KR100875504B1

KR100875504B1 - 퍼라이트 탄소 접지 모듈

Info

Publication number: KR100875504B1
Application number: KR1020080073129A
Authority: KR
Inventors: 정용기; 박성우
Original assignee: (주)의제전기설비연구원
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2008-12-26

Abstract

개선된 퍼라이트 탄소 접지 모듈은 전도성 금속재의 심봉, 상기 심봉이 그 내부에 일체로 형성되며 저저항 성분으로 형성된 제1 접지체 및 상기 제1 접지체의 외부에 일체로 형성된 제2 접지체를 포함하며, 상기 제2 접지체의 저항값이 상기 제1 접지체의 저항값보다 크게 형성된다.

이러한 구성을 통하여 낙뢰와 같은 서지 전압을 제1 접지체를 통하여 신속하게 대지로 전달하고, 제1 접지체보다 저항값이 큰 제2 접지체를 통해 그 전달된 서지 전압을 신속하게 대지로 방전시킬 수 있다.

접지 장치, 퍼라이트 탄소접지 모듈, 낙뢰, 심봉, 접지체, 대지, 파동 진행파, 과도임피던스

Description

퍼라이트 탄소 접지 모듈 {PERLITE CARBON GROUNDING MODULE}

본 발명은 접지 장치에 사용되는 퍼라이트 탄소 접지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과도임피던스 특성 및 낮은 저항값을 유지함과 동시에 그 접지 모듈이 매설된 대지와의 저항을 단계화시킴으로서 뇌서지 등 사고전류의 파동임피던스 특성을 개선시킨 퍼라이트 탄소 접지 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 접지 장치(grounding device)는 통신 장비, 전자 계측 장비, 피뢰 장치 및 전력 장비 등을 전기적으로 대지와 연결시켜 장비에 작용하는 과부하나 낙뢰 등에 의한 서지 전압을 지상으로 흘려 보낼 수 있도록 하는 장치를 말하며, 그 대표적인 예로 구리 접지봉(Copper grounding rod)을 들 수 있다.

이러한 접지 장치(이하, 접지봉을 일예로 설명한다.)는 돌침부, 피뢰도선 및 접지 전극을 피뢰 도선으로 연결함으로써 접지 기능을 수행하게 된다. 따라서, 접지 전극은 돌침부에 작용하는 전기적 부하를 신속하게 대지로 방전하기 위하여 항상 낮은 저항과 낮은 과도임피던스 특성을 유지할 것이 요구된다.

이를 위하여 종래에는 본 발명의 출원인이 출원한 한국등록특허 제10-0610604호에 개시된 바와 같이 전기 전도성이 우수한 흑연 등의 탄소계 비금속 광 물과 전해질로 구성된 저 저항체 내부에 금속재 심봉이 박힌 형태의 탄소접지모듈을 사용하였다.

한편, 낙뢰를 형성하는 뇌운의 경우, 계절에 따라 예를 들면, 하절기에 (-)전하를 과도하게 포함하거나 동절기에 (+)전하를 과도하게 포함하게 된다. 이와 같이 낙뢰가 발생할 경우 종래의 탄소 접지 모듈은 전기 전도성이 우수하기 때문에 하절기에는 뇌운의 (-)전하를 급격하게 대지로 유입시키고, 동절기에는 대지의 (-)전하를 뇌운으로 급격하게 유출시킨다.

이때 종래의 탄소접지모듈은 흑연 소재 등을 사용하여 낮은 접지저항을 유지하여 구리동봉보다는 뛰어난 접지특성으로 서지전압을 대지로 신속히 전달할 수 있었으나 탄소접지모듈과 대지와의 급격한 저항 차이로 서지진행파가 대지로 진행되는 것에 장애가 있었다.

이러한 장애는 접지저항치가 낮더라도 뇌서지 진행파의 흐름을 방해하여 역서지 전압이 발생되는 원인이 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 낙뢰와 같은 서지 전압을 신속하게 대지로 전달함과 동시에 방전시킬 수 있는 퍼라이트 탄소 접지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 관점을 따르면, 전도성 금속재의 심봉, 상기 심봉이 그 내부에 일체로 형성되며 저저항 성분을 포함하는 제1 접지체 및 상기 제1 접지체의 외부에 일체로 형성되고 제2 접지체를 포함하며, 상기 제2 접지체의 저항값이 상기 제1 접지체의 저항값보다 큰 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈이 제공된다.

