태양광 접속함이 과열되기 시작하면 그 결과는 불편함을 넘어섭니다. 열적 고장은 태양광 시스템에서 가장 흔하고 위험한 고장 모드 중 하나입니다. 태양광 접속함의 과열은 부품 손상, 불필요한 트립, 시스템 가동 중단 및 심각한 경우 장비와 인력 안전을 위협하는 전기 화재를 유발할 수 있습니다. PV 시스템을 지정하는 설계 엔지니어와 전기 계약자에게 열적 고장의 근본 원인을 이해하는 것은 비용이 많이 드는 현장 고장을 방지하고 장기적인 시스템 안정성을 보장하는 데 필수적입니다.
태양광 접속함은 인버터에 공급하기 전에 여러 스트링 회로가 수렴되는 중요한 집계 지점 역할을 합니다. 종종 수백 암페어에 달하는 이 DC 전류의 집중은 열 관리를 필수적으로 만듭니다. 그러나 소규모 상업용 설치에서 유틸리티 규모의 태양광 발전소에 이르기까지 업계 전반에 걸쳐 과열 고장이 만연해 있습니다. 근본 원인은 일반적으로 시간이 지남에 따라 복합되는 과소 크기 부품, 부적절한 열 설계, 열악한 설치 관행 및 환경적 스트레스 요인의 조합과 관련됩니다.
이 엔지니어링 가이드는 태양광 접속함 과열의 5가지 주요 근본 원인을 조사하고 열 과학, 전기 표준 및 현장에서 입증된 모범 사례에 기반한 설계 수준 솔루션을 제공합니다.
정상적인 온도 상승과 비정상적인 온도 상승 이해
과열을 진단하기 전에 엔지니어는 태양광 접속함 부품의 허용 가능한 온도 상승에 대한 기준 기대치를 설정해야 합니다. 모든 전기 연결은 I²R 손실로 인해 열을 발생시킵니다. 소산되는 전력은 전류의 제곱에 저항을 곱한 값에 비례합니다. 문제는 열이 발생하는지 여부가 아니라 전기 표준에 정의된 안전 한도 내에 있는지 여부입니다.
IEC 60947-1에 따르면 전기 단자의 허용 온도 상승은 기준 주변 온도보다 70K(70°C) 높습니다. 태양광 설치에서 흔히 발생하는 40°C의 주변 기준선을 가정하면 최대 허용 단자 온도는 110°C입니다. 어셈블리 내의 부스바의 경우 IEC 61439-1은 더 높은 온도를 허용합니다. 노출된 구리 부스바는 최대 140°C까지 작동할 수 있는 반면 온도 상승 제한은 일반적으로 주변 온도보다 구리의 경우 70°C, 알루미늄 부스바의 경우 55°C입니다.
UL 표준은 부품 중심 접근 방식을 취합니다. UL 489(회로 차단기)에 따라 표준 정격 단자는 40°C 주변 온도보다 50°C 높은 온도 상승을 허용하여 최대 작동 온도는 90°C입니다. 중요한 임계값은 불필요한 트립 및 부품 손상입니다. 단자 온도가 이러한 설계 제한을 초과하면 열 보호 장치가 조기에 트립될 수 있으며 절연이 빠르게 저하되기 시작합니다.
비정상적인 온도 상승은 이러한 임계값을 크게 초과하는 국부적인 핫스팟으로 나타납니다. 고장난 설치에 대한 열화상 연구에 따르면 단자 연결부와 부스바 접합부에서 120°C에서 180°C를 초과하는 핫스팟이 나타납니다. 이러한 높은 온도에서 구리는 빠르게 산화되고 연결 저항이 기하급수적으로 증가하며 열 폭주가 발생할 가능성이 높습니다.
근본 원인 #1: 과소 크기 부품
태양광 접속함 과열의 가장 근본적인 원인은 실제 작동 조건에 대한 전류 전달 용량이 부족한 부품을 선택하는 것입니다. 과소 크기 조정은 단자, 부스바, 퓨즈 및 회로 차단기와 같이 여러 수준에서 발생하며, 이 중 어느 것이든 열 병목 현상이 될 수 있습니다.
