축전지설비 일반사항
축전지란 방전이 끝난 전지에 외부로부터 직류전력을
공급하여 다시 방전시킬 수 있는 전지 즉 2차전지를 말하며, 전력저장용 신형전지가
개발 시험되고 있다.
- 소방법 및 보안유지 : 유도등, 비상등, 최소조도
확보용 비상전원
- 전력설비 원격제어전원 : 조작용 전원, 감시반전원
- 비상제어용 조작전원 : 전화교환장치, 전기시계,
비상방송, 통신, 신호전원, 화재경보장치 전원 등
- 비상용 무 정전전원장치
내부구조에 따라 연축전지, 알카리 축전지로 구분되며
태양전지, 연료전지 등이 개발되고 있다.
제조방법에
따라 건식축전지와 습식축전지로 대별되며 양쪽 모두 구조상의 차이는 없으며
건식 축전지는 초충전 없이 바로 사용이 가능하다.
- 건식 축전지(dry charge battery)
완전충전상태에
있는 음극판을 산화시키지 않고 건조하여 또 좋은 품질의 격리판으로 분리한
것으로 사용할 때까지 전해액을 넣어두지 않는다. 습기를 차폐하고 밀봉하여
오랫동안 보관할 수 있다.
- 습식축전지(Wet charge Battery)
제작회사에서
출하될 때 충전한 전해액이 들어있는 것과 그렇지 않은 것 두 종류가 있고,
어느것이나 장시간 초충전이 필요하다.
- 무보수 밀폐 축전지(ES Battery)
ES축전기(Electrolyte
Suspension)는 무보수형 축전지이다. 충전시 전지 내부에서 발생한 가스가
극판에 흡수되어 전해액으로 환원되므로 전해액의 감소가 거의 없어 일반
연축전지와는 달리 정제수 보충이나 점검이 필요없다.
묽은 황산속에 과산화연 (PBO2)과 연(Pb)을
침적하면 과산화연과 연과의 사이에 2.2~2.8V 정도의 기전력이 발생되며 공칭전압은
셀당 2V 정도이다. 개로전압은 전해액비중 및 온도에 따라 약간의 차이가
있기는 하지만 대략 비슷하다.
1-1. 클레드식(CS형) : 완만한 방전형
1-2. 페이스트식(HS형) : 급 방전형
- OPEN TYPE : 가스제거장치가 없는 것으로 종래의
개방형에 해당
- VENTILATE TYPE : 배기전에 필터를 설치하여 산수방출을
방지한 구조.
충전중에 발생하는 가스로 인하여 올라오는 환산무를 걸러 황산분은
축전지로 되돌려 보내고 가스만 배기공을 통하여 배기기키는 구조. - SEALED TYPE : 산,알카리 가스가 나오지 못하게
한 구조로서 증류수의 보충이 필요치 않은 구조. (무보수 밀폐형)
환수촉매장치가 있어 축전지 충전중 내부에서 발생되는 가스를 특수 촉매에
의해 수증기로 변환시켜 촉매장치 외기내벽에 의하여 냉각시켜 물로 환원하여
다시 전지내로 되돌려 보내는 구조로 되어 있다.(HS-E형과 PS-E형이 있다)
1-3. 화학 반응식
Pbo₂+ |
2H₂So₄ |
+
Pb |
방전 |
PbSo₄ |
+2H₂O |
+PbSo₄ |
→ |
← |
충전 |
양극
(과산화 연판)
|
전해질
(묽은황산)
|
음극
(연판)
|
|
양극판 |
전해액 |
음극판 |
1-4. 연축전지의 특성
- 충전
음극과 양극의 황산연(Pbso4)은
충전기에 의하여 점차적으로 전기에너지를 가역 시키면 양극판은 과산화연(Pbo2),
음극판은 해면상연(Pb)으로 변하고 전해액은 극판의 활물질과 반응하여 규정비중까지
올라간다.
- 방전
화학에너지를 전기에너지로
변환하여 사용하는 것을 말하며 음극판의 해면상연(Pb)과 양극판의 과산화연(PbO2)은
황산연(PbSO4)으로 변하고 전해액인 묽은 황산은 극판의 활물질과 반응하여
물로 변하고 비중은 떨어진다.
