comparison MOV - Spark gaps

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채홍 금
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1 MOV 1. 특징 1) 서지내량이크다. 2) 우수한보호특성. 3) 급준한서지전압에대해응답이빠르다. 4) 속류없음. 5) 바리스터전압선정용이. 6) 전압 ~ 전류특성이대칭. ( 직류 교류회로적용가능 ) 7) 안정된특성으로고신뢰성. 2. 단점 1) 에너지내량이작다. 2) 정전용량이비교적크다. 1

2 미세구조와전기전도특성특정조건하에산화아연 (ZnO) 과다른금속산화첨가물을혼합하여소결하면다결정질의세라믹이된다. 이세라믹은전압의존특성을갖는데이현상을바리스터효과라고한다. 위의그림은단순화한하나의바리스터성분내에서의전기전도미케니즘을보여준다. ZnO 의입자들자체는높은도전성이있으나, 반면에다른입자들사이의공극은높은저항을갖게된다. ZnO 입자가서로만나는부분을마이크로바리스터라고하는데이는대칭의제너다이오드 ( 보호레벨약 3.5V) 와필적된다. MOV 의전기적성질은그림에나타난바와같이마이크로바리스터가직렬및병렬결합된수량에의해결정된다. 이는바리스터의외형적인크게에의해전기적인특성이제어될수있음을의미한다. 세라믹두께가두배가되면마이크로바리스터가직렬연결되는숫자가 2 배되기때문에보호레벨이 2 배로된다. 면적이두배가되면병렬접속에의한전류경로가두배로증가하므로허용전류치가 2 배로된다. 부피가 2 배증가하면 ZnO 입자들의에너지흡수가증가하므로거의 2 배의에너지내량이된다. MOV 의소결체내에서의각각의마이크로바리스터의직렬. 병렬결합에의해서반도체와비교하여높은부하부담능력을갖는다. 반면에전력에있어서반도체는얇은 p-n 접합부분에서만방출되는데비하여 MOV 에서는전체적내의모든마이크로바리스터를통하여방출된다. 각마이크로바리스터는최적의열접촉단면을갖는 ZnO 입자형태의에너지흡수기의역할을제공한다. 이것은다이오드보다높은에너지흡수능력을갖게하고매우큰허용전류을흐를수있게해준다. 입자크기 : 세라믹두께에따른다양한보호레벨을맞추기위해서는제작이잘되어야되며, SIOV 바리스터들은각각다른전위경도에따른세라믹으로부터만들어져야한다. 원재료의변화나입자의크기 ( 직경약 10~100µm) 에영향을주는소결제어력은특별히요구되는세라믹전압 ( 약 30~250 V/mm) 을만든다. 각각마이크로바리스터의전압 / 전류특성은이것에영향을받지않는다. 작은특수한전압 ( 소전압형식 ) 세라믹들은고전압용만큼전류밀도를허용하지못한다. 이것은다양한종류의제품군내에서서지전류, 에너지흡수능력, 외형적인크기가각각다르다는것을의미한다. 입자크기가다른경우의효과는다양한전압사이에서명백히나타난다. 2

일반사항 서론 많은장점에도불구하고반도체기술에대한약점중의하나는과전압에대하여반도체소자가취약하다는점이다. 작은에너지를갖는전압펄스도장애와손상을주고, 어떤경우에는광범위하게영향을주기도한다. 따라서전자제품의제조에있어서최적의과전압또는과도현상대비책이점점더설계시결정적인중요한요소가되고있다. ZnO 바리스터는탄력성있는적용성및높은신뢰도로인하여뛰어난보호소자로서입증되었다.