부스바 단면적: 부스바 크기 조정은 전류 밀도 원리에 따라 결정됩니다. 구리 부스바의 경우 엔지니어는 일반적으로 1.2~1.6A/mm²의 보수적인 전류 밀도를 사용합니다. 500A의 연속 전류에는 약 417mm²의 최소 단면적이 필요합니다(500A ÷ 1.2A/mm²). 일반적으로 40mm × 10mm(400mm²) 또는 50mm × 10mm(500mm²) 부스바로 충족됩니다. 전도율이 낮은 알루미늄 부스바는 약 0.8A/mm²의 더 낮은 전류 밀도와 그에 따라 더 큰 단면적이 필요합니다. 좁은 부스바는 저항이 더 높을 뿐만 아니라 열 방산을 위한 표면적도 줄어들어 열적 페널티가 가중됩니다.
부스바의 저항은 공식 R = (ρ × L) / A를 따릅니다. 여기서 ρ는 저항률(20°C에서 구리의 경우 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m), L은 길이, A는 단면적입니다. 전력 손실은 P = I² × R입니다. 약간의 과소 크기 조정만으로도 저항이 두 배가 되어 전류 증가와 결합하면 열 발생이 4배로 증가합니다.
단자 및 연결 정격: 단자대와 러그 연결은 적절한 안전 여유를 두고 최대 스트링 전류에 대해 정격이 지정되어야 합니다. 태양광 애플리케이션에서 NEC는 연속 전류 정격에 대해 125% 안전 계수를 요구합니다. 12A를 연속적으로 전달하는 스트링에는 최소 15A 정격의 단자가 필요합니다. 이러한 디레이팅을 적용하지 않으면 단자가 열 설계 한계를 초과하여 작동하여 손상이 가속화됩니다.
퓨즈 및 차단기 크기 조정: 과소 크기 조정된 퓨즈는 열 손상을 입고 조기에 개방됩니다. 퓨즈는 25°C 주변 온도에서 정격이 지정되므로 상승된 접속함 내부 온도(종종 60-70°C)에서 작동하려면 디레이팅이 필요합니다. 60°C에서 0.84 디레이팅 계수를 가진 퓨즈는 보상하기 위해 상향 조정해야 합니다. 60°C에서 12A 회로를 보호하려면 공칭 15A 퓨즈가 필요합니다(12A ÷ 0.84 ≈ 14.3A). 마찬가지로 40°C에서 보정된 회로 차단기는 더 높은 온도에서 용량을 잃습니다. 100A 차단기는 60°C 내부 주변 온도에서 80-85A만 처리할 수 있습니다.
근본 원인 #2: 열악한 연결 품질
전기 연결부의 접촉 저항은 태양광 접속함에서 국부적인 과열의 가장 흔한 원인입니다. 모든 연결 지점에서 열로 소산되는 전력은 P = I²R입니다. 즉, 접촉 저항이 약간만 증가해도 불균형한 열이 발생합니다. 50A를 전달하는 10mΩ 저항의 연결은 단일 접합 지점에 집중된 25W(50² × 0.01)를 소산합니다.
느슨한 연결 및 열 순환: 부적절하게 조여진 단자 나사는 가장 흔한 설치 결함입니다. 단자는 제조업체에서 지정한 조임 토크 값(일반적으로 작은 단자의 경우 3-5N·m, 더 큰 부스바의 경우 최대 10-15N·m)으로 조여야 합니다. 토크가 부족하면 저항이 높은 열악한 금속 간 접촉이 발생합니다. 과도한 토크는 나사산을 손상시키고 접촉 표면을 변형시켜 연결 품질을 저하시킬 수도 있습니다.
열 순환은 시간이 지남에 따라 느슨한 연결을 악화시킵니다. 접속함이 피크 태양 시간 동안 가열되고 밤에 냉각됨에 따라 구리 도체와 강철 단자 하드웨어는 서로 다른 속도로 팽창 및 수축합니다(열팽창 계수 불일치). 이 일일 순환은 기계적 연결을 점진적으로 느슨하게 하여 접촉 저항을 증가시키고 열 손상을 가속화합니다. 이는 열 폭주로 이어지는 긍정적인 피드백 루프입니다.
