태양광 어레이에 필요한 퓨즈 크기

이 블로그 게시물에서는 캠핑용 태양광 어레이를 설계할 때 인라인 퓨즈를 언제, 어디에 추가해야 하는지 판단하는 방법을 알려드립니다. 태양광 어레이에 퓨즈를 연결해야 할 때도 있고, 그렇지 않을 때도 있습니다. 이러한 결정에는 여러 가지 이유가 있지만, 결국 NEC(미국 전기 규정)가 결정을 내립니다. 이 블로그 게시물을 끝까지 읽으시면 태양광 어레이에 필요한 퓨즈의 크기와 위치를 알 수 있을 것입니다.

태양 전지 배열 융합

국가 전기 규정(NEC) 690.9(A)(2020년판)에서는 이 문제에 대해 매우 직설적으로 다음과 같이 언급하고 있습니다(명확성을 위해 의역):

패널에 지정된 최대 과전류 보호 장치 정격보다 높은 전류 가용성을 가진 태양광 패널 어레이(병렬 스트링 태양광 패널)는 과전류로부터 보호되어야 합니다. 단, 모든 전원의 단락 전류가 PV 모듈 명판에 명시된 전선 용량 및 최대 과전류 보호 장치 크기 정격을 초과하지 않는 경우는 예외입니다.

690.9 과전류 보호.

(A) 회로 및 장비. PV 시스템 DC 회로와 인버터 출력 도선 및 장비는 과전류로부터 보호되어야 합니다. 690.8(A)(2)에 따라 규격이 정해진 회로는 과전류 보호 장치를 사용하여 과전류로부터 보호해야 합니다. 각 회로는 690.9(A)(1), (A)(2) 또는 (A)(3)에 따라 과전류로부터 보호되어야 합니다.

(1) 과전류 보호가 필요하지 않은 회로.

다음 두 가지 조건이 모두 충족되는 경우에는 과전류 보호 장치가 필요하지 않습니다.

(1) 도체는 최대 회로 전류에 대한 충분한 전류 용량을 가지고 있습니다.

(2) 모든 소스의 전류는 PV 모듈 또는 전자 전력 변환기에 대해 지정된 최대 과전류 보호 장치 정격을 초과하지 않습니다.

핵심 요점: 이는 전체 태양광 배열의 단락 전류가 태양광 패널 라벨에 적힌 최대 직렬 퓨즈 정격보다 클 경우, 병렬로 연결된 각 패널(또는 직렬 스트링)에 퓨즈를 연결해야 한다는 것을 의미합니다.

즉, 태양 전지 배열을 융합해야 하는지 확인하려면 두 가지 사항이 필요합니다.

• 태양광 배열의 단락 전류.

• 태양광 패널의 최대 직렬 퓨즈 정격.

이 두 가지 정보를 바탕으로 이 인포그래픽의 단계에 따라 태양광 배열에 퓨즈를 사용해야 하는지 확인하세요.

왜 태양광 패널을 융합해야 하나요?

어레이 단락 전류가 패널 최대 직렬 퓨즈 정격보다 높아 태양광 어레이 퓨즈가 필요한 경우, 패널 또는 직렬 스트링이 결합되는 지점에서 어레이 퓨즈를 연결해야 패널 결함으로 인한 화재나 과열을 방지할 수 있습니다. 퓨즈가 연결되지 않은 어레이에서 패널 내부에서 단락이 발생할 경우 다음과 같은 현상이 발생합니다.

패널 #3에 내부 단락이나 어떤 종류의 오류가 발생하는 경우, 패널 #1과 #2는 회로를 완성하기 위해 저항이 가장 작은 경로(단락 지점)를 찾습니다. 즉, 패널 #3으로 20.4A가 흐르고, 패널 #3에서 나오는 10.2A가 합해지면 단락을 통해 잠재적으로 30.6A가 흐를 수 있습니다. 이는 패널의 최대 전류 정격보다 15A 이상 높고, 패널이 설계한 전류량을 초과합니다.

이제... 각 태양광 패널의 양극선에 퓨즈를 부착하여 MC4 결합기에 연결한다면 어떨까요?

패널 #3에 내부 단락이나 어떤 종류의 오류가 발생하는 경우, 패널 #1과 #2는 회로를 완성하기 위해 저항이 가장 작은 경로(단락 지점)를 찾습니다. 즉, 패널 #3에는 20.4A가 흐르게 됩니다. 단, 패널 3의 회로를 보호하는 15A 퓨즈를 설치했기 때문에 퓨즈가 끊어지고 문제가 있는 패널은 해당 패널의 최대 단락 회로 매개변수 내에서 단락 회로에 격리됩니다.

그렇기 때문에 코드상 이 배열에는 퓨즈가 필요합니다.