3 일반사항 서론 많은장점에도불구하고반도체기술에대한약점중의하나는과전압에대하여반도체소자가취약하다는점이다. 작은에너지를갖는전압펄스도장애와손상을주고, 어떤경우에는광범위하게영향을주기도한다. 따라서전자제품의제조에있어서최적의과전압또는과도현상대비책이점점더설계시결정적인중요한요소가되고있다. ZnO 바리스터는탄력성있는적용성및높은신뢰도로인하여뛰어난보호소자로서입증되었다. 산화아연바리스터 (MOV) 는가격대비성능이매우우수하며, 에너지흡수뿐만아니라과전압, 과전류를제한하는이상적인요소이기도하다. ZnO 바리스터 (MOV) 와같은과전압보호장치는국제적으로 TVSS (Transient Voltage Surge Suppressors) 로사용되고있다. 뇌전류용밀폐형스파크갭 (GDT) 는뇌전류시험파형 10/350µs 의강력한뇌임펄스에대한보호용으로사용된다. MOV 는직격뢰에의한고에너지임펄스에는견디지못한다. 정의 바리스터 (Variable Resistors) 는그림 1b 에서처럼전압의존형저항으로서대칭적전압 / 전류특성을갖는다. 즉전압이증가함에따라저항은감소한다. 전자장비또는회로에병렬로연결하여보호하는데, 이것은전압이증가할때낮은저항으로되어전류를분류시킴으로서더이상과전압이발생하지않기때문이다. 저압교류에적용된 GDT(Gas Discharge Tube Arrester) 에누설전류를방지하려면 MOV(valve arrester) 를직렬로연결한다. 전압의존바리스터또는 VDR(Voltage Dependent Resistors) 는공식 I = K V α 로표현할수있다. 여기서, α 는비직선지수라고하며전압 / 전류특성곡선성의준도 (steepness) 로서해석한다. MOV 에서는보통 30 이상수치를갖는다. ( 비직선지수는 1 보다크며클수록저항의전압의존성 ( 바리스터효과 ) 이크다. 이것은제너다이오드또는억압다이오드의동일영역에서와같이보호레벨을나타낸다. 응답속도 25ns 이하이며큰허용전류를갖는다는점은과전압에대한거의완벽한보호장치가된다는것이다. 3

4 과도서지전류 (KS C IEC 60060) 짧은순간에흐르는전류, 특히과전압에의해유기되는경우를서지전류또는과도전류라한다. MOV 에흐르는최대서지전류는크기, 지속시간, 장치에인가되는펄스숫자에좌우된다. MOV 의성능은위에나타난바와같이 ( 단일펄스, Tr 20µs) 반복되지않는최대서지전류로규정되는일회의임펄스파형에대한내량을의미힌다. 최대서지전류 반복되지않는최대서지전류를 8/20µs 파형 ( 파두장 8µs, 파미장 20µs) 으로 KS C IEC ( 그림 8a) 에규정되어있다. 이것은근사적으로 20µs 의직사각형파형으로볼수도있다. 4

5 에너지흡수량 MOV 에의해흡수된에너지는서지전류에관계된다. W = t0 t1 v(t) i(t) d(t) 여기서 v(t ) MOV 에전류가흐를때생기는전압강하이다. 최대에너지흡수량 서지전류가상대적으로장시간흐를경우에최대에너지흡수능력을시험한다. KS C IEC ( 그림 8b) 에의거직사각형파형 2ms는보통이시험을위하여사용된다. MOV 사양서에는서지전류 2ms에의한최대에너지흡수량을나타낸다. 5

6 전압 / 전류특성 그림 5 는전형적인 MOV 의전압 / 전류 (V/I) 특성곡선을보여준다. log I 2 - log I 1 비직선지수 (α) = (5) log V 2 - log V 1 일반적으로공식 (5) 는전압 / 전류 (V/I) 특성곡선에서 1A 와 1 ma 의값을적용하여계산한다. 그림 5 의 V/I 특성곡선에서보는바와같이 10-4 와 10 3 A 사이는거의직선으로표시되어넓은범위에서공식 (3) 이적용되고있다. 하강및상승구간에서는교정계수를적용되어야할지도모른다. 6

