서지 프로텍터

음독 : 서지 프로텍터
영어 : Surge Protector

참고로 한국어 번역은 없다. 구글 번역을 돌리면 '서지 보호기' 라고 뜨니 참고.

1 개관

과도전압을 제어하는 데 쓰이는 도구로, 낙뢰, 지락, 한전의 병크로부터 전력설비를 보호하는 데 쓰인다. 이름에서 보이는 Surge 는 전력용어로 번역시 과도전압으로 번역되며 과도전압의 유입으로 인해 회로의 설계전압을 초과, 회로가 타버리거나 고장나거나 오작동 하는 것을 보호하기 위해 쓰인다. 과거에는 대규모 전력설비에서 사용되었지만, 여러 의미에서 배전시설이 첨단화 되어감에 따라 가정집에도 과도전압이 들어오는 경우가 심히 늘어나 가정집에 설치되어 있는 경우가 심심치 않게 보이는 범용 기기다. 전기 품질이 불안정한 국가에서는 가정에서도 전자제품 하나에 하나씩 붙어있는 경우도 있을 정도로 꽤나 흔한 도구다. 그런 국가에서는 이게 없으면 큰일난다-_-. 전압이 튀어서 전자제품을 홀라당 잡아먹히는 일이 왕왕 있기때문. 전자제품이 관련 규격을 맞추고 있으면 기본적인 보호를 위해 서지 보호소자를 내장하는 경우도 있다. 오래써야 하는 백색가전의 경우 한 두개쯤 전원 인입회로에 붙어있는 경우가 많다. 낙뢰때문이 아니라 간혹 발생하는 갑작스런 전압변화도 있으므로..

쉽게 말하면. 가정용 공급되는 220V 60Hz 교류에 낙뢰나 기타 원인으로 인해 220V 가 아닌 그 이상의 전압과 그에 동반되는 높은 에너지를 가진 비정상 파형이 순간적으로 들어오는 경우이다. 번개치고 가전제품 고장난 경우가 낙뢰가 전신주 근처를 때려서 전력선이나 통신선으로 낙뢰의 에너지가 유기된 경우이다.

2 서지에 대한 개념부터 알자

평상시 전력망에는 깔끔한 교류전원이 흐르고 있어야 하나, 현실의 송배전망은 각종 천재지변부터 본인들의 병크까지 다양한 위험에 노출되어 있으며, 이로인해 많은 전원장애가 발생한다. 대표적인 전원장애를 꼽자면 정전인데, 이 외에도 다른 종류의 전원장애를 알아보자. 사실 전원장애라는 건 정전압 정주파수 정파형을 유지하지 못하면 그게 전원장애라 종류가 많다.

• 정전 : 항목을 참조하시라.
• Sag : 순간적인 정전. 대략 10cycle 내외의 시간동안 매우 깔끔하게 전원이 안들어오다 다시 뭔 일이 있었냐는듯이 매우 깔끔하게 전원이 들어오는 전력장애다. 큰 특징으로 매우 깔끔하게 가 있는데, 새그의 주요 특징으로 후속적인 장애 없이 정말 깔끔하게 아주 잠깐 전기가 끊어진다. 이로인해 유도되는 장애로는 전압백터가 ∮=90˚ 일 때 끊어질 경우 발생하는 강력한 Back EMF 와 잠깐 끊어지기 때문에 발생하는 불연속성에 의한 장비 불일치가 있다. 전자의 경우는 프로텍터를 때려박아 해결할 수 있지만, 후자의 경우는 프로그램으로 치자면 하이젠버그급의 장애여서 찾기가 매우 힘들다.
• Frequency Shift : 약간의 시간동안 전류가 밀리거나 당겨지면서 평균시간에 의한 주파수는 상전과 동일하나, 각속도로 쪼개었을 때 주파수가 높아지거나 낮아지는 장애다. 큰 문제를 일으키지 않는다.
• Over Voltage : 과전압
• Under Voltage : 저전압

그리고 우리의 주인공인 Surge.

Surge는 위에서 보았듯이 어떠한 사유에 의해서 선로상에 대략 2~3cycle 이내의 매우 잠깐동안 발생하는 고전압을 의미한다. 뭐 사실 1cycle 도 안넘어가는 경우가 많고, 만약 고전압이 연속적으로 튀면 그건 서지가 아니라 고조파다.

