번개가 칠 때 서지 보호기 내부에서 무엇이 일어나는가?
번개가 발생했을 때 과전압 보호 장치 내부에서 일어나는 현상은 무엇인가요?
번개가 발생할 때, 과전압 보호 장치(SPDs)는 전기 장비를 일시적인 과전압(즉, 서지)으로부터 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 상황에서 SPD 내부에서 일어나는 주요 과정과 메커니즘은 다음과 같습니다:
1. 서지 감지 및 대응
번개로 인해 발생한 서지가 전력 시스템에 들어오면, 과전압 보호 장치는 이 비정상적인 전압을 신속하게 감지합니다. 일반적으로 SPDs에는 임계 전압이 설정되어 있으며, 감지된 전압이 이 임계값을 초과하면 보호 장치의 보호 메커니즘이 활성화됩니다.
2. 에너지 흡수 및 소산
SPDs는 서지 에너지를 흡수하고 소산하여 연결된 전기 장비에 도달하지 않도록 합니다. 일반적인 흡수 및 소산 메커니즘은 다음과 같습니다:
a. 금속 산화물 변저(MOVs)
작동 원리: MOVs는 적용되는 전압에 따라 저항이 변화하는 비선형 저항성 물질입니다. 정상 작동 전압에서는 MOVs는 높은 저항을 나타내지만, 전압이 특정 임계값을 초과하면 저항이 급격히 낮아져 전류가 통과할 수 있게 됩니다.
에너지 소산: MOVs는 초과 전기 에너지를 열로 변환하고 이를 소산합니다. MOVs는 여러 작은 서지 후에도 자가 복구 특성을 가지고 있어 계속 작동할 수 있지만, 큰 또는 자주 발생하는 서지 후에는 실패할 수 있습니다.
b. 가스 방전관(GDTs)
작동 원리: GDTs는 불활성 가스로 채워진 밀폐된 관입니다. 양 끝 사이의 전압이 특정 값 이상이 되면 관 안의 가스가 이온화되어 전류를 통과할 수 있는 도전 경로가 생성됩니다.
에너지 소산: GDTs는 가스 이온화로 생성된 플라즈마를 통해 서지 에너지를 소산하며, 전압이 정상으로 돌아오면 플라즈마가 자동으로 소멸되고 절연 상태로 회복됩니다.
c. 일시적 전압 억제(TVS) 다이오드
작동 원리: TVS 다이오드는 정상 작동 전압에서는 고저항 상태를 유지합니다. 전압이 그들의 파괴 전압을 초과하면, 다이오드는 신속하게 저저항 상태로 전환하여 전류가 흐르게 합니다.
에너지 소산: TVS 다이오드는 내부 PN 접합에서 발생하는 아발란슈 효과를 통해 서지 에너지를 소산하며, 빠른 반응 시간의 작은 서지에 적합합니다.
3. 에너지 분산 및 접지
SPDs는 서지 에너지를 흡수하는 것뿐만 아니라 일부를 접지 선으로 분산하여 장비에 미치는 영향을 더욱 줄입니다. 구체적인 메커니즘은 다음과 같습니다:
분산 회로: SPDs는 과전압을 접지 선으로 유도하여 부하 장치에 직접 들어가지 않도록 설계된 특수한 분산 회로를 갖추고 있습니다.
접지 시스템: 좋은 접지 시스템은 효과적인 SPD 작동을 보장하는 데 중요합니다. 접지 시스템은 서지 에너지를 지구로 신속하게 소산시키기 위한 저임피던스 경로를 제공해야 합니다.
4. 서지 후 복구
서지 사건 후, SPD는 정상 작동 상태로 돌아가야 합니다. 다양한 종류의 보호 장치는 서로 다른 복구 메커니즘을 가지고 있습니다:
MOVs: 서지가 MOV에 영구적인 손상을 주지 않았다면, 전압이 정상화되면 자동으로 고저항 상태로 돌아갑니다.
GDTs: 전압이 정상으로 돌아오면, GDT 내부의 플라즈마는 자동으로 소멸되어 절연 상태로 회복됩니다.
TVS 다이오드: 전압이 정상화되면, TVS 다이오드도 자동으로 고저항 상태로 돌아갑니다.
5. 고장 모드 및 보호
SPDs는 서지를 처리하도록 설계되었지만, 극단적인 경우에도 고장이 발생할 수 있습니다. 안전을 위해 많은 SPDs는 추가 기능을 포함하고 있습니다:
열 차단 장치: MOV 또는 기타 구성 요소가 과열되어 고장이 발생하면, 열 차단 장치는 회로를 차단하여 화재 및 기타 위험을 방지합니다.
표시등/경보: 일부 SPDs는 보호 장치가 여전히 정상적으로 작동하는지 사용자에게 알리는 표시등이나 경보를 장착하고 있습니다.
결론
번개가 발생할 때, 과전압 보호 장치는 다음 단계를 통해 전기 장비를 보호합니다:
서지 감지: 전압이 정상 범위를 초과하는 상황을 식별합니다.
에너지 흡수 및 소산: MOVs, GDTs, TVS 다이오드와 같은 구성 요소를 사용하여 서지 에너지를 열이나 다른 형태의 에너지로 변환합니다.
접지 선으로의 분산: 과전압을 접지 선으로 유도하여 장비에 미치는 영향을 최소화합니다.
정상 상태로 복귀: 서지 후, 보호 장치는 정상 작동 상태로 돌아갑니다.
고장 보호: 극단적인 경우에 추가적인 안전 조치를 제공하여 더 큰 피해를 방지합니다.
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