모든 태양광 발전 스트링에 서지 보호가 필요한 이유

예방할 수 있었던 $47,000번의 낙뢰 사고

7월의 어느 화요일 아침, 애리조나에 있는 500kW 상업용 태양광 설비의 유지보수 팀이 두려움에 떨던 전화를 받았습니다. 밤새 심한 뇌우가 지나갔고 인버터가 오프라인 상태가 되었다는 것이었습니다. 현장에 도착한 기술자들은 낙뢰가 보호되지 않은 태양광 전선을 통과하여 인버터 3대가 파손되고 태양광 모듈 24개가 손상되었으며 모니터링 시스템이 손상된 것을 발견했습니다. 총 수리 비용은 얼마였나요? $47,000. 시스템 가동 중단 시간은? 3주. 예산을 절약하기 위해 설치 과정에서 생략했던 적절한 태양광 스트링 서지 보호의 비용은? $2,000 미만.

이는 고립된 사건이 아닙니다. 업계 데이터에 따르면 낙뢰 및 서지 관련 피해는 전체 태양광 시스템 보증 청구 중 최대 30%를 차지합니다. 그러나 많은 설치자와 시스템 소유자는 여전히 서지 보호 장치(SPD)를 필수 안전 장비가 아닌 선택적 액세서리로 간주하고 있습니다. 태양광 어레이를 설계, 설치 또는 유지 관리하는 책임이 있는 경우 이러한 사고방식으로 인해 본인 또는 고객에게 수만 달러의 비용이 발생할 수 있습니다.

숨겨진 취약점 PV 스트링

태양광 어레이는 본질적으로 번개 자석과 같은 구조입니다. 태양광 발전 스트링이 서지 이벤트에 특히 취약한 이유는 다음과 같습니다:

노출 증가: 태양광 패널은 의도적으로 태양에 최대한 노출되는 개방된 높은 위치에 설치되는데, 이는 낙뢰에 취약한 구조물의 특징과 정확히 일치합니다. 옥상 설치는 건물에서 가장 높은 지점이 될 수 있지만, 열린 들판의 지상 설치 어레이는 자연적인 낙뢰 보호 기능을 최소화합니다.

긴 DC 케이블을 안테나로 사용: PV 스트링을 연결하는 DC 케이블은 거대한 안테나 역할을 하여 근처의 낙뢰로부터 전자기 간섭을 포착합니다. 간접 낙뢰(2km 이내의 지면이나 인근 구조물에 떨어지는 낙뢰)도 보호되지 않은 케이블에 6,000V를 초과하는 전압 서지를 유발할 수 있습니다.

여러 진입 지점: 단일 유틸리티 연결 지점이 있는 기존 전기 시스템과 달리 태양광 어레이에는 수십 또는 수백 개의 잠재적인 서지 유입 경로가 있으며, 모든 스트링은 파괴적인 에너지가 값비싼 인버터 장비에 도달하는 경로를 나타냅니다.

DC 아크 지속성: 서지로 인해 DC 시스템에서 아크가 발생하는 경우 아크는 AC 시스템처럼 제로 크로싱에서 자체 소멸되지 않습니다. DC 아크는 지속되고 확대되어 화재 위험과 치명적인 장비 손상을 초래할 수 있습니다.

태양광 어레이를 정밀 전자 장비에 직접 연결된 피뢰침 필드처럼 생각하면 적절한 보호 장치가 없으면 다음과 같은 문제가 발생하지 않습니다. 만약 를 사용하면 서지 손상이 발생하지만 언제.

번개가 태양광 어레이를 강타하면 어떻게 되나요?

부적절한 태양광 스트링 서지 보호의 결과는 즉각적인 장비 손상을 훨씬 뛰어넘습니다:

즉시 장비 파괴

서지가 보호되지 않은 태양광 전선을 통과하면 일반적으로 첫 번째 사상자가 발생합니다:

• 인버터 입력 단계: IGBT 모듈, DC 링크 커패시터 및 제어 보드(수리 비용: 인버터당 $5,000-$15,000)
• 태양광 모듈의 바이패스 다이오드: 핫스팟 및 영구적인 전력 손실 발생(교체 비용: 모듈당 $400-$800)
• 모니터링 및 통신 장비: 데이터 로거, 센서 및 제어 시스템($2,000-$8,000)

숨겨진 모듈 성능 저하

즉각적인 고장을 일으키지 않는 서지라도 태양 전지에 미세한 균열을 일으켜 장기적인 성능 저하를 가속화할 수 있습니다. 연구에 따르면 적절한 보호 장치 없이 반복적인 서지 이벤트에 노출된 모듈은 보호 장치가 있는 시스템에 비해 수명 기간 동안 15-25%의 효율을 더 잃을 수 있다고 합니다.

시스템 다운타임 비용

전문가 팁: 코드에서 요구하는 서지 보호가 제대로 설치 및 유지 관리되었음을 증명할 수 없는 경우 많은 보험 정책에서 서지 피해를 보상하지 않으므로 항상 날짜가 표시된 사진과 시운전 보고서로 SPD 설치를 문서화하세요.

보증 무효화 위험

제조업체 보증에서 많은 사람들이 놓치는 조항이 있습니다: 대부분의 인버터 및 모듈 보증에는 “현지 전기 규정 및 IEC 61643-31에 따라 서지 보호 장치를 올바르게 설치”해야 한다는 조항이 명시적으로 있습니다. 적절한 SPD가 설치되었음을 입증하지 못하면 수만 달러에 달하는 보증이 무효화될 수 있습니다.

