ATS·CTTS

왜 배우는가: ATS와 CTTS는 정전 시 비상발전기로 부하를 옮기는 절환 방식의 차이를 결정하는 장치다. 전환 순간의 무정전 여부, 발전기와 상용전원의 병입 가능성이 설비 안전과 부하 품질을 좌우하므로 실무 설계에서 반드시 구분해야 한다. 시험에서는 두 방식의 특성 비교로 반복 출제된다.

출제 이력: 제130회 1교시 8번, 제118회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

ATS는 상용전원 정전 시 비상발전 전원으로 자동 절환하고, CTTS는 두 전원을 순간 병입하여 무순단으로 절환하는 전환 스위치이다.

• 자동절환스위치(ATS)
• 개방형 전환(Open Transition)
• 폐쇄형 전환(Closed Transition)
• 순단(Momentary Interruption)
• 병입(Make-Before-Break)
• 역송 방지(Backfeeding 방지)
• 동기 투입(Synchronizing)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 ATS는 상용전원이 끊기면 발전기로 자동으로 바꿔 주는 스위치이고, CTTS는 바꾸는 순간에도 두 전원을 잠깐 함께 물려 부하가 끊기지 않게 하는 스위치다.

정식으로 정의하면 자동절환스위치(ATS)는 상용전원과 비상전원 중 한쪽 전원의 이상을 감지하여 부하를 다른 전원으로 자동 전환하는 장치다. 비상발전기 운전 중 상용전원이 복구되면 다시 상용전원으로 복원하는 기능도 함께 수행한다. 두 전원 사이의 전환 방식에 따라 개방형 전환과 폐쇄형 전환으로 나뉜다.

개방형 전환(Open Transition) 은 부하를 한쪽 전원에서 분리한 뒤 다른 쪽에 연결하는 방식이다. 분리와 연결 사이에 짧은 무전압 구간이 생긴다. 이 순단은 일반적으로 매우 짧은 시간으로 알려져 있으며, 대부분의 비상용 부하에서는 문제가 되지 않는다. 일반적인 비상 ATS가 이 방식을 쓴다.

폐쇄형 전환(Closed Transition) 은 새 전원에 먼저 연결한 뒤 이전 전원을 분리하는 방식이다. 이를 병입(Make-Before-Break) 이라고 하며, 두 전원이 잠깐 병렬 운전되므로 무순단 절환이 가능하다. 다만 두 전원의 전압·주파수·위상이 맞아야 하고, 동기 확인 장치가 필요하다.

개방형은 구조가 단순하고 가격이 낮다. 반면 폐쇄형은 부하 연속성이 요구되는 곳에 쓰이지만, 동기 제어와 보호 협조가 복잡하다. 두 방식의 선택은 부하의 민감도와 설비 투자비의 균형으로 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

정전이 발생하면 병원, 데이터센터, 공장 같은 곳에서는 설비가 멈추거나 인명 안전이 위협받는다. 이를 막으려면 비상발전기를 가동하고, 부하를 발전기 쪽으로 옮기는 장치가 필요하다. 사람이 수동으로 스위치를 바꾸면 시간이 걸리므로 ATS가 이 역할을 자동으로 맡는다.

상용전원과 발전기를 동시에 물리는 사고도 큰 문제다. 발전기가 상용 계통에 역송되면 계통 작업자가 감전될 수 있고 발전기와 설비가 손상된다. 따라서 두 전원 사이의 인터록과 역송 방지 구조가 설계의 기본이 된다. 개방형 전환은 이 점에서 가장 확실한 방식이다.

한편 발전기 기동이나 상용 복구 과정에서 부하 순단이 반복되면 서버 정지나 전동기 재기동 문제가 생긴다. 이런 부하에 대응하기 위해 순단 없이 전환하는 폐쇄형 방식이 도입되었다. 두 방식은 안전성과 연속성 중 무엇을 우선할지에 따라 발전한 기술이다.

4. 구성요소·원리·절차

ATS 와 CTTS 는 같은 목적(상용·비상 전원 절환)을 가지지만 전환 방식이 다르다. 두 장치의 구성요소는 거의 같고, 차이는 개방 전환(Open Transition)과 폐쇄 전환(Closed Transition)의 절환 순서에서 생긴다.

구성요소 표

원리는 다음과 같다. 개방 전환은 한쪽 전원을 먼저 끊고 나서 다른 쪽에 연결한다(break-before-make). 이 사이에 부하 측 전원이 짧게 끊긴다. 폐쇄 전환은 두 전원을 잠시 병렬로 연결한 뒤 한쪽을 끊는다(make-before-break). 전원이 끊기는 시간이 없다. 다만 두 전원이 병렬로 연결되므로 위상이 맞아야 한다.

절차(ATS, 정전 시)

• 상용 전원의 전압 저하 또는 정전을 검출한다.
• 발전기 기동 신호를 보내고 발전기 전압이 확립될 때까지 기다린다.
• 상용 측 접점을 개방한다.
• 비상 측 접점을 투입하여 부하에 전원을 공급한다.
• 상용 전원이 복귀하면 설정 시간 후 역순으로 복전한다.

절차(CTTS, 정상 전환 시)

• 두 전원의 전압·주파수·위상 차이를 검출한다.
• 허용 범위 안이면 두 접점을 잠시 병렬로 투입한다.
• 한쪽 접점을 개방하여 부하를 한쪽 전원으로 옮긴다.
• 병렬 시간을 짧게 제한하여 순환전류를 막는다.

공식 측면에서 병렬 투입 가능 조건은 다음과 같다.

$|V_1 - V_2| \le \Delta V,\quad |f_1 - f_2| \le \Delta f,\quad |\theta_1 - \theta_2| \le \Delta\theta$

여기서 V_1, V_2는 두 전원의 전압(V), f_1, f_2는 주파수(Hz), \theta_1, \theta_2는 위상각(°)이다. 병렬 허용치는 설계 조건에 따라 정한다.

CTTS 는 두 전원을 잠시 병렬로 연결하므로 동기 확인이 필수다

도식은 다음 흐름을 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

ATS 와 CTTS 를 직접 규정하는 법령 조문은 확인된 자료가 없다. 설계 근거는 전기설비 기준(한국전기설비규정 KEC)과 제조사·설계 기준이다. 전기설비의 전원 절환과 병렬 운전 조건은 KEC 의 비상전원 및 발전기 관련 규정을 따른다. 소방 부하의 비상전원은 소방시설법과 화재안전기준(NFPC·NFTC)의 비상전원수전설비 기준을 따른다.

기준값 표

표의 값은 설계 기준에 따라 정한다. CTTS 의 병렬 시간 제한은 제조사 규격에 따라 다르다.

개정 연혁으로는 전기설비 기준이 2021-01-01 부터 한국전기설비규정(KEC)으로 바뀌었고, 소방 비상전원 기준은 2022-12-01 부터 NFPC·NFTC 체계로 나뉘었다.

6. 유형과 비교

ATS와 CTTS는 전원 절환 방식(transition)에 따라 나뉜다. 절환 중 부하가 두 전원에 동시에 연결되는지 여부가 핵심 차이다. 아래 표는 두 방식을 기능과 적용 측면에서 비교한다.