KR20130142049A

KR20130142049A - 아크 유도형 침부 접지봉구조체

Info

Publication number: KR20130142049A
Application number: KR1020120100584A
Authority: KR
Inventors: 안천호
Original assignee: 주식회사 대농엔지니어링
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-12-27

Abstract

본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉은, 황동의 재질의 복수개의 침 전극들에 의해 고전압의 뇌전압(雷電壓)에도 침 전극이 변형되는 단점이 해소되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉은 전위차 100V 이상시, 아크 방전으로 뇌에너지를 1/200으로 감소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉은 통신설비의 최다 장애요인인 역서지 피해를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

아크 유도형 침부 접지봉구조체{ An earth bar }

본 발명은 아크 유도형 침부 접지봉(接地棒)구조체에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 침 전극부의 각 침 전극이 저전압에서도 작동되는 황동전극으로 형성되어 고전압의 뇌전압(雷電壓)에도 침 전극이 녹는다거나 휘어지는 단점을 해소되어 접지봉의 수명이 연장되게 되어 저렴한 비용으로 유지할 수 있으며 저전압에도 민감한 교환기나 모뎀과 같은 전자기기를 안정적으로 사용하는 것이 가능한 아크 유도형 침부 접지봉구조체에 관한 것이다.

일반적으로, 피뢰기는 전력계통에 발생되는 과전압(개폐 및 뇌과전압)으로 부터 비자기회복절연(non-self restoring insuation) 특성을 갖는 발전기, 변압기, 리액터(reactor), 케이블 및 GIS 모선 등의 절연(絶緣)을 보호하는 설비로서, 정상적인 계통 운전상태에서는 계통과 분리된 상태를 유지하다가, 서지 침입시 서지에너지를 대지로 방전시키는 역할을 하도록 설치된다.

즉, 배전계통에 이상전압이 침입되면 피뢰기는 급준한 서지를 억제하기 위하여 신속하게 뇌전류를 대지로 방류하여야 한다.

그러나, 배전선로에 설치되는 피뢰기의 경우 주상에 설치되기 때문에 피뢰기 리드선의 길이, 피뢰기 접지저항 등의 제반여건은 피뢰기의 보호특성에 제약을 준다. 이러한 여러 제약중 뇌전류가 피뢰기의 리드선과 접지극을 통하여 방류되는 과정에서 서지전류에 의한 접지 임피던스의 증가로 대지전위가 상승하게되어 피뢰기의 보호범위를 축소시키고, 대전력 설비기기, 통신 및 약전류 계통, 건축설비 등의 피보호기기에 인가되는 전압이 커져 피뢰기의 설치 목적을 상실하게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 아크유도형 접지봉의 사용상태도 이다.

도시된 바와 같이, 지상에 설치되는 각종 전력 설비기기, 통신계통, 건축설비 등의 피보호기기를 천둥, 번개시 발생되는 뇌전류에 의한 이들의 절연파괴 및 이들의 오작동되는 것을 방지할 수 있도록 이들과 접지되는 동피막된 철심봉을 지중에 소정간격으로 매설시켰다.

전술한 바와 같은 목적으로 매설되는 파이프형상의 철심봉은 가격이 저렴하며, 시공방법 및 보수유지가 용이하여 사후 관리가 수월한 이점을 갖게 된다.

이와 반면에, 전술한 파이프형상의 철심봉은 접지극 간의 이격거리가 협소하여 타 접지극으로의 역류되는 전압으로 인해 피뢰기를 포함한 배전계통, 전력기기 등이 절연파괴되거나, 또는 이들 기기의 오작동으로 인해 통신장애가 발생될 수 있는 문제점을 갖게된다.

