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연재-미래형 전력망 기술 해설 ⑫초전도 전력시스템
고온 초전도 기술 상용화 ‘성큼’
2011년 07월 01일 (금) 17:39:13 한국전력신문 webmaster@epnews.co.kr

전력산업에서 초전도 기술이 차지하는 비중은 얼마나 될까? 이제 막 한, 두가지 초전도 기기가 실제의 전력망에 진입하는 단계에서 미래를 예상하는 것은 쉽지 않다. 그러나 초전도 기술이 갖고 있는 다양한 장점을 고려한다면 그 비중이 적지는 않을 것으로 보인다.

국내외적으로 전력망에 적용하기 위해 연구가 진행되고 있는 초전도 전력기기는 여러 가지가 있는데, 초전도전력저장장치, 초전도 변압기, 초전도 발전기(전동기), 초전도케이블, 초전도 한류기 등이 대표적인 것들이다. 그 중에서도 실용화에 가장 근접한 것은 초전도케이블과 초전도한류기이므로 국내에서도 이들에 대한 기술개발과 현장적용이 가장 활발히 이뤄지고 있다.

국내에서 본격적으로 고온 초전도케이블 연구가 시작된 지도 올해로 10년이 됐다. 그동안 정부, 한전, 기업체, 연구기관, 대학 등의 공동 노력의 결과, 현재는 초전도케이블 시스템의 제조기술과 적용기술 등에서 세계 최고 수준에 도달했다.

사용전압 22.9kV급 초전도케이블은 이미 한전의 이천변전소에 설치를 완료해 계통전압 인가시험을 성공적으로 마쳤으며, 금년 8월 중에 실제의 부하를 인가해서 상업운전에 들어갈 예상이다. 그리고 154kV 초전도케이블도 국내기술로 개발이 완료돼 한전의 고창PT센터에서 실증시험을 진행하고 있다.

이천변전소에 설치된 초전도케이블시스템은 초전도케이블(길이 410m), 단말장치, 중간접속함, 냉각시스템, 감시제어장치 등으로 구성돼 있다. 초전도케이블의 형태는 세계적으로 가장 많이 채택되고 있는 저온절연형이며, 하나의 자켓에 A, B, C상 3가닥이 함께 들어가는 삼상일괄형 코어 구조이다.

송전용량은 50MVA(1250A)로서 같은 단면적의 기존 구리케이블에 비해 5배의 대용량 송전이 가능하다. 도체를 제외한 모든 부품이나 제조기술은 국산화가 이뤄 졌으나, 케이블의 도체로 사용된 초전도체는 2세대 선재인 YBCO를 미국에서 수입했다. 초전도케이블은 섭씨 영하 200도 부근의 극저온환경에서 동작하므로 냉각장치가 필수적이다.

이천변전소에서 채택하고 있는 냉각시스템은 진공펌프를 사용한 액체질소감압방식이며, 초전도케이블시스템 전체의 열부하는 약 5kW 정도이다.

초전도케이블을 이천변전소에 설치한 후 현재까지 무부하 열손실시험, DC 임계전류시험, 교류손실시험, 무부하 계통전압 인가시험 등을 완료했다.

시험 도중에 중간접속함에서 과도한 발열현상이 나타남으로써 중간접속함을 해체 후 재조립 하는 등 보완작업을 거치기도 했다. 앞서 언급한 대로 이천변전소의 22.9kV, 50MVA 급 초전도케이블시스템은 금년 8월 중에 상업운전을 시작할 예정이다.

한편, 전북 고창군에 위치한 한전 고창PT센터에서는 154kV급 초전도케이블의 실증시험이 진행되고 있다. 154kV급 초전도케이블의 송전용량은 1000MVA이고 길이는 100m이며 이번의 실증시험은 금년 7월초에 완료될 예정이다.

154kV급 초전도케이블에 대한 냉각설비는 하이브리드 방식으로서, 액체질소감압식과 냉동기 방식의 두 가지를 동시에 가동해 초전도케이블시스템 전체 열부하를 감당하고 있다.

