[전문가칼럼] 전기안전지침(KESG) - 태양광 발전설비 점검 지침 -

최근 산업통상자원부는 김해 골든루트 산업단지에서 <산업단지 태양광 협동조합 발대식>을 개최했다. 김해 골든루트 산업 단지 등 3개 단지의 25개 입주기업 지붕을 활용하여 태양광 발전 시범사업(약 7MW 규모) 추진을 위한 협동조합 발대식으로 공장지붕, 주차장 등 유휴부지를 이용하여 2022년까지 3.2GW로 확대할 계획이다. 또한, 도시형 태양광 사업 확대를 위해 관공서, 학교 등 국가기관 건물과 상하수처리장 등 지방자치단체 보유시설 및 산업단지와 주유소 등 민간시설에 보급을 확대할 예정이다. 향후 국민참여형 태양광 발전사업은 더욱 확대될 전망으로 이번호에서는 태양광 발전설비 점검지침을 소개한다. 이 지침은 태양광발전설비에 관련된 국·내외 기준 및 표준 등을 인용하여 알기 쉽게 기술한 것으로 전기안전업무 수행에 필요한 기술 적 사항을 규정함을 목적으로 하며, 권장사항임을 명시한다.

글 : 김기수 차장(한국전기안전공사 정책총괄부 기술기획팀
출처: 한국전기안전공사 발행 「전기안전기술」 2018년 7+8월호

1. 목적
이 지침은 태양광발전설비에 관련된 국·내외 기준 및 표준 등을 인용하여 알기 쉽게 기술한 것으로 전기안전업무 수행에 필요한 기술적 사항을 규정함을 목적으로 한다.

2. 적용 범위
이 지침은 전기설비기술기준의 판단기준 제54조 등에 따른 태양광 발전설비에 대하여 시설, 검사 및 점검 등에 적용한다.

3. 용어의 정의
3.1 계통연계형 태양광 발전시스템(Grid-Connected Photovoltaic System)
상용전력계통과 병렬로 접속하여 발전된 전력을 계통으로 내보내거나 계통으로부터 전력을 공급받는 태양 광 발전시스템을 말한다.
※비고 ① 약어‘ PV’는 태양전지(solar photovoltaic)를 뜻한다.
② 계통연계 보호장치란 계통연계형 태양광 발전시스 템에서 출력을 직접 전력계통으로 보내는 데 필요한 보호장치를 말한다.

3.2 태양전지(PV)
태양광선과 같은 빛에 노출될 때 전기를 생성할 수 있는 장치를 말한다.
※비고: 기본 PV 장치가 PV Cell 이다.

3.3 태양전지 스트링(PV string)
태양전지(PV) 어레이가 요구되는 출력전압을 생성시키기 위해 PV 모듈이 직렬로 연결되어 있는 회로를 말하며, 각 스트링은 역류방지소자를 병렬 접속한다.
※비고: PV 스트링 케이블(PV string cable)은 PV 스트링을 구성하기 위해 PV 모듈을 연결하는 케이블이다.

[그림 1] 태양전지 셀, 모듈, 스트링, 어레이

3.4 태양전지 어레이(PV array)
DC 전원 공급 단위를 형성하기 위한 기계적, 전기적으로 통합된 PV 모듈의 조합, 그리고 다른 필요한 부품 들을 말한다.

3.5 태양전지 모듈(PV module)
완전하게 환경적으로 보호된, 상호 연결된 PV 셀의 최소 조립체로 수십 매의 태양전지 셀을 일정한 틀에 고정하여 구성하는 것을 말한다.

3.6 서어지 보호장치
수변전설비의 구내 선로에서 발생할 수 있는 개폐 서어지, 순간과도전압 등의 이상전압으로부터 기기를 보호하기 위하여 설치하는 것을 서어지 보호장치라 한다.

3.7 태양전지 인버터(PV inverter)
DC 전압과 DC 전류를 AC 전압과 AC 전류로 변환하는 장치로서 ‘전력변환장치’에 포함되는 많은 구성요소 중 하나이지만 본 지침서에서는 태양전지 셀에서 생산된 직류를 교류로 변환하는 장치로 정의한다.