부식 및 표면 산화: 습기, 염수(해안 설치) 또는 산업 오염 물질에 노출된 단자 표면은 접촉 저항을 크게 증가시키는 산화물 층과 부식 생성물을 생성합니다. 산화 구리는 순수 구리보다 저항률이 훨씬 높습니다. 부적절하게 만들어진 연결(부적절한 전선 스트리핑, 손상된 가닥 또는 잘못 압착된 러그)은 산화를 가속화하는 미세한 공기 간격을 만듭니다.
MC4 커넥터 손상은 열원으로 점점 더 인식되고 있습니다. UV 노출은 폴리머 하우징을 손상시키는 반면 내부의 스프링 접점은 수년간의 열 순환으로 인해 장력이 손실되어 PV 스트링 입력 연결부에서 저항이 증가합니다.
근본 원인 #3: 부적절한 열 설계
접속함 인클로저가 축적된 열 부하를 소산할 수 없는 경우 적절한 크기의 부품도 과열됩니다. 열 설계에는 인클로저 형상, 환기 전략, 부품 간격 및 열 전달 경로가 포함되며, 이 모든 것이 저가형 설계에서 자주 무시됩니다.
불충분한 환기 및 공기 흐름: 대부분의 태양광 접속함은 날씨와 먼지 유입으로부터 보호하기 위해 밀봉된 NEMA 4 또는 IP65 인클로저를 사용합니다. 이 밀봉은 냉각 메커니즘으로 자연 대류를 제거하여 내부에 열을 가둡니다. 내부 온도는 외부 주변 온도, 부품의 자체 가열 및 인클로저에서 흡수되는 태양 복사의 합계가 됩니다.
T_내부 = T_주변 + ΔT_부품 + ΔT_태양
환기가 없으면 외부 주변 온도가 35-40°C에 불과하더라도 내부 온도는 햇볕이 잘 드는 곳에서 쉽게 70-80°C를 초과할 수 있습니다. 열 소산은 전적으로 인클로저 벽을 통한 전도와 외부 표면에서 방사되는 복사에 의존합니다. 온도 상승(ΔT)은 열 부하 밀도(W/m²)와 인클로저 표면적에 따라 결정됩니다. 동일한 부품 부하를 가진 더 작은 인클로저는 더 높은 온도 상승을 겪습니다.
부품 간격 및 레이아웃: 내부 부품 배열은 열 소산에 중요한 영향을 미칩니다. 겹치는 부스바 또는 촘촘하게 그룹화된 퓨즈 홀더는 공기 흐름을 제한하고(밀봉된 인클로저에서도 내부 대류 전류가 발생함) 국부적인 핫스팟을 만듭니다. 퓨즈, 단자대, 부스바 접합부와 같은 각 열 발생 부품은 열이 한 영역에 집중되지 않고 확산되고 소산되도록 적절한 간격이 필요합니다.
인클로저 재료 및 열 전도율: 금속 인클로저(스테인리스 스틸, 알루미늄)는 유리 섬유 또는 폴리카보네이트 인클로저보다 열을 훨씬 더 잘 전도합니다. 알루미늄은 특히 열 전도율이 높습니다(~205W/m·K). 효과적으로 방열판 역할을 합니다. 페인트 또는 코팅된 표면은 복사 특성을 변경합니다. 흰색 또는 밝은 회색 마감은 더 많은 태양 복사를 반사하고 열 소산을 개선합니다.
주변 온도 디레이팅: 설계 엔지니어는 종종 현실적인 내부 작동 환경에 대한 적절한 디레이팅을 적용하지 못합니다. 부품이 25°C 실험실 조건을 기준으로 선택되었지만 70°C 내부 온도에 도달하는 인클로저에 설치된 경우 열적 범위 밖에서 작동합니다. 퓨즈, 회로 차단기및 터미널 블록 모두 제조업체 데이터시트에서 온도별 디레이팅 곡선이 필요합니다.
