전력수요와 부하용량이 증가 되어감에 따라 부하에 전력공급을 위한 간선으로서의 케이블은 설치 시간의 과다와 공간의 제약으로 사용이 제한적이다. 이런 문제를 해결하기 위한 간선 시스템으로 대전류를 효율적으로 공급해 줄 수 있는 버스웨이 시스템의 사용이 증가되고 있으나, 신뢰성의 검증을 위한 시험평가 방법과 그에 대한 결과 제시가 부족한 실정이다. 본 논문에서는 에폭시를 주절연으로 하는 버스웨이 시스템의 신뢰성 검증을 위해서 IEC 61439-6에서 제시된 시험항목이외에 장기 사용성과 신뢰성을 평가할 수 있는 시험항목을 선정하였다. 열 및 전기적 스트레스를 동시에 인가하여 최대한 실사용 상태를 반영한 복합가속열화시험을 실시하였으며, 50년 수명 조건을 충족하도록 열화 조건을 선정하여 버스웨이 시스템의 절연성능 확인시험을 통해 수명을 만족함을 확인하였다. 또한, 버스웨이가 설치되는 온도, 습도 및 부하전류 사용 환경에 대한 적합성 확인에 대한 신뢰성 평가 시험항목으로서 열적 과전류 시험, 침수시험, 냉충격시험, 온도 사이클 시험을 선정하여 실시하였으며, 확인 시험을 통해 시험 전후의 특성 변화와 이상 유무를 검토하였다. 이 결과들로부터 에폭시 절연형 버스웨이 시스템의 평가항목으로서 본 논문에서 제시한 시험항목이 적절하고, 그에 대한 제품의 성능도 우수함을 확인하였다.
전력수요와 부하용량이 증가 되어감에 따라 부하에 전력공급을 위한 간선으로서의 케이블은 설치 시간의 과다와 공간의 제약으로 사용이 제한적이다. 이런 문제를 해결하기 위한 간선 시스템으로 대전류를 효율적으로 공급해 줄 수 있는 버스웨이 시스템의 사용이 증가되고 있으나, 신뢰성의 검증을 위한 시험평가 방법과 그에 대한 결과 제시가 부족한 실정이다. 본 논문에서는 에폭시를 주절연으로 하는 버스웨이 시스템의 신뢰성 검증을 위해서 IEC 61439-6에서 제시된 시험항목이외에 장기 사용성과 신뢰성을 평가할 수 있는 시험항목을 선정하였다. 열 및 전기적 스트레스를 동시에 인가하여 최대한 실사용 상태를 반영한 복합가속열화시험을 실시하였으며, 50년 수명 조건을 충족하도록 열화 조건을 선정하여 버스웨이 시스템의 절연성능 확인시험을 통해 수명을 만족함을 확인하였다. 또한, 버스웨이가 설치되는 온도, 습도 및 부하전류 사용 환경에 대한 적합성 확인에 대한 신뢰성 평가 시험항목으로서 열적 과전류 시험, 침수시험, 냉충격시험, 온도 사이클 시험을 선정하여 실시하였으며, 확인 시험을 통해 시험 전후의 특성 변화와 이상 유무를 검토하였다. 이 결과들로부터 에폭시 절연형 버스웨이 시스템의 평가항목으로서 본 논문에서 제시한 시험항목이 적절하고, 그에 대한 제품의 성능도 우수함을 확인하였다.
The use of electric cable was limited due to the installation time and large space as the increase of power demand and load quantity in side line. In order to solve these problems, the application of busway system which can supply the large current was increasing. But it was lack of methods of perfo...
