1. 서 론

LVDC(Low Voltage DC) 및 Smart Grid 선로에 접촉 불량 및 절연파괴가 발생하게 되면 문제 개소에 열과 함께 DC 아크가 발생하게 되고 이후 전기 화재로 진화하게 된다. 특히 태양광 발전설비에서는 전기 배선이나 태양광 패널간 연결을 위해 사용되는 다수의 커넥터 등에서 예기치 못한 고장이 발생했을 때 아크가 발생할 수 있다. 이로 인해 설치물로 전류가 흘러 감전의 위험성이 존재하며 화재를 발생시켜 태양광 발전설비를 손상하거나 대규모 재산상의 손해를 초래하며 심각한 인명 및 재산피해를 일으킬 수 있다⁽¹⁾. 또한 DC 아크 발생 시 전류는 정상동작 내에 있어서 과전류 차단기와 누전차단기로는 아크 사고를 사전에 차단할 수 없는 실정으로 인간의 안전에 중대한 위협이 될 수 있기에 DC 아크 사고에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 최근에 개정된 UL1699B 국제규격을 바탕으로 관련 제품들에 대해 DC 아크 검출 및 사고를 사전에 예방하기 위한 관심들이 고조를 이루고 있다⁽²⁾.

이러한 요구사항에 발맞추어 국가전기코드 NEC (National Electrical Code)의 2014년 판본(Edition)의 부문 690.12에서는 화재 진압 시 감전 위험을 줄여 소방관을 보조하기 위한 '급속 차단(Rapid Shutdown)' 의무요건을 최초로 도입했다. 새로운 요구사항은 미국 내 건물의 태양광발전시스템에 적용되며 ‘제어되는 도체는 차단이 된 후 신속하게 안전한 전압 레벨에 있어야 한다’는 것이 주된 요구사항으로 2017년 판본(Edition) 5에서 크게 확장되어 개정되었다⁽³⁾.

미국 등 북미에서 적용하는 ‘NEC Article 690’과 더불어 유럽 각국에서는 IEC 국제규격을 근간으로 별도의 시설 규정 즉 기기의 성능, 안전성 등을 상세하게 다루고 있다. 따라서 LVDC 및 Smart Grid 선로에 적용되는 신재생에너지 설비에 대한 성능뿐만 아니라 아크 발생에 따른 사고 및 화재를 보호하고 설비의 안전성을 중시하고 있다. 이러한 결과로 미국, 독일, 일본 등의 다수 태양광 관련 업체들은 안전성을 중심으로 '급속 차단(Rapid Shutdown)' 해결과 아크 고장 검출(Arc-fault detection) 요구조건에 맞는 인버터 기술 혁신에 주력하고 있다⁽⁴⁾.

LVDC(Low Voltage DC) 및 Smart Grid 선로에서 발생하는 많은 사고사례와 고장, 화재 등에 대한 안전성이 신재생에너지 분야에서 현재 중요시되는 사항으로 본 논문에서는 Smart Grid를 모의하면서 UL1699B 국제규격에 만족하는 DC 아크 모의발생장치를 제작하였다. 제작된 장치를 이용하여 1~1,500Vdc 및 1~10A의 전력구간이 형성된 모의 Smart Grid 선로에 아크 발생 이격거리 및 이격 가속도 변화에 따른 아크전압, 아크전류 등의 정보를 정확하게 검출할 수 있는 회로를 구성하였다. 따라서 구성된 회로를 통하여 아크 발생 시 1,500Vdc 급 Smart Grid 선로의 상태진단 및 안전성을 분석하여 신뢰성을 확보하고자 한다.

2. 1,500Vdc 급 DC 아크 발생장치 설계

Smart Grid에서 발생하는 아크 검출 감지율을 개선하기 위해서는 실제 유사한 전력을 모의하고 아크 발생 환경제어가 쉽고 접점의 이격거리 및 이격 가속도 등의 모의하고자 하는 조건의 구축이 쉬워야 한다. 따라서 아크가 발생하는 접점부의 이격거리, 이격 가속도 재어와 선로의 전력을 모의하는 전압 및 전류 제어의 실험환경 구축이 가능한 1,500Vdc급 DC 아크 발생장치를 그림 1과 같이 구성하였다. 1,500Vdc급의 Smart Grid를 모의하면서 국제규격 UL1699B의 요구사항에 적합한 15kW급 HP 151500 전원을 적용하였으며 아크 접점부 및 모터 액추에이터로 구성된 아크 발생부는 절연체를 기반으로 설계하였다⁽⁵⁾.

