[논문]비용 효율이 높은 24kV급 고압배전반 개발을 위한 Bus Bar 사이즈에 따른 전·자기 손실 특성 분석

홍종기; 허정일; 남석호; 강형구

doi:10.5370/kieep.2012.61.4.220

비용 효율이 높은 24kV급 고압배전반 개발을 위한 Bus Bar 사이즈에 따른 전·자기 손실 특성 분석
A Study on the Characteristics of the Electric Field and Electromagnetic Loss according to Bus Bar Size for a cost-effective 24kV High Voltage Switchgear 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.61 no.4, 2012년, pp.220 - 224

홍종기 (한국교통대 첨단과학기술대 전기공학과) , 허정일 (한국교통대 첨단과학기술대 전기공학과) , 남석호 (한국교통대 첨단과학기술대 전기공학과) , 강형구 (한국교통대 첨단과학기술대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The analysis on the bus bar effect is conducted to develop a cost effective 24kV/2,000A switchgear. The temperature enclosures and bus bars could rise due to several heat sources such as eddy current losses and copper losses. Therefore, a study on the characteristics of the electric field intensity and electromagnetic loss according to the bus bar size in a bus bar compartment is essential to design a electrically reliable high voltage switchgear. It is investigated that the electromagnetic influence to the temperature rising and the dielectric stability according to various bus bar sizes by using finite element method(FEM). The electric field intensity and electromagnetic loss according to various bus bar sizes are calculated to design a reliable and a high voltage switchgear. As results, it is found that the electromagnetic loss and the dielectric stability of bus bar could be determined by a bus bar size. It means that a cost effective 24kV/2,000A high voltage switchgear could be developed by selecting the proper size of a bus bar. Also, it is recognized that the electromagnetic characteristics according to various bus bar sizes in order to design an electrically stable high voltage switchgear when the enclosure size is determined as a fixed value. Futhermore, studies on the various nominal voltage class and bus bar sizes will be conducted to develop a cost effective high voltage switchgear.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 고 신뢰성 24kV급 고압배전반 개발을 위해서 9가지 사이즈를 가지는 bus bar 모델을 제시하고 전·자기손실 특성과 경제적인 측면에 대한 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 고 신뢰성 고압배전반 설계를 위해서 bus bar의 두께가 15mm 이상인 조건 중에서 bus bar의 동량을 고려하고 전·자기손실 특성 비교를 통해 가장 경제적이면서 손실특성이 좋은 bus bar 크기를 선정하고 고압배전반을 설계하는 배치기법에 관하여 논의하였다.
본 논문에서는 고 신뢰성 고압배전반의 개발을 위하여 기존의 모델과 더불어 9가지 사이즈의 새로운 bus bar 모델을 제안하고 그에 따른 전·자기손실 특성을 비교·분석하여 가격 경쟁력 측면을 고려한 bus bar 사이즈를 선정하였다.
본 논문에서는 고전압 전력기기 중 하나인 고압배전반에 대한 전·자기손실 특성 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 부피 축소화를 통한 원가 절감으로 고 신뢰성 및 제품의 가격 경쟁력 향상에 도움이 되는 고압배전반의 개발을 위하여 기존의 bus bar 사이즈뿐만 아니라 9가지 사이즈의 새로운 bus bar 모델을 제안하였다. 각각의 bus bar 사이즈에 따른 bus bar와 enclosure의 전계 해석과 전·자기손실 해석을 FEM을 이용하여 수행하고 그 결과를 비교·분석하였다[3].

