가스 방전관의 속류방지장치

가스 방전관의 속류방지장치{A preventive apparatus against excessive current for gas-discharge tube}

도 1의 (a)(b)는 종래 가스 방전관을 이용한 낙뢰방지회로 예시도.

도 2는 본 발명 장치의 블럭 구성도.

도 3은 본 발명 장치의 상세 회로도.

도 4는 본 발명 장치를 여러 선로에 설치한 상태의 상세 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 서지 에너지 정류부 2 : 가스 방전관

3 : 축전부 4 : 방전부

5 : 정전압 회로부

본 발명은 가스 방전관의 속류방지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전 원 또는 통신선로에서 순간적으로 큰 에너지를 갖고 유입되는 낙뢰나 서지와 같은 큰 에너지를 짧은 시간 내에 충전시켰다가 이를 비교적 긴 시간 동안 작은 전류로 방전, 소멸시켜 가스 방전관을 이용하여 서지 방전시 선로를 통해 전달되는 전원까지 가스 방전관을 통해 아아크 방전이 이루어짐으로 인한 속류현상을 미연에 방지할 수 있도록 고안한 것이다.

통상 통신선로 또는 전기공급선로 등 동선을 통한 신호전송 또는 에너지 전송선로에 있어, 낙뢰 또는 서지의 유입은 상기 선로들에 접속된 기기를 손상 또는 오류를 일으키게 하는 자연 재해 또는 전기 사용에 따른 과도현상의 하나이다.

즉, 전원 또는 통신선로에 유기되는 서지성분도 일종의 과도현상이기는 하나, '순간적인 큰 에너지다'라는 시각으로 접근하며, IEE62.41에 규정한 서지전압 즉, 1.25 ~ 50uS에 해당하는 짧은 시간에 수 백 내지 수 천볼트 내지 IEE62.41에 규정한 서지전류 즉, 8 ~ 20uS동안 수 백 내지 수천 암페어, 경우에 따라서는 수만 암페어에 해당하는 큰 에너지를 말한다.

이러한 과도 에너지는 전기, 통신선로에 직접적인 피해를 야기할 뿐 아니라 선로에 접속된 기기를 손상시키는 피해를 유발하는 주요 요인으로 작용하는 바, 어떤 경우이든 낙뢰 또는 서지가 선로에 유입된 과도 현상이라면 그 에너지의 양은 수 us 동안 수 십KW/us 내지 수 백MW/us의 막대한 에너지로서, 선로에 접속된 기기를 손상시키는가 하면 인명의 안전을 위협하는 요인이 된다.

한편, 가스 방전관은 염가이고 대용량 구현이 가능하여 일반 유선통신분야에서 도 1의 (a)와 같이 가스 방전관 자체를 선로의 양단 사이에 설치하는 낙뢰방지 장치로 널리 사용되고 있다.

이와 같이 종래 낙뢰방지장치는 전원 또는 통신선로상에 가스 방전관을 연결하여 서지 에너지를 극간 방전하는 방식을 통해 직접 열로 변환하여 소멸시키는 구성으로 되어 있다.

그러나, 이러한 가스 방전관을 이용한 낙뢰방지장치는 소자 자체에서 순간적인 큰 에너지를 흡수해야 하는 부담을 가지고 있어 가스 방전관의 갭이 쉽게 손상되는 문제점이 있다.

한편, 도 1의 (b)는 가스 방전관(GDT)을 리미트소자로 활용한 예로서, 축전기인 콘덴서(C)는 무극성이어야 하며, 이와 같이 무극성 축전기(즉, 콘덴서)에 축전 하는 방안이나, 전원이 있는 선로 등에 활용 시에는 소자의 방전, 도통에 따라 전원까지 함께 쇼트되는 현상을 초래할 우려가 있다.

이 때 전력선의 전력이 직류라면 축전기가 충전함에 따라 자연 방전이 멈추어 질 것이며, 교류전력이라면 도 1의 (b)에서는 가스 방전관의 특성상 속류현상이 발생하여 극성이 바뀌어도 방전은 멈춰지지 않게 된다.

즉, 가스 방전관의 경우 선로 상에 전원이 실려 있지 않거나 미약한 전류를 갖는 신호에는 무방하나, 전원이 실려 있는 선로 상에서 가스 방전관을 낙뢰방지용으로 사용할 경우 서지가 유입되지 않는 평상시에는 무관하나 서지의 유입으로 인한 방전시 서지 전압의 방전후 방전이 멈추지 않고 선로에 실린 전원이 계속해서 가스 방전관을 통해 아아크 방전이 이루어지는 속류 현상이 발생된다.

