PV 시스템을 유지보수할 때 발생 가능한 3가지 주요 위험을 피하고, 더 안전하게 작업할 수 있는 방법을 알아보십시오. 안전한 작업 환경을 조성하는 방법과 취해야 할 제어 조치를 파악해야 합니다.
태양광 기술자는 태양의 복사 에너지를 전기로 변환하는 기술이 마법이 아니라는 점을 잘 알고 있습니다. 태양 에너지 안전을 지키려면 구체적인 전문성, 엄격한 안전 기준 및 노력이 필요합니다.
발전소 수준의 태양광 설비 설치에는 태양광(PV) 모듈 및 인버터에서 배터리 보관 및 측정에 이르기까지 빠르게 진화하는 기술이 사용됩니다. PV 시스템에서 전류는 전자 장치로 제한되지 않는 '야생' 상태의 요소입니다. 태양광 패널의 안전 주의 사항, 제어 조치, 모범 사례는 다른 에너지 발전 유형과 다릅니다. 태양광 안전에 관한 위험은 매우 중대하기 때문에 업무를 올바르게 처리할 수 있도록 기술자가 사용하는 도구를 설계해야 합니다.
이제 기술자가 접할 수 있는 PV 시스템에서 가장 일반적인 전기 위험 3가지와 함께, 이러한 위험을 줄이기 위해 취할 수 있는 구체적인 태양광 PV 안전 제어 조치를 살펴보겠습니다.
1. 전류가 흐르는 도체에서 발생하는 전기 충격 또는 감전
다른 전력 발전과 마찬가지로, PV 시스템은 의도하지 않은 경로로 전류가 인체를 통과할 때 전기 충격 및 감전의 위험을 야기합니다. 75mA의 낮은 전류도 심장을 지날 경우 매우 치명적입니다. 인체 저항은 약 600옴입니다. 옴의 법칙에 따라 전압(V)은 전류(I)와 저항(R)을 곱한 값입니다(V = IR).
120V에 노출될 경우 인체를 통과하는 전류의 양을 계산하려면 120V를 600Ω(I = V/R)으로 나누면 됩니다. 이때 값은 총 0.2A 또는 200mA입니다. 치명적인 한계인 75mA의 2.5배가 넘는 수치이므로 이러한 사고로부터 기술자 본인과 기술자 직원을 보호하는 것이 매우 중요합니다.
전기 충격은 일반적으로 부식된 케이블 및 연결부, 느슨한 배선 및 부적절한 접지에 의한 단락으로 인해 발생합니다. PV 시스템에서 이러한 결함 조건을 찾을 수 있는 주요 위치로는 컴바이너 박스, PV 소스 및 출력 회로 도체, 장비 접지 도체 등이 있습니다. 접지 도체는 접지 전극 도체 및 접지 전극을 통해 모든 금속 구성 요소를 하나로 결합하며, 마지막에 접지됩니다.
제어 조치: 빠른 시스템 차단
PV 스트링 시스템으로부터 생성되는 에너지는 태양의 조건에 따라 달라집니다. 엔지니어 및 기술담당자의 전기 충격 위험을 줄이기 위해 단락이나 정전 시 이러한 스트링을 차단할 방법이 필요합니다. 2017 미국 전기 규범(NEC)의 690.12 조항에서는 PV 어레이 경계 내부와 외부에서 PV 시스템의 '빠른 차단' 조치를 의무화했습니다. 이 규정의 690.2 조항에 따르면, PV 어레이 경계는 DC 또는 AC 생산 장치를 구성하는 지지 구조 및 기반, 추적기(tracker), 기타 구성 요소를 포함하는 모듈 또는 패널이 기계적으로 통합된 어셈블리입니다. 여기에는 경계 내에 있거나 건물 표면을 관통하는 지점에서 최대 3피트 떨어진 곳에 위치한 통제된 도체가 포함됩니다.
NEC는 2019년부터 다음과 같은 요구 사항을 더욱 엄격하게 적용하고 있습니다.
- PV 어레이 경계 내 모듈 및 노출된 전도성 부품에서 전압이 30초 이내에 80V로 줄어야 합니다.
- 어레이 경계 외부에 위치한 도체에서 전압은 30초 이내에 30V로 제한되어야 합니다.
