Function of battery bank stores energy for DC load in general, and DC power system of the nuclear power plant is used to supply DC loads for safety- featured instrumentation and control such as inverter, class 1E power system control and indication, and station annunciation. Class 1E DC power system...
Function of battery bank stores energy for DC load in general, and DC power system of the nuclear power plant is used to supply DC loads for safety- featured instrumentation and control such as inverter, class 1E power system control and indication, and station annunciation. Class 1E DC power system must provide a power for the design basis accident conditions, and adequate capacity must be available during loss of AC power and subsequent safe shutdown of the plant. In present, batteries of Class 1E DC power system of the nuclear power plant uses lead-acid batteries. Class 1E batteries of nuclear power plants in Korea are summarized in terms of specification, such as capacity, discharge rate, bank configuration and discharge end voltage, etc. This paper summarizes standards of determining battery size for the nuclear power plant, and analyzes duty cycle for the class 1E DC power system of nuclear power plant. Then, battery cell size is calculated as 2613Ah according to the standard. In addition, this paper analyzes performance test results during past 13 years and shows performance degradation in the battery bank. Performance tests in 2001 and 2005 represent that entire battery cells do not reach the discharge-end voltage. Howeyer, the discharge-end voltage is reached in 14.7% of channel A (17 EA), 13.8% of channel B (16 EA), 5.2% of channel C (6 EA) and 16.4% of channel D (19 EA) at 2011 performance test. Based on the performance test results analysis and size calculation, battery capacity and degradation by age in Korearn nuclear power plant is discussed and would be used for new design.
Function of battery bank stores energy for DC load in general, and DC power system of the nuclear power plant is used to supply DC loads for safety- featured instrumentation and control such as inverter, class 1E power system control and indication, and station annunciation. Class 1E DC power system must provide a power for the design basis accident conditions, and adequate capacity must be available during loss of AC power and subsequent safe shutdown of the plant. In present, batteries of Class 1E DC power system of the nuclear power plant uses lead-acid batteries. Class 1E batteries of nuclear power plants in Korea are summarized in terms of specification, such as capacity, discharge rate, bank configuration and discharge end voltage, etc. This paper summarizes standards of determining battery size for the nuclear power plant, and analyzes duty cycle for the class 1E DC power system of nuclear power plant. Then, battery cell size is calculated as 2613Ah according to the standard. In addition, this paper analyzes performance test results during past 13 years and shows performance degradation in the battery bank. Performance tests in 2001 and 2005 represent that entire battery cells do not reach the discharge-end voltage. Howeyer, the discharge-end voltage is reached in 14.7% of channel A (17 EA), 13.8% of channel B (16 EA), 5.2% of channel C (6 EA) and 16.4% of channel D (19 EA) at 2011 performance test. Based on the performance test results analysis and size calculation, battery capacity and degradation by age in Korearn nuclear power plant is discussed and would be used for new design.
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가설 설정
S : 분석될 책무주기 구간(구간 S는 책무주기의 처음 S기간을 포함한다(구간 S5는 S1에서 S5까지 기간을 포함한다.)
셀 용량은 주어진 셀 형식에 따른 정격용량계수를 이용하여 첫 번째 기간에 필요한 전류를 공급하도록 계산한다. 두 번째 구간에서의 용량은 첫 번째 기간 동안의 전류 A1이 두 번째 기간에서도 계속적으로 필요하다는 가정으로 계산한다. 두 번째 기간 동안 용량은 전류의 변화량(A2–A1)만큼 조정한다.
제안 방법
본 논문은 원자력발전소의 직류전원계통에 사용되고 있는 안전등급 축전지 동작책무를 이용하여 IEEE Standard 485 및 KEPIC EEG 1200에 따라 축전지 설계용량을 재평가하였다. 그리고 약 13년 동안 5년마다 실시한 3번의 축전지 성능시험 결과를 이용하여 축전지 사용기간 경과에 따른 셀전압 및 축전지 군 단자전압 변화를 살펴보았으며, 이를 이용하여 축전지 용량 변화를 살펴보았다.
표 4의 Kt factor는 제작사에서 제공한 그림 8 곡선에서 인용된 것이다. 또한 계산된 용량에 부하증설 등을 고려하여 요구된 용량에 설계 여유 10%를 가산하였으며, 정격수명 말기에도 요구된 충분한 용량을 보장하기 위해 노화계수 25%를 추가하였다. 그 결과로 필요한 축전지 용량는 2613.