근본 원인 #4: 환경 요인
태양광 접속함은 열악한 실외 환경에서 작동하며, 여기서 외부 조건은 전기 부품 자체에서 발생하는 열 외에 상당한 열 스트레스를 가합니다.
직사광선: 직사광선 아래의 어두운 색상의 인클로저는 97W/ft²(많은 지역에서 피크 태양 복사)를 흡수하여 내부 온도에 상당한 열 부하를 추가할 수 있습니다. 색상은 흡수에 큰 영향을 미칩니다. 검은색 인클로저는 동일한 조건에서 흰색 인클로저보다 표면 온도가 40-50°C 더 높을 수 있습니다. 이 태양열 획득은 내부 부품으로 직접 전달되어 유효 주변 온도를 높이고 열 소산에 사용할 수 있는 온도 차이를 줄입니다.
Telcordia GR-487 프로토콜에 따른 테스트에 따르면 인클로저 위와 주위에 장착된 간단한 차광 구조인 태양열 차폐막은 태양열 획득을 40% 이상 줄일 수 있습니다. 그러나 많은 현장 설치에서는 태양을 향한 벽이나 장비 랙에 차광 시설 없이 접속함을 장착합니다.
높은 주변 온도 환경: 사막 지역, 열대 기후 또는 옥상에 설치하면 주변 온도가 일상적으로 40-45°C를 초과합니다. 이것이 부품 자체 가열 및 태양열 획득을 추가하기 전의 기준선인 경우 내부 온도는 80-90°C로 올라갑니다. 이러한 온도에서 적절한 크기의 부품도 열 정격에 접근하거나 초과합니다.
먼지 축적 및 공기 흐름 제한: 농업 또는 사막 환경에서는 공기 중의 먼지가 인클로저 표면에 축적되고 환기구를 막습니다. 이 먼지 층은 단열재 역할을 하여 인클로저의 열 방출 능력을 감소시킵니다. 필터링된 환기가 있는 인클로저의 경우 막힌 필터는 공기 흐름을 완전히 제거하여 내부 온도가 빠르게 상승합니다. 주기적인 청소가 필수적이지만 O&M 일정에서 자주 무시됩니다.
근본 원인 #5: 전기적 결함
특정 전기적 결함 조건은 부품이 정상 작동에 맞게 적절한 크기로 조정된 경우에도 과도한 열을 생성하는 비정상적인 전류 패턴을 생성합니다.
스트링 전류 불균형: 음영, 오염 또는 모듈 불일치로 인해 동일한 부스바에 공급되는 병렬 스트링이 동일하지 않은 전류를 전달하는 경우 전류가 더 높은 스트링은 연결 지점에 국부적인 열 스트레스를 가합니다. 8개의 10A 스트링(총 80A)에서 균등하게 분배된 전류를 위해 설계된 부스바는 한 스트링이 15A를 전달하는 반면 다른 스트링이 8A를 전달하는 경우 핫스팟이 발생할 수 있습니다. 15A 스트링의 연결 지점은 설계보다 2.25배 더 높은 I²R 가열을 경험합니다.
접지 오류 및 누설 전류: 절연 손상 또는 습기 유입은 접지 도체 및 인클로저 구조 요소를 포함하여 의도하지 않은 경로를 통해 전류를 전환하는 접지 오류를 생성할 수 있습니다. 이러한 경로는 일반적으로 설계된 전류 경로보다 저항이 높기 때문에 예상치 못한 위치에서 열이 발생합니다. 고저항 경로를 통한 1-2A의 접지 오류 전류도 상당한 국부적 가열을 생성할 수 있습니다.
고조파 가열: DC 접속함보다 AC 분배에서 덜 일반적이지만 인버터 스위칭 또는 접지 참조 커패시턴스의 고조파 전류는 유용한 전력 출력에 기여하지 않고 열 부하를 추가하는 순환 전류를 생성할 수 있습니다. 이러한 고조파 성분은 DC 레벨 위의 RMS 전류를 증가시켜 시스템 전체에서 I²R 손실을 증가시킵니다.
