1. 서 론

전 세계적으로 기후 위기 대응과 탄소 중립을 위해 재생에너지 설비에 대한 수요가 증가하고 있다. 태양광 발전설비를 중심으로 재생에너지가 주요 에너지원으로 빠르게 성장하고 있다 ^[1]. 유럽연합은 2030년까지 전체 에너지 소비에서 태양광을 포함하는 재생에너지 비중을 42.5%까지 확대하는 지침을 발표하였다. 국내는 태양광, 풍력 등 재생에너지 발전설비는 제 11차 전력수급 기본계획에 따르면 2038년 121.9GW로 전망된다.^[2] 태양광 발전설비의 보급 확산을 위해 주차장 태양광, 건물태양광 등 다양한 형태의 태양광 발전시스템이 설치되어진다. 또한, 후면에 입사되는 발전량을 활용할 수 있는 양면형 태양광 모듈 시장이 증가되어^[3] 고효율 모듈 사용을 통한 태양광 발전설비의 발전 성능이 향상될 것으로 확인된다,

태양광 발전시스템은 MW 급으로 대형화되고 있으며, 접속점과 케이블 길이의 증가로 이어질 것으로 확인된다.^[4] 태양광 발전설비의 손실 요인으로는 오염, 그림자 영향, 열 손실, 선로 손실이 있으며 태양광 발전설비의 케이블은 중요 고려 요소로 고려된다. 태양광발전설비의 케이블의 도체는 구리와 알루미늄이 사용되고 있다.^[5] 알루미늄 케이블은 가격이 저렴하고 가볍지만 전도성이 낮아 더 큰 에너지 손실이 발생된다.^[6] 최근 국내에서도 시공 비용의 절감과 작업의 편의성을 위해 태양광 발전설비의 케이블을 구리케이블이 아닌 알루미늄 케이블을 활용하여 시공하는 사례도 확인되고 있다.

태양광 발전설비의 설치용량이 증가함에 따라 안전성 향상을 위해 태양광 발전설비의 구성요소별 고장분석이 이루어지고 있다. 기존의 태양광 발전시스템의 고장은 모듈의 결함 위주의 분석이 이루어졌다.^{[7- 8]} 또한, 태양광 발전설비의 단락, 아크에 의한 화재 발생에 따른 위험이 확인되며 DC 케이블에서의 화재 위험성이 논의되었다.^[9] 화재 사고는 커넥터, 케이블의 노후화 부적절한 설치 등에 의해 발생되는 것으로 확인된다.^[10]

따라서, 안전성 향상을 위해 태양광 발전시스템에서 활용되는 커넥터와 케이블에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다. 본 논문에서는 DC 케이블과 커넥터의 고장 사례를 확인하고 안전성 향상을 위한 고려 요소에 대해 검토하였다.

2. 표준 분석

태양광 발전설비의 케이블은 정격전압 1.5kV DC 태양광발전 시스템용 전기케이블(KS C IEC 62930)에 따라 태양광 발전 시스템의 직류측에 사용되는 케이블의 도체는 구리이며^[11], 전도성 도체의 도체(KS C IEC 60228)를 따른다. KS C IEC 60228에서는 모듈에 직접 연결되는 케이블의 도체는 5등급의 연동선이어야 하며, 직접 연결하지 않는 경우 알루미늄 도체 또는 연선 알루미늄 합금 도체가 허용된다.^[12]

태양광 발전설비의 커넥터는 태양광발전 시스템 직류용 커넥터(KS C IEC 62852)에 따라 최소 IP 55의 보호 등급을 가져야 하며 설치 조건에 따라 더 높은 보호등급이 요구된다.^[13] 동일 표준에서 커넥터 지름에 따른 인장강도를 규정하고 있으며 4mm 초과 9mm 이하의 두께의 케이블은 80N의 인장력을 만족해야한다.^[13] 또한, 한국전기설비규정(KEC 522.1.1, KEC123)에 따라 이종금속간 부식을 방지하기 위한 접속부의 선정이 요구되고 있다.^[14]

3. 현장분석

3.2 현장 분석 결과

그림 1은 해당 태양광 발전설비의 고장을 나타낸다. 그림 1에서 확인할 수 있듯이 케이블 및 커넥터의 발열에 따른 화재가 발생하였다. 사고가 발생한 태양광 발전소에서는 케이블과 커넥터가 녹은 것이 확인되었다.

