가스절연 송전선로(GIL, Gas Insulated Transmission Line)는 1974년 독일 Schluchseewerk 수력발전소 구내에서 변압기와 가공선로를 연결하기 위해 도입된 후 지금까지 전 세계적으로 100km이상 설치되어 운전되고 있다.
최초 도입부터 대략 2000년 이전까지를 1세대 GIL이라고 구분하며, 1세대 GIL의 특징은 절연가스로 SF6를 사용하고, 볼트 및 프렌지 접속을 사용하여 선로를 구성하는 등, 변전소 GIS(Gas Insulted Switchgear) 기술을 사용하여 개발되었으며, 길이 500m 이하의 짧은 거리를 가진 변전소나 발전소 구내에서 제한적으로 사용되었다.
그러나 오늘날 전 세계적으로 대용량 가공송전선로 건설을 위한 경과지 확보가 어렵고, 대도시 확장 및 신도시 개발 등으로 발생하게 되는 환경민원으로 인하여 가공송전선로 건설이 어렵게 되어, 이에 대한 대응수단으로써 친환경 대용량 지중전력전송 시스템인 GIL의 적용이 활발히 검토되었다.
그 결과 2000년대부터는 절연가스로 N2/SF6(SF6 20%이하) 혼합가스를 사용하고, GIL 연결을 자동화 용접방식으로 적용하여 500m 이상의 장거리 선로를 비교적 경제적으로 구성할 수 있는 2세대 GIL이 개발되어 현장에 적용되고 있다.
2세대 GIL은 1세대 GIL에 비하여 설치비용이 50%정도 대폭 절감됨으로써 현재 일본, 스위스, 태국, 영국 등지에서 적용되고 있으며 꾸준히 설치 수요가 창출되고 있는 것으로 나타나고 있다.
GIL은 가공송전선로에 필적하는 대용량 송전능력을 보유하고 있다.
송전용량은 배치상태, 대기온도, 환기조건들에 따라 다르나 보통 공기 중에서 4000~5000A이상의 전류용량과 63kA의 단락전류 용량을 가진다.
또한 GIL은 지상설치, 전력구 및 직매포설 등과 같이 다양한 배치 및 포설이 가능하여 선로상황과 환경여건에 따라 융통성 있는 대응이 가능하다.
GIL은 도체가 금속외함에 수납되어 있어서 가공선로에 비하여 기상조건에 덜 민감하고, 설비 고유특성상 기존 지중케이블 시스템보다 전류용량은 많고 정전용량이 적다는 특성이 있으며, 전자계 저감효과가 매우 커 최근의 전자계 민원 해결에도 매우 유리하다.
그리고 지중케이블 선로와는 달리 가공선로와 통합하여 재폐로 운전 등이 가능하며, 드문 경우이기는 하나 사고발생시 화재발생의 우려가 없다는 장점도 있다.
GIL의 기본 구조는 설계조건에 따라 다르나 현재 일반적으로 사용되고 있는 2세대 GIL의 구조는 <그림 1>과 같다.
도체는 특별히 알루미늄합금 튜브 형태로 큰 단면적을 갖도록 만들어 진다. 도체의 단면적이 크기 때문에 전기저항이 매우 낮게 되어 많은 전류를 원활히 흘릴 수 있으며 같은 용량의 선로일 경우 가공이나 지중케이블 선로보다 손실이 적다.
도체의 길이는 시공현장의 상황 및 여건에 따라 다르나 보통 12~18m 단위로 제작되어 현장에서 플러그인 타입으로 조립된다. 도체는 직선형 또는 원추형 지지절연체에 의하여 외함 내부에서 <그림 2>처럼 지지된다.
외함 역시 알루미늄 합금으로 제작되며, 2000년대 이후에는 현장 작업으로 인한 오차 가능성을 최대한 배제하기 위하여 자동용접 과정을 거쳐 단위 유니트를 서로 연결하여 선로를 구성한다.
현재 GIL 시스템에서는 절연가스로 N2/SF6 혼합가스를 사용하여 도체와 외함 사이의 절연을 확보하고 있다. 가스충전시 혼합가스는 순수 SF6 가스 보다 높은 내부압력 유지 등 복잡한 가스조작 기술이 필요 하나, 순수 SF6 가스 대신 N2와 SF6 (10~20%)를 혼합하여 절연가스로 사용하는 것은 SF6 가스 사용량을 상당히 감소 시켜서 최근의 국제 사회적 이슈인 온실가스 사용량을 축소시킬 수 있다.
한편, 국내에서도 신도시 개발로 인한 대규모 택지개발, 대도시의 팽창 등으로 인하여 기존에 설치된 가공송전선로의 친환경적 대체 수요가 생겨나고 있다.
이러한 움직임은 대용량 가공선로를 지중화 하라는 요구가 증대되고 있으며, 이에 따라 345kV급 이상의 가공선로에 대응하는 용량을 가지면서 자동재폐로 운전 등 계통의 안정적 운영에도 유리한 신개념의 지중송전 시스템의 도입이 필요하게 되었다.
현재 GIL은 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 유력한 대용량 지중송전 시스템으로써 고려되고 있으며 국내 도입 및 상업 운전을 위한 계획이 수립되어 있는 상태이다.
이러한 국내·외적인 상황변화에 따라 GIL 시스템 개발에 대한 연구 필요성이 인정되어 현재 345kV급 GIL 시스템 개발 연구가 산업자원부에서 주관하는 정부주도 과제로 추진되고 있으며, 여기에 LS전선, 한전 등에서 345kV급, 2세대 GIL 시스템의 개발 및 적용을 목표로 적극 참여하고 있다.
이 중 한전(전력연구원 전력계통연구소, 소장 명근식)가 담당하고 있는 부분을 구체적으로 살펴보면, 과제명은 ‘GIL 실계통 적용을 위한 연구’이며, 연구기간은 2007년 8월부터 2011년 7월까지 4년간으로, 국내에서 개발하는 GIL의 신뢰성 평가와 실계통 적용시의 문제점을 사전검토 및 해결 하는 것이다.
이 연구의 주요내용은 ①국산개발 GIL의 국내 계통연계 설계기술 개발(접지, 가공 및 지중연계, 보호협조, 설계사양 검토), ②국산개발 GIL의 실계통 도입전 신뢰성평가(GIL 시험평가 인프라 구축, Type Test, PQ Test 등 국제 인증시험), ③국산개발 GIL의 실계통모의 실증시험 및 진단기술 개발 등이다.
GIL의 성공적인 국내 적용을 위해서는 실계통 적용 전단계의 시험평가가 매우 중요한 요소로서 대두되는 데, 이러한 시험평가는 고창 지중케이블 실증시험장에 GIL 시험선로 및 설비를 구축하여 자체기술로 수행될 예정이며 실증시험장을 활용하므로써 국내에서 개발되는 GIL 시제품의 시험평가를 위한 외화 유출방지 및 향후 고창전력시험센터가 국제적 시험기관으로 발돋움 하는데 필요한 기술력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
- 윤형희 지중케이블그룹장
(한전 전력연구원 전력계통연구소)
<그림 1> GIL 구조
<그림 2> GIL 도체 및 지지대