2.1 SPD의 동작 메커니즘

SPD는 서지로부터 각종 장비들을 보호하는 장치이며, 내부구조, 동작방식, 등급시험 등에 따라 분류될 수 있다. 즉, 어떠한 이유로 인해 계통에 서지가 들어올 때, 그림 1과 같이 서지 전류가 부하를 통하지 않고 SPD를 통해 흐르도록 하여 부하를 보호하는 장치이다⁽⁹⁾. SPD에 주로 사용되는 MOV(metal oxide varistor)는 정상상태에서 매우 큰 임피던스를 가지며, 여기에 전압 서지가 걸리면 MOV의 임피던스가 급격히 낮아지면서 서지를 부하가 아닌 다른 통로로 흘려보내는 저임피던스 통로가 되므로, SPD를 통해 전류를 방출하여 전압이 크게 상승하지 않는다.

그림. 1. SPD의 보호 메커니즘

Fig. 1. Protection mechanism of SPD

그림. 2. 동작 방식별 SPD의 특성

Fig. 2. Characteristics of SPD for operation types

2.2 전기저장장치용 SPD의 운용사례 분석

일반적으로, ESS는 그림 3과 같이 병렬연결된 다수의 배터리 랙과 충‧방전을 수행하는 PCS, 연계용변압기, 보호기기 등으로 구성된다. 이러한 구성에서 뇌격에 의해 서지가 발생할 경우(그림 3의 ①), 전원선과 각종 신호선 및 통신선 등 다양한 경로를 통해 유입되어, 각종 전기설비 및 제어설비의 파손과 기기의 오동작을 야기시킬 수 있다. 또한, 배터리 랙측 또는 PCS측에서 사고가 발생하는 경우, 퓨즈 또는 차단기가 동작하여(그림 3의 ②), 순간적으로 매우 큰 개폐서지가 발생하고, 절연강도가 약한 부분에서 절연이 파괴되어, 2차 사고를 유발하여 ESS의 화재로 진행될 가능성이 있다. 따라서, ESS 설치현장에서는 서지로부터 배터리를 보호하기 위하여 SPD를 사용하고 있지만, DC측에 설치되는 SPD에 대한 명확한 기준이 제시되지 않아, 표 1과 같이 유사한 PCS의 용량과 DC측 전압을 가진 사이트에서도 서로 다른 용량($U_{c}$, $U_{p}$)의 SPD가 설치되고 있는 실정이다.

여기서, KS C IEC 60099-7의 용어 정의에 따라, 전로의 공칭전압($U_{n}$)은 SPD를 적용할 계통의 공칭선과 중성선 사이의 전압을 뜻하고, 절연내력($U_{w}$)은 과전압에 대한 기기 또는 전로의 절연내력을 의미한다. 또한, 최대연속 사용전압($U_{c}$)은 SPD에 연속적으로 가할 수 있는 최대 실효 전압값을 나타내는데, 일반적으로 $U_{c}$값 미만에서 SPD의 방전전류는 1mA 미만이다. 한편, 전압 보호레벨($U_{p}$)은 뇌서지로 인해 SPD에 명시된 공칭 방전전류($I_{n}$, 10~40kA)가 흐를 때, SPD 양단에서 측정되는 최대전압(제한전압)을 의미한다⁽⁹⁾. 이러한, SPD의 용량은 SPD의 보호모드(결선방식)와 설치방법(공통/차동모드)에 따라 적정하게 선정되어야 하지만, 현장에서는 이를 충분히 고려하지 못하여 부적합한 SPD가 설치되고 있다. 따라서 계통에서 발생한 서지에 대한 보호성능이 충분하지 않아, 배터리측에 절연내력을 초과하는 서지가 전달되어 화재사고의 원인이 될 가능성이 있다.

그림. 3. ESS에서 뇌서지 및 개폐서지에 의한 사고 개념도

Fig. 3. Concept of fault by lightning and switching surges in ESS

3.1 ESS용 SPD의 적정용량 산정 방안

3.1.1 Un, Uw 정정치

ESS가 설치된 현장마다 서로 다른 용량의 SPD가 운용되어, 일부 사이트에서는 서지로부터 ESS(특히, 배터리)를 보호하지 못하는 상황이 발생하고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서는 서지가 발생하더라도 배터리에 영향을 최소화할 수 있는 SPD의 적정용량 산정 방안을 제안한다. 즉, DC측 전로의 절연내력은 전기설비기술기준에 따라 3배 이상으로 유지해야 하므로 서지가 발생하더라도 2차측 전압을 절연내력 미만으로 감소시킬 수 있는 적정한 부하의 절연내력($U_{w}$)을 선정한다. 또한, SPD의 공칭전압($U_{n}$)은 그림 4의 SPD의 결선방식(Y, U, $\triangle$ 결선방식)에 따라 결정되며, 식(1)과 같이 (+)극과 (-)극의 공통모드전압(common mode voltage, CMV) 중에서 높은 값을 기준으로 산정된다⁽¹⁰⁾.

