케이블 관리 최적화를 통해 유틸리티 규모 PV 시스템에서 안전 및 효율성 보장

그린 에너지와 지속 가능성에 대한 주요 구동 인자인 유틸리티 규모 광발전(PV) 시스템은 일반적으로 수 메가와트(MW)의 전기를 생성합니다. 1MW를 생성하려면 수 에이커의 지역에 걸쳐 약 2,900개의 태양광 패널이 필요하며 추가적으로 하나 이상의 인버터 및 컨트롤러와 그리드 연결 장비가 필요합니다. PV 시스템 내부의 모든 소자를 연결하려면 수 마일의 전력 및 모니터링 케이블링과 수만의 케이블 관리 부품이 필요할 수 있습니다. 제대로 구현되지 않을 경우 케이블링 및 케이블 관리 부품은 효율성 감소, 사용 가능성 제한, 안전 위험 증가, 설치 및 작동 비용 상승을 일으키는 약점이 될 수 있습니다.

안전하고 효율적인 케이블 관리 설치를 설계하는 것은 복잡합니다. 여기에는 전력 케이블링의 단락 보호를 위한 케이블 클리트, 설치자를 보호하기 위한 전압 부재 테스터, 신뢰할 수 있는 신호 및 모니터링 연결을 위한 에지 클립 케이블 타이, 전력 및 접지를 위한 압축 러그 커넥터가 포함됩니다. 추가적으로, 이러한 부품은 다양한 국제 표준을 준수해야 합니다. 예를 들어, 케이블 클리트는 접지 오류를 견딜 수 있도록 IEC 61914:2015를 준수해야 하고, 전압 부재 테스터는 태양광 부품이 IEC 61215에 정의된 실외 조건을 견딜 수 있도록 NFPA(미국 화재 예방 협회), UL 및 CSA 안전 표준, PV 설치에 대한 일반적인 요구 사항에 따라 작동해야 합니다.

이 기사에서는 필요한 여러 케이블 관리 구성 부품에 특히 초점을 맞춘 유틸리티 규모 PV 설치 소자에 대해 자세히 설명하고, 관련 국제 안전 표준 중 일부를 세부적으로 다루며, 열악한 환경에서의 작동 및 비용 효율적인 설치를 위한 요구 사항을 검토합니다. 기사 전체에 걸쳐 Panduit의 우수 제품을 강조 설명합니다.

BOS에 대한 중요성 증가

PV 설치 시 BOS(Balance of System)에는 랙, 케이블, 케이블 관리, 인버터 및 기타 시스템 장치와 같은 PV 패널 이외의 모든 것과 인력 및 소프트웨어가 포함됩니다. PV 패널 기술이 향상됨에 따라 패널 가격은 BOS 부품 가격보다 빠르게 떨어졌습니다. IRENA(International Renewable Energy Agency)의 분석에 따르면 PV 설치 비용 절감의 62%는 PV 패널 및 인버터의 가격 하락으로 인한 것입니다¹.

PV 패널 및 인버터의 가격이 하강하자 BOS 부품에 세간의 이목을 집중되었습니다. IRENA에 따르면 BOS는 PV 설치 비용에서 차지하는 비율이 2007년 58%에서 2017년 80%로 증가하고 있습니다(그림 1). 이와 동시에, 배전 버스를 1kV_DC 이상으로 증가시켜 시스템 효율성 및 안전과 관련하여 BOS 부품의 중요성을 높였습니다. 앞으로 BOS 부품은 그리드 스케일 PV 시스템의 안전 및 효율성 증가를 포함하여 비용 절감 및 작동 개선을 추진하는 데 점점 더 중요해질 것입니다.

