Busbar Manufacturers Discuss Differences in Aluminum Busbar vs Copper & Common Misconceptions

The evolution of busbar over the past 50 years has allowed its use to surpass that of hard-wired power distribution. Over time the demand for aluminum busbar vs copper has fallen significantly, particularly in industrial applications. However, with recent innovations in value-add busbar services, as well as supplemental alloy combinations over purity, we’ve seen a noticeable shift – with demand moving back toward aluminum busbar.

Despite the prevalence of copper and aluminum busbar in their respective applications, there are still many misconceptions regarding the preconceived lack of value of aluminum. There are various arguments as to why copper busbar may be better than aluminum busbar; however, the truth is that either material will meet the required demands when properly installed and when designed to industry and environment standards.

Below, the EMS Industrial busbar manufacturers address the most common differences between aluminum busbar vs copper, as well as the misconceptions surrounding aluminum busbar.

Busbar Strength

Some argue that aluminum busbar cannot withstand electromechanical stress as well as copper busbar. In reality, quality aluminum has plenty of tensile strength to withstand thermal expansion strain.

Depending on the alloying agents employed, the strength of aluminum itself can range from dead soft to mild steel.

Busbar Ampacity

Contingent on busbar size, aluminum busbar can handle currents up to 4000A, which is more than sufficient for many applications.

Busbar Conductivity

Aluminum busbar conductivity is dependent on the alloy and temper. Pure aluminum conductivity is approximately 65.0% of IACS (International Annealed Copper Standard). In fact, when comparing aluminum busbar vs copper, aluminum busbar is twice as conductive as copper.

Aluminum busbar conductivity can be reduced depending on its alloying agents. There are several alloying agents in aluminum busbar that affect its conductivity in varying ways…

Minor Reduction: Nickel, Iron, Zinc
Greater Reduction: Copper, Magnesium, Silicon, Vanadium
Greatest Reduction: Titanium, Chromium, Manganese

Busbar plating like tin and silver, on the other hand, can enhance conductivity.

Busbar Resistance

High quality, high strength aluminum can have mechanical resistance up to 530 Newton/mm2. Aluminum is fatigue resistant and corrosion resistant. Aluminum also offers easy corrosion removal with simple stripping.

Busbar Weight

Aluminum can be as much as 70% lighter than copper. The lightweight properties make aluminum busbar installation so fast and easy that a single operator can do it. Aluminum busbar weight properties not only allow for ease and convenience, but cost-savings as well.

Busbar Cost

Aluminum busbar cost can be drastically lower than that of copper busbar. Its lightweight properties can provide significant cost-savings in handling costs alone. Aluminum also offers high recyclability, which makes it far less likely to experience market fluctuations or supply scarcity.

When comparing aluminum busbar vs copper, it’s important to remember that aluminum busbar may provide a better, more cost-effective solution depending on application requirements.

 

 

출처 : https://www.ems-industrial.com/powerdistributionnews/aluminum-busbar-vs-copper/

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1)병렬절환(Parallel Transfer) (Close and open)

       동기 조건 하에서 개방된 차단기가 투입되면 Trip Selector Switch

       선택에 따라 수전 중이던 차단기가 자동 개방되는 건전모선 절환

        (Live Bus Transfer) 방식.

        일명 Manual Transfer라고도 하며 절환 순간에 병렬운전 상태가

        되어 절환 중 고장발생시에는 고장 전류의 중첩 등의 문제가

        있으므로 순간적인 무정전 절환이 이루어져야 함.

 

2)순시절환(Fast Transfer) (Open and Close)

       고장 발생 모선으로부터 건전모선으로 순간적으로 절환하는 방식

       이며 양 모선의 동기상태(Voltage amplitude, Frequency, Phase

       angle)를 확인하여 동기 범위 이내인 경우에만 절환되고,

       절환 시간은 보통 10 Cycle 이내 (5~6 Cycle 정도)이므로

       부하전원의 순간상실(Interrupting)은 발생되지 않는다.

 

3)절환(In-phase Transfer)

       순시 절환(Fast Transfer)이 실패했을 때 절환하는 방법.

       동기 상태 조건 중 Frequency 조건을 제외하고 순시 절환보다

       더 제한된 Phase angle 범위 조건을 확인하여 절환시킴.

