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[칼럼] 태양광발전설비 지락차단장치 설치 의무화에 따른 대응방안
연간 60건 이상 발생하는 화재 사고 예방 가능한 필수 설비

[피에스디테크놀러지스 강창원 공학박사/기술사] 우리가 살고 있는 가정집에서 전기를 제어하는 배전반을 열어보면 반드시 누전차단기가 설치되어 있다. 누전차단기는 감전이나 화재사고를 예방하기 위하여 반드시 설치하는 필수품이다.

태양광발전설비도 이와 같다. 그러나 아쉽게도 태양광발전설비에는 이러한 누전차단기(전문용어로 ‘지락차단장치’라 하기 때문에 이후 ‘지락차단장치’라 한다)를 설치하지 않고 사용하고 있다. 지붕에 설치하는 태양광발전설비를 예로 들면 전문가가 지붕에 올라가서 점검을 하기 어려운 환경이다.

반면 비, 바람, 눈, 자외선 등에 노출되어 있고 쥐, 고양이 등이 수시로 다닐 수도 있다. 다시 말해 매우 열악한 환경에서 수십 년을 사용해야 한다. 당연히 각종 사고나 화재가 끊임없이 발생할 수 있는 상황이다. 소방방재청 통계에 의하면, 최근 태양광발전설비 화재로 인해 소방서가 출동하는 건수가 연 60여건이 넘고 있다. 경미한 사고까지 합하면, 더욱 많은 화재나 사고가 발생하는 것이다.

태양광발전설비의 화재나 사고의 가장 기본이 되는 것은 지락사고이다. 지락사고란 전선 등이 시공불량, 절연열화 등에 의해 피복이 벗겨지거나 충전부가 노출되거나 습기에 의해 전기가 대지로 흐르는 현상이다. 그러나 대부분의 태양광발전설비에 대한 유지관리가 미흡하여 지락사고가 발생하는지 알 수도 없고 거의 방치되어 있는 실정이다. 따라서 이러한 누전이 지속되면 화재, 감전, 출력저하, 기기소손 등으로 이어지고 있다.

사진 1. 지붕 태양광발전설비에서 이중지락으로 인한 화재사례

이중지락사고로 인한 화재사례

<사진 1>은 2016년 경기도의 한 공장 지붕 2MW 규모 태양광발전설비에서 이중 지락사고로 인하여 화재가 발생한 사례이다. 태양광발전설비를 설치한 후 몇 년이 지나고 태양광 어레이 배선 -선에서 지락사고가 발생하였는데 이를 모르고 사용하였다. 실제는 몇 가지 징후가 있었으나 운영자는 원인을 정확히 모르고 사용하였다.

그 이후 1년여가 경과하면서 이번에는 태양광 스트링 배선 +선에서 지락사고가 발생하였다. 즉, 어레이 부극성(-선)에서 1차 지락사고가 있었는데 그대로 사용하다가 스트링 정극성(+선)에서 2차 지락사고가 발생했다. 결과적으로 이중 지락사고(double ground fault)가 발생한 것이다.

일반적으로 교류에서는 이를 합선(단락사고)이라고 한다. 직류도 합선이지만, 병렬아크라고 하는 것이 더 확실할 수 있다. 교류는 아크가 발생하면 교번 자계이기 때문에 1초에 120번 영점(zero crossing point)을 거치게 되어 상대적으로 소호가 가능하지만, 직류는 교류에 비하여 아크의 위험이 훨씬 크다. 그리고 한 번 아크가 발생하면 소호도 매우 어렵다. 그렇기 때문에 직류는 화재의 위험이 교류에 비하여 크다고 볼 수 있다.

일반적으로 아크가 발생하면 그 부위의 온도가 3000℃까지 오를 수 있다. 그래서 동선이 용융되고 화재의 위험이 크게 된다. 심할 경우 그림과 같이 아크가 플라즈마 현상으로 발전하게 되면 온도가 크게 증가해(19,400℃) 더욱 위험하게 된다. 이 공장은 이와 같이 ‘어레이 -선 지락사고 → 스트링 +선 지락사고(이중 지락) → 병렬아크 발생 → 플라즈마 발생’의 순으로 이어지면서 지붕 화재가 발생한 사례이다.

전기설비기술기준의 판단기준 및 한국전기설비규정(KEC) 개정

이러한 문제를 해결하기 위해 산업통상자원부는 판단기준 제54조를 개정하여 태양광발전설비에 지락차단장치 설치를 의무화했고, 그 시행시기를 2021년 9월 1일로 하였다.

