2.2.1 PCS 사고 분석 개요

분석 대상은 표 1과 같이 2026년 3월 국내 태양광발전설비에 연계된 인버터에서 발생한 화재 사고이다. 사고설비는 2019년에 설치된 정격출력 250kW급 태양광 인버터로, 사고 당시 약 7년간 운전된 상태였다. 화재 당시 인버터 주변에서 폭발음과 연기가 확인되었으며, 인명피해는 발생하지 않았다.

화재 인지 후 전기안전관리자를 통해 태양광 발전설비의접속반 차단기의 차단 조치가 수행되었으며, 소방대와 관계자가 소화기와 소화용수를 이용하여 진압하였다. 사고 이후 확인한 AC측 배선용 차단기(MCCB)는 트립 상태였고, 태양광 접속반과 주변 설비에서는 화재 추정 원인으로 판단할 만한 뚜렷한 손상이 확인되지 않았다. 접속반 내부 퓨즈에서는 용단이 식별되지 않았으며, 조사 당시 태양광 발전 전압은 약 660V로 측정되었다.

화재 추정 원인 분석은 현장 소손상태 확인, 모니터링 이벤트 분석, 사고품 외형 검사 및 3D X-ray CT 분석의 순서로 수행하였다. 현장 조사 단계에서는 인버터 내부의 소손 분포와 사고 진행 구간을 구분하였다.

표 2는 사고발생 10일 전까지의 과온정보, 발전량 등을 나타낸 모니터링 데이터를 나열한 데이터이다. 사고 전 간헐적으로 과온 경보가 기록되었으며, 사고 3일 전 우천으로 인한 발전량이 모니터링이 되지 않은 시점에도 과열 경보가 기록된 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 1과 같이 모니터링 데이터에서는 사고 시점에 기록된 “Solar Cell UV limit fault”와 “Inverter MC-off” 이벤트를 확인하였다. Solar Cell UV limit fault는 태양광 입력 DC 전압이설정된저전압범위에도달하였음을나타내며, Inverter MC-off는 인버터 내부 전자접촉기(Magnetic Contactor)가 개방되었음을 의미한다. AC MCCB의 트립 상태와 함께 검토할 때, 사고 과정에서 직류전압 이상과 회로 분리동작이 발생한 것으로 판단된다. AC MCCB 트립당 시 사고전류 계전 데이터는 수집이 불가능하였으며, 단락전류로 인한 트립이 아닌 사고 당시 폭발, 화염으로 인한 트립 여부는 배제할 수는 없다.

그림 1 사고 당시 모니터링 데이터 및 지점

Fig. 1 Monitoring data and point of the accident

사고품 분석 단계에서 IGBT 스택, DC 링크 커패시터, 양·음극판, 절연판, 병렬연결 부스바 및 탭의 손상상태를 조사하였다. 외형검사로 확인하기 어려운 내부 용융과 접속부 손상은 3D X-ray CT 영상을 이용하여 분석하였다.

2.2.2 판부스바 절연손상 및 트래킹 발생 가능성 분석

현장조사 결과, 화재손상은 인버터 내부 전체에 균일하게 분포하지 않고 DC 링크 커패시터와 IGBT가 설치된 스택부에 집중되어 있었다. 스택부에서는 열변색, 탄화, 부품 파괴 및 금속용융이 확인되었다. 태양광 접속반과 외부 전원설비에서 직접적인 사고 흔적이 확인되지 않았다.

그림 2는 DC 링크 커패시터 뱅크를 분리하여 조사한 결과이다. IGBT 스택부는 화염으로 인해 전소하였다. 하지만 내부 및 외부 방열판 등에는 아크 등으로 인한 금속의 용융은 확인이 불가했다. 일부 커패시터의 극판과 병렬연결 부스바에서 용융과 천공이 관찰되었다. 그리고 양극판과 음극판 사이 실측 약 2mm의 절연판은 화재로 인해 전부 탄화되었으며, 일부 구간에서 국부적으로 소실되거나 파괴된 상태를 확인할 수 있다.

절연판의 경우 그림 3과 같이 판부스바와 절연판의 가장자리가 거의 동일한 위치에서 종료되는 적층구조로 확인되었으며, 한쪽 판부스바 가장자리에서 절연재 측면을 따라 반대측 판부스바 가장자리까지의 최단 경로는 절연판 두께와 유사하다. 따라서, 각 극판 사이의 연면거리는 절연판 두께인 약 2mm로 가정하였다. 추가로, 절연판의 전체적인 탄화로 인해 성분분석이 불가능하여 절연재의 종류는 특정하기에 한계가 존재하였다.

