DC 퓨즈 크기 조정: 계산기 및 예제가 포함된 단계별 가이드

소개 ‘충분히 근접한’ 계산의 높은 비용

숙련된 태양광 설치 전문가인 Dave는 반복되는 악몽과 마주하고 있었습니다. 3개월 전에 완공한 100kW 상업용 옥상 시스템의 퓨즈가 화창한 날에도 끊어지고 있었습니다. 고객은 생산량을 잃고 있었고, Dave의 팀은 20A 퓨즈를 교체하기 위한 서비스 요청으로 시간과 비용을 낭비하고 있었습니다. 초기 진단은 퓨즈 배치가 불량이라는 것이었습니다. 하지만 세 번째 콜아웃 이후 진짜 문제가 분명해졌습니다. 이 시스템은 단락 전류(Isc)가 13.9A인 새로운 고효율 550W 패널로 설계되었습니다. Dave의 수석 엔지니어는 오래된 습관에 의존하여 간단한 1.25배 승수를 사용하여 스트링 퓨즈의 크기를 17.4A로 정하고 표준 20A 퓨즈로 반올림했습니다.

그가 놓친 것은 연속 부하를 모두 고려한 완전한 코드 의무 계산이었습니다. 및 햇빛에 흠뻑 젖은 패널이 일시적으로 명판 정격보다 훨씬 높은 출력을 낼 수 있는 실제 태양광 조도 급상승 조건입니다. 맑고 밝은 오후에는 어레이의 전류가 퓨즈 소자를 피로하게 할 만큼 충분히 오랫동안 20A를 약간 넘었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 컴바이너 박스를 25A로 완전히 다시 퓨징했습니다. 퓨즈, 하지만 그 피해는 고객 불만, 수익률 하락, 그리고 힘들게 얻은 교훈이었습니다.

“전기 설계에서 ”충분히 가깝다"는 말은 위험한 문구입니다. 유틸리티 규모의 태양광 발전소부터 배터리 에너지 저장 장치(BESS) 및 전기 자동차(EV) 고속 충전기에 이르기까지 고전력 직류(DC) 시스템의 세계에서 코드를 준수하는 정확한 퓨즈 크기는 권장 사항이 아니라 안전, 신뢰성 및 경제성을 위한 타협할 수 없는 필수 요소입니다. 이 가이드는 매번 올바르게 퓨즈 사이징을 하기 위한 단계별 전문 방법론을 제공합니다.

1부: 기본 사항 - DC 퓨징에 더 많은 존중이 필요한 이유

계산을 시작하기 전에 DC 과전류 보호가 AC보다 근본적으로 더 까다로운 이유를 이해하는 것이 중요합니다. 그 차이는 전기 아크의 물리학에 있습니다.

교류 회로에서 전류는 매초 100회 또는 120회 자연스럽게 0을 통과합니다. 이 제로 크로싱은 퓨즈 소자가 녹을 때 형성되는 플라즈마 브리지인 아크가 순간적으로 소멸할 수 있는 기회를 제공합니다. AC 퓨즈는 이 반복적인 “꺼짐” 스위치를 활용하도록 설계되었습니다.

DC는 가차없습니다. 제로 크로싱이 없습니다. DC 퓨즈가 열리면 연속적인 고에너지 아크가 형성됩니다. 이 아크는 본질적으로 온도가 10,000°C를 초과하는 플라즈마 제트입니다. 이를 진압하려면 DC 퓨즈는 전압 수요가 시스템의 전압을 초과할 때까지 아크를 늘릴 수 있을 만큼 견고해야 하며, 동시에 막대한 열 에너지를 흡수하여 플라즈마를 냉각시켜야 합니다. 그렇기 때문에 gPV(태양광) 및 기타 DC 등급 퓨즈에는 종종 특수 석영 모래 필러가 포함되어 있으며, 이는 풀구라이트라는 유리와 같은 물질로 녹아 아크를 질식시킵니다.

DC 애플리케이션에서 AC 퓨즈를 사용하는 것은 치명적인 오류입니다. 오류를 제거하지 못하여 아크가 지속되고 퓨즈 본체가 폭발할 가능성이 있으며 심각한 화재 위험으로 이어질 수 있습니다. DC 퓨즈를 올바르게 지정하려면 네 가지 주요 매개변수를 숙지해야 합니다:

