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문제 정의
- 본 논문에서는 분‧배전반에서의 위험 요인에 따라 재해발생 메커니즘을 구분하여 시험 설계에 반영하고 그에 따른 국가시험기관을 통하여 개선된 결과물의 검증을 하였으며, 시험데이터를 통해 유용성을 확인하였다. [Table 4]는 본 논문의 실험에 사용 된 재해원인 별 재해발생 메커니즘과 분석한 내용이다.
- 본 논문에서는 은도금 또는 주석도금을 구리에 사용하여 산화 방지를 통한 경계저항을 줄임으로서 안전성을 증대시켰다.
- 본 논문에서는 제안한 블록형 부스바(Bus bar)의 접촉저항 감소특성을 확인하기 위하여 아래와 같은 실험측정을 수행 하였다.
제안 방법
- IEC 60943에 의하면 전력기기의 도체 접속/접촉부에서 접속/접촉부 온도와 주위온도와의 차이(온도상승 △ K)나 주위온도 상승(△ T)이 기준 값을 넘을 때에는 열화가 가속된다고 알려져 있다.(15) 본 연구에서는 블록형 부스바(Bus bar) 조임을 볼트 조임 방식이 아닌 리벳을 여러개를 동시에 접촉토록 설계하여 접촉 부위면적을 확대시켜 체결하는 방식으로 설계하여 접촉저항을 감소시켰다.
- 모선의 구조로는 앞쪽은 메인 차단기 출력부에 타원형의 타공으로 볼트 체결이 용이하도록 하였으며, 하단에는 모선 두께 만큼 내려가도록 그림[Fig 5]의 a와 같이 Z 밴딩을 하여 확장 시 높이의 차별이 없는 구조로 설계하였다. 끝단에는 TAP을 가공하여 단자대 역할을 하였으며, TAP 가공부는 버링을 주어 나사산이 두껍게 돌출되어 단단히 체결될 수 있도록 설계 하였다. 또한 자선과 모선 부스바(Bus bar)의 결합 부에 다수의 타공을 하여 리벳은 그림[Fig 6]과 같이 다수의 리벳을 체결하도록한 구조로 하였다.
- 따라서 본 논문에서 제안한 불록형 부스바는 그림 [Fig 2]와 같이 차단기 증설이 가능하도록 블록형 부스바를 확장이 가능한 구조이다.
- 또한 부스바의 단면적: 3×15 = (45 ㎟) 이나 확장시 체결되는 모선과 확장 모선간의 접속단면적은 (가로)17mm×(세로)15mm= 총단면적255sq 중에서 볼트 8mm 단면적(50sq)를 뺀 나머지 접속단면적은(205 ㎟)로 캇팅 단면적의 4배 이상 접속면적이 확보되어 안전성을 보장하도록 설계하였다.
- 끝단에는 TAP을 가공하여 단자대 역할을 하였으며, TAP 가공부는 버링을 주어 나사산이 두껍게 돌출되어 단단히 체결될 수 있도록 설계 하였다. 또한 자선과 모선 부스바(Bus bar)의 결합 부에 다수의 타공을 하여 리벳은 그림[Fig 6]과 같이 다수의 리벳을 체결하도록한 구조로 하였다.(7) 또한 양쪽 차단기에 부착되는 부스바(Bus bar)의 끝부분은 분기 차단기 연결은 표[Table 2]와 같은 구조로 차단기 볼트에 체결이 쉽도록 한 타원형 타공에 약간의 유결을 확보하여 차단기 사이의 체결을 부드럽게 하는 구조로 설계 되었다.
- 모듈방식의 블록형 부스바를 그림[Fig-8]과 같이 5개 확장연결 후 상부의 메인 단자 R. S. T. N 상에 380V 7.5kA 1sec 단락시험을 실시하였다.
- 모선의 구조로는 앞쪽은 메인 차단기 출력부에 타원형의 타공으로 볼트 체결이 용이하도록 하였으며, 하단에는 모선 두께 만큼 내려가도록 그림[Fig 5]의 a와 같이 Z 밴딩을 하여 확장 시 높이의 차별이 없는 구조로 설계하였다. 끝단에는 TAP을 가공하여 단자대 역할을 하였으며, TAP 가공부는 버링을 주어 나사산이 두껍게 돌출되어 단단히 체결될 수 있도록 설계 하였다.