이게 Surge

이건 고조파.

대체적으로 회로의 상용전압보다 2배 이상 높아지면 surge 라고 부르며, 통상적인 회로 설계 관례에선 1.5배 이상의 과도전압을 surge 라고 부른다.

서지의 유형은 대표적으로 다음 3가지가 있다.

• 낙뢰,유도뢰,기타 직류고압에 의한 impulse 형 서지

표준 파형이 있으며, 보통 사고가 발생하면 90% 이내에서 위상이 저거랑 똑같다.

• 순간적인 고조파 합성에 의해 유기되는 서지.

정말로 보기 드물다. 고조파가 회로에 섞여들어갈 때 고조파의 파고치와 원래 있던 f=1 의 파고치가 더해지면서 발생하는 서지다.

• 파형이 밀리면서 발생하는 서지

백터 해석시 RMS(실효) 전압이 약간 올라간다.

이 외에도 단전시 발생하는 서지가 있지만, 대표적으로 위 3개이며, 보통 서지의 95% 가 impulse 형 서지이다.

3 서지 프로텍터의 매우 기본적인 작동

서지로 부터 회로를 보호하는 역할만 한다. 가장 중요한 역할이라는 데에는 변함이 없지만. 여튼, 서지 프로텍터는 정전 없이 상용전원에서 고전압분만 제거한 안전범위의 전압을 회로에 공급할 수 있도록 해준다. 기본적인 작동 원리는 아래 순서를 보자.

3.1 고전압 임펄스 감지

GDT, TVSS, 기타 Zn소자들은 일정한 문턱값을 가지고 전원과 연결되어 있으며, 반대쪽은 접지와 연결되어 있다. 이 때 회로에 일반전압이 공급될 경우 소자들은 자신들의 문턱값 이내의 전압이 들어가기 때문에 전류가 흐르지 않게 된다. 그러나, 고전압이 약간이라도 튀면 문턱값을 넘어서면서 프로텍터의 회로가 가동되게 된다.

GDT의 경우는 내부에 네온, 아르곤등의 비활성 기체나 수소같은 기체를 이용하는데, 기체 원소마다 특성이 달라지므로 제품 라인업이 여러가지이다. 원리는 네온램프나 할로겐램프를 작동시키기 위해 고전압을 걸어줘야 하는 것을 생각하면 이해가 빠르다. GDT는 MOV에 비해 캐패시턴스 값이 적으므로 통신선에 주로 사용된다.

3.2 고전압으로 인한 전류를 접지로 방전

당해 회로들이 점호, 혹은 개통되면 접지와 전원선로가 전기적으로 연결되며 과도전류가 접지로 방전되기 시작한다. 이 때 각 소자별로 유지전압이 있어방전 중에는 유지전압만큼의 전압이 계속 회로에 흐르게 된다. 그래서 정전 없이 서지를 제거할 수 있다.

3.3 방전 이후 복귀

서지가 지나간 이후에 소자의 복귀전압만큼 전압이 떨어지면 소자는 소호되며, 다시 절연상태를 유지하여 대기상태에 들어간다.

4 서지 프로텍터의 복잡한 작동원리

서지 프로텍터의 차단소자와 방류소자는 다양한 종류, 다양한 용량으로 구성되어 있으며 회로와 접지 사이에 끼여있기도 하며 회로와 병렬 혹은 직렬로 물려 있기도 한다. 이는 다분히 소자들의 역할이 다르기 때문이며, 보호하고자 하는 회로에 적절한 구성의 소자가 서지 프로텍터의 구성에 사용된다. 수식은 안적는다.

4.1 전압 제한형

ZnO, 바리스터, MOV 를 필두로 대부분의 서지 프로텍터가 사용하는 방법이다. 이 소자는 회로와 병렬로 연결되어 있으며, 부품의 Vc 이상에서 저항값이 급격히 낮아짐을 이용해 과도전압을 제한한다.
즉, 전원 공급은 지속되면서 전압만 MOV 문턱값 아래로 제한시키는 것이다.