• 전압 정격(VDC): 퓨즈의 정격 전압은 최대 시스템 DC 전압과 같거나 그 이상이어야 합니다. 여기에는 태양광 어레이의 가장 낮은 예상 온도에서 개방 회로 전압(Voc)을 고려하는 것이 포함됩니다.
• 연속 전류 정격(암페어): 퓨즈의 명판 값입니다(예: “15A”). 퓨즈가 성능 저하 없이 무한정 전달할 수 있는 전류의 양을 나타냅니다. 그것은 not 즉시 불어오는 전류입니다.
• 차단 등급(kA): 차단 용량이라고도 하는 이 값은 퓨즈가 파열되지 않고 안전하게 차단할 수 있는 최대 고장 전류입니다. 배터리 뱅크의 경우 예상되는 단락 전류는 수천 암페어에 달할 수 있습니다. 퓨즈의 차단 정격은 이 값을 초과해야 합니다.
• 퓨즈 속도(시간-전류 곡선): 이는 다양한 수준의 과전류에서 퓨즈가 얼마나 빨리 열리는지를 정의합니다. 퓨즈는 단순한 온/오프 장치가 아닙니다. “초고속” 반도체 퓨즈는 민감한 전자 장치를 보호하기 위해 밀리초 만에 열릴 수 있으며, “시간 지연” 퓨즈는 모터의 일시적인 돌입 전류를 끊어지지 않고 견딜 수 있습니다. 태양광 애플리케이션의 경우, gPV 등급 퓨즈는 조도 스파이크를 허용하지만 위험한 역전류로부터 보호하는 특정 곡선으로 설계되었습니다.

2부: 핵심 공식 해독하기: NEC와 IEC 비교

“1.56 승수”는 북미에서 DC 퓨즈 사이징의 초석이지만, 많은 전문가들이 이를 잘못 적용하거나 그 기원을 이해하지 못하고 있습니다. 이는 임의의 숫자가 아니라 미국 전기 규정(NEC)에서 직접 도출한 안전 계수입니다.

NEC 1.56 승수 설명

1.56 계수는 태양광 PV 시스템에 대해 NEC 690조에 규정된 대로 두 개의 개별 125% 승수를 연속적으로 적용하여 산출한 것입니다.

1. 최대 전류의 경우 125%(NEC 690.8(A)(1)): 첫 번째 단계는 “최대 회로 전류”를 계산하는 것입니다. 이 규정은 특정 조건(예: 반사광이 있는 춥고 맑은 날 또는 “구름 가장자리 효과”)에서 태양광 패널이 정격 단락 전류(Isc) 이상을 생성할 수 있음을 인식하고 있습니다. 이 배율은 도체 및 OCPD(과전류 보호 장치) 크기 조정에 대한 기준을 설정합니다.
   • 최대 전류 = Isc × 1.25
2. 연속 근무용 125%(NEC 690.9(B)): 두 번째 단계에서는 이 “최대 전류'를 연속 부하로 취급합니다. 연속 부하는 3시간 이상 작동할 수 있는 부하로, 태양광 어레이의 표준입니다. NEC는 연속 부하에 대한 과전류 보호의 크기를 해당 부하의 125%로 설정할 것을 요구합니다.
   • 최소 퓨즈 정격 = 최대 전류 × 1.25

이 두 단계를 결합하면 전체 상황을 파악할 수 있습니다:

최소 퓨즈 정격 = (Isc × 1.25) × 1.25 = Isc × 1.5625

실용적인 목적을 위해 반올림하면 다음과 같습니다. 1.56. 이 최소 등급을 계산한 후에는 항상 반올림해야 합니다. up 를 다음 표준 퓨즈 크기(예: 10A, 15A, 20A, 25A, 30A)로 변경합니다.

IEC 접근 방식과의 비교

NEC는 명확하고 규범적인 승수를 제공하지만, 국제 표준 IEC 62548은 보다 유연한 범위를 제공합니다. IEC 표준에 따르면 퓨즈 정격(I_n)은 다음 규칙에 따라 설계 전류(I_B)와 케이블 암페어 용량(I_z) 사이에 속해야 합니다. I_B ≤ I_n ≤ I_z.

태양광 스트링 보호의 경우 IEC 62548에서는 퓨즈 정격의 크기를 모듈 Isc의 1.5배에서 2.4배 사이로 권장합니다.

• IEC 퓨즈 크기 조정: 최소 퓨즈 정격 = Isc × (1.5 ~ 2.4)

이 범위를 통해 설계자는 현지 환경 조건, 온도 및 특정 모듈 특성에 따라 보호를 최적화할 수 있습니다. 하지만 NEC가 관할하는 프로젝트의 경우에는 1.56 승수는 필수입니다.

3부: 단계별 크기 조정 계산기

자동화된 도구가 아니라 모든 중요한 변수를 고려하는 6단계의 수동 프로세스라고 생각하세요. 이 워크플로우를 따르면 오류를 방지하고 안전하고 신뢰할 수 있으며 코드를 준수하는 디자인을 만들 수 있습니다.