(1)

$U_{n}=\max |U_{CMV(+)},\: U_{CMV(-)}|$

여기서, $U_{n}$ : 공칭전압, $U_{CMV(+)}$ : (+)극의 CMV, $U_{CMV(-)}$ : (-)극의 CMV

그림. 4. 결선방식에 따른 SPD의 보호모드

Fig. 4. Protection mode of SPD for connection methods

3.1.2 $U_{C}$, $U_{P}$ 정정치

상기의 그림 4(a), (b)와 같이 Y결선과 U결선으로 SPD를 설치하는 경우, SPD A, B의 최대연속 사용전압($U_{C,\: Y}$, $U_{C,\: U}$)은 앞에서 산정된 공칭전압($U_{n}$)을 기준으로 IEC 60364-5-53에서 규정된 여유율(120%)을 고려하여 결정한다⁽¹¹⁾. 단, 그림 4(a)의 SPD C에서는 평형인 경우 낮은 전압이 양단에 인가되어 별도로 고려할 필요가 없으므로, SPD A, B와 동일한 최대연속 사용전압으로 산정한다. 한편, 그림 4의 (c)와 같이 $\triangle$결선으로 SPD를 설치한 경우, 공통모드인 SPD A, B 뿐만 아니라 차동모드인 SPD D도 고려해야 하므로, 공통모드의 최대연속 사용전압($U_{C,\: Y}$, $U_{C,\: U}$, $U_{C,\:\triangle c}$)은 공칭전압(Un), 차동모드의 최대연속 사용전압($U_{C,\:\triangle d}$)은 DC측 계통전압을 고려하여 식(2)와 같이 산정한다.

(2)

$U_{C,\:\triangle d}= 1.2\times(\left | U_{CMV,\:(+)}\right | +\left | U_{CMV,\:(-)}\right |)$

여기서, $U_{C,\:\triangle d}$ : 차동모드의 최대연속 사용전압

여기서, 그림 4(b)와 같이 DC 전로의 한 극과 접지사이에 SPD가 1대만 설치된 경우, SPD에 고장이 발생하면 단락될 가능성이 있으므로 그림 4의 (a)와 같이 DC 전로의 한 극과 접지사이에 직렬로 2대의 SPD를 설치하는 Y결선 방식이 일반적으로 채택되고 있다. 이 결선방식에서는 SPD A(또는 SPD B)와 SPD C에 전압이 분배되어 인가되기 때문에, SPD의 최대연속 사용전압의 합($U_{C,\:s um}$)은 식(3)과 같이, SPD A와 SPD B의 최대연속 사용전압($U_{C,\: A}$, $U_{C,\: B}$)을 바탕으로 SPD C의 최대연속 사용전압($U_{C,\:C}$)을 적절하게 조합하여 산정한다.

(3)

$U_{C,\:s um}= U_{C,\:A}(or U_{C,\:B})+U_{C,\:C}$

여기서, $U_{C,\:su m}$ : Y결선에서 SPD의 최대연속 사용전압, $U_{C,\:A}$ : SPD A의 최대연속 사용전압, $U_{C,\:B}$ : SPD B의 최대연속 사용전압, $U_{C,\:C}$ : SPD C의 최대연속 사용전압

한편, SPD의 전압 보호레벨($U_{P}$)은 SPD의 $U_{C}$값과 2차측 출력전압 특성에 의하여 결정된다. 본 연구에서 수행한 다양한 시나리오에 의한 시험결과에 의하면, SPD의 2차측 출력전압을 $U_{C}$로 나눈 값은 일정한 한계치($W_{f}$) 이내로 제한되는 특성을 가지고 있다. 예를 들어, 6개 제조사의 SPD에 대하여 50V ~ 1,500V의 전압을 인가하면, SPD의 출력전압을 $U_{C}$로 나눈 값은 그림 5와 같이 산정된다. 여기서, 가로축은 SPD의 인가전압($V_{i n}$), 세로축은 SPD의 2차측 출력전압($V_{out}$)을 $U_{C}$로 나눈 값을 나타낸다. 즉, 어떠한 인가전압에 대해서도 SPD의 2차측 출력전압은 일정한 한계치($W_{f}$) 이내로 제한됨을 알 수 있다.