또한, 대지표면 저항에 따른 지중방전이 상단 부터 발생하게되어 인명피해 등의 안전사고가 발생될 수 있는 문제점을 갖게된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 등록특허 10-339924호에 '아크 유도형 침부 접지봉'이라는 발명을 출원하여 이러한 문제점을 해결하였으나, 상기 특허에서는 침 전극부의 침 전극이 스테인레스로 제조되어 사용되므로 높은 이상전압에서는 스테인레스로된 침 전극이 녹아내려서 침 전극과 방전관이 서로 연결되게 되어 아크가 발생되지 않으므로 접지봉의 수명이 다하게 되어 접지봉의 기능을 수행할 수가 없어 접지봉의 수명이 단축되게 되며, 상기 침 전극이 설치되는 침홀더가 일정한 간격으로 복수개가 배치되게 형성되므로 접지봉의 제조가 복잡하게 되어 제조가가 높아지게 되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록번호 10-339924

본 발명의 목적은, 상기 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고전압의 뇌전압(雷電壓)에도 침 전극이 변형되는 단점이 해소되고 접지봉의 수명이 연장되게 되어 저렴한 비용으로 유지할 수 있으며 저전압에도 민감한 교환기나 모뎀과 같은 전자기기를 안정적으로 사용하는 것이 가능한 아크 유도형 침부 접지봉구조체를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 이러한 목적은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 지상에 설치되는 피보호기기를 뇌전류(雷電流)에 의한 절연파괴 및 오작동으로부터 방지할 수 있도록 상기 피보호기기와 접지되어 건물 옥상 또는 지중에 매설되는 접지봉구조체에 있어서, 복수의 침 전극이 나선형태로 상하로 일정간격으로 이격되게 형성된 복수의 침 전극부가 구비된 접지봉과, 상기 접지봉이 내측에 수납되며 상기 접지봉의 복수의 침 진극부와의 사이에 아크가 발생되는 원통형 방전관과, 상기 접지봉의 상기 침 전극부의 상부에 배치되며 상기 접지봉과 방전관사이를 절연상태로 고정시키는 절연재부를 포함하고, 상기 접지봉은 상부에는 절연재부가 배치되고, 상기 절연재부의 하부에는 나선형태로 연속적으로 일정간격으로 이격되게 배치된 복수의 침 전극부가 배치되고, 상기 침 전극부의 하부에 설치되며 상용주파 고장전류에 대해 상기 방전관에 이르는 경로를 제공하며 서지성 고주파 고장전류에 대해 상기 침 전극부와 상기 방전관 사이에 전위차를 주어 아크의 발생을 유도하는 아크 유도형 코일이 설치되고, 상기 아크 유도형 코일의 하부에는 상기 방전관의 하부에 나사결합되는 쐐기형 고정부가 설치되고, 상기 침 전극부의 침 전극은 황동전극이 사용된 본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체에 의하여 달성된다.

본 발명의 이러한 목적은, 상기 침 전극부의 침 전극은 황동전극이 사용된 본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체에 의하여 달성된다.

본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체는, 황동의 재질의 복수개의 침 전극들에 의해 고전압의 뇌전압(雷電壓)에도 침 전극이 변형되는 단점이 해소되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체는 전위차 500V 이상시, 아크 방전으로 뇌에너지를 1/200으로 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체는 통신설비의 최다 장애요인인 역서지 피해를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 아크 유도형 접지봉구조체의 사용 상태도.
도 2는 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체의 분리 사시도.
도 3은 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체의 단면도.
도 4는 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체의 사용 상태도.
도 5는 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체에 인가되는 인가전압과 시간과의 상관관계를 도시한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체의 분리 사시도이며, 도 3은 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체의 단면도이다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 지상에 설치되는 각종 전력 설비기기, 통신계통, 건축설비 등의 피보호기기를 천둥, 번개시 발생되는 뇌전류에 의한 이들의 절연파괴 및 이들의 오작동되는 것을 방지할 수 있도록 지중 또는 건물의 옥상에 매설되어 피보호기기와 접지되는 접지봉구조체에 적용된다. 이때, 이들의 전기 회로적인 설명은 동업종 분야에서 통상적으로 사용하는 것에 속하다 할 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체(A)는, 복수의 침 전극(14)이 나선형태로 상하로 일정간격으로 이격되게 형성된 복수의 침 전극부(14)가 구비된 접지봉(17)과, 상기 접지봉(17)이 내측에 수납되며 상기 접지봉(17)의 복수의 침 전극부(14)와의 사이에 아크가 발생되는 원통형 방전관(20)을 포함하고, 상기 접지봉(17)의 상기 침 전극부(14)의 상부에 배치되며 상기 접지봉(17)과 방전관(20)사이를 절연상태로 고정시키는 절연재부(12)를 포함한다.

