자가발전설비 용량산정

왜 배우는가: 자가발전설비는 상용전원 정전 시 소방시설과 중요 부하에 전력을 공급하는 핵심 설비다. 용량을 잘못 잡으면 화재 시 과부하로 발전기가 정지하거나 과대설계로 비용이 낭비되므로 실무와 시험에서 반복해서 다룬다. 용량산정 방법을 정확히 알아야 답안의 계산 절차와 기준을 빠짐없이 쓸 수 있다.

출제 이력: 제135회 3교시 2번, 제126회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자가발전설비 용량산정은 정전 시 공급할 부하의 소비전력과 기동 특성을 계산하여 발전기 정격출력용량을 정하는 절차이다.

• 자가발전설비
• 정격출력용량
• 비상부하
• 소방부하
• 기동부하
• 수용률
• 소방전원보존형 발전기

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 정전이 났을 때 건물에서 꼭 돌아가야 하는 설비의 전력을 모두 더하고, 그 합을 감당할 수 있는 발전기 크기를 고르는 일이다. 발전기는 정전 직후 전동기를 한꺼번에 기동하므로 평상시 운전 전력보다 큰 용량이 필요하다.

자가발전설비는 상용전원이 정전되었을 때 비상전원 또는 예비전원을 공급하기 위해 설치하는 비상발전기와 부대설비를 말한다. 용량산정은 이 발전기의 정격출력용량을 정하는 계산이다. 정격출력용량은 계산된 부하용량 이상의 표준정격에서 선정한다.

부하는 크게 소방부하와 비상부하로 나눈다. 소방부하는 화재 시 소방시설(스프링클러 펌프, 제연설비 등)에 필요한 전력이고, 비상부하는 정전 시 건물의 중요 설비(조명, 승강기, 통신 등)에 필요한 전력이다. 두 부하를 어떻게 합산하느냐에 따라 발전기 방식이 달라진다.

기동부하는 전동기가 기동할 때 순간적으로 커지는 전력이다. 직입기동 전동기는 정격 운전 전류의 여러 배 기동전류가 흐르므로 이를 고려해야 한다. 기동부하 때문에 정격출력용량은 운전부하보다 크게 잡는다.

수용률은 설비 용량 합계에 대한 실제 최대 사용 전력의 비율이다. 소방부하에 수용률을 임의로 적용하면 화재 시 용량이 부족해질 수 있어 기준에서 적용 방식을 명확히 한다.

3. 등장 배경과 필요성

상용전원 정전은 외부 선로 고장과 건물 내부 설비 고장, 화재 시 선로 단락이나 소방 활동을 위한 전원 차단으로 발생한다. 이때 소방시설과 생명 안전에 필요한 설비는 계속 작동해야 하므로 자가발전설비가 설치된다. 일정 규모 이상의 건축물은 소방 관련 법령에 따라 비상발전기 설치가 의무화되어 있다.

초기에는 소방부하 용량을 임의로 낮추거나 수용률을 잘못 적용하여 용량이 부족한 발전기가 설치되는 사례가 있었다. 이 경우 화재 시 과부하로 운전이 중단되어 소방설비가 작동하지 못하는 위험이 생긴다. 반대로 소방부하와 비상부하를 모두 합산해 크게 잡으면 설치비와 연료 소비, 배출가스가 늘어난다.

이러한 문제를 줄이기 위해 소방 관련 기준은 소방부하와 비상부하의 역할을 나누고, 부하별 용량 산정 기준을 명확히 하였다. 그 결과 과부하를 막으면서도 필요 이상의 용량을 피하는 소방전원보존형 발전기와 소방부하겸용 발전기 방식이 구분되어 적용된다. 용량산정 답안은 이 배경을 바탕으로 부하 구분과 계산 기준을 함께 쓰는 것이 좋다.

4. 구성요소·원리·절차

자가발전설비는 원동기, 발전기, 자동절환스위치(ATS), 제어장치로 구성된다. 평상시에는 상용전원을 공급받다가 정전이 되면 ATS가 비상발전기 쪽으로 자동 절환하여 비상부하에 전력을 공급한다. 각 구성요소와 용량산정의 관계는 다음과 같다.