상기 제2 접지체의 외부에는 크랙을 방지하는 탄소 섬유 시트가 더 포함될 수 있다.

상기 제1 접지체는 흑연과 타르(tar)로 이루어질 수 있으며, 예컨대, 83%의 흑연과 17%의 타르로 이루어질 수 있다.

제1 접지체는 이건 발명자가 확보하고 있는 등록특허번호 “0610604”호에 제시된 방법 및 구성 성분에 의하여 제조된 접지봉으로 전기 저항이 0Ω에 근접되도록 한 탄소 또는 흑연 금속 분말들을 혼합한 접지체 일 수 있다.

상기 제1 접지체는 흑연 및 타르를 주성분으로 할 수 있다.

상기 제2 접지체는 퍼라이트를 포함할 수 있다.

상기 제2 접지체는 40wt%의 퍼라이트, 45wt%의 흑연, 10wt%의 도전성 시멘트, 4wt%의 산화철 및 1.0wt%의 은 나노 입자로 이루어질 수 있으며, 상기 퍼라이트, 흑연은 ±5% 범위, 도전성 시멘트는 ±2% 범위, 산화철은 ±0.5% 범위, 은 나노 입자는 ±0.3%범위 내에서 증감이 이루어질 수 있다.

또 다르게, 상기 제2 접지체는 47.62wt%의 퍼라이트, 33.33wt%의 흑연, 4.76wt%의 산화철, 4.76wt%의 산화 알루미늄, 9.53wt%의 도전성 시멘트로 이루어질 수 있으며, 상기 퍼라이트, 흑연은 ±5% 범위, 도전성 시멘트는 ±2% 범위, 산화철및 산화 알루미늄은 ±0.5% 범위 내에서 증감이 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 퍼라이트 탄소 접지 모듈은 제1 접지체와 제2 접지체의 중량비가 4:1로 이루어지며, 그 비율은 ±10%의 범위 내에서 증감될 수 있다.

본 발명은 탄소 접지 모듈을 이루는 제1 접지체에 의해 낙뢰와 같은 서지 전압이 신속하게 전달되고, 제1 접지체의 외부에 일체로 형성되며 제1 접지체 보다 큰 저항을 가지는 제2 접지체에 의해 서지 전압을 신속하게 대지로 방류시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예를 따른 접지 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 퍼라이트 탄소 접지 모듈(10)은 저저항성 재료로 형성되며 그 내부에 전도성 금속재로 이루어진 심봉(11)이 박혀있는 제1 접지체(13)와 제1 접지체(13)의 외부에 일체로 형성되며, 흡습성이 뛰어난 퍼라이트 (perlite)를 포함하는 제2 접지체(15)를 포함한다.

이에 더하여, 제2 접지체(15)의 외부에는 탄소 섬유 시트(17)가 추가로 마련되어 제1 접지체(13) 또는 제2 접지체(15)의 내부적 요인이나 외부적 요인에 의해 손상을 입게 될 경우 손상이 계속 진행되어 파괴되는 것을 방지한다. 탄소 섬유 시트(17)는 제2 접지체(15)의 양단부 및 대략 중앙부에 마련될 수 있다. 또 다르게 탄소 섬유 시트(17)는 제2 접지체(15)의 외부 전체면에 마련 될 수 있다. 이 탄성 섬유 시트(17)는 퍼라이트 탄소 접지 모듈(1) 외부의 크랙 등을 방지하기 위함이다.

심봉(11)은 예컨대, 구리 또는 스테인레스 강으로 이루어진 고전도 체일 수 있다.

제1 접지체(13)는 예컨대, 83wt%로 흑연이 주성분을 이루고, 성형을 위해 17wt%의 타르(tar)로 이루어져 전기 전도도가 약 99%에 이르도록 할 수 있다. 또 다르게, 제1 접지체(13)는 52wt%의 흑연 및 탄소 성분과 48wt%의 그 밖의 재료로 구성될 수 있다. 제1 접지체(13)는 각 성분을 혼합한 후 압축 성형 또는 소결 성형 될 수 있다.

