3. 화재 원인

1) 1차 지락사고
태양광발전설비는 기존의 빌딩, 공장 등의 전기설비에 비하여 지락사고가 발생할 확률이 매우 높다. 기존의 전기설비는 대부분 건물 내 매입 공사 등에 의하여 은폐되어 있지만, 태양광발전설비는 대부분 노출되어 있다. 비·추위·더위·자외선 등에 노출되어 있고, 동물·설치류·곤충 등의 접촉이 가능하도록 되어 있다.
반면 절연저항 측정, 누설전류 관리 등은 상대적으로 어렵게 되어 있다. 우선 절연저항을 측정하려면 구간별로 분리가 용이하여야 하는데, 과거에 설치한 대부분의 접속함에는 음극성(-)이 결합(Common)되어 있어 분리가 매우 어려운 구조이다. 교류 누설전류계는 쉽게 구할 수 있으나, 직류 누설전류계(Residual current)는 구입이 어려운 실정이다. 또한 클램프 타입의 직류 누설전류계는 세계적으로 상품화되지 않은 상태다.
대부분의 고압 연계 태양광발전설비는 변압기 결선이 Why-delta 결선을 사용하고, 델타 측 지락 보호를 위하여 GPT를 사용한다. 사고 빈도 역시 GPT 소손이 가장 많이 발생한다.

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사고 현장 역시 [그림 2-7]과 같이 GPT가 3회 소손되었다. GPT가 소손되었을 때 현장 안전관리자는 GPT 불량으로 판단하였고 GPT를 교체하였다. 그러나 얼마 지나지 않아 GPT(CLR이 동시 소손)가 다시 소손되었고, 또다시 GPT를 교체하였으나 역시 신품으로 교체한 GPT도 소손되었다. 그래서 안전관리자는 너무 불편하여 GPT 보호용 퓨즈를 제거하고 사용 중이었다.
[그림 3]과 같이 비절연 인버터를 사용하는 태양광발전설비 직류 계통에 지락사고가 발생하면 지락전류는 교류 계통의 GPT를 통하여 흐른다. GPT는 고저항 접지 시스템이고, 직류 측의 전선(모듈)과 대지 사이에는 기생 커패시턴스(Parasitic capacitance)가 존재하며, 인버터는 IGBT 스위칭 장치이므로 폐루프 전류가 형성되어 누설전류 또는 지락전류가 흐른다.
통상 GPT는 단시간 정격을 사용한다. 예를 들어, 30초 정격의 단시간 정격을 사용할 때 지락전류가 연속적으로 흐르면 GPT가 소손된다. 사고 현장의 GPT 정격 부담은 50VA를 사용하고 있어 연속 지락전류가 흐르면 당연히 소손할 수 있는 상황이었다.
이와 같이 GPT가 소손된 것은 GPT 불량이 아니고 직류 계통에 지락사고가 발생한 것이며, 지락전류가 GPT 정격 부담 이상의 전류가 흐르기 때문에 GPT가 소손된 것이다. 앞에서 언급하였듯이 GPT를 교체하여도 반복적으로 GPT가 소손되었던 것이다.
그런데 아쉽게도 현장 안전관리자는 이러한 사실을 모르고 있었고, GPT 불량으로 판단하였다. GPT가 반복적으로 소손되었기 때문에 임시방편으로 GPT 퓨즈를 제거하고 태양광발전설비를 운영하였다. GPT 퓨즈를 제거하면 지락전류가 흐르는 폐루프가 형성되지 않아 더 이상 GPT가 소손되는 일은 발생하지 않지만, 지락사고는 그대로 유지된 상태다.

2) 2차 지락사고
1차 지락사고가 발생한 후 6개월 정도 경과되면서 [그림 4]와 같이 2차 지락사고가 발생하였다. 나중에 확인된 일이지만 1차 지락사고는 어레이 부극성(-)에서 발생하였고, 2차 지락사고는 스트링 정극성(+)에서 발생하였다. 결과적으로 정극성과 부극성의 합선 사고가 발생했고, 이를 “이중지락에 의한 병렬 아크 발생”으로 보는 것이 타당하다.
사고 발생 경위를 요약하면 아래와 같다.
• 어레이 부극성(–선)에서 1차 지락사고가 발생하였으며, GPT가 3회 소손되었다. 그러나 어레이 지락사고를 모르고 있었으며, GPT 퓨즈를 제거하고 운전하였다.
• 6개월 후 스트링 정극성(+선)에서 2차 지락사고가 발생하였다.
• 이것이 이중 지락사고(Double grounding fault)이며, 지락점이 병렬 아크로 발전하여 화재가 발생하였다.

