초전도 케이블은 동(銅) 도체 대신 초전도체를 사용해 전기저항이 없어지는 초전도 현상을 이용해 저손실·대용량 전력 전송이 가능한 케이블로서 대도시의 전력공급문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 케이블이다.
초전도케이블은 기존 케이블에 비해 대전류를 흘릴 수 있을 뿐 만 아니라, 교류손실이 종래 케이블에 비해 5% 정도로 극히 작아 냉각시스템을 포함해도 에너지절약효과가 매우 크고 송전용량 또한 현재보다 수배이상 증가시킬 수 있어 일본, 미국 등의 외국에서 많은 연구개발이 진행돼 1GVA의 송전용량에서도 기존의 케이블과 비교해 경제성이 있는 것으로 평가하고 있다.

넥상스는 독일 RWE, 칼스루헤(Karlsruhe Institute of Technology) 등과 ‘AmpaCity’인 Essen-Rhhr 양 변전소 간 약 1㎞ 규모 초전도케이블 시스템을 연결, 지난 3월 실계통 연계 운영을 개시했다. 케이블 사양은 AC 10㎸·40MVA로 총 1350만 유로(약 200억원)이 투자됐다.

우리나라는 2001년부터 국가(과학기술부) R&D사업으로 세계적 수준의 초전도선과 세계 최고전압 및 용량인 154㎸/1GVA급 교류 초전도케이블 시스템기술을 한국전기연구원의 유강식 박사와 조전욱 박사팀이 개발, LS전선에 성공적으로 기술이전해 막대한 로열티를 받고있다. 또한 한전의 이천변전소에 22.9㎸/50MVA급 초전도케이블을 설치해 운전중이며, 올해에는 154㎸급 교류 초전도 케이블을 실계통에 설치 및 운전할 예정으로 명실공히 세계최고의 기술수준을 보유하게 됐다.

앞으로는 ICT 성과 못지않게 에너지분야에서도 국내에 확보된 초전도 전력 케이블 관련 기술 인프라를 적극 활용해 세계 최초의 새로운 개념의 self-storage, self protection, self control 기능을 갖는 스마트 직류 초전도 케이블 시스템 및 스마트초전도 에너지 네트워크를 개발, 미래 에너지 수송 및 이용 패러다임 변화를 주도할 수 있도록 정부의 적극적인 지원이 필요하다는 주장이 힘을 얻고 있다.
이에 본지에서는 초전도 케이블에 대해 2주에 걸쳐 연속 게재한다.

◆ 초전도 케이블 특징 = 초전도 케이블은 기술적인 측면에서 현재의 케이블에 비해 대전류를 흘릴 수 있을 뿐만아니라, 교류손실이 종래 케이블에 비해 1/20으로 극히 작으며 송전용량 또한 현재보다 3배 이상 증가시킬 수 있다.

이와 함께 초전도케이블은 1회선당의 송전용량이 대단히 크기 때문에 동일한 용량을 송전하는 경우 종래 케이블에 비해 소요 회선수가 대폭 감소된다. 그러나 액체질소온도의 극저온유지를 위한 진공단열구조가 필요해 케이블의 크기가 다소 커지게 되지만 OF케이블, 금속계 저온초전도케이블 및 고온초전도케이블의 송전용량에 따른 단면 크기를 비교하면 고온초전도케이블이 가장 작고 케이블의 송전밀도가 높다.
아울러 초전도케이블은 저손실·대전류 송전이 가능해 케이블 허용전류 중 충전전류가 차지하는 비중이 작기 때문에 종래의 케이블에 비해 충전전류가 송전 길이의 제약조건으로 작용하는 경우가 작아 장거리송전이 가능하다.

경제·산업적 측면에서는 지중계통 전압등급의 균일화가 가능하고 도심의 초고압 변전소(345㎸/154㎸ 변전소)의 생략이 가능해 송전비용을 줄일 수 있다. 또한 절연전압레벨의 감소로 송·변전기기의 컴팩트화 및 전력기기 가격의 저하가 가능하다.

향후 전력계통은 전원설비의 대용량화, 도심의 집중 및 지역적인 편재화 등에 따른 부지확보와 기존 전력구의 확장이나 신규건설 등 전력계통의 확장에 따른 전력구의 확보 문제가 심각할 것으로 예상된다. 그러나 고온 초전도케이블을 적용하면 동일 송전용량으로 기준할 때 케이블의 포설에 필요한 터널(Tunnel)의 직경을 60%정도 작게 할 수 있기 때문에 기존 관로나 전력구의 활용이 가능해 건설비용을 대폭적으로 절감할 수 있다. 특히 케이블 회선수의 감소와 케이블의 소형화 가능성은 지중 송전선의 총 건설비중 터널 건설비가 차지하는 비중을 고려할 때 그 경제적 효과가 상당할 것으로 예측된다.

미래의 전원설비의 대용량화, 지역적인 집중화, 전력수송의 장거리화·대용량화에 따른 전력계통의 안정도저하를 해결해 결과적으로 고품질의 전력을 공급, 컴퓨터·통신·정밀제조업 등과 같은 고품질의 전기를 요구하는 산업분야의 안정적 성장을 견일할 것으로 전망된다.