따라서, 전원이 실린 선로 상에 가스 방전관이 구비된 낙뢰방지장치를 설치 할 경우 방전시 가스 방전관에서 속류 형상이 발생되어 낙뢰방지장치가 설치되어 있음에도 불구하고 과도 에너지의 방전시 가스 방전관이 전원을 쇼트시켜 화재나, 브레커 차단 등과 같은 2차 피해를 유발시키게 되어 전원이 실린 선로 상에서는 가스 방전관이 구비된 낙뢰보호장치를 설치하여 사용할 수 없는 문제점이 있다.

다시 말해서, 가스 방전관은 전원 선로와 같이 많은 에너지를 전송하는 선로에서는 높은 전압에 의거 가스 방전관이 방전을 시작하면 전원 선로의 전원 성분이 방전 불꽃을 따라 아아크 방전을 일으켜 선로를 쇼트시키는 속류현상을 일으켜 낙뢰방지장치에 활용하기에는 적절치 못한 문제점이 있다.

따라서, 종래에는 가스 방전관을 전원이 걸리는 직류, 교류 전원선로 보다는 내부 정전용량이 극히 미소하며 절연내력이 우수한 특성을 활용하여 통신용 선로 또는 기기의 낙뢰 및 서지보호소자로서 많은 적용되어 왔다.

또한, 가스 방전관을 활용하는 종래의 기술에서는 낙뢰, 서지 등 과도 에너지 유입시 가스 방전관의 역할은 방전을 통하여 유입된 에너지 전부를 열로 변환하여 자체 소모토록 하는 기술로 활용하고 있는데, 큰 에너지의 유입시 방전갭의 손상은 물론 열적 손상으로 그 특성 수명에 한계를 가지며, 속류 발생 시는 단, 1회로 소손되는 결과를 초래하는 문제점이 있다.

따라서, 최근 들어서는 반도체, 세라믹 기술이 발달하여 MOV류의 서지보호 소자가 보편화되고 있으나, 방전 전압특성의 범위가 매우 넓으며 잔류전압의 범위까지 소자 내에서 열적 손실로서 흡수하는 소자의 기법상 용량의 한계가 분명하여 이를 초과한 과도에너지 유입시 소자가 파괴되면서 파편이 비산하는 등 문제와 내 부용량이 높은 점 등의 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전원 또는 통신선로를 통해 순간적으로 유입되는 낙뢰나 서지 에너지와 같은 과도 에너지를 정류하여 짧은 시간 내에 가스 방전관을 통해 축전부로 충전시켰다가 이를 비교적 긴 시간 동안 작은 전류로 방전 및 소멸시키는 방식을 통해 과도 에너지 방전시 가스 방전관에서 속류 현상이 발생되는 것을 방지하여 직류 및 교류 전원이 실린 선로상에도 비교적 저가이면서 대용량인 가스 방전관이 구비된 낙뢰방지장치를 사용할 수 있음은 물론 과도 에너지 유입시 낙뢰방지장치 작동에 따른 신뢰성 자체를 대폭 증진시킬 수 있는 가스 방전관의 속류방지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양은, 전원 또는 통신선로를 통해 유입되는 서지 에너지를 정류시켜 주는 서지 에너지 정류부와; 상기 서지 에너지 정류부에서 출력되는 전압이 일정전압을 초과할 때 이를 축전부측으로 통과시켜 주는 가스 방전관과; 상기 가스 방전관을 통해 출력되는 전압을 짧은 시간 내에 충전시켜 주는 축전부와; 상기 축전부에 충전된 전압을 긴 시간동안 방전시켜 소멸해 주는 방전부로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 장치의 블럭 구성도를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명 장치의 상세 회로도를 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명 장치를 여러 선로에 설치한 상태의 상세 회로도를 나타낸 것이다.

