UPS 용량 산정·화재 예방

왜 배우는가: UPS는 데이터센터, 병원, 발전설비 제어 등 정전에 민감한 설비의 전원을 지키는 핵심 장치다. 용량을 잘못 잡으면 과부하로 정전이 나거나 배터리 과대설계로 비용이 늘고, 배터리 화재·발열 문제가 생긴다. 그래서 용량 산정과 화재 예방이 함께 반복 출제된다.

출제 이력: 제135회 4교시 6번, 제95회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

무정전 전원장치(UPS)는 정전·전압 이상 시 축전지와 인버터로 부하에 연속적이고 안정된 교류 전력을 공급하는 장치로, 용량은 부하 용량(kVA)과 역률, 여유율, 백업시간을 고려해 산정한다.

• 무정전 전원장치(UPS)
• 정격용량(kVA)
• 역률(power factor)
• 백업시간(runtime)
• 여유율
• 축전지 열폭주
• 화재 예방 대책

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 UPS는 평소에는 전기를 받아 배터리를 충전해 두고, 정전이 나면 배터리 전기를 인버터로 바꿔 장비에 계속 보내는 장치다. 정전이 짧은 시간 동안 장비를 안전하게 끄거나 발전기가 기동할 시간을 벌어 준다.

정식 정의는 교류 입력의 전압·주파수 변동이나 정전이 있어도 출력 교류 전원을 일정하게 유지하는 전력 변환·저장 장치다. 구성은 정류기, 축전지, 인버터, 전환 스위치(바이패스)로 나뉜다.

정격출력(kVA)은 UPS가 공급할 수 있는 피상전력의 한계다. 정격출력(kW)은 실제 유효전력의 한계다. 두 값은 역률로 연결된다.

$P\ [\mathrm{kW}] = S\ [\mathrm{kVA}] \times \mathrm{pf}$

여기서 P는 유효전력(kW), S는 피상전력(kVA), pf는 역률이다. 부하 쪽 역률이 낮으면 같은 kW를 공급해도 kVA가 커진다. 그래서 용량 산정은 kW 기준으로 맞춘 뒤 kVA로 환산하는 순서가 기본이다.

역률은 전압과 전류의 위상차에 따라 정해지는 값이다. 저항 부하는 역률이 1에 가깝고, 전동기처럼 코일 성분이 큰 부하는 역률이 낮아진다. 일반 상용 UPS는 역률 0.8~0.9를 기준으로 설계되는 경우가 많다.

축전지 용량은 백업시간 동안 부하를 공급할 수 있는 에너지 저장량이다. 축전지 용량은 방전율의 영향을 받는다. 방전 속도가 빠르면 같은 축전지라도 사용 가능한 용량이 줄어든다. 이 감소를 설명하는 경험식이 퓨케르트 법칙(Peukert's law)이다.

열폭주(thermal runaway)는 리튬이온 전지가 과열이나 과충전으로 내부 온도가 계속 올라가 스스로 발열을 키우는 현상이다. UPS에서는 리튬이온 배터리뿐 아니라 밀폐형 납축전지도 과충전과 환기 불량 시 수소 가스와 열이 문제가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 품질이 떨어지는 상황이 늘고 정보통신 장비의 전원 민감도가 높아지면서 UPS 수요가 커졌다. 순간 정전 한 번에 서버 데이터가 손실되거나 생산라인이 멈추면 피해가 크다. 그래서 설계자는 UPS 용량을 부하에 맞게 정확히 잡아야 한다.

용량을 과소하게 잡으면 부하 증설 후 과부하가 발생해 UPS가 정지하거나 바이패스로 전환되어 보호 기능이 사라진다. 과대하게 잡으면 초기 투자비와 축전지 교체 비용이 늘고, 저부하 운전으로 효율이 떨어진다. 이 두 위험을 피하기 위해 산정 절차가 필요하다.

