1. 개 요
2011년 3월 동일본 대지진으로 발생된 후쿠시마 원자로의 폭발영상은 그것을 지구 반대편에서 지켜본 전 세계 모든 사람들에게 엄청난 불안감을 뇌리에 선명하게 남기는 사건이었다.
그로 인해 전세계적으로 촉발된 에너지에 대한 관심은 탈원전으로 나아갔으며, 신재생에너지와 대체에너지에 대한 국가적인 정책 방향을 정하도록 했다.
이러한 결과로, 2017년 12월 산업통상자원부는 ‘재생 에너지 3020 이행계획(안)’을 발표하였다. 우리나라 전력계통의 안정성과 국내 기업의 보급 여건 및 잠재량 등을 고려하여 2030년까지 재생에너지의 발전량 비중을 전체 의 20%를 목표로 달성하기 위한 로드맵이다.
2030년 재생에너지 설비 용량은 63.8GW까지 보급할 계획이며, 이 중에서 태양광발전설비는 가장 큰 비중을 차지한다.
태양광 설비의 특성상 시간, 날씨, 입지 등에 따라 변화되는 전력 공급 패턴을 제어하기 위하여 에너지저장장치 (ESS)의 설치는 필수적이다.
이러한 이유로 계속적으로 증가하는 태양광 설비와 더 불어 에너지저장장치(ESS)의 규모도 폭발적인 성장세를 보여주고 있고, 이러한 에너지저장장치(ESS)의 설치 규모가 확대되어 감에 따라서 에너지저장장치(ESS)와 관련 된 사고도 증가하였다.

특히, 2017년 8월부터 시작된 급격한 에너지저장장치 (ESS)의 사고 발생은 사업주의 재산상의 문제뿐만 아니라 국민의 안전까지 위협하게 되었으며, 전반적인 안전에 관련된 대응 조치를 정부에 요구하게 되었다.

2. ESS 사고 원인 및 결과
산업통상자원부는 ESS 분야의 학계, 연구소, 시험인증 기관 등 19명의 전문가로 구성된 민관합동 ESS 화재 사고 원인조사 위원회를 2018년 12월 27일에 구성하여 총 23개 사고 현장에 대한 조사와 자료분석, 76개 항목의 시험 실증을 거쳐 2019년 6월 11일에 ESS 화재 사고 원인 조사 결과를 공개하고, ESS 화재 사고 재발 방지를 위한 종합안전 강화대책을 발표했다.
분석 결과, 전체 23건의 화재 사고 중 14건은 충전 완료 후 대기 중에 발생하였으며, 6건은 충방전 과정에서 났고, 설치·시공 중에도 3건이 발생한 것을 확인하였다.
사고 원인으로, 전기적 충격에 대한 배터리 보호시스템 미흡, 운영 환경 관리 미흡, 설치 부주의, ESS 통합제어· 보호 체계 미흡 등 4가지 요인을 확인하였고, 일부 배터리 셀에서 제조상 결함을 발견하였으나, 이러한 결함을 모사한 실증에서 화재가 발생하진 않았다. 다만, 조사위는 제조 결함이 있는 배터리가 가혹한 조건에서 장기간 사용되면 위험요소가 될 수 있다고 밝혔다.
정부는 화재 원인을 토대로 ESS 제조·설치·운영 단 계의 안전관리를 강화하고, 소방 기준 신설을 통해 화재 대응 능력을 제고하는 종합적인 안전강화 대책을 시행키 로 했다.
여러 대책 중에서 전기적 충격 등에 대한 보호장치(누 전차단장치, 과전압보호장치, 과전류보호장치) 설치를 의 무화하는 기준이 새롭게 제정된다.

3.  전기저장장치(ESS) 사용 전  검사 추가 검사 항목
산업통상자원부는 ‘전기사업법’ 제63조 및 같은 법 시 행규칙 제31조 제3항 제3호 규정에 따라 기 시행한 사용 전 검사 추가 검사항목(산업통상자원부 에너지안전과 -2471, 2018.12.27)을 통보하며, 2019년 6월 20일부터 적용하는 것으로 하였다.
변경된 추가 검사항목은 20kWh를 초과하는 리튬 나트륨 레독스플로우 계열의 이차전지를 이용한 전기저장 장치(ESS)에 적용된다.
SPD에 관련된 주요한 내용은 낙뢰 및 고전압 노이즈등 이상전압으로부터 주요 설비를 보호하기 위해 직류전로에 적정 용량의 서지보호장치를 설치하는 것이 강제 사항으로 적용되었다.