문자열 수준 보호가 협상 불가능한 이유

태양광 시스템을 통과하는 서지 경로를 이해하면 여러 단계의 보호가 필수적인 이유를 알 수 있습니다:

보호 캐스케이드 개념

효과적인 PV 스트링 서지 보호는 각각 특정 위협 수준을 처리하도록 설계된 일련의 방어 장벽으로 생각하면 됩니다:

1차 방어선(문자열 수준): PV 어레이에 또는 그 근처에 설치된 유형 2 SPD는 초기 서지 에너지를 처리합니다. 이러한 장치는 고전압 과도 전류가 에너지가 축적될 수 있는 긴 케이블을 통해 전파되기 전에 이를 차단합니다.

두 번째 라인(컴바이너 박스): 추가 유형 2 SPD는 백업 보호 기능을 제공하고 스트링 레벨 장치를 통과하거나 다른 경로를 통해 유입된 잔류 서지를 처리합니다.

최종 라인(인버터 입력): 인버터의 DC 입력에 설치된 유형 2 또는 미세 보호 SPD는 마지막 방어 기능을 제공하여 깨끗한 전력만 민감한 전자 장치에 도달하도록 합니다.

핵심 원칙: 각 보호 단계는 적절하게 조정되어야 합니다. 각 연속 단계의 전압 보호 레벨(Up)은 점진적으로 낮아야 하며, 장치는 최소 10미터의 케이블로 분리하거나 디커플링 인덕터를 통해 연결하여 SPD 상호 작용을 방지해야 합니다.

규정 준수 및 코드 요구 사항

미국 전기 규정(NEC) 690.35(A) 조항은 PV 시스템에 대한 서지 보호를 명시적으로 요구하고 있습니다. 좀 더 구체적으로 설명하면

• 건물 위나 건물에 배선이 노출된 모든 태양광 발전 시스템에는 반드시 SPD가 있어야 합니다.
• DC PV 애플리케이션의 경우 SPD를 나열하고 라벨을 부착해야 합니다.
• DC 및 AC 양쪽 모두에서 보호가 필요합니다.

IEC 61643-31은 태양광 시스템에서 SPD 선택 및 설치를 위한 국제 표준으로, 테스트 절차 및 최소 성능 요구 사항을 명시합니다.

전문가 팁: 허가 검토 및 검사 시 적절한 정격의 스트링 레벨 SPD를 설치하면 엔지니어링 실사를 입증하고 승인 절차를 신속하게 진행할 수 있으며, 검사관은 이를 품질 설치의 신호로 간주합니다.

4단계 선택 방법 PV 스트링 SPD

적절한 PV 스트링 서지 보호를 선택하는 것은 추측이 아닙니다. 이 체계적인 접근 방식을 따라 매번 올바른 장치를 지정하세요:

1단계: 최대 시스템 전압 계산(Voc 고려 사항)

SPD의 최대 연속 작동 전압(Uc)은 어떤 조건에서도 시스템이 생성할 수 있는 최대 개방 회로 전압(Voc)을 초과해야 합니다.

계산 공식:

Uc(min) = Voc(STC) × 온도 보정 계수 × 안전 마진

온도 보정 계수: 일반적인 결정질 실리콘 모듈의 경우 25°C(STC) 이하로 10°C 내려갈 때마다 Voc는 °C당 약 0.35~0.40%씩 증가합니다.

계산 예시:

• 모듈 Voc(STC): 49.5V
• 문자열 길이: 20개 모듈
• STC에서 Voc: 49.5V × 20 = 990V
• 예상 최저 온도: -20°C
• STC와의 온도 차이: 45°C
• 전압 증가: 990V × (45°C × 0.0035) = 156V
• 최대 Voc: 990V + 156V = 1,146V
• 15% 안전 마진에 필요한 Uc: 1,146V × 1.15 = = 1,318V

선택: 이 1000V 공칭 시스템에 대해 Uc ≥ 1,500V DC의 SPD를 선택합니다.

주요 요점: 공칭 시스템 전압만을 기준으로 SPD를 선택하지 마십시오. 항상 온도 영향을 포함한 최악의 Voc를 계산하고 추운 고조도 조건에서 SPD 성능 저하를 방지하기 위해 15-20% 안전 마진을 추가합니다.

2단계: 필요한 전압 보호 수준 결정(위로)

전압 보호 레벨(Up)은 SPD 작동 중 보호 장비에 나타나는 최대 전압입니다. 이는 장비의 내전압보다 낮아야 합니다.

선택 기준:

Up(SPD) < 0.8 × 장비 내전압

일반적인 스트링 인버터의 경우:

• 1000V 시스템 인버터: 내전압: 일반적으로 6~8kV
• 1500V 시스템 인버터: 내전압: 일반적으로 10~12kV

스트링 레벨 SPD에 권장되는 업 값입니다:

• 1000V 시스템: 최대 ≤ 4kV
• 1500V 시스템: 최대 ≤ 6kV

전문가 팁: 위로 값이 낮을수록 보호 기능은 향상되지만 더 자주 활성화되어 수명이 짧아질 수 있습니다. 번개가 자주 발생하는 지역에서는 더 강력한 사양이 필요할 수 있으므로 보호 수준과 예상되는 서지 주파수의 균형을 맞추는 것이 좋습니다.

3단계: 적절한 방전 전류 정격 선택(Iimp, Imax)

PV 스트링 SPD는 직접 및 간접 낙뢰 서지를 모두 처리해야 합니다. 이해해야 할 주요 등급:

Iimp(임펄스 전류): 직접 또는 근처의 낙뢰로 인한 고에너지 서지를 처리하는 장치의 능력. 10/350μs 파형으로 측정(유형 1 테스트).