1단계: 최대 설계 전류 결정
회로가 전달할 수 있는 최대 연속 전류를 파악합니다.

• 태양광 스트링의 경우: 패널의 단락 전류(Isc)를 사용합니다.
• 배터리 뱅크의 경우: 인버터의 최대 연속 DC 입력 전류를 사용합니다.
• DC 부하(예: EV 충전기)의 경우: 장비의 명판에 표시된 최대 DC 전류 정격을 사용하세요.

2단계: 온도 감속 계수 적용
퓨즈는 특정 주변 온도(일반적으로 25°C 또는 40°C)에 맞게 정격화되어 있습니다. 지붕 위의 햇볕이 내리쬐는 컴바이너 박스처럼 더운 환경에 퓨즈를 설치하면 유효 전류 전달 용량이 감소합니다. 퓨즈 제조업체의 데이터시트에서 경감 곡선 또는 표를 참조해야 합니다. 예를 들어 65°C 환경에서 20A 퓨즈는 유효 정격이 17.4A에 불과할 수 있습니다. 이를 보완하기 위해 더 큰 퓨즈를 선택해야 할 수도 있습니다.

3단계: 관련 코드 승수 적용하기
관리 규정에 따라 필요한 안전율을 적용하세요.

• NEC 호환 태양광의 경우: Isc에 1.56을 곱합니다.
• NEC에 따른 기타 연속 DC 부하의 경우: 최대 설계 전류에 1.25를 곱합니다.
• IEC 프로젝트의 경우: 설계에 따라 1.5에서 2.4 사이의 승수를 사용합니다.

4단계: 다음 표준 퓨즈 크기 선택
승수를 적용하면 필요한 최소 퓨즈 정격을 알 수 있습니다. 다음 표준 계산한 값과 같거나 더 큰 시중에서 판매되는 퓨즈 크기입니다. 예를 들어 계산 결과 최소 정격이 22.54A인 경우 25A 퓨즈를 선택해야 합니다.

5단계: 도체 및 장비 보호 확인
퓨즈에는 전선 보호와 장비 보호라는 두 가지 역할이 있습니다.

• 전선 보호: 퓨즈 정격은 연결된 전선의 용량을 초과해서는 안 됩니다. 20A만 정격인 전선에 30A 퓨즈를 사용하면 화재 위험이 있습니다.
• 장비 보호: 퓨즈 정격은 장비 제조업체에서 지정한 최대 OCPD 정격을 초과하지 않아야 합니다. 예를 들어 태양광 패널의 경우 데이터시트에 “최대 직렬 퓨즈 정격'이 명시되어 있습니다(일반적으로 15A ~ 30A). 이를 초과하면 보증이 무효화되고 모듈이 손상될 수 있습니다.

6단계: 차단 정격(kA) 확인
마지막으로 퓨즈의 차단 정격(kA)이 시스템의 해당 지점에서 사용 가능한 단락 전류보다 큰지 확인합니다. 이는 대규모 고장 전류를 전달할 수 있는 배터리 시스템의 경우 특히 중요합니다. 배터리의 예상 단락 전류(I_sc)에 대한 빠른 추정치는 다음과 같습니다. I_sc = 배터리 전압 / 총 루프 저항. 계산된 I_sc가 16,000A(16kA)인 경우, 차단 정격이 10kA인 퓨즈는 부적절하며 심하게 고장날 수 있습니다.

4부: 계산을 사용한 애플리케이션 예제

이 6단계 프로세스를 세 가지 일반적인 고전력 DC 애플리케이션에 적용해 보겠습니다.

A. 태양광 발전 시스템(스트링 및 결합기 융합)

세 개 이상의 스트링이 병렬로 연결된 태양광 어레이의 경우, NEC 690.9(A)에서는 각 스트링에 개별 퓨즈를 사용하도록 규정하고 있습니다. 이렇게 하면 한 스트링의 결함으로 인해 정상 스트링에서 대규모 역전류가 흐르는 것을 방지할 수 있습니다.

시나리오: 450W 패널을 사용하는 상업용 옥상 시스템을 위한 스트링 퓨징을 설계하세요.