제안 방법

각각의 bus bar 사이즈에 따른 bus bar와 enclosure의 전계 해석과 전·자기손실 해석을 FEM을 이용하여 수행하고 그 결과를 비교·분석하였다[3].
그러므로 본 논문에서는 고압배전반의 안전율을 확보하기 위해서 3.5kV/mm의 절연파괴전계값을 기준으로 전·자기 손실해석을 수행하였다.
또한 본 논문에서는 비교적 전기 절연적으로 안정한 bus bar 사이즈 두께가 15mm이상인 조건에 대해서 전·자기손실값과 bus bar의 동량을 고려한 bus bar의 원자재 단가를 비교·분석하였다[5].
2μs/50μs의 125kV이므로, 본 논문에서의 모든 전계 해석은 뇌임펄스 125kV를 인가하는 해석조건으로 수행하였다. 또한 실제 R상에 대한 절연시험에서는 S상과 T상 그리고 enclosure를 접지하며, S상에 대한 절연 시험에서는 R상과 T상 그리고 enclosure를 접지하므로 본 논문에서 사용된 전계 해석 역시 같은 조건으로 전계 해석을 수행하였다. 그림 2는 enclosure의 크기를 고정하고 뇌임펄스전압 125kV를 R상에 인가하였을 때 bus bar 사이즈에 따른 최대전계 크기가 가장 작은 경우와 가장 큰 경우에 대한 그림이며 표 1은 bus bar 사이즈에 따른 뇌임펄스 125kV를 인가하였을 때 R상과 S상의 최대전계값을 나타낸 표이다.
또한 전·자기손실은 물질의 종류와 배치 등에 의하여 결정되므로 각각의 bus bar 사이즈에 따른 bus bar에서의 전·자기 손실해석과 enclosure에서의 전·자기 손실해석을 수행하고 표 2과 표 3을 통해 비교하여 나타내었다.
와전류는 자속에 의하여 금속에 발생하는 전류이므로 본 논문에서는 전·자기손실 분포뿐만 아니라 자기장 분포도 살펴보았다.
정격전압 24kV의 고압배전반에 대한 IEC 시험 규정 중에서 뇌임펄스 절연파괴시험 규정은 1.2μs/50μs의 125kV이므로, 본 논문에서의 모든 전계 해석은 뇌임펄스 125kV를 인가하는 해석조건으로 수행하였다.

대상 데이터

또한 24kV/2,000A 고압배전반 enclosure의 크기를 현대중공업 HMS-N24 모델의 규격을 참고하여 1,006mm×520mm로 선정하고 enclosure 두께를 3mm로 고정하였다. 24kV/2,000A급 고압배전반의 각 bus bar 간의 상간거리는 VCB(Vacuum Circuit Breaker) pole 간격에 맞추어 설계되므로 bus bar 간의 상간거리는 현대중공업의 24kV/2,000A급 VCB 제품 중에서 HVF 6144제품의 pole 간격을 기준으로 210mm로 고정하였다. 그림 1은 24kV/2,000A급 고압배전반을 상부에서 내려다보았을 때 bus bar compartment 내부 구조 단면도를 나타낸 그림으로 enclosure는 전·자기 손실해석을 위해 top, bottom, left, right로 구분하였다.
본 논문에서는 고 신뢰성 고압배전반의 개발을 위하여 기존의 모델과 더불어 9가지 사이즈의 새로운 bus bar 모델을 제안하고 그에 따른 전·자기손실 특성을 비교·분석하여 가격 경쟁력 측면을 고려한 bus bar 사이즈를 선정하였다. Bus bar의 재질은 copper, enclosure의 재질은 stainless steel로 선정하였다. 또한 24kV/2,000A 고압배전반 enclosure의 크기를 현대중공업 HMS-N24 모델의 규격을 참고하여 1,006mm×520mm로 선정하고 enclosure 두께를 3mm로 고정하였다.
또한 24kV/2,000A 고압배전반 enclosure의 크기를 현대중공업 HMS-N24 모델의 규격을 참고하여 1,006mm×520mm로 선정하고 enclosure 두께를 3mm로 고정하였다.

데이터처리

본 논문에서는 24kV/2,000A급 고압배전반용 bus bar compartment에 대한 전계 해석을 수행하고 그 결과를 비교·분석하였다.

