DC 태양광 보호를 위한 궁극의 가이드

재생 에너지를 향한 전 세계적인 노력으로 태양광 발전(PV) 시스템은 틈새 기술에서 현대 전력 인프라의 핵심 부분으로 발전했습니다. 주택 소유자와 기업에게 태양광 패널 설치는 지속 가능한 에너지와 재정적 자립을 위한 장기적인 주요 투자입니다. 하지만 태양광 발전 시스템의 효율성과 안전성은 흔히 간과하는 한 가지 요소에 크게 좌우됩니다: 강력한 전기 보호.

가정에서 사용하는 교류(AC) 전력과 달리 태양광 어레이에서 생성되는 직류(DC)는 독특하고 복잡한 안전 문제를 야기합니다. 이 가이드에서는 DC와 AC 전력의 주요 차이점부터 규정을 준수하는 완벽한 보호 시스템 구축에 이르기까지 DC 태양광 발전 보호에 대해 알아야 할 모든 것을 자세히 설명합니다.

1. 왜 DC 태양광 보호 중요성: DC 전원 대 AC 전원

특수 DC 보호의 필요성을 이해하려면 먼저 DC와 AC 전력의 근본적인 차이점과 이러한 차이가 안전에 미치는 영향을 명확히 알아야 합니다.

DC 전원과 AC 전원의 주요 차이점

보호되지 않은 DC 시스템의 위험성

표준 AC 보호 장치는 DC의 고유한 특성을 처리하도록 설계되지 않았습니다:

• A DC 아크 는 자연적인 차단이 부족하여 화재를 일으킬 수 있는 고온 플라즈마를 생성합니다.
• A DC 충격 는 지속적인 근육 수축으로 이어져 심각한 화상과 내부 손상의 위험을 증가시킵니다.

특수한 DC 보호 기능이 없으면 PV 시스템의 사소한 전기적 결함도 치명적인 문제로 확대될 수 있습니다.

2. DC 태양광 시스템에 대한 주요 위협

태양광 패널에서 인버터에 이르는 태양광 시스템의 DC 측에는 세 가지 주요 전기적 위험이 존재합니다. 이러한 위협을 이해하는 것이 효과적인 보호 전략을 수립하는 첫 번째 단계입니다.

1. 과전류: 단락 및 과부하

과전류는 전류가 회로의 안전 한계를 초과할 때 발생합니다. 과전류에는 두 가지 일반적인 형태가 있습니다:

• 단락 회로: 의도하지 않은 저저항 경로(예: 배선 손상, 도체가 모듈 프레임과 접촉)로 인해 갑작스러운 대규모 전류 서지가 발생합니다. 병렬 PV 스트링에서 건강한 스트링은 결함이 있는 스트링에 전류를 '역공급'하여 도체를 과열시키고 화재를 일으킵니다.
• 과부하: 전류가 지속적으로 적당히 증가하면(예: 인버터 용량에 비해 대형 태양광 어레이) 점진적으로 열이 축적됩니다. 이는 구성 요소를 저하시키고 단열재를 녹여 결국 화재를 일으킵니다.

2. 과전압: 일시적 및 영구적 서지

과전압은 민감한 부품을 손상시키는 전압 스파이크 또는 지속적인 고전압을 말합니다:

• 과도 과전압: 짧고 큰 규모의 스파이크(예: 낙뢰, 유틸리티 전환). 마이크로초 길이의 서지라도 인버터를 파괴할 수 있으며, 반복되는 작은 서지는 시간이 지남에 따라 구성 요소를 저하시킵니다.
• 영구 과전압: 지속적인 고전압 조건(예: 3상 시스템의 중성 도체 결함). 이로 인해 구성 요소가 더 많은 전류를 소비하게 되어 과열 및 소손으로 이어집니다.

3. DC 아크 결함: 조용한 화재 위험

DC 아크 결함은 작은 회로 간격에서 의도하지 않은 전기 방전이 발생하는 것을 말합니다. 두 가지 이유로 매우 위험합니다:

1. AC와 달리 아크가 자연 소멸되지 않으므로 회로를 수동으로 중단할 때까지 아크가 무한정 연소됩니다.
2. 아크는 저항이 낮은 플라즈마를 생성하여 도체가 분리되어도 성장할 수 있도록 합니다.

아크 결함은 종종 접지 오류 (DC 도체가 접지된 표면(예: 모듈 프레임)에 닿는 경우). 다른 도체에서 두 번째 접지 오류가 발생하면 인버터 보호 기능이 우회되어 대규모 전류 서지 및 지속적인 아크가 발생하는데, 이는 태양광 발전 화재의 가장 큰 원인 중 하나입니다.