전기적 결함을 진단하려면 신중한 측정이 필요합니다. 스트링 수준 전류 모니터링은 불균형 상태를 나타낼 수 있는 반면 열화상은 결함 전류를 나타내는 예상치 못한 핫스팟을 식별합니다. 접지 오류 감지 장치 및 절연 저항 테스트는 열 손상을 일으키기 전에 발생하는 문제를 식별하는 데 도움이 됩니다.
솔루션: 설계 및 사양
태양광 접속함 과열 방지는 낙관적인 실험실 정격이 아닌 현실적인 작동 조건을 기반으로 엄격한 열 분석 및 부품 선택을 통해 설계 단계에서 시작됩니다.
열 디레이팅 및 전류 용량: 엔지니어는 현실적인 내부 주변 온도를 계산하고 부품별 디레이팅 계수를 적용해야 합니다. 이 과정은 다음 세 단계를 따릅니다.
- 내부 온도 결정: 인클로저 제조업체의 열 부하 밀도 차트와 설치 위치의 태양 복사 데이터를 사용하여 T_internal = T_ambient + ΔT_component + ΔT_solar를 계산합니다.
- 부품 디레이팅 적용: 퓨즈(일반적으로 25°C에서 정격), 회로 차단기(40°C) 및 단자대에 대한 제조업체 디레이팅 곡선을 사용합니다. 예를 들어, K_f = 0.8인 70°C 내부 온도에서 12A 스트링을 보호하는 퓨즈는 공칭 15A 정격(12 ÷ 0.8)이 필요합니다.
- 안전 여유 포함: NEC는 태양광 애플리케이션에 대해 125% 연속 전류 승수를 요구합니다. 열 디레이팅 후 이 계수를 적용합니다. 필요한 부품 정격 = (I_continuous × 1.25) ÷ K_f.
열 고려 사항을 고려한 부스바 크기 결정: 보수적인 전류 밀도(구리의 경우 1.2A/mm², 알루미늄의 경우 0.8A/mm²)를 사용하여 부스바를 선택하고 열 모델링을 사용하여 온도 상승을 확인합니다. 고전류 애플리케이션의 경우 열 방출을 향상시키기 위해 전기적 요구 사항 이상으로 단면적을 늘리는 것을 고려하십시오. 구리 부스바는 우수한 전도성과 열 성능으로 인해 알루미늄보다 선호됩니다.
열 관리 기능: 열 방출을 용이하게 하는 설계 기능이 있는 인클로저를 지정합니다.
- 태양 복사를 반사하는 밝은 색상 마감(흰색, 밝은 회색)
- 내부 열 부하에 대한 적절한 표면적
- 높은 열 전도율을 위한 알루미늄 구조
- 간격과 공기 흐름을 최대화하는 내부 부품 장착
- 선택 사항: 고부하 부스바에 부착된 수동 방열판
- 극한 환경의 경우: 능동 냉각(온도 조절 팬) 또는 히트 파이프 기술
재료 및 접촉 표면 선택: 산화를 방지하기 위해 주석 도금된 구리 단자와 부스바를 지정합니다. 열 순환 중에 접촉 압력을 유지하기 위해 단자 나사 아래에 스프링 와셔 또는 톱니 와셔를 사용합니다. 캡티브 하드웨어가 있는 밀폐형 단자대는 진동으로 인한 풀림을 방지합니다.
솔루션: 설치 및 유지 관리
적절한 설치 방법과 사전 예방적 유지 관리 프로토콜은 현장에 배치된 태양광 결합기 박스에서 열 고장을 방지하는 데 필수적입니다.
토크 사양 확인: 모든 단자 연결은 교정된 토크 렌치 또는 토크 드라이버를 사용하여 제조업체에서 지정한 토크 값으로 조여야 합니다. 중요한 연결에 대한 토크 값을 문서화하는 설치 기록을 작성하고 유지 관리합니다. 시운전 테스트에는 시스템 인계 전에 적절한 설치를 확인하기 위해 부하 상태에서 모든 연결의 열 화상 이미징이 포함되어야 합니다.
