DC SPD의 의미 이해: MOV 대 GDT 보호 기술 2025

DC SPD 의미: 직류 시스템용 서지 보호 장치인 DC SPD는 파괴적인 전압 과도 현상으로부터 태양광 발전 설비를 보호하는 중요한 안전 장비를 의미합니다. SPD의 정의, 작동 방식 및 내부의 주요 기술을 이해하면 시스템 설계자와 설치자가 안정적인 태양광 작동을 위해 적절한 보호 장치를 선택하는 데 도움이 됩니다. 이 포괄적인 가이드는 기본 작동 원리부터 고급 구성 요소 기술까지 DC SPD의 기본 사항을 설명합니다.

“SPD”라는 용어는 전기 코드 및 장비 사양 전반에 걸쳐 나타나지만 많은 설치자는 일반적인 “낙뢰 보호” 설명을 넘어 이러한 장치가 실제로 수행하는 작업을 파악하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 적절한 SPD를 선택하려면 기본 기술, 특히 대부분의 태양열 서지 보호기의 기초를 형성하는 금속 산화물 배리스터(MOV)와 가스 방전관(GDT) 보호 요소의 차이점을 이해해야 합니다.

DC SPD의 의미는 무엇인가요?

서지 보호 장치 정의

SPD는 과도 과전압을 제한하고 보호 장비에서 서지 전류를 차단하도록 설계된 서지 보호 장치 장비의 표준화된 약어입니다. SPD는 이전에는 서지 억제기, 과도 전압 서지 억제기(TVSS), 2차 서지 피뢰기 등 다양한 이름으로 사용되었습니다. 전기 업계는 혼동을 없애고 다양한 표준 및 제조업체에서 일관된 용어를 제공하기 위해 “SPD”로 표준화했습니다.

IEC(국제 전기 기술 위원회)는 저전압 AC 전원 시스템, 통신 회로 및 태양광 설비를 포함한 다양한 애플리케이션을 다루는 IEC 61643 시리즈 표준에서 SPD를 공식적으로 정의합니다. IEC 61643-31은 태양광 시스템 SPD를 구체적으로 다루며 태양광 애플리케이션에 사용되는 DC 서지 보호 장치에 대한 성능 요구 사항 및 테스트 방법을 설정합니다.

미국에서는 Underwriters Laboratories 표준 UL 1449가 태양 광 발전 시스템을 포함한 AC 및 DC 전원 회로용 SPD를 다룹니다. 이 표준은 SPD가 UL 인증을 받기 위해 충족해야 하는 안전 및 성능 요구 사항을 설정합니다. NEC 285조는 일반 전기 시스템에서 SPD에 대한 설치 요구 사항을 제공하며, 690.35조는 태양광 시스템에 대한 서지 보호 요구 사항을 구체적으로 다룹니다.

DC SPD가 AC 보호와 다른 이유

DC 서지 보호는 전류 동작의 근본적인 차이로 인해 AC 애플리케이션에 비해 고유한 과제에 직면해 있습니다. 교류는 전기 사이클당 두 번(60Hz 시스템에서는 초당 120회) 자연스럽게 제로 전압을 교차합니다. 이러한 제로 크로싱은 보호 장치의 아크를 자연스럽게 소멸시키므로 짧은 무전류 기간 동안에만 전류를 차단하면 되는 구성 요소를 사용하면 AC 서지 보호가 비교적 간단해집니다.

직류는 제로 크로싱 없이 일정한 극성을 유지하므로 서지 발생 시 보호 장치가 작동할 때 지속적인 아크를 생성합니다. 이러한 DC 아크는 자연적으로 소멸되지 않으며 보호 장치가 전류 흐름을 능동적으로 차단할 수 없는 경우 무기한 지속될 수 있습니다. DC SPD는 AC 장치에는 필요하지 않은 향상된 아크 소멸 메커니즘을 통합해야 하므로 DC 정격 SPD는 동등한 AC 보호보다 더 복잡하고 일반적으로 더 비쌉니다.

태양광 발전 시스템은 일반적으로 600V~1500V에 이르는 DC 전압에서 작동하며, 이는 일반적인 120/240V AC 주거용 시스템보다 훨씬 높은 전압입니다. 전압이 높을수록 더 강한 아크가 생성되므로 그에 비례하여 더 큰 억제 기능이 필요합니다. 1000V DC SPD는 240V AC 장치보다 훨씬 더 가혹한 작동 조건에 직면하므로 많은 서지 이벤트에서 장비를 안정적으로 보호하기 위해 특수 설계 및 재료가 필요합니다.

💡 주요 인사이트: DC 태양광 애플리케이션에 AC 정격 SPD를 사용하지 마세요. DC 서비스에 필요한 아크 소멸 기능이 부족하고 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. 태양광 시스템에 설치하기 전에 항상 SPD 라벨에 명시된 DC 전압 정격을 확인하세요.

SPD가 장비를 보호하는 방법

전압 클램핑 원리

SPD는 서지 발생 시 보호 장비 전체에 나타나는 제한 전압을 클램핑하여 보호합니다. 정상적인 작동 조건에서 SPD는 본질적으로 개방 회로로 나타나는 매우 높은 임피던스를 나타냅니다. 전압이 SPD의 임계값 수준을 초과하면 장치는 낮은 임피던스로 빠르게 전환하여 단자의 전압을 클램핑 전압 수준으로 유지하면서 서지 전류를 접지로 전도합니다.

이 전압 클램핑은 과도한 전압이 보호 장비에 도달하는 것을 방지합니다. 인버터가 절연 파괴 전에 2000V를 견딜 수 있지만 번개 서지가 10,000V에 도달하면 SPD는 전압을 2000V 미만으로 클램핑해야합니다. 적절한 정격 SPD는 정상 조건에서 잘못된 활성화를 방지하기 위해 정상 작동 전압보다 충분히 높은 상태를 유지하면서 장비 한계보다 편안하게 낮은 1500V에서 클램핑 할 수 있습니다.

