■. 비상전원설비
1. 개요
1) 비상전원(Emergency Power)이란 정전이나 단선ㆍ단락 등의 전기적 사고 등으로 인하여
상용전원의 공급이 중단되었을 경우 소방대상물에서 소방시설을 일정시간 사용하기 위
한 별도의 전원공급 장치이다.
2) 현재 비상전원설비의 정의에 대해 국외의 IEC, NEC 규격, 일본 소방법과 국내의 KS C
IEC 60364-1 부속서 B의 규정에서는 비상전원설비와 예비전원설비를 다르게 정의하고
있음에도 불구하고 국내의 소방법에서는 비상전원설비, 건축법에서는 예비전원설비, 전
기사업법에서는 비상용예비전원설비라는 용어로 혼용되고 있으며 정전 시 최소한의 설
비운용을 위한 보안적인 측면에서의 예비전원설비와 공용화되는 추세를 보인다. 국내ㆍ
외 비상전원설비와 예비전원설비에 대한 정의를 나타내면 Table 1과 같다.
3) 그러나, IEC, ANSI/IEEE, NEC, KS C IEC 60364-1 규격에서는 비상전원설비가 인명의 안
전 및 재산보호의 방재 개념인 것에 비해 예비전원설비는 인명과는 직접 관련되지 않는
주거 및 활동상의 쾌적성, 생산 작업상의 장애나 손실 등의 보안 개념으로 비상전원설비
에 비해 예비원설비의 중요성이 한 등급 아래로 표현된다.
국내ᆞ외 규격 비상전원설비 예비전원설비 IEC 60050-826electric supply system for safety service 인명의 안전과 건강을 위하고, 다른 환 경이나 장비에 중대한 손실을 피하기 위 해 법령에 의해 요구되는 필수적인 설비 들과 장비의 운전을 유지하기 위한 공급 설비
standby electric supply system
전원의 정상공급이 방해된 경우에 안 전(safety) 이외의 이유 때문에 설비나 설비 일부분의 기능을 유지하기 위한 공 급설비 ANSI/IEEE Std. 1000
emergency power system
상용전원이 정전되거나 고장이 발생하 였을 때, 인명의 안전과 건강 또는 재산 상의 손실방지에 중대한 역할을 하고 있 는 장치와 장비에 규정된 시간이내에 신 뢰도가 높은 전력을 자동적으로 공급할 수 있는 독립적으로 비축된 전기에너지 원
standby power system
상용전원이 정전되거나 고장이 발생하 였을 때, 사용자의 설비들이 만족스러운 운전이 될 수 있도록 받아들일 수 있는 품질의 전력으로 공급할 수 있는 독립적 으로 비축된 전기에너지원 NEC Article 700 emergency system 상용전원이 정전될 때 필수적인 장비 에 전력을 공급하거나 규정된 정도의 조 명을 유지하기 위해 설계되거나 설치된 다. 예를 들어, 필수적인 장비는 소방펌 프 또는 병원에서의 생명유지 장비와 수 술실 일 것이다.
legally required standby system
법적으로 요구되는 예비전원설비는 화 재진압, 구조작업, 건강위험의 조절 그리 고 이와 유사한 작업을 하기위하여 전원 을 공급하는 것을 목적으로 한다. KS C IEC 60364-1 부속서 B safety service 비상전원은 공공에게 개방된 구내, 초 고층 건축물 및 일정조건의 산업용 시설 에서 종종 법령의 영향을 받은 요구사항 이다.