3.8 단락전류
태양광 전지 셀 또는 모듈의 출력단자를 단락할 때 양 단자 간에 흐르는 전류를 말한다.
※비고 ① 개방전압(open circuit voltage): 특정한 온도와 일조 강도에서 부하를 연결하지 않은 개방 상태의 태양광 발전설비 양단에 걸리는 전압
② 최대출력(peak power): 태양전지 셀 모듈의 직류전압 특성 곡선 상에서 전류와 전압의 곱이 최대로 되는 점에서의 출력
③ 역류 방지소자(blocking device): 태양전지 모듈, 태양전지 패널, 태양전지 소어레이 또는 어레이에 대한 전류의 역류를 방지하기 위하여 어레이의 끝에 직렬로 삽입된 소자
④ 바이패스 소자(bypass device): 부분적인 그늘, 태양전지 모듈 내의 트러블에 의한 전체 출력저하 태양전지 모듈 등의 발열 또는 소손방지를 위해 1개 또는 복수 개의 병렬로 접속된 소자를 말한다.

3.9 연계(interconnection)
분산형전원을 한전계통과 병렬운전하기 위하여 계통에 전기적으로 연결하는 것을 말한다.
※비고 ① 연계 시스템(interconnection system)이란 분산형전원을 한전계통에 연계하기 위해 사용되는 모든 연계 설비 및 기능들의 집합체를 말한다.
② 접속점이란 접속설비와 분산형전원 설치자 측 전기설비가 연결되는 지점을 말한다. 한전계통과 구내계통의 경계가 되는 책임한계점으로서 수급지점이라고도 한다.

③ 분산형전원 연결점(Point of DR Connection)이란 구내계통 내에서 검토 대상 분산형전원이 존재하거나 연결될 수 있는 지점을 말한다. 분산형전원이 해당 구내계통에 전기적으로 연결되는 분전반 등을 분산형전원 연결점으로 볼 수 있다.
[그림 2] 연계 개략도

3.10 경사각
태양전지 모듈 또는 어레이를 설치할 때 수평면 지면과 모듈 면이 이루는 각도를 말한다.

3.11 접속함
내부에 보호 소자를 달 수 있는 회로가 전기적으로 연결되어 있는 밀폐시킬 수 있는 구조의 함을 말한다.

4. 검사 및 점검 기준
4.1 확인사항
a) 공사계획 인가 또는 공사계획신고 내용과 일치여부를 확인한다.
b) 계통연계방식 및 발전설비 용량을 확인한다.
c) 태양전지의 각종 규격(개방전압, 단락전류, 최대출력 등)을 확인한다.
d) 시험성적서 확인대상 기기의 시험성적서를 확인한다.

4.2 외관점검
4.2.1 태양전지 외관
a) 태양전지의 변색, 파손 및 오염여부를 확인한다.
b) 태양전지와 지지대의 전기적 접속(등전위본딩) 상태를 확인한다.
c) 단자대의 누수, 부식 및 절연재 손상여부를 확인한다.

4.2.2 기타설비 외관
a) 접지선 접속 상태를 확인한다.
b) 배전반, 접속함 등 외함의 부식 및 파손여부를 확인한다.
c) 배선 손상여부 및 접속 상태를 확인한다.
d) 인버터의 통풍(통기공, 환기필터 등)상태를 확인한다.
e) 인버터 운전 시 이상음, 진동 및 이상냄새 발생여부를 확인한다.

4.3 지지대 및 부속자재
a) 태양전지판 지지대, 기초지지대에 포함된 철판부위 및 볼트·너트류는 용융아연도금처리 또는 동등 이상의 부식방지처리하고, 절단가공 또는 용접부위에도 방식처리하는 것이 좋다.
b) 태양전지 모듈의 지지물은 자중, 적재하중, 적설, 풍압, 지진 등 기타 진동과 충격에 대하여 안전한 구조로 시설하여야 한다.

