태양광·배터리·연료전지의 전기를 계통에 내보내는 인버터가 미국 시장에 들어가려면 거쳐야 하는 안전 표준 UL 1741을 처음부터 읽는 강의의 첫 회다. 이 표준이 무엇을 다루고 무엇을 다루지 않는지, 세 개의 보충(SA·SB·SC)이 왜 붙었는지, 그리고 뒤의 모든 조항이 기대는 용어 정의를 정리한다.
지붕 위 태양광 패널이 만드는 전기는 직류이고, 집과 전력망이 쓰는 전기는 교류다. 이 둘을 잇는 장치가 인버터다. 인버터는 전력 전자 장치이므로 감전과 화재의 위험을 안고 있고, 동시에 전력망과 병렬로 연결되어 전기를 내보내므로 전력망의 전압과 주파수를 흔들 수도 있다. 그래서 인버터에는 성격이 다른 두 종류의 규칙이 동시에 걸린다. 하나는 장치 자체가 사람과 건물에 해를 끼치지 않게 하는 안전 규칙이고, 다른 하나는 장치가 전력망과 어떻게 협조해야 하는지를 정하는 연동 규칙이다.
미국에서 이 두 규칙을 한 문서에 담은 것이 UL 1741이다. 정식 명칭은 「분산 에너지 자원과 함께 쓰는 인버터, 컨버터, 컨트롤러 및 계통연계 시스템 장비에 관한 안전 표준」이고, 발행 주체는 ULSE(UL Standards & Engagement)다. ULSE는 1894년 설립된 미국의 안전 시험·인증 기관 UL(Underwriters Laboratories)에서 표준 제정 기능을 떼어 만든 비영리 조직으로, UL 계열 표준의 저작권을 갖고 개정을 관리한다. 제품을 실제로 시험하고 인증 마크를 붙이는 일은 UL Solutions나 Intertek 같은 시험소가 한다. 이런 시험소를 미국 산업안전보건청(OSHA)이 승인한 경우 NRTL(Nationally Recognized Testing Laboratory, 국가 공인 시험소)이라 부르며, 미국 전기설비 기준은 이 NRTL이 표준에 따라 인증(listing)한 장비만 설치하도록 요구한다.
UL 1741 제1판은 1999년 5월, 제2판은 2010년 1월, 지금 쓰이는 제3판은 2021년 9월 28일에 나왔다. 제3판은 2022년 10월, 2026년 5월 21일, 2026년 8월 14일에 개정되었다. 2026년 5월 개정은 양방향 전기차 충전 설비를 다루는 보충 SC를 추가했고, 2026년 8월 개정은 중전압(1000 V 초과 교류, 1500 V 초과 직류) 장비에 관한 조항을 대폭 확장했다. 이 강의는 8월 개정까지 반영된 판본을 기준으로 삼는다. 발행일이 1999년이라는 사실은 이 표준이 태양광 보급 초기부터 있었다는 뜻이고, 2016년 이후 보충이 셋이나 붙었다는 사실은 원래의 안전 표준으로는 담을 수 없는 계통 연동 요구가 그만큼 늘었다는 뜻이다.
제1절 적용 범위(Scope)는 여섯 항으로 되어 있다. 1.1은 대상을 정한다. 인버터, 컨버터, 충전 컨트롤러, 그리고 계통연계 시스템 장비(ISE, Interconnection System Equipment)로서, 독립형(계통과 연결하지 않는) 시스템이나 연동형(계통과 연결하는) 시스템에 쓰이는 장비다. 연동형 장비는 전력계통(EPS, Electric Power System)과 병렬로 운전하면서 공통 부하에 전력을 공급하는 장비로 정의된다. 여기서 EPS는 부하에 전력을 전달하는 설비 전체를 가리키는 말이며, 가장 흔한 예가 전력회사의 배전망이다.