- 기전력
- 기전력과 비중의 관계
전해액의
비중과 기전력의 관계는 셀당 다음과 같은 식으로 계산된다.
기전력 E(V)
= 전해액 비중 + 0.85
- 기전력과 온도와의 관계
기전력은 전지온도가
상승하면 높게되고 이의 변화는 1℃에 대하여 전지당 0.2mV~0.3mV 정도이다.
그러므로 온도에 따른 기전력의 변화는 극히 작은 값으로서 온도의 범위사
크지 않다면 실용상 무시해도 좋다.
- 방전시간율
전지의 방전전류
크기를 나타내는 용어(Hour Rate : HR)이며, 고정형 연축전지는 10HR 용으로
되어 있다. 전류 I(A)로 방전하고, 방전 종지전압에 이를 때까지의 시간이
t(H)라 하면 이 방전을 t 시간율 방전이라 하고, I(A)를 t 시간울 방전전류라
한다. 방전전류의 크기를 나타낼 때 공징용량의 값(C) 계수를 곱하여 표시하는
경우도 있다. 예를 들면 용량 100AH의 전지를 50(A)로 방전하였다면 이 전류의
크기를 0.5C(A)로 표시한다.
- 방전종지전압
어느정도 방전하면 그
후의 전압강하는 매우 급격하며 축전지에 악영향을 미친다. 따라서 일정한
量 이상 방전하지 않기 위하여 어느정도를 정할 필요가 있는데 이 점을
방전종지전압이라하며, 방전종지전압을 낮게 할수록 방전용량은 증가하나
용량시험에는 방전시간율에 따라 다음과 같이 정해져 있다.
10HR ------
1.80V/Cell
5 HR ------- 1.75V/Cell
3 HR -------- 1.70V/Cell
1
HR -------- 1.60V/Cell
- 방전율과 용량과의 관계
축전지의
용량은 방전율에 따라 크게 다르고 큰 전류로 방전할수록 용량은 감소한다.
이것은 방전중의 전해액 확산이 늦어짐에 따라 극판으로 공급되는 황산분의
공급이 늦어지기 때문이다. 10시간율 용량이 400AH인 축전지의 각 방전률
전류치를 구해보면 아래의 그림과 같이 된다.
- 전해액
▶ 전해액의 비중은 온도에
따라 변화하므로 비중과 액온을 병기할 필요가 있다. 임의온도 t(℃)에서
비중을 표준온도 25℃로 환산하는 식은 아래와 같다.
- 연축전지 : S25
= St +0.0007(t-25)
- 알칼리축전지 : S25 = St + 0.0005(t-25)
단,
S25 : 표준온도 25℃로 환산한 비중, St : t℃에서의
실측온도, t : 묽은 황산의 온도(℃)
▶
연축전지의 방전량에 따라 비중이 변화하므로 비중 측정으로 방전 상태를
확인할 수 있으며 아래 식으로 구할 수 있다.
▶
다음과 같은 경우에는 축전지 비중을 측정하지 말아야 한다.
-
보수 직후
- 균등충전 직후
-
전해액면이 적정하지 않을 때
▶ 연축전지 완전 충전시 비중은 25℃ 기준으로
PS형 1.215±0.01 이고, HS형은 1.240±0.01 이 유지되어야
하며, 비중이 낮고 전압차가 클 때에는 균등충전을 실시한다.
- 충,방전시의 전압변화
충전시의
전압변화는 일반적으로 충전이 진행됨에 따라 점차 전압이 상승하다가 어떤
최고치에 달하면 그 이상 충전하여도 거의 변화가 없으므로 충전을 중단한다.
그러나 방전중의 단자전압은 방전이 진행됨에 따라 서서히 하강하다가 어느
한도에 이르면 급격히 하강한다.
- 효율
1. 용량산출방법
1-1. 
- I₁ : 차단기1대의 최대투입전류
- I₂ : 정전시 비상전원으로 변환되는 부하전류
- I₃ : 상용,비상시의 연속부하전류
- T : 정전시간
- K₁: 용량환산계수{연(40), 포켓(18), 소결(9)}
- K₂: 용량환산계수{연(2.5), 포켓(1.3), 소결(1.15)}~정전시간1시간의
경우.