표 2에서 보듯이 우리나라 원자력발전소는 발전소별로 축전지 동작책무시간이 상이하고, 축전지 제작사별로 운전전압 및 종지전압이 상이함을 알 수 있다. 또한 채널별 동작책무는 이 축전지 동작책무시간을 이용하여 본 논문의 3장에서 축전지용량을 재평가 해보았다
원자력발전소는 안전 등급설비(Class 1E)와 비안전 등급설비(Non-Class 1E)로 구분되어 있고, 안전등급설비는 원자로 비상정지, 격납건물 격리, 노심냉각 및 격납건물과 원자로 열 제거에 필수적인 전기기기 및 계통과 외부 환경으로의 방사성물질 대량방출을 방지하는데 필수적인 전기기기 및 계통으로 분류되어있다[3]. 본 논문은 원자력발전소의 직류전원계통에 사용되고 있는 안전등급 축전지 동작책무를 이용하여 IEEE Standard 485 및 KEPIC EEG 1200에 따라 축전지 설계용량을 재평가하였다. 그리고 약 13년 동안 5년마다 실시한 3번의 축전지 성능시험 결과를 이용하여 축전지 사용기간 경과에 따른 셀전압 및 축전지 군 단자전압 변화를 살펴보았으며, 이를 이용하여 축전지 용량 변화를 살펴보았다.
원자력발전소의 안전등급 축전지는 IEEE Standard 450 및 KEPIC ENF 3400에 따라 5년에 한번씩 성능시험을 수행한다. 이 축전지는 1999년 5월에 설치되고 2년이 지난 2001년에 처음 성능시험이 실시되었으며, 온도 25℃에서 0.
원자력발전소의 축전지 점검은 IEEE Standard 450 및 KEPIC ENF 3400에 따라 주간, 분기, 연간점검을 수행하며, 60개월에 한 번씩 성능시험을 실시한다. 주간단위(7일) 점검은 전해액 수위, 비중, 온도, 축전지 단자전압, 육안점검(셀의 균열, 전해액 누수, 단자와 접속부 부식, 청결, 환기상태)을 실시하고, 분기단위(92일)로 과방전 및 과충전 상태, 균등 충전(36시간 이상 수행), 18개월 주기로 접속저항 측정, 설계 용량시험을 실시하여 동작책무주기에 따라 충분히 공급하고 운전가능상태로 유지되는지를 확인한다[9].
원자력발전소의 안전등급 축전지는 IEEE Standard 450 및 KEPIC ENF 3400에 따라 5년에 한번씩 성능시험을 수행한다. 이 축전지는 1999년 5월에 설치되고 2년이 지난 2001년에 처음 성능시험이 실시되었으며, 온도 25℃에서 0.1C의 방전전류 280 A로 방전시험을 실시하였다. 식 (9)에 따라 0.
채널 A 축전지군 동작책무는 3구간으로 나눌 수 있으며 각 구간별 필요한 축전지 크기는 3.2절 “축전지 용량 재평가”에 따라 수행하였다.
성능/효과
축전지 용량선정을 재평가하여, 선정된 축전지가 동작책무기간 동안 전원을 공급할 수 있는 충분한 용량을 갖도록 설계됨을 검증하였다. 1999년에 설치되어 약 13년 정도 사용된 축전지 성능시험결과 자료를 분석하여 축전지 군의셀 전압변화를 보면 2001년과 2005년 성능시험결과에서는 종지전압(1.81 V)까지 도달한 셀이 없었으나, 2011년 성능시험에서는 종지전압에 도달한 축전지가 A채널 14.7%(17개), B채널 13.8%(16개), C채널 5.2%(6개), D채널 16.4%(19개)났으며, 이는 축전지 군 단자전압에 영향을 미쳐 2011년 축전지군 최저전압이 105 V에 도달하게 되었다. 또한 축전지군 단자전압을 분석한 결과 2001년과 2005년 성능시험에서는 축전지 용량이 100% 이상임을 알 수 있었으며, 2011년 방전 시험 결과에서는 축전지군 최저전압(105 V)에 도달하여 축전지용량이 100%까지 저하된 것으로 분석되었다.
또한 계산된 용량에 부하증설 등을 고려하여 요구된 용량에 설계 여유 10%를 가산하였으며, 정격수명 말기에도 요구된 충분한 용량을 보장하기 위해 노화계수 25%를 추가하였다. 그 결과로 필요한 축전지 용량는 2613.2 Ah 계산되었으며, 축전지는 2800 Ah로 선정되었다. 발전소에서는 축전지 용량 1400 Ah를 병렬로 연결하여 사용하고 있다.
