2.1 서지보호장치의 구성

SPD는 과도과전압을 제한하기 위하여 그림 1과 같이 비선형 특성을 갖는 보호소자를 사용하며, 대표적으로 금속산화물 바리스터(Metal Oxide Varistor, MOV)와 가스방전관(Gas Discharge Tube, GDT)이 사용된다.

MOV는 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하는 비선형 저항소자로서 정상전압에서는 매우 높은 저항을 유지하지만 일정 전압 이상에서는 저항이 급격히 감소하면서 대전류를 방전하므로 전압제한형 보호소자에 해당한다. 빠른 응답특성을 가지므로 개폐서지 및 유도뢰 보호에 적합하다. 하지만 물리적인 소자 특성으로 인하여 반복적인 서지전류에 의해 열화가 발생할 수 있으며, 지속적인 누설전류 발생 가능성이 존재하기 때문에 보호장치와 함께 사용되는 경우가 많다.

GDT는 내부에 불활성 가스를 봉입한 방전소자로서 정상상태에서는 절연상태를 유지하며 누설전류가 거의 발생하지 않는다. 일정 전압 이상의 서지가 인가되면 내부 가스가 이온화되어 아크방전이 발생하고 대전류를 방전하는 전압개폐형 보호소자에 해당한다. MOV보다 응답속도는 느리지만 매우 큰 낙뢰 전류를 처리할 수 있어 Type 1 SPD 또는 하이브리드 SPD에서 주로 사용된다.

그림 1 SPD의 대표적인 비선형 보호소자 및 동작원리 (a) MOV, (b) GDT

Fig. 1 Representative nonlinear protective components used in SPDs and their operating principles: (a) MOV and (b) GDT

최근 직류 SPD는 MOV와 GDT를 조합한 하이브리드 구조를 주로 사용하여 MOV의 빠른 응답을 통하여 과전압을 제한하고, GDT는 대전류를 방전함으로써 두 소자의 장점을 동시에 활용할 수 있다. 특히 태양광 발전설비 및 ESS용 SPD에서는 이러한 하이브리드 구조가 널리 적용되고 있다.

2.2 SPD의 연결 유형(Connection Type)

SPD는 보호도체와의 연결방식에 따라 CT1(Connection Type 1)과 CT2(Connection Type 2)로 구분되며 그림 2는 활용 예시를 보여준다.

CT1은 각 선도체와 보호도체(PE) 사이에 SPD를 직접 연결하는 방식으로, 과도과전압 발생 시 각 도체에서 PE 방향으로 서지전류가 방전된다. 이를 통해 공통모드(Common Mode) 서지를 제한할 수 있다. 일반적인 CT1 구성에는 전압제한형 소자인 MOV가 사용되며 구조가 단순하고 보호특성이 우수하여 가장 널리 사용되는 방식이다.

그림 2 교류 시스템에서의 SPD 연결 유형 예시 (a) 중성선이 있는 3상 계통 CT1 (4+0) (b) 중성선이 없는 3상 계통 CT1(3+0) (c) 중성선이 있는 3상 계통 CT2(3+1)

Fig. 2 Examples of SPD connection types in AC Systems: (a) CT1(4+0) for a three-phase system with a neutral conductor, (b) CT1(3+0) for a three-phase system without a neutral conductor, (c) CT2(3+1) for a three-phase system with a neutral conductor

CT2는 각 선도체와 중성선 사이에 SPD를 설치하여 차동모드(Differential Mode) 서지를 우선 제한하고, 중성선과 PE 사이에 추가적인 SPD를 설치하는 방식이다. 교류 3상 계통의 일반적인 3+1 구조에서는 각 선도체와 중성선 사이에 전압제한형 소자를 설치하고, 중성선과 PE 사이에는 전압개폐형 소자를 사용한다. 대표적인 전압개폐형 소자로는 GDT와 스파크 갭 등이 있다.

SPD가 열화될 경우 보호소자의 접속 위치에 따라 누설전류의 경로와 크기가 달라질 수 있다. 따라서 KEC에서는 누전차단기 등의 보호장치 및 접지방식과의 보호협조를 고려하여 SPD의 설치 위치를 선정하도록 하고 있다.

다만 직류시스템의 경우 이러한 SPD의 구분과 보호 협조 등에 관한 연구가 충분히 이루어지지 않은 상황이다.

2.3 SPD의 성능특성

SPD는 최대연속사용전압($U_c$), 전압보호레벨($U_p$), 임펄스 방전전류($I_{imp}$), 공칭 방전전류($I_n$) 및 최대 방전전류($I_{max}$) 등의 성능지표를 기준으로 평가된다. 이러한 성능지표는 SPD의 적용 환경과 보호목적에 적합한 제품을 선정하기 위한 주요 기준으로 활용된다.

