KR101682929B1

KR101682929B1 - 태양광 모듈의 절연저항 측정 방법

Info

Publication number: KR101682929B1
Application number: KR1020150044736A
Authority: KR
Inventors: 금만희; 김한석; 조영균; 황의선
Original assignee: (주) 다쓰테크
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-12-06
Also published as: KR20160116656A

Abstract

태양광 모듈의 절연저항을 측정하는 방법으로서 저항값을 알고 있는 하나의 측정저항을 상기 두 절연저항 중 어느 하나에 병렬로 연결하고, 상기 측정저항의 일단부에 스위치의 타단부를 연결하고, 상기 스위치의 일단부에는 섀시와 연결한 상태에서, 회로의 전체전압값과 상기 측정저항의 값, 상기 스위치가 열렸을때의 전압값인 제1계측전압값, 상기 스위치가 닫혔을때의 전압값인 제2계측전압값을 이용하여 상기 제1, 제2절연저항값을 측정하는, 태양광 모듈의 절연저항을 측정하는 방법을 개시한다.

Description

태양광 모듈의 절연저항 측정 방법{INSULATION RESISTANCE MEASUREMENT METHOD OF PHOTOVOLTAIC MODULES}

본 발명은 절연저항의 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 모듈의 절연저항 측정 방법에 관한 것이다.

절연저항(絶緣抵抗, Insulation Resistance)은 전압 인가시에 발생하는 전류에 대하여, 그 절연물에 의하여 주어지는 저항 및 이의 저항 값으로, 상기 절연물은 전하를 흡장하는 성질을 가지므로 외부의 온도 및 습도, 흡수 속도 등에 따라 상기 절연 저항의 영향은 달라지게 된다.

상기 절연저항은 접지(기계 장치의 외피)와 도전체 사이의 저항으로서 상기 절연저항이 높다는 뜻은 누설 전류가 적다는 것을 의미하므로, 상기 절연저항은 일정 값 이상으로 유지할 수 있도록 하여, 해당 장치의 안전성을 담보하도록 하는 것이 일반적이다.

여기서 태양광 발전을 실시하는 태양광 모듈용 절연저항에 대하여는, 누설전류로 인한 화재 및 인명 보호를 위하여 특히 중요한데 일반적인 태양광 모듈(Photovoltaic Module, PV Module)용 절연저항 R은, 상기 태양광 모듈 표면 영역 1제곱미터(1㎡) 당 40MΩ이 되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서 태양광 모듈을 설치함에 있어서 안정적인 동작 및 유지보수의 용이함은 물론, 안전사고를 미연에 방지하기 위해서라도 상기 절연저항을 정확하게 측정하여 설치하도록 하는 것이 중요하다.

상기와 같은 태양광 모듈의 절연저항 관련 선행기술로서, 등록특허 10-1303597호는 DFT(Discrete Fourier Transformation)를 적용한 활선 절연저항 측정장치를 제공하고 있으며, 또한 등록특허 10-1248592호 및 등록특허 10-1225547호는 태양광 모듈의 절연저항 및 누설전류 계측 시스템을 제공하고 있고, 등록특허 10-0995672호는 전기시설물의 누전위치 검출장치 및 그 방법을 제공하고 있다. 상기의 기술들은 본 발명과는 그 구성 및 동작 등이 모두 완전히 상이한 기술들로 판단된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술들과는 다른 방법으로. 태양광 모듈의 절연저항을 측정하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,

태양광 모듈에 설치되고 제1, 제2절연저항으로 구분되어 있는 절연저항을 측정하기 위하여 저항값을 알고 있는 하나의 측정저항을 상기 두 절연저항 중 어느 하나에 병렬로 연결하고, 상기 측정저항의 일단부에 스위치의 타단부를 연결하고, 상기 스위치의 일단부에는 섀시와 연결한 상태에서, 회로의 전체전압값과 상기 측정저항의 값, 상기 스위치가 열렸을때의 전압값인 제1계측전압값, 상기 스위치가 닫혔을때의 전압값인 제2계측전압값을 이용하여 상기 제1, 제2절연저항값을 측정하여 태양광 모듈의 절연저항을 측정하도록 한다.