 

4)저전압 절환(Residual Voltage Transfer)

      순시 절환(Fast Transfer)이 실패했을 때 절환하는 방법이다. 전원

      공급 중인 모선에는 대용량 전동기들이 연결되어 있으며 순시절환이

      실패하여 전원공급이 중단되면 몇 초 동안 전동기는 잔류자기에

      의해서 발전기와 마찬가지로 발전을 하게 되며 모선에는 잔류전압이

      나타나게 된다. 만약 이 순간에 어떠한 방법에 의한 모선절환이 시도

      된다면 전동기의 잔류자기에 의해서 발전된 전압 Vector모선절환

      되어 공급되는 전압 Vector 방향이 서로 반대가 되는 경우가 생길 수

      있다. 이 경우 모선에 연결된 각종 부하는 결과적으로 과전압을 공급

      받게 되므로 절연파괴의 원인이 되어 발전소 운전에 영향을 미치게 된다.

      이러한 경우를 방지하기 위하여, 순시절환 실패 후 모선의 잔류전압을

      측정하여 규정치 이하일 때 절환이 이루어지게 하는 방법이며, 적용하는

      잔류전압은 대게 정격의 30% ~ 50%로 한다.

 

5)시한절환(Slow Transfer)

       일명 Dead Transfer라고도 한다. Fast Transfer Residual Transfer

       모두 실패하였을 경우 소내를 완전히 정전시키고 절환하는 방법

       으로 보일러 및 발전기의 Trip이 불가피하다.

 

 

 

 

Auto Transfer Initiate Signals

  • Trip from Upstream sources
  • Bus undervoltage

Auto Transfer Block Signals

  • CB(Incoming & Bustie) Fault, Test position, Spring Not Charged
  • Dummy Rack-out
  • ES Closed
  • PT MCB OFF
  • Others
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IEC STANDARD: GENERATOR 에서 TRANSFORMER 로 입력되는 TRANSFORMER 입력을
TRANSFORMER 용량이라 정의함

ANSI/IEEE STANDARD: TRANSFORMER 에서 송전선로로 출력되는 TRANSFORMER 출력을 
TRANSFORMER 용량이라 정의함


(IEC 60076-1 CLAUSE 4.1)
… THE INTERPRETATION OF RATED POWER ACCORDING TO THIS SUBCLAUSE IMPLIES
THAT IT IS A VALUE OF APPARENT POWER INPUT TO TRANSFORMER – INCLUDING ITS
OWN ABSORPTION OF ACTIVE AND REACTIVE POWER. … THIS IS DIFFERENT FROM THE
METHOD USED IN TRANSFORMER STANDARDS BASED ON US TRADITION

 

(ANSI/IEEE C57.12.00) 
WHERE ‘RATED KVA’ IS ‘THE OUTPUT THAT CAN BE DELIVERED AT … RATED
SECONDARY VOLTAGE …

 

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TutorialTRVAlexander-Dufournet.pdf
0.79MB
과도회복전압.pdf
0.11MB
Part4_IEEETutorialonTRVHVCircuitBreakers-Dufournet.pdf
1.31MB

 

 

TRV란 

 

회복전압이란 차단기가 개방된 아후 극간에 발생하는 전압이다.

 

위의 그래프에서 보면

 

1) 어느 시점( )에서 차단기가 동작하여 접점이 열리기 시작한다
2) 전류는 갑자기 영으로 되지 않기 때문에 접점간 Arc가 발생하고 전류를 지속시킨다.
3) 전류 영점에서(t1 ) 일단 Arc는 소멸되지만
4) 차단기의 극간에 발생하는 재기전압으로 극간 절연파괴 되고, 다시 Arc가 발생(재점호)
하여 전류가 흐른다.
5) 이와같이 1/2 cycle 마다 Arc의 소멸과 절연파괴를 반복한다. (t2 , t3 )
6) t4지점에서 접점 간격이 충분히 열리고, 극간의 절연내력이 재기전압 보다 커지면 Arc는
소호되고 차단이 완료된다.
7) 전류차단 직후에 과도진동전압이 발생하고 이후 상용주파수의 전원전압인 상용주파회복
전압이 나타난다.

 

 

 

TRV에 영향을 미치는 요소

 

1) Inductance and capacitance in the system
2) Fault Current level of the system at point of study of TRV
3) Bushing capacitance of circuit breakers, voltage transformers etc
4) Number of transmission lines terminating at a bus and their characteristics impedance
5) Internal facotrs of the circuit breaker like the first pole to clear a fault etc.
6) System grounding

 

 

TRV 고려사항

 

위에서 기술한 바와 같이, CB 양단에 걸리는 과도적인 전압으로 인하여 소호에 실패하는 경우가 발생하는데,

예를 들어 SF6로 소호하는 GCB의 경우, SF6의 절연 능력이 TRV 증가속도 (Rate-of-rise of TRV)보다 늦을 경우 Re-iginition 및 Re-strike가 발생하여 소호에 실패하게 된다.

