부스덕트(Bus Duct) 시스템 설치 및 팽창 이음(Expansion Joint) 처리

부스덕트(Bus Duct) 시스템 설치 및 팽창 이음(Expansion Joint) 처리

 

 

 

대용량 전력을 수송하는 부스덕트(Bus Duct)를 라이저(Riser, 수직 간선) 샤프트에 시공할 때 가장 중요한 요소 중 하나는 구조물의 열팽창 및 수축에 대한 대비입니다.

도체(동 또는 알루미늄)에 정격 전류가 흐르면 열이 발생하여 도체와 외함의 길이가 늘어나며, 건물 자체의 온도 변화나 하중에 따른 변형도 발생합니다. 이를 적절히 흡수하지 못하면 부스덕트 변형, 절연 파괴, 연결부(Joint) 파손, 심할 경우 화재나 단락 사고로 이어집니다.

 

1. 열팽창 대응 핵심 메커니즘

수직 배선(Riser) 시공 시 열팽창과 하중을 제어하기 위해 크게 세 가지 메커니즘을 조합하여 적용합니다.

① 스프링 팽창 지지대 (Spring Hanger / Spring Support)

• 역할: 수직으로 설치된 부스덕트의 자중을 지지함과 동시에, 도체 및 외함의 상하 열팽창 운동을 흡수합니다.
• 원리: 바닥 슬래브(Slab)나 수직 벽체에 설치되며, 내부 스프링이 압축·신장하면서 부스덕트가 상하로 자유롭게 늘어나거나 줄어들 수 있도록 유연성을 제공합니다.

② 신축 이음관 (Expansion Joint / Expansion Fitting)

• 역할: 층간 거리가 길거나(보통 30~40m 이상 연속 수직 배선 시), 건물의 신축 이음부(Expansion Joint Zone)를 통과할 때 도체의 열팽창 흡수 능력이 스프링 행어만으로 부족할 때 설치합니다.
• 원리: 부스덕트 내부 도체 및 외함 슬라이딩 구조를 적용하여, 일정 구간 내에서 발생하는 수밀미터~수센티미터 단위의 신축 변형을 안전하게 흡수합니다.

③ 고정 지지대 (Rigid Support / Anchor)

• 역할: 부스덕트 전체 구간 중 특정 기준점(Zero Expansion Point)을 지정하여 그 위치에서의 이동을 구속합니다.
• 원리: 기준점 고정대(Anchor)를 중심으로 상·하방향으로 열팽창이 분산되도록 유도하여 특정 지점에 하중이나 변형이 집중되는 것을 방지합니다.

 

 

2. 수직 배선(Riser) 시공 공법 및 단계별 고려사항

Step 1. 기준점(Anchor) 설정 및 하중 분산

• 중간층 Anchor 방식: 수직 샤프트의 정중앙 층에 Rigid Anchor를 설치하여 기준점으로 잡고, 기준점 위쪽은 상방향으로, 아래쪽은 하방향으로 열팽창이 분산되게 설계합니다.
• 최하단 Anchor 방식: 건물 하단에 고정대를 두고 상부 전체를 Spring Hanger로 지지하여 위쪽으로만 팽창을 유도합니다.

 

Step 2. 바닥 관통부(Slab Opening) 시공

• 부스덕트가 슬래브를 관통하는 지점은 열팽창 시 상하 이동이 발생하므로 절대로 시멘트나 고정재로 밀착 채움(Rigid Sealing)을 해서는 안 됩니다.
• 관통부 주위는 내화 성능을 갖춘 유연한 방화재(Flexible Firestop) 및 폼(Foam) 소재로 마감하여 방화 구획을 유지하면서도 수직 이동을 허용해야 합니다.

 

Step 3. 스프링 행어 초기 하중(Pre-set) 조절

• 시공 시점(비전전 상태, 상온)과 가동 시점(전전 상태, 발열 상태)의 하중 상태가 다릅니다.
• 제품 출하 시 고정되어 있는 스프링 락(Lock Pin)을 설치 완료 및 정렬 후 제거하고, 부스덕트 자체 무게와 열팽창 예상량을 고려하여 스프링 장력을 세밀하게 교정(Tension Adjustment)해야 합니다.

 

 

3. 주요 기술 요약 및 체크리스트

구 분	주요 내용 및 주의사항
열팽창량 계산	ΔL = α x L x ΔT └ α : 도체 선팽창계수 (동: ≈ 1.65 x 10^-5}/℃, 알루미늄: ≈ 2.3 x 10^-5/℃) └ 운영 중 예상 최고 온도 상승분(ΔT)을 계산하여 슬라이딩 여유 공간 확보
접속부 (Joint Bolt)	수직 열팽창으로 인해 연결부 볼트가 풀리지 않도록 Torque Bolt(일정 토크 도달 시 머리가 부러지는 볼트) 및 벨빌 와셔(Belleville Washer) 사용
플러그인 박스 (Plug-in Box)	각 층 분기용 플러그인 박스와 렌치/케이블 연결부 역시 부스덕트의 수직 이동량(열팽창량)만큼 여유(Slack)를 두고 굴곡 배선
건물 변형 대응	내진 설계 및 건물의 부등침하·층간 변위 대응을 위해 지진 대응형 스프링 하우징(Seismic Spring Hanger) 병용

 

 

4. 부스덕트 동(Cu) 및 알루미늄(Al) 도체의 열팽창량 계산식과 스프링 행어 선정 및 초기 세팅법

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부스덕트 수직 간선(Riser) 시공 시 도체 재질(동 vs 알루미늄)에 따른 열팽창량 계산법과 이를 흡수하기 위한 스프링 행어(Spring Hanger)의 선정 및 초기 세팅(Pre-set) 절차입니다.