초전도한류기는 초전도체를 이용해 전력계통에서 발생하는 고장전류를 제한하는 기기이다. 초전도한류기는 저항형, 복합형, 자기차폐형, 포화철심형, DC 리액터형 등 다양한 종류가 있는데, 동작원리가 가장 간단한 저항형 한류기의 경우 초전도체에 고장전류가 흐를 때 순간적으로 초전도성을 잃어 전기저항이 발생하는 성질을 이용해 고장전류를 억제한다.

한전에서 개발해 이천변전소에 설치를 완료한 초전도한류기는 복합형 초전도한류기로서 사용전압이 22.9kV이고, 정격전류는 630A급이다(삼상). 복합형한류기에서 초전도체는 고장전류를 감지하는 역할을 하고, 고장전류 제한은 한류리액터가 담당한다. 한류리액터의 인덕턴스 값을 조정해 고장 시 전력계통이 필요로 하는 한류임피던스를 결정할 수 있으므로 계통적응성이 양호하다는 점 등 다음과 같은 여러 가지 장점을 갖는다.

가. 초전도체로만 제작한 한류기에 비해 초전도 재료의 사용량이 현저히 감소 (제작비 저감)
나. 교류손실 문제 해결 (유지비용 저감)
다. 냉각비용 감소
라. 소형경량화로 인한 경제성 확보
마. 재폐로 및 보호협조 용이

복합형초전도한류기의 주요 구성요소는 초전도 소자, 냉각장치, 고속스위치 등이다. 초전도 소자는 2세대 선재인 CC(Coated Conductor)를 사용해 제작했고, 한 상당 선재의 소요 길이는 24m였다. 각각의 초전도소자에 대해 최소한류동작 전류 및 절연성능 시험을 거쳤으며, 고장발생시 보호계전기와의 협조도 원활함을 확인했다.

냉각장치로서는 초전도 소자의 회복특성과 절연특성의 향상을 위해 액체질소 과냉방식을 채용했으며, 운전 인력의 절감을 위해 무인운전이 가능하도록 설계했다. 고속스위치는 고장이 발생했을 때 수 밀리초(ms) 이내에 고장전류가 주 선로에서 한류리액터가 있는 보조선로로 흐를 수 있도록 하는 기능을 갖는다.

작년 말에 이천변전소에 설치 완료한 22.9kV 복합형 초전도한류기에 대해 냉각장치를 연속 시험운전 중에 있다. 특히 최근 배전선로의 일부하를 모의해 부하변동 상황에서의 온도제어 성능을 확인했고, 금년 8월 중에 실제의 계통전압과 부하전류를 인가할 예정이다.

실제의 전력망인 이천변전소에 설치한 22.9kV급 초전도케이블과 초전도한류기는 2011년 8월 중 상업운전에 들어갈 계획이다. 그 후 1~2년간 장기운전 시험을 통해 초전도체, 절연물의 경년변화를 확인하는 등 초전도 설비의 안정성을 평가하고, 실제의 부하공급을 하는 과정에서 냉각설비의 경제성도 평가할 방침이다.

154kV급 초전도케이블과 한류기의 경우 올 하반기부터 지식경제부의 지원으로 새로운 연구과제를 수행할 예정이다. 교류 초전도케이블의 경우 전압 154kV, 송전용량 ,000MVA, 길이 1km급을 제조해 한전의 금악변환소에서 약 1년간 실증시험을 할 계획이다.

더불어 초전도직류케이블과 초전도한류기의 개발계획도 이 연구과제에 포함돼 있는데, 직류초전도케이블의 개발 목표는 전압 80kV, 길이 500m로 정했다. 154kV급 초전도한류기의 개발목표는 정격전류 4000A의 초전도한류기를 설계·제작하고 현장에 설치해 실증시험을 수행하는 것이다.

전력연구원 송배전연구소 책임연구원 황시돌

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