정상 작동 전압, SPD 클램핑 전압 및 장비 절연 전압 간의 관계에 따라 보호 효과가 결정됩니다. 이상적인 SPD는 정상 작동 전압 바로 위에 클램핑하면서 장비 내전압보다 훨씬 낮은 전압을 유지합니다. 그러나 물리학은 SPD가 얼마나 단단히 클램핑 할 수 있는지 제한합니다. 낮은 클램핑 전압은 더 정교한 (값 비싼) 기술을 필요로하고 SPD 에너지 처리 능력을 감소시킵니다.

SPD 응답 시간은 보호 품질에 중대한 영향을 미칩니다. 낙뢰 서지 전압은 매우 빠르게 상승하며, 종종 마이크로초 단위로 피크 전압에 도달합니다. SPD가 느리게 응답하면 SPD가 완전히 전도되기 전에 전압이 최종 클램핑 전압보다 상당히 높아질 수 있습니다. 빠르게 응답하는 SPD는 이 전압 오버슈트를 제한하여 결국 동일한 정상 상태 전압에서 클램핑되는 경우에도 느린 장치보다 더 나은 장비 보호 기능을 제공합니다.

현재 전환 경로

서지 중에 SPD가 활성화되면 서지 전류는 대체 경로를 통해 보호 장비에서 접지로 전환됩니다. 서지 전류는 보호 장비를 통해 계속 흐르지 않고 들어오는 도체에서 SPD를 통해 접지 전극 시스템으로 흐릅니다. 이러한 전류 전환은 장비에 도달하는 서지 에너지를 잠재적으로 파괴적인 수준에서 장비 내구성 내에서 안전한 수준으로 감소시킵니다.

효과적인 전류 전환을 위해서는 저임피던스 접지 연결이 필요합니다. SPD는 접지 경로가 보호 장비를 통과하는 경로보다 낮은 임피던스를 제공하는 경우에만 전류를 전환할 수 있습니다. 길거나 코일 또는 크기가 작은 접지 도체는 SPD 작동에도 불구하고 장비를 통해 일부 서지 전류를 강제로 통과시켜 SPD 효과를 감소시키는 임피던스를 도입합니다. 적절한 SPD 설치는 적절한 크기의 도체를 사용하여 가능한 가장 짧은 접지 연결을 요구합니다.

SPD는 전압을 클램핑하는 동시에 모든 전환된 서지 전류를 손상 없이 처리해야 합니다. 저전압을 유지하면서 고전류를 처리하는 이 이중 요구 사항은 SPD 설계의 근본적인 엔지니어링 과제를 나타냅니다. 다양한 보호 기술은 서로 다른 메커니즘을 통해 이러한 균형을 달성하며, 태양광 애플리케이션에서 가장 일반적인 접근 방식인 MOV 및 GDT가 대표적입니다.

금속 산화물 배리스터(MOV) 기술

MOV 구축 및 운영

금속 산화물 배리스터는 성능, 신뢰성 및 비용의 탁월한 균형으로 인해 대부분의 태양광 DC SPD의 핵심을 형성합니다. MOV는 전압에 따른 저항을 생성하는 수많은 미세한 입자 경계를 포함하는 소결 산화 아연 세라믹 재료로 구성됩니다. 정상 전압 조건에서 MOV 입자 경계는 전류 흐름을 차단하는 높은 저항을 나타냅니다. 전압이 MOV의 임계값을 초과하면 입자 경계가 파괴되어 전류가 전도됩니다.

전압에 따라 달라지는 저항 특성을 나타내는 ”배리스터'와 가변 저항을 나타내는 ”가변 저항'을 결합한 “배리스터'라는 이름이 MOV의 특징입니다. MOV 저항은 전압이 임계값 이상으로 증가하면 급격히 감소하여 서지 시 전압을 제한하는 클램핑 동작을 일으킵니다. 이 동작은 외부 제어 회로나 트리거링 메커니즘 없이 산화아연 입자 경계의 반도체 특성을 통해 자연적으로 발생합니다.

MOV 제작에는 산화아연 분말과 소량의 비스무트, 코발트, 망간 및 기타 금속 산화물을 혼합한 다음 고온에서 혼합물을 압축하고 소결하는 과정이 포함됩니다. 소결 공정은 재료를 원하는 전기적 특성을 가진 고체 세라믹 디스크로 융합합니다. 디스크 표면의 금속 전극은 연결 지점을 제공하며, 환경 보호와 단열을 위해 전체 어셈블리를 에폭시로 코팅하거나 세라믹 케이스에 보관하는 경우가 많습니다.

MOV 전압 정격은 디스크 두께와 산화아연 제형에 따라 달라집니다. 디스크가 두꺼울수록 더 많은 입자 경계가 직렬로 존재하므로 더 높은 전압을 견딜 수 있습니다. 에너지 처리 용량은 디스크 직경과 관련이 있습니다. 직경이 클수록 더 많은 열을 방출하고 고장 전에 더 많은 서지 에너지를 처리합니다. 태양광 DC SPD는 일반적으로 600V ~ 1500V 정격에서 적절한 에너지 처리를 위해 직경 25mm ~ 40mm의 MOV 디스크를 사용합니다.

🎯 프로 팁: 온도 상승에 따라 온도 클램핑 전압이 감소하는 MOV 전압 정격 드리프트. 이 열 계수는 뜨거울 때 MOV가 더 단단히 클램핑되어 보호에 도움이 될 수 있지만 더운 환경에서 서지 이벤트가 반복되는 동안 MOV 자체에 대한 스트레스가 증가한다는 것을 의미합니다.

