PV 시스템의 DC 접지 결함이 너무 늦기 전에 감지해야 하는 숨겨진 위험인 이유에 대해 알아보십시오. PV 시스템에서 사각 지대를 찾으십시오. 태양광 접지 결함 문제를 해결하십시오.
DC 접지 결함은 PV 시스템에서 가장 일반적인 결함 유형이며 이중 절반은 감지되지 않습니다. DC 접지 결함은 DC 전원을 전달하는 회로(인버터 이전)에서 장비의 접지 도체를 통해 전류가 흐르는 바람직하지 않은 상태입니다. 접지 결함은 아크 결함, 전압이 높은 경우 아크 섬광으로 이어지는 등 심각한 안전 상의 문제를 일으킬 수 있습니다. 안전 위험 외에도 접지 결함이 있으면 단락 회로 전류에 의해 나금속(bare metal)이 가열되기 때문에 화재로 이어질 위험이 있습니다.
DC 접지 결함을 더 잘 이해하기 위해 몇 가지 용어를 검토하고 PV 시스템을 살펴 보겠습니다.
미국 전기 규범에서는 접지를 다음과 같이 정의합니다.
- 장비 접지 도체(EGC) = "지락 전류 경로를 제공하고 장비의 일반적으로 전류가 흐르지 않는 금속 부분을 시스템 접지 도체 또는 접지 전극 도체 또는 둘 다에 연결하는 전도성 경로.”
- 접지 전극 도체(GEC) = "시스템 접지 도체 또는 장비를 접지 전극 또는 접지 전극 시스템의 한 지점에 연결하는 데 사용되는 도체."
- 접지 도체 = "의도적으로 접지된 시스템 또는 회로 도체."
그림 1: 음극으로 접지된 PV 시스템(DC 측)
EGC는 모든 전도성 부품(모듈, 랙)을 함께 결합하고 GEC로 가는 경로를 제공하는 데 사용됩니다. GEC는 EGC, 그리고 전체 시스템을 접지 전극에 연결합니다. 접지 전극은 최소 8피트 깊이의 지면으로 유도된 큰 금속 막대입니다. 일반적으로 구리, 알루미늄 또는 구리를 입힌 알루미늄 소재입니다.
DC 접지 결함이 있으면 EGC 또는 접지 도체와의 의도치 않은 접촉으로 인해 접지된 금속 조각을 통해 전류가 흐릅니다. 이러한 접촉은 일반적으로 도체 절연 손상, 부적절한 설치, 전선 끼임, 그리고 도체와 EGC 사이에 전기 연결 경로를 만들 수 있는 물(수분)의 존재로 인해 발생합니다.
DC 접지 결함은 왜 위험할까요?
DC 접지 결함은 대규모 PV 시스템에서 감지하지 못하는 경우가 많기 때문에 특히 위험합니다. 접지 결함 보호(GFP) 장치는 접지 결함에서 소량(< 1A)의 전류 누출을 감지하지 못하며, 이를 '사각지대'라고도 합니다.
더 큰 전류로 인해 두 번째 결함이 발생하면(이때 GFP가 회로를 트립함) 초기 DC 접지 결함이 대규모 전류를 전달하는 병렬 경로가 됩니다. 2009년 캘리포니아, 베이커즈필드 화재 사고에서도 이와 같은 일이 벌어졌습니다. 383kW PV 어레이에서 화재가 시작되었는데 12 AWG 도체의 초기 2.5A 접지 결함으로 인해 대형 500 MCM(7.7 AWG) 출력 케이블에서 확장 조인트가 분리되면서 두 번째 311A 접지 결함이 발생했습니다. GFP가 두 번째 접지 결함을 해결하는 동안 감지되지 않은 첫 번째 접지 결함 지점을 통해 고전류가 되돌아가 도체의 절연체가 빠르게 녹으면서 화재가 발생했습니다.
