KR102370220B1 - 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치 - Google Patents

태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치 Download PDF

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Abstract

태양광발전 접속반에서, 입력단자, 퓨즈, 다이오드 및 출력단자가 이루는 선로 중 어느 한 부분에 연결되어 상기 선로에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서, PV 스트링과 연결되는 상기 입력단자의 접속점, 상기 퓨즈와 연결되는 상기 입력단자의 접속점 및 상기 퓨즈와 상기 다이오드가 연결되는 접속점 중 최소한 어느 한 부분에 연결되어 해당 부분의 온도를 검출하는 온도센서, 그리고 상기 전류센서 및 상기 온도센서에 의하여 검출된 값들에 기초하여 상기 선로 상의 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 판단부를 포함하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치가 개시된다. 본 발명의 아크검출장치에서, 상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승한다면, 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 아크검출장치는 직렬 아크를 간단한 방식으로 검출할 수 있어 장치를 간단하게 구성하면서도 신뢰성있게 검출결과를 얻을 수 있다.

Description

태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치{Arc Detecting Device For Detecting Serial Arc In Photovoltaic Junction Box}
본 발명은 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 태양광발전 접속반에서 발생하는 직렬 아크를 간단한 방식으로 검출할 수 있어 아크검출장치를 간단하게 구성하면서도 신뢰성있게 아크 검출결과를 얻을 수 있는, 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치에 관한 것이다.
현재 인류는 전기를 사용하지 않는 생활을 유지할 수 없다. 앞으로 전기의 사용은 더욱 늘어나는 추세이다. 대부분의 전기를 발전하는 장치는 탄소를 태우거나, 방사능의 분열 열을 이용하여, 전기를 생산하고 있다. 이러한 발전방법은 유해요소를 포함하고 있어서, 인간의 생활에 위협이 되고 있다.
이에 대한 대안으로서, 탄소를 배출하지 않고, 방사능의 위협에서 안전한 발전장치인 태양광 발전장치가 제시되고 있다. 하지만 태양광 발전장치는 또다른 위협요인을 가지고 있다. 직류(DC)는 교류(AC)와 달리 전압이 교류처럼 50/60 Hz로 영점을 지나지 않기 때문에 전류의 차단이 어렵다는 단점을 가진다. 이는 직류 시스템을 널리 적용하는 데 있어 걸림돌로 작용한다. 교류 시스템은 100 여년간 넓은 영역에 걸쳐 사용되면서 보호 기술이 성숙하였으나, 직류 시스템은 제한된 영역에만 사용됨에 따라 적절한 보호체계가 현재 존재하지 않는다.
도 1은 아크 발생시 차단기의 동작 전류-시간 특성 곡선을 나타낸 것이다. 도 1에 의하면 아크 사고가 발생했을 경우 차단기의 동작영역을 알 수 있다. 도 1에서 1 영역은 병렬 아크 발생 영역이고, 2 영역은 직렬 아크 발생 영역이다.
도 1을 참조하면, 과전류 차단기는 차단기에 흐르는 통전 전류와 시간에 따른 차단 특성을 보인다. 동작영역 #2에서 직렬 아크사고가 발생하는 경우 그러한 동작영역 #2는 차단기의 정상동작 영역에서 크게 벗어나지 않기 때문에 직렬 아크는 일반 차단기로는 검출이 어렵다.
직류 마이크로그리드는 수많은 커넥터, 납땜, 볼트 등을 통해 구성요소 간 연결이 이루어지기 때문에 직렬 아크사고의 발생 가능성이 병렬 아크사고보다 월등히 클 뿐만 아니라 검출이 어려워 많은 주의를 필요로 한다.
차단기 동작 전류-시간 특성상 과부하 또는 누전으로 인한 전기화재 및 감전사고는 부분적으로 보호할 수 있지만 아크발생으로 인한 사고는 보호될 수 없다. 특히 직렬 아크는 병렬 아크와 달리 사고전류가 부하에 의해 제한되어 사고전류가 차단기의 정상동작 범위 안에 머무르기 때문에 검출이 어려워 시스템 보호를 위해 아크사고를 검출하고 차단할 수 있게 하는 별도의 검출기가 필요하다.
태양광 발전장치의 접속반(이하, '태양광발전 접속반' 또는 그냥 '접속반'이라 함)은 PV(태양광패널)어레이(이하 스트링)들을 모아서 DC를 AC로 변환하는 장치(이하 인버터)에 연결하는 중간 접속 장치로 4개의 스트링부터 20개의 스트링을 집속한다. 한 개의 스트링이 DC 500V ~ DC 700V의 전압을 가지고, 전류는 8A ~ 15A 사이의 전류를 가지므로 한 개 스트링의 전력은 P = V * I로 4KW ~ 10.5KW 의 전력을 가진다. 현재 태양광 발전장치의 대부분의 화재의 원인은 고전압/대전류를 집속하는 접속반의 나사체결 불량, 퓨즈의 접속불량, 접속 다이오드의 고장에 의한 아크이고, 그러한 아크가 화재로 이어진다. 하지만 DC 아크의 검출과 차단은 AC와 달리 초기 검출이 어렵고, 화재가 발생했을때 진화가 어려운 문제가 있다.