제1 접지체(13)는 저 저항성을 가지는 흑연을 주재료로 구성됨에 따라 낙뢰와 같은 서지 전압을 신속하게 대지로 전달할 수 있다.

제1 접지체(13)에서 최소 순도 85~93%이상의 흑연을 83% 유지하는 것은 제조 후 전기저항성을 0Ω.m로 근접하게 유지하기 위함이며, 타르는 퍼라이트 탄소 모듈 성형을 유지하기 위한 최소량이다.

상기와 같은 조건을 충족시키는 또 다른 형태의 접지체는 이건 발명의 발명자가 등록받은 “제0610604”호에 나타난 조성 성분에 의하여 제조된 접지체가 사용될 수 있음은 자명하다 할 것이다.

제2 접지체(15)는 제1 접지체(13)의 저항값보다 큰 저항값을 가지는 성분으로 성형된다. 그에 따라 낮은 저항을 유지하는 제1 접지체(13)와 대지와의 저항 차를 줄여주어 제1 접지체(13)를 통해 전달된 서지 전압이 신속하게 대지로 전달된다.

이러한 제2 접지체(15)의 조성비는 다음과 같다.

다음 [표 1]에 나타낸 바와 같이 제2 접지체(15)는 47.62wt%의 퍼라이트, 33.33wt%의 흑연, 4.76wt%의 산화철, 4.76wt%의 산화 알루미늄, 9.53wt%의 도전성 시멘트로 혼합 반죽되어 대략 75kg/cm²±10% 로 가압 성형될 수 있다. 이와 같은 조성비를 따라 1,500g의 퍼라이트, 1,050g의 흑연, 150g의 산화철, 150g의 도전성 시멘트를 혼합하여 전체 무게가 3,150g인 제2 접지체(15)를 얻을 수 있었다.

또 다르게, 제2 접지체(15)는 40.0wt%의 퍼라이트, 45.0wt%의 흑연, 4.0wt%의 산화철, 10.0wt%의 도전성 시멘트 및 1.0wt%의 은 나노 입자로 혼합 반죽되어 대략 75kg/cm²±10%로 가압 성형될 수 있다. 이와 같은 조성비를 따라 1,200g의 퍼라이트, 1,350g의 흑연, 120g의 산화철, 300g의 도전성 시멘트, 30g의 은나노 입자를 혼합하여 전체 무게가 3,000g인 제2 접지체(15)를 얻을 수 있었다.

	퍼라이트	흑연	산화철	산화 알루미늄	도전성 시멘트	은
무게[g]	1,500	1,050	150	150	300	-
성분비 [wt%](수분제외)	47.62	33.33	4.76	4.76	9.53	-
무게[g]	1,200	1,350	120	-	300	30
성분비 [wt%](수분제외)	40.0	45.0	4.0	-	10.0	1.0

[표 1]

상술한 조성 비율은 본 출원인이 생산에 최적인 조건을 제시한 것에 불과하며, 생산 조건, 설계 조건 등에 따라 상기 퍼라이트 및 상기 흑연은 ±5% 범위, 상기 도전성 시멘트는 ±2% 범위, 상기 산화철 및 산화 알루미늄은 ±0.5% 범위, 상기 은 나노 입자는 ±0.3%범위 내에서 증감이 이루어질 수 있다.

제2 접지체(15)의 퍼라이트는 접지 시공 후 미세한 모공을 통한 모세관 현상에 의해 주변의 수분을 흡수, 유지함으로써 외부 환경변화에도 일정한 저항을 유지하게 해주기 위함이다.

또한, 제2 접지체(15)의 도전성 시멘트는 성형을 위하고, 흑연, 산화철, 산화알루미늄 및 은나노 입자는 전기 전도성을 개선하고 유지하기 위함이다.

퍼라이트는 다공성을 가짐에 따라 수분 흡수력과 습도 유지력을 향상시키는 이점을 제공함과 아울러서, 경량성 및 강도가 높은 성질들이 있어 제품을 무게를 경량화시키고 내구성을 좋게 하는 이점이 있다.

