SPD를 예전에는 잘 사용하지 않았었습니다. 아마도 계장에서는 예전부터 사용한 것 같았는데 전기에서는 플랜트 설계 시에 거의 적용을 하지 않았습니다. 그러나 최근 10년 내에 SPD의 사용이 광범위하게 확대된 것 같습니다. SPD에 대해 익숙하신 분도 계시지만 아직도 생소하게 생각되시는 분들도 있으리라 봅니다. 이번 기회에 SPD에 대해서 정확하게 분석해 보려고 합니다. 외국의 자료들과 KEC 기준, IEC 기준, NEMA 기준 등등을 살펴보겠습니다. 첫 번째 순서로 SPD의 원리가 무엇인지부터 알아보겠습니다.
서지 보호 장치(SPD)는 전력 공급 네트워크[1], 전화 네트워크, 통신 및 자동 제어 버스에 사용됩니다. 서지 보호 장치(SPD)는 전기 설비 보호 시스템의 중요한 구성 요소입니다.
이 장치는 보호해야 할 부하의 전원 공급 회로에 병렬로 연결되어 있습니다(그림 J17 참조). 또한 전원 공급 네트워크의 모든 레벨에서 사용할 수 있습니다. 이것은 가장 일반적으로 사용되고 가장 효율적인 과전압 보호 장치입니다.
1. SPD의 원리
SPD는 낙뢰로 인한 과도 과전압을 제한하고 전류파를 접지로 전환하여 이 과전압의 진폭을 전기 설비 및 전기 개폐 장치 및 제어 장치에 위험하지 않은 값으로 제한하도록 설계되었습니다.
1) SPD는 다음과 같이 과전압을 제거합니다
- 공통 모드에서는 각상과 중성 또는 접지 사이의 과전압
- 차동 모드에서는 각상과 중성 사이의 과전압
2) 과전압이 동작 임계값을 초과하는 경우 SPD는 다음과 같이 동작합니다.
- 공통 모드에서는 에너지를 대지로 전달합니다;
- 차동 모드에서는 에너지를 다른 도체로 분배합니다.
3) SPD의 3가지 유형은 다음과 같습니다
- 1종 SPD
1종 SPD는 낙뢰 보호 시스템 또는 메쉬망으로 보호되는 서비스 부문 및 산업용 건물의 특정한 경우에 권장됩니다. 이 SPD는 전기 설비에 낙뢰가 직격하는 것을 보호합니다. 접지 도체에서 전원 도체로 퍼져 나가는 낙뢰의 후속전류를 방출할 수 있습니다.
1종 SPD는 10/350 µs 전류파를 특징으로 합니다.
- 2종 SPD
2종 SPD는 모든 저전압 전기 설비의 주요 보호 시스템입니다. 각 전기 배전반에 설치되어 전기 설비의 과전압 확산을 방지하고 부하를 보호합니다.
2종 SPD는 8/20 µs 전류파를 특징으로 합니다.
- 3종 SPD
이러한 SPD는 방출 능력이 낮으며, 따라서 2종 SPD의 보완 장치이며 민감한 부하 근처에 의무적으로 설치되어야 합니다.
3종 SPD는 전압파(1.2/50μs)와 전류파(8/20μs)가 결합된 것이 특징입니다.
- SPD 규격별 정의
Type 1 - 1종, Type 2 - 2종, Type 3 - 3종
2. SPD의 특성
국제 표준 IEC 61643-11 Edition 1.0(03/2011)은 저전압 배전 시스템에 연결된 SPD의 특성 및 테스트를 정의합니다(그림 J19 참조).
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In green, the guaranteed operating range of the SPD.
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Fig. J19 – Time/current characteristic of a SPD with varistor
녹색은 SPD의 보장된 작동 범위입니다.
그림 J19 – 바리스터가 있는 SPD의 시간/전류 특성
1) 공통특징
- Uc: 최대 연속 동작 전압
이것은 SPD가 활성화되는 AC 또는 DC 전압입니다. 이 값은 정격 전압과 시스템 접지 배열에 따라 선택됩니다.