초기 검출이 어려운 것은 직렬 아크가 발생했을때 전류가 줄어들어서 기존의 누전차단기와 같은 차단장치로 검출되지 않고, 화재가 발생하면 PV 스트링으로부터 출력되는 고압/고전류의 에너지가 계속 공급되므로, 물과 같은 화재 진화 방법으로 화재를 진화할 수 없는 애로점이 존재하여, 전소할 때까지 지켜보아야 한다. 또한 이러한 태양광 발전장치의 화재로 인한 정전으로 한전 전력망(계통)에 주파수와 전압의 불균형을 유발하고, 개인 발전사업자의 소득 감소로 이어진다.
태양광 발전장치의 설치와 운용이 오래된 미국과 유럽에서는 오래 전부터 태양광 발전장치의 화재로 인한 피해를 완화하기 위해 노력하였으며, 미국은 이러한 화재를 예방하기 위해서 태양광 접속반(JUNCTION BOX)에 DC 아크를 검출하는 장치인 AFD(Arc Fault Detetor)를 의무적으로 장착하게 하였다. 이의 규격으로는 IEC 규격인 UL1699B를 제정하여, 이 규격에 따라서 접속반을 제작하게 하였다.
초기 태양광 접속반의 아크검출은 대부분 아크가 발생할 때의 빛을 검출하는 것으로 만들어졌으나. 이는 많은 오동작을 유발하였고, 이후 아크 발생시의 주파수를 검출하는 기법으로 발전되었다. 하지만 이 또한 인버터 기술이 발전하여, 트랜스타입의 인버터에서 트랜스리스 타입의 인버터로 전환되면서, 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터 반도체의 스위칭 주파수가 스트링에 역으로 전달되는 현상(BACK NOISE)으로 인해 아크 주파수와 인버터 노이즈가 혼합이 되면서, 검출에 어려움을 겪고 있다. 즉, 태양광 발전장치에서 발생하는 직렬 아크를 검출하는 많은 장비들이 일으키는 오동작으로 인해 장비의 재기동에 따르는 물적 손실을 수반하게 된다.
많은 검출 장치들이 채용하고 있는 빛으로 검출하는 기법은 태양광에 의한 오동작이 빈번히 발생하고, 주파수에 의한 검출방법은 특히 직렬 라인의 아크 주파수를 검출하여, 차단기를 동작시키는 검출장치인 AFD가 인버터 등 발전장비에서 발생하는 고주파 노이즈를 아크로 인식하여, 차단기를 트립시키는 오동작이 발생하며, 재기동을 위해 사람이 방문하여, 처리하여야 하므로, 인건비와 운송비가 낭비된다. 인버터의 주파수가 가변적으로 변화되는 현재에는 이런 현상이 자주 발생하여, AFD의 신뢰성에 문제가 발생하여, 직렬 아크를 검출하는 제어기의 시장 확산을 방해하고 있다. 현재에도 많은 기술들이 개발되어서 PV 스트링의 DC 아크를 검출하고자 하지만, 일정 조건에서만 가능하고, 조건을 벗어나면, 검출하지 못하는 문제점을 내포하고 있다.
특허등록 제10-1734342호(2017. 05. 02. 등록) 특허등록 제10-1723831호(2017. 03. 31. 등록) 특허등록 제10-2166323호(2020. 10. 08. 등록)
본 발명의 목적은 태양광발전 접속반에서 발생하는 직렬 아크를 간단한 방식으로 검출할 수 있어 아크검출장치를 간단하게 구성하면서도 신뢰성있게 직렬 아크 검출결과를 얻을 수 있는, 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치는 어떤 태양광발전 패널 어레이(이하, 'PV 스트링'이라 함)가 접속하는 입력단자, 퓨즈 및 다이오드가 인버터에 접속하는 출력단자에 일렬로 연결되는 태양광발전 접속반에서, 상기 입력단자, 상기 퓨즈, 상기 다이오드 및 상기 출력단자가 이루는 선로 중 어느 한 부분에 연결되어 상기 선로에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서, 상기 PV 스트링과 연결되는 상기 입력단자의 접속점, 상기 퓨즈와 연결되는 상기 입력단자의 접속점 및 상기 퓨즈와 상기 다이오드가 연결되는 접속점 중 최소한 어느 한 부분에 연결되어 해당 부분의 온도를 검출하는 온도센서, 그리고 상기 전류센서 및 상기 온도센서에 의하여 검출된 값들에 기초하여 상기 선로 상의 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승한다면, 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승하고, 상기 전류감소후에 상기 전류센서에 의하여 검출된 상기 전류값이 감소된 상태로 유지되는 동안 상기 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도가 지속적으로 증가하는 것으로 판단되는 경우 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서들 중 제1의 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승하고, 상기 전류감소후에 상기 전류센서에 의하여 검출된 상기 전류값이 감소된 상태로 유지되는 동안 상기 제1의 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도가 지속적으로 증가하는 것으로 판단되는 한편, 상기 복수개의 온도센서 중 제2의 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도는 상기 제2의 온도센서가 상기 제1의 온도센서로부터 떨어진 거리에 비례하여 시간이 지연된 후에 지속적으로 증가하되, 상기 제1의 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도의 증가폭보다는 작은 폭으로 증가하는 것으로 판단되는 경우에 상기 제1의 온도센서가 설치된 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 것일 수 있다.