- 본 논문에서 제안 된 블록형 부스바의 구조는 메인차단기 체결단자, 분기차단기 체결단자, 그리고 확장단자 스레드 나사 체결부위는 버링 방식을 적용한 모선의 구조를 가지고 있다.(8)
- 본 논문에서 제안하는 새로운 분‧배전반은 제작 및 설치가 편리하도록 그림[Fig 1]과 같은 개별블록형의 모듈구조를 가지고 있다(9). 그림[Fig 1]에서 보는 바와 같이 제안된 모듈은 서로 연결이 가능하여 필요에 따라 확장이 손쉬울 뿐 아니라 모듈별로 표준화가 가능하고 규격화와 대량 생산이 가능한 장점을 가지고 있다.
- 특히 분‧배전반에서 전원회로인 부스바(Bus bar)는 절연커버 없이 충전부의 노출로 인해 전기감전 및 단락사고, 동물 및 이물질 침투에 의한 누전 등으로 인한 전기화재의 원인이 되기도 한다. 본 연구에서는 분‧배전반에 사용하는 부스바(Bus bar)의 구조를 전기적 안전성을 높이고 규격화로 표준화 모듈화 하였다. 주문방식의 제조공정을 실시간 대량생산체제를 바탕으로 생산성을 높였으며, 규격을 표준화하여 제품의 품질을 높인, 새로운 구조의 모선절단 개별블록 방식의 설계를 제안하고 분‧배전반의 블록형 부스바의 유연성과 안전성, 경제성을 확보한 구조를 국가공인기관 시험과정을 통해서 품질의 성능을 검증하였다.
- 부스바 단자에 전원을 인가하여 부하를 측정하는 방식으로 R상 S상 T상에 각각 전류를 인가하여 온도 상승시험의 데이터 값을 측정하였다. 측정센서 검출 위치는 부스바의 연결된 접속면적 위치는 그림[Fig 11-a]에서 R1, S1, T1 단자에 확장 부스바 연결하여 볼트 체결된 곳에 센서를 부착하여 시험을 실시하였다.
- 측정센서 검출 위치는 부스바의 연결된 접속면적 위치는 그림[Fig 11-a]에서 R1, S1, T1 단자에 확장 부스바 연결하여 볼트 체결된 곳에 센서를 부착하여 시험을 실시하였다. 부스바(Bus bar)에 정격 최대 전류를 인가한 후 온도의 변화를 기록하여 온도 상승 과정을 통하여 온도상승의 한계점을 확인하는 실험을 실시하였고 그 결과 값은 그림[Fig 7]과 같다.
- 블록형 부스바는 그림[Fig 4]처럼 추가 부스바와 부스바간 연결이 가능한 구조로 확장단자에 텝을 가공하였고 추가 블록형 부스바(Bus bar)에는 타원형의 타공으로 체결이 쉽도록 구현하였으며, 모든 하단의 추가 확장 단자는 추가로 블록형 부스바를 연결할 때 일정한 높이를 유지토록 그림[Fig 5]과 같이 부스바의 두께만큼 낮게 설계하여 추가 부스바의 확장 체결 시 동일한 높이가 유지 되도록 하였으며, 블록형 부스바는 확장이 가능한 구조로 안정적으로 체결이 가능하도록 부스바(Bus bar)의 몸체 하단에 버링을 주어 볼트 체결 시 나사산의 결속이 많아 볼트와 부스바 간의 결속력을 높여 주었다.
- 블록형 부스바를 난연성 절연 커버로 되어 분‧배전반 내부는 안전하고 깔끔하며, 분‧배전반 규격이 축소되어 타 기술의 분‧배전반의 대비 축소 공간이 용량에 따라 그림[Fig 10]와 같이 설치 공간이 약20~30% 축소가 되어 슬림화를 구현하였다. 타 기술 대비제품과 제안하는 제품 간의 상세 비교표[Table 5]를 보면 전체적인 비용절감 효과와 원재료인 동(구리Cu) 절감과 인건비, BOX 치수을 비롯하여 작업시간 일일 생산량 생산 공정 까지 분석된 것을 알 수 있다.
