 수 배 더 큰 작용을 아크에 가한다는 것이다. 전극들의 간격이 클수록 전기 공급 라인 내 전류의 영향은 더 작으므로, 특정 전극 간격부터 전극 간격이 커짐에 따라 아크를 희망하는 방향으로 몰아내어 확대하도록 전류 경로 제한 수단이 더욱 촉진된다. 그러므로 본 발명에 따른 스파크 갭의 상기와 같은 설계는 특히 고전압에 적합하다. 이와 같은 경우, 스파크 갭은 직렬로 접속된 복수의 전극 어레이를 포함할 수 있다. 만약 상기 전류 경로를 통해 흐르는 전류가 아크를 발생 지점으로부터 몰아내어 확대하려는 자기장을 발생시키면, 희망하는 전류 경로가 얻어진다. 아크 자체를 통해 안내되는 그와 같은 전류 경로는 예를 들어 도체 루프 영역을 형성한다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 전류 경로 제한 수단은 전극 내부의 리세스들을 제한한다. 전극 내부에 있는 리세스 때문에 스파크 전류는 강제로 상기 리세스 주위를 흐르게된다. 상기 전류 경로 제한 수단은 전류 경로가 형성되어 있는 리세스들의 제한 영역들을 형성한다. 상기 제한 영역들은, 희망하는 전류 경로가 아크의 바로 인근에 형성되도록 구성된다. 그 후 전류 경로를 통해 흐르는 전류는 자기장을 형성하고, 이와 같은 자기장은 아크를 그 발생 지점으로부터, 즉 전극 간격이 최소인 지점으로부터 밀어내어지고, 그 결과 아크는 짧은 탈이온화 시간에 걸쳐 확대된다.

상기 전류 경로 제한 수단은, 각각 할당된 종방향 전극의 잔여 재료의 전기 전도율과 상이한 전기 전도율을 갖는 전류 경로 제한 핀 및/또는 전류 경로 제한 판을 갖는 것이 바람직하다. 전류 경로 제한 핀을 통해 특정 영역에서 전극 내 전류 경로를 제한하거나 종방향 전극의 한 영역 안에 묶을 수 있으며, 이때 한 변형에에 따라, 말하자면 내부에 전류 경로 제한 핀이 연장되는 전극 재료보다 더 큰 전기 전도율을 전류 경로 제한 핀이 가질 경우, 상기 영역은 전류 경로 제한 핀 자체이다. 이와 다르게 전류 경로 제한 핀은, 전류 경로 제한 핀을 에워싸는 전극 재료보다 전기 전도율이 더 낮은 절연 재료로 제조된다. 이와 같은 실시예에 따라 전류는 강제적으로 전류 경로 제한 핀 주위를 흐르고 전극의 잔여 영역에서 확산된다. 전류 경로 제한 판은, 상기 전류 경로 제한 판이 배치되는 전극의 잔여 재료보다 더 작은 전기 전도율을 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

한 변형예에 있어서 각각의 종방향 전극은 금속의 전극 베이스 및 전극 캡을 가지며, 상기 전극 캡은 전극 베이스의 베이스 재료보다 더 작은 전기 전도율을 갖는 캡 재료로 제조된다.

상기 전극 캡은 흑연으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전극 캡이 버섯 머리 형상으로 설계되고 반구형 차폐 영역 및 이 차폐 영역과 연결된 핸들 영역을 갖는다. 이때 차폐 영역 및 핸들 영역은 리세스라고도 부를 수 있는 내부 중공실을 제한한다. 이미 위에서 언급한 것처럼, 내부 중공실 또는 리세스는 전류가 강제적으로 핸들 영역 내에서 또는 차폐 영역 내에서 확산하므로, 소정의 적절한 전류 경로가 강제된다.