- Up: 전압 보호 레벨(In)
이것은 SPD가 활성화되어 있을 때 SPD의 단자들에 걸리는 최대 전압입니다. 이 전압은 SPD에 흐르는 전류가 In과 같을 때 도달됩니다. 선택된 전압 보호 레벨은 부하들의 과전압 내구 능력 미만이어야 합니다. 낙뢰가 발생할 때, SPD의 단자들에 걸리는 전압은 일반적으로 Up보다 적게 유지됩니다.
- In: 공칭 방전 전류
이는 SPD가 최소 19회[2] 방전할 수 있는 8/20 µs 파형의 전류 피크 값입니다.
In이 왜 중요합니까?
In은 SPD가 최소 19회[2] 이상 견딜 수 있는 공칭 방전 전류에 해당합니다. In 값이 높으면 SPD의 수명이 길기 때문에 최소 부과 값인 5kA보다 높은 값을 선택하는 것이 좋습니다.
2) 1종 SPD
- Iimp: Impulse current
이는 SPD가 한 번 이상 방전할 수 있는 10/350 µs 파형 전류의 피크값입니다[3].
Iimp가 왜 중요합니까?
IEC 62305 표준은 3상 시스템의 경우 극당 25kA의 최대 임펄스 전류 값을 요구합니다. 이것은 3P+N 네트워크의 경우 SPD가 접지 본딩에서 나오는 100kA의 최대 임펄스 전류를 견딜 수 있어야 한다는 것을 의미합니다.
- Ifi: Autoextinguish follow current
스파크 갭 기술에만 적용 가능합니다. 이 전류는 플래시 오버 후 SPD가 자체적으로 차단할 수 있는 전류(50 Hz)입니다. 이 전류는 항상 설치 지점의 예상 단락 전류보다 커야 합니다.
3) 2종 SPD
Imax: 최대 방전 전류
이는 SPD가 한 번 방전할 수 있는 8/20 µs 파형의 전류 피크 값입니다.
Imax가 왜 중요합니까?
동일한 In에서 다른 Imax를 적용하는 2개의 SPD를 비교하는 경우: Imax 값이 높은 SPD는 "안전 마진"이 더 높으며 손상되지 않고 더 높은 서지 전류를 견딜 수 있습니다.
4) 3종 SPD
Uoc: 3종 테스트 중에 인가되는 개방 전압.
3. SPD의 구조별 동작원리
SPD의 종류와 구조는 사용처마다 다르지만 적어도 하나의 비선형 전압 제한 성분을 포함해야 합니다. 서지 보호기에 사용되는 기본 구성 요소는 방전 갭, 가스로 채워진 방전관, 바리스터, 억제 다이오드 및 초크 코일입니다. 현재 주로 사용되는 방식은 1종 SPD용으로 방전갭 방식을 사용하고 2종과 3종은 바리스터 방식을 주로 사용합니다. 나머지는 특수한 경우에 적용되는 것으로 이해하면 됩니다.
1) 방전 갭(보호 간극이라고도 함) - 1종 SPD에 적용, 낙뢰에서 보호용
일반적으로 공기 중에 노출된 일정 간격으로 분리된 2개의 금속봉으로 구성되는데, 이 중 하나는 필요한 보호소자의 전원선(L1) 또는 중성선(N)과 연결되고, 다른 하나는 접지봉과 접지선(PE)에 연결됩니다. 과도 과전압이 되면 간격이 허물어져 과전압 전하의 일부가 땅속으로 유입되어 보호소자의 전압 상승을 피할 수 있습니다. 방전 간극의 두 금속봉 사이의 거리는 필요에 따라 조절이 가능하고 구조가 비교적 간단하며 아크 소호 성능이 떨어지는 단점이 있습니다. 개선된 방전 간극은 각(angular) 간극으로 전자에 비해 아크 소호 기능이 우수합니다. 이는 회로의 전력(F)의 작용과 아크 소호를 위한 열풍 흐름의 상승에 의해 발생합니다.
