비상용 예비전원설비 및 자가발전설비 용량산정

왜 배우는가: 비상용 예비전원설비와 자가발전설비 용량산정은 건축전기설비기술사 시험에서 여러 교시에 걸쳐 반복해 출제된다. 실무에서는 용량이 부족하면 화재 시 정전으로 소방설비가 멈추고, 과대하면 건축비와 연료 비용이 늘어나므로 설계자가 반드시 판단해야 하는 지점이다.

출제 이력: 제136회 4교시 5번, 제119회 1교시 4번, 제89회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비상용 예비전원설비는 상용전원이 정전되었을 때 필수 부하에 일정 시간 안에 전력을 공급하는 발전설비, 축전지설비, 비상전용 수전설비의 총칭이다.

• 비상전원
• 자가발전설비
• 축전지설비
• 비상전용 수전설비
• 자동전원 절환시간
• 소방부하
• 수용률
• 정격출력용량

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 건물의 전기가 끊겨도 꺼지면 안 되는 설비에 다른 전원을 넣어 주는 장치다. 소화펌프, 제연팬, 비상조명, 승강기처럼 화재와 정전 상황에서 생명과 직결되는 부하가 여기에 해당한다.

정식으로는 비상전원을 상용전원과 전기적으로 접속되지 않도록 시설하는 예비전원으로 정의한다. 정상운전 상태에서는 비상전원 측 전로가 상용 전로와 분리되어 있어야 하며, 정전 시에만 절환되어 부하에 공급된다.

비상전원설비는 세 가지로 구분한다. 첫째, 비상발전기설비는 원동기로 발전기를 구동하는 설비다. 원동기 종류에 따라 디젤, 가솔린, 가스터빈, 스팀터빈 발전기로 나뉜다. 둘째, 축전지설비는 축전지, 충전장치, 인버터로 구성되며 발전기가 가동되어 정격전압을 확보할 때까지 예비전원으로 쓰인다. 셋째, 비상전용 수전설비는 상용전원과 별도로 외부에서 비상전원을 받는 예비 수전설비로, 전원의 공급신뢰성이 객관적으로 확보되어야 한다.

무정전전원장치(UPS)는 축전지설비, 컨버터, 인버터와 제한된 시간 동안 정현파 전원을 확보하는 제어회로로 구성된 시스템이다. 발전기가 기동하기 전까지 부하에 끊김 없이 전원을 공급하는 역할을 맡는다.

자동전원 절환은 하나 이상의 부하를 한 전원에서 다른 전원으로 자동으로 바꾸는 방식이다. 절환 시간에 따라 비상전원은 순간 절환, 짧은 시간 내 절환, 일정 시간 내 절환으로 분류된다. 절환 시간은 부하의 민감도와 설비의 역할에 따라 정해진다.

용량산정은 이 설비가 감당해야 할 부하를 합산하고, 여기에 수용률과 기동 여유를 반영해 정격출력용량을 정하는 과정이다. 부하 누락과 과소 산정은 정전 시 과부하를 낳으므로, 부하 분류와 수용률 적용 근거를 먼저 세워야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물이 고층화되고 설비가 복잡해지면서 정전 시 의존하는 전기 부하가 크게 늘었다. 화재 시 소화설비와 피난설비가 작동하지 않으면 인명 피해가 급격히 커지므로, 상용전원과 독립된 비상전원의 확보가 법정 의무가 되었다.

비상전원 설계는 부하를 세 가지로 나눠 접근한다. 소방부하는 소방법에 따라 화재 시 진압과 대피를 지원하는 부하다. 비상부하는 다른 법령에서 비상전원 공급을 요구하며, 화재 중 건물 기능 유지와 인명 안전에 쓰이는 부하다. 기타 중요부하는 비화재 상황에서도 정전 시 유지해야 하는 필수 부하로, 급수·배수펌프, 승강기, 급배기팬, 냉동·냉장설비 등이 포함된다.

용량산정이 잘못되면 두 방향의 문제가 생긴다. 첫째, 부하를 누락하거나 수용률을 임의로 낮게 적용해 용량을 줄이면 화재 시 발전기가 과부하로 운전을 멈춘다. 이는 비상전원 공급 중단으로 직결되며 소방 관련 법령 위반이 될 수 있다. 둘째, 정격출력을 필요 이상으로 키우면 설치 공간과 건축비가 늘고, 정기 시운전 연료 소비와 배출가스가 증가해 에너지와 환경 측면에서도 손실이 된다.