상기 판단부는 상기 아크의 발생조건에 더하여, 상기 전류센서에 의하여 검출된 상기 전류감소 및 상기 전류값이 감소된 상태가 유지된 후에 상기 전류값이 처음 상태로 회복된 후 다시 상기 전류감소 및 상기 전류값이 감소된 상태의 유지가 반복적으로 일어나는지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소 및 감소상태 지속 동안에 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승한 후 상기 전류값이 처음 상태로 회복되는 동안 또는 회복된 후 상기 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도는 지속적으로 하락한 후 상기 전류감소 및 감소상태 지속이 다시 반복될 때 상기 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도는 다시 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류 및 상기 온도에 대한 상기 반복이 일어나는 것으로 판단되면, 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행할 수도 있다.
상기 판단부는 상기 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 작은 경우, 상기 PV 스트링은 직렬 아크가 발생하지 않은 정상적으로 작동하는 것으로 판단하는 단계, 직렬 아크가 발생한 것으로 판단한 상기 PV 스트링에 대한 상기 온도 상승의 기울기가 직렬 아크가 발생하지 않은 것으로 판단한 상기 PV 스트링에 대한 상기 온도변화의 기울기보다 큰 경우 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생한 것으로 확정하는 한편 그렇지 않은 경우 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생한 것으로 판단한 것을 취소하는 단계를 더 수행할 수도 있다.
상기 판단부는 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 경우 관리자가 소유하는 관리장치로 해당 사실을 통지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치는 태양광발전 접속반에서 발생하는 직렬 아크를 간단한 방식으로 검출할 수 있어 아크검출장치를 간단하게 구성하면서도 신뢰성있게 직렬 아크 검출결과를 얻을 수 있다. 특히 본 발명은 연산량이 많고 복잡한 주파수 분석을 사용하지 않기 때문에 적은 연산량으로 간단하게 직렬 아크를 검출할 수 있어 경제적으로 장치를 구성할 수 있다.
도 1은 아크 발생시 차단기의 동작 전류-시간 특성 곡선을 나타낸다.
도 2는 아크가 발생하지 않은 정상적인 상황에서 인버터에 의해 발생하는 고주파 노이즈가 아크 발생시 주파수 특성으로 오인될 수 있음을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 5는 직렬 아크 발생시에 선로에 흐르는 전류의 시간에 따른 변화 및 직렬 아크 발생의 접속점에서 온도의 시간에 따른 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 아크검출장치의 동작을 도시한 도면들이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 일반적인 태양광발전 시스템은 복수개의 태양광발전 패널 어레이, 즉 PV 스트링(100), 접속반(200) 및 인버터(300)를 포함한다. 접속반(200)은 복수개의 입력단자(220), 복수개의 퓨즈(230) 및 복수개의 다이오드(240)가 하나의 출력단자(250)에 병렬로 연결되어 형성된다. 즉 하나의 입력단자(220), 하나의 퓨즈(230), 하나의 다이오드(240) 및 출력단자(250)는 하나의 선로(210)를 형성한다. 각 PV 스트링(100)은 각 입력단자(220)에 접속한다.
접속반(200)에는 본 발명에 따른 아크검출장치(400)가 설치되어 있다. 본 발명의 아크검출장치(400)는 각 선로(210)에 대하여 하나의 전류센서(410) 및 복수개의 온도센서, 예를 들어 3 개의 온도센서(420, 430 및 440)를 포함한다. 즉, 전류센서(410)는 PV 스트링(100) 갯수만큼 설치된다. 본 발명의 아크검출장치(400)는 또한 판단부를 포함한다.
전류센서(410)는 입력단자(220), 퓨즈(230), 다이오드(240) 및 출력단자(250)가 이루는 각 선로(210) 중 어느 한 부분에 연결되어 선로(210)에 흐르는 전류를 검출하는 것이다. 전류센서(410)는 시간에 대하여 연속적인 아날로그 값을 얻는다. 전류센서(410)는 선로(210) 중 적당한 부분에 설치될 수 있으며, 예를 들어 입력단자(220)에 설치될 수 있다.
온도센서는 선로(210)의 접속점에 연결되어 해당 부분의 온도변화를 검출한다. 온도센서(420, 430 및 440)는 PV 스트링과 연결되는 입력단자(220)의 접속점(222), 퓨즈(230)와 연결되는 입력단자(220)의 접속점(224) 및 퓨즈(230)와 다이오드(240)가 연결되는 접속점(232) 중 최소한 한 부분에 연결될 수 있고, 바람직하게는 그 중 모든 부분에 연결될 수 있다. 온도센서(420, 430 및 440)는 시간에 대하여 연속적인 아닐로그 값을 얻는다.