1) 동(Cu) 및 알루미늄(Al) 도체 열팽창량 계산식

도체에 정격 전류가 흐르면 통전 손실(I2R)에 의한 발열로 온도가 상승하며 선팽창 현상이 발생합니다.

 

■ 열팽창 기본 공식

• ΔL : 열팽창 변형량 (mm)
• α : 도체의 열팽창계수 (mm\m·℃)

- 동 (Copper, Cu): ≈ 1.65 x 10-5/℃ (0.0165mm/m·℃)

- 알루미늄 (Aluminum, Al): ≈ 2.30 x 10-5/℃ (0.0230mm/m·℃)

• L : 수직 배선 총 길이 ($\text{m}$)
• ΔT : 운전 중 예상 온도 상승분 (Tmax - Tinstall, ℃)

 

■ 재질별 열팽창 비교 예시

설계 조건 : 수직 샤프트 높이 L = 50m, 시공 시 주변 온도 Tinstall = 15℃, 정격 통전 시 도체 최고 온도 Tmax = 85℃ (ΔT = 70℃)

• 동(Cu) 도체 부스덕트

• 2. 알루미늄(Al) 도체 부스덕트

• 핵심 포인트: 알루미늄 도체는 동 도체에 비해 열팽창률이 약 40% 더 크므로, 동일한 길이의 수직 간선 시공 시 추가적인 신축 흡수 여유(Expansion Joint 또는 스프링 행어 변위량) 확보가 필수적입니다.

 

2) 스프링 행어(Spring Hanger) 선정 기준

스프링 행어는 수직 부스덕트의 자중을 지지함과 동시에 열팽창에 따른 수직 변위를 흡수하는 하중 지지 장치입니다.

① 층별 정적 하중(Dead Load) 산정

부스덕트 자중 + 부속품 무게 합산

해당 층(지점)이 받쳐줘야 하는 부스덕트 본체, 접속부(Joint), 플러그인 박스(Plug-in Box) 및 엘보 등의 중량을 정확히 계산합니다.

② 지점별 작동 하중 범위 설정

하중 편차 고려

계산된 자중에 약 10~20%의 안전율을 고려하고, 열팽창으로 인해 스프링이 압축될 때 늘어나는 하중 변화(Spring Rate x 변위량)를 흡수할 수 있는 스프링 상수를 선택합니다.

③ 변위량(Travel Range) 선정

운전 시 상하 이동 거리

해당 설치 지점에서 발생할 계산상의 수직 변위량($\Delta L$)보다 최소 1.5배 이상 큰 동작 범위를 가진 행어를 선정합니다.

 

3) 스프링 행어 초기 세팅 및 시공 절차 (Pre-set)

스프링 행어는 시공 당시의 냉간 상태(Cold Condition)에서 정격 운전 시의 열간 상태(Hot Condition)로 변화할 때 하중 균형을 유지하도록 세팅해야 합니다.

① 사전 가압 고정(Pre-set / Factory Lock)

• 제품 출하 시 스프링은 시공 예정 위치의 자중(Cold Load)에 맞춰 미리 압축된 상태로 락 핀(Lock Pin) 또는 락 플레이트로 고정되어 있습니다.

② 수직 정렬 및 결합

• 슬래브 관통부에 부스덕트를 수직으로 정렬하여 통과시킨 뒤, 행어 하우징을 바닥 슬래브 또는 찬넬 지지대에 볼트로 고정합니다.

③ 하중 전달 (Tension Adjustment)

• 부스덕트 본체와 행어 간의 고정 볼트를 체결한 후, 정조정 볼트(Adjustment Nut)를 조여 부스덕트의 무게가 건물 구조물이 아닌 스프링으로 완전히 전달되도록 만듭니다.

④ 스프링 락(Lock Pin) 해제

• 전체 수직 간선의 조립이 완료되고 자중이 행어에 적절히 실리면, 고정용 Lock Pin을 제거합니다. 이때 스프링이 자중을 받아 유연하게 움직이는 상태가 됩니다.

⑤ 영점 및 눈금 확인

• 행어 외부에 표시된 지시 바늘(Indicator)이 냉간 위치(Cold Position)에 정확히 가 있는지 확인하고, 운전 중 열팽창 발생 시 지시 바늘이 열간 위치(Hot Position) 및 허용 범위 내에서 움직이는지 관찰합니다.