태양광발전 설비의 뇌해 대책

에너지 절약에 대한 관심이 높아지는 가운데 상업 시설이나 주택지에서도 태양전지 패널을 많이 볼 수 있게 됐다.
재생 가능 에너지로 주목을 크게 받고 있는 태양광발전은 앞으로도 증가하겠지만 태양광발전 설비는 그 성질상 건축물 옥상이나 주위에 장해물이 없는 장소에 설치되는 경우가 많아 직격뢰 및 유도뢰의 영향을 크게 받는다.
이번 특집에서는 태양광발전 설비의 뇌해 발생 상황과 피해 사례, 대책 방법, 향후 과제에 대해 소개한다.

쿠도 다케시(工藤剛史) 오토와전기공업


태양광발전 설비의 뇌해 발생 상황
신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)가 태양광발전 시스템의 뇌해 상황을 조사했다.
NEDO가 실시한 태양광 필드 테스트에서 뇌해 발생률은 약 1~2%이지만 만일 앞으로 피해 발생률이 일정하더라도 태양광발전 설비 도입이 증가함에 따라 피해 발생 건수는 증가할 것으로 예상된다.
NEDO 보고서에 따른 피해 비율을 표 1에 나타낸다.



피해 건수가 많은 부위는 계측 시스템과 파워 컨디셔너(PCS)를 포함하는 부위에 집중됐고 피해 원인의 대부분은 유도뢰 때문인 것으로 파악된다. 오토와전기공업에 상담된 뇌해 사례를 보더라도 계측 시스템, 표시장치, 파워 컨디셔너가 압도적으로 많다.
피해 금액별로 보면 파워 컨디셔너를 포함할 경우에 피해금액이 커졌다. 파워 컨디셔너는 장치 자체가 비싸고 뇌해를 받기 쉬운데다 피해 금액도 크기 때문에 특히 뇌해 대책이 필요한 기기이다. 피해가 발생한 거의 모든 경우 태양전지 어레이(태양전지 패널 집합체)가 옥상에 설치됐다는 조사 결과가 나 왔다.
이 결과를 보면 옥상이나 지붕에 설치했을 경우에는 지상에 설치했을 경우에 비해 낙뢰의 영향을 받기 쉬운 것으로 추측된다.

태양광발전 설비의 뇌해 발생 원인
태양광발전 설비는 일반적인 발전 설비와 마찬가지로 뇌격에 의한 물리적 파손, 접지간 발생하는 전위차, 공간에 발생하는 전자적 영향에 의한 과전압으로 피해가 발생한다.
그림 1과 그림 2에서는 부근에 낙뢰가 발생했을 경우 태양광발전 설비에 대한 뇌해 발생 원인의 개요를 나타낸다.






(1) 접지간 전위차
태양전지 어레이를 비롯해 태양광발전 설비를 구성하는 장치의 대부분은 옥외에 설치돼 있고 장치마다 C종 접지극이나 D종 접지극과 같이 다른 접지극을 갖고 있다.
태양전지 어레이 가대나 접속함은 멀리 떨어져 있는 접지극과 공통화 하는 경우가 많지만 가대나 케이스는 사실상 접지된 상태에 있다.
또한 계통 연계돼 있을 경우에는 수변전 설비로부터 배전선에도 접속해 있어 수변전 설비에 A종 접지극, B종 접지극 등이 존재한다.
낙뢰가 발생했을 때 개별 접지간에 전위차가 발생하고 장치에 과전압이 가해져 내전압을 초과했을 때 피해가 발생한다.
각 장치 사이에는 접지선이 접속돼 외관상으로는 등전위화가 이루어진 것처럼 보이지만 배선 거리가 길면 서지 전반 속도와 접지선 인덕턴스 등의 영향을 무시할 수 없어 완전한 등전위화는 어렵다.

(2) 유도 루프에 의한 과전압 발생
유도전압은 외부 뇌보호 시스템을 흐르는 뇌전류나 부근의 낙뢰로 인해 공간에서 전자계 변화가 발생하고 전원선·통신선·접지선으로 구성되는 루프 회로를 통과하는 전자계 변화의 영향으로 인해 발생한다.
태양광발전 설비는 건물 내의 전기전자 시스템에 비해 각 장치나 배선의 대부분이 옥외에 있기 때문에 전자계 변화의 영향을 강하게 받는다. 유도 루프에 의해 발생된 과전압이 각 장치에 가해져 피해가 발생한다.

(3) 각 장치의 피해 원인
그림 3에 나타내는 바와 같이 파워 컨디셔너에는 AC 전원, 태양전지 어레이로부터의 DC 전원, 계측 시스템에 대한 신호선, 전원 감시장치에 대한 신호선 등 많은 금속선이 접속돼 있다.