MOV의 장점과 한계

MOV는 태양광 애플리케이션에 널리 사용되는 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다. 일반적으로 나노초 이내에 활성화되는 빠른 응답 시간으로 빠르게 상승하는 과도 번개에 대한 탁월한 보호 기능을 제공합니다. MOV는 대부분의 태양광 서지 보호 요구 사항에 적합한 중간에서 높은 에너지 수준을 처리합니다. 이 기술은 수십 년 동안 서지 보호 애플리케이션에 널리 사용되면서 비용 효율적이고 신뢰할 수 있으며 잘 이해되고 있음을 입증했습니다.

MOV 클램핑 전압은 광범위한 서지 전류 범위에서 비교적 안정적으로 유지됩니다. 전류에 따라 클램핑 전압이 크게 증가하는 일부 보호 기술과 달리, MOV는 정격 전류 범위 전체에서 상당히 일관된 클램핑을 유지합니다. 이러한 예측 가능한 동작은 보호 조정을 간소화하고 장비 보호 사양을 확신할 수 있게 해줍니다.

그러나 MOV는 반복적인 서지 이벤트에 노출되거나 정격 전압 근처에서 장시간 작동하면 점진적인 성능 저하를 겪습니다. 서지가 발생할 때마다 산화아연 구조가 약간 손상되어 MOV의 전압 임계값이 점진적으로 감소합니다. 서지가 여러 번 발생하면 MOV는 정상 작동 전압에서 전도되기 시작하여 열을 발생시키고 결국 치명적인 고장을 일으키는 지속적인 전류를 끌어들일 수 있습니다. 이러한 성능 저하로 인해 서지 노출 이력에 따라 MOV 서비스 수명을 다소 예측할 수 없게 됩니다.

MOV 추종 전류는 DC 애플리케이션의 또 다른 제한 사항입니다. MOV가 서지 중에 클램핑되면 순간적으로 높은 전류를 전도합니다. AC 시스템에서는 AC 전류의 정상적인 제로 크로싱이 이 흐름을 자연스럽게 소멸시킵니다. 제로 크로싱이 없는 DC 시스템에서는 시스템이 충분한 전류를 공급할 수 있는 경우 서지가 지나간 후에도 MOV가 계속 전도될 수 있습니다. 고품질 DC SPD는 직렬 차단기 또는 MOV를 관리하는 전류 제한 요소를 통합하여 전류를 추적하지만 이러한 추가 사항은 비용과 복잡성을 증가시킵니다.

가스 방전관(GDT) 기술

GDT 구축 및 운영

가스 방전관은 밀폐된 가스의 이온화를 사용하여 서지 전류를 전도하는 대체 서지 보호 기술을 제공합니다. GDT는 불활성 가스(일반적으로 아르곤 또는 희귀 가스 혼합물)로 채워진 세라믹 또는 유리 튜브 내부에 작은 간격으로 분리된 두 개 또는 세 개의 전극으로 구성됩니다. 정상 전압에서 가스는 비전도성 상태를 유지하며 GDT는 무한대에 가까운 매우 높은 임피던스를 나타냅니다.

GDT 전극의 전압이 가스 이온화 임계값을 초과하면 가스가 분해되어 전도성 플라즈마가 됩니다. 이 이온화된 가스는 완전히 이온화된 경우 일반적으로 1옴 미만의 매우 낮은 저항으로 전극 간에 서지 전류를 전도합니다. 저항이 낮기 때문에 GDT는 전압 강하를 최소화하면서 매우 높은 전류를 처리할 수 있으므로 고에너지 서지 보호 애플리케이션에 탁월합니다.

서지 전류가 중단된 후 이온화된 가스는 빠르게 재결합하여 비전도성 상태로 돌아갑니다. 이러한 자가 복구 특성은 서지 발생 후 손상이 발생하지 않는 한 교체할 필요 없이 GDT가 자동으로 보호 모드로 돌아간다는 것을 의미합니다. AC 시스템에서 빠른 탈이온화는 전류 제로 크로싱에서 자연적으로 발생합니다. DC 시스템에서는 서지 전류가 가스의 최소 유지 전류 수준 이하로 떨어지면 방전이 자체 소멸되어야 합니다.

GDT 전압 정격은 전극 간격과 가스 구성에 따라 달라집니다. 간격이 넓고 압력이 낮은 가스는 항복 전압을 증가시키고, 간격이 좁고 압력이 높으면 항복 전압이 감소합니다. 태양광 DC SPD는 일반적으로 3개의 전극이 2개의 직렬 방전 간격을 만드는 다중 갭 GDT를 사용하여 소형 패키지에서 더 높은 전압 등급을 허용합니다. 이러한 설계는 일반적으로 태양광 애플리케이션에 적합한 600V~1500V DC 정격을 달성합니다.

GDT의 장점과 한계

GDT는 매우 높은 서지 전류를 처리하는 데 탁월하며 비슷한 크기의 MOV보다 훨씬 더 많은 전류를 처리합니다. 서지 시 전도 전압 강하가 낮기 때문에 보호 장치에서 에너지 손실이 적고 그에 따라 에너지 처리 능력도 높습니다. 또한 GDT는 서지 노출로 인한 성능 저하를 최소화하여 번개 노출이 많은 환경에서도 긴 서비스 수명 동안 일관된 성능을 제공합니다.

GDT의 매우 높은 정상 상태 임피던스는 보호 회로에 본질적으로 제로 부하를 발생시킵니다. 노화에 따라 누설 전류가 증가하는 작은 누설 전류를 나타내는 MOV와 달리 비전도성 GDT에는 누설 전류가 흐르지 않습니다. 이러한 제로 누설 특성은 마이크로암페어 누설 전류로도 문제가 발생하는 일부 특수 애플리케이션에서 유용합니다.

그러나 GDT는 태양광 SPD 애플리케이션에 영향을 미치는 몇 가지 중요한 제한 사항이 있습니다. MOV에 비해 응답 시간이 느리기 때문에(일반적으로 나노초가 아닌 마이크로초) GDT 이온화가 발생하기 전에 전압이 크게 상승할 수 있습니다. 이러한 전압 오버슈트는 최종적인 GDT 작동에도 불구하고 장비 내구성 한계를 초과할 수 있습니다. 빠르게 상승하는 과도 번개는 느린 GDT가 완전히 활성화되기 전에 장비를 손상시킬 수 있습니다.

