동력설비 설계

왜 배우는가: 동력설비는 공조기, 급배수 펌프, 승강기처럼 전동기로 움직이는 건물 기계설비에 전원을 공급하는 설비다. 부하 용량이나 회로 구성이 잘못되면 기동 실패, 과열, 정전 피해가 바로 나타나므로 설계 기준을 정확히 잡아야 한다. 시험에서는 설계순서, 제어반, 회로 구분이 반복해서 출제되는 핵심 축이다.

출제 이력: 제138회 2교시 4번, 제100회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동력설비 설계는 건축물의 전동기 등 동력부하에 전원을 공급·제어하기 위해 부하용량, 회로 구분, 제어반, 설계순서를 정하는 일이다.

• 동력부하
• 전동기
• 부하용량 산정
• 수용률
• 제어반(MCC)
• 분기회로
• 회로 구분
• 설계순서

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 건물 안에서 모터를 돌리는 장비에 전기를 안정적으로 보내고, 필요할 때 켜고 끄고 보호하도록 짜는 일이다. 펌프, 공조기 팬, 승강기, 급수설비처럼 움직이는 기계가 대상이다. 이 설비는 조명이나 콘센트와 달리 기동 순간 큰 전류가 흐르므로 용량과 보호 방식을 따로 정해야 한다.

정식으로는 국가건설기준 KDS 32 25 20(동력설비)이 정한 원칙에 따라 부하를 산정하고, 회로를 나누고, 제어 설비를 구성하는 전 과정을 말한다. 설계 범위는 설계 고려사항, 제어반, 회로 구분 및 분기회로설계, 설계순서의 네 가지로 정리된다.

제어반(MCC)은 여러 전동기의 기동기, 차단기, 개폐기를 하나의 함체 안에 모은 장치다. 공통 모선을 공유하는 여러 구획으로 이루어지며, 한 곳에서 여러 전동기를 제어하고 감시한다. 기계실이나 전기실에 설치하는 것이 일반적이다.

분기회로는 간선에서 나뉘어 개별 전동기 또는 동력기기 그룹에 연결되는 회로다. 회로를 나눌 때는 기기별 기동전류와 운전 특성을 묶어, 한 회로의 부하가 특정 간선에 몰리지 않게 한다.

수용률은 설비에 연결된 부하 용량 중 실제로 동시에 사용되는 비율이다. 수용률은 최대 사용전력을 설비용량으로 나눈 값에 100을 곱해 백분율로 나타낸다. 소방부하는 수용률을 소방부하 수용률 100%로 적용하고, 승강기는 대수에 따라 기준 수용률을 쓴다. 사용빈도가 큰 경우 승강기 2대 기준 수용률 91%, 10대 기준 수용률 62%이다.

동력설비 설계는 이 개념들을 순서대로 적용하는 과정이다. 부하를 먼저 모아 용량을 정하고, 그 용량을 회로와 제어반에 배분한다. 수용률은 간선과 변압기 용량을 정할 때 적용하며, 회로 단위 보호 설계와는 구분해서 본다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 커지고 설비가 다양해지면서 전동기 수가 크게 늘었다. 공조, 급배수, 승강기, 배연 같은 기계설비가 각각 독립된 전동기를 가지므로 전기실에서 모든 부하를 한 번에 묶어 관리해야 한다. 기기마다 따로 배선하면 배선량이 늘고 점검이 어려워진다.

전동기는 기동 순간 정격 전류의 여러 배에 이르는 전류를 흡수한다. 이 기동전류가 같은 회로의 다른 부하에 전압강하를 일으키므로, 회로를 적절히 나누고 기동방식을 맞춰야 한다. 회로 구분이 잘못되면 한 기기의 기동이 다른 설비의 정지로 이어진다.

동력부하는 용도에 따라 성격이 다르다. 소방펌프와 배연기 같은 소방부하는 화재 시에도 정상 동작해야 하므로 일반 동력부하와 회로를 나눈다. 공조와 급배수는 정상 운전 중심이라 에너지 절약 제어와 연계된다. 승강기는 대수와 사용빈도에 따라 수용률이 달라진다. 이런 차이를 설계 초기에 정리해 두어야 회로 구분이 흔들리지 않는다.

