KR20210076006A - 스파크 갭을 점화하기 위한 배열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인 전극들 중 하나의 메인 전극에 위치되거나 그 내에 위치되고, 이 메인 전극으로부터 절연된 트리거 전극을 이용하여 스파크 갭(spark gap)을 점화하기 위한 배열체(arrangement)에 관한 것으로, 트리거 전극은 적어도 하나의 전압 스위칭 또는 전압 모니터링 요소를 통해 추가 메인 전극에 전기적으로 연결될 수 있고, 트리거 전극과 추가 메인 전극 사이에 에어갭(air gap)이 있고, 트리거 전극은 절연층 및 메인 전극들 중 하나의 메인 전극의 재료보다 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층과 샌드위치 구조를 형성한다. 더욱이, 절연층은 얇은 포일(foil) 또는 래커층(lacquer layer)으로 설계되고, 더 낮은 전도도의 재료로 이루어진 층은 메인 전극들 중 하나의 메인 전극과 접촉하거나 그 상에 놓인다. 본 발명에 따르면, 메인 전극들 사이에 형성된 스파크 갭의 응답 없이 에너지가 약한 과전압 이벤트를 방전시키기 위하여, 샌드위치 구조의 절연층은 점화 영역 외부에서 차단되고(interrupted) 그리고/또는 응답 거동(response behavior)에 영향을 미치는 전기 부품이 트리거 전극 및 연관된 메인 전극 사이에 연결된다.

Description

스파크 갭을 점화하기 위한 배열체

본 발명은 메인 전극들 중 하나의 메인 전극에 또는 그 내에 위치되고 이 메인 전극으로부터 절연되는 트리거 전극을 이용하여 스파크 갭(spark gap)을 점화하기 위한 배열체(arrangement)에 관한 것으로, 청구항 1의 전제부에 따라, 트리거 전극은 적어도 하나의 전압 스위칭 또는 전압 모니터링 요소를 통해 추가 메인 전극에 전기적으로 연결되고, 메인 전극과 추가 메인 전극 사이에 에어갭(air gap)이 있고, 트리거 전극이 절연층 및 메인 전극들 중 하나의 메인 전극의 재료보다 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층과 샌드위치 구조를 형성하고, 절연층은 얇은 포일(foil) 또는 래커(lacquer) 층으로 설계되고, 더 낮은 전도도의 재료로 이루어진 층은 메인 전극들 중 하나의 메인 전극과 접촉하거나 그 상에 놓인다.

스파크 갭(spark gap)은 고장 스파크 갭(breakdown spark gap) 또는 슬라이딩 스파크 갭(sliding spark gap)으로서의 거동에 관하여 차별화될 수 있다. 이러한 유형의 스파크 갭은 트리거형(triggered) 방식으로 실행될 수 있지만, 비트리거형(untriggered) 방식으로도 실행될 수 있다. 트리거형 스파크 갭의 경우에, 메인 전극들에 더하여 적어도 하나의 트리거 전극이 존재한다. 트리거형 스파크 갭의 경우에 있어서의 점화(firing)는 상대적으로 잘 절연된 트리거 전극의 높은 응답 전압의 결과를 제공하는 점화 트랜스포머를 이용함으로써 또는 점화 트랜스포머 없이 메인 전극에 대한 트리거 전극의 특별한 배열을 이용하여 발생한다.

트리거형 스파크 갭은 본질적으로 제어 가능한 응답 거동(response behavior)을 가진다.

내압 방식으로 결합된 스파크 갭 배열의 경우에, DE 200 20 771 U1 따른 과전압의 결과로서 해로운 방해 변수를 방출하기 위하여, 트리거 전압은 방전 챔버 내에 부분적인 스파크 갭을 형성하기 위하여 존재하는 전도성 하우징을 통해 직접 인가된다. 메인 전극들 사이의 메인 스파크 갭은 부분적인 스파크 갭을 통해 점화된다. 더욱이, 트리거 장치의 일부인 점화 트랜스포머가 사용된다.

