UPS 배터리의 연속 충전을 원격으로 모니터링하기 위한 홀 전류 센서의 적용

요약: 무인 플랫폼의 UPS 배터리 부동 충전량이 과도하게 높아지는 현상이 빈번하게 발생하는 점을 고려하여, UPS 시스템의 구조 및 작동 원리를 소개한다. 홀 전류 센서와 DCS(분산 제어 시스템) 구성을 통해 UPS 배터리의 부동 충전량을 원격으로 모니터링하고 이상 전류 고장 경보를 구현함으로써 무인 플랫폼의 자동 관리 프로세스를 향상시킨다.

핵심어: 홀 전류 센서; UPS; 배터리; DCS

1. 개요

해상 무인 석유 생산 플랫폼에는 20kVA 용량의 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 설치되어 있습니다. 플랫폼 가동 이후 UPS 배터리의 부동 충전 전류가 과도하게 높아져 배터리가 장시간 비정상적으로 고온 상태에 머무르는 사례가 여러 차례 발생했습니다. 이는 UPS의 정상적인 작동에 심각한 영향을 미치고, 석유 생산 플랫폼의 전력 공급 안전성을 크게 저해하며, 장비 손상이나 화재 등 막대한 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 이러한 문제로 인한 장비 및 안전 위험을 방지하기 위해 막대한 인적·물적 비용을 투자하여 무인 플랫폼의 점검 빈도를 높이고, 배터리의 부동 충전 전류 값을 정기적으로 측정하여 배터리 작동 상태를 점검해 왔습니다. 또한, 기술적 수단을 통해 배터리의 부동 충전 전류 신호를 중앙 제어실의 DCS(분산 제어 시스템)로 원격 전송하여 전류 값을 실시간으로 모니터링하고 비정상 전류 고장 경보를 발령할 수 있도록 했습니다.

2. UPS의 구조 및 작동 원리

2.1 UPS의 구조

플랫폼에 설치된 무정전 전원 공급 장치(UPS)는 플랫폼의 메자닌 데크에 있는 비상 스위치실에 있으며, 용량은 20kV·A입니다. 이 장치는 UPS 캐비닛 2개, 바이패스 전원 캐비닛 1개, 부하 분배 캐비닛 1개, 그리고 니켈 카드뮴 배터리 170개로 구성된 배터리 팩으로 이루어져 있습니다. 배터리 팩은 배터리실에 설치되어 있으며, 주요 구성 요소로는 정류기, 인버터, 정지 전환 스위치, 배터리 등이 있습니다. 

1) 정류기. 교류를 직류로 변환하는 소자입니다. 정류기는 내장된 마이크로프로세서에 의해 제어되어 배전반에서 나오는 교류를 고품질 직류로 정류하고, 이 직류는 필터링 과정을 거쳐 인버터에 공급되고 배터리 팩을 부동 충전합니다.

2) 인버터. 정류기와는 반대로, 인버터는 정류기가 변환한 직류를 교류로 변환하며, 전원은 정류기 또는 배터리에서 공급받습니다. 인버터는 부하에 필요한 고품질, 내구성이 뛰어나고 안정적인 교류 정현파 전압을 공급합니다.

3) 정적 전환 스위치. 이 스위치는 정상 전류와 바이패스 전류 간 전환 시 발생하는 순간적인 전원 공급 중단, 릴레이 접점 아크 발생, 점화 등의 현상을 방지하는 기능을 합니다. 정적 스위치를 적용하면 전환 스위치의 전환 시간이 0.2ms 이내로 크게 단축됩니다.

4) 배터리 팩. 주 전원 공급 장치 또는 정류기에 고장이 발생할 경우, 축전지는 백업 전원 공급 장치 역할을 하며 인버터를 통해 부하에 전력을 공급합니다.

2.2 UPS 시스템 배터리 충전 및 방전의 작동 원리

UPS 시스템 배터리의 충전 및 방전 과정은 에너지 변환 과정입니다. 계통 전압이 정상적으로 작동할 때, 전기 에너지는 배터리의 화학 에너지로 변환됩니다. 주 전원은 부하에 전력을 공급하고 배터리를 충전합니다. UPS 시스템 배터리의 충전 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 주 전원 공급 장치에 갑작스러운 정전이 발생할 경우, 배터리의 화학 에너지는 전기 에너지로 변환되어 방전되면서 중요한 부하에 전력을 공급하여 생산에 미치는 영향을 최소화합니다. UPS 시스템 배터리의 방전 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다. 배터리가 완전히 충전되면 UPS로 전원을 공급받는 모든 전기 장비에 동시에 30분 동안 전력을 공급할 수 있는 충분한 용량을 갖게 됩니다.