그림. 5. SPD별 출력전압 특성

Fig. 5. Characteristics of output voltage for each SPD

따라서, SPD의 전압 보호레벨($U_{P}$)은 $U_{c}$와 가중 계수($W_{f}$), 여유율($R_{s}$)을 고려하면 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.

(4)

$U_{p}= W_{f}\times R_{s}\times U_{c}$

여기서, $W_{f}$ : 시뮬레이션 및 시험에 의해 산정된 가중 계수, $R_{s}$ : 전압 보호레벨의 여유율

한편, SPD의 Y결선에서는 SPD A(또는 SPD B)와 SPD C에 전압이 분배되어 인가되므로, SPD의 전압 보호레벨의 합($U_{P,\:s um}$)은 식(5)와 같이 나타 낼 수 있다.

(5)

$U_{P,\:s um}= U_{P,\:A}(or U_{P,\:B})+U_{P,\:C}$

여기서, $U_{P,\:su m}$ : Y결선에서 SPD의 전압 보호레벨, $U_{P,\:A}$ : SPD A의 전압 보호레벨, $U_{P,\:B}$ : SPD B의 전압 보호레벨, $U_{P,\:C}$ : SPD C의 전압 보호레벨

또한, $U_{P,\: s um}$의 적정용량은 $U_{P,\: s um}$을 너무 낮은 값으로 설정하여 SPD의 수명에 악영향을 주거나, 너무 높은 값으로 설정하여 서지로부터 배터리를 충분히 보호하지 못하는 경우를 방지하기 위하여, 계통측 절연내력($U_{w}$)과 여유율($k$)을 고려하여 식(6)과 같이 산정한다.

(6)

$k \times U_{w}<U_{P s u m} \leq U_{w}$

여기서, $k$ : 여유율

3.2 ESS용 SPD의 적정용량 산정 알고리즘

상기에서 제안한 ESS용 SPD의 적정용량 산정 방안에 따라, 상세한 산정 알고리즘을 나타내면 다음과 같다.

[Step 1] DC전로의 전압, 계통측 절연내력($U_{w}$) 등의 DC측 데이터를 상정한다.

[Step 2] SPD의 결선방식에 대하여, (+)극과 (-)극의 CMV 크기를 고려하여, 공칭전압($U_{n}$)을 식(1)과 같이 산정한다.

[Step 3] 결선방식(Y, U, $\triangle$-connection)에 따른 공통모드 및 차동모드의 최대연속 사용전압($U_{C,\:Y}$, $U_{C,\:U}$, $U_{C,\:\triangle}$)의 초기값을 공칭전압($U_{n}$)과 여유율을 고려하여 산정한다.

[Step 4] SPD의 결선방식을 고려하여 식(3)과 같이 SPD의 최대연속 사용전압($U_{C,\:s um}$)을 산정한다. 만약 $U_{C,\:su m}$값이 $U_{w}$이하이면 적정한 $U_{C}$가 산정되었다고 판단하고, [Step 5]로 이동한다. 한편, SPD의 $U_{C,\:su m}$값이 $U_{w}$보다 크면 서지에 대한 보호가 충분하지 않을 수 있기 때문에, $U_{C,\:su m}$을 감소시키고, 해당 과정을 반복한다.

[Step 5] SPD의 전압 보호레벨($U_{P}$)의 초기값은 식(4)와 같이 산정하고, SPD의 전압 보호레벨의 합($U_{P,\:s um}$)은 식(5)에 의하여 산정한다.

[Step 6] SPD의 $U_{P,\:su m}$값이 식(6)을 만족하지 못하는 경우, SPD의 수명에 악영향을 주거나, 서지에 대한 보호가 충분하지 않을 수 있기 때문에, $U_{P,\:su m}$을 조정하여, 해당 과정을 반복한다. 한편, $U_{P,\:su m}$값이 식(6)을 만족하는 경우, Step을 종료한다.

따라서, 상기의 절차를 플로우차트로 나타내면 그림 6과 같다.