4.  전기설비기술기준의  판단 기준 일부 개정
2019년 3월 25일 산업통상자원부 공고 제2019-195호 를 통하여 개정 사항을 공고하였다. 이 중, 태양광 등에 연계되는 1.5kV 직류배전의 안전성과 신뢰성을 확보할 수 있도록 최소한의 시설 기준을 제정하여 직류 배전 설치 및 운영에 대한 안전성을 확보하도록 개정되었으며, 제152조의2에 5항을 통해 사용 전압 1.5kV 이하인 직류 가공 전선로는 전로에는 낙뢰 등의 서지로부터 전로 및 기기를 보호하기 위해 서지보호장치를 설치하여야 한다.
5. ESS 뇌서지 보호의 개념
ESS의 뇌서지 보호를 위해 안전관리를 강화하고 명문 화하여 실행하는 것은 옳은 방법이지만, 서지보호기를 직 류전로에만 설치하는 것은 문제가 있다.
현행의 뇌보호는 KS C IEC 62305 피뢰시스템을 기준으로 하고 있으며, 그 중에서 중요한 것은 LPZ(lighting protection zone)를 기준으로 하는 공간 분리/차폐의 개 념이다.
이러한 LPZ의 개념을 이용하여 실제의 공간 차폐물을 이용하여 방사 자계 및 뇌임펄스 과전압의 영향을 단계 적으로 줄여나가며(공간 차폐의 개념), 도선으로 유입되 는 뇌서지의 유일한 방호 대책인 SPD를 각 LPZ의 경계 에 설치하여 도선(전원선 및 통신선)을 통한 전도성 서지 를 효과적으로 줄여나가는 것(협조된 SPD 시스템)이 핵심이다.

6. 건물용 ESS의 뇌서지 보호
건물용 ESS의 구성은 계통에 연결을 위한 TR부와 전력 변환을 위한 PCS부, 그리고 에너지 저장을 위한 배터리 시설의 BCP부로 구성되며, TR의 구성이 델타 결선의 IT 계통(비접지 방식)임을 알 수 있다.
실제 ESS의 대규모 설비(건물용)의 건물 구획을 살펴 보면, TR부는 원거리에 배치되어 건물용 ESS의 분전함 을 통해 인입되며, 건물 내부에는 PCS부와 BCP부가 함께 위치하는 배치를 가진다.
그럼, ESS의 뇌서지 보호를 위한 LPZ 개념을 적용해보자. 건물의 외부는 직격뢰의 타격이 가능하며, 뇌전자계가 감쇠되지 않은 위험구역이며, 뇌서지전류의 전체 또는 일부가 내부 시스템에 흐를 수 있는  LPZ 0 구역이며,건물 외부에는 외부 피뢰시스템(수뢰부, 인하도선, 접지 극)이 필요하다.
건물의 내부는 직접적인 뇌서지의 영향에서 건물의 구조체의 차폐 효과 및 공간의 이격으로 인한 절연 확보로 줄어든 뇌서지 보호구역인 LPZ 1 구역이 될 것이다. 그리고 추가적인 보호를 위한 배터리의 구역은, LPZ 2 구 역으로 직류용(DC) SPD(서지보호장치)가 현행 법규에 강제 사항으로 적용되어 있는 구역이다.

KS C IEC 62305 및 KS C IEC 61643-12, KECG 9102-2015에 따라 LPZ 0에서 LPZ 1의 경계이고, 저압의 인입선에 해당되는 곳에는 직격뢰에 대응하는 1등급 SPD를 적용하여야 한다. 이것은 도선을 통해서 전달되는 뇌임펄스 과전압에 대해서 PCS부와 BCP부를 보호 한다.
그리고 추가적인 보호를 위하여 BCP부에는 현행 법 규에 의하여 직류형 2등급 SPD를 적용한다. LPZ에 따른 구역의 분리와 관리가 가능해지며, 이러한 협조된 SPD 시스템을 이용하여 건물용 ESS의 효과적인 뇌보호가 가능해진다.

7.  ESS 교류 측에 적용하는  SPD 문제점과 해결 방안
문제점 1 :  낮은 Uc(최대연속사용전압)값의  SPD 사용 문제 현장에서 SPD로 인해 문제점이 발생되는 경우가 있다. 이러한 이유는 ESS의 구성과 특성과 맞지 않는 부적절한 SPD를 선정하였기 때문이다. 일반적인 SPD에 사용되는 MOV(Metal Oxide Varistor) 는 정상 상태에서 절연을 유지하고, 누설이 없으며, 작동 시에만 임피던스가 낮아지는 동작특성을 지닌다. 그러나 경년과 빈번한 동작에 따라 점점 수명을 다하게 되며, 누설전류도 점차 증가하는 특성을 가진다. 따라서, 낮은 Uc(최대연속사용전압)값을 갖는 SPD에 서 ESS의 충전과 방전은 SPD의 열화를 진행시키고, 수명을 다하게 되어 누설전류의 발생을 촉진시킨다. IT 계통의 특성에 따라 SPD의 TOV(Temporary Over Voltage) Test 시, IT 계통(비접지)의 440V 기준으로 200 ms 내 1,685V(= 1,200V+UREF)의 전압에 견뎌야 한다. 이것은 일반적으로 사용되는 TN 계통(3상4선등)의 SPD 에 비하여 높은 내성을 가지는 것이다. 따라서, 해결 방안은 Uc값이 충분하게 높은 값을 갖는 SPD를 선정하여야 한다는 것이다.