The use of electric cable was limited due to the installation time and large space as the increase of power demand and load quantity in side line. In order to solve these problems, the application of busway system which can supply the large current was increasing. But it was lack of methods of performance tests to evaluate the reliability and results of test for busway system. In this paper, we presented items to evaluate the reliability test for epoxy coated busway system with reference to IEC 61349-6. In addition, we proposed items to evaluate the reliability and long term life cycle test for the epoxy coated busway system. The combined acceleration deterioration test that reflects actual conditions of the survey as much as possible was conducted considering both thermal and electrical stresses. The deterioration condition was selected to satisfy fifty years life expectation and the insulation performance verification test of the busway system confirmed the long term life prediction. Furthermore, as test items for reliability assessment of compliance with the environment for the use of temperature, humidity and load current where busway system was installed, thermal overload test, water immersion test, cold shock temperature test and thermal cycle test were performed. And we examined changes in characteristics and abnormality after tests. From results, the test items presented to evaluate performance and reliability of the epoxy insulated busway system were confirmed to be appropriate in this paper, and the performance of the product was also confirmed to be excellent for reliability tests.
The use of electric cable was limited due to the installation time and large space as the increase of power demand and load quantity in side line. In order to solve these problems, the application of busway system which can supply the large current was increasing. But it was lack of methods of performance tests to evaluate the reliability and results of test for busway system. In this paper, we presented items to evaluate the reliability test for epoxy coated busway system with reference to IEC 61349-6. In addition, we proposed items to evaluate the reliability and long term life cycle test for the epoxy coated busway system. The combined acceleration deterioration test that reflects actual conditions of the survey as much as possible was conducted considering both thermal and electrical stresses. The deterioration condition was selected to satisfy fifty years life expectation and the insulation performance verification test of the busway system confirmed the long term life prediction. Furthermore, as test items for reliability assessment of compliance with the environment for the use of temperature, humidity and load current where busway system was installed, thermal overload test, water immersion test, cold shock temperature test and thermal cycle test were performed. And we examined changes in characteristics and abnormality after tests. From results, the test items presented to evaluate performance and reliability of the epoxy insulated busway system were confirmed to be appropriate in this paper, and the performance of the product was also confirmed to be excellent for reliability tests.
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문제 정의
본 논문에서는 에폭시 박막 절연형 버스웨이 시스템에 대해 가속열화 시험을 통한 수명을 평가하기 위한 시험방법의 수립과 검증을 IEC 61439-6에서 제시하는 시험이외에 신뢰성을 확보할 수 있는 가혹한 시험의 수행을 통하여 사용 안정성을 평가하고 신뢰도 평가 기준으로서 시험항목을 제시하고, 결과를 고찰하고자 한다.
사용 환경이 다양한 버스웨이 시스템은 에폭시를 박막 코팅하여 절연한 3상 시스템이 주로 사용되고 있으며, IEC 61439에 규정한 시험항목 이외에 수명평가와 사용 환경에 따른 신뢰성을 확보하기 위한 시험 및 평가는 이루어지지 않고 있다. 본 논문은 버스웨이 시스템의 가속수명시험을 통한 수명평가와 다양한 환경조건을 모사한 신뢰성 시험에 대한 방법 정립과 기준을 마련하고자 하는 연구를 실시하였으며, 그에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
16과 같이 실시하였으며, 부하의 변화와 외부 온도의 변화에 따라 급격하게 변할 수 있는 온도에 대해 절연안정성을 평가하기 위한 것이다. 접속부가 많은 버스웨이 시스템의 경우 반복적인 열팽창으로 인한 접속부의 절연 손상이 발생할 수 있기 때문에, 이것을 검증하기 위해서 실시하였다. 온도사이틀 시험 완료 후 시편의 상태를 확인하기 위해서, 규정된 내전압 시험을 교류 4 kV전압을 1분간 인가하여 절연파괴가 발생하지 않아야 하며, 이상이 없음을 확인하였다.
제안 방법
3.3 사용 환경에 따른 신뢰성 평가
가속수명 시험 외에 추가적인 시험 항목은 열적 과전류 시험(thermal overload test), 침수시험(Water immersion test), 냉충격 시험(cold shock temperature test), 온도 사이클 시험(thermal cycling test)이며, 각 시험 항목은 버스웨이 시스템이 다양한 사용 환경에서의 적용성과 안정성을 평가할 수 있도록 선정되었다.