접속부에도 장치가 점재해 있기 때문에 낙뢰로 인한 유도 루프의 영향을 강하게 받고 뇌서지로 인해 각 장치와의 사이에 전위차가 발생하는데 이것이 피해 발생이 많은 원인이다.
계측 시스템 역시 이 같은 원인을 생각할 수 있다. 계측 시스템 장치는 접속함이나 파워 컨디셔너에 비해 장치의 내전압이 낮을 것으로 추측되는데 이 또한 피해가 심한 한 원인이다. 사진 1은 부근에 발생한 낙뢰로 인해 파워 컨디셔너 내부의 기판이 소손된 피해 사례 모습이다.



이상과 같이 접지간의 전위차나 유도 루프에 의한 유도 전압은 낙뢰의 위치나 전류값·전류 파형의 차이로 따라 영향을 받는 장소나 영향의 크기가 달라지는데 각 장치에 침입하는 뇌서지 루트는 크게 3가지로 집약된다.
① 전원선(AC/DC)
② 신호선
③ 접지
위의 3가지 침입 루트가 많은 장치는 뇌해 리스크가 크므로 뇌서지 침입 루트에 대해 적절한 대책을 세운다.

태양광발전 설비의 뇌해 대책
태양광발전 설비에는 설치 장소·수전 방법·수뢰부 시스템의 유무 등 다양한 형태가 있는데 다음과 같은 조건일 경우의 기본적인 대책을 그림 4에 나타낸다.




●외부 뇌보호 시스템에 의한 태양전지 어레이 등의 보호로 안전 이격거리가 유지된다.
●태양전지 어레이와 접속함 및 파워 컨디셔너가 떨어져 있다.
●고압 수전설비에서 계통 연계돼 있다.
기본적인 대책 내용을 보면 각 장치의 뇌서지 침입 루트인 금속선에 대해 각 장치의 바로 옆에 SPD(Surge Pro-tective Device)를 설치해 과전압을 억제하는 동시에 접지선을 접속해 각 장치간에 발생하는 전위차 및 유도 루프의 영향을 억제한다. 이하에서는 구체적인 대책 내용에 대해 설명한다.

(1) SPD 선정
피뢰침 등의 외부 뇌보호 시스템이 없을 경우나 외부 뇌보호 시스템과 안전 이격거리가 확보됐을 경우에는 직격뢰의 부분 뇌전류가 흘러들지 않기 때문에 유도뢰에 대응하는 Ⅱ등급 SPD (전원용), 카테고리 C2 SPD(신호용)를 설치한다.
단, 수뢰부 시스템과의 안전거리를 확보할 수 없어 외부 뇌보호 시스템과 등전위 본딩을 했을 경우에는 부분 뇌전류가 흘러들기 때문에 직격뢰 에너지에 대응하는 Ⅰ등급 SPD(전원용), 카테고리 D1 SPD(신호용)가 필요하다.
뇌보호 성능으로는 각 장치의 임펄스 내전압보다 낮은 전압 방호 레벨업을 지닌 SPD를 설치한다.
예를 들면 일본전기공업회규격 JEM 1493 ‘태양광발전 시스템용 접속함 및 집전함’에 정격전압 60V~450V 이하의 낙뢰 임펄스 내전압은 5.0kV로 돼 있다.
일반적인 저압 전원설비와 태양광발전 설비의 다른 점은 DC 전원이라는 점이다.
하지만 SPD 동작에 수반하는 속류(續流)가 발생하지 않거나 속류를 확실하게 차단할 수 있어야 한다. 그러므로 속류가 발생하지 않는 산화아연형 SPD가 바람직하다.

(2) SPD 설치
그림 4에 나타내는 바와 같이 태양전지 어레이와 접속함, 파워 컨디셔너가 떨어져 있을 경우에는 각각에 접속되는 금속선의 입출력부에 SPD를 설치한다. 각각의 SPD는 각 장치의 바로 옆에 설치하고 SPD까지의 배선 거리를 짧게 한다.
사진 2에 나타내는 바와 같이 접지선의 여장 처리로서 코일처럼 감겨 있는 예를 현장에서 때때로 보게 되는데 여장을 길게 잡기도 하고 코일 형태로 감음으로써 인덕턴스 성분이 증가해 접지선에 발생한 과전압이 장치에 가해지기 때문에 SPD가 제대로 효과를 발휘하지 못한다.



그림 5에서는 접속함에 SPD를 설치할 경우 주의할 사항을 나타낸다.