그림 2는 그림 1에서 설명한 DC 아크 발생장치 구성도를 바탕으로 아크 발생 고전압 전극, 액추에이터 기반 고정측 및 이동측, 전극 파라미터 정밀 제어용 모터 컨트롤 시스템 등이 설계 및 제작이 이루어진 시험장비를 보여주고 있다. 또한 제작된 DC 아크 발생장치 시험장비의 제어 및 모니터링 프로그램을 그림 3에서 보여주고 있으며 아크 발생전압, 전극 이동거리, 속도 및 가속도, 아크 발생전류 등의 요소 들을 수동, 자동으로 제어할 수 있는 기능을 가지고 있으며 실험 결과에 대한 정보들을 모니터링을 통하여 데이터를 취득할 수 있도록 설계하였다.

3. Smart Grid 선로의 안전성 분석

그림 2에서 설명한 DC 아크 발생장치를 이용하여 아크전압, 전류, 아크 발생거리(전극 이동거리), 이격 가속도 등의 환경변수에 따른 실험을 시행하였으며 이에 따른 실험 결과와 안전성을 다음과 같이 정리하였다^(6,7).

실험 가) 아크전류 2A 고정 및 아크 발생거리 가속도 10% 시 아크 전압변화에 따른 실험 결과

제작된 DC 아크 발생장치 시험장비를 이용하여 아크전류 2A 고정, 아크 발생거리(전극 이동거리) 가속도 10% 시 선로에서 발생하는 아크 전압을 임의의 500, 1,000, 1,500V로 변화를 주었다. 그림 4는 실험조건에 따른 아크 발생과정과 아크전류를 실험한 결과로 각 파형에서 아크가 부분적으로 발생한 후 아크발생거리(전극 이동거리) 변화와 함께 아크가 지속적으로 발생이 되는 결과를 확인할 수 있다.

따라서 영역별로 실험 결과를 통한 선로의 안전성을 다음과 같이 분석할 수 있다.

아크 부분발생 영역 : 아크전류 2A, 아크전압 0V값을 가지면서 아크가 부분적으로 발생하며 아크 소호 시에는 입력전원의 값(500, 1,000, 1,500V)과 아크전류 0A의 값을 보인다. 또한 아크가 부분적으로 발생하면서 아크 발생거리(전극 이동거리) 또한 증가, 감소가 반복적으로 이루어지고 있다. 따라서 실제 Smart Grid 선로상에서 아크에 따른 전압과 전류의 반복적인 변화로 아크가 진화되고 있는 과정으로 볼 수 있다.

아크 발생영역 : 시험조건인 아크전류 2A가 연속적으로 선로에 흐르고 있는 상황으로 아크 발생거리(전극 이동거리)가 계속해서 증가함에 따라 선로의 전압 역시 0V에서 증가하고 있는 결과를 보여주고 있다. 따라서 실제 Smart Grid 선로상에서 아크로 인한 선로전압의 증가와 더불어 아크저항에 따른 선로저항이 증가하고 있음을 알 수 있다.

아크 소호영역 : 아크 발생거리(전극 이동거리) 증가에 따른 아크가 소호되면서 입력전원의 값(500, 1,000, 1,500V)과 아크전류가 0A에 이르는, 즉 선로의 정상상태를 보여주고 있다.

그림 4의 실험 결과를 바탕으로 아크전압과 아크발생 거리와의 관계를 제작된 모니터링 프로그램을 이용하여 정리한 표 1에서는 아크전압 증가에 따라 아크 발생거리도 증가하고 있는 결과를 보여주고 있다. 따라서 DC 선로의 사용전압이 최근 1,000V에서 1,500V로 증가함에 따라 아크로 인한 화재발생 규모도 기존보다 커짐을 알 수 있다. 따라서 아크 발생에 따른 사고를 사전에 차단하고 화재 사고 및 인명피해를 줄이기 위해 Smart Grid에서 관련된 설비들의 아크 검출기능을 갖는 차단기 또는 관련 안전설비 적용이 필요할 것으로 보인다.

실험 나) 아크전류 2A 고정 및 아크 발생거리 가속도 50% 시

아크전압 변화에 따른 실험 결과

“실험 가) 아크전류 2A 고정 및 아크 발생거리 가속도 10% 시 아크 전압변화에 따른 실험 결과 분석”에서 설명한 내용과 같이 동일한 실험조건에서 아크 발생거리(전극 이동거리) 가속도 50% 적용 시 아크 발생과정과 아크전류의 상태를 확인하였다.

