결론부터 씁니다. 안전등급(Class 1E) 125V DC 계통에서 축전지 용량은 부하 듀티 사이클(Duty Cycle)이 정하고, 충전기 용량은 “정상 부하 + 정해진 시간 안의 재충전”이 정합니다. 두 설비를 따로 사이징하면 숫자는 맞지만, 실무에서 판단이 갈리는 지점은 따로 있습니다. 정비 때문에 축전지를 분리하고 충전기만으로 DC 모선을 유지하는 구간입니다. 축전지는 충전기 출력의 필터이자 과도 부하의 완충이므로, 이 구간을 허용할지 여부가 충전기 사양(축전지 없이 운전 가능한 등급인지)과 운전 제한 조건을 함께 결정합니다.
안전 인터락 조건부터 확인합니다
125V DC 계통은 차단기 트립·투입 코일, 보호계전기, 무정전 계측 전원용 인버터, EDG 제어와 계자 초기 여자 등 안전 기능의 “마지막 전원”입니다. 그래서 인터락은 DC 모선을 끊는 쪽보다 DC 모선이 끊기지 않게 하는 쪽을 먼저 봅니다.
- □ 트레인별 DC 계통(축전지, 충전기, 분전반)이 다른 트레인과 전기적·물리적으로 분리되어 있는지(IEEE 384 기준 독립성) 확인.
- □ 트레인 간 DC 모선 연계(Cross-tie) 차단기가 있다면, 정상 운전 중 개방 상태로 인터락되어 있고 연계 시 두 트레인이 동시에 한 고장에 노출되지 않도록 운전 제한이 걸려 있는지 확인.
- □ 축전지 주 차단기(또는 퓨즈 스위치) 개방 시 제어실 경보가 즉시 뜨는지 확인. 축전지가 분리된 줄 모르고 운전하는 상태를 차단합니다.
- □ 비접지 DC 계통의 지락 검출기가 연속 감시 중이고 경보가 제어실로 가는지 확인.
- □ 충전기 교류 입력이 해당 트레인 안전모선에서 공급되고, EDG 순차투입 스텝에 포함되어 있는지 확인.
축전지 용량은 듀티 사이클이 정합니다
축전지 사이징의 입력은 교류 전원 상실 시점부터 정해진 대처 시간까지의 부하 전류 곡선입니다. 부하는 세 종류로 나눕니다. 순간 부하(차단기 코일 동작, EDG 계자 초기 여자 등 짧은 고전류), 연속 부하(인버터, 계전기, 표시등), 비연속 부하(비상 조명, DC 전동기 등 일정 구간만 동작하는 부하)입니다.
IEEE 485는 납축전지 사이징 절차를 제공하며, 이 곡선을 구간별로 나누어 필요한 용량을 합산한 뒤 보정 계수를 곱합니다. 대표적인 보정은 최저 전해액 온도에 대한 온도 보정, 수명 말기 용량 저하를 반영하는 경년 계수(일반적으로 1.25), 그리고 설계 여유입니다. 경년 계수 1.25는 “용량이 정격의 80%로 떨어진 수명 말기에도 듀티 사이클을 감당한다”는 의미입니다.
셀 수와 전압 창은 부하 허용 전압에서 역산합니다. 가정: 납축전지 60셀, 방전 종지전압 1.75 V/셀, 부동충전 2.25 V/셀. 방전 말기 모선 전압은 60 × 1.75 = 105 V, 부동충전 시 60 × 2.25 = 135 V입니다. 이 105~135 V 창(케이블 전압강하 포함)이 DC 부하의 허용 입력 전압 범위 안에 들어가야 하고, 균등충전 전압(제조사 값 × 60셀)도 부하 최대 허용 전압을 넘지 않는지 따로 확인합니다.
충전기 용량 산정
충전기는 정상 시 연속 부하 전체를 공급하면서, 방전된 축전지를 정해진 시간 안에 재충전할 수 있어야 합니다. 발전소 DC 계통 설계에서 널리 쓰는 산정식은 다음과 같습니다.
충전기 정격 전류 A = L + (k × C) / H. 여기서 L은 연속 부하 전류, C는 방전으로 빠져나간 용량(Ah), H는 재충전 목표 시간(h), k는 충전 효율 보정(납축전지에서 통상 1.1)입니다.
가정: L = 50 A, C = 400 Ah, H = 12 h, k = 1.1. A = 50 + (1.1 × 400) / 12 = 50 + 36.7 = 86.7 A. 이 값보다 큰 표준 정격(예: 100 A급)을 택하고, 전류 제한 설정이 이 값을 막지 않는지 확인합니다. 여기서 수치는 계산 예시일 뿐이며 실제 L·C·H는 발전소 듀티 사이클과 인허가 조건에서 나옵니다.
