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Sep 15, 2023

다중물리 시뮬레이션으로 스마트 시티 기술 구현

현대식 파워 박스(또는 피더 기둥, 외부에 알려져 있음)

현대식 전력 박스(또는 미국 외 지역에서는 급전 기둥으로 알려져 있음)는 거리에 설치되어 인근 주택에 대한 전기 공급을 제어합니다. 주민들이 점점 미적 측면을 우선시하고 도시 생활에 높은 가치를 부여함에 따라 눈에 띄지 않는 전원 박스에 대한 필요성이 커지고 있습니다.

그러나 밝혀진 바와 같이, 파워박스의 부피가 큰 것에는 타당한 이유가 있습니다. 전통적인 디자인의 크기에는 장거리 전력선의 고전력을 가정과 기업에 분배하기에 적합한 전력으로 줄이는 데 필요한 하드웨어가 담겨 있습니다. 전력 상자의 크기를 줄이려는 가치 있는 목표에는 저항과 로렌츠 힘을 고려하면서 상당히 적은 면적으로 전력을 라우팅해야 하는 추가적인 과제가 수반됩니다. 이는 중요하지 않은 작업입니다.

Raychem RPG의 R&D 수석 연구원인 Ishant Jain은 수년간의 시뮬레이션 경험을 스마트 시티에 적합하고 공간을 고려한 파워 박스를 만드는 데 적용했습니다. 그는 Raychem의 팀과 함께 다중물리 시뮬레이션을 활용하여 이 근본적이고 새로운 설계를 만드는 데 수반되는 엔지니어링 과제를 해결했습니다.

이 기사 덕분에 당신은 보도 근처에 있는 눈에 띄는 금속 상자를 떠올렸습니다. 하지만 파워박스는 정확히 어떻게 작동하나요?

전원 상자의 인클로저는 배전 시스템을 보호합니다. 그 목적은 단거리 전기 운송에 적합한 저전압 공급 라인의 전류를 가정과 기업에 분배하는 것입니다. 파워 박스는 전기의 물리적 손실을 줄이는 동시에 해당 전기의 사용량을 보다 정확하게 분배하고 설명하는 데 사용됩니다.

"파워 박스가 더 적은 공간을 차지하는 것은 매우 유익합니다"라고 Jain은 말했습니다. "우리는 21세기 도시의 요구에 맞게 원래 모델의 모든 기능을 갖춘 모듈식 유닛을 만들 수 있었습니다."

Jain과 그의 팀은 개선되어야 할 기존 파워 박스 설계의 여러 측면을 신속하게 지적했습니다. 이러한 업그레이드에는 표준 이하의 연결로 인한 비용 및 전기 손실 감소는 물론 안전성, 크기, 설치 용이성, 서비스 가능성 및 미적 측면의 개선이 포함되었습니다.

Jain과 그의 팀은 또한 스마트 시티에서 쉽게 채택할 수 있는 미래형 전력 박스를 만들고자 하는 동기를 부여받았습니다. 이 새로운 전원 상자에는 에너지 사용량을 온라인으로 모니터링하고 시스템 및 개별 퓨즈의 상태를 모니터링할 수 있는 스마트 기능이 포함됩니다.

매우 작은 인클로저에 전기 배전 시스템의 기하학적 구조를 적용할 때 당면 과제는 설계 변경으로 인해 발생하는 경쟁 전자기력을 완화해야 한다는 것입니다.

물리학의 동적 특성과 형상의 복잡성으로 인해 설계 안정성을 보장하기 위한 다중물리 시뮬레이션의 필요성이 엔지니어들에게 즉시 명백해졌습니다.

전력 박스 크기의 급격한 감소를 실현하기 위해 엔지니어는 동일한 양의 전력을 분배하면서도 더 작은 구조에 맞는 버스바 시스템을 만들어야 했습니다(그림 1).

Jain과 그의 팀은 설계가 전자기력의 누적 영향을 줄이는 데 적합한지 확인하기 위해 2D 시뮬레이션을 만들었습니다. 패널의 120° 정렬은 부스바에 작용하는 힘의 균형을 맞추는 역할을 합니다.

"시뮬레이션을 통해 우리는 설계가 제대로 작동할 것이라는 확신을 갖게 되었습니다. 우리는 기전력이 120° 정렬에 의해 균형을 이룰 것이라고 말할 수 있었습니다."라고 Jain은 설명했습니다.

또 다른 중요한 고려 사항은 전원 박스의 전반적인 구조적 건전성입니다. 이를 위해 Jain과 팀은 내구성을 평가할 수 있는 전원 상자의 구조 시뮬레이션을 개발했습니다. 구조물에 부는 최대 103m/s의 바람에 대한 시간별 연구를 통해 전력 상자가 구조적으로 건전한 것으로 확인되었습니다(그림 2). 또한 엔지니어들은 유도된 응력이 임계값에 도달할 때까지 경계 하중을 천천히 증가시켰으며 설계가 풍속 570m/s까지 안전하다고 판단했습니다.