GDT 전압 특성은 MOV보다 예측하기 어렵습니다. 항복 전압은 온도, 인가 전압 상승률, 심지어 이전의 서지 이력에 따라 달라집니다. 허용 오차 범위가 넓다는 것은 동일한 제조 배치의 GDT가 ±20% 이상 다양한 전압에서 이온화될 수 있음을 의미합니다. 이러한 변동성은 정밀한 보호 조정을 복잡하게 만들고 엄격한 전압 클램핑을 안정적으로 달성하기 어렵게 만듭니다.

하이브리드 SPD 설계

MOV와 GDT 기술의 결합

많은 프리미엄 태양광 DC SPD는 각 기술의 장점을 활용하면서 각각의 한계를 완화하기 위해 MOV와 GDT를 결합한 하이브리드 설계를 사용합니다. 일반적인 하이브리드 구성은 신중한 구성 요소 선택과 추가 제어 요소를 통해 작동을 조정하는 직렬 또는 병렬 배열로 MOV와 GDT를 배치합니다.

직렬 하이브리드 설계는 GDT를 MOV와 직렬로 배치합니다. MOV는 빠른 초기 응답 클램핑 전압을 신속하게 제공하는 반면, GDT는 이온화 후 지속적인 고전류를 처리합니다. 이 배열은 즉각적인 응답이 필요한 빠르게 상승하는 과도 전류와 MOV 용량을 초과하는 고에너지 서지 모두에 대해 보호합니다. 시리즈 설계는 MOV 에너지 한계를 초과하기 전에 GDT가 이온화되도록 신중한 조정이 필요합니다.

병렬 하이브리드 설계는 전류 제한 저항 또는 인덕터가 소자 간의 상호 작용을 관리하는 동일한 라인-접지 경로를 통해 MOV와 GDT를 연결합니다. 빠른 MOV 응답으로 초기 과도 전압 상승을 처리한 다음, 낮은 전도 저항으로 인해 GDT가 이온화되어 대부분의 서지 전류를 전달합니다. 이 구성은 높은 전류 처리로 빠른 응답을 제공하지만, 적절한 조정을 위해서는 부품 충돌을 방지하는 정교한 설계가 필요합니다.

⚠️ 중요: 하이브리드 SPD 설계에는 구성 요소 특성을 균형 있게 조정하는 전문 엔지니어링이 필요합니다. 부적절하게 조정 된 하이브리드 설계는 서지 이벤트 중에 구성 요소가 서로 싸우는 경우 단일 기술 SPD보다 성능이 저하 될 수 있습니다. 적절한 조정을 입증하는 테스트 데이터를 제공하는 평판이 좋은 제조업체의 하이브리드 SPD를 지정하세요.

실리콘 애벌랜치 다이오드(SAD)

실리콘 애벌런치 다이오드 기술은 민감한 전자 제품 보호 및 특수 태양광 SPD 설계에서 응용 분야를 찾는 세 번째 보호 접근 방식입니다. SAD는 정밀한 전압에서 애벌런치 고장을 일으키는 고도로 도핑된 실리콘 PN 접합을 사용하여 매우 엄격한 전압 클램핑과 피코초 단위로 측정되는 초고속 응답을 제공합니다.

SAD는 모든 보호 기술 중 가장 엄격한 클램핑 전압 허용 오차(일반적으로 ±10-20%에 비해 MOV의 경우 ±5%, GDT의 경우 더 넓음)를 비롯한 여러 가지 이점을 제공합니다. 이러한 정밀도 덕분에 보호 시스템이 장비 전압 제한에 더 가깝게 작동하여 효율성을 극대화할 수 있습니다. 초고속 응답은 전압 오버슈트 없이 가장 빠르게 상승하는 과도 상태에서도 보호합니다. 또한 SAD는 수백만 번의 작동에도 서지 노출로 인한 성능 저하 없이 탁월한 안정성을 입증합니다.

그러나 개별 SAD 디바이스는 태양광 시스템과 같은 고전압, 고에너지 애플리케이션에 직병렬 어레이가 필요한 상대적으로 낮은 에너지를 처리합니다. 이러한 어레이는 비용과 복잡성을 크게 증가시킵니다. SAD는 MOV 또는 GDT 1차 보호 단계의 다운스트림에서 민감한 회로를 보호하는 하이브리드 설계에서 가장 잘 작동합니다. 최종 단계 SAD 보호는 업스트림 보호가 서지 에너지를 SAD가 처리할 수 있는 수준으로 줄인 후 섬세한 전자 장치를 위한 엄격한 전압 클램핑을 제공합니다.

주요 SPD 성능 매개변수

최대 연속 작동 전압(MCOV)

최대 연속 작동 전압은 SPD가 성능 저하 또는 잘못된 활성화없이 지속적으로 견딜 수있는 최고 전압을 나타냅니다. MCOV는 온도 효과, 계통 전압 변동 및 시스템 작동 상태의 변화를 포함한 모든 정상 작동 조건에서 SPD에 나타나는 최대 전압을 초과해야합니다. MCOV 정격 이상으로 SPD를 지속적으로 작동하면 열 스트레스 또는 부품 성능 저하로 인해 조기 고장이 발생합니다.

태양광 DC 애플리케이션의 경우 MCOV는 조도 및 온도에 따라 달라지는 어레이 최대 전력점 전압을 고려해야 합니다. 맑은 날에는 어레이가 정격 MPP 전압 근처에서 작동하는 반면, 흐린 날에는 인버터가 최대 전력을 얻기 위해 더 높은 전압에서 작동할 수 있습니다. SPD MCOV는 이러한 작동 전압을 적절한 마진(일반적으로 최소 10-20%)으로 초과하여 잘못된 활성화 없이 안정적인 작동을 보장해야 합니다.