최대연속사용전압($U_c$)은 SPD의 해당 보호모드에 지속적으로 인가할 수 있는 최대 전압으로, 계통의 정격전압뿐만 아니라 접지방식 및 해당 보호모드에 정상상태에서 인가되는 최대전압을 고려하여 선정하여야 한다.

전압보호레벨($U_p$)은 SPD의 전압제한 성능을 나타내는 규정값을 의미하며, 보호대상 설비의 절연내력보다 충분히 낮아야 한다. 따라서 $U_p$는 보호성능을 결정하는 중요한 선정기준으로 사용된다.

임펄스 방전전류($I_{imp}$)는 10/350 μs 파형의 낙뢰전류에 대한 SPD의 내량을 나타내는 특성으로 Type 1 SPD의 주요 성능지표이다. 건축물의 직격뢰를 고려하는 경우 IEC 62305에서 제시하는 낙뢰전류 분배원리를 기반으로 보호모드별 요구 $I_{imp}$가 결정된다^[15].

공칭 방전전류($I_n$)는 SPD 보호모드를 통과하는 8/20 μs 전류의 첨두값을 의미하며, 반복적인 유도뢰 및 개폐서지에 대한 내구성을 평가하는 기준으로 사용된다.

최대 방전전류($I_{max}$)는 규정된 시험조건에서 SPD가 견딜 수 있는 최대 8/20 μs 방전전류를 의미하며, 일반적으로 $I_n$보다 큰 값을 갖는다.

이와 같이 SPD는 적용되는 전력계통과 보호목적을 고려하여 $U_c$, $U_p$, $I_{imp}$, $I_n$ 및 $I_{max}$ 등의 성능지표를 종합적으로 검토하여 선정되어야 한다. 그러나 현재 교류 저압계통은 IEC 60364-5-53에서 접지방식 및 보호모드(CT1, CT2)에 따른 SPD의 적용방법과 최소 임펄스 방전전류 선정기준을 제시하고 있는 반면, 직류 전력계통은 성능평가 항목은 일부 규정되어 있으나 2선식 및 3선식 직류계통의 접지방식과 보호모드를 고려한 SPD의 선정기준은 명확히 제시되어 있지 않다. 따라서 직류 전력시스템에 적합한 보호모드 및 방전전류 선정기준에 대한 연구가 필요하다.

3.1 직류 전력시스템의 분류

직류 전력계통은 일반적으로 2선식(+, -) 과 3선식(+, M, -) 으로 구분할 수 있다. 2선식 시스템의 경우 양극, 음극만 존재하고, 3선식 시스템의 경우 중간도체가 존재한다. 이와 함께 교류 시스템처럼 계통의 접지방식에 따라 TT, TN 및 IT 계통으로 분류된다. 2선식과 3선식 구성 및 접지방식에 따라 다양한 계통구성이 가능하여 교류시스템보다 다양한 형태가 나타난다. 본 연구에서는 직류 전력계통을 대상으로 CT1, CT2 및 하이브리드 연결 유형의 구성을 제안하고, 각 계통에서의 적용 가능성을 분석하였다.

3.2 직류 SPD의 연결 유형(CT) 구분

현재 직류 SPD는 연결 유형에 대한 구체적인 분류가 명확하게 제시되어 있지 않다. 본 연구에서는 교류 SPD의 연결 유형을 기반으로 직류계통에 적용 가능한 형태를 그림 3과 같이 구성하였다.

CT1은 각 선도체를 보호도체에 직접 연결하여 공통모드 서지를 제한 및 보호하는 보호방식이다. 정상상태에서는 SPD가 높은 절연저항을 유지하며 계통에 영향을 주지 않으나, 과도과전압 발생 시 각 선도체에서 보호도체 방향으로 서지전류를 방전한다. 직류 2선식에서는 (+) 및 (-) 극성을 각각 보호도체와 연결하는 구조를 적용하며, 직류 3선식에서는 (+), 중간도체(M), (-)를 각각 보호도체에 연결하는 구조로 2+0, 3+0 과 같은 구성이 가능하다.

CT2는 선도체 간 차동모드 보호와 보호도체에 대한 공통모드 보호를 동시에 수행하는 방식이다. 전압개폐형 소자를 활용하여 평상시 누설전류가 거의 발생하지 않고 높은 절연저항을 유지하며 계통에 영향을 주지 않으나, 과도과전압 발생 시 각 선도체에서 보호도체 방향으로 서지전류를 방전한다. 직류 2선식에서는 (+)와 (−) 사이에 전압제한소자와 극-보호도체 사이에 GDT를 조합한 1+1 구성이 가능하며, 직류 3선식에서는 (+)-M 및 M-(−) 사이에 전압제한소자를 연결하고 M과 보호도체 사이에 전압개폐형 소자를 연결하는 2+1 구성이 가능하다.