1-2. 
- C : 25℃에 있어서의 정격 방전율 환산용량
- L : 보수율(일반적으로 0.8 적용)
- K₁, K₂,K₃,Kn : 방전시간 T 축전지의 최저온도
및 허용된 최저전압에 따른 용량환산계수.
- I₁, I₂ ,I₃, In : 방전전류(A)
1-3. UPS 용량에 의한 방법
1-3-1. 방전전류의 산출
- Pf : 부하역률
- ef : 축전지의 방전종지전압
- n.s : 직렬연결 축전지의 개수
- n1v1 : 인버터 전력변환시의 효율(0.915)
- V2 : 콘버터 부하율에 의해
결정되는 효율(0.97)
1-3-2. 수식에의 적용
2. 방전종지전압 (최고 및 최저전압)
부하가 허용할 수 있는 최고 최저전압은 축전지의 방전종지전압
및 셀 수 결정에 필요하고 경제적인 축전지선정에 영향을 주는 요소이다.
|
- 축전지의 방전을 종지하여야 하는 전압으로
방전종지전압 이하까지 방전시에는 축전지의 수명(재충전불능)에
절대적인 영향을 끼치므로 아래의 식으로 계산한 축전지 대상부하를
위한 방전종지전압은 축전지의 방전종지전압(연 축전지의 경우
1.8~1.9V/Cell)보다 높아야 한다.
|
축전지의 방전특성 |
- 부하정격전압 : 축전지 공칭전압 × CELL수
- 단위전지의 방전종지전압 = (부하 최저소요전압+축전지부하간의
전압강하) ÷ 직렬연결 축전지CELL수
- 축전지의 방전종지전압 및 CELL수는 축전지의 최고,최저
허용전압 선정에 영향을 미친다.
(부하 최저허용전압이 낮을수록 축전지용량이
작아지므로 방전종지전압을 낮추기 위해 CELL수를 늘릴 수 있으나
부동충전방식에서는 CELL수를 늘리면 부하의 최고허용전압면에서 지장이
발생하고, 기술적으로 문제가 발생할 수 있다)
3. 최저전지온도
온도가 낮을수록 축전지 용량이 저하되므로 설치장소의
최저온도에서 부하를 만족하는 용량으로 선정할 필요가 있다.
★ 실내의 경우
: +5℃
★ 한랭지의 경우 : -5℃
★ 옥외큐비클에 수납하는 경우 : 최저주위온도에
5~10℃를 더한 값으로 한다.
★ 공기조화설비에 의해 온도를 보증할 수 있는
경우 : 25℃ (온도가 변동하는 일이 있으므로 주의한다)
4. 보수율(경년용량 저하율)
말기수명에도 부하를 만족하는 용량결정을 위한 계수로
0.8을 선정.
5-1. 산출에 필요한 조건 4가지
1) 보수율
2) 방전시간과 방전전류
|
- 엔진시동용 축전지의 용량산출에 있어서
방전시간과 방전전류는 엔진제작자가 지정한 값으로 한다. 단,
방전시간이 확실하지 아니한 경우 그림의 값을 사용한다.
- 조작용 축전지의 방전시간(AC전원
정전시간부터)
- 발변전소 : 30분~2시간(특히 중요한 곳
3~5시간)
- 통신용 : 수시간~10시간
|
3) 허용최저전압
여러 가지 부하측 기기에서 요구되는 최저허용전압 중
가장 높은 값에 전지와 부하사이에 접속된 전선의 전압강하를 더하여 표준특성도에서
나타난 값에서 구한다.(엔진시동용 부하에 있어서는 일반 세레모타 보다 제어회로쪽이
전압요구치가 최대가 되므로 주의할 필요가 있다.)