4.4 태양전지(PV) 모듈 등의 설치
4.4.1 태양전지 모듈 설치
a) 충전부가 노출되지 않도록 시설하여야 한다.
b) 태양전지 모듈의 프레임은 지지물과 전기적으로 완전하게 접속하여야 한다.
c) 태양전지 모듈은 지지대에 견고하게 부착하여야 한다.
※비고: 고정식 태양광발전설비는 일사량에 따라 전류변동이 크게 되므로 모듈각도는 30°가 가장 적합하다.
d) 태양전지 모듈 뒷면으로 태양광 유입 최소화 및 통풍이 가능하도록 시설하는 것이 좋다.
※비고: 태양전지판의 온도상승은 발전량 감소 원인이 된다.
e) 태양전지 모듈과 모듈 사이 및 모듈과 지지물 외곽 사이를 밀실하게 접합하여 빗물과 눈을 차단할 수 있도록 시설하였는지 확인하는 것이 좋다.

4.4.2 태양전지 모듈 간의 배선(스트링 케이블)
a) 태양전지판 모듈과 모듈을 연결하는 전선(스트링 케이블)은 공칭단면적 2.5㎟ 이상의 연동선 또는 동등 이상의 세기 및 굵기의 전선으로 배선하여야 한다.
b) 태양전지 모듈과 개폐기 그 밖의 기구에 전선을 접속하는 경우에는 나사 조임이나 이와 동등 이상의 효력이 있는 방법에 의하여 견고하고 또한 전기적으로 완전하게 접속함과 동시에 접속점에 장력이 가해지지 아니하도록 시설하여야 한다.
c) 태양전지 모듈간의 직렬접속(스트링 구성)은 단락전류가 동일한 모듈로 접속하는 것이 좋다.
d) 태양전지판의 배선은 바람에 흔들리지 않도록 지지대에 케이블 타이 등으로 단단히 고정하는 것이 좋다.

4.5 접속단자함
4.5.1 접속단자함 설치
접속단자함을 시설하는 경우 다음 각 호에 의해 시설하는 것이 권장된다.
a) 접속단자함은 쉽게 점검 가능한 은폐장소 또는 점검 가능한 전개된 장소에 시설할 것.
b) 외함의 구조는 함(函) 내에 있는 기기의 최고허용온도를 초과하지 않는 구조일 것.
c) 접속단자함 내에는 필요한 경우 피뢰소자 등을 시설할 것.
d) 접속단자함을 옥측 또는 옥외에 시설할 경우 물이 스며들어 고이지 않는 방수, 방진형(IP44)이고, 방청처리한 것을 시설하여야 한다.

4.5.2 태양전지 직렬군(스트링)의 병렬접속
a) 1대의 인버터에 접속되는 태양전지 직렬군(스트링)을 2 이상 병렬 접속할 경우 직렬군의 출력 전압이 동일한 것이 좋다.
b) 접속단자에 접속 시 같은 극성(P, N)끼리 접속하는 것이 좋다.

4.5.3 개폐기(과전류차단기)의 시설
a) 태양전지 모듈 직렬군(스트링)에 접속한 태양전지 DC 주 케이블의 가까운 곳(접속단자함)에 부하전류를 개폐할 수 있는 개폐기(차단기)를 시설하여야 한다.
※비고: 개폐기는 MCCB, Fuse 등이 사용된다.
b) 태양전지 모듈 직렬군(스트링)을 병렬 접속한 접속점 이후의 간선에 단락이 생긴 경우에 전로를 보호하는 과전류차단기를 시설하여야 한다.
c) 과전류차단기는 이를 시설하는 곳을 통과하는 단락  전류를 차단하는 능력을 가지는 것을 시설하여야 한다.

4.5.4 역전류 방지 다이오드 시설
a) 1대의 인버터에 접속되는 태양전지 직렬군(스트링)이 2병렬 이상 접속될 경우, 각 직렬군에 역전류방지 다이오드 설치 여부와, 극성이 바르게 접속되었는지 확인한다.
b) 역전류방지 다이오드의 정격은 모듈 단락전류의 2배 이상이며, 정격을 확인할 수 있도록 표시하였는지 확인한다.

