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[태양광발전시스템의 안정성 과제와 대책 3] 태양광발전시스템의 직류전기 사고대책 - 지락보호 및 아크보호
2015년 10월 1일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 10월호 - 전체 보기 )

[태양광발전시스템의 안정성 과제와 대책 3]
태양광발전시스템의 직류전기 사고대책
 - 지락보호 및 아크보호


태양광발전시스템(이하, PVS)에 기인하는 재해와 관련하여 유럽과 미국에서는 화재의 실례보고 및 원인해석, PVS의 직류부분에 관한 표준 개정, 화재예방 및 소방대원의 감전방지 가이드라인 책정 등 다양한 검토와 대책을 추진하고 있다. 일본 내에서도 현재 PVS의 도입량이 급속하게 증가하고 있어 대책이 시급한 실정이다. 일본 자원에너지청이 PVS의 전기적 안전성에 관한 가이드라인 작성에 착수하고, 도쿄 소방청이 화재위험 및 소방대원들의 감전에 대한 유의사항을 공표하는 등 PVS 직류전기의 안전 문제는 이제 행정 쪽에서도 인식되고 있다. PVS 직류부분에 관한 본 특집 기사는 △바이패스 회로(이하, 「BPR」) 개방 △지락 △아크라는 3가지 면으로 구성된다. 세 가지 모두 화재로 발전될 수 있는 중대한 근원 현상이기 때문이다. 본고에서는 PVS 화재의 미연방지를 위한 기술전략을 제시하고, 다음의 4가지 사항을 소개한다. ⑴근원 현상이 화재로 전이되는 기구(機構), ⑵화재 전이를 막기 위한 사고 차단 조건, ⑶대책장치의 시험제작 및 실증시험, ⑷기타 고려사항
 
PVS의 전기고장 모드와 사고 모드
PVS의 직류전기회로를 [그림 1]에 나타냈다. 먼저, 파워라인(전로)을 설명한다. 직렬 접속된 태양전지셀(결정계에서는 10~15cm 정도의 발전최소단위. 이하, 셀)에 BPR이 병렬 접속되어 태양전지 클러스터(이하, 클러스터)가 구성된다. 클러스터는 직렬 접속되어 태양전지 스트링(이하, 스트링)이 되고, 스트링이 병렬 접속되어 태양전지 어레이(이하, 어레이)가 형성된다. 또 전로 근방에는 외부 보호 장치가 배치된다. 고전압 스트링에서 저전압 스트링으로의 역전류 방지에는 역류 방지 다이오드가, 뇌서지 과전압을 피하기 위해서는 SPD(Surge Protective Device, 서지보호장치)가 각각 설치된다. 
다음은 접지이다. 모듈의 알루미늄 프레임·가대 등 모든 금속부는 등전위화되어 대지에 접속된다. [그림 1]에 이 상태를 회색 음영의 배경으로 나타냈다. 이는 접지의 면적(面的)인 전개 및 파워라인과의 접근성을 시사하고 있다. 접지는 전로가 아니다. 단, 지락 시 및 낙뢰 시 고장검출기능의 일부를 담당하기도 하고, 또 사고전류를 통과시키는 회로가 되기도 한다.
전기고장은 노드 접속 이상으로부터 발단된다. 또 고장을 사고로 발전시키는 것에는 단일현상에 의한 것과 복합현상에 의한 것이 있다. [표 1]에 두 현상을 비교했다. 이 표로부터 어떤 지락고장이 다른 지락고장과 병발하여 복합되면 어레이 전체의 대전력을 열원으로 하는 사고가 발생한다는 것을 알 수 있다


직류지락대책
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.


직류지락보호의 방향(지락검출의 요건)
일본의 PVS에서도 지락검출에 불감대(不感帶)의 존재가 보고되고 있어 미국과 같은 메커니즘에 의한 화재 가능성을 배제할 수 없다. 이에 따라 일본의 PVS에서도 제1고장의 단계에서 지락을 검출·제거할 필요가 있다.
이 목표를 달성하기 위해서는 이하의 3가지 속성을 갖춘 절연상태감시(절연감시)장치가 필요하다.

(A) 어느 전위에서 접지해도 검출 가능한 기능
(B) 고빈도의 절연감시기능
(C) 지락검출과 동시에 고장점을 표정하는 기능(위치 특정)

각 요건에 대해서는 아래에 설명한다.

(A): 미국의 화재사례는 대지와 등전위 개소에서의 지락도 간과해서는 안 된다는 것을 보여줬다.
 
