부스 바는 초고층 빌딩의 전력공급과 플랜트 산업의 전원 공급부 및 장비 제조 산업 분야의 배전반에 널리 사용되는 전기적인 접속 구조이다. 부스 바의 설계 시 고려해야 할 사항으로 사용 환경에 따른 재질, 전원 용량에 따른 단면적, 표면둘레의 길이, 체결 방법 등이 있다. 설계 시 충분한 전원 용량의 사이즈로 제작된 부스 바의 경우에도 실제 체결이 잘못 될 경우 열화에 의한 화재로 이어질 수 있다. 이러한 이유로 전기적 접촉부의 온도 상승에 대한 다양한 연구가 지속되어 왔다. 그러나 접촉부의 온도 상승은 결과에 기인한 현상이지 직접적인 원인은 아니다. 본 논문은 부스 바의 체결력과 중첩 구간에 따른 접촉 저항의 영향성에 대한 연구로 시편을 제작하여 저항의 변화를 측정하여 영향력을 분석하였다. 총 8개의 부스 바시편을 제작하여 측정하였고 각각의 시편을 교차하여 체결시 가해지는 체결력과 중첩 구간의 간격을 가변하여 저항을 측정하였다. 실험 결과를 통해 이러한 요인이 실제 접촉 저항의 변화에 어느 정도 기여하는지를 분석하여 안전한 전원 연결 장치의 모델을 제시하고자 한다.
부스 바는 초고층 빌딩의 전력공급과 플랜트 산업의 전원 공급부 및 장비 제조 산업 분야의 배전반에 널리 사용되는 전기적인 접속 구조이다. 부스 바의 설계 시 고려해야 할 사항으로 사용 환경에 따른 재질, 전원 용량에 따른 단면적, 표면둘레의 길이, 체결 방법 등이 있다. 설계 시 충분한 전원 용량의 사이즈로 제작된 부스 바의 경우에도 실제 체결이 잘못 될 경우 열화에 의한 화재로 이어질 수 있다. 이러한 이유로 전기적 접촉부의 온도 상승에 대한 다양한 연구가 지속되어 왔다. 그러나 접촉부의 온도 상승은 결과에 기인한 현상이지 직접적인 원인은 아니다. 본 논문은 부스 바의 체결력과 중첩 구간에 따른 접촉 저항의 영향성에 대한 연구로 시편을 제작하여 저항의 변화를 측정하여 영향력을 분석하였다. 총 8개의 부스 바시편을 제작하여 측정하였고 각각의 시편을 교차하여 체결시 가해지는 체결력과 중첩 구간의 간격을 가변하여 저항을 측정하였다. 실험 결과를 통해 이러한 요인이 실제 접촉 저항의 변화에 어느 정도 기여하는지를 분석하여 안전한 전원 연결 장치의 모델을 제시하고자 한다.
The bus bar is an electrical connection widely used for the power supply of skyscrapers and power distribution and industrial equipment electrical panels in industrial plants. There are various materials to be considered in the design of the bus bar, such as material based on the use environment, th...
The bus bar is an electrical connection widely used for the power supply of skyscrapers and power distribution and industrial equipment electrical panels in industrial plants. There are various materials to be considered in the design of the bus bar, such as material based on the use environment, the sectional area according to the power capacity, the length of the surface circumference, and the tightening method. Even with a bus bar manufactured to a size of sufficient power capacity in the design, if the actual tightening is incorrect, it may lead to fire due to deterioration. For these reasons, a variety of research on the temperature rise of the electrical contact point has continued. However, the temperature rise of the contacts is a consequence of the result, not a direct cause. In this paper, the influence of contact resistance on the fastening force and the overlapping section of the bus bar are investigated by measuring the change in resistance from building the specimen. A total of eight bus bar specimens were manufactured and measured. Resistance was measured by varying the clamping force and the interval between overlapping sections when the specimens were crossed. We propose a safe power connection model by analyzing the contribution of these factors to the actual contact resistance change.