standby supply system
예비전원은 연속제조공정 또는 정보처 리중단 등을 방지하기 위해 필요하다 일본 소방법 일반 부하전원이 사고 등으로 정전될 경우를 대비하여 비상 시 확보할 전원으 로 고정식설비 정전 시 자동으로 예비전원으로 절체 되고 정전복구 시 예비전원에서 상용전 원으로 전환되는 전원으로 장비 내 수납 된 형식의 것
2. 비상전원설비의 구비조건(용.기.이.장.조.구.배)
1) 용량 - 소화설비에 따라 10～30분 이상 전원공급 가능할 것
2) 기능 - 사용전원 정전시 비상전원으로 자동절환 될 것
3) 이격 - 축전지 설비 설치시 벽과 0.1[m]이상 이격할 것
4) 장소 - 점검이 편리하고 화재 침수의 우려가 없을 것
5) 조명 - 점검 및 조작을 위한 조명과 표지 부착할 것
6) 구획 - 타 구획과 방화구획 할 것
7) 배선 - 내화 배선
3. 비상전원 설치 대상
설비 종류 비상전원 설치 대상 발전 축전 수전 용량 소화 설비 옥내소화전 ㆍ7층 이상 연면적 2000[m 2]이상 ㆍ지하층 바닥면적 합계 3000[m2] 이상 ○ ○ 20분 S/P ㆍ차고,주차장으로 S/P설치 바닥면적합계 1000[m2]미만 ○ ○ ○ ㆍ기타 대상 ○ ○ 포소화설비 ㆍ폼헤드, 고정포방출설비설치 바닥면적합계 1000[m2]미만 ㆍ호스릴포 or 포소화전만 설치한 차고, 주차장 ○ ○ ○ ㆍ기타 대상 ○ ○ 물분무등 ㆍ대상건물 전체 ○ ○ 간이 S/P ㆍ대상건물 전체(단, 전원이 필요한 경우) ○ ○ ○ (근생20분)10분 ESFR S/P ㆍ대상건물 전체 ○ ○ 20분 경보 설비 자탐,비경,방송 ㆍ대상건물 전체 ○ 60분감시 10분경보 피난 설비 유도등 ㆍ11층 이상의 층 ㆍ지하층, 무창층 용도(도ㆍ소매시장, 지하역사,상가) ○ 60분 ㆍ기타 대상 ○ 20분 비상조명등 ㆍ11층 이상의 층 ㆍ지하층, 무창층 용도(도ㆍ소매시장, 지하역사,상가) ○ ○ 60분 ㆍ기타 대상 ○ ○ 20분 소화 활동 설비 제연설비 ㆍ대상건물 전체 ○ ○ 20분 연결송수관 설비 ㆍ높이 70[m] 이상 건물(중간펌프) ○ ○ 20분 비상콘센트 설비 ㆍ7층이상 연면적 2000[m2] 이상 ㆍ지하층 바닥면적 합계 3000[m2] 이상 ○ ○ 20분 무통 ㆍ증폭기를 설치한 경우 ○ 30분4. 비상전원의 종류
4.1 자가발전설비
1) 개요
(1) 건물내 자가용 발전기를 설치하는 것
(2) 경유나 LPG를 연료로 하여 정전시 소방설비에 전원을 공급하는 것으로 주로 소
화설비 및 소화활동설비의 펌프나 송풍기에 적용한다. 내연기관에 의해 펌프를
운전하는 엔진펌프를 설치할 수도 있다.
(3) 정전시 비상전원으로 자동절환 및 급전시 상용전원으로 복구되어야 한다. 비상
발전기의 비상부하 접속점에 ATS(Auto Transfer Switch)를 설치하고, 상용회
로와 비상발전회로의 개폐기는 상호 Interlock이 되어 있다.