여기에 옥외 제품 주위온도 설계 수준인 40 ℃로 가정하고 최대 RTI까지 상승했을 경우 최대 온도는 170 ℃가 된다. 따라서 열적 과전류에 대한 시험평가를 위해 도체 최대 온도가 170 ℃에 도달하도록 과전류를 인가한 후 전류를 차단하고 주위온도로 자연냉각을 시키는 것을 하나의 주기로 하여 총 3주기 수행 후 절연성능 시험을 수행하여 이상 유무를 판단하였다.
이중에서 본 논문에서는 가속열화 온도를 160 ℃로 선정하고 50년 수명을 기준으로 수명평가를 수행하였다. 또한 온도와 더불어 전압 열화도 동시에 수행하여 실제 사용 환경에 적합하도록 수명평가를 수행하였으며, 그에 대한 시험방법을 Fig. 2에 정리하였다. 평가 기준으로는 시험동안 전압 1.
5 kV인가 시 절연파괴가 없어야 함을 기본으로 매 사이클마다 4 kV 내전압을 1분간 인가하였다. 또한 절연 성능에 대한 변화를 확인하기 위하여 매 사이클마다 부분방전 개시전압과 소멸전압을 측정하여 절연체의 결함여부를 확인하였다.
본 연구는 시험을 진행하고 난 후 몇 개의 확인시험을 거치게 되는데, 절연특성을 파악하기 위한 상용주파 내전압시험, 교류 Hipot 시험, 부분방전 시험이고 기계적 특성 파악으로 기계적 충격시험을 시행하였다. Table 3은 그 확인시험에 대한 시험방법을 정리한 것이다.
가속수명 시험에 의한 50년 수명데이터는 매 cycle마다 상용주파 내전압 시험과 부분방전 개시/소멸 전압을 이용해 결과 추이를 분석하였다. 부분방전 개시/소멸전압의 측정은 수명이 진행될수록 발생하는 부분방전의 특성 변화에 대한 추이를 확인하고자 상용주파 내전압 시험과 더불어 수행되었다. 시험결과 매 cycle마다 상용주파 내전압 시험에 의한 절연파괴가 발생하지 않았고, 부분방전 개시전압과 소멸전압의 차이도 크게 나타나지 않아 가속수명시험 후 절연상태도 상당히 양호한 것으로 파악되었다.
버스웨이 시스템은 부하의 변동과 주위 온도의 변화에 따라 도체 온도가 급격하게 변화할 수 있고 그로 인해 박막 코팅된 에폭시 절연물이 갈라지거나 깨질 수 있는 가능성이 존재한다. 이에 대한 신뢰성에 대한 검증을 위해 완제품 조립 상태에서 2분 동안 -25~175℃를 한주기로 하여 총 40 주기 수행 후 상용주파 내전압 시험 및 기계적 충격시험을 수행하여 절연 이상 유무를 파악하였다. Fig.
이중에서 본 논문에서는 가속열화 온도를 160 ℃로 선정하고 50년 수명을 기준으로 수명평가를 수행하였다. 또한 온도와 더불어 전압 열화도 동시에 수행하여 실제 사용 환경에 적합하도록 수명평가를 수행하였으며, 그에 대한 시험방법을 Fig.
5 kV를 인가하였다. 총 시험시간은 1000시간이고, 시험 후 교류 hipot test(pin hole test)와 기계적 충격시험을 통해 에폭시 절연의 미세한 핀홀과 절연물의 크랙 발생 여부를 확인하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 에폭시 박막형 버스웨이 시스템의 절연재료로 사용되는 에폭시는 RTI(Relative Thermal Index)가 B등급으로 최고 온도 130 ℃에서 연속사용 가능한 재료이다. 여기에 옥외 제품 주위온도 설계 수준인 40 ℃로 가정하고 최대 RTI까지 상승했을 경우 최대 온도는 170 ℃가 된다.
