건축물의 옥상이나 주위에 장해물이 없는 넓은 부지에 설치되는 태양광발전 설비는 우레의 영향을 크게 받는다. 태양광발전 시스템의 안정적인 가동을 유지하고, 사회적 손실을 줄이기 위해서는 우레에 대한 대책은 필수불가결하다. 여기서는 태양광발전 설비의 뇌해 발생 상황과 뇌해 사례, 대책 방법과 사례, 앞으로의 과제에 대해 소개한다.

일본은 동일본 대지진의 영향으로 여전히 전력 공급 문제 등 에너지를 둘러싼 상황이 열악한 상황에 처해 있다. 현재 대체 에너지로서 태양광발전으로 대표되는 재생 가능 에너지의 도입이 진행되고 있으며, 각지에 메가 솔라 설비가 건설되고 상업시설이나 공장, 일반 주택에서도 태양광발전 시스템의 도입이 확대되고 있다. 

2012년 7월부터 시행된 「전기사업자에 의한 재생 가능 에너지 전기의 조달에 관한 특별조치법」에 입각하여 재생 가능 에너지의 고정가격매수제도에 따라 태양광발전 시스템의 도입은 한층 가속되고 있다.

태양광발전은 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 시스템이기 때문에 양호한 일사를 얻을 수 있는 자연환경에 설치된다. 

때문에 태양광발전 설비는 건축물의 옥상이나 주위에 장해물이 없는 넓은 부지에 설치되는 경우가 많아 우레의 영향을 크게 받는다. 

태양광발전 시스템의 안정적인 가동을 유지하고, 사회적 손실을 줄이기 위해서는 우레에 대한 대책은 필수불가결하다. 

여기서는 태양광 발전설비의 뇌해 발생 상황과 뇌해 사례, 대책 방법과 그 사례, 앞으로의 과제에 대해 소개한다. 

태양광발전 설비의 뇌해 발생 상황

(독)신에너지산업기구총합개발기구(이하 NEDO)가 2005년부터 2008년까지 4년에 걸쳐 태양광 필드 테스트 사업에서 도입된 10kW 이상의 태양광발전 시스템을 대상으로 뇌해 상황을 보고했다. 보고에서는 전 피해 건수 중 우레에 의한 피해는 17~30%로 뇌해 발생률은 약 1~2%이다. 가령 뇌해 발생률이 일정해도 앞으로 태양광발전 설비 도입이 늘어남에 따라 뇌해 발생 건수는 증가할 것으로 예상된다. 

NEDO 보고서에 의한 태양광발전 시스템의 장치별 뇌해 비율을 표 1에 나타냈다. 피해 건수는 위부터 계측 시스템 및 표시장치, 다음으로 파워컨디셔너(이하 PCS)와 PCS에 관련된 계측류이다. 피해 원인의 대부분은 유도뢰에 의한 것이다. 

▲ 표 1. 부위별 피해 비율

피해액별로는 PCS를 포함하는 경우에 피해액이 크다. 이것은 PCS는 장치 단체의 가격이 비싸기 때문에 피해액도 크다. 복구하는 데 시간이 걸리기 때문에 발전 정지에 의한 2차적인 손실까지 고려하면 특히 뇌해 대책이 필요한 기기이다. 

또 피해의 대부분은 옥상에 설치되어 있는 태양전지 어레이(태양전지 패널 집합체)로 조사됐다. 이 결과에서 옥상에서 지붕에 설치된 경우는 지상에 설치된 경우와 비교해 우레의 영향을 받기 쉬울 것으로 추측된다. 

전압 스위칭형 SPD

태양광발전 시스템을 구성하는 장치의 대부분은 실외에 설치되어 있으며, 태양전지 어레이 가대나 접속함 등의 박스는 사실상 접지된 상태에 있다. 

