제96회 건축전기설비기술사

발전기 시동방식 — 전기식과 공기식 비교

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1. 개요

비상발전기는 상용전원 정전 시 즉시 전력을 공급하는 필수 설비로, 신뢰성 있는 시동방식(Starting System) 선정이 핵심이다. 시동방식은 발전기 원동기(디젤엔진)를 크랭킹하여 자력운전 가능 회전수까지 끌어올리는 수단이며, 국내에서는 주로 전기식(Electric Starting)과 공기식(Air Starting) 이 사용된다.

• 전기식: 축전지(Battery)와 직류 시동전동기(Starter Motor)를 이용하여 엔진을 크랭킹
• 공기식: 고압 압축공기를 실린더에 직접 분사하거나 공기모터를 구동하여 크랭킹

소용량(수백 kW 이하) 발전기에는 전기식이, 대용량(수 MW급) 선박용·산업용 발전기에는 공기식이 주로 채택된다.

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2. 이론·원리

2.1 전기식 시동 원리

시동전동기는 직류 직권전동기로, 기동 토크가 전류의 제곱에 비례한다.

$$T\propto I^2\Rightarrow T=k\cdot \Phi \cdot I_a$$

여기서 $\Phi$는 자속 [Wb], $I_a$는 전기자 전류 [A], $k$는 전동기 상수이다.

축전지 방전 시 단자전압은 다음과 같다.

$$V_t=E_0-I\cdot R_i$$

• $E_0$: 개방전압 [V], $I$: 방전전류 [A], $R_i$: 내부저항 [Ω]

저온 시 내부저항 $R_i$ 증가 → 단자전압 $V_t$ 저하 → 시동 토크 감소가 발생하므로 온도 보상 설계가 필요하다.

2.2 공기식 시동 원리

압축공기 에너지를 이용하여 엔진 피스톤에 일을 가하는 방식으로, 필요 공기량은 아래와 같이 산출한다.

$$Q=\frac{P_1{V}_1}{P_0}\cdot n\cdot \eta$$

• $P_1$: 공기탱크 압력 [MPa], $V_1$: 실린더 행정 체적 [m³]
• $P_0$: 대기압 [MPa], $n$: 시동 횟수, $\eta$: 효율

일반적으로 공기탱크 압력은 2.0 ~ 3.0 MPa, 최소 3회 이상 연속 시동 가능한 용량을 확보해야 한다(선급규정 기준).

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3. 상세 내용 — 전기식 vs 공기식 비교

3.1 시스템 구성 비교

구분	전기식(Electric Starting)	공기식(Air Starting)
주요 구성요소	축전지, 시동전동기, 충전기, 릴레이	공기압축기, 공기탱크, 배관, 시동밸브
에너지원	직류 전기에너지 (24 V / 12 V DC)	고압 압축공기 (2~3 MPa)
제어방식	전자제어(AMF 패널)	공압제어 또는 전자제어 병용
크랭킹 방식	피니언 기어 맞물림(Bendix Drive)	실린더 직접 분사 또는 공기모터 구동

3.2 특성 비교

특성 항목	전기식	공기식
시동 신뢰성	축전지 상태에 의존	공기탱크 충압 상태에 의존
저온 특성	저온 시 배터리 성능 저하(−15°C 이하 취약)	저온 영향 상대적으로 적음
시동 소요시간	5~10초 이내 (빠름)	5~15초 (구성에 따라 차이)
연속 시동 횟수	배터리 용량 한계 (3~5회 연속 후 재충전 필요)	공기탱크 용량 내 반복 가능
적용 용량	소·중용량 (수 kW ~ 수백 kW)	중·대용량 (수백 kW ~ 수 MW)
전기 안전성	스파크·인화 위험 (방폭 지역 불리)	방폭 지역 적합

3.3 시설(설치) 비교

전기식 시설 요건

• 축전지: 납축전지(Pb) 또는 니켈카드뮴(Ni-Cd) 사용, 24 V 계통이 일반적
• 충전기(Charger): 상시 부동충전(Float Charge) 유지, 균등충전 기능 포함
• 축전지실: 환기 설비(수소가스 배출), 내산성 바닥, 온도 관리 (5~35°C 유지 권장)
• 배선: 내열·난연 전선, 단락 보호용 퓨즈 설치
• KEC 및 소방청 고시에 따라 비상발전기 기동장치 이중화 권장

공기식 시설 요건

• 공기압축기: 전동식 또는 엔진 직결식, 자동 기동·정지 제어
• 공기탱크: 최소 3회 시동 분량 용량 확보, 정기 드레인 밸브 점검
• 배관: 고압 배관 (압력용기 안전규칙 적용), 안전밸브·압력계 설치
• 방청·단열 처리, 공기 건조기(Dryer) 설치 (수분 혼입 방지)

