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안정성 개선을 위해 열폭주 방지 기능을 내장한 배리스터 설계에 관한 연구
A Study on the Design of Varistor Prevented from Thermal Runaway to Improve Safety 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.2, 2010년, pp.69 - 76  

정태훈 (숭실대학교 전기공학부) ,  신희상 (숭실대학교 전기공학과 대학원) ,  조성민 (숭실대학교 전기공학과 대학원) ,  이희태 (숭실대학교 전기공학과 대학원) ,  이준규 (SH공사 환경에너지) ,  김재철 (숭실대학교 전기공학부)

초록
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본 논문은 SPD에 사용되는 배리스터에 대한 성능을 개선하기 위해 저압 배전계통에 사용하는 ZnO 배리스터의 소자 표면에 온도감응 소재를 도포한 것을 내장한 SPD의 신뢰성과 안정성을 개선하였다. '열폭주 방지 기능을 내장한 배리스터'설계를 통해 SPD내에 장착 시 열 보호기능의 단로기의 기능에 대한 trade-off 관계해석(trade-off:단로기에 단일펄스피크전류(ITM), 다중펄스피크전류(ITSM)에 대한 신뢰성과 배리스터 소자의 열화 및 수명한계에 따른 열폭주 현상을 예방하기 위한 단로기의 안정성 확보를 위한 최적의 설계)을 통해 신뢰성과 안정성을 확보하였고 열 보호기능을 배리스터 내부에 적용하여 SPD제작시 소형/경량화가 가능하도륵 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the natural environment changes drastically and the frequency of occurrence for lightning has gradually been increased. Such lightning delivers high volume of energy along the power line and communication line to the equipment in use. The high volume of energy arising from the lightning su...