상기에서, 상기 제1, 제2절연저항값을 측정하여 발생하는 선형적인 오차에 대하여 보정을 실시하여 상기 측정한 제1, 제2절연저항값을 상기 절연저항의 실제 제1, 제2절연저항값에 유효하게 근접할 수 있도록 해야 한다.

본 발명에 의하면, 별도의 장치 없이도 간편하면서도 정확하게 해당 절연 저항을 측정할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 절연저항 및 측정을 위한 구성요소가 도시된 회로도.
도 2는 실제 절연저항 대비 측정 절연저항을 도시한 그래프.
도 3은 실제 절연저항을 시간대별로 측정한 표.
도 4는 파손된 태양광 모듈의 사진.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 실시와 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 태양광 패널에 연결되고, 일측이 접지(FG)와 연결되어 있는 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정하기 위한 구성요소들의 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 측정저항(R_G)을 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N) 중 제1절연저항(R_iso-P)의 양단에 병렬로 설치하고, 또한 상기 측정저항(RG)을 활성화시키기 위한 스위치(SW)가 상기 측정저항(R_G)의 일측에 연결된다. 또한 상기 스위치(SW)가 연결되는 상기 측정저항(R_G)의 말단으로는 접지(FG)가 연결된다.

여기서 상기 접지(FG)는 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)의 저항값 가변에 따른 회로상의 전압 및 전류 변동을 완충하는 역할을 한다.

또한 상기 스위치(SW)는 주된 역활은 측정자가 측정을 실시하고자 할 때에 상기 스위치(SW)를 활성화시켜 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정하기 위한 용도이지만, 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정하지 않을 때에는 상기 스위치(SW)를 열어 비활성화시킴으로서 누설전류 발생을 방지하는 누설전류 저감 역할 또한 수행하게 된다.

이하에서는 도 1을 통하여 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 실측하는 방법에 대해 설명한다.

우선 상기 도 1에 도시된 회로도에서, 상기 측정저항(R_G)은 본 발명의 구성요소로써 이미 설정된 값을 알고 있는 저항을 사용하게 되며, 여기서 상기 측정저항(R_G)의 값은 일반적인 태양광 모듈용 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 효과적으로 측정하기 위하여 940k~1410k 값 범위 내로 설정된 저항을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)과 연결된 회로 전체에 가하는 전체입력전압값(Vpv) 역시 측정자가 임의적으로 그 값을 정하여 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)에 가하는 전압으로써 이하에서는 측정의 용이함 및 설명의 편의성 등을 고려하여, 상기 전체입력전압값(Vpv)는 200V, 700V로 하여 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정하는 것을 일예시로 하여 설명하도록 한다.

그리고 이하에서 설명할 제1계측전압값(V_{pfg_SWoff}) 및 제2계측전압값(V_{pfg_SWon})은 측정자가 별도의 장치를 이용하여 상기 측정저항(R_G)에 걸리는 전압을 측정한 값으로서, 상기 제1계측전압값(V_{pfg_SWoff})은 상기 스위치(SW)가 비활성화된 상태(OFF)일때 상기 측정전압값(R_G)에 걸리는 전압값을 의미하고, 상기 제2계측전압값(V_{pfg_SWon})는 상기 스위치(SW)는 상기 스위치(SW)가 활성화된 상태(ON)일때 상기 측정전압값(R_G)에 걸리는 전압값을 의미한다. 상기 제1, 제2계측전압값(V_{pfg_SWoff}, V_{pfg_SWon})을 측정하는 방법은 종래의 측정장치 등을 이용하여 측정하면 되므로, 이에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.