화재 측면의 필요성도 크다. UPS는 축전지를 많이 담은 장치라서 충전·방전 과정에서 열이 나고, 배터리실에 수소가 쌓이면 폭발 위험이 생긴다. 전기설비기술기준은 과전류로부터 전선과 기계기구를 보호해 화재 발생을 방지하도록 차단 장치를 시설하게 하고, 전로의 과열 손상을 막도록 규정한다(제13조). UPS 입출력 배선과 차단기 설계도 이 기준의 적용을 받는다.

4. 구성요소·원리·절차

UPS 용량 산정은 부하의 크기와 성격을 먼저 정하고, 그 부하를 일정 시간 동안 공급할 축전지 용량을 역산하는 절차다. 구성요소를 알아야 손실과 여유를 정확히 반영할 수 있다.

원리는 다음과 같다. 상용전원이 정상이면 정류기가 교류를 직류로 바꿔 인버터에 공급하고 동시에 축전지를 충전한다. 정전이 되면 축전지가 직류를 공급하고 인버터가 이를 교류로 바꿔 부하에 전달한다. 따라서 UPS 의 무정전 성능은 축전지 용량과 인버터 정격에 의해 결정된다.

흐름은 다음 순서로 이루어진다.

• 상용 정상 시: 상용 입력 → 정류기 → 직류 버스 → 인버터 → 부하, 동시에 축전지 충전.
• 정전 시: 직류 버스에서 축전지가 방전하고 인버터가 부하에 교류를 공급함.
• 과부하 또는 인버터 고장 시: 정적 바이패스로 상용전원을 부하에 직접 공급함.
• 상용 복귀 시: 정류기가 재기동되어 축전지를 다시 충전함.

용량 표기는 피상전력(kVA)과 유효전력(kW)을 구분해야 한다. 두 값은 역률로 연결된다.

$P_{kW} = S_{kVA} \times \cos\theta$

여기서 P_{kW}는 유효전력(kW), S_{kVA}는 피상전력(kVA), \cos\theta는 역률이다. 역률 0.8 인 부하에 15kW 를 공급하려면 S = 15 / 0.8 = 18.75\,\text{kVA} 가 필요하다. 이 값이 인버터 최소 정격의 기준이 된다.

축전지 방전 시간은 다음 식으로 대략 구한다.

$C = \frac{L \cdot T}{K \cdot \eta \cdot V}$

여기서 C는 축전지 용량(Ah), L은 부하 전력(W), T는 방전시간(h), \eta는 인버터 효율, V는 축전지 공칭 전압(V), K는 보정계수(용량 저하·온도·설계 여유)다. 식의 형태를 답안에 쓰고, 보정계수는 제조사 자료를 따른다고 적는다.

도식으로 용량 산정 흐름을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

UPS 자체를 직접 규정하는 국내 법정 수치는 많지 않다. 전기설비기술기준은 과전류 보호, 접지, 전로 차단 등 설비의 안전 원칙을 정하고, UPS 의 설치와 배선은 이 원칙을 따른다. 전기설비기술기준 제13조는 전로의 필요한 곳에 과전류로부터 보호하는 차단 장치를 시설하여 과열손상과 화재 발생을 방지하도록 규정한다. 이는 UPS 입·출력 배선과 축전지 회로의 과전류 보호에 그대로 적용된다.

전기설비기술기준 제14조는 지락에 의한 손상, 감전, 화재를 막기 위해 지락으로부터 보호하는 차단기를 시설하도록 한다. 제2조는 전기설비가 감전과 화재 등 위해를 주지 않도록 시설할 것을 원칙으로 정한다.

국제 기준으로는 IEC 62040 시리즈가 UPS 의 안전, 전자기 적합성, 성능 시험, 환경 측면을 나눠 규정한다. 1부는 일반 및 안전 요구사항, 2부는 EMC, 3부는 성능과 시험 요구사항 지정 방법, 4부는 환경적 측면을 다룬다.

표 아래 설명을 덧붙인다. 국내 법정 기준은 전로 보호와 화재 방지 원칙을 정하고, 구체적인 UPS 용량과 배선 방법은 설계기준과 제조사 자료로 정한다.