2) 종류(내연기관에 의한 분류)
구 분 디젤기관 가스터빈기관 부 피 크 다 작 다 소 음 크 다 작 다 출력특성 주위 온도에 영향을 받지 않음 주위온도 영향을 받음 연 료 경유, A중유 등유, 천연가스, LNG 적합성 중규모-가장 많이 사용 대용량 가 격 - 디젤보다 고가(약 1.5～4배)3) 장ㆍ단점
장 점 단 점 ㆍ신뢰성이 높다(동작 확실). ㆍ자동운전이 용이 하다(ATS 설치). ㆍ시동이 빠르고 효율이 높다. ㆍ대용량 부하에 적응성이 높다. ㆍ취급, 유지보수가 비교적 용이하다. ㆍ설비비, 공사비가 많이 소요 ㆍ전문기술자가 필요 ㆍ운전시 소음 및 유해가스 발생4) 발전기 용량 산출 방식
(1) 일반 부하인 경우
구 분 계산식 ① 단순부하 발전기 용량[kVA] = 부하설비의 합계 × 수용율 × 여유율 여기서, 수용율 : 동력-최대용량 전동기 1대 100%, 기타-80% 조명-전등은 접소되는 전부하에 100% 적용 ② 기동용량이 큰 부하 Pn≥
∆v
× Xd′× P kVA 여기서, Pn : 발전기의 정격용량[kVA] ∆v : 허용전압강하(0.2～0.25) Xd′ : 발전기 과도리액턴스(불분명한 경우 0.25～0.3) P 기동용량kVA × 정격전압 × 기동전류 기동용량은2대 이상의 전동기가 동시에 시동할 때에는2대의 기동 용량을 합한 값과 1대의 기동용량을 비교하여 큰 값을 적용한다. ③ ①+② 혼합부하 ①, ②에 의해서 계산한 합계를 발전기 출력으로 한다.(2) 소방 부하인 경우
① PG방식(PG1~PG3중 최대 용량을 선정) 구분 개 념 계산식 PG 전 소방부하의 정상운전 PG L× cos
× kVA PG 최대용량 전동기 기동시 허용전압강하 고려 PG Pm× × C × Xd′ × V V kVA PG 최대용량의 전동기를 마 지막에 기동할 경우 PG
L
PL Pm
Pm× × C × cos
× cos kVA PG 고조파 성분을 고려 PG Pc× ∼ PG [kVA] 여기서, :비상부하[kW], : 고조파성분 부하[kW] :최대기동전류를 갖는 전동기 또는 전동기군의 출력[kW] : 부하의 종합수용률 : 부하의 종합효율(불분명시 0.85적용) cos : 부하의 종합역률(불분명시 0.8적용) : 1[kW] 용량 발생시 필요한 전환용량[kVA](불분명시 7.2 적용) : 기동방식에 따른 계수(직입:1.0, Y-:0.67, 콘돌퍼:0.42, 리액터:0.65) ′ : 발전기 직축 과도리액턴스(0.25~0.3) ∆ : 발전기 허용전압 강하율(승강기:0.2, 기타:0.25) cos: 최대기동전류를 갖는 전동기 기동시 역률(불분명시 0.4적용) cos : 부하의 종합역률(불분명시 0.8적용) ② RG방식(발전기 출력계수를 이용한 방식 - NEGA C 2011)) 가. 적용 사유 국내에서는 PG법을 적용하여 발전기 용량을 산출하였으나 다음과 같은 문제로 RG계수법을 권장하고자 한다. 1) 일본에서는 JIS C 4204(유도전동기의 기동계급)이 1983년에 폐지됨에 따라 이 규격의 값을 적용한 PG방식을 폐지하고 새로운 기동방식(사이리스터, VVVF)과 고조파 발생부하까지 고려한 일본내열력설비협회규정(NEGA C 201)의 RG계수에 의한 발전기 용량 산정방식을 채택하고 있다.가) 최근 UPS, 인버터 장치 사용급증에 따른 고조파 부하 고려 미흡 나) 단상부하 등 불평형 부하에 대한 고려 미흡 다) 유도전동기 기동계급이 현실과 맞지 않음(유도전동기 기동계급 폐지:일본) 나. 발전기 출력 G RG × K kV A 여기서, RG : 발전기 출력계수(