본 발명에서 이와 관련하여 적절한 실시예에 따르면, 전극 베이스와 전극 캡 사이에 전류 경로 제한 판이 배치되고, 전류 경로 제한 핀이 전류 경로 제한 판을 통해 핸들 영역 안에서 연장하며, 전류 경로 제한 판과 전류 경로 제한 핀이 전극 캡의 재료 및/또는 전극 베이스 재료와 다른 전도율을 갖는 재료로 제조된다. 전류를 전극 베이스로부터 핸들 영역을 통해 중앙에서 전극 캡의 차폐 영역을 흐르도록 하거나 또는 전체 길이에 걸쳐 전극 캡의 반구 형상 차폐 영역을 통해 흐르도록 하는 것이 전류 경로 제한 핀, 전류 경로 제한 판 및 내부 중공실에 의해 목적한 대로 가능해진다. 그러므로 아크가 빠르게 초기 전극 공간으로부터 내몰려 확대될 수 있도록 하는 그와 같은 방향이 전류에 강제될 수 있으며, 예를 들어 더 짧은 탈이온화 시간이 스파크 갭을 위해 조정된다.

상기 전극 어레이가 종방향으로 대향하는 2개의 종방향 전극 및 이와 관련하여 횡방향으로 오프셋되어 있는, 스파크 갭을 능동적으로 점화하기 위한 측면 전극을 가지며, 상기 전류 경로 제한 핀은 종방향으로 연장하며 전극 캡 및 전류 경로 제한 판의 재료보다 더 큰 전도율을 갖는다. 이와 다른 변형예의 경우 측면 전극이 제공되어 있지 않다. 오히려 스파크 갭이 2개 또는 그 이상 직렬 접속된 전극 어레이를 갖는다. 상기 직렬 접속의 각각의 전극 어레이는 각각 2개의 종방향 전극을 갖는다. 서로 직렬 접속되어 연결된 종방향 전극들은 스파크 갭의 작동시 공동의 중간 전압 전위에 있다. 상기 직렬 접속의 각각의 전극 어레이는 일반적으로 별도의 하우징 안에 배치되어 있다.

만약 본 발명의 범위에서 하나의 전극 어레이만이 제공되면, 이와 같은 전극 어레이는 상기 종방향 전극과 관련하여 횡방향으로 오프셋 배치된 상기 측면 전극을 가지는 것이 바람직하다. 그와 같은 전극 어레이에 있어서 종방향 전극은 하나의 전극 핀을 가지는 것이 바람직하며, 이와 같은 전극 핀은 종방향으로 연장해 있으며 전극 캡 및 전류 경로 제한 판의 재료보다 더 큰 전도율을 갖는다. 측면 전극이 이용되면, 초기 아크가 종방향 전극들 사이에서 발생하지 않고 오히려 종방향 전극과 측면 전극 사이에서 각각 연소한다. 측면 전극은 스파크 연소측에 및 종방향 전극 측면에 배치된다. 전도율이 더 크기 때문에 스파크 전류가 전류 경로 제한 핀에 의해 흐르고, 전류 경로 제한 핀은 종방향으로 및 대향하는 종방향 전극 방향으로 연장해 있다. 이때 상기 전류 경로 제한 핀은 한쪽 단부를 이용해 반구 형상 차폐 영역 안으로 들어가고 그곳으로부터 측면에서 초기 아크의 풋 쪽으로 흐르며, 이것은 측면 전극 때문에 종방향 측면에서 종방향 전극에 형성되어 있다. 상기 전류 경로 제한 판은 전극 베이스와 전극 캡을 분리하므로, 전류 경로의 형성을 위해 전극 베이스와 전극 캡 사이에 어떤 직접적 접촉도 존재하지 않는다. 이와 같은 방식으로 기생 전류 경로가 억제된다. 전류가 종방향 전류 경로 제한 핀으로부터 나올 때 이것은 측면에서 전극 캡을 통해 종방향 전극에 있는 아크의 풋 쪽으로 흐른다. 그러므로 상기 전류 경로는 방출점과 관련하여 한 각도를 펼치며, 이와 같은 각도는 180°와는 상당히 다르며 예를 들어 10°와 90°사이에서 가변적이다. 그러므로 아크 및 캡 영역으로 이루어지는 전류 경로 일부에 의해 도체 루프가 형성되고, 아크가 초기 지점, 즉 종방향 전극과 측면 전극 사이의 간격이 최소인 지점으로부터 내몰리는 결과로, 이와 같은 루프는 자력 때문에 벌어지는 경향을 갖는다.

