미국에서의 직류지락에 의한 화재와 그 교훈
미국에서는 지금까지 직류지락고장에 기인하는 PVS 화재가 다수 보고되어 왔다. B. Brooks씨는 Bakersfield 화재(2008년) 및 Mount Holly 화재(2011년)에 대해 그 발생기구가 이하와 같다는 것을 분명히 하고 있다.

미국의 PVS 직류전로는 일반적으로 교류계통으로 절연되고 휴즈를 통해 일선접지된다.([그림 2] 참조) 그림 안에서 Grounding Conductor는 가대를 비롯한 노출 도전성 부분과 그것을 대지에 연결하는 접지선이다. 지락고장 시에는 퓨즈의 용단으로 사고전류가 차단되어 지락이 검출된다.

그러나 상기 2건의 PVS에서는 [그림 3]의 지락검출 불감대(不感帶)에 의해 태양전지 접지극 측에서 발생한 제1지락고장(이하, 제1고장)이 검출되지 않은 채 운전이 계속됐다. 그 후 제2고장이 발생하여 대지로의 귀로전류를 발생시켰다.([그림 4] 참조)

이 상태에 이르러 퓨즈가 용단되고 파워컨디셔너(PCS)가 정지해도 제1고장점~Grounding Conductor~제2고장점의 귀로를 차단할 수 없기 때문에 일사량이 있는 한 사고는 계속되었다. 교류전기 설비의 경우, 귀로를 차단할 수 없어도 계통에서의 분리를 통해 무전압화(無電壓化)되어 사고가 일어나지 않는다.

한편, PVS의 직류회로에서는 제2고장으로 인해 일단 귀로가 형성되면, 차단은커녕 화재사고의 확대도 막기 어렵게 된다. 따라서 사고확대를 방지하기 위해서는 제1고장([그림 3] 참조)의 단계에서 지락을 검출· 제거하여 제2고장으로 발전되지 않도록 해야 한다.

두 번째는 절연저항치의 불안정성이다.([그림 9] 참조) 저항치가 안정되어 있으면, 오늘 발생한 절연저하를 내일도 검출할 수 있다. 그러나 문헌 《태양전지 모듈의 옥외폭로시험에서의 절연저항 변화와 환경요인의 관계》에 따르면, 모듈의 절연저항치는 불규칙하게 변동하기 때문에 한 번의 측정결과가 고절연을 나타냈다고 해서 절연양호로 판정할 수는 없다. 따라서 제2고장이 발생하기 전에 제1고장을 확실하게 검출·제거하기 위해서는 상설장치에 의한 고빈도의(이상적으로는 연속적인) 절연감시가 요구된다.

(C): 절연저항치의 불안정성은 「지락검출과 동시적으로 표정하는 위치특정」의 필요성으로 귀결된다. 미국의 예를 들어보면, 1984년 Sacramento의 PVS 운용개시 시 제1고장을 검출한 이후 그 위치를 특정하지 못하고 제2고장이 발생하게 되어 화재사고로 이어진 사례가 있었다. 위치특정의 중요성은 재차 강조해도 모자라지 않다.
 

상기 (A), (C)의 성패 여부는 지락을 검출하는 방식(지락검출방식)에 의해 결정된다. [표 2]에 각종 지락검출방식과 요건 (A), (C)의 성패 여부를 나타냈다.이 표로부터 ⑦의 저항 접지극 전환방식과 ⑨의 대지전위 전환 방식이 (A)와 (C)를 양립시킨다는 사실을 알 수 있다. 이 밖에 ⑩의 교류(또는 펄스) 전압 인가방식에서는 전류의 DC성분을 측정함으로써 지락위치의 전위를 특정할 수 있는 가능성이 있지만, 아직 구체적인 검토 사례는 알려지지 않았다. PVS는 거대한 직병렬 셀 네트워크로 이루어져 있다.([그림 1] 참조) 상기의 방식에 의해 얻어지는 위치정보는 스트링 내에서의 지락개소 위치, 바꿔 말하면 [그림 1]에서 가로방향의 위치만을 가리킨다. 지락위치를 특정하기 위해서는 어느 스트링에서 지락이 일어나고 있는지를 식별해야 한다. 여기에는 DC-Zero-Phase Current Transformer(이하, DC-ZCT)를 이용하여 각 스트링의 영상전류를 측정하는 방법과 스트링을 어레이에서 순차적으로 분리하여 파워라인의 대지전압을 측정하는 방법(멀티플렉서법, Multiplexer法)이 있다. 전자에서는 DC-ZCT의 드리프트에 의해 지락의 간과(看過) 또는 오검출(誤?出)의 우려가 있다. 이에 반해 MUX법에서는 그러한 우려가 없다.

그리하여 일본의 JX 닛코닛세키 에너지㈜에서는 MUX법으로 상기의 ⑦저항 접지극 전환 방식을 내장하는 장치를 시험 제작했다.([그림 5], [그림 6] 참조) 다음으로 이 시험제작기가 지락위치에 관계없이 절연저항치 및 지락위치를 판정할 수 있다는 것을 나타내기 위해 이하의 실험을 실시했다. 이 기기를 모듈 9개의 스트링에 접속하고, 스트링의 양극·음극 및 각 모듈 간에 존재하는 10점의 노드에서 1점을 선정해 0.01/0.1/1㏁의 총 30개의 방법으로 모의 지락시켰다. 이 기기로부터 얻어진 절연저항치를 [그림 7]에, 판정된 지락위치를 [그림 8]에 나타냈다. 이를 통해 절연저항치 및 지락위치에 관계없이 절연저항치가 올바르게 측정되고 지락위치의 특정이 가능하며 요건 (A), (C)를 양립시킬 수 있다는 것을 확인했다.