낙뢰 시에 개별 접지 간의 전위차나 공간에 발생하는 전자적인 영향에 따르는 과전압이 각 장치와 더불어 기기의 내전압을 초월했을 때 피해가 발생한다. 그림 1과 그림 2에 태양광발전 설비 근처에 낙뢰가 발생했을 경우의 뇌해 발생 원인의 개요를 나타냈다. 

▲ 그림 1. 태양광발전의 뇌해 발생 원인 개요도(전원계)

▲ 그림 2. 태양광발전에서의 뇌해 발생 원인 개요도(계측계)

(1) 접지 간 전위차

태양광발전 설비를 구성하는 태양전지 어레이나 장치는 옥외에 설치되므로 장치별 접지는 C종 접지극이나 D종 접지극과 같이 다른 접지극을 갖는다. 

태양전지 어레이 가대나 접속함은 접지극을 먼 곳의 접지극과 공통화되는 경우가 많지만, 가대나 박스는 사실상 접지된 상태에 있다. 또 계통 관련이 되기 때문에 수변전설비에서 배전선에도 접지되고 있으며, 수변전설비에는 A종 접지극, B종 접지극 등이 존재한다. 

낙뢰 시 뇌전류에 의해 대지 전위가 상승하고, 근처에 있는 접지와 먼 곳의 전위가 낮은 접지 간에 전위차가 발생함으로써 그 사이의 장치에는 과전압이 더해져 장치의 내전압을 초월했을 때 피해가 발생한다. 

(2) 유도 루프에 의한 과전압 발생

외부 뇌보호 시스템(LPS)을 흐르는 뇌전류나 근처에의 낙뢰에 따른 공간에 전자계 변화가 발생하고, 전원선·통신선·접지로 구성되는 루프 회로를 통과하는 전자계 변화의 영향에 따라 유도 전압이 발생한다. 

태양광발전 설비는 건물 내의 전기전자 시스템에 비해 각 장치나 배선의 대부분이 실외에 있기 때문에 전자계 변화의 영향을 강하게 받는다. 유도 루프에 의해 발생한 과전압이 각 장치와 더불어 피해가 발생한다.

(3) PCS와 계측장치의 피해 원인

그림 3에 나타내는 PCS는 교류(이하 AC) 전원, 태양전지 어레이에서의 직류(이하 DC) 전원, 계측 시스템의 신호선, 전원 감시장치의 신호선 등 다수의 메탈선이 접지돼 있다. 접속선의 장치도 점재해 있어 우레에 의한 유도 루프의 영향을 강하게 받아 뇌서지에 의한 각 장치 사이에 전위차가 발생하는 것이 피해가 많은 원인이다. 

▲ 그림 3. 낙뢰 시 각 장치와 파워컨디셔너 간에 발생하는 전위차

계측 시스템도 같은 원인이라고 생각되지만, 계측장치는 접속함과 PCS에 비해 장치의 내전압이 낮은 것 또한 피해가 많은 원인 중 하나다. 사진 1은 근처의 낙뢰에 의해 PCS 내부의 기판이 소손한 뇌해 사례이다. 

▲ 사진 1. 파워컨디셔너 내부 기판의 소손

이상에서 접지 간의 전위차나 유도 루프에 의한 유도 전압은 낙뢰의 위치나 전류값·전류 파형의 차이에 따라 영향을 받는 장소나 영향의 크기가 다르지만, 각 장치에 대해 뇌서지 침입 루트는 크게 나누면 아래의 3가지로 집약된다. 

① 전원선(AC/DC)

② 신호선

③ 접지

이 3가지 침입 루트가 많은 장치는 뇌해를 받을 리스크가 높아 뇌서지 침입 루트에 대한 적절한 대책이 필요하다. 

뇌보호 관련 규격과 동향

(1) 뇌보호 관련 JIS

2003년 이후, 뇌보호에 관한 일본공업규격(JIS)이 순차적으로 제정되었으며, 여기에는 건축물의 뇌보호나 전기설비의 보호, 과전압 보호, 뇌보호 장치의 시험 방법이나 설치 방법 등 다양한 규격이 있다. 뇌보호를 검토하는 데 기본이 되는 것은 JIS A 4201 : 2003 「건축물 등의 뇌보호」와 JIS Z 9290-4 : 2009 「뇌보호 제4부 : 건축물 내의 전기 및 전자 시스템」이다. 