7 MOV 의정상상태의저항은제한전압에의존한다. 그림 5 와 6 에서정상상태의저항이변화하는것을보여준다. 허용동작전압범위에서는저항이 1 MΩ (10 6 Ω) 이상이되나과전압시에는 10GΩ 정도까지떨어짂다. 7

8 MOV 의전압 / 전류허용오차범위해석개개의 MOV 에대한실제 V / I 특성은어떤일정한편차가있으며이것은주로제조상의사소한오차및조립공정상의변수들에의해생긴다. 어떤종류의 MOV 는 V / I 특성곡선이명확하게정의된허용범위내에만전부있는것도있다. 그림 7a 에보여지는허용오차범위는어떤경우의 MOV 가 2 가지의조건중한개의조건에서동작함을나타낸다. 만일회로가정상동작전압이라면 MOV 는매우높은저항치를갖게되지만과전압하에서는 MOV 는아주좋은도전성을띠게된다. 이것이 V / I 특성곡선의 2 개의상이한부분으로표현된다. 왼편부분 (< 1 ma): 고저항영역을의미하며이영역에서는회로설계자가일반적으로특정전압에서최대가능누설전류치가얼마인가를알려고한다. 그러므로허용오차범위의하부경계로표시된다. 오른편부분 (> 1 ma): 과전압시저저항구역을의미하며, 설계자의주관심사항은 MOV 에서최악의조건하에서전압강하이다. 허용오차범위의상부경계로표시된다. 두영역사이의 1 ma 경계라인 은전기물리학적으로큰의미를부여하지않으나 MOV 의정격전압에대한일반적인표준준거사항으로사용되고있다. V / I 특성곡선중 1 번곡선은점선으로표시된허용오차범위의평균치를나타낸다. 이것은 1mA 에서 MOV 의전압이 22V 라면허용오차률 K, 10% 를고려한다면이점에서의허용오차범위는 19.8 ~ 24.2V 가된다. 동작전압에서의누설전류 : 최대허용동작전압 DC 18V 에서예를들어보자이것은 MOV 가허용오차범위어디에있느냐에좌우가되지만 ( 그림 7a), 누설전류치는 6 x 10 6 A 과 2 x 10 4 A 사이임을알수있다. 만일 MOV 가더낮은동작전압이라면최대가능누설전류도떨어진다. ( 예를들면 DC 10V 에서는최대 2 x 10 6 A 로된다.) 최악의경우로서, 교류최대허용전압 (V = 2 x 14 = 19,8V) 은 1mA (point 3) 의최대누설전류치를갖는다. 보호레벨 : 서지전류 100A 를가정하면, SIOV-S14K14 의전압은 35V 60V(4 번구역 ) 으로증가되며, 이는 MOV 가허용오차범위어디에있느냐에따라좌우된다. 8

9 MOV 동작전압 제품설명서에는최대 AC 및 DC 동작전압이명시되어있다. 이수치들은과도전압치를초과한것이다. 그렇지만자동차용 MOV 는 ( 시동시 ) 과도전압을최대 5 분간견디도록규정되어있다. 새로운 MOV 는규정된정격전압에서의누설전류의크기는무시할수있을만큼작다. 그러나열등에의한열화가증가되므로 AC 전력용 SPD 에는반드시과열보호안전장치를설치하여야한다. 최대교류동작전압은각제품군내의정격전압을규정하는데이용된다. MOV 적용시정격전압은주어진변수중에중요한고려사항이며, 따라서 MOV 의제품특성표에는개개의 MOV 크기별로최대허용동작전압치에따라서나열되어있다. 9

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MOV SPD 의 V / I 특성 바리스터란 variable resistor 의준말이다. 상기곡선에서알수있듯이 MOV-SPD 의보호레벨은가장중요한요소로서바리스터를통하여흐르는전류에좌우된다. 왼쪽편 A 영역 (<1mA) 은 MOV 가높은저항을갖는영역이며 MOV-SPD 제조사는최소누설전류와최대허용동작전압을위해서 MOV 의선택시가장관심을갖는사항이다.