온도는 다양한 SPD 기술에 따라 MCOV 정격에 다르게 영향을 미칩니다. MOV 전압 정격은 고온에서 약간 감소하는 반면, GDT 항복 전압은 일반적으로 온도에 따라 증가합니다. 품질 SPD 사양은 단일 임의 테스트 온도가 아닌 전체 작동 온도 범위에서 MCOV 등급을 제공합니다. 표준 25°C뿐만 아니라 예상되는 최고 작동 온도에서 SPD MCOV가 시스템 전압을 초과하는지 확인합니다.

전압 보호 등급(VPR) / 클램핑 전압

전압 보호 정격(클램핑 전압이라고도 함)은 서지 발생 시 SPD 및 보호 장비에 나타나는 최대 전압을 나타냅니다. VPR 값이 낮을수록 전압을 더 안전한 수준으로 제한하여 장비를 더 잘 보호할 수 있습니다. 그러나 합법적인 스위칭 이벤트로 인한 전압 과도 현상을 포함하여 정상 작동 중에 잘못된 SPD 활성화를 방지하려면 VPR이 MCOV보다 충분히 높게 유지되어야 합니다.

SPD 제조업체는 일반적으로 특정 테스트 전류(일반적으로 주거용 장치의 경우 10kA, 상업용 애플리케이션의 경우 20kA)에서 VPR을 지정합니다. 클램핑 전압은 서지 전류에 따라 다소 증가하므로 테스트 전류가 높을수록 VPR 사양이 높아집니다. SPD를 비교할 때는 동일한 테스트 전류 방법론을 사용하여 VPR 비교를 수행해야 합니다. 10kA에서 1500V VPR을 나타내는 장치는 20kA에서 1700V를 나타낼 수 있습니다.

장비 내전압, SPD 클램핑 전압 및 리드 인덕턴스로 인한 전압 상승 간의 관계는 전반적인 보호 효과를 결정합니다. 장비가 2000V를 견디고 SPD가 1500V에서 클램핑되지만 리드 인덕턴스가 600V 오버 슈트를 추가하면 기술적으로 적절한 SPD 클램핑에도 불구하고 유효 장비 노출은 내성 능력을 초과하는 2100V에 도달합니다. 최소한의 리드 길이로 적절한 SPD 설치는 SPD VPR 사양만큼 중요한 것으로 입증되었습니다.

공칭 방전 전류(In) 및 최대 방전 전류(Imax)

공칭 방전 전류(In)는 SPD가 손상 없이 반복적으로 처리하는 서지 전류 수준을 나타냅니다. SPD는 In 수준의 서지 전류로 여러 번(일반적으로 15~20회) 테스트를 거쳐 성능 저하나 고장 없이 생존하는지 확인합니다. In은 서비스 수명 동안 예상되는 정상적인 서지 노출에 대한 SPD 견고성을 현실적으로 표시합니다.

최대 방전 전류 (Imax)는 SPD가 치명적인 고장없이 생존 할 수있는 가장 높은 단일 서지 전류를 나타냅니다. 이 등급은 SPD의 수명에 한 번만 발생할 수 있는 인근 낙뢰와 같은 최악의 서지 이벤트에 적용됩니다. Imax는 일반적으로 반복되는 중간 정도의 서지와 단일 극한 이벤트의 차이를 반영하여 SPD 설계 및 기술에 따라 2-5 배만큼 In을 초과합니다.

태양광 애플리케이션의 경우, 예상 서지 노출 주파수에 적합한 In 등급과 낙뢰 지역 고려 사항에 적합한 Imax를 가진 SPD를 선택하십시오. 중간 정도의 낙뢰 노출 지역에서는 20kA In / 40kA Imax 등급의 SPD를 사용할 수 있으며, 고노출 지역에서는 40kA In / 80-100kA Imax 사양의 이점을 누릴 수 있습니다. 등급이 높을수록 비용은 더 많이 들지만 열악한 환경에서 필요한 보호 마진을 제공합니다.

🎯 프로 팁: SPD 전류 정격과 과전류 보호 장치 정격을 혼동하지 마세요. 20kA SPD는 연속 또는 단락 전류가 아닌 서지 전류 처리를 의미합니다. SPD 회로에는 여전히 퓨즈 또는 차단기(일반적으로 15~20A)가 필요하므로 SPD가 단락되는 경우 지속적인 결함으로부터 보호할 수 있습니다.

SPD 선택 기준

SPD를 시스템 전압에 맞추기

적절한 SPD 정격 전압을 선택하려면 시스템 공칭 전압, 최대 전력 점 전압 및 개방 회로 전압의 세 가지 중요한 전압 수준을 이해해야합니다. 공칭 전압(예: 600V 또는 1000V)은 일반적인 작동 전압을 나타내지만 SPD가 수용해야 하는 전압 범위를 포착하지 못합니다. 최대 전력점 전압은 온도와 조도에 따라 다르지만 인버터가 정상적으로 작동하는 전압을 나타냅니다.

개방 회로 전압은 어레이가 부하 전류 흐름 없이 작동할 때의 전압 상한을 정의합니다. 이 조건은 계통 정전 시, 인버터가 시작되기 전 이른 아침 또는 인버터가 어레이에서 분리될 때마다 발생합니다. VOC는 온도에 따라 크게 달라지는데, 추운 날씨에는 VOC가 정격 값보다 훨씬 높아집니다. NEC 690.7에서는 예상되는 최저 주변 온도를 고려하여 최대 VOC를 계산해야 하며, 종종 정격보다 높은 20%의 전압이 산출됩니다.