그림. 6. SPD의 적정용량 산정 알고리즘

Fig. 6. Calculation algorithm for appropriate capacity of SPD

4.1 서지발생장치부

III등급 조합파 및 개폐서지를 모의하기 위하여, 전력계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 서지발생장치부를 모델링하면 그림 7과 같다. 여기서, 서지발생장치부는 III등급 조합파 발생장치, III등급 조합파 모의용 RLC, 개폐서지 발생장치, 파형 제어장치, 등으로 구성된다. 먼저, III등급 조합파를 모의하기 위하여, 조합파 발생장치는 IEC 61643-11에 따라 개방상태에서 1.2/50㎲ 임펄스전압을 출력한다. 또한, III등급 조합파 모의용 RLC의 파라미터를 적절히 조합하여, 단락시에는 8/20㎲ 임펄스전류 파형이 출력되도록 모의한다. 한편, 개폐서지 발생장치는 IEC 60060-1에 따라, 개방상태에서 250/2500㎲의 임펄스전압을 모의하며, 각 파형은 파형 제어장치를 이용하여 선택한다. 한편, 상기의 임펄스 파형은 식(7)과 같이 지수함수를 이용하여 나타내며, 각 파형의 상세한 파라미터는 표 2와 같다⁽¹²⁾.

그림. 7. 서지발생장치 모델링

Fig. 7. Modeling of surge generator section

4.2 SPD부

SPD는 그림 8과 같이 비선형 저항과 리액터 및 커패시터로 구성되며, 과도 서지전압으로부터 ESS를 보호할 수 있다. 즉, SPD는 정상적인 동작전압 범위에서 높은 임피던스를 가지므로 정상상태에서는 시스템에 영향을 미치지 않는다. 하지만, 과도 서지전압이 발생하는 경우, SPD의 임피던스는 감소하여 서지 전류를 접지를 통해 방류함으로써, 발생하는 서지의 크기를 제한할 수 있다. 한편, 과도 서지전압이 제거되면 SPD는 높은 임피던스 상태로 복귀하게 된다⁽¹⁴⁾.

그림. 8. SPD 모델링

Fig. 8. Modeling of SPD section

4.3 전체 시스템 모델링

상기의 모델링을 바탕으로, 서지발생장치부, SPD부, 배터리부로 구성된 전체시스템은 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 서지발생장치는 III등급 조합파 및 개폐서지의 출력을 모의하며, SPD는 배터리부 전단에 설치되고, SPD와 DC전로 사이의 연결선의 길이를 조절할 수 있다. 또한, 배터리부는 ESS 사고사례의 대다수인 만충 후 대기상태로 상정한다.

그림. 9. 전체 시스템 모델링

Fig. 9. Modeling of entire system

5.1 서지발생장치부

III등급 조합파 및 개폐서지를 모의하기 위한 서지발생장치부는 그림 10과 같이, 고전압 발생원(U)과 충전용 저항($R_{c}$), 충전용 커패시터($C_{c}$), 펄스 지속시간용 저항($R_{s}$), 임피던스 정합용 저항($R_{m}$), 상승 시간용 인덕터($L_{r}$)로 등가화된다. 본 논문에서는 각 소자의 적절한 값을 선정하여, III등급 조합파 및 개폐서지를 발생시킬 수 있도록 회로를 구성한다.

그림. 10. 서지 발생장치의 구성

Fig. 10. Configuration of surge generator

5.2 SPD부

SPD는 전압 스위치형, 전압 제한형, 복합형으로 분류되며, 본 시험장치에서는 전압 제한형 SPD를 대상으로 한다. 이 SPD는 그림 11과 같이, 연속 동작전압 이하에서 소자의 저항이 매우 높아 전류가 거의 흐르지 않는 절연체로 동작한다. 하지만 연속 동작전압 이상에서 SPD는 저항이 매우 낮아지며, 바리스터를 통해 에너지를 접지로 방류한다.

그림. 11. 전압 제한형 SPD 동작 특성

Fig. 11. Operation characteristics of voltage limiting SPD

5.3 전체 시험장치부

KS C IEC 61643-11의 ‘8.3.3 제한전압측정’시험 항목과 IEC 60060-1을 바탕으로, 전체 시험장치는 그림 12와 같이 서지 발생장치부와 SPD부, 배터리부, 측정부 등으로 구성한다. 여기서, 서지 발생장치부는 컨트롤러를 통해 III등급 조합파 또는 개폐서지 시험파형을 생성시키고. SPD부는 연결선(L1, L2)의 길이를 다르게 하여 DC 전로에 SPD를 연결한다. 또한, 측정부는 High Voltage Prove를 이용하여 입력 및 출력단의 전압을 측정하고, Rogowski Coil을 사용하여 입력단의 전류를 측정한다.