그림 1 태양광 발전소 고장 사례

Fig. 1 Cases of faults of the PV system

그림 2는 해당 태양광발전소의 케이블 및 커넥터의 열화상 이미지를 나타낸다. 고장이 발생한 위치는 앞서 확인한 것과 같이 케이블과 커넥터로 고장 원인 분석을 위해 고장 발생 지점의 온도를 확인했다.

케이블 및 커넥터의 발열은 주요 고장 원인으로 태양광발전소의 안전성 확보를 위해 주의가 필요하다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 사고 발생 위치의 케이블 온도는 최대 80.6℃로 확인되었다. 또한, 커넥터의 핀 부분에서 발열이 발생하여 커넥터의 온도가 최대 84.4℃로 확인되었다.

그림 2 케이블 및 커넥터 열화상(IR) 이미지

Fig. 2 IR images of cables and connectors

4. 세부항목 분석

현장 실측을 통해 사고 발생 이후에도 케이블 및 커넥터에서 발열이 확인되었으며 설계, 시공상의 문제가 있었을 것으로 판단되었다. 본 논문에서는 케이블 도체의 선정, 허용전류, 커넥터 시공 관련하여 분석하였다.

4.1 태양광 케이블 도체 선정

앞 절에서 확인한 것처럼 1.5kV DC 태양광발전 시스템용 전기케이블(KS C IEC 62930)에서는 태양광 발전설비의 케이블은 구리로 적용된다. 전도성 도체의 도체(KS C IEC 60228)에서는 모듈에 직접 연결되지 않을 때 10 mm² 이상의 단면적을 갖는 알루미늄 도체 또는 연선 알루미늄 합금도체의 사용을 허용한다.^[11] 해당 발전소에서 사용되는 도체는 6 mm² 알루미늄으로 표준에서 허용하는 도체의 두께보다 낮은 것으로 확인된다.

알루미늄케이블은 가격이 저렴하고 가볍지만 저항률이 구리 케이블 대비 낮게 나타난다. 수식 (1)은 케이블의 선로 손실 계산 방안을 나타낸다.($I$:전류, $\rho$ : 저항률, $l$: 선로길이, $A$ : 단면적)

(1)

$Loss_{wire} = I^2 R = I^2 \times \left(\rho \dfrac{l}{A} \right)$

그림 3은 도체의 길이가 1 m 일 때 전류에 따른 선로 손실을 나타낸다. 도체의 종류와 두께는 태양광 발전설비에서 주로 사용되는 구리 4mm²와 해당 발전소에 적용한 알루미늄 6 mm² 그리고 표준에서 허용하는 알루미늄 도체의 최소 단면적 10 mm²인 상황을 가정하여 분석하였다. 그림 3에서 확인할 수 있듯이 알루미늄 6 mm²인 경우 구리 4 mm²인 경우보다 10.6% 더 큰 손실이 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 10 mm²일 때 대비 67% 더 큰 손실이 발생되는 것으로 확인된다.

그림 3 케이블 종류, 시공방식 및 단면적에 따른 선로 손실

Fig. 3 Wiring losses depending on conductor material and cross sectional area

태양광 발전설비의 커넥터는 그림 4와 같이 핀과 Coupler body로 구성된다. 해당 발전소에서 사용한 커넥터의 핀은 구리에 주석 도금을 한 형태이다. KEC 522.1.1, KEC123 ^[14]에 따라 이종금속간 부식을 방지하기 위해 적합한 접속부를 사용해야한다. 알루미늄 케이블을 사용함에 따라 커넥터의 핀 부분에서 이종접합이 발생하여 전기적 부식과 접촉부의 발열을 발생시킬 수 있을 것으로 확인되었다.