그림 2 태양광 PCS 화재 사고 시료 사진

Fig. 2 Photo of the solar PCS fire accident

그림 3 사고 발생 PCS 판부스바 개략도

Fig. 3 Schematic diagram of PCS plate busbar

그림 4와 같이 3D X-ray CT 분석을 통해 부스바 접속부 주변에서도 불규칙한 금속 용융이 확인되었다. 이러한 소손은 외부 화염에 의한 광범위한 열손상보다 특정 국부에 전기적 아크가 집중된 손상 형태에 더 가까운 것으로 사료된다. 부스바와 탭의 일부에서도 용융 또는 단면 손실이 의심되는 영역이 확인되었다.

그림 4 태양광 PCS 3D CT 이미지

Fig. 4 The image of solar PCS 3D CT images

2.2.3 트래킹 소손 추정부 분석

본 PCS 사고에서는 DC 링크 커패시터 뱅크의 양극 및 음극 부스바와 절연판 주변에 손상이 집중되었다. 전위차가 존재하는 판부스바 사이의 절연재에서 누설전류와 국부방전이 반복되면 절연체 표면이 탄화되고, 탄화 영역을 따라 트래킹 경로가 성장하면 아크 또는 단락으로 전이될 수 있다^{[7, 8]}.

그림 5와 같이 트래킹은 절연표면의 수분과 오염물질에 의해 표면저항이 감소하면서 시작될 수 있다. 표면방전이 지속되는 구간에서는 줄열에 의해 수분이 국부적으로 증발하고 건조대역이 형성된다. 건조대역 양단에 전위차가 집중되면 미소방전이 발생하며, 반복적인 방전은 절연재의 표면을 열화시키고 탄화를 촉진한다. 탄화된 경로의 도전성이 증가하면 누설전류와 아크에너지가 커지고, 최종적으로 양극과 음극 사이의 절연파괴가 발생할 수 있다^{[9, 10]}.

그림 5 판부스바간 트래킹 발생 매커니즘

Fig. 5 Mechanism of plate busbar tracking occurrence

2.2.4 연면거리와 절연재 열화의 영향 분석

서로 다른 전위를 갖는 도체 사이의 절연설계에서는 공간거리(Clearance distance)와 연면거리(Creepage distance)를 고려해야 한다.

해당 PCS의 DC 링크 커패시터 구간에는 양극과 음극 사이에 660V 수준의 DC전압이 지속적으로 인가된다. 연면거리의 설계 여유가 충분하지 않은 상태에서 절연표면에 결로, 분진 또는 이물질이 축적되면 표면저항이 낮아지고 누설전류가 증가할 수 있다. 옥외형 PCS는 주·야간 및 계절에 따른 온·습도 변화가 크며, 정지와 운전을 반복하는 과정에서 내부 결로가 발생할 가능성도 있다. 따라서 부스바 절연설계는 정격전압뿐만 아니라 설치 환경, 오염도, 절연재의 내트래킹성 및 결로 가능성을 함께 고려해야 한다.

PV 인버터의 주요 전력전자 부품은 실제 운전조건에 따른 반복적인 전기적·열적 스트레스에 노출되며^{[11- 13],} 특히 DC 링크 커패시터의 열적 스트레스는 수명저하와 밀접한 관련이 있다^[14]. 또한, DC 링크 커패시터와 IGBT 스택에서는 운전 중 발열이 존재하며, 부스바 체결부에서는 진동, 접촉저항에 따른 국부 발열이 발생할 수 있다^{[13, 14]}. 또한, 옥외형 PCS는 여름철 높은 환경온도와 내부 발열이 중첩될 수 있으며, 장기간의 열적 스트레스는 절연재 및 전력전자부품의 열화를 가속할 수 있다. 절연재의 열화 및 노화로 인해 절연저항이 감소하고, 누설전류와 표면방전이 발생하기 쉬운 조건이 형성될 수 있다^[15].