만약 본 발명의 범위에서 전극 어레이들의 직렬 접속이 제공되면, 이와 관련하여 다른 실시예가 적용된다. 상기 실시예에 있어서 종방향으로 연장하는 전극 핀 및 전류 경로 제한 판이 전기 비전도성 절연 재료로 이루어지고, 전류 경로 제한 판은 전극 베이스를 표면의 일부분에서만 전극 캡으로부터 분리한다. 분리 영역은 각각의 종방향 전극의 스파크 연소측에 배치된다. 잔여 표면은 전류 경로의 형성을 위해 이용된다. 본 발명의 이와 같은 실시예에서 측면에서 오프셋된 측면 전극이 제공되어 있지 않으므로, 아크가 초기에 종방향 전극들 사이에서 종방향으로 형성된다.

절연성 전류 경로 제한 핀을 통해 및 각각의 종방향 전극의 스파크 연소측에서만 전극 베이스와 전극 캡 사이에 직접적 접촉을 억제하는 절연성 전류 경로 제한 판을 통해 상기 전류는 공급 라인측에서 측면에서 전극 캡의 반구 형상 차폐 영역에 의해 아크 풋 쪽으로 흐르도록 강제되며, 다시 방향 전환점과 관련한 한 각도가 전류 경로의 아크 풋에서 펼쳐지며 130°와 10° 사이에서 가변적이다. 또, 이미 위에서 언급한 것처럼, 전류 경로의 일부를 통해 도체 루프가 형성되므로, 아크가 초기 전극 연소 지점으로부터 전극 암으로 내몰린다.

상기 전극들은 전극 어레이의 공동의 스파크 연소측에 연장하는 전극 암을 갖는 것이 바람직하다. 수직 어레이의 전극 암 및 경우에 따라서는 측면 전극의 전극 암은 하나의 공동 평면에 배치되는 것이 장점이다. 만약 전극 어레이가 측면 전극을 가지면, 이것 역시 종방향 전극의 전극 암을 통해 펼쳐진 한 평면에 배치되는 것이 바람직하다.

종방향 전극들의 전극 암들이 그 간격이 커지면 자유단 쪽으로 벌어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 유리한 방식에 따르면 전극 암들의 상호 간격이 자유단 쪽으로 커진다. 그러므로 전극 어레이로부터 자력을 통해 내몰리는 아크가 이어서 간격이 최대인 지점 쪽으로 전극 암의 자유단에서 한층 단축된 탈이온화 시간 동안 돌아다닌다.

스파크 갭의 전극 어레이의 종방향 전극들에 대한 전기 공급 라인들 양자는 공동으로 동일한 쪽에 배치되며, 이와 같은 쪽이 여기서는 공급 라인측이라 부르며 스파크 연소측의 맞은편이 된다. 이때 상기 공급 라인은 전극 어레이에 형성된 아크에 대하여 기본적으로 횡방향으로 연장하는 것이 바람직하다. 각각의 전극 어레이의 공급 라인측에 전기 공급 라인의 공동 배치 및 상기 횡방향으로 동시적 정렬 때문에, 자기장이 형성되고, 이와 같은 자기장은 전기 어레이에서 형성되는 아크를 전극들 사이의 간격이 최소인 지점으로부터 전극 암으로 몰아내고, 이와 같은 전극 암은 전극 어레이에서 공급 라인측에 배향한 스파크 연소측에 배치되어 있다.

