과전압·과전류 과도성분으로 인한 치명적 손상

닐 슐츠(Neal Schultz)

필자는 TE 회로보호 사업부의 선임 애플리케이션 엔지니어이다. 2006년 TE 회로보호 사업부에 합류했고 의료, 항공조명, 슈퍼 커패시터 애플리케이션, 회로 보호 분야에서 15년 이상의 경력이 있다. 탬파의 사우스플로리다 대학에서 BSEE(Bachelor of Science in Electrical Engineering) 학위와 MSEE(Master of Science in Electrical Engineering)/마이크로일렉트로닉스 학위를 취득했다.

에너지 비용의 상승에 따라 깨끗하고 재생 가능한 에너지원에 대한 각종 투자와 지원이 계속돼 태양광 전력이 성장 산업으로 자리 잡고 있다. 태양광 패널들은 고정적이고 유해물질 방출 없이, 그리고 유지 관리에 거의 노력이 들지 않고 태양광을 전기로 변환시킴으로써 직접 전기를 생성한다.

태양광 전력 시스템은 독립적(Off-grid)으로 혹은 전력회사의 전력망에 연결돼 있다. 오프 그리드 모델에서는 배터리 팩을 사용해 심야 또는 전력 수요 피크 타임 때 사용을 위해 전력을 저장한다. 독립적인 시스템은 전기통신업체나 위성 TV 방송국 등에 사용되는데 하이브리드식의 혼합 발전소에서 풍력이나 마이크로 하이드로파워(Micro-hydropower) 리소스와 결합되기도 한다. 

그림 1의 태양광 전력 블록도는 태양광 패널, 컨트롤러, 에너지 저장소, DC에서 AC로의 변환을 위한 인버터로 된 일반적인 시스템을 설명해주는데 특별히 태양광 발전기를 전력망에 어떻게 연결하는지도 보여주고 있다.

낙뢰로부터의 보호

태양광 패널이 빛을 최대한 많이 쐬게 하기 위해 태양광 패널은 대체로 탁 트인 곳이나 위로 솟아오른 곳(예, 빌딩 지붕)에 설치된다. 그러나 이로 인해 태양광발전 시스템은 동일 전선관 내의 전력/제어 라인 같은 인접 케이블에서 커플링된 일시적 성분들뿐만 아니라 링 웨이브나 낙뢰 같은 과도 성분들에 공격받기 쉽다. 전기 환경 기준 요건인 IEC61000-4-5 규정에 따르면 태양광 패널에서 나온 전력 연결 배선은 IEC61000-4-5의 Class 4 서브 셋이다.

Class 4 전기 시스템의 보호 규정에는 6kV의 보호 레벨 채택이 권장되고 있는데 라인 대 라인에 대해 2kV, 라인 대 그라운드에 대해 4kV이다. 과전압 보호 소자의 서지 처리 용량은 이러한 애플리케이션에서 특히 중요하다. 태양광 시스템은 보통 긴 유지 관리 및 서비스 수명 요건과 함께 부재 작동으로 이뤄지기 때문에 다운타임이 중요한 고려사항이 되는데 효과적인 통합 보호 솔루션은 이 다운타임을 줄이도록 도와준다. 

태양광 전력 시스템에서 각 태양광 패널의 케이블은 태양광 시스템 컨트롤러의 헤더 박스에 먼저 연결된다. 그림 2는 헤더 박스 및 컨트롤러의 입력 단자에 적용되는 MOV(Metal Oxide Varistor) 과전압 보호 소자를 이용한 과전압 보호 설계를 설명하고 있다. 더 높은 전압과 신뢰성 요건을 갖는 태양광 애플리케이션에서 MOV에 직렬로 연결되는 스방전튜브(GDT)는 특히 구내 밖으로 빠져 나오는 케이블 배선에 대해서 더 높은 레벨의 보호 기능을 제공한다.

48VDC 이하의 전압을 가진 더 낮은 전력의 시스템에서는 과전압에 대해 GDT가 단독으로 사용될 수 있다. 또한 후속 전류로부터의 과전압 소자 동작실패 모드에 대해서도 고려돼야 한다. 통합 과전류/과전압 보호 방식은 과전압 소자가 동작에 실패하는 경우 시스템 신뢰성을 향상시키는데 도움이 될 수 있다. 통합 솔루션이라고 할 수 있는 리셋 가능한 PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient) 소자는 시스템에서 AC 또는 DC 전력이 들어가는 부하에 사용되기도 한다.

태양광 전력 시스템의 DC 부하를 위해서 그림 2의 회로 설계도는 낙뢰로부터의 보호를 위해 적용된다. 인버터(Inverter)로부터 나오는 AC 부하를 낙뢰로부터 보호하기 위해서는 그림 3에 나와 있는 보호회로 설계를 적용하면 된다.

컨트롤러 및 인버터 보호

태양광 패널에 의해 발생되는 출력은 구름이나 다른 유형의 그림자 효과에 의해 받게 되는 빛의 레벨에 따라 달라진다. 한 가지 예로, 태양이 수평선을 가로지르며 나무나 건축물들로 인한 그림자가 빛이 전체 어레이를 때리는 것을 막으면 컨트롤러나 인버터에 의해 수신되는 전력 레벨이 떨어진다.