아이맥스(최대 방전 전류): 간접 충격으로 인한 여러 서지를 처리하는 장치의 능력. 8/20 μs 파형으로 측정(유형 2 테스트).

애플리케이션별 선택 가이드라인:

문자열 수준 보호를 위한 계산 예제입니다:
번개가 적당한 지역에 있는 일반적인 상업용 옥상 어레이의 경우:

• 노출: 주로 간접 공격
• 권장 사항: 유형 2 SPD
• 극당 최소 아이맥스: 40kA(8/20 μs)
• 중요한 설치의 경우: Iimp = 12.5kA의 유형 1+2 하이브리드를 고려하십시오.

4단계: 기술 선택(MOV vs GDT)

태양광 스트링 서지 보호를 위한 금속 산화물 배리스터(MOV)와 가스 방전관(GDT) 기술 간의 논쟁은 종종 엔지니어를 혼란스럽게 합니다. 다음은 결정적인 비교입니다:

하이브리드 솔루션 - 전문가의 선택:

최신 고성능 PV SPD는 두 기술을 단계적 보호 접근 방식으로 결합합니다:

• 기본 단계(GDT): 뛰어난 방전 용량으로 고에너지 서지 처리
• 보조 단계(MOV): 빠른 응답 및 저전압 클램핑 제공
• 아크 담금질 회로: GDT 현재 이슈 팔로우 방지

주요 요점: 장기적인 안정성이 중요한 상업용 및 유틸리티 규모의 설치에는 하이브리드 MOV+GDT 기술 SPD를 지정하세요. 초기 비용이 약간 높지만 더 긴 수명과 우수한 보호 성능으로 상쇄됩니다.

선택 의사 결정 트리:

• 예산에 민감한 주거용(20kW 미만): MOV 전용 유형 2 SPD
• 상업용 옥상(20-500kW): 하이브리드 MOV+GDT 유형 2 SPD
• 지상 설치 또는 낙뢰가 많은 지역: 아크 담금질 기능이 있는 하이브리드 유형 1+2 SPD
• 유틸리티 규모(1MW 이상): 원격 모니터링이 가능한 하이브리드 타입 1 SPD

중요 기술 매개변수 설명

데이터시트 사양을 이해하면 PV 스트링 서지 보호에 대한 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움이 됩니다:

종합적인 기술 비교

태양광 애플리케이션을 위한 유형 1 및 유형 2 SPD

적절한 PV 스트링 서지 보호를 위해서는 유형 1과 유형 2 장치를 지정해야 하는 시기를 이해하는 것이 중요합니다:

프로 팁: 최적의 보호를 위해 어레이 컴바이너 지점에는 타입 1+2 하이브리드 장치를 사용하고 인버터 입력에는 타입 2 장치를 사용하세요. 이렇게 하면 조정된 캐스케이드에서 고에너지 처리와 미세 전압 클램핑이 모두 가능합니다.

필수 등급 디코딩

Uc(최대 연속 작동 전압): SPD가 성능 저하 없이 지속적으로 견딜 수 있는 최고 전압입니다. 모든 조건에서 시스템의 최대 Voc를 초과해야 합니다.

Up(전압 보호 수준): SPD가 작동할 때 보호 장비에 나타나는 전압입니다. 낮을수록 좋지만 에너지 처리 용량과 균형을 이루어야 합니다.

In(공칭 방전 전류): 분류 및 노화 테스트에 사용되는 전류(일반적으로 유형 2 장치의 경우 5 또는 10kA).

아이맥스(최대 방전 전류): 장치가 손상 없이 한 번의 작동으로 처리할 수 있는 최대 서지 전류입니다.

Iimp(임펄스 전류): 유형 1 장치의 경우, 10/350 μs 파형으로 고에너지 서지 전류 기능을 테스트했습니다.

TOV(일시적 과전압) 기능: 시스템 오류 또는 스위칭 작동으로 인한 일시적인 전압 상승을 영구적인 손상 없이 견딜 수 있는 장치입니다.

설치 모범 사례

최고 품질의 태양광 스트링 서지 보호 장치라도 부적절하게 설치하면 시스템을 보호하지 못합니다. 이 입증된 설치 순서를 따르세요:

중요한 설치 요구 사항

1. 케이블 길이 및 라우팅(0.5미터 규칙)

SPD와 보호 장비 사이의 연결은 매우 중요합니다. 케이블의 모든 미터는 인덕턴스를 추가하여 빠르게 상승하는 서지 동안 추가 전압을 생성합니다:

전압 강하 계산:

V_additional = L × (di/dt)
여기서: L ≈ 케이블 미터당 1μH
       번개의 경우 di/dt ≈ 10-100 kA/μs

예시: 단 2m의 연결 케이블만으로도 서지 동안 200V의 추가 전압 상승을 추가하여 SPD의 보호를 부분적으로 무효화 할 수 있습니다!

설치 규칙:

• SPD에서 보호 장비까지의 총 케이블 길이를 0.5m 미만(이상: 0.3m 미만)으로 유지합니다.
• 가능한 가장 짧은 직선형 루프 또는 코일 사용
• 장거리 운행이 불가피한 경우, 더 큰 도체(최소 6AWG/10mm²)를 사용하세요.
• SPD 케이블을 신호 또는 통신 전선과 함께 묶지 마십시오.

프로 팁: 설치 전에 연결 케이블을 미리 측정하고 정확한 길이로 자르세요. 현장 설치 시 규정을 준수할 수 있도록 설치 템플릿에 0.5m 제한을 표시하세요.