하나 이상의 예비 전극이 제공되는 것이 바람직하며, 이와 같은 예비 전극은 종방향 전극의 전위와 동일한 전위에 있으며, 전극 암들 사이에서 연소하는 아크가 예비 전극들에 튀도록, 각각의 예비 전극이 전극 암의 자유단과 관련하여 배치되어 있다.

위에서 이미 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 전극 어레이는 환경적 영향으로부터 보호하기 위해 하나 이상의 하우징 내에 배치되며, 이와 같은 하우징은 공간상 제약으로 임의적 크기를 가질 수는 없다. 상기 하우징은 예를 들어 금속 하우징이며, 하우징 벽은 어느 한 전위에 있으며 아크를 위해 전극을 나타낼 수도 있다. 그러므로 너무 넓게 확산되는 아크는 하우징에도 도달할 수도 있을 것이며 하우징을 고열 때문에 손상시킬 수도 있을 것이다. 또한, 하우징을 통하는 전류 흐름이 형성될 수도 있다. 이점 역시 바람직하지 않다. 아크의 제어받지 않은 형성이 단점이 된다. 이와 같은 이유로 하나 이상의 예비 전극이 제공되며, 예비 전극은 종방향 전극들 중 어느 하나가 있는 고전압 전위에 있는 것이 바람직하다. 상기 예비 전극의 기하학적 배치 및 이와 관련한 변경된 전원 공급 때문에 아크가 예비 전극으로부터 다시 전극 어레이의 전극 암에 돌아가거나 또는 그외 예비 전극에 돌아간다. 그러므로 본 발명의 그와 같은 실시예의 범위에서 아크는 상기 전극 암으로부터 전극 암으로 내몰리고, 이어서 이와 같은 전극 암의 단부로부터 아크가 하나 이상의 예비 전극으로 넘어간다. 그러므로 예비 전극은, 아크가 하우징 벽으로 튀기 전에, 경우에 따라서는 그외 예비 전극의 지원을 받아 상기 아크를 수집한다.

본 발명의 그외 적절한 실시예들 및 장점들은 도면을 참고한 본 발명의 실시예의 하기의 상세한 설명의 대상이 되며, 동일한 도면 부호는 동일한 효과를 갖는 부품을 가리킨다.

도 1은 본 발명에 따른 스파크 갭의 전극 어레이의 한 실시예에 관한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스파크 갭의 전극 어레이의 또 다른 실시예에 관한 도이다.
도 3은 도 2에 따른 스파크 갭의 종방향 전극의 평면도로서, 전극 캡이 제거되어 있다.
도 4는 측면 전극을 갖는 본 발명에 따른 스파크 갭의 전극 어레이의 또 다른 실시예에 관한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스파크 갭의 전극 어레이의 또 다른 실시예에 관한 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 스파크 갭의 전극 어레이의 또 다른 실시예에 관한 도이다.

도 1에는 본 발명에 따른 스파크 갭(1)의 한 실시예가 도시되어 있으며, 상기 스파크 갭은 제1 종방향 전극(3) 및 제2 종방향 전극(4)을 포함하는 전극 어레이(2)를 갖는다. 전극 어레이(2)는 도면에 도시되지 않은 또 다른 전극 어레이와 직렬로 접속된다. 이때 각각의 전극 어레이(2)는 별도의 하우징 안에 배치되어 있다. 상기 2개의 직렬 접속 종방향 전극은 스파크 갭(1)의 작동시 중간 전압 전위에 있다. 도 1에 도시된 전극 어레이(2)의 경우에 종방향 전극(3)은 고전압 전위에 그리고 종방향 전극(4)은 중간 전압 전위에 있다. 각각의 종방향 전극(3 또는 4)이 전극 베이스(5) 및 전극 캡(6)을 가지는 것을 알 수 있다. 이때 종방향 전극들(3, 4)은 종방향으로 마주한다. 더 정확하게 말하면, 종방향은 서로 최소의 간격을 갖는 각각의 종방향 전극들 상의 점들에 의해 연장된다. 또한, 각각의 종방향 전극(3, 4)은 상기 종방향으로 연장되는 전극 핀(7)을 구리로 이루어진 전류 경로 제한 핀으로서 갖는다. 전극 베이스(5)는 알루미늄으로 제조되고, 전극 캡(6)은 흑연으로 이루어진다. 또한, 도 1에서는 전기 공급 라인(8과 9)이 전극 어레이(2)의 공통 공급측에서 상기 종방향에 대하여 횡방향으로 연장되며, 각각의 종방향 전극(3 또는 4)의 전극 베이스(5)와 연결되는 것을 알 수 있다.

