In this thesis, ZnO varistors with various formulation, such as A∼E, were fabricated according to ceramic fabrication method. The microstructure, electrical properties, and surge characteristics of ZnO varistors were investigated according to ZnO varistors with various formulation. In the microstructure, A∼E\`s ZnO varistor ceramics sintered at 1130$\^{C}$ was consisted of ZnO grain(ZnO), spinel phase (Zn$\_$2.33/Sb$\_$0.67/O$\_$4/), Bi-rich phase(Bi$_2$O$_3$) and intergranuler phase, wholly. Lightning impulse residual voltage of A, B, C and E\`s ZnO varistors suited standard characteristics, below 12kV at current of 5kA. On the contrary, D\`s ZnO varistor exhibited high residual voltage as high reference voltage. In the accelerated aging test, leakage current and watt loss of B, C and D\`s ZnO varistors increases abruptly with stress time under the first a.c. stress(115$\^{C}$/3.213kV/300h). Consequently, C varistor exhibited a thermal run away. On the contrary, leakage current and watt loss of A and C\`s ZnO varistors which show low initial leakage current exhibited constant characteristics. After high current impulse test, A\`s ZnO varistor has broken the side of varistor but impulse current flowed. On the contrary, E\`s ZnO Varistor exhibited good discharge characteristics which the appearance of varistor was not wrong such as puncture, flashover, creaking and other significant damage. After long duration impulse current test, E\`s ZnO varistor exhibited good discharge characteristics which the appearance of varistor was not wrong such as puncture, flashover, creaking and other significant damage. After high current impulse test and long duration impulse current test, E\`s ZnO varistor exhibited very good characteristics which variation rate of residual voltage is 1.4% before and after test.
한국전기전자재료학회 2004년도 춘계학술대회 논문집 반도체 재료 센서 박막재료 전자세라믹스
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pp.179-182
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2004
ZnO varistor for transmission class arrester$({\Phi}65{\times}20mm)$ of 10kA(Class 3) grade was recently developed in korea and is tested for the properties by switching surge operating duty test to know the line discharge class and complex surge property in electric properties. To find out changing rate of residual voltage before and after lightning impulse residual voltage testing, the sample is cool to room temperature after finishing switching surge operating duty test, and the rate is good as 1.0~1.7%. The element had been considered as applicable ZnO varistor for electricity transmission from the test results of state conterl, switching surge operating duty, thermal stability and above test. But various test should be required for actual application because this is a part of the to be needed for application.
This paper deals with the change of the micro-structure of ZnO associated with lightning surge current and ageing test. In this work, a surge current generator which can produce 8/20 [${\mu}s$], 6 [kA] impulse current is designed and fabricated to simulate the lightning impulse current. The residual voltage and leakage current flowing to ZnO blocks are observed. Also a compensation circuit was used in resistive current measurement. The micro-structures of ZnO arrester block were significantly changed by lightning surge current and accelerated temperature ageing test.
The microstructure and electrical characteristics of A ∼ C's ZnO varistors fabricated according to variable sintering condition, which sintering temperature was 1130 $^{\circ}C$ and speeds of pusher were A: 2 mm/min, B: 4 mm/min, C: 6 mm/min, respectively, were investigated. The experimental results obtained from this study were summarized as follows: The sintering density of A ∼C's ZnO varistors sintered at 1130 $^{\circ}C$ were decreased by sintering keep time to shorten, such as A: 9hour, B: 4.5hour and C: 3hour. A's ZnO varistor exhibited good densification nearly 98 % of theory density. In the microstructure, A∼C's ZnO varistors fabricated variable sintering condition was consisted of ZnO grain(ZnO), spinel phase(Z $n_{2.33}$S $b_{0.67}$$O_4$), Bi-rich phasc(B $i_2$$O_3$), wholly. Varistor voltage of A∼C's ZnO varistors sintered at 1130 $^{\circ}C$ increased in order A
This paper presents structural characteristics of station class lightning arresters and electrical characteristics of manufactured ZnO varistor blocks which are usable in those arresters. Three types of station class lightning arresters were investigated and those are a ceramic arrester, a FRP tube type polymer arrester, and a FRP rod type polymer arrester. Each arrester has merits and demerits with structural characteristics. In general, polymer arresters were made of silicon rubber for housing materials, FRP tube or rod for mechanical strength, ZnO blocks for electrical characteristics, and metal parts for electrical contact and the silicon rubber, the housing materials, was directly injected to the arrester module which was assembly composed of electrodes, ZnO blocks and FRP tube or rod, and to prevent the nonlinear electric fields distribution on upper parts of arresters, the grade ring was adopted to the upper electrodes. The reference voltage, nonlinear coefficient, residual voltage, and voltage ratio of manufactured ZnO varistors are 4.90kV, 50, 9.54kV, 1.94, respectively. Compared to designed electrical characteristics, the reference voltage was low for 600v and the voltage ratio was slightly high. However, the characteristics of discharge withstand was so excellent that the mechanical destruction does not occur at the impulse current of $8/20{\mu}s$ 10kA for 100 times.