과거에는 수용률을 설계자 판단으로 임의 적용하여 설비 용량이 과대 또는 과소하게 산정되는 경우가 있었다. 소방 안전을 확보하기 위해 수용률 임의 적용을 배제하고 기준에 따른 값을 쓰도록 바뀌었다. 이에 따라 기준에 따른 부하 산정이 동력설비 설계의 출발점이 되었다.

설계 순서를 지키지 않으면 나중에 제어반 용량이나 간선 굵기를 바꾸게 된다. 그러면 공사비와 공기가 함께 늘어난다. 기본설계 단계에서 부하 목록과 설치 위치를 확정해 두는 이유가 여기에 있다. 전동기 수가 많은 건물일수록 제어반의 집중 관리가 필요하고, 설계자는 안전성, 신뢰성, 유지보수성, 확장성을 함께 따져야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

동력설비는 전동기와 그 부하에 전력을 공급하고 제어·보호하는 설비 전체를 말한다. 구성요소는 동력 분전반, 제어반(MCC), 전동기 기동기, 보호기기, 배선으로 나뉜다. 설계는 이 구성요소를 부하 특성에 맞춰 계통으로 묶는 일이다.

위 표는 설계 대상이 되는 구성요소를 역할과 설계 포인트로 정리한 것이다. 각 항목은 상위 계통의 수용 전력과 전동기 특성에 따라 결정된다.

동력설비 원리는 전동기의 정격 출력에서 정격 전류를 구하고, 그 전류를 기준으로 보호기기와 전선을 정하는 것이다. 전동기 기동 시 정격의 여러 배에 달하는 기동 전류가 흐르므로 기동 방식을 같이 고려한다. 이 기동 전류가 전압 강하와 보호 협조를 좌우한다.

전동기 정격 전류는 다음 식으로 구한다.

$I = \frac{P \times 1000}{\sqrt{3} \times V \times \cos\theta \times \eta}$

여기서 P는 전동기 출력(kW), V는 선간 전압(V), \cos\theta는 역률, \eta는 효율, I는 정격 전류(A)다.

예를 들어 출력 7.5kW, 전압 380V, 역률 0.85, 효율 0.9인 3상 전동기라면 I = 7500 / (1.732 \times 380 \times 0.85 \times 0.9) \approx 15.0\text{A}가 된다. 결과는 소형 전동기 정격으로 상식 범위에 있다.

동력설비 설계 절차는 다음과 같다.

• 부하 목록을 작성하고 전동기 출력, 전압, 운전 형태를 정리한다.
• 부하를 그룹으로 나누고 회로 구분을 정한다.
• 각 전동기의 정격 전류와 기동 방식을 정한다.
• 기동기와 MCC 구성, 보호기기 정격을 정한다.
• 분기회로와 간선의 전선 굵기를 허용전류와 전압강하로 검토한다.
• 수용률을 적용해 간선과 변압기 용량을 산정한다.
• 도면과 계통도를 작성하고 공종 간 인터페이스를 확인한다.

동력설비 설계는 부하 목록에서 출발해 정격 전류, 기동 방식, 보호기기, 전선 순으로 내려오는 절차다.

5. 관련 법령·기준·표준

동력설비의 설계 기준은 국가건설기준 중 건축전기설비 계열 설계기준이 기본이다. 설계기준은 동력 부하의 구분, 회로 구성, 제어반 설계 원칙, 설계 순서를 규정한다. 전기설비의 기술 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 전선 허용전류와 보호 협조는 이 규정의 해당 조항을 적용한다.

위 표의 수용률은 기준 개정 이후 소방 부하의 임의 적용을 막는 기준이다. 수용률은 부하의 동시 사용 정도를 나타내므로 간선·변압기 산정에 쓰인다.

개정 연혁으로는 건축전기설비설계기준의 명칭과 번호가 2016년 6월 30일 변경된 사실이 있다. 전기설비 기준은 2021년 1월 1일부터 한국전기설비규정으로 바뀌었다. 설계기준 번호는 현행 KDS 체계를 따르고 옛 번호는 참고만 한다.

6. 유형과 비교

동력설비는 부하의 성격과 운전 방식에 따라 전동기 부하, 열부하, 기타 동력 부하로 나눠 설계한다. 같은 동력 부하라도 기동 방식과 제어 방식에 따라 회로 구성과 보호 기기가 달라진다. 아래 표는 답안에서 자주 묻는 유형별 특징을 정리한 것이다.