SURGE 보호기

가. 개요

사회가 발전할수록 써지전압에 의한 전력제어 시스템의 피해가 급격히 증가하고 있어 이에 대한 대책이 긴급이 요청되고 있으 며 이러한 원인은 전자장비의 전원전압과 전력소비가 줄고 전 자부품의 성능은 향상이 되었지만 외적환경에 대해서는 취약하 게 되었기 때문이다. 예를 들어 몇 년 전만 해도 전력제어 회 로에는 기계적인 계전기가 사용되었는데, 근래에는 대부분 반 도체소자로 만들어지게되어 이것들의 파괴 빈도는 예전의 기계 적인 소자를 쓸 때보다 급격히 증가하게 되었다. 그러므로 써 지전압에 대한 증가된 취약성은 개별적인 써지전압 보호장치로 보호되어 전력제어장비의 신뢰성을 향상시켜야 한다.

 

나. 순간 써지 전압(Transient Surge Voltage)

(1) Lightning Surge

가장 흔한 써지전압은 대기중의 낙뢰(Lightning)이다.

낙뢰는 전류 최고치가 100kA에 이르고 전류 Pulse의 상승시간(Rising Time)이 매우 짧은 방전전류를 생성시키게 된다.

낙뢰의 고전류는 건물과 대지간의 저항에서 큰 전압유기현상을 일으키는데, 이로 인한 고전압의 통전루터가 형성되고 그 크기 는 낙뢰전류파의 상승기간이 짧을수록 커지게 되며, 보호되지 않는 전력소자의 파괴가 일어나게 된다.

 

(2) Switching Surge

써지전압은 변전소의 스위치 조작으로도 생길 수 있다.

전력선에 고주파 보상회로가 있으면 고전압 선로로부터 써지전 압이 발생하여 저 전압회로에 유기가 되며 이 경우 전류파의 상승시간은 벼락보다 더 짧은 파형이 생겨날 수 있다.

이런 이유로 이 경위 피해 또한 중요하게 취급되어야 한다.

 

(3) Noise Surge

써지전압과 고주파 간섭 전압 pulse는 저전압 회로에서도 전압 의 급격한 흔들림, 위상 pulse제어, 접속계전기 제어 등의 결과 로 일어날 수 있다.

 

(4) Ambient Surge

더 큰 피해를 주는 써지전압의 원인으로는 지구 표면 상층 고 공의 핵폭발로 인한 핵자기 pulse 효과에 비례하는 정전기 방 전효과에 의한 것이 있다. 전자파는 공간을 사이에 두고 수 백 km거리에 있을지라도 매우 높은 강도를 가지고 있으며, 전자적 인 MICRO 자료와 computer 설비를 고장나게 할 수 있다.

 

다. Surge 전압의 피해 경로

써지전압이 하나의 시스템에서 또 다른 시스템으로 옮겨가는 것 은 3가지로 나타난다.

ㅇ 동전류 흐름에 의한 것

ㅇ 유도현상에 의한 것

ㅇ 정전현상에 의한 것

 

(1) 동전류의 흐름

낙뢰유입으로 인한 이상 발생원 회로와 그로부터 유기된 전압 을 바이패스 하는 회로와 공통의 임피던스를 통해 발생하는 경 우이며 낙뢰전류에 의해 전력설비와 대지간의 저항에 전압강하 (VE = RE×IE)가 일어나고 동전류적으로 연결된 낮은 전압도 체에 전류가 흐르게 된다.

 

(2) 유도현상

피뢰침이나 피뢰동선주위의 선로에 전류흐름에 의한 자기장으 로 인해 회로적으로 결합하여 낮은전압 회로에 써지전압이 유 기 된다.

 

(3) 정전현상

낙뢰가 유입된 이상 발생원과 이상 발생제거 회로와의 사이에 전위차가 있는 경우에 양쪽간에 전기장이 발생하게 되어 정전 결합을 일으키게 된다.

 

라. Surge전압 보호소자

가스충진 써지방전기, 표면 방전 써지방지기, 바리스터, 다이오 드, 콘덴서, 코일이 보호용 소자로 쓰이고 있다. 모든 소자들은 장점과 단점이 있어 적절한 보호효과를 얻기 위해서는 여러소자 를 주의 깊게 결합하여 사용해야 한다.

 

(1) 가스충진 써지방전기

이것은 세라믹 튜브 또는 유리관에 전극을 일정하게 배치하고 봉입한 것으로 전극사이는 아르곤, 네온 등의 불활성 가스로 채워져 있다. 만일 써지전압이 가스충전 써지방전기에 가해지 면 전극사이에는 방전을 하게 되며 자체 저항이 큰 저항치에서 작은 저항치로 변하게 된다.

입력 써지전압이 급상승할수록, ARC(불꽃방전) 통과시간이 짧 을수록, 가스방전소자의 방전개시 전압이 높을수록 입력써지 전압에 대한 반응시간은 짧아진다.

가스충진 써지방지기의 방전개시 전압은 수십볼트에서 수백볼 트이며, 방전 개시 후에 ARC가 소멸되는 전압은 10 - 30V이 다. 즉, 방전이 시작되면 써지방지기 자체저항이 급격히 떨어지 게 되며, 입력에 써지전압이 입력되면 접지측으로 흘러갈 수 있도록 하여 전류의 흐름을 차단하는 것이다. 하지만 대부분의 경우 FUSE와 같이 사용하여 불안정성을 보상하여야 확실히 동작을 기대할 수 있다.

 

(2) 표피 방전 써지방지기

방전소자의 전극이 절연물질로 분리되어 있는 것이 표피방전 써지방지기이며 규정 방전전류는 등급의 가스충진 써지방전기 보다 좀 더 큽니다. 보호특성은 등급의 가스충진 써지방전기 보다 평탄하고 2kV와 3kV까지 일정한 특성을 나타낸다.

 

(3) 바리스터

최근에는 저항치가 전압에 비례하여 작아지는 바리스터를 많이 사용한다. 실리콘 카비이드와 산화금속 바리스터가 사용되며, 산화금속 바리스터가 좋은 특성으로 더 많이 사용하고 있다. 바리스터의 써지전류 방지특성은 등급의 가스충진 써지방전기보다 떨어지나, 관련 보호소자와 응답전압보다 바리스터에 걸 리는 전압이 감소되지 않아 바리스터의 에너지 흡수능력과 가 스충진 써지방지기는 거의 동등하다.

 

(4) 다이오드

제너다이오드와 억제다이오드를 주로 사용하며, 후자는 상당한 고전류 방지특성을 보유하고 있으며 다이오드의 써지 방지능력 은 100A 이상을 달성할 수 있으며 응답시간은 10Pico Second 이하이어서 억제 다이오드는 보호소자중 가장 빠른 응답 능력

이 있다.