≤
≤ ) K : 부하출력합계( K
i n Mi) M : 각 부하기기의 출력 : 부하기기의 대수 다. RG계수 조정 가) 실용상 바람직한 RG값 범위 -
≤
≤ 나) RG2, RG3에 의해 RG 과대시 - 기동방식 변경 다) RG4에 의해 RG 과대시 - 특수발전기 선정 라) 승강기에 의해 RG 과대시 - 제어방식 변경 라. RG계수 산출 구분 개 념 계산식 RG 정상부하 출력계수 RG D × Sf RG 허용전압강하에 의한 출력계수 RG ∆V ∆V × Xd′ × Zm′ kS × MK RG 단시간 과전류 내력에 의한 출력계수 RG d
× Z′ m ks d
MK RG 허용 역상전류에 의한 출력계수 RG KG
RK △PK × u u 여기서, D : 부하의 수용률(표1. 참조) Sf : 불평형 부하에 의한 선전류 증가계수 Sf K ∆P ∆P : 단상 불평형 부분 합계 출력 값[kW](A≥B≥C인 경우 ∆P A B C ) K : 부하출력 합계[kW] ∆V : 발전기 허용전압강하(표4. 참조) Xd′ : 발전기 직축 과도리액턴스 ks : 부하 기동방식에 의한 계수 (표2, 표3 참조) Zm ′ : 부하 기동시 임피던스 (표2, 표3 참조) M : 기동시 전압강하가 최대로 되는 부하기기 출력[kW] d : 베이스 부하의 수용률(표1. 참조) M : 단시간 과전류가 최대인 부하의 출력[kW] 즉, 기동시 입력[kVA] - 정격입력[kVA]이 최대인 부하의 출력[kW]
′ × cos
를 계산하여 최대값이 되는 mi를 M로 함 b : 베이스 부하 효율(표4. 참조) KG : 발전기 허용역상 전류계수 (표4. 참조) R : 고조파 발생부하 출력합계[kW] u : 단상 불평형 계수(A≥B≥C인 경우 u ∆P A C )기 호 내 용 값 비 고 D 부하수용률 소방설비 1.0 일반설비 0.4∼1.0 실제값 적용 d 베이스부하수용률 소방설비 1.0 일반설비 0.4∼1.0 실제값 적용 [표1] 수용률 부하 기 동 방 식 ks Z′m ks Z'm cos θ2 ks Z'm cosθ2 유 도 전 동 기 직입기동 1.0 0.18 5.55 0.4 2.22 Y-Δ기동 0.67 0.18 3.66 0.4 1.46 리액터기동 0.7 0.19 3.88 0.4 1.55 콘돌퍼기동 0.49 0.18 2.72 0.4 1.09 특수콘돌 퍼기동 RG2 0.25 0.18 1.39 0.5 0.69 RG3, RE2, RE3 0.49 0.18 2.72 0.4 1.09 인버터 RG2, RE2 0 - 0 - 0 RE3, RE3 1.0 0.68 1.47 0.85 1.25 [표2] 고압전동기 특성 기 호 내 용 값 비 고 ηg, 정상시 부하효율 0.9 규약효율 ηg' 단시간 과부하시 효율 0.86 규약효율의 95% △V 허용전압 강하 (승강기 포함하지 않음) 0.25 0.2 ～0.3 허용전압 강하 (승강기 포함) 0.2 ′ 발전기 정수 0.25 0.15～0.43 cos 발전기 정격 역률 0.8 KG 발전기 단시간(15초) 과전류 내력 1.5 KG 발전기 허용 역상전류 계수 0.15 0.15～0.3 fv 회전수 감소 및 전압강하에 따른 부하 감소계수 0.9 [표4] 발전기 출력계산 데이터