 

이러한 소호 실패를 방지하기 위해 Capacitor(wave-sloping capacitors)를 설치하여 TRV 증가속도를 낮춰주는 방식을 적용 하는데,

이럴 경우 System Charging Current가 증가하게 되어 발전기의 NGR Sizing에 영향을 미치게 되므로 주의하여야 한다.

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발전기 무효전력 운전 특성 곡선이다.

 

윗쪽 영역은 일반적인 지상운전 영역

아래쪽 영역은 진상운전 영역이다.

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배터리는 충전/방전할 때 수소 가스가 발생한다.

일반 납축전지의 경우 더 심하고, Maintenance Free type의 VRLA 의 경우 그 발생량이 좀 작지만, 정전기에 의해서도 폭발이 가능한 수소가스의 위험성을 고려할 때 방폭 적용은 고민되는 부분이다.

 

IEEE 484, 5.4 Ventilation 항목을 보면 아래와 같다.

요약하면, 자연환기 또는 강제환기가 필요하고, Lead Acid Battery의 경우 max evolution rate가 0.127mL/s 이다.

위의 환기 조건을 만족하면 방폭지역으로 고려하지 않아도 된다.

Haze 사의 450Ah VRLA battery 를 가정하여 계산하면 아래와 같은 결과를 얻는다. 

1) Maximum Gas Emission Rate (worst case)

    - Gas Emission rate : 35.01  ㎖ / cell / hour

    - Number of Cell : 114 cell x 2 set

    - Total Gas Emission rate : 7.982 ℓ/hour

2) Air ventilation Rate : 1,600 ㎥/hour

                                     (1,600,000 ℓ/hour)

* Conclusion

(Gas Emission Rate)/(Ventilation Rate)=  7.982/1,600,000= 0.000499%   <<  2%

Thus, gas accumulation cannot reach to 2% of the total volume of battery area

 

BS 50272-2 또는 IEC 62485-2의 요구조건을  Boost Charging의 경우로 다시 한 번 검증하면

* Conclusion

Q=0.05 ×114 cell ×8 ×450Ah ×〖10〗^(-3)

      =20.52"㎥/hour  < 1600㎥/hour"

It is concluded that concentration of hydrogen is kept below safe limit.

 

아래 Fiamm 사의 매뉴얼을 보면 아래와 같은 내용도 찾을 수 있다.

 

fiamm-installation-operating-manual-from-blue-box.pdf
1.35MB

요약하면 수소 발생량이 매우 적기 때문에 폭발이나 부식에 의한 고려는 불필요하지만 자연환기나 강제환기는 구비되어야 한다.

 

 

배터리실의 온도 조건은 20도가 이상적이다. 더 높은 온도에서 배터리의 performance는 높아지나 배터리 수명이 저하될 수 있다.

 

그렇다면 환기를 위한 Opening 선정에 주의할 점은 무엇이 있을까?

 

 

위의 그림과 같이, Opening Size를 환기량에 따라 결정하고, Opening의 위치는 가능한 반대편 벽체로,

같은 벽체에 둘 경우에는 2m 이상 띄어서 구비하는 것이 바람직 하다.

 

그런데 IEC 62485의 원문을 찾아보면 아래와 같이 Natural ventilation의 경우에 해당하는 수식이므로, 강제환기의 경우에는 크게 고려하지 않아도 되는 사항이다.

 

 

마지막으로, 중요한 고려사항이 하나 남아 있다.

Plant Outage 동안에 환기 Fan 이 동작하지 않으면 위험하지 않은가 이다.

기본적으로 환기fan은 redundant로 구성하고, 만약 전원 자체가 없어졌을 경우에는 FAN 구동이 멈춘다.

하지만 Plant Outage 중에는 Battery가 방전을 하여 battery 본연의 기능을 수행하고, 충전되지 않는다.

그리고 battery는 방전 보다는 충전중에 수소가스가 생성되며, 방전중에는 아주 극소량만 생성되므로

Fan이 돌지 않더라도 자연환기만으로도 충분히 안전하다고 할 수 있다.