성능/효과

본 논문에서는 고 신뢰성 24kV급 고압배전반 개발을 위해서 9가지 사이즈를 가지는 bus bar 모델을 제시하고 전·자기손실 특성과 경제적인 측면에 대한 분석을 수행하였다. Enclosure의 크기를 고정한 조건에서 전계 해석을 한 결과, 전기 절연적 측면에서는 bus bar의 두께가 15mm 이상이어야 전기 절연적으로 안정한 조건임을 확인하였다. 또한 전·자기 손실해석 결과, Enclosure에서의 총 전·자기손실값은 큰 차이를 나타내지 않았고 bus bar에서의 총 전·자기손실 값은 bus bar의 두께가 15mm 이상이 되는 조건 하에서 단면적이 클수록 적어짐을 확인할 수 있었다.
그래프를 통해 분석한 결과, bus bar의 가격은 최소값 6,600원에서 최대값 9,800원까지 차이를 보였으며 전·자기손실값과 경제적인 측면을 고려하였을 때 점선으로 그려진 부분에서 65×15×2ea의 bus bar 사이즈가 가장 양호한 특성을 나타내는 사실을 확인할 수 있었다.
그래프를 통해 살펴보면 bus bar 사이즈에 따른 bus bar 총 전·자기손실 중에 bus bar의 두께가 10mm일 때 보다 15mm일때 전·자기손실이 낮음을 확인할 수 있었고 bus bar의 두께가 일정할 때 bus bar의 너비가 넓을수록 전·자기손실값이 낮아짐을 확인할 수 있었다.
그리고 bus bar의 전·자기손실 특성과 동량을 고려하여 bus bar 사이즈가 커짐에 따른 원자재 단가를 비교한 그래프를 통해 분석한 결과, 본 논문에서 제시한 9가지 bus bar 모델 중에서 65×15×2ea 크기의 bus bar 모델이 손실특성을 고려한 가격 경쟁력 측면에서 양호한 특성을 나타내었다.
그림 4를 분석한 결과 기존의 24kV/2,000A급 고압배전반 bus bar 사이즈 중에서 70×10×2ea, 80×10×2ea은 뇌임펄스전압에 대한 공기 중의 1기압 하에서 최소 절연파괴전계값인 3.5kV/mm를 상회하여 전기 절연적인 관점에서 불안정한 조건임을 확인할 수 있었다.
또한 bus bar 사이즈가 55×20×2ea일 때 최대전계값이 가장 낮아 절연적으로 가장 안정적인 모델임을 확인할 수 있었다.
또한 bus bar 사이즈에 따른 enclosure에서의 전·자기손실 변화값은 크지 않았으며 bus bar의 면적이 커질수록 전·자기손실값은 작아짐을 확인할수 있었다.
또한 전·자기 손실해석 결과, Enclosure에서의 총 전·자기손실값은 큰 차이를 나타내지 않았고 bus bar에서의 총 전·자기손실 값은 bus bar의 두께가 15mm 이상이 되는 조건 하에서 단면적이 클수록 적어짐을 확인할 수 있었다.
그림 4는 bus bar 사이즈에 따른 절연 안정성을 나타낸 그래프이다. 전기 절연적인 관점에서 살펴보았을 때 bus bar의 두께가 15mm 이상이어야 절연적으로 안정적임을 확인할 수 있었다. 또한 bus bar 사이즈가 55×20×2ea일 때 최대전계값이 가장 낮아 절연적으로 가장 안정적인 모델임을 확인할 수 있었다.

