선행 스트리머(Early Streamer Emission)이온방사형 피뢰방식 기본동작원리 및 특성

선행 스트리머(Early Streamer Emission)이온방사형 피뢰방식 기본동작원리 및 특성

 

1. 개요

Trigger 장치가 있으며 이 장치는 설정,제어된 진폭의 고전압 신호를 발생한다. 실제로 뇌운중에 전계전파 조건이 만족되면 트리거 장치에 의해서 최초로 먼전 상승리더를 발생시키고 이것이 접근하는 하강리더에 접촉하게 된다.(피뢰침의 기본동작원리 참고)

 

2. ESE피뢰침의 기본동작원리

1) 선행방사시간(Initiation Advance) △T

동일한 조건에서 설치된 Franklin 돌침 상부에서 얻어지는 시간이 선행 방사시간(△T)인 이득시간이다. 선행방사시간의 이득은 E.S.E(Early Streamer Emission) 피뢰침의 특성이다. 이것은 고압실험실의 시험에서 직접 결정될 수 있다. 효과적인 E.S.E 피뢰침은 정(+) 극성의 △T를 나타낸다.

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동일한 조건에서 프랭클린 돌침에 의해 생성된 상승리더는 돌침선단 상부(A)로부터 거리 D만큼되는 곳에 도달하고 ESE피뢰침에 의한 상승리더는 ESE피뢰침의 선단 상부로부터 거리(△L+D)만큼되는 곳에 도달한다.

상승리더는 평균속도 106m/s로 하강리더를 향해 전파,전진한다.

발생시간(△T)의 이득은 △L로 표시된 선생방사 거리이득에 해당된다

선행전진시간 및 거리이득은 △T,△L로 표시되며 △L = V·△T의 공식이 성립된다

여기서

△L(m) : 선행전진거리 이득

V(m/s) : 상승리더의 평균속도 106m/s

△T(s) : 선행방사시간 이득(실험실에서 측정)

 

2) 동작원리

뇌운 아래에 있는 피뢰침의 선단에 뇌운의 전하와 반대극성의 전하의 플래쉬방전 즉, 강하게 전리된 플라즈마가 존재하면 뇌방전이 발생하기 쉽고 결국 이것에 낙뢰하기 쉽게 된다.

그러나 공간전하가 상시 발생하고 있으면 이 돌침효과도 희박하게 된다. 이 목적으로 ESE피뢰침 시스템에는 적절한 고전압 펄스를 발생시켜 돌침부에 플래쉬 방전을 야기하도록 되어있다.

고전압 펄스의 주파수대를 선정함에 의해 공간전하의 발생이 방지되고 1개의 플래쉬 방전에서 다음의 플래쉬 플래쉬 방전에의 쉬운 전리채널을 형성하도록 유지시킨다.

ESE 피뢰침은 뇌우시에 대기중에 존재하는 전계의 대지에너지를 이용한다.

ESE 피뢰침은 이 에너지를 회수하여 규정진폭과 주파수의 고전압 펄스로 변환하는 것이다. 이와 같은 ESE피뢰침은 낙뢰의 위험이 있는 경우에만 동작하는 완전한 자체 동작시템의 특성을 구비하고 있다.

· ESE 피뢰침의 금속실린더①에는 플래쉬방전을 발생시키는 장치가 설치되어 있고, 이 금속실린더와 금속판②에 접하고 있는 상부와 뇌격전류를 흐르게 하는 방전간극 ③으로 구성되어 있다.

· ESE 피뢰침의 선단은 다음의 세가지 동작을 수행한다

- 전기장치의 충전전류를 집전

- 각종 방전형식에 대응하여 서로 다른 전압의 플래쉬방전을 발생

- 필요한 시기에는 뇌격전류를 도통

· ESE 피뢰침은 마스트로 지지되고 이 마스트는 1본 또는 수본의 금속도체로 접지되어야 한다.

 

3) ESE 피뢰침의 실제 동작원리

이온방출을 제어하여 상승 스트리머를 개선한 피뢰침으로 뇌 방전이 대지에 접근하면 피뢰침의 선단으로부터 플래쉬방전이 발생하고 하강리더의 방향으로 전파되면서 리더의 가운데로 이행하여 간다.

이 상승하는 플래쉬방전의 발생과 성장을 촉진하는 과정에 의해서 피뢰침의 효과가 개선된다. ESE 피뢰침은 가변전위 발생장치를 구비한 피뢰침이며, 이 때문에 코로나방전은 연속으로 발생하지 않고 단속적으로 펄스를 발생한다 이것은 주변의 전계에너지를 이용하고 있기 때문이다.