DC 모선 감시 의사코드 (IEC 61131-3 ST)
(* I/O MAP - 125V DC 트레인 A 감시 (감시 전용, 차단 동작 없음) *)
(* %IW20 : AI_DC_BUS_V - DC 모선 전압, V *)
(* %IW21 : AI_BATT_I - 축전지 전류, A (+ 충전 / - 방전) *)
(* %IW22 : AI_CHGR_I - 충전기 출력 전류, A *)
(* %IW23 : AI_GND_DET_POS - 양극 대지 절연 지표 *)
(* %IW24 : AI_GND_DET_NEG - 음극 대지 절연 지표 *)
(* %I6.0 : DI_BATT_BRK_CLOSED - 축전지 주 차단기 투입 *)
(* %I6.1 : DI_CHGR_AC_FAIL - 충전기 교류 입력 상실 *)
(* %Q4.0 : DO_DC_UV_ALM - 모선 저전압 경보 *)
(* %Q4.1 : DO_DC_OV_ALM - 모선 과전압 경보 (균등충전 과전압 포함) *)
(* %Q4.2 : DO_BATT_DISCONN_ALM *)
(* %Q4.3 : DO_GND_FAULT_ALM *)
(* %Q4.4 : DO_BATT_DISCHARGE_ALM *)
(* 1. 전압 창 감시 - R_V_LOW, R_V_HIGH 는 부하 허용 전압에서 역산한 값 *)
DO_DC_UV_ALM := AI_DC_BUS_V < R_V_LOW;
DO_DC_OV_ALM := AI_DC_BUS_V > R_V_HIGH;
(* 2. 축전지 분리 - 충전기 단독 운전 상태 즉시 경보 *)
DO_BATT_DISCONN_ALM := NOT DI_BATT_BRK_CLOSED;
(* 3. 교류 입력이 살아 있는데 축전지가 방전 중이면 충전기 이상 또는 과부하 *)
TON_DISCH(IN := (AI_BATT_I < R_DISCH_TH) AND NOT DI_CHGR_AC_FAIL, PT := T_DISCH);
DO_BATT_DISCHARGE_ALM := TON_DISCH.Q;
(* 4. 지락 - 양극 또는 음극 어느 쪽이든 절연 저하 시 경보, 차단은 하지 않음 *)
DO_GND_FAULT_ALM := (AI_GND_DET_POS < R_GND_TH) OR (AI_GND_DET_NEG < R_GND_TH);
(* 비접지 DC 는 1점 지락으로 운전 지속 가능 - 2점째가 코일 오동작 원인이 되므로 1점에서 추적 착수 *)3번 로직이 실무에서 가장 쓸모 있습니다. 교류 입력이 정상인데 축전지 전류가 방전 방향으로 일정 시간 유지되면, 충전기 출력이 부하를 따라가지 못하거나 충전기 내부 고장입니다. 모선 전압 경보보다 먼저 이상을 알려 주므로, 저전압 경보가 뜨기 전에 조치 시간을 확보합니다.
충전기 형식 비교
| 구분 | 일반 충전기 | 축전지 없이 운전 가능 등급 |
|---|---|---|
| 출력 리플 | 축전지가 흡수 전제 | 자체 필터로 제한 |
| 과도 부하 응답 | 축전지가 분담 | 충전기 단독 대응 |
| 축전지 분리 정비 | 제한 또는 불가 | 조건부 가능 |
| 설비 비용 | 낮음 | 높음 |
| 분리 중 교류 상실 | DC 모선 즉시 상실 | DC 모선 즉시 상실 |
표의 마지막 줄이 판단의 한계를 보여 줍니다. 충전기 등급을 올리면 리플과 과도 응답 문제는 풀리지만, 축전지가 분리된 동안 교류 전원이 끊기면 어느 충전기든 DC 모선은 즉시 상실됩니다. 따라서 축전지 분리 정비는 충전기 등급만이 아니라 예비 축전지 또는 트레인 간 연계 조건과 묶어서 허용 여부를 정해야 합니다.
경계 조건
이 설계 판단이 틀리게 되는 조건은 듀티 사이클 자체가 바뀌는 경우입니다. 대처 시간 요구가 늘거나, DC 부하에 새 인버터·디지털 계측 설비가 추가되면 연속 부하 L이 늘고, 축전지 용량과 충전기 용량이 동시에 부족해집니다. 이때 경년 계수 1.25의 여유를 부하 증가분으로 소진하는 방식은 수명 말기 용량 보증을 포기하는 것과 같습니다. 또 지락 검출의 실제 감도는 모선 누설 정전용량과 부하 구성에 따라 달라지므로 파형 분석 및 실측 요망 사항입니다.
단일 판단 기준은 이렇습니다. 축전지 분리 정비를 허용해야 한다면 충전기를 축전지 없이 운전 가능한 등급으로 택하고, 허용하지 않는다면 일반 충전기와 축전지 분리 금지 운전 제한으로 갑니다.
