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비상발전기는 평소에는 거의 돌지 않다가 정전이나 화재가 났을 때 딱 한 번 제대로 돌아야 하는 설비입니다. 그래서 용량이 모자라면 정작 필요한 순간에 과부하로 멈추고, 넉넉하게 잡으면 공사비와 발전기실 면적이 불어납니다. 예전에는 일본 내연력발전협회(NEGA)의 PG 방식으로 계산하는 경우가 많았는데, 2021년 예비전원설비 설계기준(KDS 31 60 20)이 개정되면서 국내 기준 산정식이 새로 정리됐습니다. 부하를 어떻게 분류하는지부터 산정식 계수 고르는 법, 계산 예시, 그리고 발전기를 계통에 물리는 결선 방법까지 설계하는 순서대로 정리해보겠습니다.
부하 분류부터 — 소방부하, 비상부하, 그 밖의 부하
발전기 용량 계산은 공식보다 부하 리스트 정리가 먼저입니다. 예비전원설비 설계기준에서는 부하를 세 가지로 나눕니다. 소방부하는 화재안전기준에서 예비전원 공급을 정해둔 부하로, 소화펌프, 제연팬, 비상콘센트 같은 설비가 여기에 들어갑니다. 비상부하는 소방부하가 아니면서 다른 법령에서 예비전원을 요구하는 부하이고, 비상용 승강기나 배수펌프 등이 대표적입니다. 마지막으로 법적 의무는 없지만 건축주가 정전 때도 살려두고 싶은 부하가 "그 밖의 정전 시 운전이 필요한 부하"입니다.
이 분류가 중요한 이유는 소방부하와 비상부하를 한 발전기에 같이 물릴 때 용량을 어떻게 잡느냐가 달라지기 때문입니다. 화재안전기준에서는 이 경우를 세 가지로 나눠 봅니다. 소방부하만 공급하는 소방전용 발전기, 소방부하와 비상부하를 더한 용량으로 잡는 소방부하 겸용 발전기, 그리고 두 부하 중 큰 쪽 용량으로 잡되 과부하에 가까워지면 비상부하를 자동으로 끊어 소방부하 공급을 지켜주는 소방전원 보존형 발전기입니다.
| 구분 | 용량 기준 | 설계 시 특징 |
|---|---|---|
| 소방전용 발전기 | 소방부하 용량 | 비상부하는 별도 전원 필요 |
| 소방부하 겸용 발전기 | 소방부하 + 비상부하 합산 | 용량이 가장 크지만 제어가 단순 |
| 소방전원 보존형 발전기 | 두 부하 중 큰 쪽 | 비상부하 차단용 제어장치 필수 |
KDS 31 60 20 용량 산정식 — 계수 고르는 법
개정된 설계기준의 발전기 용량 산정식은 아래와 같습니다. 구조를 풀어보면 "전동기가 아닌 부하" + "가장 큰 전동기를 뺀 나머지 전동기의 입력" + "가장 큰 전동기가 기동할 때의 순간 입력"을 더하고, 여기에 발전기 전압강하를 고려한 계수를 곱하는 방식입니다.
ΣP는 전동기 이외 부하의 입력용량 합계(kVA)로, 조명이나 전열처럼 기동전류 걱정이 없는 부하를 부하용량 ÷ (효율 × 역률)로 환산해 더합니다. ΣPm은 전동기 부하 합계(kW), PL은 전동기 중 기동용량이 가장 큰 전동기(kW)이고 여러 대가 동시에 기동하면 그 합을 씁니다. a는 전동기 kW당 입력용량 계수로 고효율 전동기는 1.38, 표준형은 1.45가 추천값입니다. k는 발전기 정수와 허용전압강하를 반영한 계수인데, 발전기 사양이 정해지지 않아 명확하지 않을 때는 1.07~1.13 범위를 씁니다.