4.5.5 서지 보호장치(SPD : Surge Protective Device) 시설
낙뢰, 개폐서지 등에 의해 발생하는 순간과전압으로부터 태양전지, 인버터 등의 각종 기기를 보호하기 위하여 접속함 내에 SPD를 설치하는 것이 좋다.

4.5.6 접속함 내부 결선도 및 휴즈 설치 예
접속함 내부 결선도 및 개폐기(휴즈) 설치 예를 [그림 3], [그림 4]로 들어본다.

[그림 3] 접속함 내부의 휴즈 설치 예
[그림 4] 접속함 내부 결선도 예

4.6 배선
a) 전선은 각 부분을 통과하는 태양전지(태양광발전설비)의 최대출력전류 이상의 허용전류를 가지는 굵기의 전선으로 배선하여야 한다.
b) 태양전지 모듈(스트링) 2차 배선은 극성별로 확인 가능하도록 극성(P, N)을 표시하여야 한다.
c) 배선공사방법은 합성수지관공사, 금속관공사, 가요전선관공사 또는 케이블공사 방법에 의하여 적정하게 시설하여야 한다.

4.7 전력변환장치
a) 전력변환장치(Inverter)의 용량은 태양전지 용량 이상이어야 한다.
※비고: 부득이한 경우 태양전지 용량은 전력변환장치의 105% 이하로 시설할 수 있다.
b) 옥내·옥외용을 구분하여 설치하였는지 확인한다.
c) 인버터에 접속하는 배선의 극성(+, -) 표시 상태를 확인한다.
d) 배전반(보호 및 제어)의 계기, 경보장치 등의 이상 유무를 확인한다.

4.8 교류회로 과전류차단기 시설
a) 태양광발전설비의 인버터 출력 측 전로(태양전지 공급 케이블)에 그 옥내간선을 보호하는 과류차단기를 시설하여야 한다.
b) 간선 보호용 과전류차단기의 정격전류는 그 간선의 허용전류 이하인 것을 시설하여야 한다.
c) 과전류차단기는 이를 시설하는 곳을 통과하는 단락전류를 차단하는 능력을 가지는 것을 시설하였는지 확인한다.

4.9 승압용 변압기
승압용 변압기 설치 시 그 용량은 태양광발전설비 용량 이상을 시설하였는지 확인한다.

4.10 계통연계 설비의 시설
4.10.1 저압 계통연계 시 직류유출방지 변압기의 시설
태양광발전전원을 인버터를 통하여 배전사업자의 저압 전력계통에 연계하는 경우 접속점과 인버터 사이에 상용주파수 변압기(단권변압기를 제외한다)를 시설하여야 한다. 다만, 다음 각 호를 모두 충족하는 경우에는 예외로 한다.
a) 인버터의 직류 측 회로가 비접지인 경우 또는 고주파 변압기를 사용하는 경우
b) 인버터의 교류출력 측에 직류 검출기를 구비하고, 직류 검출 시에 교류출력을 정지하는 기능을 갖춘 경우

4.10.2 단락전류 제한장치의 시설
태양광발전전원을 전력계통에 연계하는 경우 전력계통의 단락용량이 다른 자의 차단기의 차단용량 또는 전선의 순시허용전류 등을 상회할 우려가 있을 때에는 한류리액터 등 단락전류 제한장치를 시설하여야 하며, 이러한 장치로도 대응할 수 없는 경우에는 그 밖에 단락전류 제한대책을 강구하여야 한다.

4.10.3 계통연계용 보호장치의 시설
a) 태양광발전전원을 계통에 연계하는 경우 다음 각 호의 1에 해당하는 이상 또는 고장 발생 시 자동적으로 태양광발전전원을 전력계통으로부터 분리하기 위한 장치를 시설하여야 한다.
1) 태양광발전전원의 이상 또는 고장
2) 연계한 전력계통의 이상 또는 고장
3) 태양광발전설비의 단독운전 상태
b) 연계한 전력계통의 이상 또는 고장발생 시 태양광발전전원의 분리시점은 해당 계통의 재폐로 시점 이전이어야 하며, 이상 발생 후 해당 계통의 전압 및 주파수가 정상 범위 내에 들어올 때까지 계통과의 분리 상태를 유지하는 등 연계한 계통의 재폐로 방식과 협조하는 시설을 하여야 한다.
c) 단순 병렬운전인 경우에는 역전력계전기를 설치하여야 한다.
※비고: 신·재생에너지를 이용하여 동일 전기사용장소에서 전기를 생산하는 합계 용량이 50㎾ 이하의 소규모 분산형 전원으로서 단독운전 방지기능을 가진 단순 병렬로 연계하는 경우에는 역전력계전기 설치를 생략할 수 있다.