주제어

#SPD   #MOV   #Disconnector   #Zno   #Thermal Runaway  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 배리스터의 열폭주 방지 기능을 구현하기 위해 본 논문에서는 배리스터의 열폭주 현상 발생 시 발생되는 열을 감지하기 위해 배리스터의 외부 전극 접합에 있어 2차 전극을 접합하기 위한 제작과정에 사용되는 크림솔더를 이용한 작업온도와 전면의 2차 외부 전극 표면위에 이전의 전극접합과 다른 융점을 가지는 이원화된 낮은 온도의 가융합금을 표면에 도포함으로써 배리스터의 열폭주로부터 열 보호 기능을 구현 할 수 있도록 하였다.
  • 1[mA], 정전용량(CV) 2,700[pf]을 가지는 배리스터 를 이용하였다. 본 논문에서는 교류 1,000[V] 또는 직류1,500[V]의 전력계통에서 사용되는 SPD에 사용되는 부품 중 금속 산화물 배리스터(MOV)의 열화에 의한 열폭주 현상을 예방하기 위해 별도의 단로기(차단기 및 휴즈)의 역할을 배리스터 부품에 내장하여 배리스터의 성능을 기존의 부품 성능을 재현하고, 별도의 외부 단로기 사용을 제한하여 SPD 설계 시 적용면적을 최소화할 수 있도록 하였다. 또한 배리스터의 열화에 의한 열폭주 현상을 제거한 형태의 안정성을 극대화한 배리스터 모형을 제시하였다.
  • 이러한 상황으로부터 저압 배전 계통을 보호하기 위해 SPD 내부 또는 외부에 과전류 보호 기능과 열 보호 기능 등을 가진 하나 이상의 단로기를 사용하게 된다[5]. 본 논문에서는 열 보호 기능을 하는 단로 기능을 배리스터 제작 공정에서 배리스터 표면의 금속전극에 도포함으로써 SPD 제작 과정에서 사용되는 이중 단로기(과전류 보호기능과 열 보호 기능을 가지는 단로기)의 복잡한 구조를 간결화하고 열 보호 기능을 하는 퓨즈(fuse)의 최대방전전류(Imax) 내 량시험에 대한 신뢰성을 높이는 설계 방안을 제시하였다. 본 연구를 통해 설계된 ‘열폭주 방지 기능을 내장한 배리스터’의 성능 및 열폭주 현상과 관련한 평가 및 검증을 위해 IEC 61643-331과 IEC 61643-1의 SPD 에 사용되는 배리스터소자의 열폭주 현상에 대한 단로기의 특성 시험으로 성능을 검증하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
저압배전계통 SPD에 사용되는 배리스터의 역할은 무엇인가? 저압배전계통 SPD(Surge Protective Device)에 사용되는 배리스터(MOV : Metal Oxide Varistor)는 낙뢰에 의한 뇌방전 전류로부터 설비를 보호하기 위해 사용되고, ZnO 입자의 매우 높은 전기 전도도와 여러 가지 산화물(Bi, Co, Mn, Ni, Sb 등)에 의한 높은 저항성의 결합으로 대용량의 에너지 방출이 가능한 특성을 지니고 있다[1-3]. 그러나 대용량의 서지보호소자인 spark gap에 비해 정전용량이 높아 이로 인한 누설전류가 비교적 크다는 단점이 있고, 제작과정에서 신뢰성 향상, 미세구조의 균질성, 내열화성 및 화학합성에 의한 분체의 균일화에 대해 최적화하여 제작하는 것이 어렵다.
저압배전계통 SPD에 사용되는 배리스터가 가진 단점은 무엇인가? 저압배전계통 SPD(Surge Protective Device)에 사용되는 배리스터(MOV : Metal Oxide Varistor)는 낙뢰에 의한 뇌방전 전류로부터 설비를 보호하기 위해 사용되고, ZnO 입자의 매우 높은 전기 전도도와 여러 가지 산화물(Bi, Co, Mn, Ni, Sb 등)에 의한 높은 저항성의 결합으로 대용량의 에너지 방출이 가능한 특성을 지니고 있다[1-3]. 그러나 대용량의 서지보호소자인 spark gap에 비해 정전용량이 높아 이로 인한 누설전류가 비교적 크다는 단점이 있고, 제작과정에서 신뢰성 향상, 미세구조의 균질성, 내열화성 및 화학합성에 의한 분체의 균일화에 대해 최적화하여 제작하는 것이 어렵다. 또한 열화 고장 모드, 단락 고장 모드와 고클램핑 전압 고장 모드 등과 같이 여러 유형의 고장 모드가 발생한다[4]. 열화 고장 모드와 단락 고장 모드는 저압배전계통에 일종의 저항성 부하가 되어 단로 기의 역할에 대한 안정성이 미확보 될 경우 화재의 위험이 발생한다.
배리스터를 이용한여 SPD를 제작할 때 퓨즈 및 단로기가 필요한 이유는 무엇인가? 이러한 배리스터 소자를 이용하여 SPD를 제작할 때에는 높은 신뢰성과 안정성이 요구된다. SPD를 제작하는데 있어 안정성과 관련하여 배리스터 소자가 장시간 스트레스에 의한 열화가 발생하였거나 최대방전전류 내량 이상의 과도한 서지가 유입되어 소자가 파괴될 때 저압 배전계통으로부터 SPD를 분리하고 폭발이나 화재의 위험성을 제거하기 위해 퓨즈 및 단로기를 사용하게 된다[5]. 일반적으로 적절한 퓨즈의 사용이 되지 않은 SPD에 대한 고장에 있어 52개의 시편의 종류 중 무작위적로 선정하여 120～3,600[V]사이의 SPD의 고장모드를 분석한 결과 그림 1에서 보는 바와 같이 개방형 (open circuit) 고장 13건, 단락형(short circuit) 고장모드 28건, 파쇄형(blown apart) 고장모드 11건으로 나타났다.
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참고문헌 (9)

  1. L. M. Levinson and H. R. Philipp, "The Physics of Metal Oxide Varistors," J. Appl. Phys., Vol.46, pp. 1332-1341, 1975. 

    상세보기 crossref

  2. L. M. Levinson and H. R. Philipp, "Zinc Oxide Varistors-A Review," Am. Ceram. Soc. Bull., Vol. 65, pp. 639-636, 1986. 

    상세보기

  3. T. K. Gupta, "Application of Zinc Oxide Varistors," J. Am. Ceram. Soc., Vol. 73, pp. 1817-1840, 1990. 

    상세보기 crossref

  4. IEC 61643-331, Components for low-voltage surge protective devices-Part 331:Specification for metal oxide varistors(MOV). 

  5. IEC 61643-1, Surge protective devices connected to low-voltage power distribution system-Part1 : Performance requirements and testing methods. 

  6. Keith W.Eilers, Mark Wingate, Eric Pham, "Application and Sagety issues forTransient Voltage Surge Suppressors" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICSTIONS, VOL. 36, NO.6, Nov/Dec 2000. 

  7. "ZNR Transient/Surge Absorbers'96/'97," Matsushita Electronic Components Co., Osaka, Japan, Doc.9 604 173S1, 1997. 

  8. Paul Traynham and Pat Bellew, Using Thermally Protected MOVs in TVSS or Power Supply Applications, Power Systems World, intertec Exhibition Proceedings, Sep 2001. 

  9. 이복희, 엄주홍 "건축물에 침입하는 뇌 서지 분류에 따른 서지보호 대책" 대한전기학회 전기저널. 통권제345호 (2005. 9), pp.10-15. 

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