상기 전기 공급측 반대편을 향하는, 전극 어레이(2)의 스파크 연소측에서 전극 암들(10, 11) 역시 횡방향으로 연장되며, 각각의 전극 암(10, 11)은 각각 할당된 종방향 전극(3 또는 4)의 전극 베이스(5)와 연결된다. 전극 베이스(5)의 전기 공급 라인(8, 9)과 전극 암(10, 11)은 각각 알루미늄으로 이루어지며, 모두 하나의 공통 평면에 위치한다. 각각의 전극 암(10 또는 11)의 자유단에 연소 영역(12 또는 13)이 각각 형성되며, 이와 같은 연소 영역은 고내열성을 갖는 재료로 이루어지므로, 거기에서 연소되는 아크는 최소의 손상을 야기한다. 또한, 도 1에 개략적으로 도시된 초기 아크(14)는 종방향 전극들(3과 4) 사이의 간격이 최소인 지점에서 발생한다. 또한, 전류 경로(15)가 도시되어 있으며 전류 흐름의 방향이 화살표로 표시되어 있다.

스파크 갭(1)의 점화 후 흐르는 전류는 먼저 전극 베이스(5)의 알루미늄에서 그리고 다음에 구리로 이루어진 전극 핀(7)에서 종방향으로 흐르며, 거기로부터 역시 종방향으로 흘러 아크(14) 안으로 들어가 종방향 전극(4)의 전극 핀(7)을 통해 다시 방출된다. 상기 전극 어레이(2)의 같은 쪽에, 즉 공급 라인측에 전기 공급 라인(8과 9)이 배치되고, 공급 라인들(8, 9)이 병렬로 배향됨으로써 자기장이 형성되고, 이와 같은 자기장은 초기 점화의 지점으로부터 전극 암(10 또는 11)의 자유단(12 또는 13) 쪽으로 아크(14)를 밀어낸다. 따라서 이 경우, 스파크 갭(1)의 발생 지점으로부터 빠르게 아크가 전극 암으로 밀려 이동된다.