SPD 최대 연속 작동 전압(MCOV)은 시스템 최대 전력점 전압을 초과해야 하며 전압 보호 등급은 장비 절연 내전압 이하를 유지해야 합니다. 1000V 공칭 시스템은 850V MPP 전압과 1200V 최대 VOC를 가질 수 있습니다. 적절한 SPD 사양은 서지 동안 장비 제한 이하로 클램핑하면서 잘못된 활성화없이 정상 작동을 처리하도록 SPD를 배치하는 1000V MCOV / 1500V VPR 일 수 있습니다.

설치 위치 고려

SPD 요구 사항은 PV 시스템 내 설치 위치에 따라 크게 달라집니다. 어레이 컴바이너 및 주 DC 차단기는 직접 또는 근처의 낙뢰로 인해 가장 높은 서지 에너지 노출에 직면하므로 낙뢰 노출에 따라 일반적으로 40-100kA의 높은 정격 전류를 가진 유형 1 SPD가 필요합니다. 이러한 위치는 최대 에너지 처리를 제공하는 GDT 또는 하이브리드 기술의 이점을 누릴 수 있습니다.

인버터 DC 입력 단자는 민감한 반도체를 보호하는 정밀한 전압 클램핑이 필요하지만 업스트림 도체 임피던스와 1차 SPD가 위협을 감쇠시킨 후 더 낮은 서지 에너지에 직면합니다. 일반적으로 인버터 위치에는 15~20kA 정격의 유형 2 SPD로 충분합니다. MOV 기술은 여기에서 잘 작동하여 빠른 응답과 엄격한 클램핑 전압을 제공하여 섬세한 전자 장치를 보호합니다. 여러 개의 인버터에는 각각 집단 보호가 아닌 개별 SPD가 필요합니다.

장비 DC 입력 단자는 컴바이너 또는 단선에 업스트림 SPD가 있는 경우에도 개별 보호가 필요합니다. 보호 단계 사이의 도체는 업스트림 SPD 작동에도 불구하고 장비 내성 한계를 초과할 수 있는 빠른 과도 상태 동안 전압 상승을 유발합니다. 단자 레벨 SPD는 장비 연결에서 즉시 국소 클램핑을 제공하여 리드 인덕턴스 전압 상승이 보호를 무력화하지 못하도록 방지합니다.

SPD 테스트 및 표준

IEC 61643-31 PV 요구 사항

IEC 61643-31은 고전압에서 DC 서지 보호의 고유한 문제를 해결하면서 태양광 시스템에서 SPD에 대한 특정 요구 사항을 설정합니다. 이 표준은 테스트 절차, 성능 분류 및 마킹 요구 사항을 정의하여 태양광 애플리케이션에서 SPD가 안정적으로 작동하도록 보장합니다. IEC 61643-31 인증을 받은 SPD는 낙뢰 및 스위칭 서지 노출 PV 시스템 경험을 시뮬레이션하는 엄격한 테스트를 거쳤습니다.

이 표준은 테스트 된 전류 파형 및 에너지 처리 기능을 기반으로 SPD 분류 (유형 1, 2 및 3)를 설정합니다. 유형 1 테스트는 직접 낙뢰 전류를 나타내는 10/350μs 전류 파형을 사용하는 반면 유형 2 테스트는 유도 서지에 대해 8/20μs 파형을 사용합니다. 이러한 서로 다른 파형에는 극적으로 다른 에너지 함량이 포함되어 있습니다. 10/350μs 파형은 동일한 피크 전류에서 8/20μs보다 훨씬 더 많은 에너지를 전달하므로 유형 1 테스트가 훨씬 더 엄격합니다.

온도 사이클링 테스트는 실외 태양광 설치의 일반적인 -40°C ~ +85°C 범위에서 SPD의 기능을 검증합니다. 극한 온도에서의 작동 테스트는 추운 날씨(시스템 전압이 상승할 때)에 SPD가 잘못 활성화되거나 더운 조건에서 조기에 고장 나지 않도록 보장합니다. 습도 테스트는 SPD가 절연 무결성을 유지하고 응축 환경에서 습기 노출로 인해 성능이 저하되지 않음을 확인합니다.

UL 1449 북미 표준

UL 1449는 AC 및 DC 애플리케이션을 모두 포괄하는 북미 SPD 테스트 및 등재 요건을 제공합니다. 네 번째 버전(UL 1449 Ed.4)에는 태양광 설비의 급속한 성장을 반영하여 태양광 시스템에 사용되는 DC SPD에 대한 향상된 요구 사항이 포함되어 있습니다. UL 1449에 등재된 SPD는 지정된 조건에서 전기 성능, 화재 안전 및 안정적인 작동을 검증하는 테스트를 통과했습니다.

전압 보호 정격 테스트는 특정 파형을 사용하여 표준화된 전류 수준에서 실제 클램핑 전압을 측정합니다. 이러한 테스트는 SPD가 전압을 청구된 VPR 사양으로 제한하는지 확인합니다. 또한 UL 1449는 SPD가 화재나 충격 위험 없이 접지 오류 또는 시스템 오작동으로 인해 발생할 수 있는 지속적인 과전압을 견뎌야 하는 일시적 과전압(TOV) 테스트를 요구합니다.

단락 전류 정격(SCCR) 테스트는 SPD가 폭발 또는 아크 플래시 위험 없이 설치 위치에서 사용 가능한 최대 고장 전류를 견딜 수 있는지 확인합니다. 단락에 실패한 SPD는 태양광 설비에서 사용 가능한 전류가 수만 암페어에 이르는 매우 위험한 조건을 만들 수 있으므로 이 안전 테스트는 매우 중요합니다. SCCR 테스트를 성공적으로 통과한 SPD만 UL 인증을 받을 수 있습니다.

SPD에 대한 일반적인 오해

더 많은 SPD는 항상 더 나은 보호를 의미합니다.

