접지 시스템은 비 접지 시스템보다 우월하다!

상업용 태양광발전 시스템을 위한 접지장애 보호

편집자 주

그리드에 연결된 상업용 PV 시스템은 대형 사이즈로 가는 추세이며, 그 결과 높은 버스 전압과 전류 수치의 시스템이 일반적인 추세이다. 접지 장애로 인해 야기되는 문제들이 점점 더 큰 걱정거리가 되어 가고 있는데, 그 이유는 접지결함 지점에서 이용되는 에너지가 늘어나기 때문이다. 또한 아크 폭발, 충격 위험, 장비 손상과 화염이 발생할 수도 있다.

접지장애 보호를 고려할 때 중요한 것은 접지 시스템과 비 접지 시스템 간의 차이를 이해하는 것이다. 접지 시스템은 양(포지티브)의 버스 내지는 음(네거티브)의 버스에서 땅으로 의도적인 접속이 이루어진다. 접지형 PV 시스템은 일반적으로 북미에서 사용된다. 비 접지 시스템은 버스에서 땅으로 의도적인 연결이 없다. 비 접지 PV 시스템은 일반적으로 유럽과 아시아에서 많이 사용된다. 

접지 시스템

접지 시스템은 하나의 버스에서 땅으로 단일한 연결을 갖는다. 이는 항상 인버터에 위치한다. 이 의도적인 접지 연결은 퓨즈를 통해 이루어진다. 이 퓨즈의 목적은 비 접지 버스가 지상에서 장애를 일으킬 때 열리는 것이다. 도체에 의도치 않게 땅에 연결되는 것으로 정의되는 접지 장애는 제2의 지상 연결 통로이며, 순환고리를 만들어 접지 오류 전류가 흐르게 만든다. 이 전류가 퓨즈 등급을 초과하면 퓨즈는 이 고리를 열고 접지 장애 전류가 흐르는 것을 차단한다.

퓨즈 등급을 초과하는 전류에서 접지 장애가 발생하면 퓨즈가 열리고 시스템은 비 접지 식으로 된다. 그러나 의도하지 않은 대지 연결(접지 오류)은 설비가 보수될 때까지 시스템에 그대로 유지된다. 퓨즈의 상태를 나타내는 퓨즈 모니터와 퓨즈 홀더는 유지보수팀에 오류의 존재를 경보음으로 알리는 기능을 한다. 리틀 퓨즈 Up-LINK는 사설 네트워크 프로토콜이 필요 없이 원거리의 퓨즈 상태를 나타내는 견고한 형태의 전면방호 퓨즈 홀더이다. Up-LINK는 또한 국부적인 LED 표시를 갖추고 있다.

스트링 결합기에서 접지 장애 감지와 비 연결 메커니즘이 없다면 오류가 있는 케이블은 최초의 접지 오류가 있은 후 시스템에 그대로 연결되어 있을 것이다. 두 번째의 접지 오류의 발생(이번에는 오류가 없는 버스에서)으로 인해 버스-접지-버스 부족이 초래되어 아주 대규모의 단락전류, 충격, 아크 폭발 위험, 장비 손상, 화재가 발생할 가능성이 높아진다. 이러한 위험한 상황이 발생하기 전에 접지 장애를 탐지하고 적절한 방식으로 시스템을 정비하는 것이 중요하다.

접지 장애에 임피던스(교류회로에서 전압과 전류의 비(比))가 있다면 오류 임피던스는 접지 장애 전류의 양을 감소시킬 것이다. 접지 장애 전류가 퓨즈 등급보다 적다면 퓨즈는 열리지 않을 것이다. 뿐만 아니라 접지 버스에서 접지 오류는 퓨즈를 열만큼 충분한 전류를 초래하지 않을 가능성이 높다. 와이어 저항이 있는 설치에서 접지 버스 케이블에서 전압강하가 있을 것이고, 이는 퓨즈가 열리게 만들 수도 있다. 그러나 이는 항상 100% 보장할 수 있는 말이 아니다. 접지 버스에서 오류로 인해 퓨즈를 열리게 하지 않는다면 열린 퓨즈에서 전압은 매우 낮을 것이고, 퓨즈 모니터는 퓨즈가 열렸음을 나타내지 않을 것이다. 이 두 가지 예들은 접지 오류 전류가 시스템에 무한정 남아있는 위험한 조건을 설명한다. 이로 인해 충격 위험, 장비 손상, 화재가 발생할 위험이 있다. 퓨즈 등급 이하의 접지 오류 전류 수치를 탐지하는 성능이 시스템 안전을 위해 아주 중요하다.