버스웨이 시스템은 공사현장 및 사용상에서 수분에 노출 가능성이 높으며, 수중 내전압 시험은 이러한 환경에 노출될 경우 버스웨이 시스템의 안정성을 평가하기 위한 것이다. 시험은 에폭시 코팅된 버스바를 대상으로 하였으며, 알루미늄 도체와 구리도체 두 종류에 대해 수행하였다. 코팅된 버스바는 80 ℃의 물에 넣었으며, 시험중에 정격 전압의 1.
데이터처리
가속수명 시험에 의한 50년 수명데이터는 매 cycle마다 상용주파 내전압 시험과 부분방전 개시/소멸 전압을 이용해 결과 추이를 분석하였다. 부분방전 개시/소멸전압의 측정은 수명이 진행될수록 발생하는 부분방전의 특성 변화에 대한 추이를 확인하고자 상용주파 내전압 시험과 더불어 수행되었다.
성능/효과
1) 온도와 전기 스트레스에 의한 가속수명 시험에 대한 결과는 50년 수명을 만족하는 것으로 파악되었다.
2) 환경에 대한 신뢰성 평가 시험항목으로서 열적과 전류 시험, 침수시험, 냉충격시험, 온도 사이클 시험은 부하의 조건과 다양한 설치 환경에 따른 에폭시 박막 절연형 버스웨이 시스템에 대한 평가 기준 마련과 시험방법으로서 적합한 것으로 판단되며, 시험 시료에 대한 시험결과도 이상이 없었다.
장기간 수분에 노출되어 방치될 경우 에폭시 절연에 문제가 있다면 미세 크랙 혹은 Pin hole로 인해 단락사고가 발생될 수 있다. 따라서 본 시험에서 시험 후 외관 상태에 대한 불량 여부와 12 kV의 교류 Hipot 시험을 통해 절연 안정성을 확인하였다. 또한, 장시간 수분에 노출될 경우 에폭시가 기계적인 충격에 취약해 질 수 있으므로, 기계적 충격시험을 통해 안정성을 파악하였고, 이상 없음을 확인하였다.
극한상태에 노출되면 절연물 표면의 절연상태에 대한 육안 변화 뿐 아니라 에폭시 절연물이 기계적 특성이 저하되고 크랙이 발생할 수 있다. 따라서 시험 후 결과를 확인하기 위한 시험항목으로 육안상태 확인 뿐 아니라 침수시험과 같이 교류 Hipot 시험과 기계적 충격시험 통해 절연상태에 대한 검증을 수행하였고, 이상이 없음을 확인하였다.
하지만 버스웨이 시스템은 외함으로 도체 및 절연체를 보호하고 접속구간이 많아 육안상의 확인만으로는 이상 유무를 파악하기 어렵다. 따라서 확인 시험으로서 접속부 포함 시험시료에 대해 정해진 상용주파 내전압 시험을 수행하여 절연파괴가 없음을 파악하였다.
따라서 본 시험에서 시험 후 외관 상태에 대한 불량 여부와 12 kV의 교류 Hipot 시험을 통해 절연 안정성을 확인하였다. 또한, 장시간 수분에 노출될 경우 에폭시가 기계적인 충격에 취약해 질 수 있으므로, 기계적 충격시험을 통해 안정성을 파악하였고, 이상 없음을 확인하였다.
부분방전 개시/소멸전압의 측정은 수명이 진행될수록 발생하는 부분방전의 특성 변화에 대한 추이를 확인하고자 상용주파 내전압 시험과 더불어 수행되었다. 시험결과 매 cycle마다 상용주파 내전압 시험에 의한 절연파괴가 발생하지 않았고, 부분방전 개시전압과 소멸전압의 차이도 크게 나타나지 않아 가속수명시험 후 절연상태도 상당히 양호한 것으로 파악되었다. 본 시험에서 기계 및 환경 스트레스에 대한 인자를 고려하지는 않았지만, 버스웨이 시스템이 외함에 의해 보호되고 가혹한 외부 환경에 노출되지 않는 다는 점을 고려한다면, 전기 및 열적 스트레스가 절연물 열화에 가장 많은 영향을 끼칠 수 있다는 점에서 수명시험으로서 의미가 있다.
