구리 버스바의 크기는 어떻게 계산하나요?

1. 버스바 치수 산정 개요

정확한 구리 버스바 적절한 규격 선정은 안전하고 신뢰할 수 있으며 효율적인 전력 순환에 매우 중요합니다. 버스바는 스위치기어와 배전반에서 대용량 전류를 분배합니다. 부적절한 규격 선정은 과도한 발열, 전력 손실, 전압 강하를 유발할 뿐만 아니라 절연 손상이나 화재와 같은 고장을 초래할 수도 있습니다. 이에 영향을 미치는 요인과 규격 선정 방법을 이해하는 것이 필수적입니다.

2. 필수적인 치수 제약 조건

버스바의 허용 전류 용량(ampacity)은 주로 열 효율(온도 상승), 전류 용량 및 전압 강하에 의해 제한됩니다. 특히 실내에서는 온도 상승이 일반적으로 가장 중요한 요소 중 하나입니다. $I ^ 2R$ 손실로 인한 열은 온도를 허용 범위 내로 유지하기 위해 반드시 방출되어야 합니다.

ΔT에 대한 단순화된 공식은 전력 손실에 대해 대칭적이며, 열 방출 위치에 반비례합니다. ΔT ≈ 1000 × 전력 손실 / (1.1 × 면적 [제곱센티미터]) ΔT ≈ 1.1 × 면적 [제곱센티미터] / (1000 × 전력 손실). 이는 대략적인 값이며 모든 열 전달을 포함하지는 않습니다.

링크를 통한 열 전달은 해당 구역의 온도 급상승을 완화합니다. 열 네트워크 분석법은 열전달 계수(α), 면적(A), 열저항(R), 그리고 ΔT를 고려하여 열 순환을 평가합니다. 측정된 ΔT 값이 높을 경우, 외부에서 열이 유입되거나 열 방출이 저하되었음을 나타낼 수 있습니다.

단락의 경우, ΔT는 짧은 기간 동안 열 전달이 무시할 수 있을 정도로 미미한 상태에서 도체에 열이 흡수된다고 가정합니다. 주요 변수로는 시간(T), 초기 온도(Θ1) 및 최대 허용 온도(Θ2), 단면적(A), 그리고 RMS 전류(I)가 있습니다.

종합적인 버전에서는 정상 상태 열 거동을 평가하며, 여기에는 전류, 단면적, 길이, 제품 저항률 변화 및 접촉 저항이 포함됩니다. 저항률(ρa), 열전도율(λ), 온도 계수(α0)와 같은 제품 특성이 중요합니다. ΔT는 단면적에 반비례합니다.

전압 강하량은 전류와 버스바의 내성에 따라 달라집니다. 표피 효과 및 근접 효과와 같은 주파수 관련 영향으로 인해 교류 임피던스는 직류 임피던스보다 큽니다.

3. 필수 설계 기준

정확한 규격 산정을 위해서는 전기적 및 환경적 문제를 구체적으로 명시한 필수 정보가 필요합니다:

최적 연속 전류: 정상 상태 작동 전류.
최적의 주변 온도 수준: 열 계산에 있어 매우 중요한 요소입니다. 주변 온도가 높을수록 열전달 능력이 감소합니다. IEC 61439-1과 같은 규격에서는 제한 사항(예: 최고 +40 °C, 24시간 평균 +35 °C)을 명시하고 있습니다.
허용 온도 상승: 주변 온도보다 높을 수 있는 최대 허용 온도는 기준(IEC, UL, ANSI) 및 절연 등급에 따라 정의됩니다. 예시: ANSI C37.20에 따르면, 은 도금 처리 시 40 °C의 주변 온도 대비 65 °C의 급격한 온도 상승이 허용되며, 도금 처리되지 않은 경우 30 °C까지 허용됩니다. BS 159는 평균 주위 온도 35 °C 대비 50 °C의 온도 상승을 허용합니다. 등급은 온도 상승 시험을 통해 결정됩니다.

기타 다양한 사양:

기존 유형(AC/DC) 및 주기성(A/C): 기존의 동선에 영향을 미칩니다.
할부 설정: 공간, 기류, 평행봉, 간격, 정렬은 열 방출 및 열 분포에 영향을 미칩니다.
버스바 제품의 주거용 및 상업용 건물 적용: 저항률, 전도도, 온도 계수.
표면적 치료: 복사열의 방출에 영향을 미칩니다.
고도: 정격 출력을 낮춰야 할 수도 있습니다.
단락 발생 위치 및 지속 시간: 오류가 있을 경우 검증을 거치십시오.