In this thesis, the microstructure and electrical properties of ZnO varistors were investigated according to ZnO varistors with various formulation. A∼E's ZnO varistor ceramics were exhibited good density, 95% of theory density and low porosity, 5%, wholly. The average grain size of A-E's ZnO varistor ceramics exhibited 11.89$\mu\textrm{m}$, 13.57$\mu\textrm{m}$, 15.44$\mu\textrm{m}$, 11.92$\mu\textrm{m}$, 12.47$\mu\textrm{m}$, respectively. Grain size of C's ZnO varistor is larger and grain size of A and D's are smaller than other varistors. In the microstructure, A∼E's ZnO varistor ceramics sintered at l130$^{\circ}C$ was consisted of ZnO grain(ZnO), spinel phase(Zn$\sub$2.33/Sb$\sub$0.67/O$_4$), Bi-rich Phase(Bi$_2$O$_3$) and inergranular phase, wholly. Reference voltage of A∼E's ZnO varistor sintered at 1130$^{\circ}C$ decreased in order D, E > A > B > C's ZnO varistors. Nonlinear exponent of varistors exhibited high characteristics, above 30, wholly. Consequently, C's ZnO varistor exhibited good nonlinear exponent, 68. Lightning impulse residual voltage of A, B, C and E's ZnO varistors suited standard characteristics, below 12kV at current of 5kA.
Carbon-fiber reinforced plastic(CFRP) laminates made of nano-particle-coated carbon fibers and damaged by a simulated lightning strike were tested under compression-after-impact(CAI) mode, during which the damage progress due to compressive loading has been monitored by acoustic emission(AE). The impact damage was induced not by mechanical loading but by a simulated lightning strike. Conductive nano-particles were coated directly on the fibers, from which CFRP coupons were made. The coupon were subjected to the strikes with a high voltage/current impulse of 10~40 kA within a few ${\mu}s$. The effects of nano-particle coating and the degree of damage induced by the simulated lightning strikes on AE activities were examined, and the relationship between the compressive residual strength and AE behavior has been evaluated in terms of AE event counts and the onset of AE activity with the compressive loading. The degree of impact damage was also measured in terms of damage area by using ultrasonic C-scan images. The assessment during the CAI tests of damaged CFRP showed that AE monitoring appeared to be useful to differentiate the degree of damage hence the mechanical integrity of composite structures damaged by lightning strikes.
Gas Discharge Tubes (GDTs) are widely used as surge protectors for commnuication applications due to their small internal capacitance. In these days, however, they are mostly used in combined configurations, because the activation voltage required to initiate the discharge process in the GDTs for sufficient amount of time can be large enough to damage surge-sensitive protected circuits. For GDTs with a considerably high initial over-voltage value, we should limit the peak voltage using a TVS or filter. As for ZnO varistors, even though their performance for voltage restriction is excellent, their applications in high-frequency commnuication circuits have been limited because of higher internal capacitance when compared to the GDTs. In order to develop a surge protector for commnuication applications by taking advantages of these two devices, we built a combination circuit that connects a GDT and a ZnO varistor along with a choke coil in common and differential modes. We describe how the applied SPDs operate in protection process steps with the actual data obtained from the residual voltage measurements at each step. The experiment results show that the surge voltage restriction with the choke coil is more effective in 100 [kHz] RingWave voltage than in lightning impulse voltage.
가스방전관(GDT)은 내부 정전용량이 작아서 통신용 서지보호기로 널리 사용되고 있는 소자이다. 하지만 가스방 전관의 동작개시를 위해서는 방전이 개시될 수 있는 충분한 전압과 시간이 필요하며, 이 동작개시전압은 피보호 회로가 서지에 민감한 장비일 경우 손상을 줄 수 있을 만큼 크므로 최근에는 조합 형태로 적용하는 경우가 대부분이다. 이렇게 초기 과전압이 상당 부분 존재하는 가스방전관에는 추가적으로 TVS나 필터 등을 통해 피크 전압을 제한해 주어야 한다. 본 논문에서는 공통모드 초크코일을 이용한 필터를 적용하여 공통모드와 차동모드의 조합회로를 구성하고, 주파수 대역이 다른 뇌임펄스 전압과 ring wave 전압을 인가하여 파형에 따른 조합회로의 특성을 확인하였다. 다단으로 보호되는 과정을 각각의 측정점에서 잔류전압을 측정하여 단계별로 적용한 SPD들이 어떻게 동작하는지를 실측데이터로 제시하였다. 각 단계의 잔류전압을 비교했을 때 공통모드에 비하여 차동모드에서 서지전압을 제한하는 성능이 보다 효과적이다.
In this paper, in order to analyze lightning impulse response characteristics in combined installations of SPDs and RCDs, surge protection coordination between SPDs and RCDs are experimentally investigated by using the combination wave generator. Six different types of single-phase residual current operated circuit-breakers with integral overcurrent protection for household and similar uses(RCBOs) being present on the domestic market are tested according to KS C IEC 61009-1 standard. As a result, when a class I SPD is located on the source side of an RCBO, all kinds of specimens are able to provide the proper coordination between the SPD and RCBOs without nuisance tripping, unintended operation or damage due to test impulse currents. However, in the case that the class II SPD is located on the load side of RCBOs, a lot of L-N mode injected currents is split into the RCBO, and a few RCBOs are damaged. Coordination between SPDs and RCDs is not valid and a role of SPDs is of no use. When combining SPDs with RCDs, it is necessary to select SPDs and RCDs in consideration of the protection voltage level of metal oxide varistor embedded in RCDs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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