상기 접지봉(17)은 그 상부에 상기 피보호기기의 접지선과 케이블을 통하여 리드단자(10)가 전기적으로 접속됨에 따라, 천둥, 번개 발생시 고장전류가 상기 리드단자(10)를 통하여 최초로 지중으로 유입되는 것이다.

상기 접지봉(17)은 상부에는 절연재부(12)가 배치되고, 상기 절연재부(12)의 하부에는 나선형태로 연속적으로 일정간격으로 이격되게 배치된 복수의 침 전극부(14)가 배치되고, 상기 침 전극부(14)의 하부에 설치되며 상용주파 고장전류에 대해 상기 방전관(20)에 이르는 경로를 제공하며 서지성 고주파 고장전류에 대해 상기 침 전극부(14)와 상기 방전관(20) 사이에 전위차를 주어 아크의 발생을 유도하는 아크 유도형 코일(18)이 설치되고, 상기 아크 유도형 코일(18)의 하부에는 상기 방전관(20)의 하부에 나사결합되는 쐐기형 고정부(19)가 설치되어 있다.

상기 절연재부(12)는 에폭시 수지, 폴레에틸렌, 폴리프로필렌, 베이클라이트와 같은 절연성 재료가 사용됨이 바람직하다.

상기 접지봉(17)의 나선형태로 연속적으로 형성된 침 전극부(14)는 그 길이를 임의로 조절하는 것이 가능하다고 할 것이므로, 필요에 따라 침 전극부(14)의 길이를 가감하여 용이하게 필요한 길이로 설정할 수 있게 되어 요구되는 방전량만큼의 길이를 갖게 하여 조절할 수 있게 되는 것이다.

상기 침 전극부(14)는 전위차 500V 이상시 아크를 발생시켜 에너지를 소호하며, 나선형 배치에 의해 진행파인 뇌서지의 국부방전 방지한다.

본 발명의 제1실시예에서, 상기 침 전극부(14)의 각 침 전극은 황동전극이 사용된다.

본 발명의 제1실시예에서, 상기 침 전극부(14)의 침 전극이 황동전극이 사용되는 경우에는 상기 황동전극은 100V 이하의 저전압에서 미세하게 작동되게 되므로 이러한 100V를 초과하는 저전압에서도 황동전극은 아크가 발생되어 방전이 가능하게 되므로 저전압에 필요한 기기, 예를 들면, 5V의 전기를 사용하는 교환기나 모뎀과 같은 전자기기들을 효과적으로 보호할 수 있게 되는 것이다.

상기 아크 유도형 코일(18)은 임피던스 코일로서, 고주파 임피던스 특성을 이용하여 역서지 전류를 억제하며, 뇌서지 유입시 침 전극부(14)와 방전관(20) 사이의 아크 전압을 유도하고, 상용주파 누설전류를 대지로 방류시키는 전로의 역할을 한다.

상기 방전관(20)은 상용주파 고장전류에 대해 접지극의 단면적을 증가시켜 접지저항을 감소시키며, 서지성 고주파 고장전류에 대해 대지와 접촉으로 인해 영(零) 전위를 유지하여 상기 침 전극부(14)에서 아크가 용이하게 발생하도록 상기 접지봉(17)이 전기적으로 절연되게 함몰 수용된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체(A)는, 접지봉(17)의 상단부에 리드단자(10)가 전기적으로 접속되어 있으므로, 일단 천둥, 번개와 같은 고전압의 고장전류가 발생시에는, 이러한 고장전류가 상기 리드단자(10)를 통하여 최초로 지중으로 유입되고, 리드단자(10)를 통하여 유입되는 고장전류는 상기 접지봉(17)에 장착되는 침 전극부(14)를 경유하여 접지봉(17)의 하단부에 접속되는 아크 유도용 코일(18)을 통하여 쐐기형 고정부(19)로 전달되고, 다시 방전관(20)에 전달되어 방전되는 구조를 갖게 되는 것이다.