2. 접지 모범 사례

적절한 접지는 효과적인 서지 보호의 기본입니다:

• 접지 연결: 주 PV 시스템 접지에 최소 6AWG(10mm²) 구리 도체 사용
• 낮은 임피던스 경로: 총 접지 저항은 10Ω 미만(이상적으로는 5Ω 미만)이어야 합니다.
• 접지 루프 방지: 보호 장비와 동일한 접지 바에 SPD 접지를 연결합니다.
• 등전위 본딩: 모든 금속 구조물(어레이 프레임, 장비 섀시, SPD 하우징)이 서로 접착되어 있는지 확인합니다.

중간 지점 접지가 있는 PV 시스템의 경우:

• DC+ 및 DC- SPD 극을 모두 연결합니다.
• PE 단자를 중간 지점 접지 레퍼런스에 연결합니다.
• 접지가 현지 전기 규정을 준수하는지 확인합니다.

3. 물리적 설치 고려 사항

위치 및 장착은 보호 효과와 유지 관리에 모두 영향을 미칩니다:

• 마운팅: 간편한 교체를 위해 DIN 레일 마운팅 사용, 안전한 기계적 연결 보장
• 환기: 적절한 공기 흐름 제공; SPD는 작동 중에 열을 발생시킬 수 있습니다.
• 접근성: 점검을 위해 시각적 상태 표시기가 쉽게 보이는 곳에 설치합니다.
• 환경 보호: 실외 설치에 적합한 IP 등급 인클로저 사용(최소 IP65)
• 라벨링: SPD 위치, 설치 날짜 및 다음 검사 기한을 명확하게 표시합니다.

4. 연결 순서

접지 오류나 장비 손상을 방지하기 위해 항상 올바른 연결 순서를 따르세요:

1. 시스템의 전원이 꺼졌는지 확인(Voc = 0V 확인)
2. 최종 위치에 SPD 마운트
3. 접지/PE 단자 먼저 연결
4. DC 극 연결
5. DC+ 극을 마지막에 연결
6. 모든 연결이 단단히 조여졌는지 확인합니다(제조업체 사양에 맞게 토크를 가합니다).
7. 시스템에 전원을 공급하기 전에 상태 표시기 확인

전문가 팁: 전체 어레이의 전원을 차단하지 않고도 안전하게 유지보수 및 교체할 수 있도록 PV 스트링과 SPD 사이에 차단 스위치를 설치하세요. 이는 다운타임으로 인한 비용이 많이 드는 대규모 상업용 시스템에 특히 유용합니다.

실제 적용 사례: 10-스트링, 1000V 시스템을 위한 SPD 크기 조정

전체 설계 예시를 통해 일반적인 상업용 설치에 적합한 PV 스트링 서지 보호 선택을 보여 드리겠습니다.

시스템 사양

배열 구성:

• 10개의 병렬 문자열
• 문자열당 20개의 모듈
• 모듈 사양:
  • Voc (STC): 49.5V
  • Isc(STC): 11.5A
  • Vmp: 41.8V
  • Imp: 11.0A
  • 온도 계수(Voc): -0.35%/°C

환경 조건:

• 위치: 애리조나(높은 태양 노출, 적당한 번개)
• 예상 최저 온도: -5°C
• 설치: 상업용 건물 옥상
• 노출: 간접 낙뢰가 예상됨

장비:

• 스트링 인버터: 100kW, 1000V DC 입력 정격
• 인버터 내전압: 6kV
• 10개의 입력 문자열이 있는 결합기 상자

단계별 SPD 선택

1단계: 최대 시스템 전압 계산

스트링당 Voc(STC) = 49.5V × 20 = 990V

온도 보정:
δt = 25°C - (-5°C) = 30°C
전압 증가 = 990V × (30°C × 0.0035) = 104V
Voc(저온) = 990V + 104V = 1,094V

20% 안전 마진에 필요한 Uc:
Uc(최소) = 1,094V × 1.20 = 1,313V

선택: Uc = 1,500V DC(표준 정격)의 SPD

2단계: 필요한 전압 보호 수준 결정하기

인버터 내전압 = 6kV
최대 허용 업 = 6kV × 0.8 = 4.8kV

선택: 최대 4.0kV 이하의 SPD(33% 안전 마진 제공)

3단계: 방전 전류 정격 선택

번개가 자주 치는 지역의 옥상에 설치하는 경우:

• 주요 위협: 간접 공격
• 권장됩니다: 유형 2 SPD
• 최소 아이맥스: 극당 40kA(8/20 μs)

보호 기능 강화(선택 사항이지만 권장):

• 유형 1+2 하이브리드 고려
• Iimp: 12.5kA(10/350μs)
• 아이맥스: 60kA(8/20μs)

선택: 극당 Imax = 40kA (최소)의 유형 2 SPD 또는 임계 부하에 대한 유형 1 + 2 하이브리드

4단계: 기술 선택

이 상업용 애플리케이션의 경우:

• 예상되는 서지 빈도: 보통(연간 10~20회)
• 시스템 가치: $150,000(장비 + 생산 손실 위험)
• 유지 관리 액세스: 양호

선택: 성능과 수명의 최적의 균형을 위한 하이브리드 MOV+GDT 기술

보호 아키텍처 설계

그래프 TB
    하위 그래프 "PV 배열 - 10개의 문자열"
        S1[String 1: 20 모듈]
        S2[String 2: 20 Modules]
        S3[String 3: 20 Modules]
        S10[String 10: 20 Modules]
    end
    