지락차단장치는 인버터 및 변압기 접지방식에 따라 크게 두 가지 종류가 있다. 비절연 인버터를 사용(통상 무변압기 인버터라 한다)하는 곳에서 변압기 2차권선을 접지(저항접지, GPT 접지 포함)한 경우에는 RCD(Residual Current Device, 잔류 누전전류를 검출하여 지락전류가 기준 초과 시 차단하는 방식)를 사용하고, 절연 인버터를 사용한 곳에서 변압기 2차권선을 비접지로 한 경우는 IMD(Insulation Monitoring Device, 절연저항을 모니터링하고 절연저항값이 기준 미달 시 차단하는 방식)를 사용한다.

사진 2. 플럭스 게이트(Flux Gate) 센서 원리

비절연 인버터 방식의 지락차단장치

비절연 인버터(무변압기형)를 설치하고 인버터 전원측의 교류전로를 접지(저항접지 포함한다)하는 경우는 직류성분과 교류성분의 합성 실효치(RMS)에 동작하는 지락차단장치(B형 RCD)를 인버터 교류측에 설치하여야 한다. RCD 동작전류값이 기준값 이상이 되면 차단기를 동작하거나 인버터를 정지하여야 한다.

RCD 동작전류는 두 가지 경우를 가정하여 정한다. 첫 번째 가정으로 습기로 인하여 지락사고가 발생하는 경우와 같이 지락전류가 완만하게 상승(slow rising leakage current)한다고 가정할 때 RCD는 인버터 용량(연속 출력정격)이 30kVA 이하인 경우 지락전류 300mA 이하에서 300ms 이내에 동작하여야 한다.

인버터 용량이 30kVA를 초과하는 경우 kVA당 10mA를 가산한다. 두 번째 가정으로 전선이 땅에 떨어질 경우와 같이 급격하게 변화하는 지락전류(sudden change leakage current)이다. 지락전류가 급격하게 변화할 때에는 위험의 우려가 크기 때문에 신속히 차단하여야 한다.

지락사고로 30mA가 급변하는 경우 0.3초, 60mA가 급변하는 경우 0.15초, 150mA가 급변하는 경우 0.04초 이내에 동작하여야 한다. 여기서 동작시간의 정의는 지락사고가 발생하는 순간부터 차단기가 동작하는 순간까지이다.

교류 누전차단기에 사용하는 센서는 일반적으로 ZCT를 사용한다. 그러나 직류에 ZCT 사용하면 2차 전류가 포화되어 실제 지락전류를 검출할 수 없다. 따라서 직류에 포화되지 않고 직류 지락전류를 검출하는 특성을 가진 플럭스 게이트 CT를 사용하여야 한다.

사진 3. MRCD 및 플럭스 게이트 센서

플럭스 게이트는 2개의 철심과 코어를 사용하여 직류전류 검출 시 발생하는 포화를 상쇄하기 위해 역으로 전류를 흐르게 하여 이 전류를 검출하는 직류검출부와 별도의 철심 및 코어로 교류전류를 검출하는 교류검출부 및 이들을 제어하는 제어부로 나누어진다. 센서의 특성은 교류와 직류를 검출하되 교류는 2kHz 대역까지 주파수 특성을 유지하여야 한다. 이외에도 빠른 속응시간, 오차특성, 온도특성 등을 만족하여야 한다.

RCD는 센서, 신호처리장치 및 차단장치가 한 용기에 들어가 있는 RCD와 센서 및 신호처리장치만 있고 기존의 차단기에 차단 신호를 주어서 차단하는 모듈형 RCD(MRCD)의 두 가지로 나누어 진다. 신호처리장치는 센서에서 들어오는 신호를 증폭 및 필터링하고 이 신호에서 노이즈와 지락신호를 구별하며, 알고리즘을 구현하여 차단기에 대한 트립신호를 보낸다.

절연 인버터 방식의 절연저항 모니터링

절연 인버터(변압기 내장형)를 설치하고 그 부하 측의 직류전로를 접지(저항접지 포함한다)하지 않는 경우는 절연저항을 모니터링하고 필요시 차단하는 절연저항 모니터링장치(IMD)를 직류 측에 시설하여야 한다. IMD는 운전을 시작하기 전, 또는 24시간마다 한 번씩 절연저항을 측정하고 측정된 절연저항 값이 기준값 미달이 되면 차단기가 차단되거나 인버터의 동작이 정지하도록 하여야 한다.

[정한교 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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