이에 따르면 본 발명 장치는, 전원 또는 통신선로를 통해 짧은 시간 내에 유입되는 서지 에너지를 정류시켜 주는 서지 에너지 정류부(1)와;

상기 서지 에너지 정류부(1)에서 출력되는 전압이 일정전압을 초과할 때 이를 축전부(3)측으로 통과시켜 주는 가스 방전관(2)과;

상기 가스 방전관(2)을 통해 출력되는 전압을 짧은 시간 내에 충전시켜 주는 축전부(3)와;

상기 축전부(3)에 충전된 전압을 긴 시간동안 방전시켜 소멸해 주는 방전부(4)로 구성한 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 서지 에너지 정류부(1)는 전원 또는 통신선로의 갯수에 대응하는 입력단자를 포함하여 정류 다이오드를 구비한 브릿지 정류 다이오드로 구성하고, 상기 축전부(3)는 콘덴서(C)로 구성하며, 방전부(4)는 저항기(R)로 구성한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명 장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전원 또는 통신선로의 갯수에 부응하는 갯수의 입력단자 및 정류 다이오드를 구비한 브릿지 정류 다이오드로 구성시킨 서지 에너지 정류부(1)에서는 통 상시 전원 또는 통신선로를 통해 순간적으로 유입되는 과도한 서지 에너지를 포함한 각종 교류전압 성분을 정류하여 가스 방전관(2)으로 인가시켜 준다.

따라서, 가스 방전관(2)에서는 상기 서지 에너지 정류부(1)의 출력전압을 입력받아 그 전압이 방전전압 이하이면 선로를 통해 유입되는 전압이 과도 전위가 아니므로 작동(즉, 방전)하지 않게 된다.

그러나, 상기 서지 에너지 정류부(1)에서 정류되어 출력되는 전압의 전위가 가스 방전관(2)의 내부 방전전압을 초과하면 상기 가스 방전관(2)이 방전기능을 수행하므로 콘덴서(C)로 구성되는 축전부(3)로 짧은 시간 내에 전류(I1)가 흐르면서 빠르게 충전된다.

이와 같이 상기 축전부(3)에 충전된 에너지는 곧 바로 I2와 같은 경로를 통하여 방전부(4)측으로 천천히 방전이 이루어지는데, 본 발명에서는 충전시의 속도와 방전시의 속도 차이가 크도록 설계되었다.

이 때, 상기 방전부(4)는 저항기(R)로 구성하여 축전부(3)에 충전된 전압이 저항기를 통하여 완만하게 방전되도록 함으로써 과도 에너지가 가스 방전관에서 열로 소비되는 것 보다 저항기에서 천천히 소진되어 가스 방전관의 열적 손상을 줄일 수 있으므로 가스 방전관의 수명 한계를 개선할 수 있다.

한편, 상기 가스 방전관(2)이 낙뢰, 서지에 의하여 방전을 시작할 때, 서지성분에 대하여 낮은 임피던스를 유지하고, 직류 또는 상용교류 60Hz 성분에는 높은 임피던스를 갖게 하는 일종의 주파수 필터를 가스 방전관에 직렬로 삽입하므로서 이루어진다.

즉, 상기 가스 방전관은 높은 주파수 성분에 대하여 낮은 임피턴스로 쇼트시키고, 직류 또는 60Hz의 상용교류 성분에 대하여 높은 임피던스를 확보하려면 축전기 즉, 콘덴서를 활용하면 손쉽게 해결할 수 있다.

상기 축전부(3)내 콘덴서의 임피던스 ZC는

ZC = 1/2πfc의 식으로 풀이되어 서지성분의 고주파에 대하여 어떤 용량의 축전부(3)에 대하여 f=20,000 ~ 8,000,000Hz를 대입하여 쇼트에 가까운 낮은 임피던스를 가지는 반면, 직류성분에 대하여 무한대의 저항, 60헬즈 상용주파수에 대하여 상기 식의 f=60을 대응할 때 상당히 높은 임피던스를 갖게 하여 가스 방전관(2)이 서지에 대해서는 원활한 방전을 이룰 수 있고, 직류 또는 상용교류에 대해서는 높은 임피던스로 흐름을 차단하여 속류의 발생을 원천적으로 막을 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 서지 에너지 정류부(1)를 통해 정류된 전압이 가스 방전관의 방전전압 이상이어서 상기 가스 방전관(2)에서 방전이 이루어지게 되면 그 에너지의 일부는 가스 방전관에서 소모되나 대부분의 에너지는 축전부(3)에 충전되게 되는데, 그 양은 유입되는 에너지의 양에 따라 다르나 실험결과 1.25 ~ 50us의 표준 서지파형을 기준으로할 때 95%이상으로 측정되고 있다.

