지락은 태양광 발전 시스템에서 가장 위험한 전기적 고장 중 하나입니다. 햇빛에 의해 에너지가 공급되는 PV 어레이는 전류원으로 작동합니다. 기존 전기 회로와 달리 차단기를 열어도 DC 측의 전원이 차단되지 않습니다. 지락 사고가 발생하면 사고 전류가 지속적으로 흘러 옥상, 건물, 유틸리티 규모의 어레이를 파괴하는 화재를 일으킬 수 있습니다. GFDI(지락 감지 차단) 및 AFCI(아크 오류 회로 차단) 장비의 올바른 설계 및 테스트는 선택 사항이 아닙니다.
PV 지락이란 무엇입니까?
PV 시스템의 접지 결함은 전류가 흐르는 도체(일반적으로 DC 스트링 도체)가 접지된 금속 인클로저, 도관 또는 구조물과 접촉하여 의도하지 않은 전류 경로를 접지로 생성할 때 발생합니다. 접지 결함은 다음과 같은 이유로 발생합니다.
- 케이블 절연 손상(UV 저하, 설치류 손상, 도관의 기계적 마모)
- 정션 박스 또는 도관에 물이 유입됨
- 도체와 인클로저 간 접촉을 허용하는 느슨하거나 부적절하게 만들어진 종단
- 모듈의 물리적 손상 - 균열된 백시트로 인해 도체가 노출됨
접지된 음극 PV 시스템(기존 설계)의 음극 도체에 대한 접지 오류는 다음을 생성합니다. 두 번째 땅 — "볼트 결함"으로 알려져 있습니다. PV 접지 결함의 위험한 특성은 결함 전류 크기가 병렬 스트링 수에 따라 달라진다는 것입니다. 대규모 어레이는 햇빛이 있는 한 100암페어 이상의 결함 전류를 무기한 유지할 수 있습니다.
NEC 690.5: 접지 결함 보호 요구 사항
미국 전기법(National Electrical Code, 미국) 690.5조에서는 건물 위 또는 건물 근처에 설치된 PV 시스템에 대한 접지 결함 보호를 요구합니다. 요구 사항은 시스템 유형에 따라 다릅니다.
| 시스템 유형 | NEC 690.5 요구 사항 |
|---|---|
| 건물의 접지형 PV 시스템 | GFDI 장치가 필요합니다. 오류 전류 ≥1A를 감지해야 합니다. |
| 비접지(부동) PV 시스템 | 접지 오류 감지 및 절연 필요(양 극) |
| 지상 설치형 PV(건물 위 아님) | 자격이 없는 사람이 차장에 접근할 수 있는 경우 GFDI가 필요합니다. |
| 빌딩 일체형 PV(BIPV) | GFDI가 필요합니다. 추가 화재 격리 요구 사항이 적용됩니다. |
GFDI 장치는 전류가 흐르는 도체와 장비 접지 도체 사이의 전류 불균형을 모니터링합니다. 접지 오류가 감지되면 장치는 다음을 수행해야 합니다. (1) 오류 상태를 표시해야 합니다. (2) 어레이를 비활성화합니다(오류가 발생한 회로를 열거나 아크를 유지하는 임계값 아래로 전압을 줄입니다).
"불필요한 트립"과 화재 위험 역설
초기 PV 시스템(2010년 이전)은 1A 등급의 GFDI 퓨즈를 사용했습니다. 2012년 Sandia National Laboratories의 분석에 따르면 대규모 어레이의 특정 접지 오류 조건에서 GFDI 퓨즈가 오류 전류를 중단하지 않고 끊어질 수 있으며 끊어진 퓨즈 신호는 "감지된 오류 없음"으로 해석되어 시스템이 활성 화재 위험 오류로 작동하게 되는 등 충격적인 오류 모드를 발견했습니다. 이로 인해 GFDI 장치가 오류를 감지할 뿐만 아니라 적극적으로 중단하도록 요구하는 2014 NEC 개정이 이루어졌습니다.
최신 스트링 인버터와 중앙 인버터는 인버터 내에 GFDI 감지 기능을 통합합니다. 결함 감지 시 인버터가 정지됩니다. 이는 주거용 및 소규모 상업용 시스템용 외부 GFDI 퓨즈보다 더 안정적입니다. 여러 결합기 박스가 있는 대규모 유틸리티 규모 시스템의 경우 결합기 수준에서 추가 접지 오류 모니터링을 통해 오류 위치를 더 빠르게 찾을 수 있습니다.
NEC 690.11: 아크 결함 회로 차단기 요구 사항
아크 결함(도체 사이 또는 도체와 접지 사이의 의도하지 않은 아크)은 5,000°C를 초과하는 온도를 생성하며 PV 시스템 화재의 주요 원인입니다. NEC 690.11은 80V 이상에서 작동하는 DC 소스 또는 출력 회로 도체가 있고 건물 내부 또는 건물에서 작동하는 PV 시스템에 대해 AFCI 보호를 요구합니다.
- AFCI 장치는 500mA만큼 낮은 아크를 감지해야 합니다.
- 아크 개시 후 30주기 이내에 중단해야 함
- UL 1699B(PV AFCI 표준)에 등재되어야 합니다.
- 많은 최신 스트링 인버터(Sungrow SG 시리즈, SMA Sunny Boy)는 AFCI를 표준으로 통합합니다. 독립형 AFCI 장치도 개조 가능
접지 결함 보호 테스트
지락 보호 기능은 시운전 시와 O&M 중에 정기적으로 테스트해야 합니다.
- 시운전 테스트: 조도가 낮은 시스템의 경우(또는 차폐 장치 사용) 스트링 도체와 장비 접지 도체 사이에 테스트 저항기를 사용하여 알려진 낮은 저항 오류를 도입합니다. GFDI 장치 트립을 확인하고 오류를 나타냅니다.
- 연간 기능 테스트: GFDI 테스트 기능(최신 인버터에 내장)을 트리거하고 경보 및 종료를 확인합니다.
- 절연 저항(IR) 테스트: 접지 오류가 발생하기 전에 절연 열화를 감지하기 위한 연간 메거 테스트(500V DC, 도체와 접지 간 최소 1MΩ)
- 열화상: 결합기 상자, 인버터 및 정션 박스에 대한 연간 IR 스캔 - 핫스팟은 아크로 진행될 수 있는 고저항 연결을 나타냅니다.