The bus bar is an electrical connection widely used for the power supply of skyscrapers and power distribution and industrial equipment electrical panels in industrial plants. There are various materials to be considered in the design of the bus bar, such as material based on the use environment, the sectional area according to the power capacity, the length of the surface circumference, and the tightening method. Even with a bus bar manufactured to a size of sufficient power capacity in the design, if the actual tightening is incorrect, it may lead to fire due to deterioration. For these reasons, a variety of research on the temperature rise of the electrical contact point has continued. However, the temperature rise of the contacts is a consequence of the result, not a direct cause. In this paper, the influence of contact resistance on the fastening force and the overlapping section of the bus bar are investigated by measuring the change in resistance from building the specimen. A total of eight bus bar specimens were manufactured and measured. Resistance was measured by varying the clamping force and the interval between overlapping sections when the specimens were crossed. We propose a safe power connection model by analyzing the contribution of these factors to the actual contact resistance change.
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문제 정의
그러나 산업 현장에서 사용하는 부스 바의 형태는 매우 다양하며 환경 조건도 다르기 때문에 모든 조건을 충족시키는 방법을 제시하기가 어려운 실정이다. 본 연구에서는 부스 바의 접촉 저항에 영향을 미치는 가장 중요한 요인인 체결력과 중첩 구간에 대해 설계 시 고려해야 할 사항을 제시하고 이를 실험을 통해 유효성을 증명한다.
가설 설정
체결 토크별 저항 변화 실험의 측정 결과와 같이 부스바 시편의 체결 토크가 증가할수록 전체 저항이 감소함을 확인할 수 있다. 저항의 감소는 체결부의 접촉 저항의 감소를 의미하며 일정 조임 토크 이상이 되면 감소되는양이 매우 미세하여 더 큰 체결력이 접촉 저항의 감소로 이어지지 않는다. 부스 바의 체결 시 이러한 한계값을 고려하여 체결력을 선정하여야 한다.
겹쳐진 형태의 전극에서 발생하는 저항 증가 현상을 유선효과 (Streamline Effect)라고 한다. 직선형이 아닌 중첩구간에서 전류의 흐름은 선형적으로 흐르지 않고 전류 왜곡이 발생되어 동일한 길이의 전극보다 높은 저항값을 가지게 된다. 이러한 저항의 증가는 접촉부에 주울열을 발생시켜 전극을 열화 시키는 요인이 될 수 있다.
제안 방법
볼트 체결 개수에 따라 Joint1, 2, 3으로 구분하였고 시편 Set 4개에 대해 토크를 가변하며 저항값을 측정하였다. 체결 토크는 도구를 이용하지 않고 사람의 손으로 체결한 경우를 토크 0으로 하고 이후부터 토크 렌치를 이용하여 50[kgf.
접촉력에 따른 저항 변화를 측정하기 위해 우선 접촉의 형태를 구분하였다. 시편에 있는 Tap의 체결 갯수에따라 Tap 1개소에 체결한 경우부터 Tap 3개소에 체결하여 시편 ①과 ⑤, ②와 ⑥, ③과 ⑤, ④와 ⑧을 각각 체결하여 실험하였다.
대상 데이터
체결력과 중첩구간에 따른 접촉 저항 영향성 실험을 위해 Fig. 3과 같이 부스 바 시편을 제작하였으며 시편의 재질은 Cu, 단면적이 30[mm](t) × 40[mm](w)이며 총길이는 200[mm]로 제작하였다. 시편은 총8개로 왼쪽 4개(①～④)는 40[mm] 간격으로 12[mm] hole을 가공하였고 오른쪽 4개(⑤～⑧)는 M10 Tap 가공을 하여 볼트 체결이 가능하도록 하였다.
중첩 구간에 따른 저항 변화를 측정하기 위해 토크별 저항 측정과 유사한 방법으로 Tap의 체결 개수에 따라 Joint 명칭을 정의하였다. Tap 1개소만 체결한 경우 Joint1, 2개소 체결한 경우 Joint2로 결정하였고 총 5개소까지 체결한 저항의 값을 측정하였다. 이번 실험은 유선효과를 측정하는 것이 목적이기 때문에 체결 토크는 최대치 300[kgf.