|
|
- V : 허용최저전압
- Va : 부하의 최저허용전압(부하의 최저허용전압
중 가장 높은 값)
- 차단기(트입 65~125%, 투입 85~110%)
-
조작릴레이 80~120%
- 배전반 일반 90~140%
- 직류전동기
85~110%
- Vc : 전압강하
- 전기기기와 축전지
: 5~10V
- 교환기와 전지 : 1V
- n : Cell 수(직렬연결된 것- 연축전지
52개, 알칼리축전지 80개 )
|
4) 최저 축전지 온도
5-2. 용량산출순서
① 부하종류의
결정 : 조명,차단기, 기동기기(기동시 전압강하 고려)
② 방전전류의
결정 : 부하용량(VA)÷정격전압(V)
③ 방전시간의
산출 : 부하의 종류에 따라 결정(법적시간 30분이상)
④ 방전시간과 방전전류의 부하특성곡선
작성
|
- 방전전류는 단시간에
부하전류가 크게 변화하는 경우나 급격한 변동이 장시간 변동하는
경우에는 대전류 방전시의 순시전압강하가 문제로 되지 않는
한 평균전류=방전전류로 산출한다.
단, 순시전압강하가
문제가 되는 경우 최대전류=방전전류
- 부하곡선은 초기 대전류가 유효하나, 수,변전
설비에서는 가급적 방전의 말기에 큰 방전전류가 사용 되도록
그래프 작성
|
⑤ 축전지
종류의 결정 : 가격, 성능, 유지보수(연 : HS형, 알카리 : AMH형)
⑥ 축전지 Cell
수의 결정 : 셀 수 = 부하의 정격전압/축전지의 공칭전압
⑦ 허용 최저전압의
결정 : (부하의 최저허용전압 + 전압강하) ÷ Cell 수(직렬연결된 것)
⑧ 최저전지온도의
결정 : 옥내, 옥외(큐비클의 경우), 한냉지
⑨ 용량환산
"K" 값의 결정 (일반적인 경우 5℃를 기준으로 하고 하기의 표 이외의
온도에 따른 환산시간계수는 생략한다 SBA 6001-1973)
형식
|
최저허용
전압V/Cell
|
0,1분 |
1분
|
5분
|
10분
|
20 분
|
30 분
|
60 분
|
120분
|
비고
|
AHH
|
1.10
1.06
1.00
|
0.28
0.19
0.14
|
0.28
0.21
0.16
|
0.35
0.28
0,22
|
0.44
0.35
0.30
|
0.57
0.50
0.45
|
0.70
0.65
0.60
|
1.15
1.08
1.04
|
|
소결식
초초 급방전형
|
AH
|
1.10
1.06
1.00
|
0.30
(0.36)
0.24
(.030)
0.20
(0.30)
|
0,46
(0.47)
0.33
(0.38)
0.27
(0.30)
|
0.56
(0.60)
0.45
(0.47)
0.37
(0.39)
|
0,66
(0.69)
0.53
(0.55)
0.45
(0,45)
|
0.87
0.70
0.60
|
1.04
0.85
0.77
|
1.56
1.40
1.30
|
2.60
2.45
2.30
|
( )내의 수치는
200 Ah를 넘는 축전지에
적용
표준형
|
AMH
|
1.10
1.06
1.00
|
0,67
0.57
0.46
|
0.84
0.71
0.58
|
1.00
0.85
0.69
|
1.10
0.93
0.75
|
1,23
1.11
0.84
|
1.37
1.15
0.96
|
1.90
1.65
1.40
|
3.00
2.70
2.40
|
급방전형 |
AM
|
1.10
1.06
1.00
|
0.97
(1.23)
0.75
(0.96)
0,63
(0.75)
|
1.23
(1.42)
1,15
(1.10)
0.76
(9.88)
|
1.52
(1.65)
1.15
(1.24)
0.95
(1.03)
|
1.70
(1.77)
1,28
(1.35)
1.05
(1.12)
|
1.92
1.50
1.26
|
2.10
1.65
1.43
|
2.75
2.23
1.90
|
3.80
3.30
2.90
|
( )내의 수치는
200 Ah를 넘는 축전지에
적용
|
CS
|
1.80
1.70
1,60
|
|
1.50
(1.75)
1.00
(1.10)
0,75
(0.88)
|
1.60
(1.85)
1.12
(1.20)
0.92
(0.98)
|
1.75
(1.59)
1.25
(1.35)
1,11
(1.15)
|
2.05
(2.20)
1.50
(1.60)
1.44
(1.B7)
|
2.40
1.85
1.70
|
3.10
2.60
2.40
|
4.40
3.95
3.70
|
( )내의 수치는
900Ah-2000Ah에 적용
클레드식 완만한 방전형 |
HS
|
1,80
1.70
1.60
|
0.85
0.56
0.44
|
0.88
0.56
0.44
|
0.95
0.65
0.53
|
1.05
0.75
0.63
|
1.30
1.00
0.87
|
1.55
1.24
1.10
|
2,20
1.90
1.75
|
3.40
3.05
2.90
|
페이스트식
(급방전형)
|
⑩ 공식에 적용.