부 하 기 동 방 식 kS Z'm KS Z'm cos θ2 KS Z'm cosθ2 유 도 전 동 기 직입기동 1.0 0.14 7.14 ⓐ 0.7 5.00 ⓑ 0.6 4.28 ⓒ 0.5 3.57 ⓓ 0.4 2.86 Y-Δ기동 0.67 0.14 4.76 ⓐ 0.7 3.33 ⓑ 0.6 2.86 ⓒ 0.5 2.38 ⓓ 0.4 1.90 유 도 전 동 기 리액터기동 0.7 0.14 5.00 ⓐ 0.7 3.50 ⓑ 0.6 2.00 ⓒ 0.5 2.50 ⓓ 0.4 2.00 콘돌퍼기동 0.49 0.14 3.50 ⓐ 0.7 2.45 ⓑ 0.6 2.10 ⓒ 0.5 1.75 ⓓ 0.5 1.75 특수콘돌퍼 기동 RG2 0.25 0.14 1.80 0.5 0.90 RG3 RE2 RE3 0.49 0.14 3.50 ⓐ 0.7 2.45 ⓑ 0.6 2.10 ⓒ 0.5 1.75 ⓓ 0.5 1.75 인버터방식 RG2, RE2 0 - 0 - 0 RE3, RE3 1.0 0.68 1.47 0.85 1.25 승 강 기 직류 사이리스터 레오나드 RG2, RE2 0 - 0 - 0 RE3, RE3 1.0 0.34 2.94 0.8 2.40 직류MG 방식 RG2, RG3, RE2 1.0 0.27 3.77 0.5 1.89 RE3 1.0 0.40 2.52 0.85 2.14 교류귀환제 어방식 RG2, RG3, RE2, RE3 1.0 0.20 4.90 0.8 3.92 교류 인버터방식 RG2, RE2 0 - 0 - 0 RG3, RE3 1.0 0.34 2.94 0.8 2.40 전등, 콘센트용 부하 1.0 1.00 1.0 1.0 1.0 UPS 1.0 0.90 1.11 0.9 1.0 [표3] 전압전동기 특성 주 : 1) 승강기 환산값은 전부하 상승시 출력기준임. 2) UPS : 무정전전원장치 3) cos θ2 항의 숫자변화는 대응되는 전동기 출력에 의한 것으로 다음을 참조 ⓐ 5.5kw 미만 ⓑ 5.5kW 이상 11kW 미만 ⓒ 11kW 이상 30kW 미만 ⓓ 30kW 이상
5) 발전기용 차단기의 용량 산출
Ps ≥ Xd′ Pn × 여유율 여기서, Ps : 발전기용 차단기의 용량[kVA] Xd′ : 발전기 직축 과도 리액턴스 Pn : 발전기 용량6) 예제
기동용량이 500[kVA]인 유도전동기 부하에 사용할 자가용 발전설비의 용량과 발전기용
차단기의 용량을 구하시오. 이때 발생되는 전압강하는 20[%], 발전기 직축 과도리액턴스
는 25[%]이며, 차단용량의 여유율은 25[%]이다.
(1) 자가용 발전설비의 용량
Pn≥
∆v
× Xd′× P kV A ≥
× × kV A (2) 발전기용 차단기의 용량
Ps ≥ Xd′ Pn × 여유율 ≥ × kV A 4.2 축전지설비
1) 개요
(1) 전기에너지를 화학에너지로 축적시켜놓고 필요시 화학에너지를 전지에너지로 바
꾸어 쓰는 설비로 축전지, 충전장치, 보안장치, 제어장치 등으로 구성된다.
(2) 축전지설비는 상용전원이 정전되었을 때 자가용 발전설비가 시동하여 정격전압
을 확보할 때까지의 중간전원으로 사용되는 경우가 많으며, 소방시설 중 경보설
비의 비상전원은 축전지설비 만을 인정하고 있다.
(3) 축전지설비는 독립된 전원으로 순수한 직류전원이고 경제적이며 유지보수가 용
이한 특징이 있다.
2) 전지의 종류
화학변화에 의해서 생기는 에너지, 열, 빛 등의 물리적인 에너지를 전기에너지로 변
환하는 장치를 전지라고 하며 1차 전지와 2차 전지가 있다.