그러나, 점화 트랜스포머는 상당한 설치 공간을 필요로 한다. 또한, 2차 측에서 점화 트랜스포머에서 생성된 점화 전압의 크기는 1차 측에서의 전류 변화(di/dT)에 따라 달라진다. 이러한 유형의 전류 펄스가 충분한 기울기를 가지지 않는다면, 2차 측에서 발생하는 전압은 안전한 방식으로 스파크 갭을 통해 점화하기에는 충분하지 않다.

트리거 전극이 메인 전극들 중 하나에 연결되면, 점화 트랜스포머는 생략될 수 있다. 점화 과정 동안, 이러한 유형의 해결 방안을 위하여 메인 전극들 중 하나와 트리거 전극 사이에 슬라이딩 방전이 트리거되고, 이 슬라이딩 방전은, 소정의 시간 후에, 추가 메인 전극에 도달하고, 점화 프로세스를 트리거한다.

이러한 유형의 해결 방안은, 예를 들어, DE 101 46 728 B4에 개시되어 있다.

이러한 유형의 트리거 전극은 2개의 메인 전극 중 하나와 영구적으로 전기 접촉한다. 이것은 메인 전위의 갈바닉 절연(galvanic isolation)이 없다는 것을 의미한다. 이 이유로, 전압 스위칭 요소는, 예를 들어, 가스 어레스터(gas arrester)의 형태로 트리거 회로 내에 연결되어야 한다.

메인 전극들 중 하나에 또는 그 내에 위치되고 이 메인 전극들로부터 절연된 트리거 전극을 가지며, 응답 거동이 넓은 범위에 걸쳐 특정될 수 있는 스파크 갭을 점화하기 위한 배열체가 이전에 DE 10 2011 102 937 A1로부터 알려져 있다.

이 점에서, 일반적인 해결 방안은 절연층 및 메인 전극 중 하나의 재료보다 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층과 샌드위치 구조를 형성하는 트리거 전극을 가지는 것이다. 절연층은 바람직하게는 얇은 포일(foil)이나 래커층(lacquer layer)으로 설계된다. 더 낮은 전도도의 재료로 이루어진 층은 메인 전극 중 하나와 접촉하거나, 그 상에 놓인다.

샌드위치 구조의 층 유전체는 절연 부분의 유전체와의 제1 부분 커패시턴스와 유전체로서 더 낮은 전도도를 갖는 재료와의 제2 커패시턴스의 직렬 연결로서 표현되고, 부분 커패시턴스들은 매우 낮게 선택된다.

샌드위치 구조의 재료(M)는 종종 메인 전극들 중 하나의 재로보다 더 나쁜 전도도를 가진다. 점화 아크(ignition arc)는 재료로 이루어진 층(M)의 두께를 통해 연장된다.

트리거 전극과, 좋지 못한 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층 사이의 얇은 절연 부분은 바람직하게는 인쇄 회로 보드에 의해 실현될 수 있다. 그러면, 트리거 전극은 인가된 도체 트랙에 대응하고, 절연층은 그 위에 위치된 래커층에 대응하며, 단부면 부분은 래커층이 없는 상태로 유지된다.

전체 개시 내용이 본 출원의 내용에 있는 것으로서 설명되는 DE 10 2011 102 937 A1에 따른 이전에 알려진 해결 방안은 바람직하게는 스파크 갭혼(horn spark gap)으로 설계된 배열체의 베이스 지점 영역에서 플라즈마 제트 또는 플라즈마 빔을 생성한다. 이 빔은 이온화된 가스 및 전하 캐리어의 강하고 빠른 의도적인 이동을 제공한다. 이 전송은 메인 전극들 사이의 메인 라인의 점화를 상당히 가속시키기 위하여 사용되며, 이에 의해 트리거 전극과 샌드위치 구조의 부하가 감소될 수 있고, 스파크 갭의 잔류 전압이 감소한다.