이 사양서는 필요한 치수를 산정하기 위한 방법 선택 및 정격 감축에 대한 지침을 제공합니다.

4. 설정의 영향

물리적 배치와 환경은 전류 수용 능력과 열 효율에 지대한 영향을 미칩니다.

밀폐/환기: 밀폐형 버스바는 공기 흐름이 제한적이기 때문에 실외형에 비해 허용 전류가 낮습니다. 허용 전류는 주로 온도 상승 시험(UL, ANSI)을 통해 결정됩니다. 밀폐형 시스템의 경우, 단순한 전류-두께 관계식은 신뢰할 수 없습니다. 전력 손실 설정은 인클로저의 용량 범위 내에 있어야 합니다. 강제 냉각은 자연 대류에 비해 냉각 능력을 높여줍니다.

평행봉/정격 하향 조정: 동일한 단면의 바를 사용하면 용량이 증가하지만, 공차, 연결부 및 리액턴스로 인해 기존 부하 분배가 고르지 않게 됩니다. 이로 인해 특정 바의 정격 전류량보다 낮은 수준으로 총 정격 전류량을 하향 조정해야 합니다. 하향 조정 계수는 동일한 바의 수가 늘어날수록 증가합니다. $n$ 바의 전류 용량은 $n$에 바 1개의 용량을 곱한 값보다 훨씬 적습니다.

간격/방향: 간격은 열전달에 영향을 미치며, 밀집도는 열전달에 영향을 줍니다. 간격을 넓히면 열 방출과 허용 전류가 증가합니다. 나란히 배치한 구조는 겹쳐 쌓은 구조보다 냉각 효율이 떨어집니다. 리브 간격이나 천공을 최대한 확보하면 열전달이 향상됩니다. 수평 하부 표면을 통한 냉각은 신뢰성이 떨어집니다.

소형/샌드위치 장비: 캡슐화 기술을 통해 소형 설계가 가능해집니다. 소자 간 간격을 좁히면 인덕턴스, 저항, 전압 강하 및 유인 손실을 줄일 수 있습니다.

기타 다양한 변수: 금속 재질의 유닛(알루미늄)은 근접 시 발생하는 충격과 유닛의 발열을 줄여줍니다. 고도에 따라 정격 출력을 낮춰야 합니다. 접점이 불량하면 유닛이 과열될 수 있으므로, 충분한 접촉 압력을 확보하는 것이 필수적입니다.

통합 조건 계수(K)는 다음과 같은 요인들의 영향을 반영합니다: 봉의 종류(k1), 표면적(k2), 위치(k3, k4), 기류($k5), 기존 유형(k6). 도장은 열 방출을 향상시킵니다(k2 = 1.15). 설치 위치에 따른 계수는 다릅니다(예: 가장자리에 장착된 경우 k3 = 1, 바닥에 장착된 경우 k3 = 0.95).

5. 교류(AC)와 직류(DC) 응용 분야의 영향

전류 종류, 특히 교류 주파수는 피부 효과와 근접 효과를 통해 전류 순환에 영향을 미치며, 이로 인해 교류 저항과 손실이 증가합니다.

피부 효과: 기존의 공조는 표면 근처에 집중되어 있어 유효 면적을 감소시킵니다. 주파수가 높을수록 이 현상이 더 뚜렷하게 나타납니다. 50 Hz에서 구리의 피부 깊이(전류 밀도가 ~37%까지 감소하는 깊이)는 약 8.5 mm입니다. 이로 인해 10 mm 미만의 영역에서는 효율적인 버스바 밀도를 확보할 수 없습니다. 계수(ys)와 경험적 공식을 통해 추가 손실을 추정할 수 있습니다.

근접 영향: 인근 도체에서 발생하는 전자기장은 소용돌이 전류를 일으키며, 이로 인해 특정 영역에 전류가 집중됩니다. 특히 도체 간 간격이 좁을 경우, 교류 저항과 손실이 증가합니다. 전력 손실은 위치에 따라 더 빠르게 증가할 수 있습니다.