1.2는 이 표준의 위치를 정한다. 연동형 장비에 대해 UL 1741은 IEEE 1547(분산 자원의 전력계통 연계 표준)과 IEEE 1547.1(그 연계 요건에 대한 적합성 시험 절차 표준)을 보완하고 함께 쓰이도록 만들어졌다. IEEE 1547은 미국 전기전자학회(IEEE)가 2003년 처음 제정한 표준으로, 분산 전원이 배전망에 붙을 때 전압·주파수가 정상 범위를 벗어나면 얼마나 빨리 끊어져야 하는지, 전력 품질은 어떠해야 하는지, 단독운전을 어떻게 막아야 하는지를 정한다. 2005년 미국 에너지정책법이 IEEE 1547을 분산 전원 연계의 국가 표준으로 지정했다. 그러나 IEEE 1547은 요구 성능을 적을 뿐 인증 마크를 주지 않는다. 그 성능을 어떻게 시험해서 인증할지는 UL 1741이 정한다. 두 문서의 관계를 한 문장으로 적으면, IEEE 1547이 합격 기준이고 UL 1741이 시험 방법과 인증 절차다.
1.3과 1.4는 대상을 넓힌다. 평판형 태양광 모듈과 인버터를 하나로 합쳐 교류를 내는 AC 모듈, 그리고 다른 대체 에너지원이나 독립 전원을 인버터·컨버터·충전 컨트롤러·ISE와 시스템 단위로 조합한 전력 시스템까지 포함한다. 1.5는 설치 기준을 명확히 한다. 이 표준이 다루는 제품은 미국 전기규정(NEC, National Electrical Code, NFPA 70)에 따라 설치되는 것을 전제한다. NEC는 미국 방화협회(NFPA)가 3년마다 개정하는 전기 설비 설치 규정으로, 각 주와 지방정부가 조례로 채택해 법적 효력을 갖는다. UL 1741의 여러 조항이 NEC의 특정 조항(690.7, 690.12 등)을 직접 인용하는 이유가 여기 있다. 제품 표준과 설치 규정이 서로를 참조하는 구조다. 1.6은 급속차단 장비와 시스템도 이 표준의 대상임을 밝힌다. 급속차단은 화재 진압 때 소방관이 지붕 위 태양광 배선의 전압을 빠르게 낮출 수 있게 하는 기능으로, 2014년판 NEC 690.12에서 처음 요구되었다.
문서의 뼈대는 다음과 같다. 본문은 1절부터 103절까지이고, 크게 여덟 묶음으로 나뉜다. 도입(1~5절: 적용 범위, 용어, 부품, 단위, 참조), 구조(6~36A절), 상해 위험 방지(37~41절), 출력 특성과 연동 호환(42~43A절), 성능(44~64C절), 정격(65절), 표시(66~69절), 제조·생산 시험(70~71절)이다. 이어서 제품 종류별 부록 격인 절이 붙는다. 충전 컨트롤러(72~83절), 전자장치가 결합된 AC 모듈과 PV 모듈(84~91절), 급속차단 장비와 시스템(92~103절)이다. 절 번호에 A·B·C가 붙은 것(7.2A, 15A, 22A, 32A, 43A, 47A, 64A 등)은 개정 때 기존 번호 사이에 끼워 넣은 절이며, 대부분 중전압 장비와 아크·사이버보안처럼 나중에 추가된 주제다.
그 뒤에 세 보충이 있다. 보충 SA는 계통 지원 연동 장비(Grid Support Utility Interactive Equipment)를 다룬다. 2016년 9월 UL이 발표한 것으로, 캘리포니아 공익사업위원회(CPUC)가 배전망 연계 규정인 Rule 21을 개정해 요구한 스마트 인버터 기능, 곧 전압·주파수가 흔들려도 곧바로 끊어지지 않고 버티는 라이드스루, 무효전력 공급, 출력 상승 속도 제한 같은 기능을 시험하기 위해 만들어졌다. 캘리포니아와 하와이는 2017년 9월부터 SA 인증을 요구했다. 보충 SB는 2018년 4월 개정된 IEEE 1547-2018과 2020년 발행된 시험 절차 IEEE 1547.1-2020에 맞춘 인증 경로이며, 제3판이 나온 2021년 9월에 함께 들어갔다. SA가 캘리포니아 Rule 21이라는 특정 규정을 따라 만든 시험이라면, SB는 국가 표준 IEEE 1547-2018 자체를 따르는 시험이다. 보충 SC는 2026년 5월 추가되었고, SAE J3072(차량 탑재 양방향 인버터의 계통 연계 요건)를 따르는 전기차와 짝을 이루는 교류 양방향 충전 설비(BEVSE)를 다룬다. 마지막의 부속서 A는 부품에 적용되는 표준 목록이다.