이전에 설명된 플라즈마 제트 효과는 이온화된 가스 흐름의 선호되는 방향의 표현을 특징으로 한다. 종래 기술에 따르면, 메인 라인의 빠른 점화의 효과를 나타나게 하는 방식으로, 한편으로는 빔의 출현뿐만 아니라 방향에도 영향을 미치도록 조치가 취해질 수 있다. 메인 전극들 사이의 에어갭을 극복하기 위하여, 공기 거리의 매우 효과적인 이온화를 가진 제안된 빔이 특히 적합하며, 이는 선호되는 혼 스파크 갭의 효율적인 작동을 보장한다. 전극 배열뿐만 아니라, 절연층 및 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층은 단순히 확률적인 플라즈마 제트의 바람직한 방향만을 제공한다. 특히, 더 낮은 전도도를 갖는 재료는 가스 전달에 적합할 수 있으며, 이는 플라즈마 제트의 더 표적화된 생성을 가능하게 한다.

전통적인 절연되지 않은 전류 트리거 방법에 비하여, DE 10 2011 102 937 A1에 따른 해결 방안은 메인 스파크 갭의 매우 빠른 점화의 이점을 제공하며, 이에 의해 스파크 갭 배열체의 모든 다른 컴포넌트는 에너지 부하가 더 적게 걸리며, 따라서 소형화된 방식으로 설계될 수 있다.

그러나, 하나의 단점은 과전압 이벤트가 가장 작은 상대적으로 낮은 에너지 펄스가 전체 스파크 갭을 점화하기에 충분하다는 것이다. 이것은 대응하는 서지 어레스터(surge arrester) 배열체의 가능성 있는 유리하지 않은 노화를 초래한다.

따라서, 이전에 언급된 것으로부터, 트리거 전극을 이용하여 스파크 갭을 점화하기 위한 개선된 배열체를 제공하는 것이 본 발명의 과제이며, 이 점에서, 플라즈마 제트 점화의 기본적 원리는 이에 의해 제공되는 이점을 이용하기 위하여 사용되어야 하지만, 다른 한편으로는, 과전압 이벤트의 낮은 에너지 함량의 경우에 메인 전극들, 특히 혼 스파크 갭혼(horn spark gap)의 메인 전극들 사이의 실제 과부화 범위가 활성화되는 것을 방지함으로써 이러한 유형의 스파크 갭을 갖는 적절하게 장비가 갖추어진 서지 어레스터의 결과적인 조기 노화가 없는 것이 보장되어야 한다.

본 발명의 과제를 성취하는 것은 청구항 1에 청구된 바와 같은 특징 조합에 따른 배열체를 이용하여 발생하며, 종속항들은 적어도 실용적인 구성 및 발전을 나타낸다.

따라서, 메인 전극들 중 하나의 메인 전극에 위치되거나 상기 메인 전극 내에 위치되고, 이 메인 전극으로부터 절연된 트리거 전극을 이용하여 스파크 갭을 점화하기 위한 배열체가 상정된다.

트리거 전극은 적어도 하나의 전압 스위칭 또는 전압 모니터링 요소를 통해 추가 메인 전극에 전기적으로 연결될 수 있다.

트리거 전극과 추가 메인 전극 사이에 에어갭(air gap)이 있다.

트리거 전극은 절연층 및 메인 전극들 중 하나의 메인 전극의 재료보다 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층과 샌드위치 구조를 형성한다.

바람직하게는, 절연층은 얇은 포일(foil) 또는 래커층(lacquer layer)으로 설계된다. 더 낮은 전도도의 재료로 이루어진 층은 메인 전극들 중 하나의 메인 전극과 접촉하거나 그 상에 놓인다.

