윤용호
(Yong-Ho Yoon)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
PV Power Generation Facilities, Lightning Protection System, Electrical Safety
1. 서 론
구름은 작은 물방울과 작은 얼음들로 구성되어 있으며 폭풍이 몰아치면 구름 속 물방울과 작은 얼음들이 서로 충돌하며 마찰하는데 이때 마찰로 얼음이 물에게
전자를 빼앗긴 채 상승기류를 타고 구름 위쪽으로 올라간다. 그 결과 구름 위쪽은 전자가 부족한 상태로 양(+)전하를 띠고 구름 아래는 전자를 얻은
물방물이 많으므로 음(-)전하를 띠게 된다. 이렇게 전하가 분리된 구름이 서로 만난을 때 순간적으로 강력한 전기(번개)를 만들며 지면과 인접하게 되면
방전현상이 일어난다. 지면은 상대적으로 양(+)전하를 띠기 때문에 음(-)전하를 띠는 구름 아래쪽에서 지면으로 순간적으로 강력한 전기(낙뢰)가 만들어지며
그림 1은 낙뢰 발생의 원리를 보여주고 있다(1).
이러한 낙뢰는 전기회로에 이상 전압이 유기되어 절연을 파괴할 뿐만 아니라 이때 흐르는 전류는 화재의 원인이 되고 부품의 열화를 촉진하는 요인으로 작용한다.
최근 태양광발전 장치는 도심 밖에서 주택, 아파트, 관공서 등의 도심 내부로 확산되고 있어 전기 안전 문제가 대두되고 있다. 특별히 태양광발전 설비의
고장 중 서지에 의한 고장이 전체 고장률의 20%를 차지하고 있으며 태양광발전 중 수십에서 수백 [A]의 에너지를 방출하고 인버터 및 접속반등의 전기적
손상을 통한 전기안전사고로 이어지고 있다. 또한 지구 온난화에 의한 기상이변으로 소나기성 집중호우와 함께 낙뢰 발생빈도 및 이로 인한 낙뢰 피해가
증가하고 있다.
국내에서는 그림 2와 같이 2021년에 대한민국 육지(북한 지역 제외)에서 관측한 낙뢰 총횟수는 124,447회로, 최근 10년 평균값보다 7.65% 더 많이 관측되었고,
2020년보다는 약 50.57% 더 많이 관측되었다(2). 따라서 KS 품질기준에 의하여 피뢰설비 및 서지보호장치(SPD, Surge Protection Device)가 의무적으로 설치되고 있으나, 서지로
인한 인버터, 통신장치, 접속반 등에서 꾸준한 전기 화재가 발생하고 있다. 또한 그림 3에서 Sun Edison 社의 보고서에 의하면 태양광발전소 210개소 기준으로 태양광 모듈 이상(23건), 인버터 노후화(58건), 인버터 및 PCS
이상(62건), 기타(35건)를 제외한 낙뢰로 추정되는 설비 고장 건수는 32건이 발생하였으며 고장 손실액은 연간 3,200만 원에 달한다(3).
이러한 낙뢰 발생빈도 및 전기안전사고 증가로 2019년 국가기술표준원은 태양광발전용 접속함 기술기준 KS C 8567에서 표 1과 같이 뇌우가 발생하는 기상정보에 따라 태양광발전장치를 낙뢰가 발생하였을 경우를 대비해 “자동차단 장치”를 구성하도록 개정하였다(4). 또한 재생에너지 비중을 2030년까지
그림. 1. 낙뢰 발생의 원리
Fig. 1. Principle of lightning strike
그림. 2. 최근 10년(2012∼2021) 낙뢰(대지방전) 발생 횟수 및 10년 평균 횟수
Fig. 2. The number of lightning strikes (great discharge) in the last 10 years
(2012-2021) and the average number of 10 years
그림. 3. 태양광의 서지로 인한 고장 빈도 및 태양광 고장요소
Fig. 3. PV failure factors due to solar surge and failure frequency
7%에서 20%로 늘린다는 3020정책에서는 설치 용량 확대에 따른 낙뢰 보호 자동차단 장치 필요성을 다음과 같이 언급하고 있다(5).
낙뢰가 발생 시 대지에는 뇌전압에 의한 전기적 충격파가 발생하며, 이는 약 10,000kV 이상이 발생하게 되고 최대 주변 3km 지역까지 그 영향을
준다.