접속함에 서지가 침입하는 경로는 DC 전원(① 태양전지 어레이 측·②파워 컨디셔너 측)과 접지선을 생각할 수 있다.
접속함 내에서는 회로에 역류 방지 다이오드가 직렬로 접속돼 있기 때문에 그림 5⒜에 나타내는 바와 같이 DC 전원 ①과 ②의 쌍방에 SPD를 설치해 ①, ②로부터 침입하는 뇌서지를 확실하게 바이패스시킨다.
그림 5⒝에 나타내는 바와 같이 DC 전원 ②에만 SPD를 설치했을 경우 장치간에 전위차가 발생하는 상황에 따라서는 SPD가 동작하고 역류 방지 다이오드에 과전압이 가해져 역내압을 초과해 고장이 나는 경우가 있다.
그리고 그림 5⒞에 나타내는 바와 같이 DC 전원 ①에만 SPD를 설치했을 경우에는 SPD가 동작해 역류방지 다이오드를 서지 전류가 통과하고 열적 영향으로 인해 고장 나는 경우가 있다. 그러므로 역류 방지 다이오드에도 내서지 성능이 있는 것을 사용한다.
접속함에 피뢰 소자가 실장된 것을 가끔 보는데 피뢰 소자의 접속 위치에 따라서도 같은 문제가 일어날 수 있다. 각 장치의 배치 상황에 따라 과전압 억제뿐만 아니라 SPD에서 처리한 뇌서지 전류가 흐르는 방향에도 주의할 필요가 있다.
그림 5⒟에 나타내는 바와 같이 사실 태양전지 어레이에서 접속함으로 배선되는 DC 전원의 가닥수가 많아 대책을 실시하는 데 많은 비용이 든다.
이와 같은 문제를 해결하려면 그림 5⒟에 나타내는 바와 같이 접속함을 가대와 확실하게 본딩해 태양전지 어레이와의 사이에 전위차가 발생하지 않도록 해야 한다.

(3) 접지 대책
각 장치 사이를 접지선으로 접속할 때 전원선과 통신선을 따라 배선함으로써 유도 루프의 영향을 줄여 장치간에 발생하는 전위차를 억제한다.
그림 4에 나타내는 바와 같이 보안용 접지인 A종 접지, C종 접지, D종 접지는 직접 접속할 수 있으나 B종 접지는 사고 발생 시의 지락 전류를 고려해 접지간 본딩용 SPD를 개재해 접속한다.

대책 사례
여기서는 특히 뇌해 발생이 많아 피해액이 큰 파워 컨디셔너의 뇌해 대책 사례를 소개한다.
그림 6에 대책의 개요를 나타낸다. 그림과 같이 파워 컨디셔너에 접속하는 모든 전원선·통신선에 SPD를 설치했다.



대상은 AC 전원, DC 전원, 각종 신호(계측, 데이터 전송, 연동, 계통 분리)이다. SPD는 파워 컨디셔너를 수용하는 제어반 내에 설치하고 SPD로의 배선 길이가 짧은 위치에 배치하고 본딩용 바에 접속했다.
이 대책을 실시한 시설에서는 외부 뇌보호 시스템과의 안전 이격거리를 확보할 수 있기 때문에 사용하는 SPD는 유도뢰 대응(전원 : Ⅱ등급 SPD, 신호 : 카테고리 C2 SPD)을 선정했다.
DC 전원의 SPD 동작으로 인한 속류의 대응책으로는 속류가 발생하지 않는 산화아연형 SPD를 사용하고 메인티넌스성을 고려해 열화 표시 기능이 있는 타입을 사용하는 동시에 전원용 SPD 앞에 점검용 MCCB를 설치했다.
신호용 SPD에 대해서는 각종 신호에 각각 대응하고 종류가 다른 SPD 사이에서 보호 성능에 큰 차이가 나지 않도록 SPD를 선정했다.
그리고 접지에 대해서는 파워 컨디셔너의 접지 접속처를 수정하고 본딩용 바로 접속처를 바꿨다.
그림 7에 AC 및 DC 전원용 SPD 설치 사례를 나타내고 그림 8에서는 각종 신호용 SPD 설치 사례를 나타낸다.






본 시설에서는 파워 컨디셔너 이외의 개소에서도 뇌해 대책을 실시했는데 지면 관계상 생략한다.
빠른 속도로 보급되고 있는 태양광발전 설비와 관련해 국내외에서 뇌보호에 관한 규격이 순차적으로 정비되고 있다.
예를 들면 국제전기표준회의(IEC)의 IEC 60364-7-712와 유럽전기표준회의(CENELEC)의 CLC/TS 50539-12 : 2010에서는 태양광 설비용 SPD의 선정과 적용방법 등에 대해, 그리고 일반주택을 가상한 DC/AC 계통의 뇌보호에 대해 정했다. 그러나 대규모 발전소를 포함한 태양광발전 시스템 전체의 뇌보호에 관한 국내외 규격은 여전히 정비되지 않은 상황이고, 각 장치의 내뢰(耐雷) 성능에 대해서도 서둘러 규격화됐으면 한다.
앞으로는 태양광발전 시스템 전체의 뇌보호 규격과 관련 규격이 정비돼 안전하고 효과적인 뇌보호 시스템이 구축되기를 기대한다.


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