따라서, 본 발명과 같이 가스 방전관의 속류 현상을 방지한 상태에서 가스 방전관을 활용하여 낙뢰, 서지방지장치를 제작할 경우 소자에서 소모되는 에너지가 작은 만큼 소자를 포함하여 및 낙뢰, 서지방지장치의 수명 연장에 획기적인 효과를 가질 수 있다.

도 3과 같은 회로로 본 발명 장치를 제작하여 실험결과 20초 간격으로 200A에서 50회를 보장(규격표상)하는 시료 가스 방전관으로 20초간격 2000A로 500회의 충격에도 정상적인 특성으로 작동을 하는 것을 알 수 있었다.

한편, 상기 가스 방전관(2)을 통과하여 축전부(3)에 충전된 에너지는 I2와 같은 경로를 통하여 방전부(4)에서 천천히 방전되어 소멸되는 경로를 갖는다.

여기서 상기 방전부(4)에는 저항기(R)를 설치하여 충전된 에너지를 단순히 열로서 소멸시키는 방법을 채택하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

즉, 필요에 따라서 상기 방전부(4)에 과도 에너지 유입 상태 표시용 발광다이오드나, 부저를 설치할 수도 있고, 이를 원격지에 전송하기 위한 무선 송신기나, RS485 등의 유선 인터페이스 또는 광결합기 등을 설치하여 축전부(2)의 전압을 이들의 구동전압으로 이용할 수도 있다.

한편, 본 발명 장치는 L1-L2 또는 L1-L2-G 모드를 기본적인 구성으로 갖는 통신선로와, PN, PNG를 기본적인 구성으로 갖는 단상전원, P1-P2-P3-G를 기본으로 하는 3상 전원 등에 적용할 수 있으며, 서지 에너지 정류부(1) 역시 선로의 숫자에 부응하여 2개의 선로인 경우 4개의 정류 다이오드(D1~D4)로 구성하고, 선로의 숫자가 더 있을 경우 그에 부응하는 정류 다이오드(Dm, Dn)를 더 추가하여 형성시키면 되며, 어느 단자든 선로를 입력으로 할 수 있고 접지단자가 될 수 있는 특징을 갖는다.

즉, 전원 또는 통신선로 L1-L2간에 접속하면 횡전류에 대응할 수 있고, L1-G간에 접속하면 종전류에 대응할 수 있다.

물론, 선로가 L1,L2,G로 이루어져 상기 서지 에너지 정류부(1)가 6개의 정류 다이오드(D1-D6)로 구성한 경우 선로 L1-L2, L1-G, L2-G에 대응하는 횡전류 및 종전류의 피해 방지에 활용할 수 있는 특징을 갖는다.

또한, 상기 서지 에너지 정류부(1)를 8개의 정류 다이오드(D1-D8)로 구성한다면 삼상 3선식 전원의 R, S, T와 G에 대응할 수 있고, 10개의 정류 다이오드(D1-D10)로 구성한 경우 삼상 4선식에 대응할 수 있는 특징을 가진다.

또, 상기 다이오드에 대한 서지보호는 시중에서 쉽게 접할 수 있는 MOV등을 병렬로 접속해 주므로서 효과적으로 보호가 가능하며, 개스방전관의 잔류전압에 대한 개선으로 작은 용량의 MOV를 병렬접속 해 주므로서 상당한 개선을 이룰 수 있는 것이다.

상술한 실시예는 본 고안의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 고안의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전원 또는 통신선로를 통해 순간적으로 유입되는 낙뢰나 서지 에너지와 같은 과도 에너지를 정류하여 짧은 시간 내에 가스 방전관을 통해 축전부로 충전시켰다가 이를 비교적 긴 시간 동안 작은 전류로 방전 및 소멸시키는 방식을 통해 과도 에너지 방전시 가스 방전관에서 속류 현상이 발생되는 것을 방지하여 직류 및 교류 전원이 실린 선로 상에도 비교적 저가이면서 대용량인 가스 방전관이 구비된 낙뢰방지장치를 사용할 수 있음은 물론 과도 에너지 유입시 가스 방전관에서 소모될 에너지의 대부분을 축전부에 축적한 후 방전부를 통하여 천천히 소모시키므로서 가스 방전관의 열적특성과 수명을 획기적으로 개선할 수 있어 낙뢰방지장치 작동에 따른 신뢰성 자체를 대폭 증진시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.