3) 병렬 아크로 인한 화재 발생
태양광발전설비에서 스트링 전류가 직류 10A 정도이고, 전압이 300~1000V 정도에 있다고 해도 아크에 노출되어 있다. 직류 아크는 교류 아크에 비해 Zero crossing point가 없어 자체 소화가 잘되지 않으며, 3000°C의 높은 온도에 도달할 수 있다. 아크가 플라즈마 현상으로 발전하는 경우 약 19,400°C까지 온도가 상승한다. 이 정도의 아크로 인한 온도는 금속을 녹일 수 있으며, 슬래그로 떨어져서 근처의 가연성 물질을 점화시킬 수 있다.
[그림 5]는 화재가 발생한 사진이다. 중간 하단부 단락흔이 있는 부분이 어레이 부극성(-선)이 케이블 트레이 금속 부분에 지락되어 발생한 아크 흔적으로 보인다. (보통 아크로 인한 부위는 둥근 단락흔에서 윤기가 있음) 이곳에 지락이 발생하였고, 스트링 정극성(+선)에 지락사고가 발생하여 이중 지락으로 병렬 아크로 발전하여 동선이 용융된 것으로 보인다. 동선이 용융되고 공기 절연 파괴인 플라즈마 방전으로 발전하면서 더 많은 부위의 동선이 용융되었고, 인근 전선으로 확대되면서 많은 단락흔이 나타났다.

4) 해외 사례(미국 베이커즈필드-Bakersfield 화재 사고)
2009년 4월, 미국 캘리포니아주 베이커즈필드에 있는 대형 상가 옥상에 있는 태양광발전설비에서 화재가 발생하였다. 이 발전소는 7개의 서브 어레이로 구성되었고, 각 스트링은 22개의 모듈로 구성되었으며, 서브 어레이당 최대 전류는 159A이었다. 미국은 우리나라와 달리 기능 접지를 하고 있고, 해당 기능 접지에 지락 보호를 위하여 5A 퓨즈가 설치되어 있었다.
[그림 6]과 같이 금속관 공사로 되어 있는 스트링 부극성(-선)에서 1차 지락사고가 발생하였다. 그러나 기능 접지선에 설치되어 있는 5A 퓨즈가 동작하지 않았고, 그 상태로 사용하고 있었다. 어느 정도 시간 경과 후 이번에는 금속관 공사로 되어 있는 스트링 정극성(+)에서 2차 지락사고가 발생하였다. 이것이 병렬 아크로 발전하여 상가 옥상에 설치된 태양광발전설비에 화재가 발생한 것이다.
미국은 이외에도 다수의 이중 지락에 의한 화재 사고가 있었고, 독일 등 유럽에서고 유사한 사고가 발생하였다. 미국은 화재 사고에 대한 대책으로 2011년 NEC 규정에 아크차단장치를 의무화하는 등 기준이 강화되었고, 유럽 및 IEC 규정에도 유사한 대응을 추진하였다.

4. 지락차단장치 및 아크차단장치 의무화

1) 지락차단장치 설치 의무화
앞에서 언급한 지락사고에 대한 보호를 위하여 산업통상자원부 공고 제2019-195호(2019. 3. 25)에 의거, 한국전기설비규정(KEC) 522.3.2(과전류 및 지락 보호장치) 2항에 “태양전지 발전설비의 직류 전로에 지락이 발생했을 때 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하고, 그 방법 및 성능은 IEC 60364-7-712(2017) 712.42 또는 712.53에 따를 수 있다”라고 개정하였고, 부칙에 “시행일은 2021년 9월 1일부터 시행한다”라고 공표하였다.
2) 아크차단장치
대한전기협회는 태양광발전설비의 화재 사고를 줄이기 위하여 아크차단장치 설치에 대한 초안을 완료하여 심의 중에 있다. 대한전기협회 의견은 금년 중에 심의를 완료하고, 권장 규격으로 운영할 계획이다.

3) 지락차단장치 설치 방법
태양광발전설비에 지락차단장치를 설치하는데, 그 방법 및 성능은 IEC 60364-7-712(2017) 712.42 또는 712.53에 따르도록 규정하였다. IEC 규정에 의한 방법을 요약하면 [그림 7]과 같다.

단순 분리(Simple Separation)란, 기초 절연으로 전로 간 또는 대지 간 최소한 분리하는 기능을 말한다. 즉 교류와 직류 사이에 절연 변압기 등으로 절연하고, 대지 사이에도 절연되어 있는 경우에 단순 분리가 되어 있다고 볼 수 있다. 통상 우리나라 현장에서 볼 때 인버터 내부에 절연 변압기가 설치되어 있는 경우는 단순 분리로 볼 수 있지만, 비절연 인버터(무변압기 인버터)로 1차 측에 GPT가 설치되어 있는 경우는 단순 분리로 볼 수 없다. 이는 GPT 접지는 고저항 접지 방식으로 직류 지락전류가 교류 계통으로 흘러 들어가기 때문이다.
절연 인버터(Isolation Inverter)는 인버터 내부 또는 외부에 절연 변압기를 삽입하는 경우이다. 기능접지(Function Earth/ground)는 전기 안전 이외의 목적으로 하는 접지를 말한다.

