본 논문에서는 저전압 교류회로에서 과도이상전압에 대한 보호소자로 사용되는 산화아연형 바리스터의 뇌충격전류에 대한 영향에 대하여 기술하였다. 산화아연형 바리스터는 뇌충격전류에 의해 열화가 진행되며, 열화된 바리스터는 정상 운전전압에서도 열폭주에 도달하여 파괴되므로, 바리스터의 전기적 특성변화를 평가 하는 것은 대단히 중요하다. 바리스터를 가속열화시키기 위하여 국제규격 IEC 61000-4-5에 규정된 뇌충격전류를 적용하였으며, 1회의방전에 바리스터에는 약 12(J)의 에너지가 인가된다. 뇌충격전류의 인가에 따른 바리스터의 누설전류, 정격전압 등을 측정하였으며, 또한 바리스터에 뇌충격전류를 200회 인가 후 초기상태의 미세구조와 비교하였다. 실험결과로부터 바리스터는 뇌충격전류의 인가에 따라 누설전류는 증가하고 정격전압은 감소하는 경향을 나타내면서 전기적 성능이 저하됨을 확인하였다.
본 논문에서는 저전압 교류회로에서 과도이상전압에 대한 보호소자로 사용되는 산화아연형 바리스터의 뇌충격전류에 대한 영향에 대하여 기술하였다. 산화아연형 바리스터는 뇌충격전류에 의해 열화가 진행되며, 열화된 바리스터는 정상 운전전압에서도 열폭주에 도달하여 파괴되므로, 바리스터의 전기적 특성변화를 평가 하는 것은 대단히 중요하다. 바리스터를 가속열화시키기 위하여 국제규격 IEC 61000-4-5에 규정된 뇌충격전류를 적용하였으며, 1회의방전에 바리스터에는 약 12(J)의 에너지가 인가된다. 뇌충격전류의 인가에 따른 바리스터의 누설전류, 정격전압 등을 측정하였으며, 또한 바리스터에 뇌충격전류를 200회 인가 후 초기상태의 미세구조와 비교하였다. 실험결과로부터 바리스터는 뇌충격전류의 인가에 따라 누설전류는 증가하고 정격전압은 감소하는 경향을 나타내면서 전기적 성능이 저하됨을 확인하였다.
This paper presents the effect of lightning impulse current on ZnO varistors(390[V], 6.5[kA]) used in low-voltage AC mains as a protective device against transient overvoltages. The electrical characteristics of ZnO varistors are deteriorated by overtime impulse current, and a deteriorated ZnO varis...
This paper presents the effect of lightning impulse current on ZnO varistors(390[V], 6.5[kA]) used in low-voltage AC mains as a protective device against transient overvoltages. The electrical characteristics of ZnO varistors are deteriorated by overtime impulse current, and a deteriorated ZnO varistor is brought to a thermal runaway and finally destroyed even in normal operating voltage. Therefore, it is important to estimate the changes of the electrical characteristics of ZnO varistors. A lightning impulse current standardized in IEC 61000-4-5 is applied to the varistors to accelerate deterioration, and the energy applied to the varistor at each time is about 12 [J]. In the experiment, various parameters such as leakage current, reference voltage are measured with the number of applied impulse current. Also, micro-structure changes of the varistors after applying the lightning impulse current of 200 times are compared. The electrical characteristics of the varistors are degraded by overtime impulse current, showing increase in leakage current and decrease in reference voltage.
This paper presents the effect of lightning impulse current on ZnO varistors(390[V], 6.5[kA]) used in low-voltage AC mains as a protective device against transient overvoltages. The electrical characteristics of ZnO varistors are deteriorated by overtime impulse current, and a deteriorated ZnO varistor is brought to a thermal runaway and finally destroyed even in normal operating voltage. Therefore, it is important to estimate the changes of the electrical characteristics of ZnO varistors. A lightning impulse current standardized in IEC 61000-4-5 is applied to the varistors to accelerate deterioration, and the energy applied to the varistor at each time is about 12 [J]. In the experiment, various parameters such as leakage current, reference voltage are measured with the number of applied impulse current. Also, micro-structure changes of the varistors after applying the lightning impulse current of 200 times are compared. The electrical characteristics of the varistors are degraded by overtime impulse current, showing increase in leakage current and decrease in reference voltage.