리틀퓨즈 스타트코(Littelfuse Startco) EL731은 접지형 AC, DC, AC/DC, 다양한 주파수 전력 회로용 마이크로프로세서 기반의 누전 계전기이다. 누전 계측과 두 개의 상태 수치 알림 방법(작동과 경보)이 제공된다. 접지 오류 보호뿐만 아니라 EL731은 계량과 초과온도 보호를 제공하기 위해 온도 센서에 대한 입력을 가진다.

EL731은 30mA만큼 미세한 접지 오류 전류를 탐지하기 위해 민감한 EFCT-시리즈 전류 센서를 이용한다. 접지 오류 전류 감지는 핵심적인 균형 원칙으로 작동한다. 접지 오류가 없이는 양의 버스에서 전류는 음의 버스의 전류와 양극성을 띠고 그 규모가 동일할 것이다. 양의 버스 케이블과 음의 버스 케이블이 핵 균형 전류 센서를 통해 통과한다면 전류 센서는 이 합계를 읽고 판독한다. 접지 오류가 있는 경우 일부 전류는 접지 케이블이나 대지를 통해 다른 경로를 통해 전류 센서 창으로 흐를 것이다. 전류 센서 창 안에서 양의 버스 전류와 음의 버스 전류는 더 이상 0에 추가되지 않을 것이다. 대신에 이들은 대지에서 흐르는 전류의 양에 추가될 것이다. 접지 오류 전류 센서는 또한 단일 도체가 윈도우를 통과할 때 전류를 측정하는 데 사용될 수도 있다. 이 방법은 퓨즈를 통해 인버터 접지 연결을 모니터링 하는데 사용된다. 오류가 없는 시스템에서는 이 연결을 통해 전류가 없을 것이다. 접지 오류 중에는 접지 오류 전류가 이 연결을 통해 흐를 것이다.

EL731은 퓨즈 등급 이하의 접지 오류 전류 수치를 탐지하기 위해 접지 PV 시스템에 적용할 수 있다. 이로써 접지 오류 탐지 수치가 낮아지고 훨씬 더 안전한 시스템 확보가 가능해진다. EL731은 인버터에 설치한다. 이때 퓨즈를 통해 음의 접지 경로를 모니터링 하기 위해 전류 센서를 설치한다. 이 위치에서 EL731은 시스템의 어느 부위에서든 비 접지 버스에서 접지 오류를 탐지한다. EL731이 기본 퓨즈보다 훨씬 더 민감하기 때문에 접지 버스에서도 접지 오류를 탐지할 가능성이 훨씬 더 높아진다. 그러나 누전 발생 시에 흐르는 접지 오류 전류의 양은 시스템에서 케이블의 저항에 따라 달라질 것이고, EL731을 작동시킬 만큼 충분한 전류가 없을 수도 있다. EL731 출력 접촉은 인버터를 분리하는데 사용하는 작동 회로에 연결할 수도 있다. 혹은 유지보수팀에 문제를 알리는 데 사용되는 경보 회로에 연결할 수도 있다. EL731은 화면에 LED 화면 지시기를 장착하고 있으며, 원거리에서 접지 오류 메시지를 보내기 위해 선택적인 네트워크 커뮤니케이션을 사용할 수 있다.

접지 오류 조정은 접지 오류를 탐지하고 이 오류 제거에 필요한 최소한의 장비를 제거하거나 분리하고 나머지 시스템을 안전하게 작동하게 함으로써 가능해진다. 뿐만 아니라 접지 오류 조정은 유지보수팀에게는 오류의 위치를 상당히 간단하게 포착할 수 있도록 한다. 적절한 접지 오류 조정은 시간 지연을 활용한다. 시스템 접지 지점(인버터)은 가장 가까운 계전기를 가장 느리게 작동하도록 맞추고, 시스템 접지 지점에서 먼 계전기는 더 빠르게 작동하도록 설정한다. 첫 번째 계전기가 작동하고(위의 그림 8에서는 스트링 결합기에서 EL731), 두 번째 계전기(인버터에서 EL731)의 시간 지연이 만료되기 전에 오류가 제거되면, 두 번째 계전기가 작동하지 않고 나머지 모든 시스템은 계속 정상적으로 작동한다. 유지보수팀은 접지 오류에 대해 경보음을 통해 즉각적으로 통보 받고 어떤 계전기가 작동되는지 살펴봄으로써 스트링의 어떤 어레이가 문제가 있는지 알게 된다. 