4) 지락차단장치 설치 예
▶ GPT 접지 계통에 한 개의 인버터 설치
     [자료 : 한국전기안전공사 신재생에너지부-1073 (2022. 3. 29) 공문]
직류 계통에 지락사고가 발생하였을 때 지락전류는 [그림 8]과 같이 ① - 인버터 – 직류 접지점 - ② GPT를 통하여 폐루프가 형성된다. 따라서, 지락차단장치 센서는 ① 인버터 교류 측 또는 ② GPT 접지선에 설치할 수 있다.  

  ▶ GPT 접지 계통에 복수의 인버터 설치
     [자료 : 한국전기안전공사 신재생에너지부-1073 (2022. 3. 29) 공문]
직류 계통에 지락사고가 발생하였을 때 지락전류는 [그림 9]와 같이 ① - 인버터 – 직류 접지점 - ② GPT를 통하여 폐루프가 형성된다. 그러나 지락차단장치는 인버터 교류 측에 설치하도록 규정되었고, 지락 보호 협조를 고려하여 각각의 인버터 1차 교류 측에 설치하여야 한다. 

 ▶ 저압으로 계통 연계하는 경우의 자락차단장치 설치
     [자료 : 한국전기안전공사 사용 전 검사 지침]
태양광발전설비를 저압으로 연계하는 경우, [그림 10]과 같이 지락차단장치를 설치한다. 이때 지락전류 센서는 차단기 1차 또는 2차에 설치할 수 있다.

▶ GPT 접지 계통 현장 적용 사례
[그림 11]과 같이 고압 연계 계통으로 GPT 접지한 태양광발전설비에서 지락전류 센서를 GPT 접지선에 설치하였다. 2021년 10월 29일, 지락사고가 발생하여 지락차단장치가 동작하였다. 더 정확한 상황을 파악하기 위해 현장에 출장하였고, [그림 12-1]~[그림 12-3]은 그 분석 데이터이다.
GPT 접지선에 흐르는 전류는 [그림 12-1]과 같이 기생 커패시턴스를 통하여 130mA 정도 흐르며, 지락 발생 시 최대 300mA 정도 지락전류가 흐르고 있었다. 지락사고 위치를 추정하기 위하여 각각의 접속함에 있는 차단기를 분리하고, 한 개씩 차단기를 투입하기 시작하였다. 지락이 발생하지 않은 건전한 접속함 메인 차단기 1차에서 측정한 전류는 [그림 12-2]와 같이 95mA 정도 흐르고 있었고, 기생 커패시턴스(Parasitic capacitance)에 의하여 흐르는 불평형 누설전류임을 알 수 있었다. 지락이 발생한 접속함에서 측정한 전류는 [그림 12-3]과 같이 최대 200 mA 이상 흐르고 있었다. 다시 스트링별로 측정한 결과, 1번 스트링에서 지락사고가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다.

▶ 저압 연계 계통 현장 적용 사례
건축물 옥상에 설치된 20kVA 태양광발전설비 인버터 1차 교류 측에 지락차단장치가 설치되었고, [그림 13]은 누설전류 모니터링 데이터이다. 평소 흐르는 전류는 50mA 정도이며, 기생 커패시턴스(Parasitic capacitance)에 의하여 흐르는 불평형 누설전류임을 알 수 있다. 비 오는 날은 80~130mA 정도 누설전류가 증가되어 흐르고 있음을 알 수 있다.

5) 지락차단장치 정격
태양광발전설비에 설치하는 지락차단장치는 완만하게 변화하는 지락전류와 급격히 변화하는 지락전류에 따라 동작 특성이 다르다.
완만하게 변화하는 지락전류는 인버터의 연속 출력정격이 30kVA 이하인 경우 최대 300mA에서 0.3초 내에 동작하여야 한다. 연속 출력정격이 30kVA 초과하는 인버터의 경우 연속 출력 kVA당 최대 10mA씩 추가하고, 그 값에서 0.3초 내에 동작하여야 한다. 급격하게 변화하는 지락전류는 [표 9]에서 정한 시간 내에 동작하여야 한다.
지락차단장치는 교류에 동작하는 AC형, 교류 및 맥류에 동작하는 A형, 교류/직류/맥류 모두에 동작하는 B형으로 나뉜다. 태양광발전설비, ESS, 전기 차 충전기 등은 B형 지락차단장치(RCD)를 설치하여야 한다. B형은 직류부터 2kHz 주파수 대역의 교류까지 검출하여야 한다.
지락차단장치는 공인인증시험성적서를 받아야 한다. 지락차단장치에는 인버터 내장형이 있고, 차단기와 연계하는 M-RCD형이 있다. 당사가 개발한 M-RCD형은 공인인증시험을 통과한 제품이다.

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