본 발명에 따라, 배열체는, 이제, 에너지 한계값 또는 에너지 임계값이 결정될 수 있는 방식으로 더 형성되고, 결정된 한계값 또는 임계값 아래에서, 에너지가 약한 과전압 이벤트는 메인 전극들 사이의 스파크 갭의 응답 없이 방전된다. 에너지 한계값 또는 에너지 임계값이 초과되면, 대응하여 트리거된 방전 프로세스가 메인 스파크 갭을 점화함으로써 발생한다.

한계값 또는 임계값과, 이 목적을 위하여 제공될 수단을 결정하기 위하여, 본 발명의 기본 개념은 계속하여 공간적 구조적 방식으로 스파크 갭 내에 통합될 수 있는 것으로만 다시 돌아가는 것을 포함한다. 가능한 필수 하우징 피드스루 및 다른 구조적 조치를 위한 추가 외부 회로는 명시적으로 배제되어야 한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 메인 전극들 사이에 형성된 스파크 갭의 응답 없이 에너지가 약한 과전압 이벤트를 방전시키기 위하여, 샌드위치 구조의 절연층은 점화 영역 외부에서 차단된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 응답 거동에 영향을 미치는 전기 부품이 스파크 갭 내에 통합된 메인 전극과 트리거 전극 사이에 연결된다.

절연층을 차단함으로써 트리거 전극과 더 낮은 전도도의 층 사이의 전기 연결이 형성되고, 과전압 이벤트의 방전 가능한 에너지 함량이 층의 제한된 전도도 또는 더 낮은 전도도의 층의 저항에 의해 결정될 수 있다. 그 결과, 전술된 한계값 또는 임계값이 결정될 수 있다.

하나의 실시예에서, 전술된 전기 부품은 집적 가능한 소형화된 저항기(resistor)이다.

가장 작은 에너지 함량을 갖는 과전압 이벤트, 예를 들어, 버스트 펄스(burst pulse)는, 일반적으로, 낮거나 최소인 펄스 에너지가 더 낮은 전도도의 층에서 감소되기 때문에, 전체 스파크 갭의 점화를 더 이상 제공하지 않는다.

과전압 또는 과전압 이벤트의 에너지 함량이 더 높다면, 전체 스파크 갭은 실질적으로 지연된 방식으로 점화한다. 펄스의 에너지가 미리 정해진 레벨을 초과하면, 이러한 높은 전압이 더 낮은 전도도의 층에서 강하하여 보조 점화 스파크 갭이 점화되고, 따라서 메인 스파크 갭이 점화될 수 있다. 지연의 정도는 구조적 설계와 재료 크기 또는 재료 특성을 통해 영향을 받을 수 있다. 보조 점화 스파크 갭을 점화하는 것은 점화 영역에서의 절연 부분의 플래시오버(flashover)를 이용하여 발생한다.

더 높은 에너지 함량을 갖는 모든 과전압의 경우에, 예를 들어, 직접 또는 간접 플래시 펄스(flash pulse)의 경우에, 종래 기술에서 알려져 있는 바와 같이, 메인 스파크 갭은 비교적 빠르다

하나의 바람직한 구성에서, 트리거 전극은 포일 인쇄 회로 보드의 도체 트랙에 의해 형성되고, 절연층은 도체 트랙 상의 절연 커버, 특히 래커층에 의해 형성된다.

절연 커버는 차단을 위하여 노출되고, 도체 트랙의 노출된 영역은 더 낮은 전도도의 층과 연결될 수 있다.

바람직하게는, 더 낮은 전도도의 층은 전도성 플라스틱 재료로 이루어지거나, 탄소 섬유 함량을 갖는 재료로 형성될 수 있다.

이하, 본 발명이 예시적인 실시예를 이용하여 도면의 도움으로 더욱 상세히 설명된다.
이 경우에, 도면에서:
도 1은, 절연층 및 메인 전극들 중 하나의 메인 전극의 재료보다 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층을 포함하고, 트리거 전극 및 연관된 메인 전극 사이에 저항기(resistor)의 형태의 전기 부품의 병렬 연결을 포함하는, 샌드위치 구조 및 스파크 갭의 메인 전극들의 기본적인 배열체를 갖는 등가 회로도를 도시하고; 그리고,
도 2는 도 1과 유사하지만, 과전압 이벤트의 저에너지 함량의 경우에 전체 스파크 갭의 응답 없이 직접 방전을 성취하기 위하여, 트리거 전극이 점화 영역 외부에서 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층과 접촉하도록, 절연층의 표시된 차단(interruption)을 갖는 도면을 도시한다.