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문제 정의
현재까지는 바리스터의 에너지 내량 향상, 보호회로 개발 등에 관한 연구만 활발히 진행되어 왔을 뿐, 열화 진전에 관한 연구는 거의 수행된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 ZnO 바리스터의 주된 열화 요인인 뇌 충격전압을 인가시켜 바리스터를 가속열화시키고 열화 진전 특성을 분석하였다. 열화가 진전된 바리스터의 미세구조 변화를 주사형 전자현미경 (SEM) 으로분석하여, 열화진전에 따른 바리스터의 전기적 파라미터에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 뇌충격전류의 인가에 따른 ZnO 바리스터의 전기적 특성변화를 분석하기 위하여, 국제규격 (IEC 61000-4-5) 에 의한 뇌충격전압을 200회 인가하면서 동작개시전압과 누설전류 및 소자의 표면온도 변화를 측정 . 분석하였으며, 실험을 마친 시료는 전자현미경으로 광학적 미세구조의 변화를 관찰하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
ZnO 바리스터의 열화진전에 따른 특성 변화를 분석 하기 위하여 8/20[您]의 뇌충격 전류를 인가하면서 바리스터의 제한전압, 방전전류, 누설전류 및 동작 개시전압 등의 변화를 분석하였다.
누설전류 분석장치는 증폭회로 및 마이크로 프로세서 (PIC BASIC)로 구성하였으며 관통형 변류기에서 입력된 신호는 증폭단을 통해 3조파 필터로 입력된 후 원신호와 비교되어 전체 누설전류 및 3조파 누설전류의 평균값, 실효값, 최대값을 LCD를 통해 나타나도록 하였다. 또한 3조파 필터는 중심 주파수가 180 [Hz] 인 대 역 통과 필터 로써 ZnO 바리스터의 전체 누설전류에서 3조파 누설전류 성분을 검출할 수 있도록 하였고 분해능이 0.
통해 나타나도록 하였다. 또한 3조파 필터는 중심 주파수가 180 [Hz] 인 대 역 통과 필터 로써 ZnO 바리스터의 전체 누설전류에서 3조파 누설전류 성분을 검출할 수 있도록 하였고 분해능이 0.7 [必]로써 최대 2862 [必]까지 전체 누설전류를 검출할 수 있도록 하였다.
2/50[“s], 4[kV] 의 표준 뇌충격전압을 상용전원 220 [V], 60 [Hz]의 90。위상에 중첩시켜 1분 간격으로 20회씩을 군 단위로 200회 인가하였다 [7] ~ [9]. 매 군단위마다 ZnO 바리스터의 누설전류 성분과 동작개시전압, 표면온도 변화를 관측하였으며, 마지막으로 뇌 충격전류에 의해 열화된 ZnO 바리스터의 미세구조변화를 주사형 전자현미경 (SEM)으로 분석하였다.
본 연구에서는 ZnO 바리스터를 뇌 충격전류로 가속 열화 시키면서 전기적 특성변화와 미세구조 변화를 분석하였다. 실험에 사용한 ZnO 바리스터는정격전압 390 [V](l [mA] 누설전류), 방전내량 6.
표면온도 변화를 측정 . 분석하였으며, 실험을 마친 시료는 전자현미경으로 광학적 미세구조의 변화를 관찰하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
따라서 본 연구에서는 ZnO 바리스터의 주된 열화 요인인 뇌 충격전압을 인가시켜 바리스터를 가속열화시키고 열화 진전 특성을 분석하였다. 열화가 진전된 바리스터의 미세구조 변화를 주사형 전자현미경 (SEM) 으로분석하여, 열화진전에 따른 바리스터의 전기적 파라미터에 미치는 영향을 분석하였다.
이러한 이유로 본 연구에서는 누설전류의 변화는최대값만을 비교하여 그 결과를 분석하였다.
인가할 때 바리스터에 그림 9는 뇌충격전류를 흡수되는 에너지가 소자의 표면온도에 어느 정도 영향을 미치는지 확인하기 위하여 바리스터의 표면 온도변화를 나타낸 것으로, 주위온도를 27 [℃] 로 유지시키고 뇌충격전류를 20회씩 인가한 후 대기 온도로 충분히 냉각시키는 반복실험을 하였다.