    S1 --&gt; SPD1[String-Level SPD<br>유형 2, Uc=1500V<br>Up=4kV, Imax=40kA]
    S2 --&gt; SPD2[문자열 레벨 SPD]
    S3 --&gt; SPD3[문자열-레벨 SPD]
    S10 --&gt; SPD10[문자열 레벨 SPD]
    
    SPD1 --&gt; CB[컴바이너 박스]
    SPD2 --&gt; CB
    SPD3 --&gt; CB
    SPD10 --&gt; CB
    
    CB --&gt; SPD_CB[컴바이너 SPD<br>유형 2, Uc=1500V<br>Up=3.5kV, Imax=60kA]
    
    SPD_CB --&gt; |10m 케이블| INV[문자열 인버터<br>100kW, 1000VDC]
    
    INV --&gt; SPD_INV[인버터 입력 SPD<br>유형 2, Uc=1500V<br>Up=3.0kV, Imax=40kA]
    
    SPD1 -.-&gt;|Ground| GND[시스템 접지<br>< 5Ω Resistance]
    SPD_CB -.->|Ground| GND
    SPD_INV -.-&gt;|Ground| GND
    
    style SPD1 fill:#90EE90
    style SPD2 fill:#90EE90
    style SPD3 fill:#90EE90
    style SPD10 fill:#90EE90
    style SPD_CB fill:#87CEEB
    style SPD_INV fill:#FFD700

최종 사양 요약

스트링 레벨 보호(10개):

• 기술: 하이브리드 MOV+GDT
• 구성: 2극(DC+, DC-)
• Uc: 1,500V DC
• 위: ≤ 4.0kV
• 아이맥스: 극당 40kA(8/20μs)
• 마운팅: 어레이 근처 정션 박스의 DIN 레일
• 단위당 예상 비용: $180
• 총 비용: $1,800원

컴바이너 박스 보호(1개):

• 기술: 하이브리드 MOV+GDT 타입 1+2
• 구성: 2극(DC+, DC-)
• Uc: 1,500V DC
• 위: ≤ 3.5kV
• Iimp: 12.5kA(10/350μs)
• 아이맥스: 60kA(8/20μs)
• 원격 모니터링: 상태 확인을 위한 연락처 출력
• 예상 비용: $450

인버터 입력 보호(1개):

• 기술: 하이브리드 MOV+GDT
• 구성: 2극(DC+, DC-)
• Uc: 1,500V DC
• 위: ≤ 3.0kV
• 아이맥스: 40kA(8/20 μs)
• 예상 비용: $220

총 보호 시스템 비용: $2,470

핵심 사항: 이 포괄적인 3단계 보호 캐스케이드는 총 시스템 가치의 1.5% 미만이지만 $47,000 이상의 비용이 발생할 수 있는 손상으로부터 보호합니다. 한 번의 서지 이벤트 예방으로 전체 보호 시스템의 19배에 달하는 비용을 지불할 수 있습니다.

보호를 받지 못했을 때의 비용

PV 스트링 서지 보호를 지정할지 여부를 평가할 때는 서지 보호 기능을 사용하지 않을 때의 실제 비용을 고려하세요:

직접 비용 비교

ROI 분석

손익분기점 계산:

초기 SPD 투자: $3,270
평균 서지 피해 비용: $22,500
손익분기점: 서지 이벤트 0.145회

해당 지역에서 7년에 한 번만 심각한 서지 이벤트가 발생하는 경우,
SPD 시스템은 자체적으로 비용을 지불합니다.

IEEE 데이터에 따르면, 대부분의 상업용 태양광 설비는 다음과 같은 경험을 합니다.
25년 수명 동안 보호 장치 없이 2~4번의 손상된 서지 이벤트를 경험합니다.

25년 동안의 예상 ROI:

• 초기 투자: $3,270
• SPD 교체(10년차, 20년차): $3,000
• 총 투자 금액: $6,270
• 피해 방지(이벤트 3개 × $22,500): $67,500
• 순 절감액: $61,230
• ROI: 977%

프로 팁: 예산에 민감한 고객에게 서지 보호를 제안할 때는 ‘지금 당장 $3,000을 투자하여 보호하거나 나중에 수리를 위해 $20,000-50,000의 예산을 책정할 수 있다'는 식으로 설명하세요. 보호 시스템은 비용이 아니라 1000%의 ROI를 가진 피해 보험입니다.’

보험 및 보증에 대한 시사점

보증 범위:
대부분의 주요 제조업체는 보증에 서지 보호 요구 사항을 포함하고 있습니다:

• SPD 미사용: 서지 손상이 발생하고 보호 장치가 설치되지 않은 경우 보증 청구 거부
• SPD 사용: 전체 보증 범위 유지, 제조업체가 SPD 교체 비용까지 부담할 수 있음

보험료:
상업용 보험 제공업체는 점점 더 서지 보호에 대한 문서를 요구하고 있습니다:

• 적절한 보호 기능이 없는 시스템: 15-25% 높은 보험료
• 문서화되고 규정을 준수하는 보호 기능을 갖춘 시스템: 표준 요금
• $100,000 시스템 연간 절감액: $300-500

다운타임 위험:
중요 시설(병원, 데이터 센터, 제조) 또는 전력 구매 계약(PPA)이 체결된 시스템의 경우:

• PPA 성능 페널티: 다운타임 주당 $5,000~15,000달러
• 치명적인 부하 영향: 운영에 대한 측정할 수 없는 위험
• 평판 손상: 고객 신뢰 상실

주요 내용

번개가 어레이에 직접 닿지 않아도 피해를 입힐 수 있습니다. 최대 2km 거리의 간접 타격은 보호되지 않은 PV 스트링에 6,000V를 초과하는 서지를 유발할 수 있습니다. 스트링 레벨 보호는 첫 번째 방어선입니다.