도 1 및 2에 따른 도면은 메인 전극(H2)의 방향으로 절연층(I)에 의해 덮이는 전기 전도성의 트리거 전극(T)을 포함한다.

절연층(1) 다음에 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루이진 층(M)이 이어진다.

상기 재료로 이루어진 층(M)은 제2 메인 전극(H2)의 표면 상에 놓인다.

외부 요소가 연결부(A)를 통해 트리거 전극(T)과 메인 전극(H1) 사이에 연결될 수 있다. 거기에 제공된 수단은, 예를 들어, 가스 어레스터, 배리스터(varistor), 다이오드 또는 유사한 전기 부품을 포함할 수 있다.

메인 전극들(H1, H2)에 의해 형성된 스파크 갭은 혼 스파크 갭(horn spark gap)으로 설계될 수 있고, 경로(L) 및 경로(N/PEN) 사이에 전기적으로 연결된다.

묘사된 구성은 원칙적으로 DE 10 2011 102 937 A1에 따른 플라즈마 제트 생성을 위한 배열체 및 구조적 설계에 대한 그 내의 설명에 대응한다. 이점에서, 이 경우에 당해 업계에서의 관련된 통상의 기술자의 지식을 구체화하는 DE 10 2011 102 937 A1 내의 관련 설명을 개시 측면에서 참조한다.

본 발명에 따르면, 도 1에 따라 응답 거동에 영향을 미치는 전기 부품(R)이 트리거 전극(T)과 메인 전극(H2) 사이에 연결된다. 저항기(R)의 값은 응답 거동을 결정하고, 따라서, 대응하는 스파크 갭의 점화 프로세스에 기초한 에너지 한계값을 결정한다.

대응하는 과전압 이벤트의 저에너지 함량의 경우에, 저항기(R)를 통해 발생하는 전압 강하는 배열체의 점화 영역에서의 점화를 가능하기 하기에는 충분하지 않다. 따라서, 저항기(R)의 배치를 이용하여 메인 스파크 갭의 응답 및 그 결과로서의 불필요한 노화 없이 저에너지 과전압 이벤트를 직접 방전시킬 수 있다.

도 2에서의 대표 예에 따르면, 완전히 통합된 해결 방안이 저항기(R)의 병렬 연결 대신에 도시된다.

이 점에서, 트리거 전극(T)의 더 낮은 전도도의 재료(M)와의 전도성 연결이 발생하도록 얇은 절연층(I)이 점화 영역 및 플래시오버(flashover) 영역 외부에서 차단된다(interrupted). 이것은, 재료(M)의 저항값 때문에, 전극들(H1, H2) 사이의 메인 스파크 갭의 응답을 초래하지 않으면서, 경로 트리거 전극, 더 낮은 전도도의 재료(M) 및 메인 전극(H2)을 통해 과전압 이벤트를 방전하는 것을 가능하게 한다.

따라서, 이러한 경우에, 과전압의 에너지 함량이 낮아서, 매우 낮은 전류만이 흐르고, 좋지 못한 전도도를 갖는 재료(M)에서 강하하는 전압은 절연층(I)을 플래시오버시키기에는 불충분하다. 따라서, 플래시오버 영역은 응답하지 않고, 과전압은 에너지 매핑 영역에 의해서만 방전된다.

대조적으로, 과전압 이벤트의 결과로서 전류가 매우 강하게 증가하여 재료(M)에서 강하하는 전압이 절연층(I)을 플래시오버시키기고 점화 스파크를 생성한다면, 이는 전체 스파크 갭의 점화를 제공한다.