4.2 전류 방전형

GDT, GTA, 대형 MOV 를 필두로 역시 대부분의 서지 프로텍터가 사용하는 방법이다. 같은 원리로 CM 구성에서 사고전류를 땅으로 보내버린다.
전압 제한형이 전원 공급은 지속되면서 전압만 MOV 문턱값 아래로 제한시키는 것인데, 이 것은 다른 극을 통한 것이지만, 전류 방전형은 접지를 통해 문턱값을 넘은 전류를 대지로 흘려보내는 것이다. 비슷하면서도 다른데, MOV가 라인간 라인이면 전압 제한, 라인간 접지이면 전류 방전이다.

4.3 전류 제한형

직렬형 서지 프로텍터가 이용하는 방법으로 dv/dt 값이 높은 성분은 인덕터에서 저지됨을 사용해 사고전류가 회로로 유입되는 것을 막게된다.
쉽게 적자면 갑작스런 전류의 변화를 인덕터의 특성으로 제한시킨다. 낙뢰가 들어오는 것은 큰 에너지가 갑작스럽게 들어오는 것이므로..

5 서지 프로텍터의 시험과 클램프 동작

작성중

6 서지 프로텍터가 서지를 막으면 어떻게 되는가.

서지 프로텍터가 서지를 방호하는 개념은 고전압을 프로텍터가 대신 먹는다는 것과 동일한 개념으로, 프로텍터가 전소하는 경우도 심심치 않다. 그리고 서지 프로텍터에는 분석용 테이프가 있어 소자의 상태가 비 정상적일 경우 테이프의 색이 바뀌게 되는데, 이 때 소자 모듈을 반드시 교체해야 한다.


여러분의 전자기기를 살리는 대신 서지 프로텍터는 이렇게 타버린다.
그런데 이렇게 될 정도까지 낙뢰가 유입이 되면 보호되고 있던 기기도 보장을 못한다. 그래서 서지 프로텍터는 다수를 동시에 사용해야 한다.

해외에서는 이 서지프로텍터의 전소때문에 화재가 유발되는 경우가 종종 있는데, 거의 멀티탭형 서지프로텍터가 원인이다. 하지만, 문어발 구성 안하고. 주변에 쉽게 불이붙는 물건을 두지 않는다면 제대로된 제품이라는 가정 하에 멀티탭이나 서지프로텍터는 난불연성 재질의 플라스틱을 사용하기 때문에 안전하다. 불이 닿아도 자글자글 끓으면서 검게 타기만 한다. 물론 수지 종류에 따라 다르겠지만..

그래서 종종 아예 보호소자를 세라믹으로 패키징해서 불꽃놀이를 방지하는 경우도 있다. 또는 아예 케이스를 금속제로 만든 경우도 있다.
추가로 적자면 서지 프로텍터의 개념은 서지 에너지를 서지 프로텍터 성능의 한도 내에서 저감시킨 다는 것이지 완벽히 보호한다는 뜻이 아니다.

7 서지 프로텍터 관련 규정

서지 프로텍터는 대개

• IEC 61643-1 (1998-02) : Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Part 1: Performance requirements and testing methods
• IEC 61643-12 : Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Part 12: Selection and application principles
• IEC 61643-21 (2000-09) : Low voltage surge protective devices - Part 21: Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Performance requirements and testing methods
• IEC 61643-22 : Surge protective devices connected to telecommunications and signalling networks - Part 2: Selection and application principles (Former project IEC 61644-2 Ed.1)

• C62.31-1987 : IEEE Standard Test Specifications for Gas-Tube Surge-Protective Devices
• C62.32-1981 : IEEE Standard Test Specifications for Low-Voltage Air Gap Surge-Protective Devices (Excluding Valve and Expulsion Type Devices)
• C62.33-1982 : IEEE Standard Test Specifications for Varistor Surge-Protective Devices
• C62.34-1996: IEEE Standard for Performance of Low-Voltage Surge-Protective Devices (Secondary Arresters)
• C62.35-1987 : IEEE Standard Test Specifications for Avalanche Junction Semiconductor Surge Protective Devices
• C62.36-2000 : IEEE Standard Test Methods for Surge Protectors Used in Low-Voltage Data, Communications, and Signaling Circuits
• C62.41-1991 :IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits
• UL 1449 2000-03-08 Transient Voltage Surge Suppressor

를 따라 만들고 시험되니 이걸 참고하는 것도 좋다. 물론 이 글도 이 규정에 맞추어서 쓰고 있다!