DC 접지 결함을 감지, 진단, 완화하는 방법
앞서 언급한 바와 같이, 특히 대규모 PV 시스템에서는 DC 접지 결함을 감지하기 어렵습니다. DC 접지 결함이 GFP 장치의 최소 감도보다 낮은 경우가 많기 때문입니다. DC 접지 결함을 감지하는 기법으로는 절연 저항 모니터링 및 잔류 전류 감지기(RCD)가 있습니다. 매일 아침 절연 저항 모니터를 통해 접지 저항을 측정하는 접지 테스트를 수행하는 것이 좋습니다. 이 작업은 어레이가 개방 회로 상태일 때 수행해야 합니다. 이 테스트에서는 절연 저항이 최소 저항보다 높고 시스템을 시작할 수 있는 상태 또는 절연 저항이 최소 저항보다 낮은 상태(이 경우 절연이 손상되어 접지 결함 가능성이 있음)를 확인할 수 있습니다. RCD를 어레이 도체에 배치하여 접지 결함을 나타내는 비정상적인 전류를 측정할 수도 있습니다.
진단 기법
인버터의 접지 결함 감지 인터럽터(GFDI)가 회로를 트립하더라도 접지 결함 원인을 찾기 어려울 수 있습니다. 따라서, 기술자는 먼저 연속성 테스트를 통해 GFDI가 끊어지는지 확인해야 합니다. 연속성 테스트는 멀티미터의 리드를 퓨즈의 금속 끝에 놓고 다이얼을 저항으로 돌리는 방식으로 수행됩니다. 저항이 높으면 퓨즈가 끊어졌다는 의미이며, 퓨즈를 교체해야 합니다. 그런 다음, 기술자는 도체에서 절연 테스터를 사용해 절연 저항 테스트를 수행해야 합니다. 이 테스트에서는 도체에 전압을 부가하여 와이어에 전류를 생성합니다. 그리고 이 전류를 측정하고 양호한 상태의 절연 기준값과 비교하여 절연 저항 상태를 결정합니다.
접지 도체와 EGC 또는 회로의 어느 지점에서나 금속 구성 요소 사이에 접지 결함이 발생할 수 있으므로 실제로 접지 결함의 원인을 식별하기란 매우 쉽지 않습니다. 접지 결함의 원인을 확인하려면 다음을 수행하십시오.
- 양극 및 음극 연결 도체를 제거하여 인버터를 어레이에서 분리해야 합니다.
- DC 차단 스위치를 닫아 도체에 활성 전압을 공급합니다.
- 양극 도체와 음극 도체 사이의 전압을 측정하여 어레이의 개방 회로 전압(OCV)을 확인합니다.
- 접지와 양극 및 접지와 음극에서 전압을 측정합니다.
접지 결함이 없는 경우 두 도체와 접지와의 전압이 0V여야 합니다. 두 도체 중 하나에 접지 측 전압이 존재하는 경우에는 어레이로 연결되는 모든 연결 지점(DC 차단 스위치, 컴바이너 박스)을 확인합니다. 결함이 발견되면 와이어를 교체하고 테스트 및 교체 기록을 보관합니다.
PV 시스템에서 DC 접지 결함 방지의 미래는 무엇입니까?
변압기가 없는(비절연) 인버터를 사용하여 DC 접지 결함을 방지할 수 있습니다. 이 인버터에는 1) 300mA만큼 낮은 오류를 감지할 수 있는 정밀한 전자 장치가 있고 2) 땅에 접지된 전도체가 없어 의도하지 않은 전류의 발생 가능성을 줄입니다. 전자기 유도를 통해 DC를 AC로 변환하는 대신, 변압기가 없는 인버터는 변환을 위한 전자 장치를 사용하며 철심을 통한 전기 절연 방식을 사용하지 않습니다. GFP 퓨즈가 있는 변압기를 사용하는 실제 접지 인버터와 달리, 이 인버터는 작은 접지 결함도 감지하여 회로를 효과적으로 트립할 수 있습니다. 점점 더 널리 사용되는 또 다른 전략은 모듈 레벨 전원 전자 장치(MLPE)를 사용하는 것입니다. 이 장치를 사용하면 개별 모듈의 전원을 차단할 수 있습니다.
DC 접지 결함의 성공적인 예방, 감지 및 진단은 PV 시스템에 대한 보다 큰 시운전 계획의 일부이며, 이 시리즈의 다음 기사에서 설명하려고 합니다.
전문가 소개
Michael Ginsberg는 태양광 전문가이자, 미 국무부의 교관이며, 저술가인 동시에 컬럼비아 대학교의 공학 박사입니다. 그는 Mastering Green의 최고 경영자이기도 하며, 전 세계적으로 태양광 PV 설비, 유지보수 및 가동 분야에서 거의 1,000명의 기술자들을 교육했습니다.