이 구성에서 한 가지를 미리 읽어 둘 필요가 있다. 본문 42~43절의 연동 호환 요구는 2003년판 IEEE 1547을 전제로 쓰였고, 그때의 인버터는 계통 이상이 생기면 빨리 끊어지는 것이 미덕이었다. 보충 SA와 SB는 반대로 끊어지지 말고 버티라고 요구한다. 같은 문서 안에 두 시대의 철학이 나란히 남아 있고, 용어 정의가 그 둘을 구별하는 장치다.
2.1.1은 이 표준에서 "unit"이라는 낱말이 표준이 다루는 모든 제품을 가리킨다고 정하고, 2.1.2부터 2.1.54까지의 정의가 문서 전체에 적용된다고 밝힌다. 정의는 알파벳순이지만, 이해를 위해 성격별로 묶어 읽는다.
인버터(2.1.23)는 직류를 교류로 바꾸는 전자 장치다. 컨버터(2.1.9)는 교류나 직류를 받아 다른 형태의 교류나 직류로 바꾸는 장치인데, 부하에 직접 전력을 공급하는 교류 출력 컨버터는 별도 언급이 없으면 인버터의 모든 요건을 그대로 적용받는다(6.2도 같은 취지다). 충전 컨트롤러(2.1.6)는 태양광 시스템의 축전지 충전 과정을 제어하는 장치이고, 직렬 충전 컨트롤러(2.1.45)는 태양광 어레이와 배터리 사이에 직렬로 들어가 온·오프, 펄스폭 변조(PWM), 선형 제어 중 한 방식으로 동작하는 제어 요소다. PWM 충전(2.1.39)은 배터리 전압이 정전압 조절 구간에 이르도록 재접속 설정점(Vrr)을 차단 설정점(Vr)에 가깝게 두고 스위칭 비율로 전류를 점차 줄이는 방식이다. 전압 조절 설정점(Vr, 2.1.53)은 충전 컨트롤러가 배터리를 허용하는 최대 전압이고, 전압 조절 재접속 설정점(Vrr, 2.1.54)은 그 뒤 어레이를 다시 붙이는 전압이다.
AC 모듈(2.1.2)은 태양전지, 광학계, 인버터 등을 한 몸으로 담아 햇빛에서 곧바로 교류를 만드는 가장 작은 완결 단위이며, 추적 장치는 제외한다. 전자장치 결합 PV 모듈(PVIE, 2.1.40)은 전자장치가 물리적으로 붙은 PV 모듈이다. 계통연계 시스템 장비(ISE, 2.1.22)는 분산 자원을 EPS에 연계할 때 보호와 제어 기능을 맡는 부품 또는 부품 조합이며, 인버터든 비인버터형 분산 자원이든 그 안의 제어 하위 조립품일 수 있다. 외부 변압기(2.1.31)는 제품 밖에 있지만 제조사가 정상 동작에 반드시 필요하다고 지정한 절연 변압기로, 접지 도체가 있는 설비에서 순환 지락 전류를 막기 위해 쓰는 경우가 예시로 나온다.
이 표준의 뒤쪽 절들은 제품이 어느 범주에 속하느냐에 따라 적용 조항이 달라지므로, 다음 네 정의가 가장 자주 쓰인다.