4%(19개)났으며, 이는 축전지 군 단자전압에 영향을 미쳐 2011년 축전지군 최저전압이 105 V에 도달하게 되었다. 또한 축전지군 단자전압을 분석한 결과 2001년과 2005년 성능시험에서는 축전지 용량이 100% 이상임을 알 수 있었으며, 2011년 방전 시험 결과에서는 축전지군 최저전압(105 V)에 도달하여 축전지용량이 100%까지 저하된 것으로 분석되었다. 이와 같이 축전지 사용기간이 경과함에 따라 극판의 부식, 극판의 활물질과의 결합력 저하, 전해액 비중변화 등의 원인으로 축전지 성능저하가 일어난다.
본 논문에서는 축전지 동작책무를 가지고 IEEE Standard 485 및 KEPIC EEG 1200 기술규격에 따라 계산한 결과 축전지 동작책무 2번째 구간에서 1759.7 Ah로 최대용량이 필요한 구간으로 분석되었으며, 여기에 온도보정, 설계여유 및 노화계수를 추가한 결과 필요한 축전지 용량은 2613.2 Ah 계산되었다. 축전지 용량선정을 재평가하여, 선정된 축전지가 동작책무기간 동안 전원을 공급할 수 있는 충분한 용량을 갖도록 설계됨을 검증하였다.
4%로 19개가 나타난 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 분석하면, 우리는 2001년과 2005년 성능시험결과에서 셀 종지전압에 도달한 축전지가 없었으므로 축전지 용량이 100% 이상이었음을 확인할 수 있었다. 하지만 2011년 성능시험에서는 셀 종지전압에 도달한 셀 수와 축전지군 단자전압이 최저 단자 전압에 도달하였으므로 축전지 용량이 100%까지 저하되었음을 확인할 수 있다.
이와 같이 축전지 사용기간이 경과함에 따라 극판의 부식, 극판의 활물질과의 결합력 저하, 전해액 비중변화 등의 원인으로 축전지 성능저하가 일어난다[11][12][13]. 이러한 셀 전압 변화를 통해 축전지 용량과 열화 정도를 분석할 수 있음을 확인하였다. 이 축전지의 제작사 권고 사용기간은 15년이다.
이와 같이 축전지 사용기간이 경과함에 따라 극판의 부식, 극판의 활물질과의 결합력 저하, 전해액 비중변화 등의 원인으로 축전지 성능저하가 일어난다[11][12][13]. 이러한 셀 전압 변화를 통해 축전지 용량과 열화 정도를 분석할 수 있음을 확인하였다. 이 축전지의 제작사 권고 사용기간은 15년이다.
표 6에서 보듯이 2001년과 2005년 방전시험에서는 축전지 군 최저 단자전압(105 V) 이상이었으나 2011년 방전시험에서는 축전지군 단자전압이 최저전압에 근접해 있음을 알 수 있다. 이러한 시험결과를 통해 2001년과 2005년 축전지 용량은 100% 이상이었음을 확인할 수 있었고, 2011년 성능시험에서 축전지군 단자전압이 최저 단자전압에 도달하였으므로 축전지 용량이 100%까지 저하되었음을 축전지 군 단자전압을 통해서도 확인하였다.
표 4는 그림 4의 채널A 축전지 동작책무를 가지고 IEEE Standard 485 및 KEPIC EEG 1200에 따라 계산한 것이다. 채널A 축전지 동작책무는 3구간으로 구분할 수 있으며, 기술기준에 따라 구간별 축전지 용량을 계산한 결과 최대용량이 요구되는 구간은 2구간으로 나타났다. 1구간부터 3구간까지 구간별 용량계산을 식 (5)를 이용하여 다시 표현하면식 (6)부터 식 (8)처럼 나타낼 수 있다.
2 Ah 계산되었다. 축전지 용량선정을 재평가하여, 선정된 축전지가 동작책무기간 동안 전원을 공급할 수 있는 충분한 용량을 갖도록 설계됨을 검증하였다. 1999년에 설치되어 약 13년 정도 사용된 축전지 성능시험결과 자료를 분석하여 축전지 군의셀 전압변화를 보면 2001년과 2005년 성능시험결과에서는 종지전압(1.
발전소에서는 축전지 용량 1400 Ah를 병렬로 연결하여 사용하고 있다. 축전지 용량을 IEEE Standard 485, KEPIC EEG 1200에 따라 재평가 한결과 현재 선정된 축전지는 동작책무기간 동안 전원을 공급할 수 있는 충분한 용량을 갖도록 설계됨을 확인하였다.
후속연구
하지만 축전지의 건강상태(State of Health)를 정확히 예측 할 수 있다면, 수명기간이 도래하여 축전지를 교체하는 비용을 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 납 축전지는 수명기간동안 자기방전현상, 가스 발생, 황화현상 등과 같은 복잡한 현상이 일어나 모델링하기가 복잡하므로 향후 축전지 모델링에 대한 연구를 통해 축전지 잔여수명에 대한 정확한 진단 기법 개발이 필요할 것으로 사료된다.