3.4 관리 비교

관리 항목	전기식	공기식
정기점검 주기	월 1회 축전지 전압·비중 측정	월 1회 탱크 압력·드레인 점검
주요 열화 요인	과충전·황산화(Sulfation)·셀 불균형	수분 혼입, 배관 부식, 밸브 누설
교체 주기	납축전지 35년, Ni-Cd 710년	탱크 내압검사 (고압가스안전관리법: 3년)
고장 징후 파악	전압·비중 측정 용이	압력계 지시값 이상으로 판단
운전 중 유지	충전기 상시 운전	압축기 자동 보충 운전

3.5 장·단점 종합 비교

구분	전기식 장점	전기식 단점
	① 소형·경량으로 설치 공간 최소화	① 저온 시 배터리 성능 급격 저하
	② 제어 단순, 자동화 용이	② 배터리 교체 비용 주기적 발생
	③ 초기 설치비 저렴	③ 방폭 지역 사용 제한
	④ 시동 응답 빠름	④ 연속 시동 횟수 제한

구분	공기식 장점	공기식 단점
	① 대용량 엔진 시동 가능	① 설치 공간 크고 초기비용 고가
	② 저온·방폭 환경 유리	② 배관 수분 관리 필요
	③ 높은 시동 신뢰성·반복성	③ 압력 유지 위한 압축기 상시 운전
	④ 배터리 열화 문제 없음	④ 전문 유지관리 인력 필요

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4. 실무 적용 / 사례

4.1 적용 기준에 따른 방식 선정

🖼 [그림] 발전기 용량별 시동방식 선정 흐름도 (소용량 → 전기식, 대용량 → 공기식)

적용 장소	권장 시동방식	이유
건축물 비상발전기 (500 kW 이하)	전기식	소형, 자동화 용이, 설치 공간 제한
산업용 대형 발전기 (1 MW 이상)	공기식 또는 병용	대용량 크랭킹 토크 요구
선박 주발전기	공기식	방폭, 대용량, 해양 환경
위험물 저장소, 도장공장	공기식	방폭 요구사항 충족

4.2 이중화(Redundancy) 적용 사례

대형 데이터센터·병원 등 중요 시설에서는 전기식 + 공기식 병용 또는 전기식 이중 축전지 구성으로 신뢰성을 확보한다. 소방청 고시 및 「전기사업법」에 따른 비상전원 설비 기준에서 시동 실패 시 재시동 절차 및 이중화를 요구하는 경우가 있다.

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5. 문제점 및 대책

구분	주요 문제점	대책
전기식	혹한기 배터리 방전으로 시동 불가	배터리 히터 설치, 예열회로 구성
전기식	장기 미가동 시 배터리 자연방전	AMF 패널 연계 자동 충전, 월 1회 무부하 시운전
전기식	충전기 고장 시 시동 불가	충전기 이중화, 결함경보 설치
공기식	탱크 수분 혼입 → 밸브 동결	에어 드라이어, 자동 드레인 밸브 설치
공기식	압축기 고장 시 탱크 압력 저하	압력 저하 경보, 압축기 이중화
공기식	배관 부식에 의한 누설	정기 내압시험, 부식방지 도장

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6. 결론 — 기술사 견해

비상발전기 시동방식 선정은 발전기 용량, 설치 환경, 유지관리 여건, 경제성을 종합적으로 고려해야 한다. 국내 건축전기설비 분야에서는 500 kW 이하 소·중용량 발전기에 전기식이 압도적으로 많이 채택되고 있으며, 이는 자동화 용이성과 낮은 초기비용에 기인한다.

다만, 전기식의 경우 축전지 상태 관리가 시동 신뢰성의 핵심이므로, 정기적인 용량 시험(부하시험) 및 교체 계획 수립이 필수이다. 반면 공기식은 방폭 지역 및 대용량 발전기에 적합하며, 압축공기 시스템의 기밀성과 건조도 유지가 관리의 핵심이다.

기술사 관점에서, 중요 시설의 비상발전기에는 단일 시동방식에 의존하지 않고 이중 시동수단 을 확보하거나, 주기적 시동 시험을 통해 실제 가동 신뢰성을 검증하는 것이 최선의 설계 방침이다. 또한 KEC 개정 동향과 소방청 고시 등 관련 법규를 지속적으로 모니터링하여 적합한 시스템 유지보수 기준을 적용할 것을 권고한다.