본 실시예에서 황동전극으로 된 상기 침 전극부(14)는 전위차 100V 이상시 아크를 발생시켜 에너지를 소호하며, 나선형 배치에 의해 진행파인 뇌서지의 국부적인 방전이 방지되게 되는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 침 전극부(14)가 황동전극의 재질인 경우에는, 저전압의 뇌전압(雷電壓)에도 접지봉(17)이 동작하게 되어 피보호기기가 안전하게 보호되는 장점이 있는 것이다.

도 4는 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉의 사용 상태도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 지상에 설치되는 각종 전력계통, 통신설비, 건축설비 등의 피보호기기를 천둥, 번개 등에 의한 뇌전압으로부터 절연파괴 및 오작동되는 것을 방지할 수 있도록 상기 피보호기기의 지중(地中)으로 다수개의 상기 아크 유도형 침부 접지봉들을 소정 간격으로 타입(打入) 및 매설하게 된다.

즉, 상기 피보호기기의 접지선과 케이블을 통하여 상기 접지봉(17)의 상단에 형성되는 리드단자(10)가 전기적으로 접속됨에 따라, 천둥, 번개 발생시 고장전류가 상기 리드단자(10)를 통하여 최초로 지중으로 유입되는 것이다.

리드단자(10)를 통하여 유입되는 고장전류는 상기 접지봉(17)에 장착되는 침 전극(14)를 경유하여 접지봉(17)의 하단부에 접속되는 아크 유도용 코일(18) 및 쐐기형 고정부(19)를 통하여 방전관(20)에 전달된다.

따라서, 본 발명에 의한 아크 유도형 침부 접지봉구조체(A)는, 상기 방전관(20)에 의해 상용주파 고장전류를 효과적으로 처리할 수 있도록 그 표면적을 증가시키고, 서지성 고주파성 충격전압 및 전류를 효과적으로 처리할 수 있도록 방전관(20)에 전기적으로 절연되도록 내설되는 침부 접지봉(17)에 의해 아크를 유도함에 따라 충격전류를 소모시킬 수 있다.

또한, 상기 침부 접지봉(17)은 시공시 대지에 직접 타입할 수 있고 매설시 되메우는 작업이 불필요하여 작업성이 향상되며, 접촉저항이 증가되지 않는다.

한편, 본 발명의 아크 유도형 침부 접지봉구조체를 현장에 매설시키는 경우, 뇌격전류가 지중으로 방류되는 순간의 아크 발생에 의해 서지 에너지를 소호할 수 있게 된다. 이로 인해, 전력계통의 기기는 물론, 고층 빌등에 설치되는 피뢰침의 접지극, 이동통신 설비의 접지극, 공항의 관제탑에 사용되는 통신장비의 접지극, 군부대의 각종 통신장비의 뇌격에 대한 보호기기의 접지극으로도 사용할 수 있는 것이다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체(A)에 인가되는 인가전압과 시간과의 상관관계를 도시한 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 0 - 20 ㎲의 시간 동안, 실제로 인가전압은 15000 V의 전압까지 급격히 증가하다가 20 - 100 ㎲의 시간 동안, 인가전압은 서서히 감소하여 0 V까지 감소함을 알 수 있다. 즉, 0.5 ㎲ 동안 90%의 최고치의 실제 인가전압이 걸리고 50 ㎲동안 실제 인가전압의 50%가 감소되나, 이에 비하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 아크 유도형 침부 접지봉에 의하여 방류된 인가전압은 0.5 ㎲ 동안 100V이하의 전압이 걸리고 지속된 시간도 5 ㎲ 이하로 지속되게 되는 것을 알 수 있다.