💰 보호 비용은 피해 비용에 비해 매우 적습니다. 포괄적인 3단계 SPD 시스템은 일반적인 상업용 설치의 경우 $2,000-5,000의 비용이 들지만 $20,000-100,000 이상의 잠재적 손상으로부터 보호합니다. 손익분기점은 단 0.15회의 서지 이벤트 후에 발생합니다.

🔧 SPD 선택에는 네 가지 중요한 계산이 필요합니다: 최대 시스템 전압(Voc × 온도 × 안전 마진), 필요한 보호 수준(Up < 0.8 × 장비 내전압), 방전 전류 정격(노출 수준 기준), 기술 선택(최상의 성능을 위한 하이브리드 MOV+GDT).

📐 설치 품질이 보호 효과를 결정합니다. 연결 케이블을 0.5m 미만으로 유지하고, 최소 6AWG 접지 도체를 사용하며, 케이블 루프를 피하고, 모든 연결부가 사양에 맞게 조여져 있는지 확인하세요. 잘못 설치하면 보호 효과가 50% 이상 감소할 수 있습니다.

🎯 조율된 캐스케이드 보호가 필수적입니다. 어레이 결합기에는 유형 1+2 SPD를, 스트링 레벨에는 유형 2를, 인버터 입력에는 최종 유형 2 보호 기능을 사용하세요. 각 단계는 점진적으로 낮은 업 값을 가져야 하며 적절한 조정을 위해 적절한 케이블 길이로 분리해야 합니다.

✅ 규정 준수는 선택이 아닌 필수입니다. NEC 690.35조 및 IEC 61643-31은 PV 시스템에 대한 서지 보호를 요구합니다. 허가 승인, 보증 유효성 및 보험 적용을 위해서는 적절한 SPD 설치가 필요합니다. 사진과 시운전 보고서로 모든 것을 문서화하세요.

🔄 SPD 수명 주기 유지 관리 계획. 최고의 SPD도 수명이 한정되어 있습니다(일반적으로 서지 주파수에 따라 5-10년). 시각적 상태 표시기와 원격 모니터링 기능이 있는 장치를 지정하고 지속적인 보호 기능을 확인하기 위해 연간 검사 일정을 잡으세요.

자주 묻는 질문

모든 스트링에 SPD가 필요한가요, 아니면 컴바이너 박스에만 필요한가요?

모범 사례는 두 가지 수준 모두에서 보호하는 것입니다. 컴바이너 수준의 보호가 최소 요구 사항인 반면, 스트링 수준의 SPD는 서지가 시스템을 통해 전파되기 전에 서지에 대한 1차 방어 기능을 제공합니다. 최적의 보호를 위해:

• 중요한 설치 (상업용, 유틸리티 규모): 스트링 및 컴바이너 레벨 모두에 SPD 설치
• 예산에 민감한 주거용 (20kW 미만): 컴바이너 또는 인버터 입력에서 최소 보호가 허용됨
• 번개가 많이 치는 지역: 문자열 수준 보호는 협상할 수 없습니다.

스트링 레벨 보호는 스트링이 상당한 거리(50미터 이상)로 떨어져 있거나 어레이 배선이 노출된 경우 특히 중요합니다. 보호 효과에 비해 추가 비용은 미미합니다(일반적으로 스트링당 $150-200).

태양광용 유형 1과 유형 2 SPD의 차이점은 무엇인가요?

유형 1 SPD는 직접 낙뢰를 처리하고, 유형 2 SPD는 간접 낙뢰 및 스위칭 서지를 처리합니다.

유형 1 장치는 10/350μs 임펄스 전류 파형으로 테스트되며, 이는 직접 타격으로 인한 높은 에너지를 나타냅니다. 유형 2 장치보다 40~50배 더 많은 에너지를 방출할 수 있지만 더 크고 더 비쌉니다. 다음과 같은 경우 유형 1 SPD를 사용하세요:

• 어레이가 오픈 필드에 있음(지상 설치)
• 설치 위치는 해당 지역의 가장 높은 지점입니다.
• 지역 번개 밀도가 연간 3번/km²를 초과하는 경우
• 지역 코드에는 유형 1 보호가 필요합니다.

유형 2 장치는 8/20 μs 파형으로 테스트되었으며 간접 타격(가장 일반적인 위협)을 처리합니다. 더 나은 전압 클램핑(더 낮은 위쪽)을 제공하며 대부분의 옥상 설치에 충분합니다.

최신 하이브리드 “타입 1+2” 장치는 단일 장치에서 두 가지 기능을 모두 제공하므로 직접 및 간접 서지 위협이 모두 존재하는 컴바이너 박스 보호에 이상적입니다.

DC 측에서 AC SPD를 사용할 수 있나요?

절대적으로 비-AC 및 DC SPD는 근본적으로 다르며 상호 교환할 수 없습니다.