피해를 줄이고자 SPD(Surge Protective Device) 및 피뢰 기술이 발달하였으나, SPD의 경우 뇌서지가 SPD를 통과해야 기능을
수행하며, 피뢰의 경우 낙뢰가 피뢰에 맞을 확률은 100만분의 1로 극희 희박하다.
실제로 국내 태양광발전 장치 및 에너지저장장치는 전기설비 규격을 준수하여 SPD와 피뢰를 설비하지만, 낙뢰, 뇌서지에 의한 피해사례가 꾸준히 발생하고
있고 사례 빈도는 상당함.
표 1. 태양광발전용 접속함 기술기준 KS C 8567 현행 및 개정안
Table 1. Current and amendments to KS C 8567 technical standard for junction box for
photovoltaic power generation
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현행
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4) 태양광발전용 접속함
가) 제품
나) 접속함은 지락, 낙뢰, 단락 등으로 인해 태양광설비가 이상(異常)현상이 발생한 경우 경보 등이 켜지거나 경보장치가 작동하여 즉시 일부에서 육안확인이
가능하여야 한다. 다만, 실내에서 확인 가능한 경우는 예외로 한다.
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개정안
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4) 태양광발전용 접속함(이하‘접속함’)
가) 제품
나) 접속함은 지락, 낙뢰, 단락 등으로 인해 태양광설비가 이상(異常)현상 발생에 대비하여 KS C 8567을 만족하는 자동 차단장치를 구성하여야
한다.
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본 논문에서는 최근 낙뢰 발생 및 이로 인한 전기안전사고 증가와 재생에너지 설비의 안전 대책 필요성에 맞춰 낙뢰감지기를 이용한 태양광발전 설비 운영에
관해 연구하고자 한다.
2. 낙뢰발생 과정
기존 기상청에서 사용되는 대지전압 감지 방식의 제품은 대지와 구름 사이의 정전계 전압을 감지하는 방식으로 구름에 전하량이 존재하면 낙뢰가 없더라도
뇌우 1단계(초기-성장기-성숙기-소실기로 구분)로 인식을 한다. 이때 초기단계를 낙뢰로 인지하는 상태에 따른 정확도는 60%에 불과하다.
그림. 4. 낙뢰진행 과정
Fig. 4. Processing of lightning
대부분 경우의 운 대지간 낙뢰방전(cloud-to-ground lightning discharge)은 뇌운 안의 선행 방전 (preliminary
breakdown)으로부터 시작된다. 이에 기인하여 약 수 ms에서 수십 ms 후에 스랩 리더 (stepped leader)가 약 20us~100us
(평균 60us) 간격마다 발생하면서 대지를 향하여 전하가 이동하는 경로를 만들게 된다. 스탭 리더가 약 5ms~50ms (평균 20ms) 동안 진행되어
마침내 대지로부터 수십 미터까지 도달하게 되면 대지와 스탭 리더의 높은 전위차로 인하여 땅으로부터 전하가 올라오게 되는 리턴 스트로크 (return
stroke) 가 발생한다. 리턴 스트로크는 스탭 리더가 만든 경로를 통해 뇌운을 향해 올라가며 수십 ms 후에 다트 리더 (dart leader)가
다시 대지로 향하여 발생한다. 그리고 수 ms후에 두 번째 리턴 스트로크가 발생하며 이와 같은 다트 리더와 리턴 스트로크는 그림 4에서 보는 바와 같이 여러 차례 반복된다(6).
3. 태양광발전 설비의 낙뢰보호 시스템
3.1 낙뢰 감지기 설계
태양광발전 설비의 낙뢰검출 보호시스템을 구성하기 위해 AMS社의 AS3935 IC와 Coilcraft 社 MA5532-AE 전용 안테나를 사용하여
실내 또는 실외에서 반경 40km 이내의 낙뢰 거리, 강도 및 주파수를 감지할 수 있도록 낙뢰 감지기를 설계하였다. 그림 5는 낙뢰 전파를 500kHz~2MHz 감지할 수 있는 MA5532-AE IC 안테나 2개를 적용하여 개발된 낙뢰 감지기를 보여주고 있다(6).