(B): 필요한 절연감시의 빈도는 이하의 2가지 점으로부터 결정된다. 첫 번째는 제1고장에서 제2고장까지의 유예기간이다. PVS에서는 통상의 일반적인 설비(검출/계통분리에 의해 누전이 멈추는 설비)와는 달리, 유예기간 중에 제1고장이 검출·제거되어야 한다. 따라서 사람에 의한 점검은 불충분하다.
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.
 
지락검출장치의 시험제작 및 실증
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. 
더 나아가 모의지락이 아닌, 실제로 절연저하된 모듈을 포함하는 스트링의 절연저항을 1/10min의 빈도에서 측정했다. 절연저항치는 하루 동안 크게 변동했다. 그날그날에 얻어진 절연저항의 최저치를 [그림 9]에 나타냈다. 모듈의 절연저항치는 불안정하다는 것이 보고되고 있는데, 이 실증시험에서도 그러한 현상을 엿볼 수 있었다. 이상의 시험제작 및 실증시험은 절연상태 감시요건으로서 내세운 상기의 3가지 점에 대해 (A)와 (C)를 실증하고 (B)의 필요성을 보여주었다.


직류 아크 대책
직류 아크의 위험과 방지 대책
어레이는 일사가 있는 한 발전을 계속하기 때문에 화재가 발생하게 되면 낮에는 소화활동이 어려워진다. 또 어레이가 발생하는 전기는 직류이기 때문에 아크를 발생하기 쉽고, 소호(아크방전 소멸, Arc extinguishing, 消弧)시키기 어렵다. 예를 들면, Mount Holly에서 발생된 아크는 15cm나 되는 거리를 교락(橋絡, bridge)할 수 있었기 때문에 소손이 진행되어 아크의 장소가 이동해도 소호시키기 어려웠다고 한다.
물론 계획과 설계의 노력에 의해 방지할 수 있는 사고는 많다. 예를 들면 음극과 양극 각각을 다심선이 아닌 단선으로 배선하거나 SPD에서 화재 발생 시 외부에 불이 번지지 않도록 접속함 케이스를 금속제로 하는 등의 방법은 유효성이 높다. 또 계획 및 설계한 대로 PVS가 구축될 수 있게끔 시공관리를 철저히 하는 일도 중요하다.
아크에는 건축설비의 관점에서는 일반적으로 [표 3]에 나타낸 3종류가 있으며, PVS에서는 이들 모두가 발생할 수 있다.([표 1] 참조)


아크에 대한 대책법

Solar America Board for Codes and Standards는 Bakersfield 및 Mount Holly에서의 화재에 촉발되어 아크검출차단장치(이하, AFCI)를 제반 대책의 하나로 내세웠다. 또 2011년판의 National Electrical Code(이하, NEC)는 신설 PVS에 대한 AFCI 설치를 의무화했다. AFCI란 대상회로에서의 아크 유무를 감시하고 아크를 검출하게 되면 경보를 발함과 동시에 미리 정해진 동작(예를 들면 부하와 어레이 간의 개방)을 실시하는 장치이다. 아크 유무의 감시법으로는 전류 및 전압의 시간변동을 계측하고, 그 주파수 해석 결과를 토대로 판정하는 방법이 실용화되어 있지만, 그 알고리즘은 공개되고 있지 않다.
그러나 앞에서 AFCI가 유효할 것으로 기대되는 경우는 「직렬아크」뿐이다. 「지락아크」에서는 AFCI 동작 전 PCS로 향하던 전류가 고장점으로 집중되면서 사고 확대가 우려되며, 「병렬아크」에서는 단락고장이 AFCI와 PCS 사이에 발생할 때에만 유효하고 그 이외의 장소에서 발생할 경우에는 지락아크와 마찬가지로 사고의 확대가 우려된다.([그림 10] 참조)이에 따라 JX 닛코닛세키 에너지㈜에서는 아크 검출 시 아크 종류의 판별에 구애받지 않고 스트링의 중간을 기계적 접점에 의해 개방할 것을 제안했다. ([그림 10]의 하단 참조) 이 방법은 아크 종류를 불문하고 아크 종식의 목적을 달성한다.
또한, 절연불량에 의한 사고 발생에는 병렬·지락아크 외에 선간단락도 생각해볼 수 있는데 이 경우 선간전압의 저하를 감시하는 방법이 유용하다. 따라서 아크검출장치에 단락검출장치를 병용하는 것도 검토해 볼 만하다.

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