도 2에는 본 발명에 따른 스파크 갭(1)의 또 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기서는 각각의 종방향 전극(3 또는 4)이 전류 경로 제한 수단을 가지며, 상기 전류 경로 제한 수단은 전극 핀(7), 전극 베이스(5)와 전극 캡(6) 사이에 부분적으로 배치된 전류 경로 제한 판(24) 및 전극 캡(6)의 적절한 기하학적 구성을 통해 형성된다. 전극 캡(6)은 각각 버섯 머리 형상으로 설계되어 내부의 길다란 핀 영역(16) 및 반구형 차폐 영역(17)을 갖는다. 상기 핀 영역(16) 및 차폐 영역(17)은 리세스라고도 할 수 있는 내부 중공실(18)을 제한한다. 전극 핀(7)은 여기에서 전기적 비전도성 절연 재료로 이루어진다. 전류 경로 제한 판(24) 역시 전극 베이스(5) 및 전극 캡(6)의 전기 전도율보다 훨씬 더 작은 전기 전도율을 갖는다. 이때 전류 경로 제한 판(24)은 전극 캡(6)과 전극 베이스(5) 사이의 스파크 연소측에만 배치되고, 그쪽에서만 상기 부품들의 직접적 접촉을 억제한다. 그러므로 전류 경로(15)는, 전극 핀(7)과 전류 경로 제한 판(24)의 전기 전도율이 차폐 영역(17)의 흑연에 비해 더 나쁘기 때문에, 차폐 영역(17) 내 전기 공급측에 형성되며, 그곳으로부터 아크(14)로 넘어가고 그곳으로부터 다시 종방향 전극(4)의 차폐 영역(17) 안으로 들어온다. 이와 같은 경우에 전류 경로의 방향 변경은 방향 전환점들에서 이루어진다. 그러므로 상기 방향 전환점과 관련하여 전류 경로는, 도면에 도시된 실시예에서 약 130°일 수 있는 각도로 벌어진다. 전류 경로에서 도 1과 비교할 때 아크 방출점 쪽으로 이동된 꺾임부가 전류 루프를 아크 쪽으로 가늘게 하여 그 지점에서 루프 내부에 전류에 의해 형성된 자기장을 압축시킴으로써 초기 점화 지점으로부터 전극 암(10 또는 11)으로 아크를 밀어내는 것을 지원한다. 스파크 갭(1)의 탈이온화 시간은 도 1에 도시된 실시예에 비해 단축되는데, 이는 이러한 바람직한 전류 경로의 거동이 아크 바로 가까이에서 조정되기 때문이다.

도 3은 도 2에 따른 스파크 갭(1)의 종방향 전극(4)의 평면도이지만, 전극 캡(6)이 제거되어 있다. 전류 경로 제한 판(24)은 도면에 도시된 실시예에서 하나의 환형 세그먼트로만 이루어지므로 전극 베이스(5)를 완전히 덮고 있는 것이 아니라 부분적으로만 덮고 있으며, 스파크 연소측에, 다시 말해 전극 암(10, 11)을 향해 배치됨을 알 수 있다. 그러므로 공급 라인측에 전극 베이스(5)와 전극 캡(6) 사이의 직접 접촉이 제공된다. 이와 같은 실시예에 대한 대안으로서 전류 경로 제한 판은 2개의 세그먼트로 형성될 수 있으며, 이 경우 공급 라인측에서 전류 경로의 형성을 위한 전도성이 우수한 환형 세그먼트를 가질 수 있다.

도 4에는 본 발명에 따른 스파크 갭(1)의 또 다른 실시예가 도시되어 있으며, 여기서 전극 어레이(2)는 도 4에 따른 실시예처럼 다시 종방향 전극(3 또는 4) 및 측면 전극(20)을 갖는다. 전극 어레이(2)의 전류 경로 제한 수단은 전류 경로 제한 판(24), 종방향으로 전류 경로 제한 판(24)을 관통하여 연장되는 전극 핀(7), 및 버섯 머리 형상의 전극 캡(6)을 통해 구현된다. 도 4에 도시된 실시예의 경우에 각각의 전극 핀(7)은 구리로, 즉 전극 베이스(5)의 알루미늄, 전극 캡(6)의 흑연 및 전류 경로 제한 판(24)의 재료와 비교할 때 전도율이 더 나은 재료로 이루어지므로, 전류 경로(15)는 먼저 전기 공급 라인(8)의 알루미늄, 전극 베이스(5)의 알루미늄 및 구리 전극 핀(7)에서 종방향으로 형성되어, 제1 방향 전환점의 형성 하에 측면에서 반구 형상의 차폐 영역(17)으로 넘어가고 그외 방향 전환점의 형성 하에 방출점(19)에서 꺾여서 아크(14) 안으로 흘러갈 수 있다. 그에 상응하게 아크 근처로의 큰 각도 변화는 종방향 전극(4)에서 조정된다. 이러한 상당한 각도 변화로 인해 각각 거의 하나의 도체 루프가 형성되므로, 아크가 매우 빠르게, 전극 간격들이 더 큰 경우에도, 전극 암(10, 11) 안으로 밀려 이동된다.