그림. 5. 개발한 낙뢰 감지기
Fig. 5. Developed lightning detector
3.1.1 낙뢰신호 감지부의 RF 공진회로
낙뢰 발생과 관련하여 다양한 신호에 대해 정확한 낙뢰 신호를 판독하기 위하여 개발한 낙뢰 감지기에서 MA5532-AE IC 안테나 2개에 대한 공진회로
주파수 대역을 각각 498kHz, 503kHz로 설계하였다. 설계된 값은 그림 6과 같이 낙뢰센서로 사용된 AS3935 IC에 대해 제조사의 application note에서 소개한 회로를 적용하였다.
그림. 6. AS3935 IC의 공진회로
Fig. 6. AS3935 IC resonant circuit
3.1.2 전원부
노이즈 대응 전원부와 접지(ground)이격 설계 및 노이즈 오동작 방지를 위한 전원부의 voltage regulator 그림 7의 회로를 적용하여 설계하였다.
그림. 7. AS3935 IC의 voltage regulator 회로
Fig. 7. AS3935 IC voltage regulator circuit
3.1.3 태양광발전 설비 운영
태양광발전 설비에 사용되는 낙뢰 감지기는 낙뢰 발생 시 전기장 및 자계장 발생으로 인한 통신 및 시스템의 불안정한 상태를 초래할 수 있으며 노이즈
성분에 대한 비정상적인 낙뢰 신호로 판독함에 따라 비효율적으로 운영이 될 수 있다.
따라서 본 논문에서는 이러한 오동작을 방지하기 위해 주 전원을 차단하고 내부 전원으로 동작할 수 있도록 슈퍼 커패시터의 충전된 전압을 이용해서 낙뢰
감지기가 동작하도록 구성하였다. 1회 낙뢰가 발생 시 백업(backup) 전원인 슈퍼 커패시터의 전원으로 구동할 수 있도록 접지(ground)와 분리되어
노이즈에 대한 대응 및 낙뢰보호 시스템의 안정적 운영이 쉬울 수 있도록 그림 8과 같이 회로를 구성하였으며 세부 동작은 다음과 같이 설명할 수 있다.
그림. 8. 낙뢰 발생에 따른 전원부 운전모드
Fig. 8. Power supply operation mode according to the occurrence of lightning
1) (a) 회로를 통해 낙뢰 검출 대기 중 외부전원으로 사용되고 있는 12V 전원을 통해 5V로 변환을 하여 각 소자에 필요한 전원을 공급하고 있다.
2) 낙뢰 검출 대기 중 (a) 회로를 통해 공급받은 5V의 전원을 이용하여 (b) 회로에서는 내부전원용으로 사용된 슈퍼 커패시터(2.7Vx2직렬)에
CC/CV 제어를 통해 4.2V까지 충전한다.
3) (c) 회로는 낙뢰 발생 및 낙뢰 감지 시 동작하는 회로로 주 전원 (a) 회로에서 사용 중인 외부전원 12V 차단을 한다. 이와 동시에 (b)
회로를 통해 슈퍼 커패시터에 충전된 4.2V 전압은 2.7V까지 방전하면서 외부에 5V의 백업(backup) 전원을 출력으로 내보낸다.
3.2 낙뢰 발생기
AMS 社의 AS3935는 주위의 위험한 낙뢰 활동의 존재와 접근을 감지하는 프로그래밍 가능 낙뢰 센서 IC로 구름과 지면 사이의 낙뢰 및 구름과
구름 사이(구름 속)의 낙뢰 모두 감지할 수 있는 특성이 있다(7). 본 논문에서는 개발한 낙뢰 감지기의 동작 특성을 고찰하기 위해 그림 9와 같이 낙뢰 발생거리 3km, 10km, 40km의 낙뢰에 해당하는 Close Strike, Mid Strike, Far Strike를 발생시키는
AS3935 IC가 적용된 낙뢰신호 발생기를 이용하였다.
그림. 9. AS3935 IC가 사용된 낙뢰신호 발생기
Fig. 9. Lightning signal generator with AS3935 IC
4. 개발한 낙뢰 감지기의 동작특성 및 태양광발전 설비 운영
4.1 개발한 낙뢰 감지기의 동작특성
“3.1 낙뢰 감지기 설계”에서 서술된 내용을 기반으로 개발한 낙뢰 감지기의 동작 특성을 확인하기 위하여 AMS 社의 AS3935 IC가 적용된 낙뢰신호
발생기를 이용하였으며 낙뢰 발생거리 3, 10, 40km에 해당하는 낙뢰 발생신호에 대한 각각의 응답 특성에 대해 살펴보았다.