⑪ 용량계산예
- 정전류부하(조명부하)의 경우
- 사용축전지
: 표준형 연축전지
- 부하특성 : 100A 60분 정전류
- 경년 용량저하률
: 0.8
- 최저 전지온도 : 5℃
- 허용 최저전압 : 1.75V/cell
-
K값 : 2.85(특성표에서 T=1, 최저허용전압 : 1.75에서 구한 값)
- 계산결과
- 방전전류가 방전시간의 말기에 급증하는 경우(수전설비
제어부하)
- 사용축전지 : 표준형 소결식 알카리축전지
- 부하특성
: 3A 180분, 말기(0.1분)에 48A
- 경년 용량저하률 : 0.8
- 최저 전지온도
: 25℃
- 허용 최저전압 : 1.1V/cell
- K1 값 : 3.4(특성표에서 구한
값)
- T1 : 180, T2 : 0.1(순시)
- 계산결과
- 차단기 투입 조작전원의 경우
- 사용전압
: 표준형 알카리 축전지
- 부하측성 : 80A(시간 : 200ms)
- 경년 용량저하률
: 0.8
- 최저 전지온도 : 5℃
- 허용 최저전압 : 1.1V/cell
- K
값 : 0.3( T : 200ms, 허용전압 : 1.1V 특성표에서 구한 값)
- 계산결과
여러대의 차단기를 설치하는 경우에는 통상 2대의 동시 투입가능성을
가정하여 60~90Ah의 축전지를 사용한다.
충전방식에는 트리클(유지)방식과 플로트(부동)방식이
있으며 최근에는 건축전기설비에서는 부동충전방식을 거의 사용하고 있다.
1. 보통 충전방식
필요할 때 표준시간율로 소정의 충전전류를 충전하는
방식.
2. 급속 충전방식
단시간에 충전전류의 2~3배로 충전하는 방식.
3. 균등 충전방식
부동충전을 유지하면 완전충전 상태로
유지되지만 축전지 개개의 특성에 따라 자기 방전량에 차이가 생기고 개개의
부동충전전압은 상이하므로 장기간 부동충전시 충전부족 상태의 것이 나온다.
이 불균형 시정을 위하여 일종의 과충전인 균등충전을 할 필요가 있다. 즉, 균등충전이란
각 전지간의
전압을 균등하게 하기 위해 3주에 1회정도 축전지 공칭전압의 120~125%의
정전압으로 10~12시간 충전하는 방식.
[표] 균등충전전압과 충전소요시간
|
단전지당 전압 (V)
|
충전소요시간
|
|
2.25 일 때
|
약48 시간
|
|
2.30 일 때
|
약24 시간
|
|
2.40 일 때
|
약 8 시간
|
4. 부동 충전방식
|
- 상시부하전류는 정류기가 부담하고
순시 대전류는 충전기와 축전지가 분담하며, 정전시에는 축전지가
전 부하를 부담하고, 정전회복 후에는 정류기가 충전과 부하전류를
부담하게 된다.
따라서 정류기 출력전류 = 충전전류 + 상시부하
최대전류가 필요하다.
- 부동충전시 과중천으로
인해 축전지 수명이 단축될 수 있고 부족 충전으로 전해액 비중이
저하되어 용량부족현상이 발생하므로 실험결과 아래 표와 같이
규정전압으로 충전한다.
[표] 완전충전시 비중과
부동충전전압
|
축전지종류
|
완전충전시비중(25℃)
|
부동충전전압(V/cell)
|
|
일반방전용(PS)
|
1.215
|
2.15~2.17
|
|
고율방전용(HS)
|
1.240
|
2.18~2.20
|
|
- 장점
- 축전지가 항상 완전충전상태에 있다.
- 정류기의 용량이 작아진다.