도 5에 도시된, 본 발명에 따른 스파크 갭(1)의 또 다른 실시예에서는 전극 어레이(2) 외에도 예비 전극(23)이 제공된다. 예비 전극(23)은 전극 암(10 또는 11)과 관련하여, 본 발명에 따라 형성되는 자기장에 의해 가속되는 아크가 전극 암(10, 11) 안으로 밀려나서 결국 예비 전극(23)에 의해 제어되어 모이도록 배치된다. 상기 효과를 설명하기 위해, 도 6에는 여러 시점들에서의 아크 패턴들이 도시되어 있으며, 아크(14)의 연소 시간이 증가할수록 지수가 커진다. 초기 아크는 또 도면 부호 14를 갖는다. 초기 아크는 종방향 전극(3 또는 4) 사이의 간격이 최소인 지점에서 발생한다. 자력 때문에 아크(14)는 전극 영역으로부터 밀려나오며, 아크 패턴들(14₂, 14₃, 14₄, 14₅)에서 알 수 있듯이 전극 암(10 또는 11)의 자유단(12 또는 13)을 향해 나아간다. 여기서 아크는 도면 부호 14₅로 표시된 경로로부터 경로(14₆) 쪽으로 불룩해져서 마지막에는 경로(14₇)로 표시된 것처럼 예비 전극(23)과 종방향 전극(4)의 전극 암(11) 사이에서 연소한다. 예비 전극(23)은 종방향 전극(3)과 동일한 전위에 있다. 이와 같은 경우에 전류 거동이 변하는데, 이는 스파크 전류가 도 5에서 화살표로 표시된 것처럼 이제는 예비 전극을 통해 흐르기 때문이다. 자기장이 조정되기 때문에 아크는 예비 전극으로부터 다시 전극 암(10과 11)으로 되돌아가고 예를 들어 경로(14₈)를 갖는다. 경로(14₉)는 예비 전극(23)과 전극 암(10) 사이의 상호 작용이 조정되는 것을 보여준다.

도 6에 도시된, 본 발명에 따른 스파크 갭(1)의 또 다른 실시예에서는, 전극 암(10, 11)이 도 5에 도시된 것처럼 더 이상 서로 평행하게 연장되는 것이 아니라 자유단 쪽으로 그 간격이 확대되어 있다. 전극 암(10, 11)이 서로 벌어진 상태에서도 아크의 안전한 포획(capture)이 가능하도록 하기 위해, 2개의 예비 전극(23)이 제공되어, 역시 전극 암(10과 11)의 자유단과 관련하여 아크(14)가 포획될 수 있도록 배치된다. 도 6에서도 여러 시점에서의 아크 패턴들이 도시되어 있으며, 도면 부호(14)의 지수는 아크의 연소 시간이 증가할수록 커진다. 아크 패턴들(14, 14₂, 14₃, 14₄, 14₅)에서 알 수 있듯이, 아크는 본 발명에 따라 야기된 자력을 통해 전극 암(10, 11)의 자유단 쪽으로 밀려 이동된다. 아크 패턴(14₆)으로부터, 아크가 스파크 갭(1)의 하우징(미도시)으로 튈 위험이 있을 정도로 아크가 강하게 팽창한다는 것이다. 그러나 이는 도 6의 상단부에 도시된 예비 전극(23)에 의해 억제되며, 아크(14₇)는 상기 상부 예비 전극으로 가장 먼저 튄다. 그 후 전류 흐름의 방향이 바뀜으로써 아크(14₈)는 하측의 예비 전극(23)으로 튀며, 다시 새로운 전류 흐름이 설정된다. 이런 전류 흐름은 아크(14₉)가 상측 예비 전극(23)으로 되튀도록 함으로써, 상측과 하측 예비 전극(23) 사이의 상호 작용이 조정된다. 상기 예비 전극들(23)은 하우징 및 전체 스파크 갭의 소형화를 가능하게 한다.