• 패널 데이터시트 Isc: 12.8A
• 패널 “최대 직렬 퓨즈 정격”: 25A
• 전선: 10AWG PV 와이어(40A 정격)
• 컴바이너 박스 내 주변 온도: 50°C(122°F)
• 퓨즈 제조업체의 50°C에서의 정격 감소: 0.92

계산:

1. 최대 설계 전류: 기본은 패널 Isc입니다: 12.8A.
2. 온도 감소: 퓨즈 크기를 찾아야 합니다, 이후 등급을 낮춰도 여전히 규정 요건을 충족합니다. 추후 검증 과정에서 경감 계수를 적용할 예정입니다.
3. 코드 승수(NEC):
   • 최소 요구 등급 = 12.8A × 1.56 = 19.97A
4. 표준 퓨즈 크기를 선택합니다: 19.97A에서 다음 표준 크기는 다음과 같습니다. 20A.
5. 보호 확인:
   • 온도 확인: 이제 20A 퓨즈가 50°C에서 충분한지 확인해 보겠습니다.
     • 유효 퓨즈 정격 = 20A × 0.92(부하 경감 계수) = 18.4A
     • 이것은 미만 최소 19.97A가 필요합니다. 20A 퓨즈는 너무 작아서 트립을 일으킬 수 있습니다.
   • 수정된 선택: 다음 사이즈를 선택해야 합니다. 25A 퓨즈.
     • 유효 퓨즈 정격 = 25A × 0.92 = 23A
     • 이는 19.97A보다 크므로 이 고온 환경에는 25A 퓨즈가 적합합니다.
   • 전선 보호: 25A 퓨즈 정격은 10AWG 와이어의 40A 암페어 용량보다 훨씬 낮습니다. ✓
   • 장비 보호: 25A 퓨즈 정격은 패널의 “최대 직렬 퓨즈 정격”인 25A와 동일합니다. ✓
6. 방해 등급을 확인합니다: 스트링 수준 오류의 경우 사용 가능한 오류 전류는 다른 병렬 스트링의 Isc를 합한 값입니다. 총 10개의 스트링이 있는 경우 최대 결함 전류는 다음과 같습니다. 9 스트링 × 12.8A ≈ 115A. 표준 gPV 퓨즈의 차단 정격은 10kA 이상으로 충분합니다. ✓

최종 선택: 25A, 1000VDC gPV 등급 퓨즈.

B. 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)

대형 리튬 이온 배터리 뱅크의 퓨즈는 주로 치명적인 단락을 방지하는 데 사용됩니다. 퓨즈는 수만 암페어의 전류를 차단할 수 있어야 합니다.

시나리오: 5,000W 인버터/충전기에 연결된 48V, 400Ah LiFePO4 배터리 뱅크의 주 DC 퓨즈를 선택합니다.

• 인버터 최대 연속 DC 전류: 125A
• 인버터 효율: 95%
• 최저 배터리 작동 전압: 44V
• 계산된 예상 단락 전류(배터리 사양 및 케이블 저항에서): 18,000A(18kA)
• 와이어: 2/0 AWG(190A 정격)

계산:

1. 최대 설계 전류: 전류가 가장 높은 가장 낮은 배터리 전압에서 인버터의 최대 전류 소비량을 계산해야 합니다.
   • 최대 소비 전력 = 5000W / 0.95(효율) = 5263W
   • 최대 DC 전류 = 5263W / 44V(저전압) = 119.6A
2. 온도 감소: 퓨즈가 제어된 실내 환경(25°C)에 있으므로 경감할 필요가 없다고 가정합니다.
3. 코드 승수(NEC): 이것은 연속 부하이므로 1.25배 승수를 사용합니다.
   • 최소 요구 정격 = 119.6A × 1.25 = 149.5A
4. 표준 퓨즈 크기를 선택합니다: 다음 표준 크기는 다음과 같습니다. 150A.
5. 보호 확인:
   • 전선 보호: 150A 퓨즈 정격은 2/0 와이어의 190A 암페어 용량보다 낮습니다. ✓
   • 장비 보호: 150A 퓨즈는 최대 125A의 연속 전류에 맞게 설계된 인버터를 보호합니다. ✓
6. 방해 등급을 확인합니다: 예상 고장 전류는 18kA입니다. 이보다 더 큰 차단 정격의 퓨즈가 필요합니다. 표준 ANL 또는 MEGA 퓨즈는 정격이 2~6kA에 불과한 경우가 많아 부적합합니다. 다음과 같은 높은 차단 용량의 퓨즈를 사용해야 합니다. 클래스 T 퓨즈. 클래스 T 퓨즈의 차단 정격은 20kA ~ 200kA입니다. 20kA 정격 클래스 T 퓨즈가 안전한 선택입니다.

최종 선택: 150A, 클래스 T 퓨즈(≥20kA 차단 정격).