서비스 차단 장치에 빠른 차단 장치가 있거나, 특수한 빠른 차단 스위치가 있어야 합니다. 전압을 줄이는 마이크로 인버터 및 전원 최적화 장치와 같은 모듈 레벨 전원 전자 장치에 의해 제어되는 시스템은 예외입니다. 노출된 전도성 부품이 없고 노출된 접지 전도성 부품에서 8피트 이상 떨어진 곳에 위치한 어레이는 이러한 지침을 따를 필요가 없습니다.
또한, 미국의 많은 관할 지역에서 루프탑 PV 어레이에 소방관이 시스템에 액세스할 수 있는 안전거리를 확보할 것을 요구하고 있습니다. 예를 들어, 캘리포니아 주택 화재 규정에 따르면 PV 모듈은 지붕의 융기부로부터 최소 3피트 이상 떨어져 있어야 합니다.
2. 화재를 일으키는 아크 결함
다른 전기 시스템과 마찬가지로 화재는 항상 잠재적 위험입니다. 가장 일반적인 원인 중 하나는 둘 이상의 도체 사이에서 높은 출력의 전기가 방전되는 전기 아크 결함입니다. 이렇게 방전될 경우 열이 발생하여 와이어 절연재 성능이 저하되고 이로 인해 불꽃이나 '아크'가 발생하여 화재로 이어질 수 있습니다.
PV 시스템은 도체의 연속성 장애로 인한 두 개의 직렬 아크 결함 또는 종종 접지 결함 때문에 두 도체 간 의도하지 않은 전류로 인한 병렬 아크 결함의 영향을 받습니다.
제어 조치: 아크 결함 회로 인터럽터
아크 결함은 단락 또는 접지 결함으로 이어질 수 있지만 회로 차단기 또는 접지 결함 회로 인터럽터(GFCI)를 작동시킬 정도로 세지 않을 수 있습니다. 아크 결함을 방지하려면 아크 결함 회로 인터럽터(AFCI) 콘센트 또는 AFCI 회로 차단기를 설치해야 합니다. AFCI는 낮은 수준의 위험한 아크 전류를 감지하고 회로 또는 콘센트를 차단하여 전기 화재를 유발하는 이러한 아크 결함 발생 가능성을 줄입니다.
NEC 690.11 조항에서는 두 도체 사이에서 80V DC가 넘는 수준으로 작동하는 PV 시스템을 나열된 PV AFCI 또는 이와 동등한 시스템 구성 요소로 보호하도록 의무화하고 있습니다. 보호 시스템은 PV 시스템 DC 회로의 도체, 연결 모듈 또는 기타 구성 요소의 의도된 연속성에서 장애가 발생하여 야기된 아크 결함을 감지할 수 있어야 합니다.
3. 폭발로 이어지는 아크 섬광
중간 및 높은 수준의 전압을 이용하는 대규모 PV 어레이는 아크 섬광에 취약합니다. 특히 기술자가 전류 출력을 높이기 위해 PV 소스 회로를 병렬로 결합한 활성 상태의 컴바이너 박스에서 결함을 확인할 때나, 중간에서 높은 수준의 전압을 이용하는 개폐기 및 변압기를 점검할 때 주의해야 합니다. 아크 섬광은 뜨거운 가스와 농축 복사 에너지를 태양 표면 온도의 최대 4배(최고 19,500°C(35,000° F))에 달하는 농축된 복사 에너지와 함께 뜨거운 가스를 방출합니다. DC 및 AC 도체 모두에서 아크 결함으로 많은 양의 에너지가 방전될 때 발생합니다.
아크 섬광은 400V를 초과하는 시스템에서 문제가 되므로, 일반적으로 최대 입력 전압이 500V인 가정용 인버터와 최대 입력 전압이 1,500V인 대형 인버터가 모두 위험합니다. 대규모 태양광 에너지 시스템이 등장하기 전에는 DC 전압이 100V 미만의 배터리를 사용하는 오프그리드 용도로 제한되었기 때문에 아크 섬광은 전적으로 AC 문제로 간주되었습니다. 미국 화재예방협회(NFPA) 표준 70E에서는 아크 섬광 위험 분석을 실시하고 100V가 넘는 DC 시스템에 대해 개인 보호 장비(PPE)를 사용하도록 규정하고 있습니다
제어 조치: AC 및 DC 측 완화
PV 시스템의 아크 섬광 완화는 DC(인버터 이전)와 AC(인버터 이후)로 구분됩니다. 대규모 태양열 어레이(100kW 이상)에서 DC 측 완화는 여러 개의 태양광 패널 스트링을 병렬로 결합하여 전류를 증가시키는 컴바이너 상자에서 특히 중요합니다. 아크 섬광 가능성을 줄이기 위해 대규모 시스템에서는 컴바이너 박스가 필요한 대형 중앙 인버터를 하나 또는 두 개 사용하는 대신 여러 스트링을 병렬로 연결할 수 있는 다중 스트링 인버터를 사용할 수 있습니다. AC 측 완화는 아크 저항 개폐기를 포함하며, 이 개폐기는 인클로저 상단을 통해 아크 섬광 에너지를 작업자와 장비로부터 멀리 이동시킵니다.