| 등급(정의 조항) | 명판 명칭 | 적합해야 하는 문서 |
|---|---|---|
| 독립형 인버터(2.1.48) | Stand-alone | 본문 안전 요건 + 48.2.1·48.4.1(출력 정격·고조파) |
| 계통 연동 인버터·ISE(2.1.52) | Utility-Interactive | IEEE 1547-2003 + IEEE 1547.1-2005 |
| 계통 지원 연동 인버터·ISE(2.1.18) | Grid Support Utility Interactive | 보충 SA(SRD 기반) 및/또는 보충 SB(IEEE 1547-2018) |
| 특수 목적 연동 제품(2.1.47) | Special Purpose | 제조사가 밝힌 정격과 특정 연계 요건의 해당 부분 |
연동 장비(2.1.21)는 이들을 아우르는 총칭이다. EPS와 병렬 운전하는 장비 전체를 가리키며, 인버터·컨버터·회전기 같은 발전원뿐 아니라 연계 감시·보호·제어를 수행하는 ISE도 포함한다. 단독운전 보호(2.1.24)는 인버터와 일부 전력회사 부하가 나머지 계통에서 분리된 채 계속 운전되는 것을 막는 보호다. 배전선이 끊어졌는데 인버터가 그 구간에 계속 전기를 공급하면 복구 작업자가 감전될 수 있기 때문에, 연동 인버터의 가장 오래된 요건이 이 보호다.
안전 표준은 회로를 위험 수준에 따라 나누고, 위험이 낮은 회로에는 이격거리·절연·과전류 보호 요건을 완화한다. 그 경계를 정하는 정의들이다.
| 구분(조항) | 전압 한계 | 에너지·전원 조건 |
|---|---|---|
| LVLE 회로(2.1.30) | 교류 30 V rms(42.4 V 피크) 이하, 직류 60 V 이하 | 클래스 2 변압기, 격리 2차+저항망, 격리 배터리 중 하나 |
| LE 회로(2.1.28) | 1000 V 이하 | 변압기 2차·저항·조절 회로망으로 100 VA 제한 |
| 대전류 위험(2.1.41) | 2 V 이상 | 연속 240 VA 이상 또는 무효 에너지 20 J 이상이면 위험 |
| 저전압 / 중전압(2.1.29A, 2.1.33A) | 교류 1000 V·직류 1500 V가 경계 | 중전압 구획은 접지 금속 격벽으로 분리 |
1차 회로(2.1.38)는 분기회로에 도전적으로 연결된 배선과 부품이고, 2차 회로(2.1.44)는 절연 변압기의 2차 권선에서 공급되는 회로다. 절연 회로(2.1.25)는 절연 변압기나 광·자기 결합 소자로 분리된 회로이며, 절연 변압기(2.1.26)는 1차와 2차 권선이 전기적으로 분리되고 정상·과부하 조건 모두에서 권선 사이, 권선과 철심 사이, 인접한 2차 권선 사이에 화재·감전 위험을 낳는 연결이 없도록 만들어진 변압기다. 분기회로(2.1.4)는 배전반의 최종 과전류 보호 장치 이후, 영구 접속 제품의 교류 출력 현장 배선 단자를 보호하는 건물 배선 부분이고, 바이패스 전원(2.1.5)은 인버터의 전력 변환부가 부하에 전력을 공급하지 않을 때 부하가 대신 연결되는 분기회로나 발전기다. 접지 도체(2.1.19)는 의도적으로 접지한 계통 또는 회로 도체다.
외함(2.1.14)은 (a) 화재·감전·상해 위험이 있는 부분에 대한 접근과 (b) 내부 전기 이상으로 생긴 불꽃·스파크·용융 금속의 전파 위험을 막는 정도의 보호를 주도록 만든 겉 케이스다. 보호 등급(2.1.11)은 외함이 상해 위험 부분에 대한 접근, 고체 이물, 물의 침입을 표준화된 시험으로 확인해 얼마나 막는지의 정도다. 배리어(2.1.3)는 외함 안에서 위험 부분에 대한 접근을 줄이는 부품이고, 가드(2.1.20)는 외함 밖에서 상해 위험 부품에 대한 접근을 줄이는 부품이다(38절 참조). 문(2.1.12A)은 경첩과 손으로 여는 걸쇠가 있는 덮개다. 녹아웃(2.1.27)은 설치 때 망치·드라이버·펜치로 쉽게 떼어 배관이나 케이블 부속을 붙일 구멍을 만들 수 있게 가공된 외함 벽 부분이다.