판단부는 전류센서(410) 및 온도센서(420, 430 및 440)에 의하여 검출된 값들에 기초하여 선로(210) 상의 접속점(222, 224 또는 232)에서 직렬 아크가 발생하였는지 여부를 판단한다. 판단부는 이를 위하여 전류센서(410) 및 온도센서(420, 430 및 440)로부터 받은 전류값 및 온도값들에 대하여 A/D 변환을 한 후 분석을 수행한다.
판단부는 예를 들어 전류/온도 검출기(450) 및 모니터장치(460)로 구성될 수 있다. 이때, 전류/온도 검출기(450)는 PV 스트링(100)의 갯수만큼 구비될 수 있다. 전류/온도 검출기(450)는 전류센서(410) 및 온도센서(420, 430 및 440)로부터 받은 전류 및 온도에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 것일 수 있다. 이때, 전류/온도 검출기(450)는 1 MHz 단위로 샘플링할 수 있다. 그러면, 그러한 디지털 신호는 매 1 마이크로초마다 값을 가지게 된다. 모니터장치(460)는 전류/온도 검출기(450)에 의하여 산출된 디지털 신호를 수신하여 아래에서 설명하는 바와 같은 분석을 수행한다.
본 발명에서 판단부, 즉 모니터장치(460)에 의하여 수행되는 절차를 설명하기 전에 도 4 및 도 5를 참조하여 직렬 아크 발생시에 선로(210)에 흐르는 전류의 시간에 따른 변화 및 아크 발생의 접속점, 예를 들어 접속점(224)에서 온도의 시간에 따른 변화를 먼저 설명한다. 도 4 및 도 5의 그래프는 이상적인 직렬 아크 발생에 대한 것이다. 실질적인 직렬 아크 발생에 대한 그래프가 도 4 및 도 5와 완전히 일치하는 것은 아니지만, 도 4 및 도 5의 그래프를 살펴봄으로써 직렬 아크 발생시에 시간에 따른 전류 및 온도 변화를 이해할 수 있다는 점에서 의미가 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 태양광발전 시스템의 가동 중에 어떤 PV 스트링(100)에서 직렬 아크가 발생하면, 선로(210)에 흐르는 전류가 감소하는 현상이 발생한다. 선로(210)에서 직렬 아크가 발생하면 전류는 감소하고, 전기에너지는 감소된 전류에 대략적으로 비례하여 빛과 열로 전환되는 현상이 발생한다. 빛은 공기중으로 방출되고 열은 도체를 통하여 전달된다. 직렬 아크는 주로 접속점에서 일어나기 때문에 직렬 아크가 접속반(200)에서 일어난다면 접속점들(222, 224 및 232) 중 어느 한 접속점에서 일어날 것이다.
직렬 아크가 발생할 때 전류감소는 순간적으로 일어난다. 예를 들어, 10A의 전류가 흐르는 어떤 PV 스트링에서 직렬 아크가 발생하면 순간적으로, 예를 들어 1㎲(t2 - t1) 후에 전류값은 9.8A로 변할 수 있다. 그러면, 시간에 따른 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값은 2 x 105 A/s로서 매우 큰 값이 된다. 이러한 전류감소의 순간 변화율은 직렬 아크 발생이 아닌 다른 위험 요인이 발생할 때의 전류의 순간변화율과 비교할 때 큰 차이를 나타내는 것이므로 직렬 아크 발생을 검출하는 유력한 정보가 될 수 있다. 이때, 직렬 아크 발생이 아닌 다른 위험 요인이 발생할 때의 예는 접속반(200)에서 다이오드(240) 고장으로 인하여 과전류가 발생하고 이로 인하여 아크가 발생하는 경우일 수 있다.
직렬 아크가 단 한번만 순간적으로 발생한다면 전류는 순간적으로 감소한 후 곧바로 원래 값으로 회복될 것이다. 그러나, 직렬 아크는 통상적으로 매우 짧은 시간동안에 여러 차례 연속적으로 일어난다. 즉, 직렬 아크는 짧은 시간동안에 다발적으로 일어난다. 따라서, 직렬 아크의 다발이 발생하는 동안에는 전류는 감소된 상태를 유지하게 된다.
어떤 PV 스트링(100)의 선로(210)에서 직렬 아크가 발생하면, 직렬 아크가 발생한 접속점, 예를 들어 접속점(224)에서는 직렬 아크에 의하여 온도가 즉각적으로 상승한다. 이때, 온도가 즉각적으로 상승한다는 의미는 직렬 아크가 발생한 시각(t2)으로부터 대체로 1 ms 이내(t3 - t2)에 온도가 상승한다는 것을 의미하며, 지연시간이 거의 없다는 것을 의미한다. 즉 지연시간은 대체로 1 ms 이내임을 의미한다. 그리고 직렬 아크가 계속 발생함으로써 전류가 감소된 상태를 유지하고 있는 동안에는 발생하는 직렬 아크의 다발에 의한 열의 축적으로 인하여 온도는 지속적으로 상승하는 경향이 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 직렬 아크의 다발(①)이 발생하면 전류는 일정 폭으로 감소한 후 감소된 상태를 유지한다. 그런 후 직렬 아크의 발생이 멈추면(①') 전류는 다시 원래의 값으로 회복된다. 그 상태에서 다시 직렬 아크의 다발(②)이 발생하면 전류는 다시 일정 폭으로 감소한 후 감소된 상태를 유지하고, 직렬 아크의 발생이 멈추면(②') 전류는 다시 원래의 값으로 회복된다.