본 발명의 이 변형 실시예에서, 재료(M)로 이루어진 층은 트리거 전극(T)으로부터 메인 전극(H2)으로의 직접적인 플래시오버 갭을 연장시킴으로써 점화 아크를 연장시키는 과제를 가질 뿐만 아니라, 사실 상, 약한 과전압 이벤트를 방전시키기 위하여 층(M)과의 트리거 전극의 접촉을 통해 좋지 못한 전도도를 갖는 재료의 저항값이 사용된다. 이 구성은, 특히, 매우 약한 과전압 이벤트의 경우에, 응답 거동을 제어하기 위한 어떠한 개별의 전기 또는 전자 부품을 완전히 제거할 수 있게 한다.

Claims (7)

1. 메인 전극들 중 하나의 메인 전극(H2)에 위치되거나 상기 메인 전극(H2) 내에 위치되고, 상기 메인 전극(H2)으로부터 절연된 트리거 전극(T)을 이용하여 스파크 갭(spark gap)을 점화하기 위한 배열체(arrangement)에 있어서,
   상기 트리거 전극(T)은 적어도 하나의 전압 스위칭 또는 전압 모니터링 요소(A)를 통해 추가 메인 전극(H1)에 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 트리거 전극(T)과 상기 추가 메인 전극(H1) 사이에 에어갭(air gap)이 있고, 상기 트리거 전극(T)은 절연층(I) 및 상기 메인 전극들(H1, H2) 중 하나의 메인 전극의 재료보다 더 낮은 전도도를 갖는 재료로 이루어진 층(M)과 샌드위치 구조를 형성하고, 상기 절연층(I)은 얇은 포일(foil) 또는 래커층(lacquer layer)으로 설계되고, 더 낮은 전도도의 상기 재료로 이루어진 상기 층(M)은 상기 메인 전극들 중 상기 메인 전극(H2)과 접촉하거나 그 상에 놓이고,
   상기 메인 전극들(H1; H2) 사이에 형성된 상기 스파크 갭의 응답 없이 에너지가 약한 과전압 이벤트를 방전시키기 위하여, 상기 샌드위치 구조의 상기 절연층(I)은 점화 영역 외부에서 차단되고(interrupted) 그리고/또는 응답 거동(response behavior)에 영향을 미치는 전기 부품이 상기 트리거 전극(T)과 상기 메인 전극(H2) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절연층(I)을 차단함으로써(U) 상기 트리거 전극(T)과 상기 층(M) 사이의 전기 연결이 형성되고, 상기 층(M)의 제한된 전도도 또는 저항은 상기 과전압 이벤트의 방전 가능한 에너지 함량을 결정하는 것을 특징으로 하는, 배열체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전기 부품은 저항기(resistor)(R)인 것을 특징으로 하는, 배열체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 과전압 이벤트의 저에너지 함량의 경우에, 상기 전기 부품(R) 및/또는 상기 층(M)을 이용하여 전류가 상기 메인 전극(H2)으로 흐르고, 상기 전기 부품(R) 및/또는 상기 층(M)에서의 전압 강하의 정도는 상기 과전압이 직접 방전되는지 또는 상기 전압 강하가 점화 영역 또는 플래시오버(flashover) 영역(Z)에서 절연 부분(I)의 플래시오버 및 이에 따른 상기 메인 전극들(H1 및 H2) 사이의 상기 스파크 갭의 점화를 제공하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는, 배열체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 트리거 전극(T)은 포일 인쇄 회로 보드의 도체 트랙에 의해 형성되고, 상기 절연층(I)은 상기 도체 트랙 상의 절연 커버, 특히 래커층에 의해 형성되고, 상기 절연 커버는 차단(U)을 위하여 노출되고, 노출된 영역은 상기 층(M)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 층(M)은 전도성 플라스틱 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 배열체.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 층(M)은 탄소 섬유 함량을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 배열체.

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