활선부(2.1.29)는 정상 사용 중 대지에 대해 전위차가 있는 도전 부품이다. 안전 회로(2.1.42)는 화재·감전·상해·대전류 위험을 줄이는 데 쓰이는 1차 또는 2차 회로이고, 안전 인터록(2.1.43)은 위험이 제거될 때까지 위험 구역 접근을 막거나 접근 시 자동으로 위험을 제거하는 수단이다. 서비스 요원(2.1.46)은 장비의 구조와 동작, 관련 위험을 잘 아는 훈련된 사람이며, 이 표준의 접근성 요건은 일반 사용자와 서비스 요원을 구별해 적용한다. 공구(2.1.50)는 드라이버, 동전, 열쇠처럼 나사나 걸쇠를 조작할 수 있는 모든 물건이다. 동전이 공구에 포함된다는 정의 때문에, 동전으로 돌릴 수 있는 나사는 "공구 없이 열 수 있는" 것으로 취급되지 않는다.
고정형 제품(2.1.17)은 기계적·전기적으로 영구 접속되어 공구로만 분리할 수 있는 제품이고, 영구 접속 제품(2.1.35)은 코드와 플러그가 아닌 수단으로 전원에 연결된 제품이다. 현장 배선 리드(2.1.15)와 현장 배선 단자(2.1.16)는 설치자가 전원·부하·기타 선을 연결하도록 마련한 리드선과 단자다. 압착 단자 커넥터(2.1.37)는 납땜 없이 압력으로 도체를 접속하는 단자로, 배럴·세트스크류형, 크림프 배럴형, 클램핑 플레이트·나사형이 예시다. 전력 커넥터(2.1.36)는 시험 대상 장치의 주 입출력 전력을 나르는 단일 또는 다중 도체 커넥터이며, 제어·통신·데이터 신호용은 제외한다. 단로 장치(2.1.12)는 회로 도체를 전원·소스·전력회사·부하에서 분리하는 장치다.
표준 시험 조건(STC, 2.1.49)은 조사강도 100 mW/cm²(1000 W/m²), 대기질량 AM 1.5 스펙트럼, 셀 온도 25 °C다. 개방전압(Voc, 2.1.34)은 STC에서 PV 모듈이나 패널의 무부하 최대 출력 전압이다. 최대 시스템 전압(2.1.33)은 결정질·다결정 실리콘 모듈이면 Voc에 NEC 690.7의 온도 보정 계수를 곱한 값이고, 비정질·박막 모듈이면 Voc 그 자체다. 태양전지는 온도가 낮을수록 전압이 오르므로, 겨울 새벽의 개방전압이 설계 기준이 된다. 최대 입력 단락전류(Isc max, 2.1.32)는 시험 대상 장치의 직류 포트가 연결되도록 정격된 최대 예상 단락전류이며, PV 어레이·배터리·저장장치 어느 쪽에서든 올 수 있다. 주석은 NEC 적합 설비에서 이 값이 PV 어레이 단락전류의 1.25배에 해당한다고 설명한다. 직류 지락 검출·차단기(2.1.10)는 PV 어레이의 지락을 검출하고 직류 회로의 고장 경로를 끊어 어레이를 보호하는 장치다. 총고조파 왜율(THD, 2.1.51)은 고조파 성분의 실효값을 기본파 실효값으로 나눈 백분율이며, 정의에 계산식이 함께 실려 있다.
2.2절은 급속차단 장비와 시스템에만 쓰이는 정의를 따로 둔다. 제어 도체(2.2.2)는 NEC 690.12의 급속차단 요건을 받는 PV 시스템 도체로, PV 소스·출력 도체, 인버터 직류 입력 도체, 인버터 교류 출력 도체, 충전 컨트롤러의 입출력 도체, PV 직류원에 직접 붙은 저장장치의 도체를 모두 포함할 수 있다. 감쇠(2.2.1)는 제어 도체의 전압이나 전류 또는 둘 다를 줄여 가용 에너지를 요구 수준까지 낮추는 것이며, 능동 전자 회로든 소산 방식이든 허용된다. 제어 상태(2.2.3)는 급속차단이 작동했을 때 제어 도체의 전압·VA·전류가 이 표준의 안전 사양 안에 들어온 상태다.