IEEE Standard 450 및 KEPIC ENF 3400에서는 축전지용량이 제작사 정격용량의 80% 이하일 경우에 축전지를 교체하도록 하고 있는데 발전소에서는 발전소 안전과 신뢰성을 위해 사용기간 15년 도래 이전인 2014년에 축전지를 교체할 예정이다. 하지만 축전지의 건강상태(State of Health)를 정확히 예측 할 수 있다면, 수명기간이 도래하여 축전지를 교체하는 비용을 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 납 축전지는 수명기간동안 자기방전현상, 가스 발생, 황화현상 등과 같은 복잡한 현상이 일어나 모델링하기가 복잡하므로 향후 축전지 모델링에 대한 연구를 통해 축전지 잔여수명에 대한 정확한 진단 기법 개발이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
축전지의 고유한 기능은?
축전지의 고유한 기능은 에너지를 저장하였다가 필요시 저장된 에너지를 부하에 공급하는 비상전원용으로 사용되고 있다. 또한, 태양광 및 풍력발전과 같이 출력변동이 심한 발전설비의 출력변동을 보상하기 위해 사용되고 있으며, 연료전지와 마이크로터빈 발전과 같은 갑작스런 부하증가에 느린 응답특성을 갖고 있는 이들 발전설비의 빠른 응답을 보장하기 위한 보완장치로 사용되는 에너지저장장치에 축전지가 사용되고 있다[1]. 현재는 전기자동차에 사용될 축전지에 대해 활발한 연구가 진행 중에 있다.
원자력발전소가 정지 후에도 전력공급이 필요한 이유는?
현재는 전기자동차에 사용될 축전지에 대해 활발한 연구가 진행 중에 있다. 원자력발전소는 출력운전 중은 물론 정지 후에도 노심에서 발생하는 잔열을 제거 하기 위하여 계속적인 전력공급을 필요로 한다. 특히, 원자로가 안전정지 되면 소외전원을 통해 전력을 공급받아 안전 계통이 작동하게 되는데, 소외전원계통의 이상으로 전력공급에 실패할 경우를 대비하여 비상전원계통을 보유하고 있다[2].
안전등급설비에 해당하는 설비들은 무엇인가?
원자력발전소에서는 안전등급설비(C 1E)와 비안전등급설비(N-C 1E)로 구분되어 있고, 안전등급설비는 독립성, 다중성, 시험성 등 여러가지 설계요건을 만족하도록 요구 받고 있다[4]. 이에 해당하는 설비들은 원자로 비상정지, 격납건물 격리, 노심냉각 및 격납건물과 원자로 열제거에 필수적인 전기기기 및 계통과 외부 환경으로의 방사성물질 대량방출을 방지하는데 필수적인 전기기기 및 계통이 해당된다.
참고문헌 (13)
Sung-Hyun Kim？Kye-Byung Lee？Jun-Hee Hong？ Kwang-Myung Son, "A Study on the PSCAD/EMTDC Simulation Model of Battery Energy Storage with Simplified Battery Model and IUIa Charging Method", Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Journal of KIIEE, Vol.24, No.12, , pp.84-90, December 2010
Ho-Jun Jeon, Seok-Won Hwang, Moon-Goo Chi, "Risk Impact Assessment of Emergency Power Supply System of a Nuclear Power Plant", of KIEE Conf., pp.20-21, July 2012
Daesik Kim and Hanju Cha, "Analysis on Duty Cycle and Capacity Design of Lead-Acid Battery Bank for The Class 1E DC Power System of Nuclear Power Plant", Proceedings of ICAPP, Korea, April 2013.
Nuclear Safety Act Regulations on Technical Standards for Nuclear Reactor Facilities, Etc., Article 24 "Electric Power System"
WNU 5&6 "Final Safety Analysis Report, 8.3.2 DC Power System", 2010
Daesik Kim and Hanju Cha, "Analysis on Lead-Acid Battery Bank for Nuclear Power Plants in Korea", IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference-ECCE Asia, Harbin, China, p.2118-2122, 2012
"IEEE Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications", ANSI/IEEE Standard 485-2010
Takeshi KITAHARA and Hajime NAKAMURA, "A Data Transmission Control to Maximize Discharge Capacity of Battery" IEEE Communications Society, pp. 2951-2956, WCNC 2008.
"IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations", ANSI/IEEE Standard 450, 1995
J. F. Montalbano, R V Casalaina "Installation and Maintenance of Lead acid Stationary Batteries for Generating Stations" IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. EC-1, No. 4, pp 57-62, December 1986
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