펄스전압을 선정함에 있어서 피뢰침 선단에 발생하는 이온화현상(공간전하에 의한 마스크현상)을 피하는 것이 가능하다.

플래쉬 방전을 얻도록 ESE 피뢰침의 전위발생장치는 특정신호에 의해 제어되고 동시에 정밀한 주파수의 연속전압파 또는 펄스파를 공급한다.

ESE 피뢰침의 발진기(Oscillator)와 펄스변압기(Pulse Transformer)최근 개발된 특수 장치이다.

 

3. ESE 피뢰침설비의 특성

완전하게 제어된 고전압을 발생하여 효과적인 스트리머를 발생하고, 뇌습시에만 동작하는 완전자급 동작시스템으로 각종 뇌격에 적합하고, 설치 및 보수가 용이하고, 신뢰도가 높은며, 취급이 안전하다.

1) 전자장에 의한 동작

길이 75㎝의 ESE 피뢰침을 전자장 내에 설치하면 안테나와 동일하게 ㎸, ㎂ 정도의 에너지를 포집한다. 이 에너지는 고전압 펄스변압기와 발진기에 의해서 고전압 실린더 내부에서 고전압 펄스전류를 발생시키는데 사용된다. 이 펄스 방전은 ESE 피뢰침의 돌출부에 전달된다. 이 발진계통은 대지와 절연되어 있다.

 

2) 코로나 효과

뇌운이 접근하면 뇌운과 대지간의 전계치가 증대하고 뇌운에 의해서 약 1-~20㎸/m에 도달한다. ESE 피뢰침은 외부의 전계 에너지를 흡수하여 동작을 개시하고 제어하며, 동시에 정밀한 주파수의 연속된 전압파를 공급한다. 최저치는 코로나 방전을 발생시키는 전계치이다. 이 최저치는 외부의 전계에 특수한 ESE 피뢰침의 계통에 의해서 발생되는 전압을 부가함에 의해서 얻어진다.

이렇게 하여 전압파는 매우 급속항게 소멸되는 전류펄스를 발생한다. 그 이유는 ESE 피뢰침 선단의 전위는 방전을 계속하는 최저치 이하로 내려가기 때문이다.

이와같이 단시간의 과도현상에 의해서 순간적이고 큰 전류를 방출하고 또 이외에 각종현상(Streamer, Seed Electron)을 발생하여 피뢰침의 효과를 최대로 하는 것이다.

 

3) 극성

ESE 피뢰침 주변의 전계가 정극성, 부극성의 어느 것에도 유효하다. 즉 앞에서 언급한 다양한 종류의 뇌 방전에 대해 유효하다는 것이다.

 

4) 선정 제어되는 주파수 펄스전압

펄스전압을 선정함에 의해서 돌침선단의 공간전하를 피할 수 있다. 방전이 일어나면, 직전의 방전으로부터의 잔류전하는 피뢰침의 선단의 부근에서 중요한 역할을 수행하게 된다. 뇌 보호의 관점에서 보면 공간전하는 뇌 방전으로부터 보호하는데 장애가 된다.

 

5) 2개의 조건에 적합한 펄스전압의 주파수

- ESE 피뢰침 선단의 대기에는 선행 펄스전압의 효과가 충분하게 남아있어야 한다.

- 방생펄스전압은 연속되지 않도록 충분히 낮아야 한다.

 

6) 보호특성

6-1) 보호범위

동일조건에 설치된 프랭클린 돌침과 비교하여, 극성을 가지는 ESE 피뢰침의 평균시간 지연으로부터 ESE 피뢰침의 보호반경을 계산한다. ESE 피뢰침의 여기전진은 피뢰도체의 가상높이 증가 "h"와 동일하다.

 

유효선행 방사거리△L 또는 가상높이 "h"는 다음식에 의해 구해진다

◆ h' = △L = V ·△T

V : 평균 뇌격속도

△T : ESE 피뢰침의 선행방사시간의 유효한 양(+)의 이득(고전압 실험에 의해 구해진다)

◆ 보호반경 R는 전기기하학적 모델에서 추출된 공식의 높이 h+h'에 적용함에 의해 구해진다.

R : 높이 h에 대한 ESE피뢰침의 보호반경

h' : 피보호지역 위 ESE피뢰침선단의 가상 증가높이( 각 종류의 ESE 의 출력에 의거하여 변한다)

h : ESE의 수직높이

 

[표]보호레벨3을 적용한 경우의 보호반경표