컨트롤러와 인버터는 많은 유형의 과도 성분에 민감하다. 정전기 방전(ESD) 소스에는 사람, 대기, 태양광 패널의 글래스에서 생성돼 컨트롤러 및 인버터로 방전되는 과도 성분 현상들이 포함된다. EFT(Electrical Fast Transient) 및 링 웨이브뿐 아니라 직접 맞았건 근접해서 간접적으로 맞았건 낙뢰 같은 것도 과도 성분들을 발생시킬 수 있다. 컨트롤러와 인버터 상의 통신 포트들은 이러한 과도 성분들에 민감하다.

2Pro 소자로 컨트롤러와 인버터 그리고 이들의 통신 포트들을 과전압 과도 성분으로부터 보호할 수 있는데 열적으로 보호된 이 소자는 PPTC 과전류 부품과 MOV를 하나로 집적했다. 이 소자는 과전류 상태에서 리셋 가능한 전류 제한 값을 제공하고 과전압 발생시 전압  클램핑을 제공하도록 돕는다.

정상 동작 상태 하에서 MOV에 가해지는 AC 라인 전압은 소자의 최대 정격 AC 실효치(VACRMS)를 넘지 않을 것으로 보인다. 일시적 에너지가 MOV의 최대 정격을 넘지 않으면 짧게 발생하는 일시적 이상 현상들은 적당한 전압 레벨로 클램핑된다. 하지만 지속되는 비정상적 과전압/제한 전류 상태는 MOV를 열 폭주 현상으로 몰 수도 있다.

보호 기능이 없는 표준형 MOV는 보통 유니버설 입력 전압 범위에서 275VACRMS의 정격을 갖는다. 중립 이탈 상태에서는 퓨즈나 전력 저항이 업스트림에 사용됐더라도 MOV가 과열돼 부정적인 결과들을 가져올 수 있다. 최악의 시나리오인 그림 1은 230VAC 대신 중립 이탈로 인해 유도된 400VAC의 전압이 가해진 상태를 보여준다.

이러한 무제한적 전류 상태에서 무보호 MOV는 먼저 불과 수 옴(Ω)의 낮은 임피던스로 떨어지겠지만 존재하는 높은 에너지량으로 인해 파열될 수 있다. 전류 흐름을 제한하는 소자가 AC 라인의 반송 경로 위에 위치한다면 그 소자도 MOV의 동작 실패로 인해 과열될 수 있다.

그림 4는 세 가지 소자 각각 또는 이 소자들의 조합 상에서 이러한 비정상적인 과전압 상태의 효과를 설명해준다.

-2Pro 소자(TE의 LVM2P-015R10431 제품)

-싱글 MOV(10mm, 275 VRMS - TE의 ROV10-431K 제품)

-전력 저항(10Ω)을 구비한 MOV/4W

그림 4에 나와 있는 것처럼 2Pro 소자의 PPTC 소자는 바리스터 표면 온도를 150°C 이하로 유지하면서 열 폭주를 막도록 도와주며, 이 소자가 일시적 과전압 성분으로 인해 안전하지 않은 온도에 도달하는 것을 막아준다. 이 접근방식은 제조업체가 IEC 60950와 IEC 60335 규정을 준수하도록 도와줄 뿐 아니라 시스템이 IEC 61000-4-5 규정에 명시된 낙뢰 테스트 후에도 동작할 수 있는 상태로 남아있게 한다.

배터리 팩 보호

태양광 전력 시스템에서 배터리 팩의 안전은 매우 중요한 설계 고려사항이다. 이 시스템에 통합되거나 함께 설치된 납축전지, 리튬배터리는 모두 합선, 배터리 양극 및 음극의 잘못된 연결 또는 과열 문제 같은 잠재적인 동작 실패에 의해 영향을 받을 수 있다. 이런 동작 실패는 시스템 회로에 작은 손상을 일으키거나 심각한 물적 손해 또는 안전 문제를 일으키기도 한다.

또한 배터리 팩은 운송과 설치 중에 외부적인 합선 사고를 겪을 수 있으며 안전성과 시스템 성능 향상을 위해 과전류 보호를 필요로 하기도 한다. MHP(Metal Hybrid PPTC) 소자는 이러한 타입의 배터리 팩 애플리케이션들을 위해 개발됐으며 지정된 전류가 30VDC 이상일 때 30A 이상의 동작 전류를 제공한다. 

그림 5에 나와 있는 것처럼 MHP 소자는 바이메탈 프로텍터를 PPTC 소자에 병렬로 연결한다. 이 소자는 고속 방전 배터리 팩에서 리셋 가능한 과전류 보호 기능을 제공하도록 도와주는 역할을 한다. PPTC 소자의 낮은 저항은 고전류에서 바이메탈 프로텍터의 아크 방전을 막을 뿐 아니라 바이메탈을 가열시켜 래칭 위치에 계속 개방돼 있도록 한다.

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