11 MOV SPD 의 V / I 특성 바리스터란 variable resistor 의준말이다. 상기곡선에서알수있듯이 MOV-SPD 의보호레벨은가장중요한요소로서바리스터를통하여흐르는전류에좌우된다. 왼쪽편 A 영역 (<1mA) 은 MOV 가높은저항을갖는영역이며 MOV-SPD 제조사는최소누설전류와최대허용동작전압을위해서 MOV 의선택시가장관심을갖는사항이다. 정격 275V MOV 에서 ±10% 오차율의누설전류는전압 247.5V ~ 302.5V 사이에서 1mA 의누설전류를갖는다. 만일정격전압 550V MOV 를좀더높은과전압보호목적으로선택한다면보호레벨은 I max = 40kA 에서약 3KV 조금미달하지만이값은 CLASS 2 의요구치인보호레벨 (Up) 2.5kV 의기준을만족시키지못한다. 그러나사용전압이 230V 이하일경우에는누설전류는 1mA 보다작아지고이점은장점이된다. CLASS 2 SPD 의요구조건인 MOV 최대 385V 에서 Up 2,5KV 를만족하려면 40KA 에서제한전압 2.2KV 정도를선택해야한다. 또한 KS C IEC 에의거최대 335V 의 TOV(Transient Over Voltage) 에대해 5 초간견뎌야한다. 스파크갭 SPD 의 V / I 특성 스파크갭은 V / I 특성을갖지않는다. 전극사이에아크가형성될전압에도달하기전까지는접지와절연되어있다. 이것은 ON-OFF 전환기능을갖는다. 스파크갭은 MOV 에비하여약 5 배정도크기가작아도훨씬큰허용전류치갖는데, 이것은열방출이낮기때문이다. 스파크갭은방전개시되면단지수 mω 을갖으나, MOV 는전압통과조건하에서수 Ω 을갖게된다. 가스봉입밀폐형스파크갭은누설전류가없으며불활성가스에의해절연되므로 10MΩ 이상의절연저항치를갖는다. 11

12 MOV SPD 의 V / I 특성 바리스터란 variable resistor 의준말이다. 상기곡선에서알수있듯이 MOV-SPD 의보호레벨은가장중요한요소로서바리스터를통하여흐르는전류에좌우된다. 왼쪽편 A 영역 (<1mA) 은 MOV 가높은저항을갖는영역이며 MOV-SPD 제조사는최소누설전류와최대허용동작전압을위해서 MOV 의선택시가장관심을갖는사항이다. 정격 275V MOV 에서 ±10% 오차율의누설전류는전압 247.5V ~ 302.5V 사이에서 1mA 의누설전류를갖는다. 만일정격전압 550V MOV 를좀더높은과전압보호목적으로선택한다면보호레벨은 I max = 40kA 에서약 3KV 조금미달하지만이값은 CLASS 2 의요구치인보호레벨 (Up) 2.5kV 의기준을만족시키지못한다. 그러나사용전압이 230V 이하일경우에는누설전류는 1mA 보다작아지고이점은장점이된다. 그러나보호레벨 ( 통과전압 ) 은높아진다. 이점은단점이된다. 좀더큰임펄스전류예를들어 60KA 8/20 μs를위해서는열전도가더잘되기위해서사이즈가좀더큰 MOV 를선택하여야한다. MOV 의병렬접속은각각의열화시간이달라서생기는문제가있다. 병렬접속된 MOV 의특정열화시간경과후에는서지에너지에의해소손되며원래가지고있던 SPD 의방전내량이약 50% 정도감소한다. 스파크갭 SPD 의 V / I 특성 스파크갭은 V / I 특성을갖지않는다. 전극사이에아크가형성될전압에도달하기전까지는접지와절연되어있다. 이것은 ON-OFF 전환기능을갖는다. 스파크갭은 MOV 에비하여약 5 배정도크기가작아도훨씬큰허용전류치갖는데, 이것은열방출이낮기때문이다. 스파크갭은방전개시되면단지수 mω 을갖으나, MOV 는전압통과조건하에서수 Ω 을갖게된다. 가스봉입밀폐형스파크갭은누설전류가없으며불활성가스에의해절연되므로 10MΩ 이상의절연저항치를갖는다. 12