JIS A 4201 : 2003에서는 피뢰설비에 해당하는 수전부 시스템, 인하 도선 시스템, 접지 시스템으로 구성되는 외부 뇌보호 시스템과 등전위 본딩에 의해 위험한 불꽃 방전을 방지하는 내부 뇌보호 시스템을 규정하고 있다. 

이 규격은 건축물이나 공작물, 인명의 보호를 목적이지 건물 내부의 전기설비를 보호할 목적이 아니라는 점에 유의해야 한다. 

반면 JIS Z 9290-4 : 2009는 건축물 내의 전기·전자기기를 뇌서지로부터 보호하기 위한 규격으로, 전자차폐나 접지, SPD를 이용한 등전위 본딩 등을 규정하고 있다. 

앞서 언급한 각 뇌보호의 구성 요소만을 이용해도 뇌보호 효과는 충분히 발휘되지 않고, 관련된 규격을 가지고 종합적으로 뇌보호를 구축할 필요가 있다. 

(2) 태양광발전 관련 규격

태양광발전 시스템에 관한 뇌보호 규격은 부분적인 규격에 대해 JIS로 규정되어 있지만, 메가 솔라 등의 대규모 발전 시스템에서의 종합적인 뇌보호에 대응하는 규격은 제정되어 있지 않다. 단, 기본적인 대책 콘셉트에 변함은 없으며 태양광발전 시스템 특유의 문제를 고려하는 데 있어 대책을 세워야 한다. 

각종 태양광 패널이나 접속함, PCS의 뇌 임펄스 내전압 성능은 JIS나 일본전기공업회 규격 JEM 등으로 규정되고 있다. 예를 들면, JIS C 8962 : 2008 「소출력 태양광발전용 파워 컨디셔너의 시험 방법」에서는 뇌 임펄스 내전압을 5kV로 규정하고 있다. 즉, JIS에 적합한 PCS를 뇌서지로부터 보호하기 위해서는 PCS에 부가한 뇌서지를 5kV보다 낮춰야 한다. 

SPD를 이용한 기본 대책

우레의 침입 루트가 되는 전원선이나 통신선에 발생하는 뇌서지를 억제하기 위해 SPD(서지 방호 디바이스)를 설치한다. SPD는 일반적인 전원전압이나 신호전압에 대해서는 절연체이지만, 뇌서지와 같은 이상 과전압에 대해서만 동작하고, 뇌서지를 접지선으로 빠르게 흘려 뇌서지 처리 후에 원래의 정상적인 계통 상태로 스스로 돌아가는 기능을 갖는다. 뇌서지를 피보호 기기의 절연 레벨 이하로 제한하여 기기의 절연 파괴를 방지한다. 

SPD의 효과를 발휘하기 위해서는 그림 4와 같이 SPD의 배선 및 접지선의 길이를 최대한 짧게 해야 한다. SPD가 뇌서지를 처리할 때 SPD가 전압 방호 레벨 Up 이하의 전압으로 억제하지만, SPD 전후의 배선이 갖는 임피던스 성분에 대해 V＝L×di/dt에 의해 전압 V1과 V2가 발생한다. 그 결과, 피보호 기기에는 V1＋Up＋V2의 전압이 더해지기 때문에 피보호 기기가 갖는 임펄스 내전압에서 이 전압을 낮추어야 한다. 

▲ 그림 4. SPD를 이용한 기본적인 보호 대책

V1 및 V2의 전압을 낮추기 위해서는 그림 4(b)에 나타내듯이 전원선은 SPD에 V 결선하고, 또 피보호 기기의 접지선은 SPD의 접지 단자 또는 가까이에 접속함으로써 가능해지므로 SPD의 배선, 피보호 기기의 접지선과 접속 방법에는 특히 주의해야 한다. 