작업에 따라 태양광 PV 기술자를 위한 기본 PPE에는 장갑, 안전모 및 귀마개, 안전 장비, 아크 정격 보호복 및 Fluke 87V 산업용 멀티미터가 포함될 수 있습니다.
올바른 태양광 테스트 장비 선택
전기 위험으로부터 작업자와 PV 시스템을 보호하려면 안전한 작업 관행을 준수하고 이러한 잠재적 위험을 견딜 수 있도록 장비에 등급이 매겨졌는지 확인해야 합니다. 즉, 멀티미터, 테스트 리드, 퓨즈는 모두 작업 중인 용도에 맞는 정격 제품이어야 합니다. 다음은 몇 가지 기본 지침입니다.
- CAT 관련 장비: 해당 측정 범주(CAT 등급)와 작업의 전압 수준에 맞는 정격 미터를 선택합니다. 멀티미터는 평균 전압 수준, 고전압 스파이크, 그리고 전기 충격 또는 아크 섬광을 일으킬 수 있는 과도 현상을 견딜 수 있어야 합니다. 과전압 CAT III 1500V 시스템은 태양광 설비의 새로운 표준이 되고 있습니다. Fluke 393 FC True-RMS 태양광 클램프 미터는 태양광 설비와 같은 CAT III 환경의 절연 요구 사항을 만족하는 유일한 CAT III 1500V/CAT IV 600V TRMS 클램프 미터입니다. Fluke Connect™ 무선 기능을 갖추고 있어서 스마트폰으로 안전한 거리에서 측정 결과를 모니터링할 수 있습니다.
- 높은 고도에서의 고려 사항: 높은 고도의 PV 시스템에는 CAT III 및 IV 장비를 사용해야 합니다. 고도가 높을수록 공기의 절연 및 밀도가 낮아져서 냉각 능력이 떨어지기 때문입니다. 즉, 고도에 따라 절연체를 전기 전도체로 만드는 최소 전압을 나타내는 항복 전압(breakdown voltage)이 낮아집니다. 예를 들어, 도체 간 간격이 1cm인 경우 해수면에서의 항복 전압은 30kV, 50,000피트 높이에서는 1.2kV, 150,000피트 높이에서는 300V입니다.
- 고품질 테스트 리드: 디지털 멀티미터의 CAT 정격과 일치하거나 이를 초과하는 CAT 정격 테스트 리드를 선택합니다.
- 고에너지 퓨즈 교체: 고에너지 퓨즈는 항상 동일한 부품 품질과 동일한 암페어 등급의 퓨즈로 교체합니다. 고에너지 퓨즈는 퓨즈 폐쇄 중 전기 단락으로 생성된 전기를 억제하도록 설계된 제품입니다. 이러한 퓨즈는 생명을 보호하는 역할을 하며, 더 저렴한 일반 퓨즈로 교체해서는 안 됩니다.
- 프로브 및 프로브 액세서리: 금속과 금속이 의도치 않게 접촉하여 단락이 발생하는 것을 방지하려면 수축형 프로브, 프로브 팁 커버 또는 팁이 더 짧은 프로브를 사용해야 합니다
- 개인 보호 장비: 작업하는 전압에 따라 아크 정격 보호복, 장갑, 보안경 또는 고글, 청력 보호 장비, 가죽 신발 등 적절한 PPE를 착용합니다. 2018 NFPA 표준 70E 표 130.7(C)(15)(c)에는 PPE 범주의 전체 목록과 각 등급에 적합한 아크 정격 보호복이 나와 있습니다.
다음은 PV 시스템에서 보다 안전하게 작업하는 방법에 대한 몇 가지 주요 정보를 제공합니다. 전기 장비를 테스트하거나 정비할 때 모든 관련 안전 기준 및 규정, 제조업체 지침 및 회사의 안전 절차를 따르십시오.
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.