거리 계수(K=RAC/RDC)는 저항 증가 정도를 평가합니다. 간격이 줄어들면 거리 계수가 증가하고 손실도 커집니다.

통합적 영향 및 완화: 이 두 가지 현상은 모두 에어컨의 저항, I²R 손실 및 전압 강하를 증가시킵니다. [대용량 전류(> 2000A) 및 장거리 시스템에서 특히 중요합니다.] 손실이 소폭 증가해도 경제적 영향이 발생합니다. 불균형 리액턴스는 전압 불균형과 전기역학적 힘을 유발합니다.

축소 기법:

부스트 간격: 자기장의 영향을 줄여줍니다.
인터리빙/전치: 동일한 막대들 사이에서 기존 값을 조정합니다.
버스바 형상: 얇은 막대 여러 개가 두꺼운 막대 하나보다 피부에 미치는 영향을 훨씬 더 잘 완화해 줍니다.
첨부 파일: 금속 재질의 방(알루미늄)은 밀폐감으로 인한 영향을 줄여줍니다.

혼합 효과는 보정 계수(S) = 피부 측면(Sk) × 근접 측면(Sp)으로 설명됩니다.

6. 계산 방법 및 요건

용량 산정은 안전 및 신뢰성을 위한 표준을 바탕으로 한 방법론을 수반합니다. 이 기법은 환경 및 공조 시스템의 영향을 고려하여, 연속 전류에 대한 허용 온도 상승을 기반으로 필요한 면적을 계산합니다. 이는 종종 반복적인 과정입니다 [15].

주요 기준:

IEC 61439 (저전압 스위치기어): 설치 시 버스바에 관한 중요 사항. IEC 61439-2는 PSC 어셈블리를 다루며, 기존 정격은 지정된 주변 환경 조건에서 정보 시트의 요구 사항을 충족해야 합니다. 정격 감축 후에도 기존 정격은 지속적으로 유지되어야 하며, 주요 버스바는 더 큰 전류 용량을 갖도록 정격이 지정되어야 합니다.

온도 상승 확인: 기법으로는 친화도 테스트, 대비, 또는 계산 등이 있습니다.
추정 확인: IEC TR 60890과 같은 기준을 적용하여 1600 A 이하의 설정에 허용됩니다. 회로 정격 전류가 설계 전류 이상이어야 합니다. 추정 한계가 적용됩니다(≤1600 A, 구성 요소 정격은 80%로 하향 조정됨). 전체 공급 전류가 630 A 이하인 단일 구획의 경우, 손실 데이터가 제공되고 손실이 균일하며 회로 전류가 자유 공기 정격의 80% 이하일 때 추정이 허용됩니다.
순위 기반 다양성 지수(RDF): IEC 61439-2 시험/계산에서 1차 직선형 버스바에 대한 계수 1.0.
최소 단면적: 사양서에 최소 면적(예: 필요한 전류 등급의 125%)이 명시될 수 있습니다.
소비 전력: 전체 설정 손실은 설비 용량 범위 내에 있어야 합니다.
UL 및 ANSI 표준: 미국과 캐나다에서 사용됩니다. 규격은 일반적으로 온도 상승 시험을 통해 결정됩니다. 이튼(Eaton)은 주변 온도 40°C에서 65°C의 온도 상승을 기준으로 합니다.

NEMA 기준: 설계 및 테스트 지침.
구리 재배 협회(CDA): 자료에는 간소화된 해결책, 시각적 기법, 전류 부하 용량 표 등이 포함되어 있습니다.
실증 데이터/공식: 시뮬레이션이 불가능할 때 사용합니다. 신중하게 사용하고 반드시 확인하십시오.
단락 계산: 사양에는 열적·기계적 내성을 확보하기 위한 방안이 제시되어 있습니다.

사용할 기술은 시스템의 복잡성, 요구되는 정밀도, 정보 제공 일정 및 관련 규격에 따라 달라집니다. 시설 시스템이나 계산상의 한계를 넘어서는 시스템의 경우 물리적 검증이 필요합니다.

7. 물리적 치수 선택

필요한 단면적을 산출한 후, 적절한 크기와 밀도를 선택하십시오. 기본적인 크기, 기계적 강도, 열적 성능 및 전류 흐름을 고려하십시오.