SPD의 성능이나 적용 방법에 대해서도 JIS로 규정되어 종래에는 유도뢰를 대상으로 했지만, 직격뢰의 뇌전류에도 적용하는 SPD가 규정됐다. 

표 2에 SPD의 시험 규격에 의한 분류와 적용을 나타냈다. 용도 및 클래스 카테고리마다 방전 내량 성능이 결정되며, 이 수치가 클수록 뇌전류의 처리 능력이 커 지역 특성(격뢰 지역 등)을 고려하여 SPD를 선정한다. 

▲ 표 2. SPD의 시험 규격과 적용

태양광발전 시스템의 뇌해 대책

태양광발전 시스템에는 다양한 형태가 있지만, 여기서는 주택용 태양광발전 시스템과 메가 솔라로 대표되는 지상 대규모 발전 시스템에 대해 뇌해 대책의 기본을 설명한다. 

(1) 주택용 태양광 발전 시스템

일반적인 주택용 태양광발전 시스템을 대상으로 하므로 외부 뇌보호 시스템(피뢰침 설비)은 없는 것으로 한다. 주택 주변에 낙뢰가 발생했을 경우, 주상 변압기의 B종 접지와 주택용 접지 간에 전위차가 발생하여 뇌서지가 침입 또는 유출한다. 

그림 5에 나타내는 바와 같이 저압 수전 측(AC 전원)에 주택 분전반용 클래스Ⅱ SPD를 설치한다. 태양전지 어레이는 옥상에 있고, 주택 내에 설치되는 PCS의 DC 전원선에도 뇌서지가 발생하기 때문에 PCS의 접지를 주택용 분전반 내의 집중 접지 단자에 접속한다. SPD는 안전을 고려하여 SPD가 열화했을 때 자동으로 회로로부터 분리하는 기구를 보유하는 것이 바람직하다. 

▲ 그림 5. 주택용 태양광발전 시스템의 대책 예

주택용 태양광발전 시스템의 표시 장치는 신호를 무선으로 송신하는 경우가 많다. 이 경우는 표시 장치에도 대책을 강구해야 한다. 

(2) 지상 대규모 발전 시스템

대규모 발전 시스템은 다수의 태양전지 어레이, 접속함, PCS로 구성되는 것이 일반적이지만, 설명을 간단히 하기 위해 각 설비를 1대씩 접속한 모식도(그림 6 참조)를 예로 들어 설명한다. 

▲ 그림 6. 태양광발전 시스템의 기본적인 대책 예

그림 6의 시스템은 고압 수전설비로 계통 연계되어 피뢰침 등의 외부 보호 시스템에 따라 태양전지 어레이 등이 직격뢰로부터 보호되고 안전 이격거리가 유지되는 경우의 태양광발전 시스템의 기본적인 대책 예를 나타냈다. 

뇌서지 침입 루트에 대해 각 장치 가까이에 SPD를 설치하여 과전압을 억제한다. 각 장치 간을 접지선으로 접속하여 전위차를 경감하는 것도 유효한 대책이다. 

태양전지 어레이와 수뢰부 시스템의 안전 이격거리가 보호되는 경우는 유도뢰에 대응하는 클래스Ⅱ SPD(전원용), 카테고리 C2 SPD(신호용)를 선정한다. 

안전 이격거리를 확보할 수 없는 경우는 과전압 방지를 위해 외부 뇌보호 시스템과 등전위 본딩을 하지만, 직격뢰 성분의 부분 뇌전류가 흐르기 때문에 직격뢰 에너지에 대응하는 클래스Ⅰ SPD(전원용), 카테고리 D1 SPD(신호용)를 선정한다. 

그림 6과 같이 각 SPD는 보호 대상 장치 가까이에 설치하고, 각 장치가 갖는 임펄스 내전압보다 낮은 전압 방호 레벨(Up)의 SPD를 선정한다. 