퍼라이트는 2.5mm 이하의 표준 입도, 0.16kg/ℓ의 겉보기 비중, 4.0(ℓ/kg)의 최대 용수량, 0.045Kcal/mh℃의 열전도율을 가지며, 건조시 전기 저항률이 무한대이고, 수분 함침시 전기 저항률이 약 350KΩ·m 일 수 있다.

퍼라이트는 (주)미성 산업 등의 "파믹스 퍼라이트" 제품 또는 이와 동등한 제품을 사용할 수 있다.

이와 같은 특성을 가지는 퍼라이트를 이용하여 상기의 [표 1]과 같은 조성비로 제2 접지체(15)를 형성할 경우, 제2 접지체(15)의 전기 저항률은 1 내지 5Ω·m를 가질 수 있다. 이러한 전기 저항률은 성형 조건, 측정 조건 등에 따라 차이가 있을 수 있다.

은 나노는 입자 크기가 10nm 이하이고, 그 순도를 99.9%이상인 것이 적용될 수 있으며, (주)이앤비코리아 등에서 생산되는 은나노 입자를 사용할 수 있다.

흑연은 입자 크기가 50㎛이고, 순도가 85%~93% 범위 내인 것으로 할 수 있 다.

산화철은 입자 크기를 0.65~1.0㎛의 범위 내로 적용할 수 있다.

도전성 시멘트는 (주)고려전기상사의 "매직 어스" 제품 또는 이와 동등한 제품을 사용할 수 있다.

제2 접지체(15)는 그 횡단면 형태가 원통형 또는 다각형으로 이루어지고, 그 표면에 길이 방향으로 복수의 골(15a)이 형성될 수 있다. 이와 같이 제2 접지체(15)는 복수의 골(15a)이 형성됨에 따라 그 표면적이 넓어지게 되어 지면에 매립되었을 때 수분 흡수력과 습도 유지력이 향상된다. 또 다르게, 제2 접지체 (15)의 내부에 제2 접지체(15)의 길이 방향을 따라 관통하는 홀(15c)을 길게 형성하여 수분 흡수력 및 습도 유지력이 향상되도록 할 수 있다.

퍼라이트 탄소 접지모듈(10)의 크랙을 방지하기 위한 탄소 섬유 시트(17)는 그 섬유를 구성하는 탄소 원자의 결정 구조 때문에 높은 인장 강도와 인장 탄성 계수를 지니고 있으므로 제1 접지체(13) 또는 제2 접지체(15)를 유용하게 보강할 수 있다.

탄소 섬유 시트(17)는 제2 접지체(15)의 외면 둘레에 대응하는 길이를 가지도록 띠형상으로 잘라서 예컨대, 상온 경화형 에폭시 수지와 같은 접착제를 통해 제2 접지체(15)에 접착된다.

탄소 섬유 시트(17)는 전기 저항률이 0.002Ωm이고, 인장 강도가 2000㎫를 가질 수 있으며, 예컨대, 에스케이 케미칼(SK chemical)사의 SK-N200 제품 또는 이와 동등한 제품이 적용될 수 있다.

상술한 바와 같은 퍼라이트 탄소 접지 모듈(10)은 제품 설계에 따라서 제 1접지체(13) 와 제2 접지체(15)의 중량비는 대략 4:1로 이루어질 수 있으며, ±10%의 범위 내에서 그 비율이 조정 될 수 있다.

일예로 퍼라이트 탄소 접지 모듈(10)은 5kg±10 wt%의 제1 접지체(13)와, 20kg±10 wt%의 제2 접지체(15)로 이루어질 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시 예를 따른 퍼라이트 탄소 모듈의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시 예를 따른 퍼라이트 탄소 접지 모듈의 제조 과정을 간략하게 나타낸 순서도이다.

도 2a 와 도 3과 같이, 먼저, 심재(11)를 포함하는 성형틀 내에 제1 접지체(13)를 이루는 원료 분말을 혼합 반죽한 재료를 충진하고, 압축 성형 또는/및 소결 성형을 통해 제1 접지체(13)를 형성한다(S10). 여기서, 제1 접지체(13)는 본 발명의 출원인이 이전에 출원한 등록특허번호 제06010604호의 "탄소 저저항 접지 모듈과 그 제조 방법"에 개시되어 있으며, 그 등록 특허의 내용은 본원 발명에 통합된다.