1: 설치 비용에서 PV 패널이 차지하는 비용 비율이 감소하면서 PV 시스템에서 BOS의 중요성이 증가하고 있습니다. (이미지 출처: Panduit)

케이블 관리는 그리드 스케일 PV 시스템에서 BOS의 주요 측면입니다. 이는 안전, 비용, 효율성에 큰 영향을 줍니다. 케이블 클리트는 최적화된 케이블 관리의 이점을 보여주는 좋은 예입니다. 케이블 클리트는 전력 케이블에 대한 단락 보호를 제공합니다. 적절한 보호가 없을 경우 단락 중 고전류가 발생하면 컨덕터가 뜨거워져 화재 또는 폭발의 가능성이 있을 수 있습니다. 단락 전류는 또한 배전 케이블링에 큰 전기 기계적 부담을 유발합니다.

최대한의 안전을 위해 케이블 클리트는 IEC 61914:2015의 요구 사항을 충족해야 합니다. 단락 이벤트가 발생하면 약 5ms(밀리초) 뒤에 최대 전기 기계적 부담이 발생합니다. 이는 회로 차단기와 같은 회로 보호 장치가 반응하는 데 필요한 60ms ~ 100ms보다 훨씬 이전입니다. IEC 61914:2015는 케이블 클리트(케이블 클램프라고도 함)에 대해 100ms 동안의 단락 테스트를 지정합니다. Panduit는 케이블 클리트를 설계할 때 시뮬레이션 소프트웨어를 사용한 다음 IEC 61914:2015(그림 2)를 준수하는지 확인하기 위해 라이브 단락 오류를 적용합니다.

그림 2: 단락의 초기 단계에서 케이블의 전자기력에 대한 ANSYS 소프트웨어 시뮬레이션. (이미지 출처: Panduit)

IEC 61914:2015는 단락 보호 그 이상입니다. 여기에는 다음에 대한 조항이 포함됩니다.

• 정격 온도:
• 불꽃 전파에 대한 내성
• 내부식성
• 축방향 부하 테스트
• 횡방향 부하 테스
• 내충격성
• 내 UV성

Panduit의 Trefoil 케이블 클리트는 해양 등급 스테인리스강이라고도 하는 316L 스테인리스강을 사용하여 만들어지며 지름이 20mm ~ 69mm인 케이블을 수용하는 모델이 있습니다. 예를 들어, 모델 CCSSTR6269-X는 62mm ~ 69mm의 케이블 지름을 처리할 수 있습니다. 이 케이블 클리트는 Panduit 실장 브래킷을 사용하여 케이블을 배선한 후 또는 M8 볼트를 사용하여 고정 구멍을 통해 케이블 트레이 가로대에 직접 클리트를 설치하여 케이블을 배선하기 전에 설치할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 위에 표시된 대로, Panduit의 Trefoil 케이블 클리트는 실장 브라켓을 사용하여 설치할 수 있습니다. (이미지 출처: Panduit)

단락 중에 경험할 수 있는 전기 기계력의 복잡성과 IEC 61914:2015의 엄격한 성능 요구 사항이 결합되어 필요한 케이블 클램프를 식별하는 것은 부담스러운 수학적 연습이 됩니다. Panduit는 선택 과정을 빠르게 진행할 수 있도록 60개 Panduit 케이블 클리트 제품에서 IEC 61914:2015 단락 솔루션을 권장하는 Cable Cleat kAlculator 앱을 제공합니다. kAlculator 앱을 사용하면 다음과 같은 간단한 3단계 과정을 통해 케이블 클램프 선택을 줄일 수 있습니다.

1. 케이블 레이아웃을 선택합니다.
2. 케이블 지름을 입력합니다.
3. 피크 단락 전류를 입력합니다.

앱에서 부품 및 간격 권장 사항이 제공됩니다.

전력 및 접지

전력 및 접지 케이블을 위한 케이블 클램프에 더해, 유틸리티 규모 PV 설치에는 전력 및 접지 연결이 필요합니다. 구리 압축 러그 커넥터는 효율적인 연결을 제공할 수 있으며 Panduit는 Telcordia Technologies가 실시한 테스트에서와 같이 네트워크 장비 구축 시스템(NEBS) 레벨 3 요구 사항을 충족하는 유일한 구리 압축 러그를 제공합니다. NEBS 레벨 3을 충족하면 Pan-Lug 압축 커넥터가 장비의 수명에 걸쳐 최소한의 서비스 중단을 요구하는 응용 분야(예: 유틸리티 규모 PV)에서 신뢰할 수 있는 성능을 제공할 수 있음을 보장할 수 있습니다.