그림 4 커넥터의 구조

Fig. 4 Structure of a PV connector

4.2 허용전류 검토

저압 전기설비-제5-52부:전기기기의 선정 및 설치-배선설비(KS C IEC 60364-5-52)는 케이블의 허용전류의 선정방법을 나타낸다.^[15] 해당 표준에서 확인할 수 있듯이 DC 케이블의 허용전류는 케이블의 설치 방법에 따라 차이를 보인다. 대표적인 시공 형태로는 트레이와 덕트가 있다. 덕트는 사방이 막힌 형태로 공기의 순환이 잘되지 않아 트레이 대비 더 큰 저감 계수가 적용된다. 또한, KEC 232.30에서 덕트 내부 단면적의 20% 이하로 시공하도록 한다.

DC 케이블의 허용전류는 수식 (2)와 같이 산정된다.($I$:허용전류, $S$: 단면적, $a$, $m$ : 케이블의 종류 및 설치방법에 따른 계수 및 지수) 회로수가 증가하게 되면 회로수에 따른 감소계수가 적용된다.^[15]

(2)

$I = a \times S^m$

2개 부하 도체, 구리 또는 알루미늄, 도체온도 90℃, 주위온도 30℃인 경우에 대해 해당 수식을 적용했을 때 시공방식에 따른 허용전류는 그림 5와 같다.

그림 5 케이블 종류 및 단면적에 따른 허용전류

Fig. 5 Wiring losses depending on conductor material and cross sectional area

그림에서 확인할 수 있듯이 덕트의 허용전류가 트레이 사용 대비 낮게 나타나며, 알루미늄이 구리보다 더 낮은 허용전류를 갖는 것으로 확인된다.

케이블 및 커넥터의 고장이 발생했던 현장의 시공방식은 트레이에 덮개가 있는 형태이며, 20개 이상의 케이블을 적층한 형태이다. 사고가 발생된 태양광발전소의 설치 형태는 KS C IEC 60364-5-52 표준에서 고려되지 않는 형태다. 또한, 내부의 전선이 트레이 내부 공간의 20%를 초과하고 복층 포설되며 KEC 232.30에 적합하지 않은 형태로 확인된다.

알루미늄 케이블 6mm²일 때 각 설치 형태와 회로 수를 고려한 허용전류는 다음 표 2와 같다. 트레이 형태에 덮개가 있는 형태이므로 레더형 트레이, 비천공형 트레이, 덕트 시공 방식에 대한 검토를 수행했다, 사고가 발생한 계절이 여름이므로 주위온도가 40℃로 가정하고 저감 계수(0.91)를 적용했다.

표 2 설치 조건에 따른 허용전류

Table 2 Allowable current based on installation conditions

		Allowable current(A)	DC fuse rated current(A)		Suitability
			mono	bifi
Tray	Ladder	34.78	27.39	31.46	O
	Non-Perforated	28.67			△
Duct		14.87			X

표 2는 시공방식별 DC 케이블의 허용전류와 DC 퓨즈의 정격전류를 나타낸다. 한국전기설비규정(KEC 212.4.1)에 따라 과부하전류에 대한 보호를 위해 스트링 DC 케이블의 허용전류는 스트링 DC 퓨즈 정격전류보다 같거나 커야한다. 스트링 DC 퓨즈의 정격전류는 모듈의 단락전류의 1.5배보다 크고 2.4배보다 작아야한다.

표 2의 DC 퓨즈의 정격전류는 단락전류의 1.5배를 나타낸다. 표 2에서 확인할 수 있듯이 STC(Standard Test Conditions: 일사량 1000W/m², 온도 25℃, AM 1.5)에서는 허용전류 산정식을 트레이로 적용했을 때는 만족하지만 시공방식을 덕트로 적용했을 때 허용전류는 DC 퓨즈의 정격전류를 약 84% 초과한다.

태양광 발전설비의 발전량은 일사량에 비례한다. 해당 발전소에서 사용된 모듈은 양면형 태양광 모듈로 설치 조건과 환경조건에 따라 더 큰 발전량이 발생할 수 있다.