구리 버스바는 표준 직사각형 치수로 제공됩니다. 계산된 설치 위치에 맞는 치수를 선택하십시오(예: 500mm 설치 위치 2곳의 경우 50×10mm 또는 여러 개의 평행한 바 형태일 수 있음).

치수 옵션에 영향을 미치는 요소:

기본 치수: 구매 절차를 간소화하고 비용을 최소화합니다.
기계적 체력: 하중, 설치 시 발생하는 힘, 단락 시 발생하는 전기역학적 힘에 견딜 수 있어야 합니다. 치수와 간격은 강성에 영향을 미칩니다.
열 효율: 표면적은 열 방출에 매우 중요합니다. 더 넓고 얇은 바는 표면적이 더 넓어 공기 순환이 훨씬 더 잘되며,
더 높은 전류 수용 능력.
기존 유통량 (AC): 피부 효과 및 근접 효과는 혈액 순환에 영향을 미칩니다. 얇은 막대를 여러 개 사용하면 AC 효율을 높일 수 있습니다. 평행한 막대들 사이의 간격을 조절하면 근접 효과를 관리할 수 있습니다.
연결 요구 사항: 치수는 장치의 단자에 맞아야 합니다. 볼트 연결을 위한 충분한 공간이 확보되어 있어 저접점 저항을 보장합니다.
지역 제한: 치수는 인클로저/설치 공간 내에 들어맞아야 합니다. 휴대용 시스템은 필요한 공간을 줄여줍니다.

기존 밀도는 엄격한 기준입니다. 막대가 작을수록 허용 두께는 더 큽니다. 정지된 공기 중 구리의 대략적인 추정치는 약 2 A/mm²입니다.

최종 치수 결정 시에는 전기적·열적 효율, 기계적 요구 사항, 공간, 가격 및 제조 가능성을 종합적으로 고려합니다.

8. 첨단 치수 측정 및 평가 장비

이 첨단 소프트웨어는 유한요소법(FEA)과 전산유체역학(CFD)을 활용하여 시설 시스템, 고전류 및 과도 현상에 대한 포괄적인 분석 및 최적화를 제공합니다.

CENOS BBH: AC/DC 버스바에 대한 전자기, 열, 구조적 결합 해석. 기존 배전 상태, 줄(Joule) 가정 난방, 핫스팟, 전압 강하, 열 응력을 모사합니다. 설계 수정 및 최적화를 가능하게 합니다. 정상태 및 단기 해석을 지원합니다.

Ansys: 전자기(맥스웰) 시뮬레이션과 열(아이스팩) 시뮬레이션을 연계합니다. 인버터 버스바에 유용합니다. 맥스웰의 단기 솔버는 (공조 효과를 포함하는) 오옴 손실 순환을 파악하여, 열 평가를 위해 아이스팩으로 매핑합니다. .

EMWorks: 발열 저항을 중점으로 한 전기열 시뮬레이션입니다. 열 해석 기능이 통합된 전기 전달 솔버를 통해 면적, 전류 밀도, 전압, 온도, 열 변화를 시뮬레이션합니다. 제품 형상, 입력값(대류, 주변 환경) 및 메싱 정보가 필요합니다.

JMAG-Designer: 버스바 열 응력 분석으로 구성됩니다. 자기장 평가를 통한 발열을 바탕으로 온도 상승폭과 변동폭을 예측합니다.

이러한 장치는 수작업 방식으로는 불가능했던 심층적인 분석을 가능하게 합니다:

복잡한 형상/배치를 설계합니다.
에어컨의 불균일한 공기 분배 문제를 보완한다.
과도 현상(단락, 톤 변경 등)을 모방합니다.
냉각 방법을 검토하십시오.
온도 분포 및 고온 부위를 예측하십시오.
기계적 문제점(열팽창, 전자기력)을 다시 살펴보자.
치수, 간격, 재질을 최적화하십시오.

이러한 과정에는 전문 지식이 필요하지만, 설계를 정교화하고 규정 준수를 보장하며 용량 한계를 확장하는 데 기여합니다. CFD는 다양한 조건 하에서 온도 상승을 평가합니다. 분석적 공식을 통해 전류 용량 및 열전달 계수를 자동화할 수 있습니다. 시뮬레이션은 설계 과정에서 물리적 시험을 보완하거나 대체할 수 있습니다.