Claims

서로 대향하는 전극(3, 4, 20)을 갖는 전극 어레이(2)를 포함하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭(1)에 있어서,
상기 전극(3, 4, 20)은, 전극(3, 4, 20) 내에 희망하는 전류 경로를 강제하기 위한 전류 경로 제한 수단(7, 16, 17)을 적어도 부분적으로 갖는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제1항에 있어서, 상기 전류 경로 제한 수단(16, 17)은 각각 할당된 전극(3, 4, 20)의 내부에 있는 리세스들(18)을 제한하는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류 경로 제한 수단은, 각각 할당된 전극(3, 4, 20)의 잔여 재료의 전기 전도율과 상이한 전기 전도율을 갖는 전류 경로 제한 핀(7) 및/또는 전류 경로 제한 판(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전극(3, 4, 20)은 금속성 전극 베이스(5) 및 전극 캡(6)을 가지며, 전극 캡은 전극 베이스(5)의 베이스 재료보다 더 작은 전기 전도율을 갖는 캡 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제4항에 있어서, 상기 전극 캡(6)이 흑연으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 전극 캡(6)이 버섯 머리 형상으로 설계되고 반구 형상 차폐 영역(17) 및 긴 핸들 영역(16)을 가지며, 이들은 각각 중공실(18)을 제한하는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제6항에 있어서, 전극 베이스(5)와 전극 캡(6) 사이에 전류 경로 제한 판(24)이 배치되고, 전류 경로 제한 핀(7)이 전류 경로 제한 판(24)을 관통하여 핸들 영역(16)에서 연장되며, 상기 전류 경로 제한 판(24)과 전극 핀(7)은 전극 캡(6)의 재료 및/또는 전극 베이스(5)의 재료와 상이한 전도율을 갖는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제7항에 있어서, 상기 전극 어레이(2)는 종방향으로 마주하는 2개의 종방향 전극(3, 4)과, 이와 관련하여 횡방향으로 오프셋되어 있으며, 스파크 갭(1)을 능동적으로 점화하기 위한 측면 전극(20)을 가지며, 상기 전류 경로 제한 핀(7)은 종방향으로 연장하며 전극 캡(6) 및 전류 경로 제한 판(24)의 재료보다 더 큰 전도율을 갖는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제8항에 있어서, 종방향으로 연장하는 전류 경로 제한 핀(7) 및 전류 경로 제한 판(24)이 전기 비전도성 절연 재료로 이루어지고, 전류 경로 제한 판(24)은 부분적으로만 전극 베이스(5)와 전극 캡(6) 사이에 연장되는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(3, 4, 20)은 전극 어레이(2)의 공통 스파크 연소측에서 연장하는 전극 암(10, 11, 22)을 가지는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제10항에 있어서, 상기 전극 암(10, 11)은 전극 암 사이의 간격 확대 하에 자유단(12, 13) 쪽으로 벌어지는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 어레이(2)는 종방향으로 마주하는 2개의 종방향 전극(3, 4) 및 측면 전극(20)을 가지며, 측면 전극은 종방향 전극(3, 4)과 관련하여 스파크 연소측에 대해 횡방향으로 오프셋 배치되며 스파크 연소측에서 횡방향으로 연장하는 전극 암(22)을 갖는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제12항에 있어서, 모든 전극 암(10, 11, 22)이 하나의 공통 평면 내에 연장되는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 예비 전극(23)이 종방향 전극들(3, 4)의 전위와 동일한 전위에 있으며, 각각의 예비 전극(23)은 종방향 전극(3, 4)의 자유단과 관련하여, 전극 암(10, 11) 사이에서 연소하는 아크가 상기 예비 전극(23)으로 튀도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 과전압 보호의 제공을 위한 스파크 갭.