그림 10은 개발한 낙뢰 감지기의 동작특성에 대한 실험결과로1) 낙뢰 발생거리 3km(Close Strike), 10km(Mid Strike), 40km (Far
Strike)에 따른 낙뢰 발생신호, 2) 낙뢰 감지기를 통해 감지된 안테나 출력신호, 3) 낙뢰발생 판독에 따른 인터럽트 신호들을 보여주고 있다.
그림 10에서 낙뢰발생 신호는 개발한 낙뢰 감지기의 안테나 회로를 통해 발생 거리에 상관없이 낙뢰를 정확히 감지하고 있으며 시간지연이 거의 없이 신호를 출력하고
있음을 알 수 있다. 낙뢰 감지기의 안테나는 낙뢰 신호를 감지하는 것이 주목적이지만 단순히 신호에 대해 감지만 할 뿐 잡음 및 비정상적인 낙뢰가 아닌
신호들에 대해 낙뢰 여부를 판독할 수 있는 기능을 하고 있지 않다. 따라서 낙뢰 보호로 사용되는 낙뢰 감지기는 잡음 또는 낙뢰 신호들에 대한 특정
신호를 정확하게 판독하는 것이 중요하다.
그림. 10. 낙뢰 발생거리에 따른 낙뢰 감지기를 통한 신호
Fig. 10. Signal through the lightning detector according to the lightning strike distance
본 논문에서는 안테나를 통해 감지된 신호에 대해 낙뢰 거리에 따른 신호의 강도, 신호의 주기적 패턴, 신호에 대한 연속적 시간 등의 정보들을 기반으로
MCU를 통해 낙뢰 판독 및 낙뢰 판정 결과를 인터럽트 신호로 출력할 수 있도록 설계하였다.
그림 10의 각 실험 결과에서 보여주고 있는 인터럽트 신호는 낙뢰 발생신호를 기준으로 약 900~925us 이후에 발생하고 있다. 이는 그림 4에서 서술한 낙뢰 진행 과정에서 대지로 이동하는 시간대비 낙뢰로부터 태양광발전 설비 보호에 필요한 빠른 응답성의 결과를 보여주고 있다. 또한 그림 8에서 설명한 전원부 운전모드에서 외부전원에 대한 잡음변수 제거 및 내부전원(슈퍼 커패시터) 동작시점을 결정한다.
그림. 11. 낙뢰 발생에 따른 낙뢰감지기 전원부 운전모드
Fig. 11. Lightning detector power supply operation mode according to the occurrence
of lightning
그림 11은 그림 8에서 설명한 낙뢰 발생에 따른 낙뢰 감지기 전원부 운전 모드에 대한 실험결과를 보여주고 있다. 낙뢰 감지기의 입력 전원으로 사용되고 있는 외부전원
12V는 낙락 발생 시 외부전원 차단과 동시에 그림 8을 통해 설계된 내부 전원용 슈퍼 커패시터를 통해 충전된 전압 4.2V는 약 117.6s 후 2.7V까지 방전한다.
따라서 슈퍼 커패시터가 방전하는 동안 백업(backup) 전원은 연속적으로 5V 전원을 출력함으로써 낙뢰 발생으로 인한 잡음과 전기장 및 자계장 발생에
따른 영향으로부터 낙뢰 감지기를 보호할 수 있다.
4.2 태양광발전 설비 운영
태양광발전 설비는 피뢰설비 및 서지보호장치(SPD, Surge Protection Device)가 의무적으로 설치되고 있으나, 서지로 인한 인버터,
통신장치, 접속반 등에서 꾸준한 전기 화재가 발생하고 있는 추세이다(8). 따라서 이러한 경향으로부터 설비를 보호하기 위하여 그림 12와 같이 태양광발전 설비 낙뢰 검출 및 보호시스템을 구성하였다. 낙뢰 발생 후 1초 이내에 대지에 고 에너지 필드가 형성되고 있는 실험결과들을 기반으로
하여 1초 이내 낙뢰 신호 분석 및 전로분리 제어 응답을 가질 수 있도록 보호시스템을 설계하였다.