그림. 12. 전체 시험장치

Fig. 12. Configuration of entire test device

6.1 시뮬레이션 및 시험 조건

본 논문에서 제시한 ESS용 SPD의 적정용량 산정 알고리즘의 유효성을 확인하기 위하여, 제안한 모델링과 시험장치를 이용하여 6종류의 SPD를 대상으로 시뮬레이션 및 시험을 수행한다. 여기서, SPD는 표 3과 같이, $U_{C}$ 600V ~ 1,500V, $U_{P}$ 1,400V ~ 4,500V의 용량을 갖는 3사의 6종류로 구성하며, 특성시험은 SPD에 III등급 조합파와 개폐서지를 인가하여 수행한다. 먼저, III등급 조합파에 의한 SPD의 특성시험은 IEC 61643-11 시험에 부합하는 조합파 모의장치를 이용하여, SPD에 III등급 조합파(1kV/0.5kA, 1.5kV/0.75kA, 개방전압 파형(1.2/50㎲), 단락전류 파형(8/20㎲))를 인가하고, HFIX 2.5SQ 연결선을 이용하여 30cm, 50cm로 나누어 시험한다. 한편, 개폐서지에 의한 SPD의 특성시험은 IEC 60060-1 시험에 부합하는 개폐서지 모의장치를 이용하여 SPD에 개폐서지(1kV, 1.5kV, 개방전압 파형(250/2500us))를 인가하고, HFIX 2.5SQ 연결선을 이용하여 30cm, 50cm로 나누어 시험한다.

6.2 III등급 조합파에 의한 SPD 특성분석

6.2.1 시뮬레이션에 의한 특성분석

4장에서 제시한 PSCAD/EMTDC의 모델링 및 표 3의 조건에 따라 제조사별 SPD에 III등급 조합파 서지가 유입되는 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내면 그림 13과 같다. 여기서, 그림 13(a)는 A사 SPD($U_{C}$ 1,500V, $U_{P}$ 4,500V)에 대하여 50cm 연결선을 이용하여 조합파 서지전압(1.5kV, 0.75kA)을 인가한 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내며, 최대전압은 1,321.9V로 산정된다. 즉, 인가된 조합파 서지전압(1.5kV)이 SPD의 $U_{C}$값(1,500V)과 유사하여, 서지보호 효과가 거의 나타나지 않고 서지전압이 그대로 배터리에 전달되는 문제점이 발생할 가능성이 있다.

한편, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 선정된 C사 SPD($U_{C}$ 600V, $U_{P}$ 1,400V)를 적용하는 경우, 조합파 서지(1.5kV, 0.75kA)에 대하여 SPD의 2차측 전압은 그림 13(b)와 같이 776.6V로 산정된다. 따라서 C사 SPD에 비하여 약 48.2%의 서지전압 저감효과가 발생하여, 배터리를 안전하게 보호할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 13. 조합파 서지 전압에 따른 SPD 운용 특성

Fig. 13. Operation characteristics of SPD for combination wave surge voltage

6.2.2 시험장치에 의한 특성분석

5장에서 제시한 시험장치 및 표 3의 조건에 따라 제조사별 SPD에 III등급 조합파 서지가 유입되는 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내면 그림 14와 같다. 여기서, 그림 14(a)는 A사 SPD($U_{C}$ 1,500V, $U_{P}$ 4,500V)에 대하여, 50cm 연결선을 이용하여 조합파 서지(1.5kV, 0.75kA)를 인가한 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내며, 최대전압은 시뮬레이션 결과와 유사하게 1,323.6V로 산정된다. 즉, 인가된 조합파 서지전압(1.5kV)이 SPD의 $U_{C}$값(1,500V)과 유사하여, 서지보호 효과가 거의 나타나지 않고 서지전압이 그대로 배터리에 전달되는 문제점이 발생함을 알 수 있다.