접속함이나 태양전지 어레이, PCS 등은 JIS나 JEM에서 임펄스 내전압 4.5~5kV를 기준으로 정하고 있다. 또 지상 대규모 발전 시스템의 경우, 보안 대책으로서 ITV 카메라나 적외선 등 각종 방호 센서를 도입하는 경우가 있다. 이것도 뇌서지의 영향을 받는 설비이기 때문에 전원선, 신호선 등에 같은 대책이 필요하다. 

(3) PCS의 대책 예

태양광발전 시스템에서 뇌해 비율이 높은 PCS 대책 예를 그림 7에 나타냈다. PCS에 접속하는 모든 전원선(AC 및 DC 전원)·각종 신호선(계측, 데이터 전송, 이보, 계통 분리)에 대해 SPD를 설치했다. 

▲ 그림 7. 파워컨디셔너의 기본적인 대책 예

SPD 배선 길이가 가장 짧은 위치에 배치하고, PCS 접지와 함께 본딩용 바에 접속했다. 이 시설에서는 각부 뇌보호 시스템과의 안전 이격거리가 확보되기 때문에 사용하는 SPD는 유도뢰 대응(전원 : 클래스Ⅱ SPD, 신호 : 카테고리 C2 SPD)을 선정했다. 

그림 8에 AC 및 DC 전원용 SPD의 설치 예를, 그림 9에 각종 신호용 SPD의 설치 예를 나타냈다.

▲ 그림 8. 파워컨디셔너의 AC 및 DC 전원용 SPD 설치 사례

▲ 그림 9. 파워 컨디셔너의 각종 신호용 SPD 설치 사례

SPD 선정의 유의점

태양광발전 설비는 일반 저압 전원설비에 비해 태양전지 어레이에서 PCS까지 정격전압이 높은 데다가 DC 전원이기 때문에 SPD 동작 시의 속류를 충분히 고려해야 한다. 때문에 SPD 동작에 따른 속류 문제를 해결하기 위해 속류가 발생하지 않는(속류 차단 용량의 제약을 받지 않는다) 산화아연형 SPD(MOV형)를 사용하는 것이 바람직하다. 

또 DC 전류에 대해 SPD의 최대 연속 사용 전압(Uc)의 결정은 기후, 온도 등 기상 조건에 따라서는 어레이의 개방 출력 전압이 일시적으로 정격 전압을 상회하는 경우가 있기 때문에 주의해야 한다. 그림 10에 산화아연형 SPD의 예를 나타냈다. 

▲ 그림 10. 산화아연형 SPD

통신·신호용 SPD에 대해서는 태양광발전 시스템에는 일사계나 온도계 등의 센서가 설치되기 때문에 직격뢰 부분 전류의 영향이나 기기 자체의 낮은 내전압에 대해 SPD를 선정할 필요가 있다. 

일반적으로는 회로에 직렬로 임피던스를 내장한 2포트의 카테고리 C2, D1 SPD를 선정한다. 이 임피던스는 통신·신호 회로의 미약한 전류에 영향을 주기 때문에 가능한 낮은 임피던스의 SPD를 선정해야 한다. 그림 11에 통신·신호용 SPD의 예를 나타냈다. 

▲ 그림 11. 통신·신호용 SPD

태양광발전 설비의 뇌보호에 관한 규격이 순차적으로 정비되고 있다. 예를 들면, IEC(국제전기표준협회)에서 우레·과전류 보호 내용을 반영한 태양광발전 시스템 계측·시공 방법에 대해 규정한 IEC 60364-7-712나 태양광발전 시스템의 직류 회로에 설치하는 SPD에 대한 요구 성능이나 시험 방법, SPD의 선정 및 적용에 대해 IEC 61643 시리즈의 규정이 준비되고 있다. 뇌해 리스크를 저감하기 위한 태양광발전 시스템의 뇌보호 규격, 관련 규격이 정비되고 있으며 안전하고 효과적인 뇌보호 시스템이 필요하다.

사카이 시로(酒井 志郞)

오토와전기공업(주) 영업본부 영업기술부 부장

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