에폭시 코팅형 버스웨이 시스템의 가속수명과 신뢰성 평가에 대한 시험결과는 Table 4에 나타내었다. 시험결과는 50년 수준의 가속수명 시험기준 만족과 나머지 신뢰성 시험항목에서 모두 적합한 것으로 나타났다.
접속부가 많은 버스웨이 시스템의 경우 반복적인 열팽창으로 인한 접속부의 절연 손상이 발생할 수 있기 때문에, 이것을 검증하기 위해서 실시하였다. 온도사이틀 시험 완료 후 시편의 상태를 확인하기 위해서, 규정된 내전압 시험을 교류 4 kV전압을 1분간 인가하여 절연파괴가 발생하지 않아야 하며, 이상이 없음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
버스웨이 시스템의 문제점은 무엇인가?
하지만 규격에서 제시하는 시험항목들은 기본적인 성능에 대한 평가만을 하도록 되어 있으며, 장기 신뢰성에 대한 성능 검증에 대한 항목은 제시하지 않고 있다. 버스웨이 시스템은 접속개소가 많으며, 제품 무게가 무겁고 높은 곳에서 작업이 이루어지기 때문에 제품 취급에 어려움이 있다. 또한 설치 현장의 환경이 공사가 진행되는 건축물에서 진행되어서 케이블과 다르게 내부로 물이 침투되거나 습한 환경으로 인한 도체와 외함 사이에 습기가 존재하게 되어 절연을 악화시키는 요인으로 작용하기도 한다. 따라서 버스웨이 시스템이 안정적인 사용을 위한 성능과 일정 기간의 사용 수명에 대해 평가하기 위해서는 별도의 특정된 시험 기준을 마련하고 검증을 통해 확인할 필요가 있다.
본 논문은 버스웨이 시스템의 가속수명시험을 통한 수명평가와 다양한 환경조건을 모사한 신뢰성 시험에 대한 방법 정립과 기준을 마련하고자 하는 연구를 실시하였다, 이에 대한 연구 결과는 무엇인가?
1) 온도와 전기 스트레스에 의한 가속수명 시험에 대한 결과는 50년 수명을 만족하는 것으로 파악되었다.
2) 환경에 대한 신뢰성 평가 시험항목으로서 열적과 전류 시험, 침수시험, 냉충격시험, 온도 사이클 시험은 부하의 조건과 다양한 설치 환경에 따른 에폭시 박막 절연형 버스웨이 시스템에 대한 평가 기준 마련과 시험방법으로서 적합한 것으로 판단되며, 시험 시료에 대한 시험결과도 이상이 없었다.
버스웨이 시스템의 절연재료로는 무엇이 사용되는가?
특히, 3m 를 최대 길이로 하는 버스웨이 특성상 접속개소가 많아지기 때문에 접속부의 안정적인 설계도 매우 중요한 요소이다. 버스웨이 시스템의 절연재료는 polyethylene terephthalate(PET) 필름, 절연 튜브, 에폭시 박막 코팅등이 사용되는데, 최근에는 대량으로 자동생산이 가능한 에폭시를 주절연으로 하는 제품이 적용되는 추세이다[1].
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IEC 61439-1:2011 "Low-voltage switchgear and controlgear assemblies - Part 1: General rules"
IEC 61439-6:2012 "Low-voltage switchgear and controlgear assemblies - Part 6: Busbar trunking systems (busways)"
H. Rhee, J. K. Lee, B. S. Kim, S. H. Park, "Development of the Bus Duct Installation System for Wind Tower", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol.24, No.3, pp.219-226, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.5050/KSNVE.2013.24.3.219
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C. Viswanatha, K. G. Rakesh, "Investigation of epoxy coated Busbar system enclosed in LT busduct of rating 2000A", Proceedings of 2016 IEEE 6th International Conference on Power Systems (ICPS), pp.1-5, New Delhi, India, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.1109/ICPES.2016.7584207
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