많은 설치자는 가능한 모든 위치에 SPD를 설치하면 SPD 등급이나 조정에 관계없이 최대한의 보호를 제공한다고 생각합니다. 그러나 부적절하게 선택하거나 배치한 SPD는 접지 루프를 생성하거나 노이즈를 발생시키거나 서지 이벤트 중에 장치가 서로 싸우는 SPD 조정 실패를 유발하여 실제로 보호 기능을 악화시킬 수 있습니다.

효과적인 보호는 최대 수량이 아닌 전략적 위치에 적절한 SPD 유형을 사용합니다. 잘 설계된 시스템에는 어레이 컴바이너와 메인 차단기에 유형 1 SPD와 각 인버터에 유형 2 SPD가 있을 수 있으며, 일반적인 주거용 설치의 경우 총 4~6개의 SPD가 있습니다. 모든 정션 박스 또는 차단에 추가 SPD를 설치하면 보호 기능이 향상되지 않고 불필요한 비용이 추가되며 잠재적으로 문제가 발생할 수 있습니다.

더 적은 수의 SPD를 품질과 적절하게 설치하는 것이 잘못 배치된 평범한 장치의 양보다 중요합니다. 올바른 접지와 최소한의 리드 길이를 갖춘 두 개의 적절한 정격 SPD는 부적절한 정격, 긴 접지 연결 또는 부적절한 조정을 가진 12개의 SPD에 대해 우수한 보호 기능을 제공합니다. 단순히 SPD 수를 최대화하기보다는 적절한 SPD 사양 및 설치에 집중하세요.

완벽한 낙뢰 보호 기능을 제공하는 SPD

SPD는 모든 낙뢰 위협으로부터 보호하는 독립형 솔루션이 아니라 포괄적인 낙뢰 보호의 한 구성 요소일 뿐입니다. SPD는 전기 전도체에 나타나는 과전압으로부터 보호하지만 장비나 구조물에 직접 번개가 부착되는 것을 방지하지는 않습니다. 완전한 낙뢰 보호를 위해서는 SPD 보호와 함께 작동하는 외부 낙뢰 보호 시스템(공기 단자, 다운 컨덕터, 접지 전극)이 필요합니다.

낙뢰 어레이는 전기 보호와 관계없이 기계적 힘, 극심한 열 및 충격파를 통해 모듈, 랙 및 구조 구성 요소를 파괴할 수 있습니다. SPD는 이러한 손상을 방지할 수 없으며 도체를 통해 전파되는 서지 전류 및 전압으로부터 전기 장비를 보호할 뿐입니다. 낙뢰 노출이 극심한 지역에서는 PV 장비에 도달하기 전에 외부 LPS가 낙뢰를 차단해야 할 수 있습니다.

적절한 접지 및 본딩은 SPD 보호에 똑같이 중요합니다. 접지 연결에 과도한 임피던스가 발생하거나 여러 접지 전극이 순환 전류를 생성하면 최고의 SPD도 장비를 적절하게 보호하지 못합니다. 포괄적 인 보호는 모든 위협 벡터를 다루는 조정 된 시스템에 SPD, 외부 낙뢰 보호, 적절한 접지 및 장비 배치를 통합합니다.

높은 전압 등급은 항상 더 좋습니다

일부 설치자는 전압 정격이 더 높은 SPD가 더 나은 보호 기능을 제공한다고 가정하고 “많을수록 좋다”는 추론으로 600V 시스템에 1500V 장치를 선택합니다. 그러나 지나치게 높은 정격 전압은 실제로 보호 효과를 떨어뜨릴 수 있습니다. SPD 클램핑 전압은 전압 정격에 따라 대략적으로 확장됩니다. 1500V SPD는 일반적으로 약 2500-3000V를 클램핑하는 반면 600V 장치는 1200-1500V에서 클램핑합니다. 과대 평가된 SPD를 사용하면 장비가 불필요하게 높은 클램핑 전압에 노출됩니다.

적절한 SPD 정격 선택은 시스템 전압 요구 사항과 적절한 안전 마진을 일치시킵니다. 최대 VOC가 600V인 720V 공칭 시스템의 경우, 클램핑 전압을 최소화하면서 시스템 전압보다 적절한 마진을 제공하는 800-1000V DC 정격 SPD를 선택합니다. 1000V 정격은 편안한 마진을 제공하는 반면 1500V 정격은 더 높은 클램핑을 통해 이점이없고 보호 기능이 저하됩니다.

MCOV는 SPD의 최대 정격 전압이 아닌 올바른 선택 기준을 제공합니다. MCOV가 시스템 최대 전력점 전압을 10-20% 초과하는 SPD를 선택한 다음 VPR이 장비 내전압보다 훨씬 낮게 유지되는지 확인합니다. 이 접근 방식은 서지 이벤트 중에 최적의 클램핑을 제공하면서 정상 작동 중에 SPD가 잘못 활성화되지 않도록 보장합니다.

자주 묻는 질문

태양광 시스템에서 SPD는 무엇을 의미하나요?

SPD는 과도 과전압을 제한하고 서지 전류를 전환하여 번개 및 스위칭 과도 전류로부터 태양 광 발전 장비를 보호하는 서지 보호 장치 장비의 약자입니다. 국제 전기 코드 및 표준에서 표준화된 “SPD”라는 용어는 서지 서프레서 또는 TVSS(과도 전압 서지 서프레서)와 같은 이전 용어를 대체합니다. 태양광 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 DC SPD는 시스템 전압에 적합한 DC 전압 정격을 제공해야 하며 태양광 서지 보호 요구 사항을 다루는 IEC 61643-31 또는 UL 1449 표준에 따라 테스트를 거쳐야 합니다.

MOV와 GDT 서지 보호의 차이점은 무엇인가요?