한편, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 선정된 C사 SPD($U_{C}$ 600V, $U_{P}$ 1,400V)를 적용하는 경우, 조합파 서지(1.5kV, 0.75kA)에 대하여 SPD의 2차측 전압은 그림 14(b)와 같이 779.2V가 산정된다. 따라서, A사 SPD에 비하여 약 48.1%의 서지 저감효과가 발생하여, 배터리를 안전하게 보호할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 14. 조합파 서지 전압에 따른 SPD 운용 특성

Fig. 14. Operation characteristics of SPD for combination wave surge voltage

6.3 개폐서지에 의한 SPD 특성분석

6.3.1 시뮬레이션에 의한 특성분석

4장에서 제시한 PSCAD/EMTDC의 모델링 및 표 3의 조건에 따라 제조사별 SPD에 250/2500us의 개폐서지(1.5kV)가 유입되는 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내면 그림 15와 같다. 여기서, 그림 15(a)는 A사 SPD($U_{C}$ 1,500V, $U_{P}$ 4,500V)에 대하여 50cm 연결선을 이용하여 개폐서지(1.5kV)를 인가한 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내며, 최대전압은 1,489.9V로 산정된다. 즉, 인가된 개폐서지 전압(1.5kV)이 SPD의 $U_{C}$값(1,500V)과 유사하여, 서지보호 효과가 거의 나타나지 않고 서지전압이 그대로 배터리에 전달되는 문제점이 발생할 가능성이 있다.

한편, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 선정된 C사 SPD($U_{C}$ 600V, $U_{P}$ 1,400V)를 적용하는 경우, 개폐서지(1.5kV)에 대하여 SPD의 2차측 전압은 그림 15(b)와 같이 822.5V로 산정된다. 따라서, A사 SPD에 비하여 약 45.16%의 서지 저감효과가 발생하여, 개폐서지로부터 배터리를 안전하게 보호할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 15. 개폐서지 전압에 따른 SPD 운용 특성

Fig. 15. Operation characteristics of SPD for switching surge voltage

6.3.2 시험장치에 의한 특성분석

5장에서 제시한 시험장치 및 표 3의 조건에 따라 제조사별 SPD에 250/2500us의 개폐서지(1.5kV)가 유입되는 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내면 그림 16과 같다. 여기서, 그림 16(a)는 A사 SPD($U_{C}$ 1,500V, $U_{P}$ 4,500V)에 대하여 50cm 연결선을 이용하여 개폐서지(1.5kV)를 인가한 경우, SPD의 2차측 전압 특성을 나타내며, 최대전압은 시뮬레이션 결과와 유사하게 1,488.3V로 산정된다. 즉, 인가된 개폐서지 전압(1.5kV)이 SPD의 $U_{C}$값(1,500V)과 유사하여, 서지보호 효과가 거의 나타나지 않고 서지전압이 그대로 배터리에 전달되는 문제점이 발생할 가능성이 있다.

한편, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 선정된 C사 SPD($U_{C}$ 600V, $U_{P}$ 1,400V)를 적용하는 경우, 개폐서지(1.5kV)에 대하여 SPD의 2차측 전압은 그림 16(b)와 같이 820.2V로 산정된다. 따라서, A사 SPD에 비하여 약 45.32%의 서지 저감효과가 발생하여, 개폐서지로부터 배터리를 안전하게 보호할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 16. 개폐서지 전압에 따른 SPD 운용 특성

Fig. 16. Operation characteristics of SPD for switching surge voltage

6.4 종합분석

표 4와 표 5는 III등급 조합파 서지에 대하여, DC 전로와 SPD 사이의 연결선의 길이를 각각 30cm, 50cm로 상정하여 시뮬레이션 및 시험장치에 의한 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 표 4(a)와 표 4(b)와 같이, SPD에 의한 전압 저감율은 시뮬레이션에서 4.28% ~ 49.61%, 시험장치에서 4.28% ~ 48.91%로 산정된다. 또한, 표 5(a)와 표 5(b)와 같이, SPD에 의한 전압 저감율은 시뮬레이션에서 4.13% ~ 48.22%, 시험장치에서 4.2% ~ 48.05%로 산정됨을 알 수 있다. 여기서, SPD의 서지보호 효과는 연결선의 길이가 짧고 SPD의 용량이 작아질수록 높게 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 연결선의 길이에 의한 SPD의 서지저감효과는 연결선의 길이가 짧아질수록 서지로부터 기기와 병렬로 연결된 SPD까지의 저항이 작아지기 때문이고, SPD의 용량에 의한 SPD의 서지저감 효과는 SPD의 용량이 작을수록 같은 서지 전압에 대하여 SPD 내부 MOV의 저항이 낮아지기 때문이다. 따라서, 현장에서 설치되어 운용중인 A사의 SPD는 서지로부터 배터리를 보호하기에 적정하지 않지만, 본 논문에서 제안한 SPD의 적정용량 산정 알고리즘에 따라 선정된 C사의 SPD($U_{C}$ 600V, $U_{P}$ 1,400V)를 설치할 경우, III등급 조합파 서지로부터 배터리를 안전하게 보호할 수 있음을 알 수 있다.