본 논문에서는 낙뢰 검출과 동시에 낙뢰로부터 태양광발전설비를 보호하기 위하여 운전 중인 태양광인버터의 입력부와 태양광모듈이 연결된 DC 전로, 태양광인버터의
출력부와 계통이 연결된 AC 전로를 분리할 수 있도록 하였다. 따라서 낙뢰 발생 시 낙뢰 감지기의 인터럽트 신호를 통해 낙뢰 판독 후 태양광인버터의
DC 전로 및 AC 전로를 분리하는 MCCB의 입력신호로 사용되는 Relay 신호의 응답성을 그림 12에서 보여주고 있다.
그림. 12. 태양광발전 설비 낙뢰 검출 및 보호시스템
Fig. 12. Photovoltaic facility lightning detection and protection system
또한 최초 낙뢰 발생 시 낙뢰 감지기를 통해 얻은 인터럽트 신호를 기준으로 Relay 신호의 응답시간은 대략 610ms 결과를 확인할 수 있다. 이러한
실험결과에 DC 전로 및 AC 전로를 분리하는 MCCB의 절체 시간 100ms(제조사 데이터 기준) 특성을 반영할 때 낙뢰로부터 태양광발전 설비를
보호하는 소요시간은 대략 710ms로 유추할 수 있다. 따라서 태양광발전 설비를 낙뢰로부터 1초 이내 보호하는 결과를 보여주고 있다.
그림. 13. 인터럽트 신호와 Relay 신호 특성
Fig. 13. Interrupt and Relay signal characteristics
5. 결 론
태양광발전 설비에서 서지로 인한 인버터, 통신장치, 접속반 등에서 꾸준한 전기 화재가 발생하고 있으며 낙뢰로 추정되는 설비 고장 건수도 해마다 증가하고
있는 추세이다. 따라서 낙뢰 발생 및 이로 인한 전기안전사고 증가와 재생에너지 설비의 안전 대책 필요성에 맞춰 본 논문에서는 낙뢰 감지기를 이용한
태양광발전 설비 운영에 대해 다음의 내용으로 정리할 수 있다.
낙뢰 발생과 관련하여 다양한 신호에 대해 정확한 낙뢰 신호를 판독할 수 있는 낙뢰 감지기를 개발하였다.
시스템의 안정적 운영을 위해 낙뢰 발생에 따른 낙뢰 감지기 전원부를 구성하였다.
낙뢰검출 및 보호시스템을 통해 낙뢰로부터 태양광발전 설비를 1초 이내에서 보호할 수 있도록 하였다.
개발한 낙뢰 감지기 및 보호시스템을 통해 태양광발전 설비의 안정적 운영과 효율적 운전이 가능하게 하였다.
Acknowledgements
이 연구는 2022년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.
이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. NRF-2022R1F1A1063116).
References
Korea Electrotechnology Research Institute, 2013, Lightning Safety Guidebook
Meteorological Agency, 2021, 2021 Lightning Annual Report : Records of Thunderbolt
in Korea
V. A. Rakov, M. A. Uman, 2003, Lightning Physics and Effects, Cambridge University
Press
Korea Agency for Technology and Standards, 2019, Photovoltaic Combiner Box KS C 8567
Ministry of Trade, 2017, Industry and Energy, Renewable Energy 3020 Implementation
Plan(draft)
RFID Transponder Coil–MA5532-AE Datasheet
AS3935 Franklin Lightning Sensor IC Datasheet.
S. H. Song, D. H. Kim, S. H. Lee, J. W. Woo, T. K. Sung, 2007, Development of a Detect-and-Acquisition
System for Broadband Lightning Signals, Trans. on KIEE, Vol. 56, No. 8, pp. 1503-1510
저자소개
received the Ph.D. degree in Mechatronics Engineering from Sungkyunkwan University,
Korea, in 2007.
From 2007 to 2011, he was with Technical Research Institute of Samsung Thales Company,
Korea, as a senior researcher.
Currently, he has been with Gwangju University, where he is a professor in the School
of Electrical & Electronic Engineering.
His research interests are in the areas of analysis and control of SRM and BLDC motor
and renewable of PV inverter.