대상 데이터
ZnO 바리스터의 구조는 그림 1(a) 에 나타낸 것과 같이 세라믹 다결정체로서 ZnO 입자(grain), 스피넬(spinel), 입계층(grain boundary)의 3가지 결정상으로 구성되어 있다.
뇌충격전류 인가 후 ZnO 바리스터의 누설전류 성분 즉, 전체누설전류 및 3조파 누설전류의최대값은 그림 4와 같은 누설전류 분석장치를 이용하였다.
분석하였다. 실험에 사용한 ZnO 바리스터는정격전압 390 [V](l [mA] 누설전류), 방전내량 6.5 [kA]로 220[V] 전원계통에 광범위하게 사용되는소자이 다.
성능/효과
1. 뇌충격전류의 인가에 따라 ZnO 소자를 흐르는 누설전류는 지속적으로 증가하였으며, 전체누설전류는 100[廁에서 180 SA], 3조 파 누설전류는 38RA]에서 60RA]로 증가하였다.
2. ZnO 바리스터의 동작개시전압은 뇌 충격전류의 인가에 따라 서서히 감소하는 특성을 나타내었으며, 200회의 뇌충격전류 인가 후에는 교류 및 직 류전원에서 모두 약 20 [V] 정 도 감소하였다.
ZnO 바리스터의 표면온도는 뇌충격전류의 인가에 의해 급증하였으며 41「C]에서 포화되었다. 4. ZnO 바리스터의 미세구조 분석결과, 뇌충격전류로 ZnO 입자가 성장하여 입계층이다소 감소함을 알 수 있었으며, 입자의 배열이 불규칙해지 는 경향을 나타내었다.
교류전압에서의 동작개시전압은 뇌충격전류를 인가하기 전에 318 ~ 320 [V]이었으나, 뇌 충격전류의 인가에 따라 점차 감소하여 200회 인가 후에는 ZnO 바리스터의 열화로 인해 약 20[V]정도로 감소함을 알 수 있었다.
이러한 미세구조의 변화는 뇌 충격전류의 흡수시 고전계와 열누적으로 인하여 입계층이 감소하고 ZnO 입자가 성장한 것이다. 따라서, ZnO 바리스터는 뇌충격전류에 의하여 물리적으로 변형되고 입계층의 감소로 인해 3조파 누설전류가 증가하고 전체 누설전류도 증가하는 것으로 판단된다.
또한 직류에서의 동작개시전압도 뇌 충격전류를 인가하기 전에는 시료 모두 414 [V]로 동일한 값이 측정되었지만, 뇌충격전류에 인가에 의해 점차 감소하여 200회의 뇌충격전류를 인가한 후에는 383 ~ 394 [V]정도로 낮아짐을 알 수 있었다.
실험결과 ZnO 바리스터에 뇌충격전류를 인가함에 따라 소자의 표면온도는 점차 급속하게 상승하였고, 200회의 뇌충격전류를 인가한 후 바리스터의표면온도가 최고 41 [℃]까지 상승함을 알 수 있었다. 이렇게 온도의 상승정도가 뇌충격전류를 인가함에 따라 증가하는 것은 바리스터 소자에 누설전류가 흐르게 되면 열이 발생하게 되고 열화 진전에 따라 저항분 누설전류(3조파 성분)가 증가하여 소자 내의 분자운동을 촉진시켜서 소자의 온도를 상승시키기 때문이다.
[必]까지 증가하였다. 전체 누설전류와 3조파 누설전류에서 뇌충격전류를 인가후의 값이 크게 변화하였고, 바리스터의 열화 정도가 심해질수록 전체 누설전류의 증가보다는 상대적으로 3조파 누설전류의 증가가 현저한 변화를 나타냈다.
후속연구
판단할 수 있다. 따라서 ZnO 소자가 사용되는 보호회로에서는 이들 파라미터를 감지하여 열화된 바리스터를 사전에 제거함으로써 누설전류를 감소시키고 ZnO 바리스터의 단락에 의한 2차적사고를 방지하여 피보호기기의 신뢰성을 향상시킬수 있을 것으로 기대된다.
본 연구결과는 산화아연 바리스터의 열화 진전에 따른 전기적 특성변화를 이해하고, 바리스터의 수명예측, 신뢰성 평가 등에 요구되는 기초적 자료를 제공할 수 있으리라 생각된다.
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