상기한 전류의 변화에 대응하여 직렬 아크가 발생한 접속점에서의 온도는 직렬 아크의 다발(①)이 발생할 때 상승하고(① 영역), 직렬 아크의 발생이 멈추면 온도는 하락하며(①'), 직렬 아크의 다발(②)이 다시 발생하면 다시 상승하고(② 영역), 직렬 아크의 발생이 다시 멈추면(②') 온도는 다시 하락한다. 이때, 직렬 아크로 인한 온도 상승(① 및 ②)의 기울기는 자연적 냉각에 의한 온도 하락(①' 및 ②')의 기울기보다 가파르다. 따라서, 직렬 아크가 지속적으로 발생하면, 과열이 발생하게 되고, 그러한 과열로 인하여 화재의 위험이 있게 된다. 이에, 직렬 아크로 인한 화재를 방지하기 위하여 직렬 아크의 발생 초기에 직렬 아크를 검출하는 것이 무엇보다 중요하다.
본 발명은 직렬 아크가 발생할 때 전류가 순간적으로 감소하고 또한 직렬 아크가 발생하고 있는 동안에는 전류가 감소된 상태를 유지하는 현상 그리고 직렬 아크가 발생하면 직렬 아크가 발생한 접속점에서의 온도는 전류감소의 시각에서 즉각적으로 상승하고, 직렬 아크가 발생하는 동안에는 지속적으로 상승하는 현상을 이해하고, 그러한 현상을 검출함으로써 직렬 아크가 발생하였음을 인지하는 것이다. 이에, 본 발명은 연산량이 많고 복잡한 주파수 분석을 사용하지 않고서도, 적은 연산량으로 간단하게 직렬 아크를 신뢰성있게 검출할 수 있다는 장점을 가지고, 또한 장치를 간단하게 구성할 수 있어 경제적이라는 장점도 가진다.
도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 아크검출장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 6을 참조하여 제1 실시예를 설명한다. 판단부, 즉 모니터 장치(460)는 어떤 PV 스트링(100)에 대하여 전류센서(410)에 의하여 검출된 전류가 감소하였는지 여부를 판단한다(단계 S100).
전류감소가 없다면 전류감소가 있는지 여부를 계속적으로 감시하고, 전류감소가 있다면 그러한 전류감소의 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단한다(단계 S110). 이때, 기준값은 실험에 의하여 적절하게 정할 수 있다. 예를 들어, 상기에서 예시한 사례에서 직렬 아크가 발생하는 경우 2 x 105 A/s 정도의 전류감소가 검출되는 것을 감안하면, 기준값을 1 x 103 A/s 정도로 설정한다면, 직렬 아크의 발생을 다른 위험 요인에 의해 발생되는 다른 이벤트 그리고 태양광발전시스템이 운영될 때 정상적으로 나타나는 PV 스트링에 대한 전류변화와 충분히 구분할 수 있을 것이다.
모니터 장치(460)는 전류감소의 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 작은 경우에는 단계 S100으로 돌아가 절차를 계속하고, 전류감소의 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 경우에는 온도센서들(420, 430 및 440)에 의하여 검출된 온도들 중 어떤 온도가 전류감소가 일어난 시각에서 즉각적으로 상승하였는지 여부를 판단한다(단계 S120). 이때, 온도의 즉각적 상승은 전류감소가 일어난 시각으로부터 1 ms 이내에 온도가 상승함을 의미한다. 또한 온도 상승의 기울기는 아래에서 예시하는 바에 따라 직렬 아크의 발생을 분별할 수 있는 의미있는 수준의 것으로 설정될 수 있다.
모니터 장치(460)는 온도센서들(420, 430 및 440)에 의하여 검출된 온도들 중 어떠한 온도도 전류감소가 일어난 시각에서 즉각적으로 상승하지 않았다면, 단계 S100으로 돌아가 절차를 계속한다. 반면에 모니터 장치(460)는 온도센서들(420, 430 및 440)에 의하여 검출된 온도들 중 어떤 온도가 전류감소가 일어난 시각에서 즉각적으로 상승하였다면, 해당 온도센서가 설치된 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하고, 그러한 사실을 관리자가 소유하는 관리장치로 통지한다(단계 S130).
그런 후 모니터 장치(460)는 절차를 종료할 수 있다. 한편, 모니터 장치(460)는 단계 S130후에 곧바로 절차를 종료하지 않고, 단계 S100으로 돌아가 절차를 계속할 수 있으며, 사용자의 종료 명령이 있을 때에 또는 프로그램이 미리 설정한 이벤트 발생시에 절차를 종료할 수 있다.
