2.1. 국내방식의 개요

발전기는 상용전원의 정전, 화재 및 예기치 못한 긴급 상황 발생 시 인명안전, 재산 보호 및 생명 유지를 위해 비상 전원설비에 전원공급을 위한 설비이다.

발전기용량 산정은 해당 건축물의 소방부하, 비상 부하 또는 그 밖의 정전 시에 운전이 필요한 부하 등 부하의 특성을 고려하여 산정한다. KDS 31 60 20의 발전기용량 계산방법은 식 (1)에서처럼 계산할 수 있다.

여기서, 발전기용량 식 (1)에서처럼 $GP$는 발전기용량 (kVA)으로 표기되며, $\sum P$는 전동기 이외 부하의 입력용량 합계(kVA)로 나타내며, Table 1을 참조한다^[2].

$\sum P_{m}$은 전동기 부하 용량의 합계 (kW)를 의미하고,$PL$은 전동기 부하 중 기동용량이 가장 큰 전동기 부하 용량 (kW)으로 사용된다. 다만, 동시에 기동 되면 이들을 더한 용량으로 계산한다. $a$는 전동기의 kW당 입력용량 계수로 전동기의 고효율은 1.38, 표준형 전동기는 1.45의 추천 값을 제시하고 있으며, 전동기 입력용량은 전동기별 효율, 역률을 적용하여 입력용량을 환산할 수 있다. c는 전동기의 기동계수를 의미하며, 그 계수는 추천 값으로 제안 하고 있다. 추천 값으로는 직입기동 방식은 6 (범위 5에서 7까지)을 적용하고, Y-△ 기동방식은 2 (범위 2에서 3까지)를 적용하고 있으며, VVVF (인버터) 기동방식은 1.5 (범위 1에서 1.5까지)로 추천 값으로 정하고 있으며, 마지막으로 리액터 기동방식의 추천 값은 리액터 탭(Tap) 전압의 50%는 기동계수는 3을 적용하고, 리액터 탭(Tap) 전압의 65%까지는 기동계수는 3.9를 적용 하고 있다. 또한, 리액터 탭(Tap) 전압의 80%에서는 4.8을 적용하는 것으로 권장하고 있다. k는 발전기 허용 전압강하 계수로 Table 2를 참조한다^[2].

3.1. NFPA방식의 개요

미국에서 적용하고 있는 발전기용량 산정 방식으로는 NFPA 70_NEC (National Electrical Code) “미국전기규정”을 적용하고 있다. NFPA (National Fire Protection Association) “미국화재방호협회”로 1896년부터 현재까지 전 세계 전문기술 회사에서 적용하고 있는 규정으로 오래된 역사가 있는 단체이다. 이 중에서 비상 전원 및 발전기 시스템에 적용은 NFPA 70_NEC (National Electrical Code) “미국전기규정”과 전동기의 기동계급, 기동계수 및 전압강하 등 기술적인 내용을 포함하고 있는 NEMA MG -1 (Motor and Generator) “미국 전기공업협회 전동기 및 발전기”에서 다루어지고 있다^[3-5].

3.2. 용량산정

발전기 용량선정에 적용되는 계산식은 식 (2), (3), (4) 및 (5)와 같이 구분하여 계산할 수 있다.

여기서, $P_{GP1}$은 운전 시 발전기용량 값을 나타내고, $I_{GP1}$은 발전기 운전 시 전 부하전류의 합산 [A]값을 의미한다. $I_{M}$은 각각의 전동기의 전 부하전류 [A], $I_{r}$은 전동기 부하를 제외한 일반부하(전열, 조명 및 기타 제어반) 부하전류의 합산을 의미하며, $V_{M}$은 정격전압 [V]이며, $I_{GP_{2}}$는 발전기 기동 시 전 부하전류의 합산 [A] 값이며, $k$는 상숫값으로 125%를 적용하나, 이는 전동기의 전 부하전류만 적용한다^[3].

3.3. 용량산정 계산식 적용방법

발전기용량 산정 시 연결되는 부하의 종류, 특성 및 운전조건에 따라 다르게 적용된다. 즉, 전동기 용량, 마력 (HP)당 기동계급, 전 부하전류(FLC : Full-Load Current) 및 Service Factor (S.F) 등 고려되어야만 정확한 발전기용량 산정을 할 수 있다^[3-5].

4.1. 국내방식 발전기용량 계산

국내에서 적용되는 KDS 31 60 20_예비전원설비 발전기용량 산정 방식으로 계산한 발전기용량을 검토하였다. 실 검증을 위한 오픈 사무실 및 대형 쇼핑몰에 대한 비상 부하 리스트는 Table 4, 5를 참조한다.