 

 

 

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Erico Dynasphere 피뢰침

 

일반적인 피뢰 설계는 IEC-62305 에 따라, 각도법, 메쉬법, 회전구체법에 따라 설계한다.

하지만 한때 일반적인 돌침형 피뢰침을 개선한 제품이 신기술로서 유행한 적이 있었다.

아래의 Erico 제품 또한 RSM(Rolling Sphere Method) 보다 CVM(Collection Volume Method)가 더 효과적이라고 홍보하고 있다.

https://www.erico.com/catalog/literature/E1290B-WWEN.pdf

 

Request temporarily blocked

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www.erico.com

 

아래의 그림은 CVM 방법에 의한 attractive radius를 표현하고 있다.

그리고 CVM method는 Australian Standard AS1768:1991에 포함된 적이 있다.

 

하지만 이는 중대한 결함을 가지고 있음이 밝혀졌다.

링크에 들어가면 ESE 피뢰침을 설치하였음에도 건물 측면에 bypass로 인하여 damage가 발생한 사진을 볼 수 있다.

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4559918

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https://www.lightning-risk.org/pdfs/CASESTUDIES.pdf

불러오는 중입니다...

 

 

 

 

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When You Ground Ungrounded System With Grounding Transformer (photo credit: http://www-ppd.fnal.gov)

 

3상 시스템에서 중성점은 직접 접지 되거나 또는 impedance/resistance를 통해 접지된다. 그런데 델타 권선의 경우와 같이 중성점을 구할 수 없을때는 중성점을 만들어내야 한다. 이러한 목적으로 접지변압기가 사용되고, 이는 지그재그 변압기 또는 Y-D 변압기이다.

 

가장 중요한 목적은 : 1) 고조파 제거 2) 사고시의 전압상승 억제

https://circuitglobe.com/zig-zag-transformer.html

고장전류의 통로로 이용하여 delta system 에서의 고장전류 검출 및 차단의 목적으로 지그재그 변압기가 사용된다.

변압기 size는 중성 전류와 지락 전압을 "K" 상수로 곱하여 구한다. "K" 상수는 relay가 동작하여 차단기를 개방하는데 걸리는 시간에 따라 결정된다. 

12kV 시스템의 상전압은 7.2kV (12/1.732) 이다.
1선 지락 전류가 4000A 라고 가정하면, 변압기의 3상 KVA 용량은 아래와 같이 구해진다.

kVA = 7.2 x 4000 x K 

K는 아래 표에서 구할 수 있다.

       time          K
      10 sec       0.064
       1 min       0.104
       2 min       0.139
       3 min       0.170
       4 min       0.196
       5 min       0.220

만약 발전기가 3상 4선식 이라면, 위의 식을 무시하고 허용가능한 maximum unbalance current를 처리하기 위해 선정될 수도 있다. 지락계전기의 Maximum pick-up time 에 7.2kV 곱한다.



지그재그 접지 변압기는 Y-D 접지 변압기와 같은 방식으로 운용된다.
지그재그 접지 변압기는 isolated neutral 시스템에서 안정적인 중성점 접지를 가능하게 한다.
흔히 사용되는 형태는 2차 권선이 없는 3상 지그재그 변압기 이다.
short-time KVA rating은 rated line-to-neutral current 와 동일하다.
지그재그 변압기는 약 10초 정도의 제한된 시간동안 정격 전류를 흐르도록 설계된다.
그러므로, 일반적인 동일한 용량의 3상 변압기보다 물리적으로 1/10 정도 크기이다.
지그재그 변압기의 연속 정격은 변압기 보호계전기의 세팅을 위해 필요하다. 
일반적으로 보호계전기의 합리적인 세팅을 위해서  최소한 10초 정격의 10% 정도의 연속 전류 정격이 적정하다.

Electrical Systems anslysis and design for industrial plants.  page 162

 

 


지그재그 변압기의 정격은 보통 10초이지만 60초와 같은 다른 정격도 가능하다. 제한된 시간의 정격은 full time 변압기보다 훨씬 작다는 것을 의미한다.

 

 

 

 

 

 

https://www.quora.com/How-does-a-zig-zag-transformer-work

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https://electrical-engineering-portal.com/zigzag-transformer-connection-overview

 

ZigZag Transformer Connection Overview

The zigzag transformer contains six coils on three cores. The first coil on each core is connected contrariwise to the second coil on the next core

electrical-engineering-portal.com

 

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