다음으로 도 7을 참조하여 제2 실시예를 설명한다. 모니터 장치(460)는 전류센서(410)에 의하여 검출된 전류가 감소하였는지 여부를 판단하고(단계 S100), 또한 전류감소가 있다면 그러한 전류감소의 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단한다(단계 S110). 단계 S100 및 S110은 상기 제1 실시예와 동일하다.
제2 실시예가 제1 실시예와 다른 점은 제1 실시예는 전류감소의 순간적 변화율만을 검출하는 것인 반면에 제2 실시예는 그것에 더하여 감소된 전류값이 유지되는지 여부도 확인한다는 것이다. 그래서, 제2 실시예에서는 모니터 장치(460)는 전류감소의 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 경우에는 전류감소후에 전류센서(410)에 의하여 검출된 전류값이 감소된 상태로 유지되는지 여부를 판단한다(단계 S115).
전류값이 감소된 상태로 유지되지 않는다면 절차는 단계 S100으로 돌아가 계속된다. 반면에 전류값이 감소된 상태로 유지된다면, 온도센서들(420, 430 및 440)에 의하여 검출된 온도들 중 어떤 온도가 전류감소가 일어난 시각에서 즉각적으로 상승하였는지 여부 및 전류값이 감소된 상태일 때 지속적으로 상승하였는지 여부를 판단한다(단계 S122). 단계 S122는 제1 실시예에서 단계 S120에 대응하지만, 접속점에서 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부에 대한 판단에 더하여 전류값이 감소된 상태일 때 온도가 지속적으로 상승하는지 여부까지 판단한다는 점에서 차이가 있다.
단계 S122에서 온도의 즉각적 상승 및 지속적 상승 중 하나라도 만족하지 않는다면 절차는 단계 S100으로 돌아가 계속된다. 반면에 온도의 즉각적 상승 및 지속적 상승 모두를 만족한다면, 모니터 장치(460)는 해당 온도센서가 설치된 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하고, 그러한 사실을 관리자가 소유하는 관리장치로 통지한다(단계 S130).
다음으로 도 8을 참조하여 제3 실시예를 설명한다. 제3 실시예의 절차는 단계 S122까지는 도 7의 제2 실시예의 절차와 동일하다.
단계 S122에서 제1 온도는 직렬 아크가 발생한 접속점에 설치된 온도센서에 의하여 측정된 온도를 의미한다. 온도센서들(420, 430 및 440)에 의하여 측정된 온도들 중 어떠한 것도 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승하지 않았다면, 단계 124는 수행되지 않으므로 제1 온도 및 제2 온도의 구분은 필요없다. 즉, 온도센서들(420, 430 및 440)에 의하여 측정된 온도들 중 어떤 온도가 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승하였다면, 해당 온도가 제1 온도가 되는 것이다.
예를 들어, 접속점(224)에서 직렬 아크가 발생하였다고 가정한다. 그러면, 단계 S122에서 접속점(224)에 설치된 온도센서 2(430)에 의하여 측정된 온도가 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승하였다고 판단될 것이다. 따라서 온도센서 2(430)에 의하여 측정된 온도가 제1 온도가 된다. 반면에 온도센서 1(420) 및 온도센서 3(440)에 의하여 측정된 온도는 단계 S124에서 제2 온도가 된다.
모니터 장치(460)는 단계 S122에서 예를 들어, 접속점(224)에 설치된 온도센서 2(430)에 의하여 측정된 제1 온도가 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승한 것으로 판단되면, 접속점(222 및 232)에 설치된 온도센서 1 및 3(420 및 440)에 의하여 측정된 제2 온도가 제1 온도의 상승시각으로부터 지연된 후 상승하는지 여부를 판단한다(단계 S124). 이때 제2 온도의 상승 지연 정도는 온도센서 1 및 3(420 및 440)이 온도센서 2(430)로부터 떨어진 거리에 대체적으로 비례한다. 또한 제2 온도 상승의 기울기는 제1 온도 상승의 기울기보다 작다.
모니터 장치(460)는 단계 S124에서 해당 조건을 만족하지 않는 것으로 판단되면, 단계 S100으로 돌아가 절차를 계속한다. 반면에 단계S124에서 해당 조건을 만족하는 것으로 판단되면, 모니터 장치(460)는 해당 온도센서, 즉 온도센서 2(430)가 설치된 접속점(224)에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하고, 그러한 사실을 관리자가 소유하는 관리장치로 통지한다(단계 S130).
다음으로 도 9을 참조하여 제4 실시예를 설명한다. 제4 실시예는 도 7의 제2 실시예에서 접속점에서의 온도 상승 기울기에 대한 판단을 부가하는 점에서 차이가 있다. 따라서, 제4 실시예는 단계 S100, S110, S115, S122를 수행한다는 점에서 제2 실시예와 동일하다. 제4 실시예가 제2 실시예와 다른 점은 단계 S126 및 단계 S140이 추가된다는 점과 단계 S100 및 단계 S110에서 조건을 만족하지 않는 경우 절차가 단계 S100으로 돌아가는 것이 아니라 단계 S140이 실행된다는 것이다.