- 안전성과 유연성, 확장성 등을 구현하기 위한 구조를 실행하기 위해선 분‧배전반의 주 회로인 모선의 부스바를 절단하여 유연성을 강조한 제품으로 절단된 부스바(Bus bar)의 연결부위의 접촉저항 증가의 문제점은 개선의 필요성이 있어 이 연구를 거듭하게 되는 요인이며, 본 논문에서는 이를 위하여 전기 분‧배전반의 구성요소인 주회로 모선(동 부스바)을 절단하여 기존모선과 추가 확장모선 부스바(Bus bar)가 맞닿는 접촉 면적을 증가 시키는 방법에 초점을 두어 접촉저항의 감소를 실현 하도록 설계 하였다.(7)
- 제안하는 블록형 부스바의 외부 구조는 그림[Fig 1]과 같이 상부(a)에 메인 차단기를 장착키 위한 연결 부스바(Bus bar)를 체결하고 좌(b), 우(c)측에 분기 차단기를 체결하여 전기적으로 접속되어 전원을 공급하여 주는 연결 부스바(Bus bar)(b,c)를 설치하고, 하단(e)에는 추가 차단기 확장이 필요시 추가 블록형 부스바 그림[Fig 1]을 하단(e)에 필요한 블록형 부스바에 장착하여 사용할 수 있는 구조의 확장단자(e)를 배열한 것이다. 외부는 절연난연 커버로 전기누설을 방지하도록 하였다. 추가 블록형 부스바와 접속되는 볼트 체결부분을 안전한 난연 절연 투명커버로 이루어진 케이스에 삽입하는 구조이며, 상하부에 통풍구를 형성함으로써 밀폐로 인해 발생할 수 있는 방열량을 방출하는 구조로 과열을 방지토록 고려하여 설계하였다.
- 볼트방식의 체결로 된 모선과 자선의 연결부위는 표 [Table 1]에서 보는바와 같이 전기도전율이 매우 낮아 열이 발생할 우려가 있다. 이로 인해 발생하는 사고를 미연에 방지하기 위하여 볼트(철Fe)로 사용하던 것을 전기도전율이 높은 동(구리Cu)로 만들어진 리벳을 사용 하였다. 체결볼트의 풀림현상도 방지하는 효과를 가지고 있으며, 부스바(Bus bar)의 좌우 회전을 방지하도록 다수의 리벳 사용으로 접촉 불량 문제를 해결을 할 수 있다.
- 본 연구에서는 분‧배전반에 사용하는 부스바(Bus bar)의 구조를 전기적 안전성을 높이고 규격화로 표준화 모듈화 하였다. 주문방식의 제조공정을 실시간 대량생산체제를 바탕으로 생산성을 높였으며, 규격을 표준화하여 제품의 품질을 높인, 새로운 구조의 모선절단 개별블록 방식의 설계를 제안하고 분‧배전반의 블록형 부스바의 유연성과 안전성, 경제성을 확보한 구조를 국가공인기관 시험과정을 통해서 품질의 성능을 검증하였다.
- 외부는 절연난연 커버로 전기누설을 방지하도록 하였다. 추가 블록형 부스바와 접속되는 볼트 체결부분을 안전한 난연 절연 투명커버로 이루어진 케이스에 삽입하는 구조이며, 상하부에 통풍구를 형성함으로써 밀폐로 인해 발생할 수 있는 방열량을 방출하는 구조로 과열을 방지토록 고려하여 설계하였다.
- 그림[Fig 8] 과 같이 그림은 메인 동 부스바(Bus bar)인 모선과 분기 동 부스바(Bus bar)인 자선 연결부위의 접촉부를 개선하여 개선된 꼭 지점에 온도 상승 센서를 부착하여 온도 상승의 흐름을 분석한 데이터 값은 그림[Fig 7]과 같다. 추가 한계점에서 발생하는 온도 변화를 면밀히 분석 파악을 하여 또다른 변화를 분석하는 것을 기본적으로 적용하였으며, 그 접촉점의 저항을 최소화 한 후 단시간 전류 실험을 하기 위한 부스바의 연결단자 체결한 회로 구성도는 그림[Fig 8]이다.