기동계수 c
| 기동 방식 | 추천값 (범위) |
|---|---|
| 직입 기동 | 6 (5~7) |
| Y-Δ 기동 | 2 (2~3) |
| 인버터(VVVF) 기동 | 1.5 (1~1.5) |
| 리액터 기동 (탭 50% / 65% / 80%) | 3 / 3.9 / 4.8 |
계산 예시 — 소방부하 겸용 발전기
소방부하와 비상부하를 합산하는 겸용 발전기라고 가정하고 간단한 예시로 계산해보겠습니다. 전동기 이외 부하(비상조명, 비상콘센트, 방재실 전원 등)의 입력용량 합계가 60kVA이고, 전동기는 아래와 같습니다. 모두 고효율 전동기로 보고 a = 1.38, 발전기 사양이 아직 정해지지 않아 k = 1.1을 적용합니다.
| 전동기 | 출력 | 기동 방식 (c) | kW × c |
|---|---|---|---|
| 소화펌프 | 55kW | Y-Δ (2) | 110 |
| 제연팬 2대 (동시 기동) | 22kW × 2 | 인버터 (1.5) | 66 |
| 배수펌프 2대 (동시 기동) | 7.5kW × 2 | 직입 (6) | 90 |
kW × c가 가장 큰 것은 소화펌프(110)이므로 PL = 55kW, c = 2입니다. 전동기 합계 ΣPm은 55 + 44 + 15 = 114kW입니다. 식에 넣으면 GP = [60 + (114 − 55) × 1.38 + (55 × 1.38 × 2)] × 1.1 = [60 + 81.4 + 151.8] × 1.1 ≒ 322.5kVA가 나옵니다. 발전기는 계산값 이상인 제조사 표준 용량 중에서 고르므로, 이 경우 350kVA급 이상에서 선정하게 됩니다.
UPS·인버터 같은 고조파 부하와 엔진 출력
ΣP에 넣을 때 주의해야 하는 부하가 UPS나 인버터처럼 고조파를 만드는 부하입니다. 고조파 부하는 발전기 파형을 일그러뜨리고 전압 조정에 영향을 주기 때문에, 설계기준에서는 입력용량에 고조파 가중값(λ)을 곱해 반영하도록 하고 있습니다. 부하 기기의 고조파 특성을 모르면 일반적으로 가중값 2.5를 적용하고, 고조파 저감장치를 설치하면 기기별로 가중값을 낮춰 적용할 수 있습니다. UPS는 출력 kVA를 효율로 나눈 값에 가중값을 곱하고, 축전지 충전용량(UPS 용량의 6~10% 정도)을 더해서 계산합니다.
발전기 용량이 정해진 다음에는 엔진(원동기) 출력도 확인해야 합니다. 엔진 출력은 발전기 출력보다 커야 기동과 운전에 문제가 없고, 발전기 kVA에 발전기 역률을 곱하고 발전기 효율로 나눈 값 이상이 필요합니다. 제조사 카탈로그에서 발전기 정격과 엔진 정격이 짝지어져 나오는 경우가 대부분이지만, 계산서에는 이 검토 결과를 한 줄이라도 남겨두는 편이 검토 과정에서 질문을 덜 받습니다.
결선 방법 — 중성점 접지, ATS 절환, 상순
발전기 측 결선
건축물 비상발전기는 저압 380/220V 3상 4선식이 가장 흔하고, 발전기 고정자 권선은 Y 결선으로 중성점을 인출해 중성선과 접지를 구성합니다. 여러 전압으로 재결선할 수 있는 발전기는 단자가 여러 개 나와 있는데, 이 경우 반드시 명판에 붙은 제조사 결선도를 기준으로 결선합니다. 발전기 중성점 도체와 외함 보호도체 굵기도 설계기준 부록에 선정 절차가 예시로 나와 있어서 계산서에 같이 정리해둡니다.