13 Varistor: Der Varistor weist in seinem unbelasteten Zustand einige MΩ auf, die sich im ersten Moment nicht unbedingt negativ auf die gesamte Schaltung auswirkt. Im Ableitmoment reduziert der Varistor seinen Innenwiderstand nur auf einige 10Ω. Durch diesen relativ hohen Innenwiderstand wird sehr viel Energie in zerstörerische Wärme umgesetzt. Daher kann der Varistor nur bis zu max. 15kA (10/350µs) eingesetzt werden. Gasgefü llter Ableiter: Im Normalzustand besitzt der Ableiter einige GΩ. Dieser Widerstand wirkt sich in keiner Weise auf eine Schutzschaltung aus. Dieser sehr hohe Innenwiderstand bricht im Ableitmoment innerhalb sehr kurzer Zeit (einige ns) auf wenige mω zusammen. Wegen diesem sehr niedrigen Innenwiderstand im Ableiter, wird kaum Energie in der Funkenstrecke umgesetzt. Es kommt zu keiner negativen thermischen Belastung. Dadurch können derartige Ableiter 100kA (10/350µs) mehrmals ableiten und bieten dadurch ein wesentlich höheres Leistungsvermögen. 13

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절연스파크갭의구조도 이것은고성능세라믹실린더와특수팽창성합금의전극으로만들어졌으며특허기술에의한절연스파크갭에불활성기체를충진한새로운개념의 SPD 이다. 방전부분은섭씨 800 C 이상의고온에의한은납용접에의해완전밀폐시켰다. 내부의절연스파크갭은여러개의방전구역으로분할되어있다. 개개의방전구역에대한각각의아크전압이축적됨에따라속류는효과적으로제한되며완벽한소호능력을갖게된다.

15 절연스파크갭의구조도 이것은고성능세라믹실린더와특수팽창성합금의전극으로만들어졌으며특허기술에의한절연스파크갭에불활성기체를충진한새로운개념의 SPD 이다. 방전부분은섭씨 800 C 이상의고온에의한은납용접에의해완전밀폐시켰다. 내부의절연스파크갭은여러개의방전구역으로분할되어있다. 개개의방전구역에대한각각의아크전압이축적됨에따라속류는효과적으로제한되며완벽한소호능력을갖게된다. 최고품질의원부자재선택과높은제조기술력으로인해내구수명이길고안정적이며고신뢰성의동작특성을갖는새로운절연스파크갭 SPD 가개발되었다. 그러므로새롭게설계되어생산된본제품은뇌격전류의방전요구조건을만족시키며내구성이탁월하며유지보수가필요없다. 절연스파크갭내부에서의점화는 50 여년의경험과 CERBERUS-LEUTRON 의가스방전기술에의해효율적이고정밀하게제어된다. 따라서 LEUTRON 의 PowerPro BCD 뇌보호용 SPD 는어떠한다른부속품도필요없으며뇌전류보호기능을위태롭게할지도모르는전자점화장치회로가필요없다. 15

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형명및정격 (MCCB) 배선용차단기 (AB - 시리즈 ) 프레임의크기 50AF Type 형명 정격 극수 (Pole) 정격전류 (In) A 정격전압 (Ue) AC (V) DC (V) 정격절연전압 (Ui) V 정격임펄스전압 (Uimp) kv 정격차단전류 (ka) 주1) A

형명및정격 (MCCB) 배선용차단기 (AB - 시리즈 ) 프레임의크기 50AF Type 형명 정격 극수 (Pole) 정격전류 (In) A 정격전압 (Ue) AC (V) DC (V) 정격절연전압 (Ui) V 정격임펄스전압 (Uimp) kv 정격차단전류 (ka) 주1) A 0F 정격 극수 (Pole) C () 정격임펄스전압 (Uimp) k 정격차단전류 (k) 주1) C K SC 821 (Sym) 4/00 IEC0947-2 (lcu) 41 2 DC 순시트립동작특성내구수명 ( 회 ) 기계적전기적 c1 주2) c2 주2) 부속장치 보조접점 X L 부족 UT 외부조작 표면부착형 (D) 핸들 확장형 (E) 단자커버 Long Short