C. DC 고속 충전기(EVSE)

DC 고속 충전기는 과전류로 인해 마이크로초 단위로 파괴될 수 있는 민감한 전력 전자 장치(IGBT 또는 SiC MOSFET)가 포함되어 있다는 점에서 특별합니다. 여기서 보호는 전선 화재를 방지하는 것보다는 값비싼 반도체 모듈을 절약하는 데 더 큰 의미가 있습니다. 이를 위해서는 초고속 퓨즈가 필요합니다.

시나리오: 150kW DC 고속 충전기에서 50kW 전력 모듈 하나에 맞는 DC 출력 퓨즈의 크기를 정합니다.

• 모듈 전력: 50kW
• DC 출력 전압 범위: 200-1000VDC
• IGBT 모듈 내전압(I²t): 50,000A²s
• DC 버스에서 예상되는 단락: 50kA

계산:

1. 최대 설계 전류: 전류는 가장 낮은 전압에서 가장 높습니다. 충전기가 전압 범위에서 50kW를 공급할 수 있다고 가정합니다:
   • 최대 전류 = 50,000W / 200V = 250A
2. 온도 감소: 이 모듈은 팬 냉각식이지만 안정성을 위해 일반적으로 연속 부하의 1.2~1.5배로 퓨즈 정격을 설정할 것을 권장하는 제조업체의 지침을 따릅니다. 저희는 1.4배율을 사용합니다.
3. 코드 승수: 제조업체에서 제공하는 1.4배 사이징 계수는 필요한 모든 안전 마진을 고려한 것입니다.
   • 목표 퓨즈 정격 = 250A × 1.4 = 350A
4. 표준 퓨즈 크기를 선택합니다: A 350A 반도체 퓨즈는 표준 크기입니다.
5. 보호 확인: 여기서 가장 중요한 검증은 I²t(렛스루 에너지) 등급입니다. 퓨즈의 총 클리어링 I²t는 다음과 같아야 합니다. 덜 의 내구성 등급보다 높습니다.
   • 350A, 1000VDC 초고속 퓨즈의 데이터시트를 참조하면 1000V에서 클리어 I²t가 ~38,000A²s임을 알 수 있습니다.
   • 38,000A² < 50,000A². 퓨즈가 IGBT를 보호합니다. ✓
6. 방해 등급을 확인합니다: 사용 가능한 고장 전류는 50kA입니다. 고속 반도체 퓨즈는 차단 정격이 50kA, 100kA 이상인 퓨즈를 사용할 수 있습니다. 다음 중 하나를 선택해야 합니다. 최소 50kA.

최종 선택: 350A, 1000VDC aR 정격(반도체) 퓨즈(차단 정격 50kA 이상, I²t < 50,000A²s).

5부: 일반적인 함정 및 이를 피하는 방법

프로세스가 견고하더라도 일반적인 실수로 인해 시스템의 안전성과 신뢰성이 손상될 수 있습니다. 다음은 가장 빈번하게 발생하는 오류와 이를 방지하는 방법을 요약한 것입니다.

결론 및 행동 유도

정확한 DC 퓨즈 사이징은 하나의 숫자가 아니라 시스템입니다. 이는 코드 요구 사항, 환경 현실, 도체에서 전원 자체에 이르기까지 체인 내 각 구성 요소의 특정 보호 요구 사항의 균형을 맞추는 체계적인 프로세스입니다. 태양광의 1.56배 승수부터 배터리의 중요한 차단 용량, EV 충전기에 필요한 마이크로초 단위의 응답 시간까지, 이를 제대로 파악하는 것이 진정한 전기 전문가의 특징입니다. 이는 단순히 설치만 하는 시스템과 수십 년 동안 안전하고 안정적인 성능을 발휘하도록 설계된 시스템의 차이입니다.

신뢰할 수 있는 구성 요소로 이러한 원칙을 구현할 준비가 되셨나요? Kuangya의 모든 NEC 및 IEC 호환 DC 퓨즈 제품군 살펴보기 를 통해 프로젝트에 필요한 정확한 보호 기능을 찾을 수 있습니다. 복잡한 애플리케이션 또는 계산을 검증하는 데 적합합니다, 엔지니어링 팀에 문의 를 통해 다음 프로젝트에 대한 전문가의 안내를 받으세요.

면책 조항: 이 문서에 제공된 정보는 교육 목적으로만 제공됩니다. 전기 작업은 위험하므로 자격을 갖춘 전문가만 수행해야 합니다. 전기 시스템을 설계하거나 설치하기 전에 항상 최신 버전의 미국 전기규정(NEC), 관련 IEC 표준, 관할 당국(AHJ)에서 시행하는 현지 규정 및 장비 제조업체의 사양을 참조하세요.