국내 발전기용량 계산은 식 (1)에서처럼 적용하며, 실 검증 건축물 오픈 사무실 $GP_{1}$과 대형 쇼핑몰 $GP_{2}$의 발전기용량 선정에 필요한 비상 부하 리스트 Table 4, 5를 적용하였다. 다만 객관성 검증을 위해 계산에 필요한 각종 계수 값은 KDS 31 60 20에서 제시한 추천 값과 범위를 조정 값을 구분하였다. 추천 값으로 계산 결과는 Table 6을 참조하고, 범위를 조정한 결과는 Table 7을 참조한다.

$GP_{1}=[300+(908-110)\times 1.38$

$+(110\times 1.38\times 2)]\times 1= 1,\: 819[k VA]$

$GP_{2}=[350+(728-55)\times 1.38$

$+(55\times 1.38\times 2)]\times 1=1,\: 564[k VA]$

$GP_{1}=[300+(908-110)\times 1.48$

$+(110\times 1.48\times 3)]\times 1.13= 2,\: 177[k VA]$

$GP_{2}=[350+(728-55)\times 1.48$

$+(55\times 1.48\times 3)]\times 1.13=1,\: 786[k VA]$

KDS 31 60 20_예비전원설비에서 추천 값과 범위 조정된 값으로 적용한 결과 오픈 사무실의 발전기용량은 $GP_{1}=1,\: 819 / 2,\: 177 k VA$이며, 대형 쇼핑몰 발전기용량은 $GP_{2}=1,\: 564 / 1,\: 786 k VA$로 계산되었다. 오픈 사무실의 경우 추천 값보다 범위 조정 값으로 계산 용량이 약 358kVA가 큰 값으로 계산되었으며, 대령 쇼핑몰의 경우 약 224kVA가 큰 값으로 계산되었다.

추천 값과 범위 조정된 값으로 계산한 결과 용량 산정하는데 있어 용량의 편차가 상당히 크게 나왔다. 이 부분은 국내 설계사무실 및 엔지니어링 회사별로 용량계산 값이 다르게 적용될 수 있다는 것을 확인할 수 있으며, 계산 결과 비교는 Table 8을 참조한다.

4.2. NFPA 방식 용량계산

NFPA 방식으로 용량계산을 위해서는 Table 3을 참조하여 각각의 전동기별 마력 (HP), 전 부하전류 (FLC: Full-Load Current) 값을 확인하여야 한다. NEC Article 430.250에서 제시하는 460V가 아닌 객관적 수치를 비교 검토를 위해 국내 정격전압 380V으로 환산하여 계산하였다^{[3, 4]}.

국내방식에서 적용한 실 검증 비상 부하 리스트 Table 4, 5를 활용하여 NEC 규정에서 제시하는 전동기 마력(HP)별 전 부하전류 (FLC: Full-Load Current)등을 환산한 Table을 작성하였다. NEC 규정 기준으로 환산한 Table 9, 10을 참조한다.

발전기용량 계산은 식 (2), (3), (4) 및 (5)에서처럼 계산하였다. 첫 번째로 실 검증 건축물 오픈 사무실 발전기용량 계산은 Table 9를 적용하였고, 두 번째의 대형 쇼핑몰의 발전기용량 계산은 Table 10을 적용하였다. 발전기용량 계산 결과 비교는 Table 11을 참조한다.

첫 번째로 실 검증 건축물 오픈 사무실 발전기용량 계산은 아래와 같다.

$I_{GP1}=1,\: 577+669 = 2,\: 246[A]$

$P_{GP_{1}}=\sqrt{3}\times 380\times 2,\: 246\times 10^{-3}=1,\: 478[k VA]$

$I_{GP2}=(1,\: 577\times 1.25)+669 = 2,\: 640[A]$

$P_{GP2}=\sqrt{3}\times 380\times 2,\: 640\times 10^{-3}=1,\: 738[k VA]$

두 번째로 실 검증 건축물 대형 쇼핑몰 발전기용량 계산은 아래와 같다.

$I_{GP1}=1,\: 293+821 = 2,\: 114[A]$

$P_{GP_{1}}=\sqrt{3}\times 380\times 2,\: 114\times 10^{-3}=1,\: 391[k VA]$

$I_{GP2}=(1,\: 293\times 1.25)+821 = 2,\: 437[A]$

$P_{GP2}=\sqrt{3}\times 380\times 2,\: 437\times 10^{-3}=1,\: 604[k VA]$

NFPA 방식으로 실 검증 건축물 미국방식 발전기용량 계산 결과 값은 Table 12를 참조한다.

4.3. 용량계산 비교

실 검증 건축물의 부하의 특성, 부하의 운전특성 및 다양한 부하특성별 구분하여 2가지 유형으로 KDS 31 60 20_예비전원설비의 국내방식과 NFPA 방식을 적용하여 계산하였으며, 특히나 국내방식의 경우 부하에 대한 계수 값을 추천 값과 조정 범위 값으로 구분하여 비교 검토하였다. 국내방식과 NFPA 방식의 용량 비교는 Table 13을 참조한다.