[표 1] 접지공사의 종류

4.10.4 특고압 송전 계통연계 시 분산형전원 운전제어 장치의 시설
태양광발전전원을 송전사업자의 특고압 전력계통에 연계하는 경우 계통안정화 또는 조류억제 등의 이유로 운전제어가 필요할 때에는 그 분산형전원에 필요한 운전제어 장치를 시설하여야 한다.

4.11 접지시설
a) 전로에 시설하는 기계기구의 철대 및 금속제 외함에는 다음 [표 1]에 따라 측정하여 접지저항 값 이하이어야 한다.
b) 제 3종 또는 특별 제 3종 접지공사의 접지선 굵기는 최소 단면적 2.5㎟ 이상의 연동선 또는 이와 동등 이상의 세기 및 굵기의 전선으로서 고장 시 흐르는 전류를 안전하게 흘릴 수 있는 것으로 시설하여야 한다.
※비고: 접지선 굵기를 결정할 경우에는 다음의 식에 따라 산정할 수 있다.
① 접지선 단면적 A = 0.0496×In(㎟)으로 산정할 수 있다. 여기서 In은 교류 입력 과전류차단기의 정격전류(A)이다.
② 다만 접지극이 전용의 접지극이고 그 접지극이 제 2종 접지공사의 금속체 등으로 연결되지 아니한 경우에는 ‘①’의 산정 값이 동선 기준 16㎟를 넘더라도 동선 16㎟의 것을 사용할 수 있다.

[표 2] 절연저항 값

5. 시험 및 측정
5.1 개방전압(VOC) 측정
접속함에서 태양전지 어레이의 각 스트링의 개방전압을 측정하여 개방전압의 불균일 발생여부를 확인한다.
※비고 ① 측정방법은 기준 일사량 및 온도 조건하에서 회로를 개방하고 두 단자(P, N)간 측정한다.
② 태양전지의 모듈의 불량 또는 모듈간의 접속불량 등이 발생하면 개방전압 전압 측정치가 불균일할 수 있다.

5.2 직류회로의 절연저항 측정
접속함에서 태양광전지 스트링의 양극과 음극을 단락시키고, 이 부분(DC전로)과 대지(접지) 간에 500V 또는 1,000V Megger로 절연저항을 측정하여 [표 2]의 기준 값 이상 유지하여야 한다.

5.3 제어회로 및 경보장치 시험
각종 보호계전기 제어기능 등을 모의(수동) 동작시켜 차단 및 경보상태를 확인한다.

5.4 역방향운전 제어시험
태양광발전에서 발전하지 못하거나 발전한 전력이 부하공급에 부족할 경우, 부족한 전력을 계통으로부터 공급 가능여부를 확인한다.

5.5 단독운전 방지시험
한전선로 정전 시 배전선로에 역송되지 않도록 태양광발전설비만 단독운전 방지기능에 의한 계통연계 차단기 차단여부를 확인한다.

5.6 절연내력시험
5.6.1 태양광전지 모듈
태양광전지 모듈은 최대사용전압의 1.5배의 직류전압 또는 1배의 교류전압(500V 미만일 경우에는 500V)을 충전부와 대지 사이에 연속하여 10분간 가하여 절연내력시험을 하였을 때에 견디어야 한다.

5.6.2 고압이상 전로 및 변압기
고압 및 특고압 전로, 변압기는 [표 3]에서 정한 시험전압을 피시험 전로 변압기(전로)와 대지 사이에 연속하여 10분간 가하여 절연내력시험 하였을 때 견디어야 한다.

[표 3] 케이블 등 전로의 절연내력 시험전압