제4 실시예에서는, 모니터 장치(460)는 단계 S100에서 어떤 PV 스트링(100)에 대하여 전류센서(410)에 의하여 검출된 전류가 감소하지 않은 것으로 판단되는 경우 그리고 단계 S110에서 어떤 PV 스트링(100)에 대하여 전류센서(410)에 의하여 검출된 전류가 감소하였지만 그러한 전류감소의 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 작은 경우, 직렬 아크 발생이 없는 정상 PV 스트링으로 판단한다(단계 S140). 단계 S140 후에는 절차는 단계 S100으로 돌아가 계속된다.
한편, 단계 S122에서 온도의 즉각적 상승 및 지속적 상승 모두를 만족한다면, 모니터 장치(460)는 그러한 온도상승 기울기가 단계 S140에서 판단한 정상 PV 스트링의 온도변화율보다 큰 지 여부를 판단한다(단계 S126). 이때, 정상 PV 스트링의 온도변화율은 판단대상이 되는 접속점에서의 온도상승 기울기에 대한 기준값 역할을 하는 것이다. 이러한 기준값은 정상 PV 스트링의 온도변화율 대신에 그것의 2배 또는 3배로 정함으로써 직렬 아크 발생에 대한 분별력을 향상시킬 수도 있을 것이다.
단계 S126에서 어떤 PV 스트링에 대한 접속점(222, 224 또는 232)에서의 온도상승 기울기가 정상 PV 스트링에 대한 접속점에서의 온도변화율보다 크지 않은 경우에는 해당 PV 스트링에 대한 접속점(222, 224 및 232) 중 어떠한 것에서도 직렬 아크가 발생하지 않은 것으로 간주하고 절차는 단계 S100으로 돌아가 계속된다. 반면에 단계 S126에서 어떤 PV 스트링에 대한 접속점(222, 224 또는 232)에서의 온도상승 기울기가 정상 PV 스트링에 대한 접속점에서의 온도변화율보다 큰 경우에는 해당 PV 스트링에 대한 접속점(222, 224 및 232) 중 해당하는 접속점에서 직렬 아크가 발생한 것으로 판단하고 그러한 사실을 관리자가 소유하는 관리장치로 통지한다(단계 S130).
상기에서 설명한 실시예 4는 어떤 PV 스트링에 대한 해당 접속점에서의 온도상승 기울기가 정상 PV 스트링에 대한 접속점에서의 온도변화율보다 큰 경우, 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 것인데, 해당 접속점에서의 온도 상승 기울기를 정상 PV 스트링에 대한 접속점에서의 온도변화율과 비교하는 대신에 실험적으로 측정하여 결정한 어떤 기준값과 비교하는 것도 가능할 것이다. 이때, 예를 들어, 직렬 아크가 발생하지 않는 상황에서 태양광발전 시스템의 조건 변화에 따라 발생하는 접속점에서의 온도변화율의 평균을 기준값으로 정하거나 직렬 아크가 발생할 때 해당 접속점에서의 온도 상승 기울기와 직렬 아크가 발생하지 않을 때 해당 접속점에서의 온도변화율의 평균을 기준값으로 정할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시예 4는 위에서 언급한 온도 상승 기울기에 대한 기준값을 정하는 하나의 예시로 이해될 수 있을 것이다.
한편, 상기에서는 도 9의 실시예 4는 도 7의 실시예 2에 대하여 추가적인 조건을 부가함으로써 더욱 정밀하게 직렬 아크 발생에 대한 판단을 하였는데, 이와 유사하게, 도 8의 실시예 3에 대하여 동일한 추가 조건을 부가함으로써 더욱 정밀하게 직렬 아크 발생에 대한 판단을 하는 실시예, 즉 실시예 5를 구성하는 것도 가능하다. 실시예 5에 대한 절차도 및 구체적 설명은 없더라도 상기한 설명을 참조하면 충분히 이해될 수 있으므로 여기에서는 상세한 언급은 생략하도록 한다.
100: 태양광발전 패널 어레이 200: 접속반
210: 선로 220: 입력단자
222,224,232: 접속점 230: 퓨즈
240: 다이오드 250: 출력단자
300: 인버터 400: 아크검출장치
410: 전류센서 420,430,440: 온도센서
450: 전류/온도 검출기 460: 모니터장치

Claims (6)

  1. 어떤 태양광발전 패널 어레이(이하, 'PV 스트링'이라 함)가 접속하는 입력단자, 퓨즈 및 다이오드가 인버터에 접속하는 출력단자에 일렬로 연결되는 태양광발전 접속반에서, 상기 입력단자, 상기 퓨즈, 상기 다이오드 및 상기 출력단자가 이루는 선로 중 어느 한 부분에 연결되어 상기 선로에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서, 상기 PV 스트링과 연결되는 상기 입력단자의 접속점, 상기 퓨즈와 연결되는 상기 입력단자의 접속점 및 상기 퓨즈와 상기 다이오드가 연결되는 접속점 중 최소한 어느 한 부분에 연결되어 해당 부분의 온도를 검출하는 온도센서, 그리고 상기 전류센서 및 상기 온도센서에 의하여 검출된 값들에 기초하여 상기 선로 상의 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승한다면, 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행하며,
    상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승한다는 것은 상기 전류감소가 일어난 시각으로부터 1 ms 이내에 온도가 상승하는 것을 의미함을 특징으로 하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치.