상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정하기 위하여, 우선 측정해야 하는 값은 상기 스위치(SW)가 OFF 상태일 때의 계측전압값인 제1계측전압값(V_{pfg_SWoff}), 그리고 상기 스위치(SW)가 ON 상태일때의 계측전압값인 제2계측전압값(V_{pfg_SWon})인데, 이미 측정자가 그 값을 알고 있는 상기 제1계측전압값(V_{pfg_SWoff})과, 상기 제1계측전압값(V_{pfg_SWoff})을 이용하여 측정할 수 있는 제2절연저항값(R_iso-N)은 이하의 수학식 1 및 수학식 2로 표현할 수 있다.

따라서 상기 제2절연저항값(R_iso-N)은 상기 수학식 2를 통하여 측정할 수 있다. 하지만 상기 수학식 2에 따르면, 상기 제2절연저항값(R_iso-N)은 상기 제1절연저항값(R_iso-P)을 측정해야 계산 가능함을 알 수 있다.

이하에서는 상기 제1절연저항값(R_iso-P)을 측정하기 위한 방법을 설명한다.

우선 사용자가 그 값을 알고 있는 상기 제2계측전압값(V_{pfg_SWon})은 다음 수학식 3으로 표현할 수 있다.

이를 정리하여 다음 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

여기서 상기 제2절연저항값(R_iso-N)은 수학식 2로 표현할 수 있으므로, 이를 대입하여 수학식 5를 얻을 수 있다.

상기 수학식 5에서, 양 변에

를 곱하게 되면 이하의 수학식 6을 얻을 수 있다.

상기의 수학식 6을 정리하면 이하의 수학식 7을 얻을 수 있다.

상기 수학식 7에서, 양 변에

을 곱하여 상기 수학식 7을 정리하면 이하의 수학식 8을 얻을 수 있다.

상기의 수학식 8에서, 구하고자 하는 제1절연저항값(R_iso-P)을 좌변으로 이항하여 정리하면 이하의 수학식 9를 얻을 수 있다.

상기의 수학식 9에서, 양 변에

을 곱하여 정리하면 이하의 수학식 10을 얻을 수 있다.

상기 수학식 10에서, 우변 측의 각 전압값(Vpv, V_{pfg_SWoff}, V_{pfg_SWon}) 및 측정저항(R_G)은 측정자가 모두 알고 있는 값이므로, 상기 수학식 10을 통하여 제1절연저항값(R_iso-P)을 구할 수 있으며, 또한 상기 제1절연저항값(R_iso-P)이 측정되면 상기 수학식 2를 통하여 제2절연저항값(R_iso-N)을 구할 수 있다.

상기와 같이 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)에 대하여, 도 1에서와 같이 회로를 구성함으로서 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이 측정자가 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정할 수 있는데, 이하에서는 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)에 대하여 측정자가 상기한 방법으로 측정한 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)의 값을 제1측정절연저항(측정R_iso-P), 제2측정절연저항(측정R_iso-N)으로 칭하고, 실제 태양광 패널에 설치된 저항의 실제적인 값을 제1실제절연저항(실제R_iso-P), 제2실제절연저항(실제R_iso-N)으로 칭하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 방법을 통하여 측정한 측정절연저항값이 실제적인 저항값에 비해 차이가 어느 정도 발생하는지를 설명한다.

이하의 표 1 및 표 2는 상기 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)에 대하여, 상기 제1, 제2실제절연저항(실제R_iso-P, 실제R_iso-N)과 측정한 제1, 제2측정절연저항(측정R_iso-P, 측정R_iso-N), 그리고 이들 간의 오차를 퍼센트 단위로 표시한 값을 정리한 표이다. 상기 표 1은 상기 전체입력전압(Vpv)을 200V로 설정하였을 때이고, 상기 표 2는 상기 전체입력전압(Vpv)을 700V로 설정하였을 때이다.