본 논문에서는 태양광 발전설비가 위치한 지역과 설치 각도를 고려하여 태양광 모듈에 입사되는 일사량을 ray tracing 모델을 이용하여 계산하였다. ray tracing 방식은 광선 추적기법을 활용하여 빛의 경로를 시뮬레이션하여 모듈 표면에 도달하는 일사량을 산출하는 기법이다. 해당 기법을 사용하여 계산된 전면 일사량 대비 후면 일사량의 비율은 약 18.5%로 확인되었다. 표 2의 bifi는 전면 대비 후면 일사량 비율 18.5%를 적용한 단락전류의 1.5배 값을 나타낸다. 시공방식이 레더형 트레이인 경우 만족하지만 바닥밀폐형 트레이와 덕트일 때 허용전류가 DC 퓨즈의 정격전류를 각각 약 9.7%, 112% 초과하는 것으로 확인되었다.

4.3 태양광 커넥터 시공

태양광 커넥터의 결함은 압착 불량 등 적절하지 않은 시공 방법에 의해 나타난다.^[10] 태양광 발전설비의 커넥터는 KS C IEC 62852에 따라 방수 등급(IP55 이상)을 만족시켜야 하며, 표 3과 같이 케이블의 지름에 따라 인장력을 만족해야 한다.

표 3 인장강도 요구사항

Table 3 Tensile strength requirements based on diameter

Diameter of cable(mm)	Tensile force(N)
4 < D ≤ 9	80
9 < D ≤ 12	100
12 < D ≤ 20	120
20 < D ≤ 33	150
33 < D ≤ 42	200
42 < D	250

사고가 발생한 태양광 발전설비의 케이블의 두께는 7mm 이며, 표 3에서 확인할 수 있듯이 표준에 따라 80N의 인장력을 만족해야 한다.^[13] 본 절에서는 해당 태양광발전소에서 무작위로 수집한 21개의 케이블의 인장강도를 시험하였다. 그림 6은 21개 케이블의 인장강도 측정 결과를 나타낸다. 그림에서 확인할 수 있듯이 측정 케이블의 28.6%가 기준에 미치지 못하는 것으로 확인되었다.

그림 6 인장강도 시험 결과

Fig. 6 Experimental results of pull out force test

그림 7은 커넥터 내부의 3D-Xray 이미지를 나타낸다. 본 절에서는 케이블의 압착 상태를 검토하기 위해 태양광발전소에서 수집한 24개의 커넥터를 검토하였다. 이미지 분석결과 그림 7의 b와 같이 압착상태가 불량한 커넥터가 75%에 해당하는 것으로 확인되었다. 알루미늄케이블의 특성상 구리보다 연성이 낮아 시공시 압착불량이 발생하기 쉬웠던 것으로 확인되었다. 압착 불량이 접촉 저항을 증가시켜 접속부의 발열이 발생한 것으로 확인되었다.

그림 7 커넥터 내부 3D-Xray 촬영 이미지

Fig. 7 3D Xray images of PV connectors

5. 요 약

본 논문에서는 사고가 발생한 태양광발전소의 커넥터 및 케이블 발열 원인을 케이블 선정, 허용전류 산정, 케이블 및 커넥터 시공 방법으로 나누어 분석하였다. 표 4는 사고가 발생한 태양광 발전설비의 분석 결과를 나타낸다.

표 4에서 확인할 수 있듯이 해당 태양광 발전소에서 사용된 케이블의 설계 및 시공이 부적합한 것으로 확인되었다. 해당 발전설비는 저항률이 높은 알루미늄 케이블을 사용하고 표준보다 얇은 케이블을 사용하였다. 또한 알루미늄케이블을 사용할 때 이종접합에 적절한 접속부를 사용하지 않은 것으로 확인되었다.

해당 발전소의 시공형태는 표준에서 정의하지 않는 시공형태로 상황에 따라 허용전류를 초과할 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 트레이나 덕트의 시공기준과도 적합하지 않은 것으로 확인되었다. 접속부에 대한 인장강도는 수집된 케이블 중 28.6%가 만족하지 않고 압착 불량이 75%가 확인되었으며 시공상 불량이 확인되었다.

표 4와 같이 사고가 발생된 태양광발전소는 설계 및 시공에서 복합적인 부적합 항목이 발생된 것으로 확인되었다. 따라서 태양광발전소의 설계 및 시공상의 불량이 케이블 및 커넥터의 발열을 유발한 것으로 판단되었다.