그림 3 직류 시스템에서의 SPD 연결 유형 예시 (a) 2선식 계통 CT1(2+0) (b) 2선식 계통 하이브리드(2+1) (c) 3선식 계통 CT1(3+0) (d) 3선식 계통 CT2(2+1)

Fig. 3 Examples of SPD connection types in DC systems: (a) CT1(2+0) for a two-wire system, (b) Hybrid(2+1) for a two-wire system, (c) CT1(3+0) for a three-wire system, (d) CT2(2+1) for a three-wire system

다만 태양광발전시스템과 같은 직류계통에서는 그림 3(b)와 같이 두 극과 내부 공통점 사이에 MOV 소자를 연결하고, 내부 공통점과 PE 사이에 GDT 소자를 연결하는 하이브리드(2+1) 회로를 적용할 수 있다. 이 구조는 각 극에 대해 대칭적인 대지 보호경로를 구성하며, 극간 및 극-대지 간 과도과전압을 함께 제한할 수 있다.

위와 같은 구분을 기반으로 본 연구에서는 직류 2선식 및 3선식 계통에 적합한 CT1, CT2 및 하이브리드 연결방식을 제안하고, 각 보호모드에 대한 요구 방전전류를 도출하였다.

3.3 보호장치와의 협조

TN, TT 등의 접지방식에서는 SPD 소자의 열화로 인해 누설전류가 발생할 수 있으며, SPD의 연결 유형과 설치 위치에 따라 누전차단기와의 보호협조가 달라질 수 있다. 표 1은 AC 전원계통에서 접지방식에 따른 SPD 연결 유형의 적용 가능 여부를 나타낸다.

CT2의 SPD는 열화로 인한 누설전류가 매우 작은 GDT를 사용하기 때문에 시스템 보호 차원에서의 누설전류 영향이 적어 누전차단기의 활용이 필수적이지 않다. 하지만 MOV만 사용하는 CT1 SPD는 시스템 보호 설비 구성에 영향이 존재하여 시스템 접지 구성에 따라 누전차단기 설치 필요성이 존재한다.

TN계통의 경우 SPD 열화로 인한 누설전류 발생시 PE도체와 접지선을 통하여 그림 4(a)와 같이 누설전류 경로가 형성되며, MOV 소자 완전 단락 발생시 큰 고장전류가 발생한다. 따라서 상위 차단기의 과전류 보호 동작으로 시스템 보호가 가능하기 때문에 SPD의 연결 유형과 상관없이 누전차단기의 시설은 필수적이지 않다. 하지만 누설전류로 인한 감전 및 화재를 예방할 필요가 있는 경우에는 누전차단기를 시설하여 안전성을 보장할 필요가 있다.

그림 4 CT1 MOV소자 열화에 따른 누설전류 경로 (a) TN 시스템, (b) TT 시스템

Fig. 4 Leakage Current Paths Caused by Degradation of the MOV Element in a CT1 Configuration: (a) TN System, (b) TT System

TT계통의 경우 SPD 열화로 인한 누설전류는 그림 4(b)와 같이 대지를 통하여 경로를 형성하기 때문에 대지저항에 따라 정확한 전류 크기를 알 수 없다. MOV 완전 단락 고장이 발생할 경우에도 대지저항으로 인하여 작은 고장전류가 발생하여 상위의 차단기가 과전류 보호 동작을 이루지 못하고 정상 전류로 판단할 가능성이 존재한다. 따라서 TT계통에서는 누설전류 발생의 위험성이 높은 CT1 SPD는 누전차단기를 설치하여 시스템을 보호할 필요가 있다. SPD를 누전차단기 전단에 설치할 경우 검출이 불가능하기 때문에 SPD는 누전차단기 후단에 설치되어 누전차단기의 보호 동작이 가능하도록 구성하여야 한다. 반면 CT2는 내부 소자로 누설전류 발생이 적은 GDT를 적용함으로써 정상상태의 누설전류를 최소화할 수 있으며, RCD와의 보호협조가 상대적으로 용이하다.

IT 계통에서는 제1 지락고장 시 전원의 즉시 차단보다는 절연감시장치(IMD)를 이용한 절연상태 감시가 일반적으로 적용되므로, TN 및 TT 계통과는 RCD와의 보호협조 조건이 다르다. SPD 적용 시 IMD의 절연감시 기능에 영향을 주지 않도록 접지구성 및 대지 임피던스 특성을 고려할 필요가 있다.