(1) 1차전지 : 한번 방전하면 재차 사용할 수 없는 전지(ex. 건전지)
(2) 2차전지 : 방전방향과 반대방향으로 충전하여 재사용할 수 있는 전지(ex. 연측전
지, 알칼리 축전지)
2차 전지의 종류 방전형태 적용대상 연 축전지 CS형 완방전형 HS형 급방전형 단시간대전류부하(CVCF, 엔진시동,E/L비상조작) 알칼리 축전지 포켓식 AL형 완방전형 AM형 표준형 소시간 장시간 부하(전철제어용, 열차조명, 선박) AMH형 급방전형 장시간+단시간 대전류 부하 혼합용 AH-P형 초급방전형 비상조명, 발전기 차단기 조작용 소결식 AH-S형 초급방전형 단시간 대전류 부하(인버터, 발전기 차단기 조작용) AHH형 초초급방전형 단시간 대전류 부하 [표5] 2차전지의 종류 구 분 납축전지 알칼리축전지 공칭전압(V ) 2[V] 1.2[V] 공칭용량(Q ) 10[AH] 5[AH] 충전시간(T ) 길다 짧다 수명(S ) 짧다(5~15년) 길다 종 류 클래드식(CS형), 페이스트식(HS형) 소결식, 포켓식 기전력 2.05~2.08[V] 1.32[V] 특 징 ㆍ경제적 : 단가 낮다. ㆍ축전지 필요 셀 수 적어도 됨 ㆍ충방전 전압 차이가 적다. ㆍ전해액 비중으로 충방전 상태 추정 가능 ㆍ과방전, 과전류에 강하다. ㆍ부식성 가스 발생 無 ㆍ보존이 용이 ㆍ극판의 기계적 강도가 강하다. 화학반응식 PbO HSO Pb ↔ PbSO HO PbSO NiOOH HO Cd ↔ NiOH CdOH [표6] 2차전지의 특징3) 축전지 용량 산출
(1) 축전지 용량 산출 조건(축전지 용량 설계 순서)
① 축전지 부하대상의 결정 동시 소비 가능한 최대치를 필요 부하용량으로 산정 가) 순시부하 차단기 조작전원, 소방 설비용 부하, 기타 필요부하 나) 상시부하 배전반 및 제어감시반의 표시등, 비상조명등 ② 방전전류의 산출 가) 방전전류는 방전개시부터 종료시까지 부하전류의 크기가 명확해야함 나) 방전전류[A] ＝ 부하용량[VA] ÷ 정격전압[V] ③ 방전시간의 결정 가) 예상되는 최대부하시간을 사용(소방법 30분, 발전기 설치시 10분) 나) 순시부하 : 통상 1분을 기준, 상시부하 : 통상 30분을 기준 ④ 축전지 부하특성곡선 작성 가) 방전의 종기에 큰 방전전류가 오도록 그래프를 작성. (증가부하 고려) 나) 이것은 최악의 조건에서도 대처할 수 있도록 하기 위함. ⑤ 축전지 셀 수의 결정 가) 축전지 셀 수[cell] ＝ 부하정격전압[V] ÷ 1셀의 공칭전압[V] ⑥ 보수율 가) 용량변화를 보상하는 것으로 일반적으로
을 적용 ⑦ 최저전지온도 가) 설치장소의 온도조건을 추정하고 전지온도의 최저값을 정한다. 나) 실내 설치 : +5[℃], 한랭지 : -5[℃], 옥외큐비클 : 5~10[℃] ⑧ 허용최저전압의 결정 가) 부하의 허용최저전압과 축전지와 부하간의 전압강하의 합을 직렬로 접속된 셀 수로 나눈 값이다. 나) 허용최저전압
V cell 여기서,
: 허용최저전압[V/cell]
: 부하의 허용최저전압[V]
: 축전지와 부하간 접속선의 총전압강하
: 직렬 접속된 셀 수 다) 축전지 1셀당 공칭전압 = 허용최저전압셀수 [V/cell] ⑨ 용량환산계수(
)의 결정 가) 지금까지 결정된 요소(축전지 종류, 방전시간, 셀당 허용최저전압 등)에 최저 축 전지온도(보통 5[℃] 기준)를 고려하여 용량환산시간을 구한다.(2) 축전지 용량 계산식
① 정전류부하(일정 부하)
Ah 여기서,
: 필요 축전지 용량[Ah]
: 보수율(일반적으로 0.8)
: 용량환산시간[h]
: 부하특성별 방전전류[A] ② 증가부하
cf) 만약, 증가부하에서 시간이 다음과 같이 주어진다면
③ 감소부하 (a), (b), (c) 중 가장 큰 용량을 선정(a)
