전기 버스바란?

전기 버스바 또는 버스 바는 에너지 손실을 최소화하면서 한 곳에서 다른 곳으로 안전하게 전류를 전달하는 금속 막대, 스트립, 튜브 또는 막대로서, 대개 고전류 배전, 고전압 장비 및 저전압 배터리 응용 분야에 전선이나 케이블 대신 사용됩니다. 대부분의 버스바 구성은 대류 냉각을 개선하고 새로운 연결에 쉽게 접근할 수 있도록 절연되지 않습니다. 대부분의 버스바는 고전압 3상 전력으로 작동하기 때문에 많은 전기 버스바 계통에는 안전하고 효율적으로 함께 작동하도록 설계된 3개의 개별 도체가 포함되어 있습니다. 

전력 응용 분야용 버스바를 설계하는 엔지니어는 공간, 비용, 안전, 저항, 정전 용량, 연결부 또는 인근 전도 재료 사이의 인덕턴스, 장착 옵션, 냉각의 균형을 맞춰야 합니다. 이러한 상충되는 요구 사항들은 설계 과정에서 전기, 자기, 열 및 구조 시뮬레이션을 매우 중요하게 만듭니다. 

엔지니어는 전선이나 케이블에 비해 설계상 이점을 제공하는 버스바를 전기 시스템에 설치합니다. 가장 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

전력 개폐 장치

개폐 장치는 전력 시스템에서 종종 발전 시설 또는 변전소에서 전기 장비를 보호, 제어 및 전기적으로 격리하는 스위치, 퓨즈 및 회로 차단기로 사용됩니다. 버스바는 변압기, 퓨즈, 산업 기계 등의 부품을 연결합니다. 장치 내에서 전력을 분배할 수도 있습니다.

버스덕트 또는 버스웨이

버스 덕트는 한 위치에서 다른 위치로 전원을 연결하는 데 사용되는 버스바 또는 케이블이 들어 있는 긴 인클로저입니다. 버스웨이는 버스바를 포함한 금속 덕트나 주조 수지 구조물로 구성됩니다. 전력 공급 분야에서는 콘크리트에 매립된 도관으로 시공하는 경우가 많습니다.

배전반 

배전반은 건물에서 전력을 분배하는 데 사용되며, 들어오는 급전선을 별도의 회로로 분할합니다. 수직 또는 수평 보드가 전략적으로 설치되고, 회로는 탭을 통해 연결됩니다. 시스템은 접지된 캐비닛에 설치되거나 높은 곳에 설치됩니다. 

배터리 배전

버스바는 견고하고 얇은 형상으로 인해 전기 자동차와 전력 저장 분야에서 배터리 팩을 연결하는 데 선호되는 방식입니다. 대부분의 응용 분야와 달리 EV 배터리 시스템은 무게가 줄어들기 때문에 비절연 구리 버스바 대신 알루미늄으로 만든 절연 버스바를 사용하는 경우가 있습니다. 

재생 에너지 시스템

효율성은 태양광, 풍력, 수력 및 기타 재생 에너지 시스템에 매우 중요합니다. 버스바는 재생 에너지 응용 분야에서 사용되는 장치 내에서 더 나은 효율성과 유연성을 통해 전력을 전달하고 공급하는 효율적이고 안정적이며 견고한 방법을 제공합니다. 

산업 기계

산업용 장비는 버스바 배전반에서 전력을 끌어오고, 내부적으로 버스바를 사용하여 인출급전선에서 시스템 내의 부품에 전력을 공급하는 급전선으로 배전합니다. 

전자 장치

일반적으로 전력 전송 및 고전력 장비에 버스바를 사용하지만 설계자는 동일한 이유로 전자 장치, 특히 전력전자에 버스바를 사용합니다. 버스바는 얇은 폼 팩터와 가벼운 무게로 인해 패키징 문제를 해결하거나 열 분배를 처리하는 데 적합한 선택입니다. 

공급업체는 점점 더 많은 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 유형의 버스바를 개발해 왔습니다. 버스바는 다음 특성으로 그룹화할 수 있습니다.

재료

공급업체는 모든 전도 재료로 버스바를 제조하지만 대부분 구리 또는 알루미늄을 사용합니다. 구리는 은에 이어 2번째로 전도성이 높은 금속입니다. 알루미늄은 4번째로 전도성이 높은 금속이지만 구리보다 가볍고 저렴합니다. 알루미늄과 구리 바는 일반적으로 부식을 줄이고 전반적인 성능을 개선하기 위해 주석, 니켈 또는 은으로 코팅하여 전기 도금됩니다. 

모양

버스바의 모양은 표피 효과(Skin Effect)와 버스바로부터의 열전달로 인해 전도성에 영향을 미칩니다. 대부분의 경우 표면적 대 단면적 비율을 높이는 것이 목표입니다. 

다음은 가장 일반적인 상 목록입니다.