AC SPD는 AC 시스템에서 초당 100-120회 발생하는 자연 전류 제로 크로싱에 의존하여 서지 보호 후 후속 전류를 소멸시킵니다. DC 시스템에는 제로 크로싱이 없습니다:

• GDT 기반 AC SPD는 단락 모드로 래치할 수 있습니다. DC 시스템에서 영구 결함 발생
• AC용으로 설계된 아크 소멸 메커니즘이 작동하지 않습니다. DC 애플리케이션에서 제대로
• 전압 등급은 크게 다릅니다. 서로 다른 스트레스 특성으로 인해 AC와 DC 사이의

DC SPD는 태양광 애플리케이션용으로 특별히 설계 및 정격화된 제품이어야 합니다:

• GDT 기술을 위한 아크 소호 또는 전류 제한 회로
• DC 전압 스트레스에 따른 적절한 Uc 정격
• DC 아크에 적합한 열 차단기
• IEC 61643-31(PV 관련 표준)에 따른 테스트 및 인증

DC 회로에 AC SPD를 사용하는 것은 규정 위반, 보증 무효화 및 심각한 안전 위험에 해당합니다. 항상 DC 정격의 PV 전용 서지 보호 장치를 지정하세요.

SPD 교체가 필요한 시기를 어떻게 알 수 있나요?

대부분의 고품질 SPD에는 시각적 상태 표시기가 있지만 육안 검사에만 의존해서는 안 됩니다.

최신 PV 스트링 서지 보호 장치에는 여러 가지 고장 표시 방법이 포함되어 있습니다:

시각적 표시기:

• 작동 상태를 표시하는 녹색/빨간색 표시창
• “인클로저를 열지 않고도 ”정상“ 및 ”결함" 표시 확인 가능
• 일부 장치에는 팝아웃 기계식 표시기가 포함되어 있습니다.

전기 표시기:

• 원격 접점 출력(평상시 닫혀 있는 접점이 장애 발생 시 열림)
• 모니터링 시스템에 대한 건식 접점 신호
• 일부 고급 모델은 Modbus/SNMP 원격 모니터링을 지원합니다.

검사 일정:

• 연간 육안 검사: 정기 유지보수 중 상태 표시기 확인
• 폭풍 후 검사: 악천후 발생 후 24시간 이내 검사
• 분기별 원격 모니터링 점검: SCADA/모니터링 시스템에 연결된 경우

교체 시기:

• 상태 표시기에 “오류” 또는 빨간색 상태 표시
• 원격 모니터링으로 SPD 장애 표시
• 직격뢰를 맞은 것으로 알려진 후(예방 차원에서 교체)
• 겉으로 드러난 상태와 관계없이 5~10년 후(예방적 교체)
• 누설 전류 측정값이 정격값의 10배를 초과하는 경우

프로 팁: 장치 라벨과 유지 관리 로그에 SPD 설치 날짜를 문서화하세요. 제조업체 권장 사항에 따라 예방적 교체를 위한 캘린더 알림을 설정하여 중요한 애플리케이션에서 장애가 발생할 때까지 기다리지 마세요.

1000V/1500V 시스템에는 어떤 전압 등급을 선택해야 하나요?

공칭 시스템 전압이 아닌 최악의 Voc를 기준으로 SPD 전압 정격을 선택합니다.

For 1000V 공칭 시스템:

일반적인 최대 Voc(저온): 1,100-1,200V
권장 SPD Uc 등급: 1,500V DC
표준 보호 수준(상향): 3.5-4.0kV

For 1500V 공칭 시스템:

일반적인 최대 Voc(저온): 1,650-1,800V
권장 SPD Uc 정격: 2,000V DC
표준 보호 수준(상향): 5.0~6.0kV

중요한 계산 단계:

1. 표준 테스트 조건(STC)에서 문자열 Voc 계산하기
2. 예상 최저 온도에 대한 온도 보정 적용
3. 15-20% 안전 마진 추가
4. 다음으로 높은 표준 SPD 전압 등급 선택

1500V 시스템의 예입니다:

• 모듈 Voc(STC): 52V
• 문자열 길이: 28개 모듈
• STC에서의 음성: 1,456V
• 최저 온도: -10°C(영하 35°C 이하)
• 온도 상승: 1,456V × 35°C × 0.0035 = 178V
• 최대 Voc: 1,456V + 178V = 1,634V
• 20% 안전 마진 사용: 1,634V × 1.2 = 1,961V
• Uc = 2,000V DC(표준 정격)의 SPD 선택

비용을 절감하기 위해 SPD 전압 정격을 낮추지 마십시오. 크기가 작은 SPD는 높은 Voc 조건에 노출되면 성능이 급격히 저하되거나 조기에 고장날 수 있습니다.

MOV 또는 GDT - 태양광 애플리케이션에 어떤 것이 더 적합할까요?

어느 쪽이 보편적으로 “더 낫다”고 할 수는 없으며, 최적의 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라집니다.

MOV 전용 SPD는 다음과 같은 경우에 선택합니다:

• 예산이 주요 제약 조건(주거용 설치)
• 서지 빈도가 낮음(연간 5건 미만의 중요한 이벤트 예상)
• 빠른 응답 시간(25나노초 미만)이 중요합니다.
• 저전압 클램핑(위)이 필요합니다.
• 시스템이 낙뢰 노출이 낮거나 중간 정도인 지역에 있는 경우

다음과 같은 경우 GDT 전용 SPD를 선택하세요:

• 높은 방전 전류 용량이 필요함(직접 타격 구역)
• 최대 수명이 중요(시간이 지남에 따라 성능 저하 최소화)
• 고온 환경에서 작동하는 시스템
• 누설 전류 제로화는 필수
• 예산으로 더 높은 초기 투자 가능

하이브리드 MOV+GDT SPD는 다음과 같은 경우에 선택합니다:

• 상업용 또는 유틸리티 규모 설치(50kW 이상)
• 장기적인 안정성이 가장 중요합니다.
• 시스템이 중간에서 높은 낙뢰 노출 상태입니다.
• 원격 모니터링 및 상태 표시가 가능합니다.
• 초기 비용뿐만 아니라 총소유비용이 의사 결정에 영향을 미칩니다.