- 부스바 단자에 전원을 인가하여 부하를 측정하는 방식으로 R상 S상 T상에 각각 전류를 인가하여 온도 상승시험의 데이터 값을 측정하였다. 측정센서 검출 위치는 부스바의 연결된 접속면적 위치는 그림[Fig 11-a]에서 R1, S1, T1 단자에 확장 부스바 연결하여 볼트 체결된 곳에 센서를 부착하여 시험을 실시하였다. 부스바(Bus bar)에 정격 최대 전류를 인가한 후 온도의 변화를 기록하여 온도 상승 과정을 통하여 온도상승의 한계점을 확인하는 실험을 실시하였고 그 결과 값은 그림[Fig 7]과 같다.
- (7) 또한 양쪽 차단기에 부착되는 부스바(Bus bar)의 끝부분은 분기 차단기 연결은 표[Table 2]와 같은 구조로 차단기 볼트에 체결이 쉽도록 한 타원형 타공에 약간의 유결을 확보하여 차단기 사이의 체결을 부드럽게 하는 구조로 설계 되었다. 케이스 상부와 하부는 내부에서 열 발생 시 공기가 순환되는 구조가 되도록 하여 공기가 아래에서 위로 순환이 가능토록한 구조를 가지고 있으며 여러 개의 차단기를 부착할 있는 블록형 부스바에는 차단기와 차단기 사이에 안전 바를 돌출하게 만들어 전기적 안전을 고려하여 상간 절연체로 차단하는 역할의 구조로 설계 되었다.
대상 데이터
- 실험측정은 한국전기연구원(KERI)에서 부스바(Bus bar)에 부하를 걸은 상태에서 부스바 온도 상승 시험 그림[Fig 7] 과 내전압시험 내 전류 시험중 온도상승시험의 그래프를 삽입을 하였다.
성능/효과
- 모듈화, 규격화로 범용 장비로 대량 생산가능하며 현장에서 조건에 맞게 즉시 분‧배전반의 제작 및 변경이 가능하고 [Table 5]와 같이 전체 원자재 약23% 인건비 30% 전체원가에서 절감을 약 20% 효과가 있으며, 제품 슬림화 규격화 실현 되었다.
- 4항 표[Table 3]은 모선의 굵기는 최소 100A/35㎟(60A/16㎟)로 규정하고 있다. 본 논문에서 제안한 설계제품은 표[Table 3]의 안전도를 확보하기 위해 100A 모선 굵기를 45 ㎟로 22% 증가 설계됨. 또한 부스바의 단면적: 3×15 = (45 ㎟) 이나 확장시 체결되는 모선과 확장 모선간의 접속단면적은 (가로)17mm×(세로)15mm= 총단면적255sq 중에서 볼트 8mm 단면적(50sq)를 뺀 나머지 접속단면적은(205 ㎟)로 캇팅 단면적의 4배 이상 접속면적이 확보되어 안전성을 보장하도록 설계하였다.
- 확장된 연결단자 회로구성에 대해서는 단시간 전류시험을 통해서 안정성을 테스트 하여 본 결과 7.5ka 까지 견디는 것으로 판단되었다. 그림[Fig 8] 과 같이 그림은 메인 동 부스바(Bus bar)인 모선과 분기 동 부스바(Bus bar)인 자선 연결부위의 접촉부를 개선하여 개선된 꼭 지점에 온도 상승 센서를 부착하여 온도 상승의 흐름을 분석한 데이터 값은 그림[Fig 7]과 같다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 블록형 부스바는 분‧배전반에서 사용하는 부스바 설계에 관한 것으로 분전반 기술의 진일보 할 수 있는 부분으로 충전부 노출로 인한 전기 사고를 예방하면서 분‧배전반의 유지보수나 차단기 확장 또는 감속시 전기적 안전성과 유연성을 확보하는 구조로서 비용절감효과와 제품의 슬림화로 원가절감효과 다양한 기능적 성과이며, 분‧배전반의 표준을 만들어 갈수 있을 것이라 판단되며, 분전반의 기능에서 더욱 발전해나가려면 전기적 특성을 검출할 수 있는 기술적 접근을 통해 센서와 기타 전력 제어기능에 추가적으로 개발이 진행되어야 할 것이다.
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