후속연구

그러나 국내 업체에서 개발하고 있는 고전압전력기기는 주로 경험적인 방법과 해외 제품의 사이즈 벤치마킹에 의존하므로 해외 선진업체의 제품에 비하여 부피 경쟁력뿐만 아니라 가격 경쟁력 측면에서 선행연구가 필요한 실정이다. 따라서 국내 업체의 제품의 경쟁력 향상과 시장 확장을 위해서는 고전압전력기기의 절연설계기준 확립에 관한 연구가 반드시 선행되어야 할 것이다.
본 논문에서는 고 신뢰성 고압배전반 설계를 위해서 bus bar의 두께가 15mm 이상인 조건 중에서 bus bar의 동량을 고려하고 전·자기손실 특성 비교를 통해 가장 경제적이면서 손실특성이 좋은 bus bar 크기를 선정하고 고압배전반을 설계하는 배치기법에 관하여 논의하였다. 이와 같은 연구 결과는 국내 고압배전반 제품의 절연, 기계적, 그리고 열적 향상에 기여하고 축소형 고압배전반의 절연설계법을 위한 지표로 참고될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 고 신뢰성 고압배전반 개발을 위해서 bus bar의 수직배치와 수평배치에 관한 연구와 bus bar compartment의 전·자기 손실해석뿐만 아니라 온도 해석을 통한 연구를 진행할 계획이다.
이와 같은 연구 결과는 국내 고압배전반 제품의 절연, 기계적, 그리고 열적 향상에 기여하고 축소형 고압배전반의 절연설계법을 위한 지표로 참고될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 고 신뢰성 고압배전반 개발을 위해서 bus bar의 수직배치와 수평배치에 관한 연구와 bus bar compartment의 전·자기 손실해석뿐만 아니라 온도 해석을 통한 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고압배전반이란 무엇인가?	본 논문에서는 고전압 전력기기 중 하나인 고압배전반에 대한 전·자기손실 특성 분석을 수행하였다. 고압배전반이란 전력 공급처에서 공급되는 특고압의 전기를 실제 사용하는 각종 설비 및 장비의 정격에 맞는 낮은 전압 및 정격 용량으로 변환시켜 전기 시설물을 안전하게 사용할 수 있도록 조작 및 제어하는 역할을 하며 차단기, 단로기 등의 전력용개폐장치, 계기용변성기, bus bar, 접속도체 등의 주회로 기기를 수납한 고전압기기이다. 고압배전반에는 차단기 등의 전기·전자 부품과 연결시켜주며 전력의 분기점을 만들어 주는 bus bar가 배치되어 있다.
	도심의 지가 상승이라는 문제점으로 인하여 도심 내에 위치하는 변전소용 전력기기는 어떻게 설치되어야 하는가?	그러나 도심 내에 위치하는 변전소용 전력기기는 도심의 지가 상승으로 인하여 가능한 소형화되어야 하는 문제가 있다. 따라서 최소한의 공간에 고 신뢰성 전력기기가 설치되어야 한다. 해외 연구소와 대학, 중전기업체에서는 고전압전력기기의 전기적 안정성 향상과 부피 축소화에 관한 체계적이고 계획적인 연구를 진행중에 있다.
	절연관련 사고가 매년 증가하고 있는 이유는?	전력계통의 고전압화 추세에 따라 절연관련 사고는 매년 증가하고 있으며, 이에 따라 전기적, 기계적 안전성 확보를 위하여 고전압 전력기기도 대형화되어가고 있다. 그러나 도심 내에 위치하는 변전소용 전력기기는 도심의 지가 상승으로 인하여 가능한 소형화되어야 하는 문제가 있다.

참고문헌 (5)

이방욱, 강종성, 손중만, 최원준, 서정민, "대전류 통전시 배전반내의 열적 현상에 관한 연구", 대한전기학회추계학술대회 논문집, pp.1051-1053., 1999.
배준한, 김해준, "전력기기용 Al/Cu 복합 부스바의 통전용량 설계 및 특성 평가", 대한전기학회 논문지, pp.682-632, 2006., Vol.55, No.12
Yasuo nishikore, Soji Kojima, and Teruya Kouno, "A Study of the Field Utilization Factor and the Maximum Electric Field at Sparkover of the standard Sphere Gaps", Electrical Engineering in Japan, Vol.139, No.4, pp. 399-404, 2002.
남석호, 강형구 "친환경 고압배전반 개발을 위한 dry air의 압력별 절연내력 특성 분석에 관한 연구", 대한전기학회 논문지, pp.1560-1565, 2011., Vol.60, No.8

원문보기 상세보기
"한국물가정보", 2012.10

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증