따라서, 방류된 인가전압에 비하여 실제 인가전압은 40배 이상이 높고 지속시간은 40배 길며 총에너지량은 1600 주울(joule)임을 알 수 있다.

다음의 표 1, 표 2, 표 3은 접지봉 인가시험결과를 나타낸다. <표1>에서는 접지봉구조체의 1개, 2개(병렬)설치시의 인가시혐결과를 나타내었으며, <표2>에서는 접지봉구조체의 1개, 2개(병렬) 및 5개 설치시의 인가시험결과를 나타내었으며, <표3>에서는 접지봉구조체의 2개(병렬), 5개(5병렬)의 설치시의 인가시험결과를 나타내었다.

약전용(220V 미만 제어)

약전	정방향	역방향	정방향(병렬)	역방향(병렬)
2 kV	176	188	92	124
5 kV	392	488	152	332
10 kV	750	928	380	600
15 kV	1320	1500	540	884

강전용(22900V ~ 765KV 제어)

강전	정방향	역방향	정방향(병렬)	역방향(병렬)	정방향(5 병렬)	역방향(5 병렬)
2 kV	168	220	58	80	84	28
5 kV	256	344	134	220	148	456
10 kV	544	688	256	416	228	248
15 kV	740	984	344	608	284	300

피뢰용

피뢰	정방향(병렬)	역방향(병렬)	정방향(5 병렬)	역방향(5 병렬)
2 kV	68	344	136	24
5 kV	152	440	196	56
10 kV	280	560	200	104
15 kV	336	696	268	128

본 발명에 따른 아크 유도형 침부 접지봉구조체는 일반적인 접지봉의 제조산업에서는 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.

10. 리드단자 12. 절연재부
14. 침 전극부 17. 접지봉
18. 아크유도형 코일 19. 쐐기형 고정부
20. 방전관

Claims

지상에 설치되는 피보호기기를 뇌전류(雷電流)에 의한 절연파괴 및 오작동으로부터 방지할 수 있도록 상기 피보호기기와 접지되어 건물 옥상 또는 지중에 매설되는 아크 유도형 침부 접지봉구조체(A)에 있어서,
상기 아크 유도형 침부 접지봉구조체(A)는, 상부에 리드단자(10)가 전기적으로 접속됨에 따라, 천둥, 번개 또는 고장전류가 상기 리드단자(10)를 통하여 최초로 지중으로 유입시키는 접지봉(17)과, 상기 접지봉(17)이 내측에 수납되며 상기 접지봉(17)의 침 전극부(14)와의 사이에 아크가 발생되는 원통형 방전관(20)을 포함하고,
상기 접지봉(17)은 상부에는 절연재부(12)가 배치되고,
상기 절연재부(12)의 하부에는 나선형태로 연속적으로 일정간격으로 이격되게 배치된 복수의 침 전극부(14)가 배치되고,
상기 침 전극부(14)의 하부에는 상용주파 고장전류에 대해 상기 방전관(20)에 이르는 경로를 제공하며 서지성 고주파 고장전류에 대해 상기 침 전극부(14)와 상기 방전관(20) 사이에 전위차를 주어 아크의 발생을 유도하는 코일형상으로 형성된 아크 유도형 코일(18)이 설치되고,
상기 아크 유도형 코일(18)의 하부에는 상기 방전관(20)의 하부에 나사결합되는 쐐기형 고정부(19)가 설치되고,
상기 방전관(20)은, 상기 접지봉(17)이 내측에 수납되며 상부는 상기 접지봉(17)의 상기 절연부재(12)에 고정되고 하부는 상기 접지봉(17)의 쐐기형 고정부(19)에 고정되며, 상기 접지봉(17)의 침 전극부(14)와의 사이에서 아크가 발생되게 되며,
상기 접지봉(17)의 침 전극부(14)의 복수의 침 전극(14a)은 황동전극으로 형성된 것을 특징으로 하는 아크 유도형 침부 접지봉구조체.