장착 위치 및 방향: 태양 노출을 최소화하는 위치(북반구의 북쪽을 향한 벽, 어레이 구조 아래의 그늘진 영역 또는 전용 날씨 보호 장치 아래)에 결합기 박스를 설치합니다. 자연 대류 및 복사 냉각을 허용하기 위해 인클로저 주변에 적절한 간격(일반적으로 모든 면에서 6-12인치)을 확보합니다. 수직 장착은 일반적으로 내부 대류 전류를 용이하게 하기 위해 수평 장착보다 선호됩니다.
환경 보호: 부식성 환경(해안, 산업)에서는 향상된 부식 방지 기능이 있는 결합기 박스를 지정합니다. 316 스테인리스 스틸 인클로저, 부스바의 컨포멀 코팅 및 밀폐형 단자. 습기 침투 및 산화를 방지하기 위해 모든 연결에 유전체 그리스를 사용합니다. 설치 환경에 적합한 IP 등급을 확인합니다. 먼지가 많은 환경에는 최소 IP65가 필요합니다.
주기적인 열 검사: 일상적인 O&M 일정의 일부로 열 화상 이미징 조사를 구현합니다. 일반적으로 상업용 시스템의 경우 매년, 열악한 환경의 유틸리티 규모 설치의 경우 반년마다. 열 화상 이미징은 고장을 일으키기 전에 개발 중인 핫스팟을 식별하여 예방적 개입을 허용합니다. 비교를 위해 시운전 중에 기준 열 프로필을 설정합니다.
재조임 및 연결 유지 관리: 운영 첫 해 후에는 열 순환 효과를 보상하기 위해 모든 단자 연결을 다시 조입니다. 이 유지 관리 작업은 종종 생략되지만 장기적인 안정성에 매우 중요합니다. 각 유지 관리 간격으로 부식, 변색 또는 물리적 손상 징후가 있는지 검사합니다.
결론: VIOX Electric의 열 엔지니어링 접근 방식
엔지니어가 엄격한 열 분석, 적절한 부품 디레이팅 및 현장에서 입증된 설계 원칙을 적용하면 태양광 결합기 박스 과열은 예방 가능한 고장 모드입니다. 근본 원인(크기가 작은 부품, 열악한 연결 품질, 부적절한 열 설계, 환경적 스트레스 요인 및 전기적 결함)은 잘 이해되고 있으며 각 원인에 대한 엔지니어링 솔루션이 존재합니다.
VIOX Electric에서는 열 관리가 태양광 결합기 박스 설계의 모든 단계에 통합됩니다. 당사의 엔지니어링 프로세스에는 다음이 포함됩니다.
- 열 모델링 및 검증: 최악의 작동 조건에서 내부 온도 분포에 대한 CFD 분석
- 부품 디레이팅 방법론: 현장별 온도 계산 및 적절한 디레이팅 계수를 사용하여 부스바, 단자 및 보호 장치 선택
- 고품질 연결 시스템: 스프링 유지 하드웨어, 주석 도금된 구리 접촉 표면 및 열 순환 검증이 있는 공장 토크 단자
- 열 최적화 인클로저: 밝은 색상 마감, 최적화된 내부 레이아웃 및 열악한 환경을 위한 열 방출 기능이 있는 알루미늄 구조
VIOX 결합기 박스는 제어된 높은 주변 조건에서 정격 전류 + 25% 안전 여유에서 온도 상승 테스트를 통해 UL 1741 요구 사항을 초과하는 열 검증 테스트를 거칩니다. 당사의 엔지니어링 팀은 계약자 및 EPC 회사가 설치 조건에 적합한 솔루션을 지정할 수 있도록 열 분석 지원 및 현장별 디레이팅 계산을 제공합니다.
과열을 방지하려면 제조업체, 설계 엔지니어 및 설치 팀 간의 파트너십이 필요합니다. VIOX Electric은 제품뿐만 아니라 장기적인 시스템 안정성을 보장하기 위한 엔지니어링 전문 지식 및 열 설계 지침을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.
기술 사양, 열 분석 지원 또는 설치 환경에 최적화된 맞춤형 결합기 박스 솔루션은 다음 연락처로 문의하십시오. VIOX Electric‘s 애플리케이션 엔지니어링 팀.