다음 도 2b와 도 3과 같이, 제1 접지체(13)의 외부에 제2 접지체(15)를 압축 성형(pressing forming)(S20)하며, 그 구체적 제조 방법은 아래와 같다.

먼저, 제2 접지체(15)를 이루는 원료 분말들을 혼합 반죽한 하고(S21), 성형틀 내에 혼합 반죽된 원료를 충진(S23)한다. 이때, 성형틀 내에는 심재(11)를 포함하는 제1 접지체(11)가 성형틀 내에 배치된 상태에서 혼합 반죽된 원료가 충진된다.

다음, 성형틀 내에 충진된 원료를 소정의 가압력 예컨대, 75kg/cm²±10%의 압력으로 가압(S25)한다. 이후, 성형틀을 제거(S27)하여 제2 접지체(15)를 제1 접지체(13)의 외부에 일체로 형성한다. 이때, 제2 접지체(15)의 외부 표면에는 그 길이 방향을 따라 복수의 골(15a)이 길게 형성되거나, 제2 접지체(15)의 내부에 그 길이 방향을 따라 관통되는 복수의 홀(15b)을 추가로 형성하여 수분 흡수력 및 습도 유지력 향상에 도움이 되도록 할 수 있다.

계속하여 도 2c와 도 3과 같이, 제2 접지체(15)의 외부 둘레와 대응되는 길이로 탄소 섬유 시트(17)를 자른 후 접착제를 이용하여 제2 접지체(15)의 외부에 접착(S30)하여 퍼라이트 탄소 접지 모듈(10)을 완성한다.

상술한 내용에 있어서, 탄소 섬유 시트(17)가 제2 접지체(15)의 외부에 접착되는 방법을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 제2 접지체(15)를 성형하기 위한 성형틀 내부면에 탄소 섬유 시트(17)를 먼저 배치한 후, 제2 접지체(15)의 분말 원료를 충진한 후 가압 성형하는 것에 의해 퍼라이트 탄소 접지 모듈(10)을 완성할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 또는 수정이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시 예를 따른 퍼라이트 탄소 접지 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시 예를 따른 퍼라이트 탄소 접지 모듈의 제조 과정을 설명하기 위한 설명도이다. 그리고,

도 3은 본 발명의 일실시 예를 따른 퍼라이트 탄소 접지 모듈의 제조 과정을 설명하는 순서도이다.

Claims

전도성 금속재의 심봉;

상기 심봉이 그 내부에 일체로 형성되며 저저항 성분으로 형성된 제1 접지체; 및

상기 제1 접지체의 외부에 일체로 형성된 제2 접지체를 포함하며,

상기 제2 접지체의 저항값이 상기 제1 접지체의 저항값보다 크고,

상기 제2 접지체는 퍼라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제2 접지체의 외부에는 탄소 섬유 시트가 더 포함된 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 접지체는 흑연과 타르(tar)로 이루어진 것을 특징을 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
제3항에 있어서,

상기 제1 접지체는 83%의 흑연과 17%의 타르로 이루어진 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 접지체는 흑연 및 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
삭제
제1항에 있어서,

상기 제2 접지체는 40wt%의 퍼라이트, 45wt%의 흑연, 10wt%의 도전성 시멘트, 4wt%의 산화철 및 1.0wt%의 은 나노 입자로 이루어지며,

상기 퍼라이트 및 상기 흑연은 ±5% 범위, 상기 도전성 시멘트는 ±2% 범위, 상기 산화철은 ±0.5% 범위, 상기 은 나노 입자는 ±0.3%범위 내에서 증감이 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제2 접지체는 47.62wt%의 퍼라이트, 33.33wt%의 흑연, 4.76wt%의 산화철, 4.76wt%의 산화 알루미늄, 9.53wt%의 도전성 시멘트로 이루어지며,

상기 퍼라이트 및 상기 흑연은 ±5% 범위, 상기 도전성 시멘트는 ±2% 범위, 상기 산화철 및 상기 산화 알루미늄은 ±0.5% 범위 내에서 증감이 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.
제1항에 있어서,

제1 접지체와 제2 접지체의 중량비는 4:1로 이루어지며, 그 비율은 ±10%의 범위 내에서 증감될 수 있는 것을 특징으로 하는 퍼라이트 탄소 접지 모듈.