이 때문에 수용률 적용 기준을 명확히 하는 제도 정비가 이어졌다. 소방부하의 수용률은 100%로 보고, 비상부하는 건축물 종류와 부하 종류별 기준 수용률 중 최댓값 이상을 적용하도록 한 기준이 대표적이다. 이는 설계자가 소방 안전을 위해 수용률을 임의로 낮추는 관행을 막기 위한 것이다.

발전기 정격출력은 부하 합계보다 크게 잡아야 한다. 전동기 부하는 기동 순간에 정격의 여러 배 전류를 요구하므로, 기동 부하를 감당할 여유를 더해야 한다. 실무에서는 기동 여유를 반영해 정격출력을 부하용량보다 크게 선정한다.

한국전기설비규정(KEC)은 2021-01-01부터 시행되어 비상용 예비전원설비 조건과 절환 시간 분류의 기준이 되고 있다. 자가발전설비의 용량산정은 건축 분야의 설계기준을 따르므로, 전기 규정과 건축 설계기준의 적용 범위를 구분해 답안에 쓰는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

비상용 예비전원설비는 상용전원이 정전되었을 때 건축물의 필수 부하에 전기를 공급하는 설비다. 구성은 비상발전기, 축전지설비, 비상전용 수전설비로 나뉜다. 세 설비는 역할이 달라 함께 또는 단독으로 쓰인다.

비상발전기 설비는 원동기 종류에 따라 디젤 발전기, 가솔린 발전기, 가스터빈 발전기, 스팀터빈 발전기 등으로 구분한다. 사업장의 필요 발전기 용량과 시설투자비를 고려해 종류를 선정한다.

축전지설비는 상용전원이 정전되었을 때 비상발전기가 가동되어 정격전압을 확보할 때까지 예비전원으로 쓰인다. 무정전 전원공급장치(UPS)는 축전지설비, 컨버터, 인버터와 제한된 시간 동안 정현파 전원을 확보하는 제어회로로 구성된 시스템이다.

비상전원은 정상운전 상태에서 상용전원 측 전로와 전기적으로 접속되지 않도록 시설해야 한다. 이 조건이 지켜져야 상용 계통의 고장이 비상전원으로 전파되지 않는다.

용량산정은 부하 집계 후 수용률·기동부하를 반영해 정격출력을 정하는 절차다

용량산정 절차

• 화재 시 부하와 정전 시 부하를 구분한다.
• 전동기 부하와 전열 부하를 나누어 부하일람표를 작성한다.
• 부하집계표에 부하별 정격 출력과 수용률을 적용해 합산한다.
• 기동부하(전동기 기동 전류 영향)를 감당할 여유를 더한다.
• 원동기 출력과 발전기 정격출력을 선정하고 제어장치의 시험성적서를 확인한다.

기본 계산식

$P_{G} = \frac{\sum (P_i \times K_i)}{\cos\theta} \times \alpha$

여기서 P_G는 발전기 정격출력(kVA), P_i는 i번째 부하의 설비용량(kW), K_i는 수용률, \cos\theta는 부하 역률, \alpha는 기동 여유계수다. 기동 여유계수는 전동기 기동 방식과 부하 구성에 따라 정한다.

계산 예제(가상의 값)

• 주어진 값: 소방부하 P1=30kW(수용률 1.0), 전동기 비상부하 P2=50kW(수용률 0.8), 역률 0.8, 기동 여유계수 1.4
• 대입: \sum (P_i K_i) = 30 + 40 = 70kW
• 피상전력: 70 / 0.8 = 87.5kVA
• 정격출력: 87.5 \times 1.4 = 122.5kVA
• 정리: 발전기 정격은 125kVA 이상으로 선정한다.
• 확인: 부하 합계 80kW 대비 정격 122.5kVA는 기동 여유를 포함한 상식 범위다.

5. 관련 법령·기준·표준

비상전원설비의 기준은 한국전기설비규정(KEC) 244 비상용 예비전원설비 조항과 건축전기설비 설계기준(KDS 31 60 20)을 기본으로 한다. 소방용 발전기는 소방시설법과 화재안전기준(NFTC)의 적용을 받는다.

개정 연혁은 다음과 같다. 건축전기설비설계기준은 2016년 6월 30일 KDS 31 60 20 체계로 변경되었다. 개정된 고시에 따르면 소방부하의 수용률은 100%로 적용한다.

비상발전기 용량 기준값