  2. 어떤 태양광발전 패널 어레이(이하, 'PV 스트링'이라 함)가 접속하는 입력단자, 퓨즈 및 다이오드가 인버터에 접속하는 출력단자에 일렬로 연결되는 태양광발전 접속반에서, 상기 입력단자, 상기 퓨즈, 상기 다이오드 및 상기 출력단자가 이루는 선로 중 어느 한 부분에 연결되어 상기 선로에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서, 상기 PV 스트링과 연결되는 상기 입력단자의 접속점, 상기 퓨즈와 연결되는 상기 입력단자의 접속점 및 상기 퓨즈와 상기 다이오드가 연결되는 접속점 중 최소한 어느 한 부분에 연결되어 해당 부분의 온도를 검출하는 온도센서, 그리고 상기 전류센서 및 상기 온도센서에 의하여 검출된 값들에 기초하여 상기 선로의 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승하고, 상기 전류감소후에 상기 전류센서에 의하여 검출된 상기 전류값이 감소된 상태로 유지되는 동안 상기 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도가 지속적으로 증가하는 것으로 판단되는 경우 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행하며,
    상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승한다는 것은 상기 전류감소가 일어난 시각으로부터 1 ms 이내에 온도가 상승하는 것을 의미함을 특징으로 하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치.
  3. 어떤 태양광발전 패널 어레이(이하, 'PV 스트링'이라 함)가 접속하는 입력단자, 퓨즈 및 다이오드가 인버터에 접속하는 출력단자에 일렬로 연결되는 태양광발전 접속반에서, 상기 입력단자, 상기 퓨즈, 상기 다이오드 및 상기 출력단자가 이루는 선로 중 어느 한 부분에 연결되어 상기 선로에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서, 상기 PV 스트링과 연결되는 상기 입력단자의 접속점, 상기 퓨즈와 연결되는 상기 입력단자의 접속점 및 상기 퓨즈와 상기 다이오드가 연결되는 접속점 중 최소한 2 군데에 연결되어 해당 부분의 온도를 검출하는 복수개의 온도센서, 그리고 상기 전류센서 및 상기 온도센서에 의하여 검출된 값들에 기초하여 상기 선로의 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 판단부는 상기 전류센서에 의하여 검출된 전류가 순간적으로 감소할 때 그러한 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 큰 경우 상기 온도센서들 중 제1의 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류감소의 절대값이 상기 기준값보다 클 때 상기 온도가 즉각적으로 상승하고, 상기 전류감소후에 상기 전류센서에 의하여 검출된 상기 전류값이 감소된 상태로 유지되는 동안 상기 제1의 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도가 지속적으로 증가하는 것으로 판단되는 한편, 상기 복수개의 온도센서 중 제2의 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도는 상기 제2의 온도센서가 상기 제1의 온도센서로부터 떨어진 거리에 비례하여 시간이 지연된 후에 지속적으로 증가하되, 상기 제1의 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도의 증가폭보다는 작은 폭으로 증가하는 것으로 판단되는 경우에 상기 제1의 온도센서가 설치된 상기 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행하며,
    상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 상승한다는 것은 상기 전류감소가 일어난 시각으로부터 1 ms 이내에 온도가 상승하는 것을 의미함을 특징으로 하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 직렬 아크의 발생조건에 더하여, 상기 전류센서에 의하여 검출된 상기 전류감소 및 상기 전류값이 감소된 상태가 유지된 후에 상기 전류값이 처음 상태로 회복된 후 다시 상기 전류감소 및 상기 전류값이 감소된 상태의 유지가 반복적으로 일어나는지 여부를 판단하는 단계, 상기 전류감소 및 감소상태 지속 동안에 상기 온도센서에 의하여 검출된 온도가 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승한 후 상기 전류값이 처음 상태로 회복되는 동안 또는 회복된 후 상기 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도는 지속적으로 하락한 후 상기 전류감소 및 감소상태 지속이 다시 반복될 때 상기 온도센서에 의하여 검출된 상기 온도는 다시 즉각적으로 그리고 지속적으로 상승하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 전류 및 상기 온도에 대한 상기 반복이 일어나는 것으로 판단되면, 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 전류감소에 대한 순간적 변화율의 절대값이 기준값보다 작은 경우, 상기 PV 스트링은 직렬 아크가 발생하지 않은 정상적으로 작동하는 것으로 판단하는 단계, 직렬 아크가 발생한 것으로 판단한 상기 PV 스트링에 대한 상기 온도 상승의 기울기가 직렬 아크가 발생하지 않은 것으로 판단한 상기 PV 스트링에 대한 상기 온도변화의 기울기보다 큰 경우 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생한 것으로 확정하는 한편 그렇지 않은 경우 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생한 것으로 판단한 것을 취소하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판단부는 해당 접속점에서 직렬 아크가 발생하였다고 판단하는 경우 관리자가 소유하는 관리장치로 해당 사실을 통지하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 접속반에서 직렬 아크를 검출하는 아크검출장치.
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