업계 트렌드는 하이브리드 디자인 두 기술의 장점을 결합했기 때문입니다:

• 강력한 GDT 에너지 처리로 빠른 MOV 대응
• 아크 담금질 회로로 GDT 후속 전류 우려 제거
• 장기적인 안정성이 뛰어나므로 약간 높은 비용도 감수할 수 있습니다.

시스템 가동 시간과 장기적인 보호가 우선시되는 전문가용 설치의 경우 하이브리드 기술을 지정하면 20~30% 높은 초기 비용을 연장된 수명과 우수한 보호 성능으로 회수할 수 있습니다.

SPD는 장비에 얼마나 가까이 설치해야 하나요?

SPD와 보호 장비 사이의 총 케이블 길이는 최대 0.5미터(50cm) - 짧을수록 좋습니다.

중요한 원리: 연결 케이블 1미터마다 인덕턴스(약 1μH/미터)가 추가되어 빠른 서지 발생 시 전압이 추가로 상승합니다:

전압 상승 계산:

V_additional = L × (di/dt)

2미터 케이블 사용 예시:
L = 2미터 × 1μH/미터 = 2μH
di/dt = 50kA/μs(일반적인 번개 서지 속도)
V_추가 = 2μH × 50,000A/μs = 100m당 100V

총 추가 전압 = 200V

이 추가 전압은 보호 장비에 나타납니다. 위에 SPD의 전압 보호 레벨(Up)을 높여 보호 성능을 효과적으로 저하시킵니다.

설치 모범 사례:

• 이상적인 거리: < 0.3미터(30cm) 미만
• 허용되는 최대: 0.5미터(50센티미터)
• 장기 실행이 불가피한 경우: 더 큰 도체(최소 6AWG/10mm²) 및 트위스트 페어 라우팅 사용
• 케이블 라우팅: 신호 케이블을 루프, 코일 또는 병렬로 연결하지 마십시오.
• 장착 위치: 장비 단자에 가능한 한 물리적으로 가까운 곳에 SPD 설치

전문가 팁: 설치 전에 SPD 연결 케이블을 필요한 길이에 맞게 미리 절단하세요. 깔끔한 케이블 관리보다 보호 효과가 더 중요하므로 SPD 장착 위치를 재배치해야 하는 경우에도 짧고 직접적인 케이블을 사용하세요.

컴바이너 박스가 여러 개 있는 대형 시스템의 경우 중앙 SPD 위치까지 긴 케이블을 사용하지 않고 각 컴바이너 박스에 SPD를 배치하세요. 분산 보호는 케이블 길이가 긴 중앙 집중식 보호보다 더 효과적입니다.

SPD가 시스템 성능이나 효율성에 영향을 주나요?

적절하게 선택 및 설치된 SPD는 정상 작동 중 시스템 성능에 전혀 영향을 미치지 않습니다.

정상 작동 중:

• 전압 강하: 사실상 0(SPD는 정상 조건에서 개방 회로임)
• 전력 손실: 무시할 수 있음(시스템 출력의 0.001% 미만)
• 효율성 영향: 측정 불가
• EMI/RFI 효과: 없음(SPD는 실제로 전기 소음을 줄일 수 있음)

누설 전류 고려 사항:

• MOV 기반 SPD: 10~100μA 누설(노화로 인해 누설 증가)
• GDT 기반 SPD: < 1μA 미만 누설
• 1000V에서 작동하는 100kW 시스템의 경우: 100μA 누설 = 0.1W 전력 손실(출력 0.0001%)
• 성능에 미치는 영향: 헤아릴 수 없음

서지 이벤트 중:

• 나노초 내에 SPD가 활성화되어 전압을 안전 수준으로 클램핑합니다.
• 서지 후 SPD는 고임피던스 상태로 돌아갑니다.
• 시스템 작동에 잔류 효과 없음
• 최신 SPD는 자체 테스트하여 성능 저하를 표시합니다.

잘못 적용한 경우에만 잠재적인 문제가 발생할 수 있습니다:

• Uc 등급 미달: 높은 Voc 조건에서 SPD가 클램핑되어 시스템 오류로 나타날 수 있습니다.
• 교체되지 않은 고장난 SPD: 단락으로 표시되어 시스템 작동을 방해할 수 있습니다.
• 잘못된 극성: 접지 오류를 일으킬 수 있습니다(설치 지침을 주의 깊게 따르십시오).

결론 고품질 SPD는 시스템 작동에 투명합니다. 제대로 설치된 서지 보호로 인한 성능 영향은 보호 이점보다 훨씬 큽니다. 경험하게 될 유일한 “성능 문제”는 장비를 파괴할 수 있는 서지 이벤트 후에도 계속 작동하는 것입니다.

최종 생각: 태양광 업계에서는 “설치 비용을 절약한 1달러가 곧 수익”이라는 말을 자주 듣습니다. 그러나 태양광 스트링 서지 보호를 건너뛰고 $2,000~3,000달러를 선불로 절약하는 것은 보험료를 절약하기 위해 자동차 보험을 해지하는 것과 같으며, 필요할 때까지는 훌륭하게 작동합니다. 문제는 서지 보호를 감당할 수 있는지 여부가 아니라 전체 인버터와 수십 개의 모듈을 교체하고 번개가 치면 몇 주 동안의 다운타임을 감당할 수 있는지 여부입니다. 서지 보호를 모든 PV 시스템 설계에서 타협할 수 없는 부분으로 만들면 고객과 평판이 좋아질 것입니다.