PV 급속차단 장비(PVRSE, 2.2.6)는 PVRSS 안에서 제어 도체를 개시·분리·격리·감쇠하는 데 쓰이는 장비이고, PV 급속차단 시스템(PVRSS, 2.2.7)은 PVRSE로 구성되어 개시와 함께 분리·격리·감쇠까지 수행하는 시스템이다. 개시 장치(2.2.4)는 급속차단 기능을 작동시키는 수동·자동 스위치, 입력 포트, 신호이고, 리셋 장치(2.2.9)는 시스템을 정상 상태로 되돌리는 장치이며, 상태 표시기(2.2.11)는 급속차단 명령이 실제로 실행되었음을 조작자에게 눈으로 확인시키는 표시기다. 급속차단 시간 한계(2.2.8)는 PVRSE나 PVRSS가 98.1절의 요구 수준에 도달하는 정격 시간이며 NEC 690.12의 한계를 넘을 수 없다. 주석은 2017년판 NEC와, 2016년 8월 13일자 잠정 개정 TIA 14-10으로 수정된 2014년판 NEC가 응답 시간을 30초 이내로 정한다고 적는다. 동시(2.2.10)는 시험에서 여러 스위칭 사건이 의도적 지연 없이 일어난다는 뜻이며 시험 회로는 시간차를 최소화해야 한다. 공칭 동작 셀 온도(NOCT, 2.2.5)는 조사강도 80 mW/cm², 주위 온도 20 °C, 풍속 1 m/s, 개방 회로, UL 1703에 따른 장착 조건에서 셀 접합부가 이르는 평형 온도다.
3.1은 이 표준이 다루는 제품의 부품이 해당 부품 표준을 만족해야 한다고 정하고, 자주 쓰이는 부품 표준의 목록을 부속서 A로 넘긴다. 3.2는 두 가지 예외를 둔다. 부품 표준의 어떤 요건이 이 제품에서 쓰이지 않는 기능에 관한 것이거나, 이 표준의 요건으로 대체되는 경우다. 3.3은 부품을 의도된 사용 조건에서 정해진 정격 안에서 써야 한다고 하고, 3.4는 구조가 불완전하거나 성능이 제한된 부품은 정해진 조건(예: 특정 온도 이하)에서만 써야 한다고 한다. 4.1은 괄호 없이 적힌 값이 요구값이고 괄호 안 값은 설명이나 근사값이라고 정한다. 이 표준은 SI 단위를 앞에 쓰고 인치·파운드 단위를 괄호에 넣으므로, 요구값은 미터법 쪽이다. 5.1은 연도 없이 인용된 규정·표준은 최신판을 뜻한다고 정한다.
UL 1741은 1999년에 인버터의 감전·화재 안전을 위해 만들어진 제품 표준이고, 그 위에 2016년 SA, 2021년 SB, 2026년 SC라는 세 겹의 계통 연동 시험이 얹혔다. 안전 요건은 6절부터 71절까지 구조·성능·표시·제조 시험의 순서로 배열되어 있고, 충전 컨트롤러·AC 모듈·급속차단 장비는 제품별 부록 절이 따로 있다. 연동 요건은 본문 42~43절이 IEEE 1547-2003 시대의 기본을 담고, 보충들이 각각 캘리포니아 Rule 21, IEEE 1547-2018, SAE J3072를 따라 고급 기능을 시험한다.
이 구조에서 용어 정의의 역할이 보인다. 독립형이냐 연동형이냐, 계통 연동이냐 계통 지원이냐, LVLE 회로냐 1차 회로냐, 저전압이냐 중전압이냐에 따라 뒤의 어느 절이 적용되는지가 정해진다. 2절을 읽지 않고 7절 이후를 읽으면 왜 어떤 회로는 이격거리 시험을 면제받고 어떤 회로는 절연내력 시험을 두 배 전압으로 받는지 알 수 없다. 다음 강의부터 구조 요건을 절 순서대로 읽되, 각 조항이 어느 정의에 기대어 있는지를 함께 표시한다.
남는 물음은 본문의 오래된 연동 요건과 보충의 새 요건이 실제 인증에서 어떻게 공존하는가다. 계통 지원 인버터도 본문 42~43절의 시험을 받는지, 아니면 보충이 그것을 대체하는지는 보충 SA5와 SB4를 읽을 때 답할 수 있다.