태양광 발전 시스템용 서지 보호 장치(SPD) 선택 - SPD 종류

태양광(PV) 발전은 재생 에너지의 주요 공급원이며 기존 발전 방식에 비해 경제적으로 매우 경쟁력이 있습니다. 옥상 태양광 패널과 같은 소규모 분산형 PV 시스템이 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 옥상 PV 시스템은 최대 1500V의 전압을 사용하는 AC 및 DC 배전을 모두 포함합니다. 특히 PV 패널을 포함한 DC 부분은 위험 지역에서 낙뢰에 직접 노출될 수 있어 낙뢰 피해에 취약합니다.

건물 낙뢰 보호는 낙뢰 위험도에 따라 외부 보호(낙뢰 보호 시스템, LPS)와 내부 보호(서지 보호 장치, SPM)로 나뉩니다. 내부 보호의 일환인 서지 보호 장치(SPD)는 대기 낙뢰나 스위칭 동작으로 인한 과도 과전압으로부터 건물을 보호합니다. SPD는 보호 대상 장비 외부에 설치되며 주로 다음과 같이 작동합니다. 전력 시스템에 서지가 발생하지 않을 때는 SPD가 보호 대상 시스템의 정상 작동에 큰 영향을 미치지 않습니다. 서지가 발생하면 SPD는 낮은 임피던스를 제공하여 서지 전류를 자체적으로 우회시키고 전압을 안전한 수준으로 제한합니다. 서지가 지나가고 잔류 전류가 사라지면 SPD는 다시 높은 임피던스 상태로 돌아갑니다.

1. 서지 보호 장치(SPD)의 설치 위치

서지 보호기(SPD)의 설치 위치는 낙뢰 위험도와 IEC 62305의 낙뢰 보호 구역(LPZ) 개념에 따라 결정됩니다. 과도 과전압은 보호 대상 장비의 내전압보다 낮은 안전 수준까지 점진적으로 감소됩니다. 그림에서 보는 바와 같이, SPD는 이러한 구역의 경계에 설치되며, 이는 저전압 시스템에 사용되는 다단계 서지 보호 개념의 근간이 됩니다. 태양광 발전 시스템의 경우, 낙뢰 서지가 교류 및 직류 측으로 유입되는 것을 방지하여 인버터와 같은 중요 부품을 보호하는 데 중점을 둡니다.

2. 서지 보호 장치(SPD) 테스트 과정

IEC 61643-11에 따르면, SPD(스파크 보호기)는 견딜 수 있도록 설계된 낙뢰 전류 임펄스 유형에 따라 세 가지 시험 범주로 분류됩니다. 유형 I 시험(T1으로 표시)은 건물로 유입될 수 있는 부분적인 낙뢰 전류를 모사하기 위한 것입니다. 이 시험에서는 아래 그림과 같이 10/350 µs 파형을 사용하며, 일반적으로 LPZ0과 LPZ1의 경계, 예를 들어 주 배전반이나 저전압 변압기 인입선에 적용됩니다. 이 등급의 SPD는 일반적으로 가스 방전관이나 스파크 갭(예: 혼 갭 또는 흑연 갭)과 같은 구성 요소를 사용하는 전압 스위칭 방식입니다.

II형(T2) 및 III형(T3) 테스트는 더 짧은 지속 시간의 임펄스를 사용합니다. II형 서지 보호기(SPD)는 일반적으로 금속 산화물 배리스터(MOV)와 같은 부품을 사용하는 전압 제한 장치입니다. 이러한 장치는 8/20 µs 전류 파형(아래 그림 참조)을 사용하여 공칭 방전 전류로 테스트되며, 상위 보호 장치에서 발생하는 잔류 서지 전압을 추가로 제한하는 역할을 합니다. III형 테스트는 1.2/50 µs 전압 임펄스와 8/20 µs 전류 임펄스를 조합한 파형 발생기(아래 그림 참조)를 사용하여 최종 사용 장비에 더 가까운 서지를 모사합니다.