용량산정의 원리는 간단하다. 정전 시 비상부하의 합을 감당할 수 있는 발전기를 고르는 것이다. 다만 전동기는 기동 순간에 정격전류의 여러 배에 해당하는 전류를 흡입하므로, 정상 운전 상태의 부하 합만으로는 부족하다. 따라서 용량산정은 세 가지 경우를 검토하고 그중 가장 큰 값을 채택한다.

• 정격 운전상태에서 부하설비 가동에 필요한 용량(PG1)
• 부하 중 최대용량 전동기를 기동할 때 허용 전압강하를 고려한 용량(PG2)
• 기동 순서상 마지막 전동기를 기동할 때 필요한 용량(PG3)

PG1은 정상 운전 부하의 합을 역률과 효율로 나누어 피상전력 단위로 환산한다. 식은 다음과 같다.

$P_{G1}=\frac{\sum P_{L}}{\cos\theta \cdot \eta}$

여기서 P_{L}은 비상부하 유효전력의 합(kW), \cos\theta는 부하 역률, \eta는 부하 효율이다. 단위는 kVA가 된다. PG2와 PG3는 기동 시 kVA와 허용 전압강하를 대입하여 같은 방식으로 구한다. 기동 계산은 전동기를 직입기동으로 보고 제작사 제공 역률·효율·기동전류 자료를 쓴다.

절차는 다음과 같다.

• 소방부하와 정전 시 부하를 구분하고 부하일람표를 작성한다.
• 전동기 부하와 전열부하를 각각 집계하여 비상발전기 부하집계표를 만든다.
• 전동기는 직입기동으로 계산하고, 비상전력계통에 연결된 전동기의 동시 기동은 배제한다.
• PG1, PG2, PG3를 각각 계산한다.
• 세 값 중 가장 큰 값을 계산 용량으로 정한다.
• 계산 용량 이상의 표준정격을 선정한다. 고조파를 발생하는 전력전자기기 부하가 많으면 제조업체가 제시하는 계산방식을 따른다.

발전기 정격은 계산된 용량을 그대로 쓰지 않고 한 단계 위의 표준정격을 고른다. 기동 부하를 감당해야 하므로 정격출력은 부하용량보다 크게 선정되는 경우가 많다. 이 값은 설계 조건에 따라 달라진다.

5. 관련 법령·기준·표준

자가발전설비 용량산정의 기준은 국토교통부 건설기준 설계기준인 예비전원설비 설계기준(KDS 31 60 20)이다. 이 설계기준은 2021년 6월 8일 개정본이 쓰인다. 건축물의 비상발전기 설치 장소와 설치 조건은 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」과 화재안전기준(NFPC·NFTC)에서 정한다. 2022년 12월 1일부터 화재안전기준은 성능기준(NFPC)과 기술기준(NFTC)으로 나뉘었다. 구 화재안전기준에서는 소방부하와 비상부하를 겸용하는 발전기를 쓸 때 과부하 위험을 막기 위해 소방전원보존형 발전기 또는 소방부하겸용 발전기를 선택하도록 규정했다.

설계기준의 주요 기준값과 조건은 다음 표와 같다.

표의 값은 용량산정과 설치의 핵심 조건이다. 실제 계산에서는 설계기준의 계산 예시 자료를 함께 쓴다. 설계기준의 세부 계산 예시는 암기보다 절차를 이해하는 데 쓴다.

소방 관련 기준에서 발전기 용량은 두 방식으로 나뉜다. 소방부하 전용 또는 비상부하 전용으로 쓰는 발전기는 해당 부하의 합으로 용량을 정한다. 소방부하와 비상부하를 겸용하는 발전기는 두 부하 중 더 큰 쪽을 기준으로 정격출력을 정하는 것이 원칙이다. 소방전원보존형 발전기는 소방부하 운전 중에 비상부하가 과부하를 일으키지 않도록 제어장치로 보호하는 방식이다. 이 방식은 겸용 발전기보다 정격출력을 낮게 잡을 수 있다.

이 항목들은 설계와 감리에서 확인하는 기준이므로 답안에서는 기준의 이름과 원리를 함께 쓴다.