왜 태양광 패널에 퓨즈를 연결할 필요가 없을까요?

태양광 어레이의 단락 전류가 태양광 패널의 최대 직렬 퓨즈 정격보다 낮으면 어레이에 퓨즈를 설치할 필요가 없습니다. 이러한 유형의 어레이에 퓨즈를 설치해도 추가적인 보호 기능이나 이점이 없으며, 그 이유는 다음과 같습니다.

위 그림은 직렬로 연결된 200W 패널 3개를 보여줍니다. 각 태양광 패널의 단락 전류는 10.2A, 작동 전류는 9.8A이며, 최대 직렬 퓨즈 정격은 15A입니다.

최대 직렬 퓨즈 정격이 15A이므로 실제 태양광 패널의 전선, 다이오드, 커넥터 및 기타 내부 구성 요소는 최대 15A를 처리할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

태양광 패널 중 하나 내부에서 단락이나 기타 오작동이 발생할 경우, 어레이의 단락 전류가 10.2A이므로 패널 자체가 이 단락 사건을 처리하도록 설계되었다고 해도 과언이 아닙니다. 단락 전류는 패널의 최대 퓨즈 정격을 초과할 수 없습니다.

이제... '안전을 위해' 퓨즈를 추가하고 싶다면 어떻게 해야 할까요?

결국… 아무 일도 일어나지 않을 겁니다… 단락이 발생하면 10.2A가 흐릅니다. 정상 작동 시에는 9.8A가 흐릅니다. 물론 10A 퓨즈는 두 값 사이에 있겠지만, 어느 방향으로든 0.2A의 차이가 발생하면 다음과 같은 결과가 발생합니다.

• 퓨즈가 끊어지지 않도록 주의하세요.

• 정상적인 작동 조건에서도 퓨즈가 지속적으로 불쾌한 충격을 받도록 합니다.

따라서 이 시나리오에서는 규정상 퓨즈가 필요하지 않습니다.

전기 규정과 실제 세계의 불일치

때로는 실제 상황과 규정에서 요구하는 사항 사이에 불일치가 발생할 수 있습니다. 이런 경우… 항상 전기 규정을 준수하십시오. 전기 규정은 때때로 조금 더 보수적일 수 있지만, 그럴 만한 이유가 있습니다.

다음은 퓨즈가 없어도 이점이 없는 설정의 예이지만, 전기 규정에 따르면 퓨즈가 필요합니다.

이 시나리오에서는 실제로 이 어레이에서 퓨즈를 사용해야 합니다. 어레이 단락 전류 20.4가 사용된 패널의 최대 직렬 퓨즈 정격 15A보다 크기 때문입니다.

패널 #2에 내부 결함이 발생할 경우, 패널 #1에서 생성된 전력은 저항이 가장 작은 경로를 따라 패널 #2로 흐릅니다. 즉, 결함이 발생한 패널 영역에는 잠재적으로 20.2A의 전류가 해당 영역으로 흐를 수 있습니다.

적절한 위치에 15A 퓨즈가 있지만, 패널 #1에서 패널 #2로 흐르는 전류는 두 퓨즈 중 어느 것도 날려버릴 만큼 충분하지 않습니다.

이상적이지는 않지만, 두 개의 패널이나 두 개의 직렬 스트링을 병렬로 사용할 경우 이러한 현상을 피하기는 거의 불가능하며, 이러한 구성은 미국 전기 규정(NEC)에서 금지되어 있지 않으므로, 그냥 앉아서 "괜찮아"라고 말할 수밖에 없는 상황입니다. 만약 괜찮지 않았다면… 전기 규정이나 표준에 이에 대한 내용이 명시되어 있었을 것입니다.

캠핑용 태양 전지 배열 융합 – 마무리 생각

태양광 패널에 고장이 발생하는 경우는 매우 드뭅니다. 대부분의 태양광 패널에는 다이오드가 장착되어 있어 위에서 언급한 대부분의 상황이 발생하지 않습니다. 다이오드 중 하나에 고장이 발생하거나 패널에 다른 문제가 발생할 경우를 대비하여 이중화(redundancy)를 위해 퓨즈(fusing)가 필요합니다. 태양광 패널은 크게 중요한 요소는 아닙니다. 접합 유리 사이에 실리콘 셀들을 여러 개 꽂아 다이오드와 전선에 연결한 것뿐입니다. 셀 하나가 타더라도 패널은 일반적으로 계속 작동합니다. 하지만… 미국 전기 규정(National Electric Code)은 어레이 퓨즈(array fuse)에 대해 구체적으로 규정하고 있으므로, 고급 캠핑카 전기 시스템을 설계하고 구축할 때는 반드시 이를 따라야 합니다.