• 강체 버스바(플랫 바): 가장 일반적으로 사용되는 모양은 길고 얇은 강체 바입니다. 제조 시 특정 요구 사항에 맞게 모양이 정해지는 경우가 많습니다. 
• 특수 단면 버스바: 일부 버스바는 굽힘 강성을 높이고, 표면적을 늘리고, 더 많은 연결 옵션을 제공하기 위해 “U”, “T” 또는 “L” 모양의 단면을 사용합니다. 
• 라미네이트 또는 플렉시블 버스바: 플렉시블 버스바는 얇은 금속 스트립이나 호일을 적층하여 만듭니다. 이렇게 하면 버스바가 더 유연해질 뿐 아니라, 전체 표면적도 늘어나 전도성도 높아집니다. 
• 라운드 버스바: 단단하거나 속이 빈 원통형 단면을 가진 버스바는 더 큰 강성, 회전 또는 설치 유연성이 필요한 대전류 응용 분야에 사용됩니다. 
• 절연: 버스바 유형을 구별하는 또 다른 방법은 주변 구조물로부터 절연되어 있는 방식을 통해 확인할 수 있습니다. 경우에 따라 절연 폴리머로 코팅되거나 절연 마운트 또는 아이솔레이터로 절연되고 고정될 수 있습니다.

전류 전달 용량 및 유형

단상 버스바에는 2개의 회로가 있습니다. 하나는 전기가 흐르는 회로이고 다른 하나는 중성 회로입니다. 3상 버스바는 각 상에 하나씩, 그리고 중성선으로 다른 1개, 총 4개의 도체를 사용합니다. 단상 및 3상 유형이 교류(AC) 응용 분야를 다루는 경우 일부 버스바는 직류(DC)를 전달합니다.

엔지니어는 비용, 성능, 안전 등 여러 가지 이유로 버스바를 선택합니다. 다음과 같은 특성으로 인해 다른 배전 옵션보다 버스바를 선택하는 경우가 많습니다.

• 간소화된 배전: 버스바는 많은 전기 연결을 중앙 허브에 결합합니다. 이는 복잡한 배선보다 설계 및 유지보수가 쉽습니다.
• 기하학적 유연성: 버스바는 거의 모든 모양으로 제작할 수 있으며 거의 모든 응용 분야에 적합합니다. 
• 연결 용이성: 버스바는 복잡한 전기 연결이 필요하지 않습니다. 전원이 필요한 경우 전선을 표면에 연결하기만 하면 됩니다.
• 폼 팩터: 버스바의 얇은 토폴로지는 배터리 팩, 전자 장치 또는 산업 기계에서 볼 수 있듯이 좁은 공간에 전력을 분배하는 데 도움이 됩니다. 
• 강성: 버스바의 구조적 강성 덕분에 케이블 관리가 필요 없습니다. 버스바는 구조물의 전반적인 강도를 높이고 더 먼 거리를 연결하는 데 기여할 수 있습니다. 
• 비용 효율성: 버스바는 배선 옵션보다 비용이 적게 들 수 있습니다. 또한 설치, 유지 관리 및 수리 비용이 저렴합니다. 
• 지속 가능성: 버스바는 대부분 단단한 구리 또는 알루미늄으로 만들기 때문에 재활용하기 쉽습니다. 

다양한 유형의 버스바에서 볼 수 있듯이, 엔지니어는 재료, 구성, 코팅 및 형상 면에서 다양한 선택권을 가지고 있습니다. 다중물리 시뮬레이션 도구는 전자기장, 열 생성, 열 전달 및 구조적 반응의 상호 작용을 이해하는 빠르고 정확한 방법을 제공하므로 설계 프로세스를 완벽하게 보완합니다. 

엔지니어는 버스바 설계를 최적화하여 효율성을 극대화하고, 안전하게 작동하고, 비용을 최소화하고자 합니다. 회로의 라우팅을 이해한 후에는 Ansys Maxwell® 고급 전자기장 솔버 와 같은 프로그램에서 저주파 전자기 모델을 생성하여 저항, 커패시턴스 및 인덕턴스로 인한 전자기장, 열 발생 및 손실을 계산할 수 있습니다. 형상을 자동으로 최적화하거나 가상 연구에 참여하여 버스바의 각 모듈에 가장 적합한 형상을 결정할 수 있습니다. 

Ansys Maxwell을 사용한 3상 버스바의 전류 밀도 시뮬레이션

3상 응용 분야와 같이 응용 분야에 여러 회로가 포함된 경우 엔지니어는 Ansys Q3D Extractor® 기생 추출 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 전체 시스템을 빠르게 모델링하고 주파수 의존 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 및 컨덕턴스(RLCG)에 대한 기생 파라미터를 계산할 수 있습니다.

그런 다음 Ansys Mechanical™ 구조적 유한 요소 석 소프트웨어와 같은 범용 구조-열 도구를 사용하여 열 응력을 살펴보고, 고유 진동수가 작동 전기 주파수의 배수가 아닌지 확인하고, 전반적인 시스템 강성을 평가합니다.

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