유틸리티 규모 PV 설치 설계자는 연성, 초연성, 연선 구리 컨덕터와 함께 사용하여 효율적이고 신뢰할 수 있는 전력 및 접지 연결을 제공할 수 있는 Panduit의 유연 컨덕터, 2-구멍, 표준 배럴 커넥터로 전환할 수 있습니다. 예를 들어, 모델 LCDX1/0-14B-X는 #1AWG 크기 케이블과 함께 사용하도록 정격화되었으며 0.75in 간격으로 두 개의 0.25in 스터드 구멍이 있습니다(그림 4). 모든 Pan-Lug 압축 커넥터의 일반적인 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 35kV 및 최대 +90°C의 정격 온도에 대해 UL 등재 및 CSA 인증 획득
• 컨덕터의 쉬운 삽입을 위해 내부적으로 경사진 배럴 종단
• 완전한 삽입을 확인할 수 있는 검사창
• 99.9% 순수 구리 본체, 부식을 방지하기 위한 주석 도금

그림 4: 이와 같은 압축 러그는 유틸리티 규 PV 시스템의 전력 및 접지 연결을 위해 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Panduit)

클립 및 타이

전력 케이블링 이외에, 유틸리티 규모 PV 설치에는 제어 및 모니터링 기능을 위한 수 마일의 배선이 포함될 수 있습니다. 제대로 지정 및 설치되지 않을 경우 케이블 관리에 사용되는 케이블 클립 및 타이는 시스템 신뢰성을 줄이고 설치 및 작동 비용을 증가시킬 수 있습니다. 범용 케이블 클립은 햇빛 및 실외 날씨 환경에 장기적으로 노출되도록 설계되지 않았습니다. PV 설치에 사용될 경우 범용 내비자외선(UV) 플라스틱 클립 및 타이는 부서지기 쉬운 상태가 되어 정기적 교체가 필요할 수 있습니다. 또한, 염분에 노출되면 금속 클립이 부식되어 PV 패널의 아연 도금 에지에 손상이 발생할 수 있습니다. 두 경우 모두 유지 보수 비용이 크게 증가하고 신뢰성이 저하될 수 있습니다.

범용 클립 및 타이를 사용하는 대신 PV 시스템 설계자는 Panduit의 모델 CMSA12-2S-C300 같은 에지 클립 케이블 타이로 전환할 수 있습니다. 이 모델은 열 안정화 내후성 나일론 6.6 및 아연 도금 금속 클립으로 구성되었으며 실외 PV 설치를 위한 61215 표준에 따라 테스트되었습니다(그림 5) 추가 특징에는 다음이 포함됩니다.

• UL94V-2 난연성 등급.
• -60°C ~ +115°C에서의 연속 작동을 위한 정격.
• 범주 R22:HL3 및 R23:HL3 기준에 따른 EN45545-2 방화 요구 사항 충족.
• 7년 ~9년의 UV 내후성 기대 수명.

그림 5: 이 에지 클립 케이블 타이는 내후성 나일론 6.6 및 아연 도금 클립을 사용하여 열악한 실외 환경에서 높은 신뢰성을 보장합니다. (이미지: Panduit)

이러한 에지 클립 케이블 타이는 접착제 또는 드릴 작업 없이 배선 번들을 고정합니다. 이 소자는 모델에 따라 0.7mm ~ 3mm 두께의 패널 에지에 실장할 수 있는 케이블 타이 및 클립과 사전 조립되어 있습니다. 금속 클립은 안정적인 유지를 제공하며 필요한 공구 없이 수동으로 설치할 수 있습니다.