실험조건에 따른 결과를 그림 5에서 아크전압 500, 1,000, 1,500V일 때의 아크 발생 상태를 각각 보여주고 있다. 그림 4에서 설명한 내용과 같이 그림 5에서도 동일하게 “아크 부분발생 영역”, “아크 발생영역”, “아크 소호영역”으로 구분하여 영역별로 선로의 상태를 분석할 수 있다. 그러나 표 2에서 언급한 아크전압과 아크발생 거리와의 관계는 표 1의 결과와 비교 시 아크 발생거리(전극 이동거리) 가속도가 10에서 50%로 증가 시 아크 발생거리는 상대적으로 줄어든 결과를 보여주고 있다. 따라서 아크 발생거리(전극 이동거리) 가속도가 실제 Smart Grid 선로에서 아크 진행 및 아크소호의 시간적인 결과로 영향을 미치고 있는 것을 확인할 수 있다.

실험 다) 아크전류 2A 및 아크 발생거리 고정 시 아크전압

변화에 따른 실험 결과

실험 다)에서는 실험 가, 나)의 실험조건과 달리 아크전류 2A와 아크 발생거리 고정 시 아크 발생과정과 아크전류의 상태를 확인하였다. 실험 가, 나)에서 적용한 아크 발생거리(전극 이동거리)를 본 실험에서는 그림 1 DC 아크 발생장치 구성도에서 전극부의 고정부와 가동부가 이격거리 없이 접촉된 상태로 선로에 아크전류 및 아크전압을 인가하였다. 이러한 실험조건은 실제 Smart Grid 선로에서 접촉 불량 또는 접촉저항이 발생하기 이전의 정상의 선로 상태를 모의한 실험으로 선로의 안전성을 간접적으로 확인할 수 있다.

그림 6은 아크전압 500, 1,000, 1,500V일 때의 아크발생 상태에 대한 각각의 결과로 실험 가, 나)를 통해 얻은 결과와 동일하게 아크 진행에 따른 부분발생, 발생, 소호에 해당하는 과정을 볼 수 있다. 따라서 그림 6에 대한 실험 결과를 통해 영역별로 다음과 같이 설명할 수 있다.

아크 발생거리(전극 이동거리) 가속도가 없는, 즉 고정부와 가동부가 접촉된 상태일 때 아크 진행에 따른 “아크 부분발생” 현상은 아크전압 1,000V 이상부터 상당히 높은 발생률을 보인다. 따라서 실제 Smart Grid 선로에서 아크에 따른 전압과 전류의 반복적인 변화로 아크가 진화되고 있는 과정으로 선로전압이 불안정하게 동작하고 있음을 알 수 있다.

선로에서 발생하는 아크전압이 높을수록 “아크발생” 부분이 시간상으로 오랫동안 진행되고 있음을 알 수 있다. 따라서 DC 선로의 사용전압이 1,500V로 증가함에 따라 아크로 인한 화재발생 규모도 실험 가, 나)에서 발생하는 현상보다 크고 화재 지속시간도 길게 발생하고 있음을 보여주고 있다.

아크발생 후 소호되는 시간은 고정부와 가동부가 접촉된 상태이기 때문에 실험 가, 나)에서 가속도를 적용하였을 때보다 소호시간이 길게 발생하고 있음을 보여주고 있다. 따라서 Smart Grid 선로에 아크 발생에 따른 불안정한 현상이 지속적으로 유지되고 있음을 알 수 있다.

4. 결 론

LVDC 및 Smart Grid 선로에 적용되는 신재생에너지 설비에 대한 성능뿐만 아니라 아크 발생에 따른 사고 및 화재를 보호하고 설비의 안전성을 중시하고 있다. 따라서 1~1,500Vdc 및 1~10A의 전력구간이 형성된 모의 Smart Grid 선로에 아크 발생 이격거리 및 이격 가속도 변화에 따른 아크전압, 아크전류 상태를 파악하여 선로의 상태진단 및 안전성을 다음의 내용으로 분류하여 나타내었다.

“아크 부분발생 영역”, “아크 발생영역”, “아크 소호영역” 으로 단계적인 진행 상태를 실제 선로에서 발생하는 아크전압 및 전류의 정보를 통해 진단할 수 있다.

아크전압 증가에 따라 아크 발생거리도 증가하고 있는 결과로 실제 DC 선로의 사용전압이 1,000V에서 1,500V로 증가됨에 따라 아크로 인한 화재 발생 규모도 기존보다 크게 발생하게 된다.

아크 발생거리(전극 이동거리) 가속도가 실제 Smart Grid 선로에서 아크진행 및 아크소호의 시간적인 결과로 영향을 미치고 있다.

아크 발생거리 고정 시 아크 소호시간이 전극 이동시 보다 길게 발생하고 있음을 보여주고 있고 이는 실제 Smart Grid 선로에 아크발생에 따른 불안정한 현상이 지속적으로 유지되고 있다.