전체 시스템에서 접지 오류 조정을 하기 위해서는 하나의 EL731과 하나의 접촉기 혹은 브레이커가 각 결합기 박스에 설치된다. 각각의 EL731은 결합기 박스에 연결된 스트링 어레이의 접지 오류만을 탐지하기 때문에 다른 스트링 어레이의 접지 오류는 탐지하지 못한다. 어떤 어레이에서 접지 오류가 발생하면 이에 상응하는 EL731이 작동한다. 계전기의 출력 접촉이 스위치나 브레이커 혹은 접촉기를 작동시켜 시스템에서 오류가 발생한 어레이를 제거한다. 인버터에 설치된 EL731은 백업 보호용이며, 스트링 결합기와 인버터 사이의 회로를 보호하는 역할도 한다. 이 EL731은 스트링 결합기의 EL 731에 처음으로 작동할 기회를 주기 위해 연장된 작동 지연 시간으로 설정되어 있다.   

EL731 같은 전류 감지 계전기는 오류를 탐지하고 프로그램 된 작동 시간 지연 만료가 되기에 충분할 정도로 시스템이 길게 접지되어야 한다. EL731에서 프로그램 가능한 작동 시간 지연은 0~2초이기 때문에 접지 오류는 최대 2초 동안 시스템에 남아 있을 것이다. 계전기 작동 전에 퓨즈가 열리면 접지 오류 전류는 0으로 가기 때문에 더 이상 접지 오류 전류를 탐지하지 못하는 계전기는 작동하지 않을 것이다. 접지 오류 조정을 보장하기 위해서 5A 전류 제한 저항기 R이 퓨즈와 병행하여 연결된다.

퓨즈가 닫히면 R은 거부되고 시스템에는 전혀 영향을 미치지 않으며 전류 설정 누전 계전기는 정상적으로 작동한다. 고압 전류 접지 오류가 발생하여 퓨즈가 열리게 되면 전류 제한 저항기R은 계전기에 대한 접지 오류 전류의 조절된 양으로 오류를 탐지하고 분리하도록 한다. 일단 문제가 있는 어레이가 조정된 누전 계전기에서 분리되면 전류는 저항기 R을 통해 제로(0)로 돌아간다.

비 접지 시스템

비 접지 시스템은 대지에 의도적인 연결이 되지 않는 것으로 정의된다. 비 접지 시스템은 접지 오류 탐지에 있어서 문제가 된다. 버스가 대지에 의도적인 연결을 갖지 않기 때문에 접지 오류는 고리를 루프를 닫지 않아 접지 오류 전류는 흐르지 않게 된다. 전류 감지 누전 계전기를 사용할 수 없다. 비 접지 시스템에서 최초의 접지 오류가 발생할 때 시스템은 이제 오류가 수리될 때까지 오류를 통해 접지 시스템이 된다는 것을 지적할 필요가 있다. 이것은 바람직하지 않다. 왜냐하면 오류가 없는 버스에서 일어나는 후속적인 접지 오류는 버스-대지-버스 단락 전류 회로를 야기할 것이고, 그 결과 아크 폭발, 화재, 충격 위험과 함께 단락 전류가 초래될 것이기 때문이다.  

 비 접지 시스템에서 절연 모니터는 일반적으로 버스 대 대지 저항성을 측정하는 데 사용된다. 접지 오류가 없으면 모니터는 매우 높은 값을 측정할 것이다. 접지 오류가 발생하면 이 값은 감소하고 모니터는 이에 따라 반응한다. DC 시스템에서 대지 저항성을 측정하기 위해 절연 모니터는 AC 혹은 펄스 DC 시그널을 버스로 주입한다. 절연 모니터링은 두 가지의 문제를 갖는다. 첫 번째 문제는 시스템의 대지에 대한 정전 용량이 절연 모니터에 대지에 대한 경로를 제공한다는 것이다. 그 값이 아주 크면 작동에 문제가 초래될 것이다. 정전 용량은 PV 시스템 사이즈의 기능이기 때문에 대규모 시스템은 더 큰 정전 용량을 가질 것이고 이 문제가 되는 작동에 더욱 취약하다. 두 번째 문제는 선택적인 조정이 절연 모니터링에서 불가능하다는 것이다. 절연 모니터는 시스템의 어느 부위에서든 오류를 탐지할 것이다. 문제가 되는 부위를 측정하고 오류 위치를 파악하는 것이 어려우며 이는 많은 시간 소모로 이어진다.