문제점 2 : 절연감시장치 동작 문제 ESS 설비는 일반적으로 IT 계통을 사용한다. IT 계통 은 의료설비의 전원 및 감전 등에 사고를 방지하는 수중 조명의 전원과 전력 시험실 등의 전원으로 사용한다. 특징은 회로 단일의 지락 고장에 대하여 연속운전이 가능한 장점이 있다. 또한 사고 보호를 위하여 IMD(Insulation Monitoring Device, 절연감시장치)를 설치하여 지락에 대한 보호를 하도록 한다. 이러한 방식은 누설전류를 감지하는 방식을 사용하며, 지락 발생시에는 전원을 분리하여 ESS의 운영을 정지하도록 한다. 베터리 BCP부에는 접지선이 없음에도 전위차에 의한 대지정전용량(캐패시턴스)이 존재하며, 눈으로 보이는 회로가 없음에도 불구하고 회로가 구성되어 누설전류가 발생되는 구성이 된다. 적절한 SPD의 선정에도 불구하고, SPD의 열화는 MOV의 특성에 따라 누설전류를 발생시키고, 시간이 지남에 따라, 이러한 누설전류의 증가는 결국 IMD를 동작시켜 ESS 운영이 정지되는 문제가 발생 된다. 이러한 문제 해결을 위하여, GDT(Gas Discharge Tube, 가스방전튜브)의 사용은 대안이 된다. GDT는 양단의 극 판을 설치하고, 중간에 가스가 채워져 있는 형태이다. 평 상시에는 절연을 유지하므로 누설전류가 흐르지 않는 특성을 가지고 있다. 따라서, 미세한 누설이 발생되는 MOV와 달리 IMD의 불필요한 동작을 예방하는 효과가 있다. 이러한 SPD의 누 설전류는 0mA에 가까우며, 높은 내성으로 열화 측면에 서도 TN 계통에 사용되는 일반적인 SPD와 비교하여 우수하다. 따라서, GDT는 MOV보다는 느린 동작 특성을 가지므 로 상에는 MOV를 사용하고, 접지 측 전선에만 GDT를 적용하여 사용하는 MOV와 GDT의 조합형 SPD가 유리 하다.

8. 맺음말
건물용 ESS는 외부 피뢰시스템도 상황에 따라 필요하 지만, 내부 피뢰시스템을 위하여 LPZ 구역을 나누어 뇌 보호를 수행하여야 하며, 각 구간에는 협조된 SPD 시스 템의 적용이 필요하다. 현행 법규의 직류 측(DC)에만 2등급 SPD를 설치하는 것은 문제가 있으며, 피뢰시스템의 기술적인 측면과 KS 규정에 따라 직격뢰의 방호를 위해서는 교류 측(AC) 1등급 SPD가 필요하다.
시중에 많은 SPD가 ESS 현장에 설치되고 있지만, 적절한 SPD를 선정하여 설치하지 않아 발생되는 많은 문제점이 있다. 따라서, 아래와 같은 권고 사항을 참고하여 ESS가 전력계통에 연결된 구성에서 PCS 전단에는 교류 측 SPD를 선정하는 것이 바람직하다.
1) IT 계통용 SPD를 선정한다.

– TOV Test 시, 440V 기준 200ms 내 1,685V (= 1,200V+UREF)를 견뎌야 한다.  (TN용 SPD 대비 높은 내성을 가짐)

– 누설전류는 0mA에 가까우며, 높은 내성으로  열화 측면에서도 TN용 대비 우수하다.

– MOV와 GDT 등을 사용한 조합형 SPD가 유리하다.
2) 1등급 SPD를 선정한다.

– LPZ 0 → LPZ 1로 변경되는 구간에 적용되는 것은 1등급 SPD이다.
– 피뢰보호레벨(LPL) 1등급인 경우에는 직격뢰(Direct Strike) 100kA를 가정에 따른 방전 전류인 25kA(Iimp)를 권고한다.
3) Uc값이 높은 SPD를 선정한다.

– 선간 전압 400V를 기준 전압변동률(10%)과 저압 TOV 내성을 위한 1.32배 감안하여 600V 권고한다.

– Uc값이 낮으면 빈번한 동작으로 수명이 짧아진다.
4) 정격단락전류(ISCCR)를 고려한다.

– 사고 시 SPD의 보호용 외부 분리기(Disconnector)의 차단전류를 의미한다.

– SPD 내부 고장으로 인한 사고전류를 견딜 수  있어야 한다.

– 피뢰보호레벨(LPL) 1등급인 경우, ISCCR은  I50kA 이상을 권고한다.
이러한 사항을 고려한다면, SPD로 인해 ESS에서 발생 될 수 있는 사고를 미연에 방지하고, SPD 본연의 보호특 성을 유지하여, ESS 설비의 안정적인 운영을 수행할 수 있다.
 

lgs@primepowersolutions.com