- 축전지의 수명에 좋은 영향을 준다.
- 거치형 축전지설비에서 가장 일반적으로 사용되며,
수 개월에 1회는 균등충전을 할 필요가 있다.
5. 세류 충전방식(트리클 충전방식)
축전지의 자기방전을 보충하기 위해 부하를 제거한 상태로
늘 미소전류로 충전하는 방식
★자기방전 :
Self Discharge
충전된 2차전지가 방치해 둔 시간과 함께 용량이 감소되어
저장된 전기에너지가 전지內에서 소모되는 현상으로, Zn 보다 단극 전위가 높고
수소 과전압이 낮은 불순물 Cu등이 존재하면 국부 전지가 형성되어 순환전류가
흘러 Zn이 소모되면서 생긴 H2가 양극으로 이동하여 양극의 활성물질과 반응한다.
또한 누설전류에 의한 방전이 발생한다.
6. 전자동 충전방식
정전압 충전의 결점(충전초기 대전류)을 보완하여 일정전류로
자동 전류제한하는 장치를 부착한 충전방식으로 보수유지에 유리하다.
(정전압장치와
자동회복 충전장치가 필요하다)
7. 초충전
Dry-uncharged type 은 전해액을 주입하여도
축전지는 방전상태에 있으므로 사용전에 충전하여야 한다. 축전지는 전해액 주입전
대기중의 산소, 탄산개스와 반응하여 산화연, 탄산연으로 변화된다. 주입시 전해액과
결합하여 PbSO4로 되므로 장시간 충전하여 Pb 로 활성화할 필요가 있으며 다음과
같이 실시한다.
- 주위온도 30℃ 이하에서 실시
- 주입후 1~2 시간후 재보충
- 초충전은 규정용량의 약 400%에
달할 때까지 계속한다. 즉 10시간율 공칭용량의 1/20의 전류로 80시간 이상,
1/10의 전류로 40시간 이상 충전한다.
구 분 |
연 |
알카리 |
종류 |
클레드식
페이스트식 |
포켓식
소결식 |
공칭전압(V/CELL) |
2.0 |
1.2 |
CELL 수 |
52~55개 |
80~85개 |
최대방전전류 |
1.5C |
2C(포켓), 10C(소결) |
전기적 강도 |
과충전,과방전에
약하다. |
과충전,과방전에
강하다. |
충 전 시 간 |
길 다 |
짧 다 |
온 도 특 성 |
열 등 |
우 수 |
수 명 |
CS 형 : 10~15년
HS 형 : 5~7년 |
20~30년 |
공 칭 용 량 |
10시간 율 |
5시간 율 |
가 격 |
유 리 |
고 가 |
용 도 |
장시간
일정전류부하 |
단시간
대전류 부하 |
기 타 |
- 부식가스를 발생
- 전해액의 비중에
의해 충,방전을 알 수 있다.
- 충 방전 전압의
차이가 적다
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현재는 내산처리가 필요없는 축전지가 주로 사용되어
축전지실이 별도로 필요없이 큐비클식으로 다른 기기와 함께 설치가 일반적이다.
1. 축전지실 설치시 고려사항
- 천장높이 : 2.6m 이상, 축전기기와 벽면 및 부속기기는
1m 이상 이격.
- 진동이 없는 장소에 설치.
- 배기설비 설치 : 전기분해로 수소가스 발생.
- 충전기는 가급적 부하와 근접시킬 것.
- 배선은 비닐전선, 조명기구는 내산성으로 할 것.
- 실내에 싱크를 설치한다.
- 개방형으로 단자전압 16V이상일 때 절연물질의 프레임
대에 애자유리로 지지한다.
2. 축전지실의 배기
일반적으로 축전지실을 설계할 때에는
다음식을 참고한다. 다만, 시일형 고정축전지는 배기시설이 거의 필요없으며
큐비클에 내장하여 사용하면 별도의 축전지실이 필요없다.
3. 표준목대
- 진동(수평진도 0.5G)에 이상이 없도록
설계되었음(내진)
- 사용중 뒤틀림과 갈라짐이 없도록
함수율이 적은 목재를 사용하며 내산처리되어 장기간 사용할 수 있을 것
신기술 뉴스
의 방식으로 계산한다.