금속 산화물 배리스터(MOV)는 전압이 임계값을 초과할 때 전도하는 전압 의존적 산화 아연 세라믹을 사용하여 대부분의 태양광 애플리케이션에 적합한 빠른 응답(나노초)과 예측 가능한 클램핑을 제공합니다. 가스 방전관(GDT)은 이온화 가스를 사용하여 서지 전류를 전도하므로 매우 높은 전류 처리와 최소한의 성능 저하를 제공하지만 응답은 느립니다(마이크로초). MOV는 빠른 응답이 필요한 최종 장비 보호에 적합하며, GDT는 어레이 원점에서 고에너지 서지를 처리하는 1차 보호에 탁월합니다. 많은 프리미엄 SPD는 두 기술을 결합한 하이브리드 설계를 사용합니다.

태양광 시스템에 DC SPD가 필요한지 어떻게 알 수 있나요?

NEC 690.35(A)는 회로 도체가 PV 어레이에서 장비까지 2m(6.6피트)를 초과하는 경우 DC SPD를 의무화하며, 마이크로 인버터 시스템을 제외한 거의 모든 태양광 설비에 적용됩니다. 코드 요구 사항 외에도 옥상 어레이가 노출된 시스템, 건물을 통과하는 도체 또는 귀중한 장비가 있는 모든 시스템은 SPD 보호를 정당화합니다. 낙뢰 피해는 장비 교체에 수천 달러의 비용이 들고 생산 손실도 수백 달러에 달하므로 SPD 보호는 보험의 가치가 있음을 증명합니다. 낙뢰 노출이 많은 지역은 특히 여러 시스템 위치에서 포괄적인 SPD 보호의 이점을 누릴 수 있습니다.

DC 태양광 회로에 AC 정격 서지 보호기를 사용할 수 있나요?

DC 태양광 애플리케이션에 AC 전용 SPD를 사용하지 마세요. AC 서지 보호는 자연 전류 제로 크로싱에 의존하여 DC 시스템에는 없는 아크를 소멸시킵니다. AC 정격 SPD는 DC 서비스에서 치명적인 고장을 일으켜 잠재적으로 화재를 일으키거나 감전 위험을 초래할 수 있습니다. 태양광 시스템에 설치하기 전에 항상 SPD 라벨에서 명시적인 DC 전압 정격을 확인하세요. 고품질 DC SPD는 지속적인 DC 전류에 대한 향상된 아크 소멸을 포함하여 DC 서지 보호 요구 사항을 특별히 다루는 IEC 61643-31 또는 UL 1449 목록을 가지고 있습니다.

태양광 설비에서 DC SPD는 얼마나 자주 교체해야 하나요?

상태 표시가 있는 품질 SPD는 노출이 많은 지역에서는 분기별로, 그 외 지역에서는 매년 검사하여 고장 표시가 있는 경우 교체해야 합니다. 시각적 표시기가 없는 SPD는 낙뢰 노출이 높은 지역에서는 5~7년마다, 중간 정도 지역에서는 10년 이상 사전 예방적으로 교체하는 것이 좋습니다. 낙뢰가 여러 번 발생하는 극한 노출 위치 또는 시스템은 더 자주 교체해야 할 수 있습니다. 근처에 낙뢰가 떨어진 직후에는 눈에 보이는 손상이 없더라도 스트레스로 인해 부품이 사양 이하로 저하되어 후속 서지로부터 보호하지 못할 수 있으므로 즉시 SPD를 교체하세요.

1000V DC 태양광 시스템에는 어떤 전압 정격 SPD가 필요합니까?

1000V 공칭 DC 시스템은 NEC 690.7에 따라 온도 보정을 통해 최대 개방 회로 전압을 계산해야 하며, 일반적으로 1150-1200V를 산출합니다. 최대 연속 작동 전압(MCOV)이 최대 전력 점 전압을 10-20%(일반적으로 1000V 시스템의 경우 1000-1100V MCOV)만큼 초과하는 SPD를 선택합니다. SPD 전체 전압 정격은 1200-1500V DC로 최대 VOC 이상의 마진을 제공해야 합니다. 전압 보호 등급(VPR)이 장비 내전압(일반적으로 인버터의 경우 2000V) 이하로 유지되는지 확인합니다. 이렇게 하면 정상 작동 중 잘못된 활성화를 방지하는 동시에 적절한 서지 클램핑을 제공하는 균형을 맞출 수 있습니다.

서지 이벤트가 없어도 시간이 지나면 MOV 기반 SPD의 성능이 저하되나요?

예, MOV는 큰 서지 이벤트 없이도 지속적인 전압 스트레스로 인해 점진적인 성능 저하를 보입니다. 최대 연속 작동 전압(MCOV) 근처에서 작동하면 온도 상승과 마찬가지로 성능 저하가 가속화됩니다. 작은 서지 또는 과도 전압이 발생할 때마다 산화 아연 구조가 점진적으로 손상되어 전압 임계값이 서서히 감소합니다. 고품질 SPD에는 화재 위험이 발생하기 전에 고장난 MOV를 분리하는 열 차단기 또는 퓨즈가 포함됩니다. 이러한 성능 저하로 인해 정기적인 점검과 사전 예방적 교체가 중요해지며, 명백한 고장 징후가 나타나기 전에 SPD의 효율성이 떨어집니다. 정상 작동 전압보다 적절한 마진을 가진 적절한 MCOV를 선택하면 성능 저하율을 최소화하여 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.

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DC SPD 기본 사항을 이해하면 적절한 서지 보호 시스템 설계 및 설치의 토대를 마련할 수 있습니다.

종합 가이드에서 SPD 애플리케이션 및 설치에 대해 자세히 알아보세요:

– 태양광 시스템용 DC SPD - 완벽한 SPD 선택 및 조정
– 태양광 번개 보호 - 포괄적인 보호 시스템 설계
– DC 회로 보호 - 과전류 보호 기능을 갖춘 SPD 조정
– 태양광 시스템 접지 - SPD 효과를 위한 적절한 접지

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마지막 업데이트: 2025년 10월
작성자: SYNODE 기술팀
검토자가 검토했습니다: 전기 공학부