2.3.1 태양광 인버터 유사 화재 사례 1

해당 사례는 2026년 6월에 국내에 발생한 PCS 화재 사례이다. 화재 발생 및 소화 이후 인버터 내부의 소손양상을 조사한 결과, 외형적인 소손 상태만을 근거로 IGBT와 Capacitor 가운데 어느 부품이 최초 화재 원인지 단정하기는 어려우며, 각 부품 및 연결부의 물리적 손상 형태와 사고회로를 종합적으로 분석할 필요가 있었다.

IGBT 스택 및 DC 링크 커패시터 뱅크부에서 가장 심한 열적 손상이 확인되었다. 또한, 외함에는 전기적 단락으로 인한 국부적인 천공이 확인되었다.

DC 링크 커패시터 부의 경우 기존 분석 사례와 유사한 형태로 판부스바가 샌드위치 형태로 양극판-절연판-음극판 순으로 설계되어 있으며, 판부스바 대부분이 전기적 용융으로 대부분 소손되었다.

해당 사례에서는 판부스바의 광범위한 전기적 용융이 확인되어, 판부스바 사이 절연열화 및 아크가 사고 진행에 관여하였을 가능성을 검토할 수 있다. 다만 사고 후 소손상태만으로 최초 고장지점과 원인을 직접 특정하기에는 한계가 있다. 단순 IGBT 스택의 암단락 및 폭발으로 인한 비산물로 인한 화재 확산의 경우 판부스바의 용융 수준이 가능한지 명확하지 않아 추후 분석이 필요하다.

그림 6 유사 PCS 사고 사례 이미지 1

Fig. 6 Images of similar first PCS accident case 1

2.3.2 태양광 인버터 유사 화재 사례 2

2021년 군산에서 발생한 태양광 인버터 화재 사고에서는 분전반 상부의 양극판과 음극판 주변에서 국부적인 소손이 확인되었다. 특히 양극과 음극 사이 절연층 주변에 손상이 집중된 특징을 나타내었다.

해당 사고에서는 PCS 상부에 위치한 양극판과 음극판 사이의 절연층에 수분 또는 이물질이 침투하면서 미소방전이 지속적으로 발생하고, 절연 성능이 점차 저하된 이후 최종적인 절연파괴가 발생한 것으로 추정되었다. 절연파괴 시 발생한 아크와 트래킹이 판부스바의 소손을 발생시키면서 사고가 확대된 것으로 판단된다.

이와 같은 손상 형태는 본 연구에서 분석한 사고의 DC 링크 커패시터 뱅크 및 극판 주변의 손상과 비교적 유사하며, 사고 진행 과정을 나타내는 사고 사례로 보인다. 두 사고 모두 단일 IGBT 내부의 국부적인 단락보다 전위차가 존재하는 양극–음극 사이의 절연 구조에서 이상이 발생하였을 가능성이 주요하게 검토되었다.

그림 7 유사 PCS 사고 사례 이미지 2

Fig. 7 Images of similar second PCS accident case 2

2.3.3 태양광 인버터 유사 화재 사례 3

2021년 서산 지역에서 발생한 태양광 인버터 화재 사고가 발생하여 화재 원인 분석을 수행하였다. 사고품을 조사한 결과 특정 IGBT에서 집중적인 열적·전기적 손상이 확인되었으며, IGBT의 이상동작 또는 암단락에 의해 사고가 발생한 것으로 추정되었다.

특히 이 사고에서는 IGBT가 심하게 손상된 반면, 주변 DC 링크 커패시터에서는 기존 사례와 대비하여 상대적으로 뚜렷한 소손이 확인되지 않았다. 이는 IGBT 내부에서 순간적인 단락이 발생한 이후 보호장치가 비교적 빠르게 동작하면서 사고 에너지가 제한되었기 때문일 가능성이 있다.

즉, IGBT에서 전기적 이상이 발생하더라도 보호장치에 의해 고장전류가 조기에 차단되는 경우에 인접한 DC 링크 커패시터 및 주변 부품으로 화재 확산이 상대적으로 제한될 수 있음을 추정할 수 있다. 또한 기존 화재 사례의 경우 IGBT 및 DC 링크 커패시터가 공통으로 열적 소손이 발생하였지만, IGBT 암단락으로 인한 소손을 일부 배제할 수 있는 사례로 평가할 수 있다.

그림 8 유사 PCS 사고 사례 이미지 3

Fig. 8 Images of similar third PCS accident case 3