이론/모형
시편은 총8개로 왼쪽 4개(①～④)는 40[mm] 간격으로 12[mm] hole을 가공하였고 오른쪽 4개(⑤～⑧)는 M10 Tap 가공을 하여 볼트 체결이 가능하도록 하였다. 또한, 접촉 저항 측정 실험을 위해 계측기는 μΩ 단위의 저항을 측정할 수 있는 Micro-Ohm meter로 MEGABRAS사의 MPK 모델을 사용하였으며 최대 0.1μΩ의 측정 분해능을 갖고 있다. 측정 전류는 최대 200A까지 설정할 수 있어 큰 전류의 상태에서 발생하는 미소 저항까지 계측이 가능하다.
성능/효과
각 Joint 별로 체결 토크를 증가함에 따라 시편의 전체 저항이 낮아짐을 확인할 수 있다. 그리고 조인트의 형태에 관계없이 모두 체결 토크에 비례하여 전체 저항이 감소하는 것을 확인하였으며 체결 토크가 250[kgf.
그리고 중첩 구간별 실험에서 볼 수 있듯이 중첩구간과 두께의 비가 6배가 되는 지점에서 이상적인 저항 비율인 0.5에 가까워짐을 확인할 수 있다. 또한, 실험을 통해 확인한 바와 같이 최대한 중첩구간을 확보하는 것이 안전한 전극 설계에 중요한 요인이다.
첫 번째, 체결 토크에 따른 저항의 변화와 두 번째, 중첩 구간의 비에 따른 유선효과에 대한 실험이다. 체결 토크별 저항 변화 실험의 측정 결과와 같이 부스바 시편의 체결 토크가 증가할수록 전체 저항이 감소함을 확인할 수 있다. 저항의 감소는 체결부의 접촉 저항의 감소를 의미하며 일정 조임 토크 이상이 되면 감소되는양이 매우 미세하여 더 큰 체결력이 접촉 저항의 감소로 이어지지 않는다.
후속연구
하지만 과도한 중첩 비율은 부스 바의 체결 지점을 늘리고 접촉을 어렵게 하여 다른 악영향을 가져올 수 있다. 부스 바 설계 시 이러한 요인을 감안하여 최적의 체결 조건을 파악한다면 합리적인 부스 바 설계가 될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부스 바의 설계 시 무엇을 고려하여야 하는가?
부스 바는 초고층 빌딩의 전력공급과 플랜트 산업의 전원 공급부 및 장비 제조 산업 분야의 배전반에 널리 사용되는 전기적인 접속 구조이다. 부스 바의 설계 시 고려해야 할 사항으로 사용 환경에 따른 재질, 전원 용량에 따른 단면적, 표면둘레의 길이, 체결 방법 등이 있다. 설계 시 충분한 전원 용량의 사이즈로 제작된 부스 바의 경우에도 실제 체결이 잘못 될 경우 열화에 의한 화재로 이어질 수 있다.
전기적인 접촉은 어떻게 정의할 수 있는가?
전기적인 접촉은 전류가 흐르는 폐회로에서 전원 공급의 연속성을 보장하는 통전부의 인터페이스로 정의된다. 즉 접점 인터페이스를 통해 전류 공급을 원활하게 하는 것에 목적이다.
구동형과 고정형 전기 접촉은 각각 어떤 형태인가?
이러한 전기 접촉은 인터페이스의 기구학적 형상, 도체의 재질, 표면처리, 온도, 부하량에 따라 복잡한 메카니즘을 거쳐 전기를 흐르게 하는데 접촉의 분류는 크게 구동형과 고정형으로 나눌 수 있다. 구동형은 일반적으로 사용되는 전원 플러그, 릴레이나 차단기의 접점과 같이 슬라이딩 및 마찰 접점이 지속적으로 동작하는 것이며, 고정형은 기계장치의 전원용 부스 바(Bus bar), 건물의 송배전부와 같이 한번 접속하면 수개월에서 수십년까지 고정되는 형태이다. 이러한 전기 접촉의 영향성에 대한 연구는 학회 및 산업체등 다양한 분야로 연구되어 왔다.
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