3.4 직류 시스템별 SPD 연결 유형의 적용성

직류시스템의 경우 전원계통 구성과 SPD 형태에 따른 시설방안이 충분히 검토되지 않은 상황이며, 직류 전력계통에서 SPD 연결 유형의 적용 여부는 교류 시스템과 마찬가지로 계통의 접지방식 및 보호장치와의 협조를 고려하여 결정되어야 한다. 본 논문에서는 교류 시스템과 유사한 형태로 적용 여부를 검토하였다.

직류시스템에서도 MOV 소자 열화에 따른 누설전류는 교류 시스템과 유사한 경로로 흐를 수 있다. 표 2는 이러한 특성을 고려하여 SPD 연결유형별 직류시스템의 적용 가능성을 나타낸 것이다. 직류시스템에서는 교류 시스템과 유사하게 TN 계통에서는 CT1, CT2 모두 적용 가능하며, TT계통에서는 CT1의 경우 RCD 후단에 설치가 가능하다. 하지만 하이브리드 SPD의 경우 CT1과 CT2의 특성을 모두 갖고 있기 때문에 모든 시스템에 적용이 가능한 것으로 나타났다.

IT 계통에서는 중간도체 유무에 따라 2선식 및 3선식으로 구분되며, 중간도체가 없는 2선식 시스템에서는 CT2 적용이 불가능하다. 비접지 시스템에서는 RCD보다 절연감시장치가 주요 보호장치로 사용되므로 SPD 적용 시 IMD의 감시기능에 영향을 주지 않도록 SPD의 특성을 고려할 필요가 있다.

4.1 SPD의 임펄스 방전전류 산정

IEC 62305에서는 LPL III 및 IV를 기준으로 최대 낙뢰전류를 100 kA(10/350 μs)로 제시하고 있다. 직격뢰 발생 시 낙뢰전류는 건축물의 철골, 접지극, 금속배관 및 전력인입선 등으로 분배되며, 그림 5와 같이 전력 인입선을 통해 약 50 %의 전류가 유입되고 나머지 50%는 기타 도전성 경로로 분산되는 것으로 가정한다.

기존의 교류 SPD의 최소 임펄스 방전전류는 이러한 전류 분배를 기반으로 결정된다. 표 3과 같이 3상 4선식에서는 50 kA의 전력선 인입전류가 4개 도체를 통해 각각 12.5 kA씩 흐르게 되므로, 각 SPD의 최소 방전전류는 12.5 kA 이상이어야 한다. CT2에서는 각 상에서 유입되는 서지전류가 중성선-PE선의 SPD로 집중되므로 중성선-PE의 SPD는 50 kA 이상의 임펄스 방전전류 성능을 요구한다.

그림 5 교류 시스템의 낙뢰전류 유입에 따른 전류 분배

Fig. 5 Current distribution due to lightning current injection into an AC system

4.2 직류 전력시스템의 임펄스 방전전류 산정

교류계통과 달리 직류계통은 양극(+), 음극(-) 또는 중간도체(M)를 사용한다. 따라서 IEC에서 제시한 교류계통에서의 임펄스 방전 전류 산정 방법을 그대로 적용하기 어려우며, 직류계통의 도체구성을 고려한 새로운 임펄스 방전 전류 산정기준이 필요하다. 이를 검토하기 위하여, 본 연구에서는 교류계통과 동일하게 전력인입선으로 유입되는 낙뢰전류를 50 kA로 선정하였다. 또한 직류계통의 선도체 수에 따라 전류가 균등 분배된다고 가정하였다.

4.2.1 직류 2선식

직류 2선식은 (+), (-) 두 개의 선도체로 구성되기 때문에 각 도체에 분배되는 전류는 그림 6(a)과 같이 25 kA로 예상할 수 있다. 따라서 CT1에서는 (+)-PE와 (-)-PE의 SPD가 각각 25 kA 이상의 임펄스 방전전류 정격을 가져야 한다. CT2에서는 (+)-(-) 사이의 SPD는 25 kA 이상의 임펄스 방전전류 정격을 필요로 하며 도체-PE 사이의 SPD에는 양 극성에서 유입되는 전류가 집중되므로 50 kA 이상의 임펄스 방전전류를 필요로 한다.