표 1 및 표 2에서 도시된 바와 같이, 상기 전체입력전압(Vpv)의 값과는 관계 없이 상기 제1, 제2실제절연저항(실제R_iso-P, 실제R_iso-N)대비 제1, 제2측정절연저항(측정R_iso-P, 측정R_iso-N)의 값의 오차는 일정하게, 선형적으로 발생함을 알 수 있으며, 상기 선형적으로 발생하는 오차의 그래프는 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 절연저항 측정 방법을 통하여 측정한 값으로써 도 2에서 붉은색으로 도시되어 있는 절연저항(측정R_iso-P, 측정R_iso-N)의 값은 도 2에서 푸른색으로 도시되어 있는 실제 절연저항(실제R_iso-P, 실제R_iso-N)과 비교해 일정한 선형적 오차를 발생시키고 있으므로, 이는 별도의 보정(Calibration)을 실시하여 상기 측정 절연저항(측정R_iso-P, 측정R_iso-N) 값에 대하여 보정을 가함으로서 실제 절연저항(실제R_iso-P, 실제R_iso-N) 값에 유효하게 근접할 수 있도록 한다.

상기와 같이 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 측정함으로서 연결된 태양광 모듈의 파손 여부를 확인할 수 있는데, 도 3 및 도 4를 통하여 설명하면, 도 3은 어느 태양광 모듈에 연결된 절연저항(R_iso-P, R_iso-N)을 시간대별로 측정한 값이 도시되어 있는데, 도 3에서 확인할 수 있듯이 상기 제1절연저항(R_iso-P)은 값의 변동이 심하여 고장(F)이 발생하였음을 확인할 수 있으며, 또한 상대적으로 상기 제2절연저항(R_iso-N)은 값의 변동이 거의 없어서 정상(T)임을 알 수 있다.

그리고 도 4에서 확인할 수 있듯이, 고장(F)이 발생하였으리라 추정되는 제1절연저항(R_iso-P) 부분의 태양광 모듈이 실제로 붉은색 원 부분이 파손되어 고장(F) 상태임을 확인할 수 있다.

R_iso-P : 제1절연저항. R_iso-N : 제2절연저항.
R_G : 측정저항. Vpv : 전체입력전압.
V_{pfg_SWoff} : 제1계측전압값. V_{pfg_SWon} : 제2계측전압값
SW : 스위치. FG : 접지.

Claims

태양광 모듈에 설치되고 제1, 제2절연저항(R_iso-P, R_iso-N)으로 구분되어 있는 절연저항을 측정하기 위한 방법으로서, 저항값을 알고 있는 하나의 측정저항(R_G)을 상기 두 절연저항 중 어느 하나에 병렬로 연결하고, 상기 측정저항(R_G)의 일단부에 스위치의 타단부를 연결하고, 상기 스위치의 일단부에는 섀시와 연결한 상태에서, 회로의 전체전압 값(V_pv)과 상기 측정저항의 값(R_G), 상기 스위치가 열렸을 때의 전압 값인 제1계측전압값(V_{pfg_SWoff}), 상기 스위치가 닫혔을 때의 전압 값인 제2계측전압값(V_{pfg_SWon})을 이용하여 상기 제1절연저항값(R_iso-P)은 아래의 수학식 1에 의해 산출되고,
[수학식 1]

상기 제2절연저항(R_iso-N)은 아래의 수학식 2에 의해 산출되며,
[수학식 2]

여기서 상기 수학식 1 및 수학식 2에서, ‘R_G’ 는 측정저항, ‘V_{pfg_SWoff}’ 는 제1계측전압값, ‘V_{pfg_SWon}’ 는 제2계측전압값, ‘V_pv’ 는 전체입력전압값이고,
상기와 같이 산출된 제1, 제2절연저항값에 대하여 선형적인 오차 보정을 실시하여 제1, 제2절연저항의 값을 최종 측정하는 것을 특징으로 하는, 태양광 모듈의 절연저항 측정 방법.
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