이는 빠른 설치를 위해 설계되었습니다. 설치하는 데 약 21초가 걸리는 기존의 케이블 타이와 비교할 때 이 에지 클립은 11초 내에 설립할 수 있어 클립당 10초를 줄일 수 있습니다. 이러한 시간이 합산되어, MW당 2,900개 PV 패널, 패널당 3개의 클립이 있는 일반적인 유틸리티 규모 PV 설치의 경우 24.17시간 또는 47%의 인력을 절약할 수 있습니다(기존의 케이블 타이를 설치하는 데 걸리는 50.75시간과 Panduit 태양광 케이블 에지 클립을 설치하는 데 걸리는 26.58시간 비교)(그림 6).

그림 6: 태양광 케이블 클립을 사용하면 설치 시간을 47% 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Panduit)

그리드 스케일 PV 정비

특히 배전 케이블 정비 시 그리드 스케일 PV 설치를 정비할 경우 위험 전압의 부재를 확인하기 위해 안전 규정에 따라 전압 확인 테스트가 필요합니다. 예를 들어, NFPA(미국 화재 예방 협회) 규정 NFPA-70E는 유지 보수 작업자가 캐비닛 내부에서 작업을 수행하기 전에 장비 캐비닛 내부에 고전압이 없는지 확인하도록 요구합니다. 핸드헬드 휴대용 테스트 기기를 사용하는 전압 부재(AVT) 테스트는 복잡하고, 부정확성의 가능성이 높으며, 시간이 많이 소요됩니다. Panduit의 VeriSafe AVT는 도어를 개방하기 전에 장비 캐비닛의 내부에 위험 전압이 있는지 테스트하는 자동화 솔루션을 제공합니다. 자동화 테스트 솔루션 사용으로 제공되는 여러 이점에는 다음이 포함됩니다.

• 신뢰성을 통해 안전 향상 및 위험 감소.
• 단순성을 통해 생산성 증가 및 안전 규정 준수 보장.
• 유연성을 통해 구현 개선.

VeriSafe AVT(예: 모델 VS-AVT-C02-L03)는 인클로저 내부에 실장되고 중복 센서 리드를 고전압 영역과 중성 및 접지 회선으로 연결하는 분리 모듈을 포함하는 여러 소자로 구성됩니다. 이 분리 모듈은 인클로저 도어가 닫혀 있을 때 볼 수 있는 배터리 구동식 표시기 모듈과 두 모듈을 연결하는 케이블에 안전하게 연결됩니다(그림 7).

그림 7: AVT 시스템은 시스템 케이블(왼쪽), 표시기 모듈(중간), 센서 리드를 포함한 분리 모듈(오른쪽)으로 구성됩니다. (이미지 출처: Panduit)

VeriSafe AVT 시스템을 사용하여 테스트를 시작할 경우 표시기 모듈의 테스트 버튼을 누르면 시스템에서 자체 진단이 수행됩니다. 빨간색 LED 및 테스트 정지는 자체 진단의 실패를 나타냅니다. 자체 진단을 통과하면 분리 모듈이 전압 및 접지 오류를 테스트합니다. 마지막 단계는 AVT가 두 번째 자가 진단을 수행하는 것입니다. 두 번째 자가 진단을 통과하고 전압이 없는 경우에만 AVT는 작업자가 캐비닛을 열고 시스템에서 작업하는 것이 안전하다고 표시합니다.

요약

BOS 부품은 유틸리티 규모 PV 설치의 비용에서 점점 더 많은 비율을 차지하고 있습니다. 케이블 관리는 BOS 설계의 중요 측면이며 최적화된 케이블 클램프, 전력 및 접지 러그, 에지 클립 케이블 타이 선택은 이러한 설치의 작동과 안전을 크게 개선할 수 있습니다. 전압 부재에 대한 자동화 진단을 추가하면 계속적인 유지 보수 활동을 지원하여 안전을 향상시키고 작동 비용을 줄일 수 있습니다.

참고 자료:

1. Renewable Power Generation Costs in 2019, International Renewable Energy Agency