2) 가스 방전관:
일정량의 불활성 가스(AR)가 충전된 유리관 또는 세라믹관에 서로 분리되어 밀봉된 한 쌍의 냉음극판으로 구성됩니다. 방전관의 트리거 확률을 향상시키기 위해 방전관에 프로모터도 있습니다. 이런 종류의 가스 방전관은 2극형과 3극형이 있습니다,
가스 배출관의 주요 기술 파라미터는 다음과 같습니다: DC 방전 전압(UDC); 임펄스 방전 전압(업 ≈(2-3) UDC; 전원 주파수 전류 인; 임펄스 전류 IP; 절연 저항 R(> 109 ω); 전극간 정전용량(1-5pf)
3) 바리스터 - 2종 SPD와 3종 SPD에 적용
ZnO를 주성분으로 하는 금속 산화물 반도체 비선형 저항입니다. 양단에 인가되는 전압이 일정 값이 되면 저항은 전압에 매우 민감하게 반응합니다. 그것의 작동 원리는 다수의 반도체 P-N의 직렬 및 병렬 연결과 유사합니다. 바리스터는 양호한 비선형 특성(CUα에서 I = 비선형 계수 α), 큰 전류 용량(~2KA/cm2), 낮은 정상 누설 전류(10-7~10-6A), 낮은 잔류 전압(depending 온 바리스터 작동 전압 및 전류 용량), 과도 과전압 응답 시간이 빠르고(~10-8s), freewheeling이 없습니다.
4) 억제 다이오드:
억제 다이오드는 클램프 제한 기능이 있습니다. 역방향 항복 영역에서 동작합니다. 낮은 클램핑 전압과 빠른 응답으로 인해 다단계 보호회로에서 최후 레벨 보호 부품으로 사용하기에 특히 적합합니다. 항복 영역에서 억제 다이오드의 전압-암페어 특성은 I = CUα로 표현할 수 있는데, 이때 α는 비선형 계수이며, 제너 다이오드 α = 7~9, 애벌런치 다이오드 α = 5~7입니다.
5) 초크 코일:
초크 코일은 페라이트를 코어로 하는 공통 모드 간섭 억제 장치입니다. 동일한 크기, 동일한 턴수의 2개의 코일에 의해 동일한 페라이트 토로이드 코어에 대칭적으로 권선되어 4단자를 형성합니다. 장치는 공통 모드 신호의 큰 인덕턴스에 억제 효과를 가지며, 차동 모드 신호의 차동 인덕턴스에는 거의 영향을 주지 않습니다. 초크 코일은 균형선에서 공통 모드 간섭 신호(번개 간섭 등)를 효과적으로 억제할 수 있지만, 선로가 정상적으로 전송하는 차동 모드 신호에는 영향을 주지 않습니다.
6) 4분의 1파장 크로우바
1/4 파장의 크로우바는 낙뢰파의 스펙트럼 분석과 안테나 피더의 정상파 이론에 기반한 마이크로파 신호 서지 보호기입니다. 본 보호기에서 메탈 쇼트바의 길이는 동작 신호 주파수(예를 들어, 900MHz 또는 1800MHz)를 기준으로 합니다. 1/4 파장의 크기가 결정됩니다. 병렬 쇼트바 길이는 동작 신호 주파수에 대해 무한대의 임피던스를 가지며, 이는 단선에 해당하며 신호 전달에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 낙뢰파의 경우 주로 낙뢰 에너지가 n+KHz 이하에 분포되어 있기 때문에 쇼트바 낙뢰파 임피던스는 단락에 해당하는 크기로 작으므로 낙뢰 에너지 준위는 땅속으로 배출됩니다.
Crowbar Circuit
Notes
1. 전기차 충전 적용을 위한 SPD, 태양광 적용을 위한 SPD, 슈퍼마켓의 SPD 적용 사례 등의 응용 사례를 더 찾아 볼 수 있습니다.
2. 최대:12 MOV(varistor)에 기반한 SPD용 표준 IEC 61643-11에 따른 테스트 시퀀스. In에서 총 19개의 임펄스:
- One positive impulse
- One negative impulse
- 50Hz 전압에서 30°마다 동기화된 15개의 임펄스
- One positive impulse
- One negative impulse
3. 타입 1 SPD의 경우 In(이전 노트 참조)에서 15번의 임펄스 후:
- 0.1 x Imp에서 한 번의 임펄스
- 0.25 x Imp에서 한 번의 임펄스
- 0.5 x Imp에서 한 번의 임펄스
- 0.75 x Imp에서 한 번의 임펄스
- Imp에서 한 번의 임펄스
자료 출처: https://www.electrical-installation.org/enwiki/The_Surge_Protection_Device_(SPD)
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