상용전원과의 절환 결선
정전 시 상용전원에서 발전기로 넘어가는 지점에는 자동절환개폐장치(ATS, Automatic Transfer Switch)를 둡니다. 한국전기설비규정(KEC)에서는 상용전원 정전으로 비상용전원이 대체될 때 두 전원이 병렬운전되지 않도록 절환 개폐장치 사이에 전기적·기계적 연동 등의 격리조치를 요구합니다. ATS를 쓰면 구조적으로 한쪽만 투입되지만, 차단기 두 대로 절환을 구성할 때는 기계적 인터록과 전기적 인터록을 둘 다 거는 것이 기본입니다.
상용 변압기 중성점과 발전기 중성점을 각각 접지하는 구성이라면 ATS를 4극으로 해서 중성선까지 절환하는 방식을 검토합니다. 3극으로 상선만 절환하면 중성선이 두 전원에 공통으로 물려 있어서 부하 전류 일부가 접지를 통해 돌아가는 경로가 생기고, 지락 보호가 오동작하거나 동작하지 않는 문제가 생길 수 있습니다. 어느 쪽으로 구성할지는 계통 접지 방식에 따라 달라지므로 단선결선도에 접지 계통을 같이 표기해두면 검토가 수월합니다.
상순 일치와 소방부하 배선
놓치기 쉬운 부분이 상순입니다. 발전기와 상용전원의 상순(R-S-T 회전 방향)이 다르면, 절환하는 순간 전동기가 역회전합니다. 소화펌프나 제연팬이 역회전하면 정작 화재 때 제 역할을 못 하기 때문에, 시운전 단계에서 상회전계로 양쪽 전원의 상순을 반드시 확인하도록 특기시방에 적어둡니다. 또 발전기에서 소방부하까지 이어지는 배선은 화재 중에도 전원이 유지되도록 내화배선으로 시공해야 합니다.
자주 묻는 질문
Q. 예전 PG 방식으로 계산하면 안 되나요?
개정 기준은 발간 시점부터 적용하고, 이미 진행 중인 설계용역이나 공사는 발주기관이 인정하면 종전 기준을 쓸 수 있습니다. 새로 시작하는 프로젝트라면 개정된 산정식으로 계산하는 것이 원칙이고, 발주처가 별도 기준을 정해둔 경우에는 그 기준을 따릅니다.
Q. k 값은 1.07과 1.13 중 무엇을 써야 하나요?
k는 발전기의 과도 리액턴스와 허용전압강하에 따라 정해지는 계수라서, 발전기 사양이 정해지면 설계기준의 표를 보고 해당 값을 씁니다. 사양이 확정되지 않은 기본설계 단계에서는 범위 안에서 선택하게 되는데, 전동기 기동 비중이 큰 건물일수록 보수적인 값을 쓰는 편이 안전합니다.
Q. 소방부하 겸용과 소방전원 보존형 중 무엇이 유리한가요?
겸용(합산) 방식은 제어가 단순하지만 용량이 커지고, 보존형은 용량을 줄일 수 있는 대신 공인시험을 거친 제어장치와 비상부하 차단 회로가 필요합니다. 비상부하 비중이 큰 건물일수록 보존형의 용량 절감 효과가 커지므로, 두 방식의 발전기 용량 차이와 제어장치 비용을 같이 비교해서 결정합니다.
발전기 설계는 결국 "어떤 부하를, 어떤 순서로, 어떤 방식으로 기동하느냐"를 정리하는 작업입니다. 부하 분류와 기동 방식이 정리되면 산정식은 숫자를 넣는 과정일 뿐이고, 결선은 병렬 방지와 접지, 상순 세 가지만 확실히 잡으면 됩니다. 설계기준은 개정과 코드 체계 정비가 이어지고 있으니 프로젝트를 시작할 때 국가건설기준센터나 국가법령정보센터에서 최신 버전을 한 번 확인하시길 권합니다.