그림 6 직류 시스템의 낙뢰전류 유입에 따른 전류 분배 (a) 2선식 시스템, (b) 3선식 시스템

Fig. 6 Current distribution due to lightning current injection into a DC system: (a) two-wire system and (b) three-wire system

표 4 가정된 전류 분배에 따른 DC 시스템의 임펄스 방전전류 제안값

Table 4 Proposed impulse discharge current ratings for DC systems based on the assumed current distribution

보호모드	2선식		3선식
	CT1	CT2	CT1	CT2
각 선도체와 중간도체 사이(L-M)	-	-	-	17 kA
각 선도체와 PE 도체 사이(L-PE)	25 kA	50 kA	17 kA	-
중간도체와 PE 도체 사이(M-PE)	-	-	17 kA	50 kA
각 선도체 사이(L-L)	-	25 kA

- : 미해당

4.3 직류계통에서의 임펄스 전류 분배 모의시험

교류계통의 경우 변압기를 통하여 각 상과 중성선은 물리적으로 연결되어 낙뢰전류가 각 도체로 균등하게 분배될 수 있다. 반면 직류 시스템의 경우 변압기를 직접적으로 사용하지 않기 때문에 모의시험을 통하여 물리적인 전류 균등 분배가 가능한지 확인하였다.

직류시스템에서는 변압기 대신 전력변환장치를 사용하므로, 전력변환장치 특성에 따라 각 도체가 변압기와 같은 방식으로 물리적으로 연결되어 있지는 않다. 그러나 전력변환장치의 출력단에는 전압 평활을 위한 커패시터가 구성되며, 이를 통해 유입된 임펄스성 전류가 각 극으로 분배될 수 있다.

그림 7은 직류시스템의 전류 분배 특성을 확인하기 위한 모의시험 회로를 나타낸다. 시험회로는 2선식 및 3선식 직류계통과 SPD로 구성하였다.

그림 7 직류시스템의 임펄스 전류 분배 특성 확인을 위한 모의시험 구성 (a) 2선식 시스템, (b) 3선식 시스템

Fig. 7 Test configuration for evaluating impulse-current sharing characteristics in DC systems: (a) two-wire system and (b) three-wire system

그림 8 임펄스 전류 분배 특성 시험 결과 (a) 2선식 시스템, (b) 3선식 시스템

Fig. 8 Test results for impulse-current sharing characteristics: (a) two-wire system and (b) three-wire system

모의시험 구성은 2선식 직류 시스템의 경우 그림 7(a)와 같이 음극 접지, 3선식 직류 시스템의 경우 그림 7(b)와 같이 중간점에 접지가 연결된 시스템을 모의하였다. 개방회로 전압 기준 1.2/50 [μs], 500 [V]의 임펄스 전압을 시스템 접지 측에서 인가하였다. 이를 통해 접지 측으로 유입된 임펄스성 전류가 다른 극으로 분배되는 특성을 확인하였다. 각 전류를 계측하기 위하여 500 [MHz] 샘플링 주파수의 오실로스코프를 사용하였으며, SPD의 선로측 연결 지점 전류($i_{SPD\_P}$, $i_{SPD\_N}$, $i_{SPD\_M}$)와 입력 임펄스 전류($i_{Surge}$)를 측정하였다. 본 연구에서 사용된 DC SPD의 정격은 Uc 220 V, Up 1.0 kV, In 20 kA, Imax 40 kA이다.

그림 8(a)는 서지 유입에 따른 2선식 직류시스템에서의 전류 균등 분배를 확인한 파형으로 약 56 [A]의 임펄스 전류($i_{Surge}$)가 계통에 유입되었으며, SPD-양극 선로($i_{SPD\_P}$)에는 약 28 [A], SPD-음극 선로($i_{SPD\_N}$)에는 약 27 [A]의 전류가 측정되었다. 임펄스성 전류가 유입된 음극뿐만 아니라 접지와 연결되어 있지 않은 양극의 연결선에도 음극과 거의 유사한 임펄스성 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있었다.

그림 8(b)는 서지 유입에 따른 3선식 직류시스템에서의 전류 균등 분배를 확인한 파형으로 약 58 [A]의 임펄스 전류($i_{Surge}$)가 계통에 유입되었으며, SPD-양극 선로($i_{SPD\_P}$)에는 약 19 [A], SPD-음극 선로($i_{SPD\_N}$)에는 약 19 [A], SPD-중간도체에는 약 18 [A]의 전류가 측정되었다. 3선식 직류시스템에서도 임펄스성 전류가 유입된 중간도체뿐만 아니라 접지와 연결되어 있지 않은 양극 및 음극의 연결선에도 거의 유사한 임펄스성 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있었다. 모의시험을 통하여 임펄스 전류 유입 시 전력변환장치 내부의 커패시터를 통한 임펄스 전류의 균등 분배가 이루어지는 것을 확인하였다.