3. DC 보호의 네 가지 기둥: 기술적 분석

안전한 태양광 발전 시스템은 네 가지 핵심 보호 장치에 의존하며, 각 장치는 고유한 역할을 수행합니다. 아래는 이러한 장치의 작동 방식, 장단점, 배치 위치에 대한 자세한 분석입니다.

A. DC 퓨즈: 첫 번째 방어선

DC 퓨즈는 다음과 같습니다. 패시브, 일회용 디바이스 과전류를 차단하도록 설계되었습니다. 전류가 설정된 한계를 초과하면 녹아 회로를 차단하는 보정된 금속 와이어/스트립이 포함되어 있습니다.

DC 퓨즈의 주요 사양

• 전압 정격(VDC): PV 어레이의 최대 개방 회로 전압과 같거나 초과해야 합니다(용융 후 아크 방지).
• 전류 정격(A): 회로의 최대 연속 전류의 125%에서 크기(잘못된 트립 방지).
• 인터럽트 용량(IC): 퓨즈가 안전하게 차단할 수 있는 최대 고장 전류(최신 PV 퓨즈는 종종 200,000암페어 이상을 처리합니다).

장단점

• ✅ 단락에 대한 빠른 응답, 높은 IC, 스트링 보호에 비용 효율적입니다.
• ❌ 일회용(교체 필요), 수동 분리 불가.

전략적 배치

• 각 병렬 PV 스트링의 컴바이너 박스 내부(다른 스트링이 작동하는 동안 결함이 있는 스트링을 격리).
• 배터리 단자 근처(배터리 기반 시스템을 단락으로부터 보호).
• 접지되지 않은 시스템에서 양극/음극 도체 모두.

B. DC 회로 차단기: 재사용 가능한 보호기

DC 회로 차단기는 다음과 같습니다. 자동, 재설정 가능한 장치 열 및 자기 메커니즘을 사용하여 회로를 트립합니다:

• 열 요소: 지속적인 과부하가 걸리면 바이메탈 스트립이 구부러져 차단기가 작동합니다.
• 자기 요소: 솔레노이드는 단락 시 즉각적인 트립을 트리거합니다.

DC의 지속적인 아크를 처리하기 위해 차단기는 특수 기술을 사용합니다:

1. 자기 분출: 자기 코일은 접점에서 호를 밀어내어 접점을 길게 만듭니다.
2. 아크 슈트: 챔버의 금속판이 냉각되어 소멸될 때까지 호를 분할합니다.

주요 사양

• 정격 전압 ≥ 시스템 최대 전압.
• 정격 전류 ≥125%의 최대 연속 전류.
• 단락 전류 정격(SCCR) > 사용 가능한 최대 고장 전류.

장단점

• 재설정 가능; 시각적 트립 표시기; 수동 연결 해제 기능도 겸합니다.
• 퓨즈보다 느린 속도, 높은 초기 비용, 복잡한 아크 소화 설계.

전략적 배치

• 결합기 상자(문자열 보호).
• 메인 어레이 출력 회로(중앙 집중식 과전류 보호).

C. DC 스위치 단로기: 안전 아이솔레이터

DC 스위치 단로기(또는 PV 아이솔레이터)는 다음과 같습니다. 수동 스위치 회로에 물리적으로 눈에 보이는 단락을 생성합니다. 주요 역할은 과전류 보호가 아니라 유지보수 및 비상 사태에 대비한 안전입니다.

필수적인 이유

• 태양광 패널은 햇빛에 노출되어 있는 한 전력을 생산하기 때문에 기술자에게 위험을 초래할 수 있습니다. 단로기는 어레이를 분리하여 수리 중 충격 위험을 제거합니다.
• 화재/홍수 발생 시 응급 구조대는 단로기를 사용하여 시스템의 전원을 신속하게 차단합니다.

장단점

• ✅ 눈에 보이는 격리 지점, 장기적인 안전을 위해 잠금 가능, 비상 대응에 필수.
• 자동 과전류 보호 기능 없음, 수동 조작이 필요합니다.