저항-접지 시스템

이 문제에 대한 해결책은 접지 시스템이다. 위의 접지 시스템 항목에서 기술한 방법을 통한 음의 버스를 접지하거나 아니면 AC 시스템에서 사용되는 일반적인 접지 방법에 가까운 보다 새로운 접근법을 통해서 이 문제의 해결책을 찾을 수 있다. AC 시스템에서 가장 안전하고 가장 안정적인 배분 시스템은 고저항성 접지 방법이다. 고 저항 접지 시스템은 접지에 부차적인 와이(Y) 자 모양 (별) 변압기의 중간 지점을 연결하는 중성점 접지 저항기를 사용한다. 고 저항 접지 시스템의 장점은 낮은 수치에서 접지 오류 전류를 제한하고, 일시적인 과전압을 제거하며, 접지 장애로 인해 야기된 아크 폭발의 위험성을 제거하고, 접지 오류 보호를 위해 선택적인 조정을 사용할 수 있다는 것이다. 이런 많은 장점들은 저항기 네트워크에 연결함으로써 DC 시스템에서 효과를 거둘 수 있다. 뿐만 아니라 버스에서 접지 오류는 저항 접지 시스템에서 효과적으로 탐지할 수 있다.

DC 시스템에서 고 저항 접지를 실행하기 위해 ‘중성적’ 0 전압 지점을 반드시 먼저 구축해야 한다. 이는 적합한 저항기 R1, R2의 사용을 통해 가능하다. 이 두 저항기는 음의 버스와 양의 버스 사이에 일렬로 연결된다. 중심 지점 S가 PGR-2601 DC 접지 오류 모니터를 통해 접지에 연결된다.   

PGR-2601은 저항 접지 시스템을 모니터링 하기 위해 고안된 DC 시스템용 마이크로프로세서 기반의 접지 오류 모니터이다. 접지 오류 회로의 작동 수치는 1~20mA 사이에서 선택 가능하며 작동 시간은 0.05~2.5초에서 선택할 수 있다. 

PGR-2601를 사용했을 때 저항기 네트워크는 25mA까지 접지 오류 전류를 제한하도록 설계되었고, 12.5mA의 정상적인 전류를 허용하도록 고안되었다. 양의 버스와 음의 버스 간의 총 요구되는 저항은 옴의 법칙을 사용해 계산한다.

RTotal=V/I. 예컨대 1,000-Vdc 버스에서 총 요구되는 저항은 RTotal = V/I = 1,000/0.0125 = 80kΩ이다.

시스템에 접지 오류가 없을 때 이 저항기 네트워크의 중심 지점에서 전압 S는 0V이고, S 계전기 접지 전도체를 통해서 전류가 흐르지 않는다. 양 버스에서 접지 오류가 발생할 경우 저항기에서 전압은 총 버스 전압까지 올라가며, S에서 접지 연결과 PGR-2601을 통해 25mA의 전류 흐름이 초래된다. PGR-2601은 이 전류를 탐지하며 작동한다.

접지에 대한 시스템 정전 용량에 민감하지 않지만 PGR-2601은 하나의 계전기가 시스템의 어느 부위에서든 접지 오류를 탐지하기 때문에 절면 모니터와 유사하다.  

양 버스에 대해 적절한 접지 오류 탐지와 조정을 위해서는 각 결합기 박스에서 저항기 네트워크가 EL731와 브레이커 혹은 접촉기와 함께 사용될 수 있다.

최선의 해결책

접지 시스템은 비 접지 시스템보다 우월하다. 왜냐하면 접지 시스템에서는 전류 감지 누전 계전기를 사용해 접지 오류 전류의 낮은 수치를 신속, 정확하게 탐지할 수 있기 때문이다. 퓨즈와 전류 제한 저항기를 통해 접지된 하나의 버스가 있는 시스템은 비 접지 버스에 대한 접지 오류 보호를 제공한다. 그러나 접지 버스에 대한 접지 오류 탐지와 보호는 보장되지 않는다. 저항기 네트워크를 통해 접지된 저항인 시스템은 최선의 해결책이다. 왜냐하면 이를 통해 두 버스에 대한 접지 오류 탐지와 보호가 가능하기 때문이다. 계전기와 비 연결 메커니즘이 각 결합기 박스에 설치되어 접지 오류를 탐지하고 오류를 제거하기 위해 최소한의 설비를 제거하는 데 사용된다. 이 시스템은 가장 안전할 뿐만 아니라 관리에 가장 편리한 시스템이며 시스템 정지 시간도 최소화할 것이다.

본 기사는 리틀퓨즈(www.littelfuse.com)에서 기고한 것입니다.

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