6. 결 론

태양광 발전설비의 설치 증가로 태양광 발전설비 고장에 대한 분석이 중요해졌다. 태양광 모듈의 결함에 대한 분석이 주를 이루었으며 케이블과 커넥터 결함에 의한 화재 또한 분석되었다. 본 논문에서는 사고가 발생한 태양광 발전설비의 현장분석을 수행하였다. 분석에 활용된 태양광 발전설비는 케이블 및 커넥터에서 발열이 확인되었다. 현장 측정 결과를 바탕으로 시공방법, 허용전류, 커넥터 시공 불량의 관점에서 커넥터 및 케이블의 발열원인을 분석했다.

사고가 발생한 태양광 발전시스템은 6 mm²의 알루미늄 케이블로 구성되어있다. 알루미늄케이블은 가볍고 시공에 유리하나 저항률이 높아 동일 단면적의 구리 케이블 대비 더 높은 열이 발생한다. 6 mm²의 알루미늄 케이블을 사용했을 때 구리 4 mm² 이론적으로 10.6% 더 큰 전력 손실이 발생할 것으로 확인되었다. 또한, 커넥터의 핀 부분은 구리이므로 이종접합이 발생하여 발열이 발생된 것으로 확인되었다.

허용전류를 초과하는 경우 케이블의 발열이 발생할 수 있다. 본 논문에서 분석한 태양광발전소의 케이블은 레더형 트레이에 덮개가 있는 형태로 시공되었다. KS C IEC 60364-5-52에서 고려되지 않은 시공 형태이므로 트레이, 덕트 형태에 대한 분석을 수행했다. 시공방법을 트레이로 적용하여 허용전류를 산정했을 때 만족하는 것으로 검토되었다. 하지만, 덕트에 시공되었다고 가정했을 때 케이블의 허용전류가 DC 퓨즈의 정격전류(단락전류×1.5) 대비 84% 초과하는 것으로 확인되었다. 해당 발전소에 사용된 트레이는 덮개가 있으며 트레이의 시공 기준과 다르게 케이블이 적층 되어 있는 형태이므로 표준에 따라 계산된 트레이 시공방식에 대한 허용전류보다 더 큰 감소계수를 적용해야 할 것으로 확인되었다.

본 발전소의 현장 조사에서 커넥터의 핀 부분에서 발열이 발생되는 것으로 확인되었다. 현장에서 수집한 21개의 커넥터와 케이블의 28.6%가 인장강도 기준에 미치지 못했다. 또한 24개의 커넥터의 75%가 압착 불량으로 확인되었다. 커넥터의 핀 부분의 발열은 인장강도 및 3D Xray 이미지를 통해 압착 불량으로 발생된 것으로 판단되었다. 또한, 알루미늄 케이블은 구리 케이블 대비 낮은 연성을 보이므로 커넥터 체결시 시공상의 불량이 발생한 것으로 판단되었다.

실제 태양광 발전설비의 설계 및 시공 실태 분석을 통해 표준 및 규정 준수가 잘 이루어지지 않은 것으로 확인되었다. 태양광 발전설비의 케이블은 표준에서는 동케이블을 사용하도록 하고 있으나 한국전기설비규정에는 케이블의 종류는 명확하게 나타나지 않는다. 이는 검사 및 시공 기준의 모호성을 유발하여 설계상 문제를 발생시킬 수 있을 것으로 판단되어 규정과 표준간 기준을 일치시키는 규정 개정이 필요할 것으로 판단되었다.

또한, 현장 분석을 통해 케이블 도체의 종류 및 굵기 산정에 따른 발열, 커넥터 시공 시 압착 불량, 허용전류 산정 방식에 따른 허용전류 선정 불량으로 커넥터 및 케이블에 발열이 발생한 것으로 판단되었다. 이는 케이블 및 커넥터의 구조적, 물리적 특성에 대한 현장 기술자의 이해도 부족과 제조사 권장 시공 방법 미숙지 등에 있다. 따라서, 시공 및 설계단계에서의 화재 사고를 예방하기 위해 설계단계에서의 환경조건을 반영한 체크리스트 도입과 구체적인 설계 시공 가이드라인이 제정이 필요할 것으로 확인된다.