전략적 배치

• 태양광 패널과 인버터 사이.
• 접근성을 위해 여러 위치(예: 패널 근처의 지붕, 인버터 근처의 지면)에 설치합니다.
• 일부 최신 인버터에 통합되어 설치가 간편합니다.

D. DC SPD(서지 보호 장치): 라이트닝 가드

DC SPD는 다음을 사용하여 과도 과전압 (예 : 번개)으로부터 보호합니다. 금속 산화물 배리스터(MOV):

• 정상적인 조건에서: MOV는 저항이 높아 SPD를 분리합니다.
• 서지 발생 시: MOV 저항이 즉시 감소하여 초과 전류를 접지로 전환합니다.
• 급등 후: MOV는 높은 저항으로 돌아와 향후 이벤트에 대비합니다.

주요 사양

• 전압 정격(VDC)≥ 시스템의 최대 DC 전압.
• 최대 서지 전류(Imax): SPD가 한 번의 이벤트에서 전환할 수 있는 피크 전류(kA)입니다.
• 공칭 방전 전류(In): SPD 핸들에 반복적으로 전류를 흐르게 합니다(Imax의 ≈ 50%를 목표로 합니다).
• 서지 등급(줄): 에너지 흡수 용량(MOV가 클수록 줄 등급이 높음).

장단점

• 나노초의 응답 시간, 재사용 가능, 수동적 보호.
• 과전류 보호 기능 없음, 에너지 용량 제한, 반복적인 서지 발생 시 성능 저하.

전략적 배치

• 인버터 근처(케이블 길이가 10미터 미만인 경우).
• 컴바이너 박스(10미터 이상 주행 시 양쪽 끝에서 이중 보호).
• 주 전원 인입구의 유형 1 SPD(직접 낙뢰 보호), 컴바이너 박스의 유형 2 SPD(간접 서지)(주거/상업용 시스템에 일반적).

4. 완벽한 DC 보호 시스템 구축: 코드 및 설계

효과적인 DC 보호 시스템은 단순한 장치 모음이 아닙니다. 조정된 네트워크 업계 표준에 부합합니다. 다음은 이를 설계하는 방법과 주요 코드 요구 사항을 설명합니다.

단계별 DC 보호 시스템 설계

1. PV 어레이 - 컴바이너 박스:
   • 전압을 높이려면 패널을 직렬(스트링)로 연결하고, 암페어를 높이려면 병렬로 연결합니다.
   • 각 병렬 스트링에 DC 퓨즈/회로 차단기를 설치합니다(역피딩 방지).
   • 서지 차단을 위해 DC SPD(유형 2)를 추가하세요.
2. 컴바이너 박스 - DC 스위치 단로기:
   • 통합된 DC 전원을 단로기(수동 분리 지점)로 라우팅합니다.
   • 접근 가능한 위치(지붕 + 지면)에 단로기를 배치하세요.
3. 인버터 단로기:
   • 인버터로 전원을 전송합니다(DC를 AC로 변환).
   • 인버터 근처에 두 번째 DC SPD를 추가합니다(케이블 길이가 긴 경우).
   • 최종 안전을 위해 인버터의 내부 보호 장치에 의존하세요.

주요 코드 요구 사항(NEC 및 IEC)

전기 규정 준수는 선택 사항이 아니라 안전과 보증 유효성을 위한 필수 사항입니다. 다음은 중요한 표준입니다:

5. 결론: 태양광 시스템을 위한 최고의 ROI

DC 태양광 보호에 투자하는 것은 추가 비용이 아니라 태양광 투자에 대한 안전장치. 잘 설계된 시스템:

• 고가의 장비 손상과 화재 위험을 방지합니다.
• 태양광 시스템이 수십 년 동안 안정적으로 작동하도록 보장합니다(보증 보호).
• 기술자와 응급 구조대원을 안전하게 보호합니다.

퓨즈, 회로 차단기, 단로기, SPD 등 DC 보호의 네 가지 기둥은 함께 작동하여 태양광 어레이를 안전하고 효율적인 에너지원으로 전환합니다. 업계 규정을 준수하고 전문적인 설계를 우선시하면 청정 에너지 이상의 것을 얻을 수 있습니다.

옥상 시스템을 설치하는 주택 소유자든 상업용 어레이를 설계하는 전문가든 기억하세요: 강력한 DC 보호는 성공적인 태양광 투자의 토대입니다..