3. 서지 보호 장치(SPD)의 연결 유형

과도 과전압 보호에는 크게 두 가지 방식이 있습니다. 첫 번째는 공통 모드 보호(CT1)로, 활선 도체와 접지(PE) 사이의 서지로부터 시스템을 보호하도록 설계되었습니다. 예를 들어, 낙뢰는 접지 대비 높은 전압을 시스템에 유입시킬 수 있습니다. 공통 모드 보호는 아래 그림과 같이 낙뢰와 같은 외부 교란의 영향을 완화하는 데 도움이 됩니다.

두 번째는 차동 모드 보호(CT2)로, 선로 도체(L)와 중성 도체(N) 사이의 서지로부터 시스템을 보호합니다. 이 보호 방식은 아래 그림과 같이 시스템 내부에서 발생하는 전기적 노이즈나 간섭과 같은 내부 교란을 차단하는 데 특히 중요합니다.

이러한 보호 모드 중 하나 또는 둘 다를 구현함으로써 전기 시스템을 잠재적인 서지 발생원으로부터 더욱 효과적으로 보호할 수 있으며, 궁극적으로 연결된 장비의 수명과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

SPD 보호 모드 선택 시 접지 시스템과의 조화를 고려하는 것이 중요합니다. TN 시스템에서는 CT1과 CT2 보호 모드 모두 사용 가능합니다. 그러나 TT 시스템에서는 CT1은 RCD 하류에만 적용할 수 있습니다. IT 시스템, 특히 중성선이 없는 시스템에서는 CT2 보호 모드를 사용할 수 없습니다. 이는 IT 접지 구성을 사용하는 DC 배전 시스템에서 매우 중요한 고려 사항입니다. 자세한 내용은 아래 표를 참조하십시오.

4. 서지 보호 장치(SPD)의 주요 매개변수

국제 표준 IEC 61643-11에 따르면, 저전압 배전 시스템에 연결된 SPD의 특성 및 시험은 그림 7과 같이 정의되어 있습니다.

(1) 전압 보호 레벨(상위)

SPD(방전 보호기)를 선택할 때 가장 중요한 요소는 단자 간 전압을 제한하는 SPD의 성능을 나타내는 전압 보호 레벨(Up)입니다. 이 값은 최대 클램핑 전압보다 높아야 합니다. 최대 클램핑 전압은 SPD를 통해 흐르는 전류가 공칭 방전 전류 In과 같아질 때 도달합니다. 선택된 전압 보호 레벨은 부하의 임펄스 내전압 Uw보다 낮아야 합니다. 낙뢰 발생 시 SPD 단자 양단의 전압은 일반적으로 Up보다 낮게 유지됩니다. PV DC 시스템에서 부하는 일반적으로 PV 모듈과 인버터를 의미합니다.

(2) 최대 연속 작동 전압(Uc)

Uc는 SPD 보호 모드에 연속적으로 인가할 수 있는 최대 DC 전압입니다. 이는 정격 전압과 시스템의 접지 구성에 따라 선택되며 SPD의 작동 임계값 역할을 합니다. 태양광 시스템의 DC 측에서 Uc는 태양광 어레이의 Uoc Max 이상이어야 합니다. Uoc Max는 태양광 어레이의 지정된 지점에서 활선 단자 간 및 활선 단자와 접지 간의 최고 개방 회로 전압을 나타냅니다.

(3) 공칭 방전 전류(In)

이는 Type II 테스트 및 Type I의 사전 조건화 테스트에 사용되는 SPD를 통해 흐르는 8/20 μs 파형 전류의 최대값입니다. 제2형IEC 규정에 따르면 SPD는 8/20μs 파형 전류를 최소 19회 방전할 수 있어야 합니다. In 값이 높을수록 SPD의 수명은 길어지지만 비용도 증가합니다.

(4) 임펄스 전류(Iimp)

최대 전류(Ipeak), 전하량(Q), 비에너지(W/R)의 세 가지 매개변수로 정의되는 이 전류는 다음과 같은 용도로 사용됩니다. 제1형 테스트 결과입니다. 일반적인 파형은 10/350 μs입니다.