◆ 초전도 케이블 시장 동향 = 산업자원부에서 공고된 제1차 전력수급기본계획에 따르면 우리나라의 최대 전력수요는 연평균 3.4%씩 증가해 2015년에는 2001년 실적치 43.13GW의 1.57배 수준인 67.75GW로 전망되고, 설비예비율 또한 15.1%에서 13.7%로 감소할 것으로 예상된다. 특히 대도시에서는 빌딩의 집중, 도시기능의 고도화에 따라 전력 수요가 도심부에 대량 집중되는 현상이 발생되고 있다. 따라서 이와 같은 전력수요의 고밀도화에 대한 대책으로 지중케이블을 대용량화하거나 복수회선을 신·증설하고 있으나, 도심부에는 지하철, 통신, 수도, 가스 및 빌딩 등에 의해 점유돼 지중케이블용 관로 및 전력구, 변전소 설치공간 등의 확보가 매우 곤란한 실정이다.

또한 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 고전압화와 강제냉각방식의 적용 등에 의한 케이블 용량증대가 연구되고 있으나, 이러한 종래의 기술로는 한계가 있을 수밖에 없어 이를 극복할 수 있는 대안으로서 초전도 케이블 기술이 기대되고 있다.

세계의 초전도시장은 점차 증가하고 있으며, 특히 대형시스템의 응용은 점차 증가할 것으로 예상하고 있다. 미국의 CSAC(Council on Superconductivity for American Competitiveness)와 일본의 ISTEC(International Superconductivity Technology Center), 유럽의 CONECTUS(Consortium of European Companies Determined to Use Superconductivity)를 중심으로 1992년부터 연례적으로 열리는 ISIS(International Superconductivity Industry Summit) 중 제5차 회의에서는 세계의 초전도분야의 시장을 예측했으며 이를 기초로 초전도케이블의 세계시장을 예측했다.

또한 미국의 DOE 예측에 따르면 2020년 미국 고온초전도 전력기기의 시장규모는 300억 달러에 이를 것으로 보고 있으며, 일본은 New Sunshine계획에 따라 2010년부터 실 계통 포설을 시작해 2050년까지 700~1000㎞의 고온초전도 케이블을 상용화할 것으로 예상되고 있어 고온초전도 케이블의 시장규모는 천문학적인 규모를 나타낼 것으로 예측된다.

이와 같이 세계의 초전도시장규모는 2000년 152억 달러에서 2010년 740억 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 예측돼 세계 각국은 정부의 주도하에 시장의 우위를 선점하기 위해 노력하고 있다. 또한 2010년 세계초전도시장 에서 각 분야에 따른 점유율을 분석하면 전력응용분야가 MRI, NMR과 같은 의료분야 다음으로 크지만 ISIS-4에서 분석한 결과와 비교하면 약 12%이상의 증가를 보여 전자분야의 비율보다 높은 약 20%를 차지할 것으로 예상하고 있는데 이는 교류용 초전도선재의 개발, 고온초전도선재의 교류응용 기술연구 등 전력응용을 위한 기반이 확립됨에 따라 전력분야의 점유율이 높아질 것으로 예측하고 있다.

◆ 초전도 케이블 시스템 = 초전도 케이블 시스템은 초전도 케이블, 단말, 접속함, 초전도 케이블을 극저온상태로 유지시키기 위한 냉각시스템으로 구성된다.
초전도 AC 케이블의 경우 일본의 Furukawa社는 66㎸ 개발을 완료했으며 Sumiromo社는 66㎸ 개발을 완료에 이어 275㎸를 개발중이다. 우리나라의 경우 LS전선이 154㎸ 개발을 진행 중이다.
초전도 AC 케이블은 현재 미국의 AEP(132㎸, 선로길이 200m), Albany선로(34.5㎸, 350m)에서 2년간 실증 중이며 한국은 경기도 이천에서 22.9㎸ 500m산로에서 실증중이다.
초전도 케이블용 단말(EB-A) 및 중간 접속함(NJB)은 통상 초전도 케이블과 동시에 개발·적용된다.
초전도 DC 케이블은 넥상스, Furukawa, LS전선 등에서 개발이 진행중이다.

◆ 초전도 케이블의 구성 = 초전도 케이블은 크게 포머, 초전도 선재, 상(相) 도체, 내부 반도전층, 절연체, 외부 반도전층, 초전도 차폐층, 안정화 도체층, 바인더, 내부 금속 시스, 외부 금속 시스, 방식층 등으로 구성된다.

초전도 케이블용 포머는 초전도 선재들의 배열을 위한 지지 구조물의 역할과 전력계통 및 초전도 케이블 사고 시 단시간 사고전류의 바이패스 역할을 수행한다. 포머의 구성은 구리 연선과 평활층으로 구성된다. 구리 연선재는 사고전류(3상단락)를 대비해 IEC60949기준으로 단면적을 산출하며, 평활층은 케이블 벤딩 및 인장 시 발생할 수 있는 기계적 외력으로부터 초전도 선재를 보호한다.

초전도선재를 이용하면 대전류를 손실 없이 통전할 수 있고 초전도 코일의 형태로 만들면 대공간에서 강자장을 발생시킬 수 있는 등의 장점이 있기 때문에 1960년대부터 초전도선재에 대한 많은 연구 개발이 이뤄졌다. 냉각으로 액체헬륨을 사용하는 Nb-Ti, Nb3Sn 등의 금속계 초전도선재는 극세다심선의 형태로 상용화돼 MRI, NMR, 핵융합장치, 입자가속기용 초전도자석에 사용되고 있으나 액체 헬륨을 사용하는 불편함과 비경제성으로 인해 한편 1986년을 기점으로 임계온도가 높은 구리산화물계 초전도체가 발견되면서 BSCCO, YBCO 물질을 선재로 가공하기 위한 연구개발이 활발하게 이뤄졌다.

상(相) 도체(이하 도체층)는 다수의 초전도 선재 은(銀) 시스 Bi2Sr2Ca2Cu3O 선재 또는 Y1Ba2Cu3O Coated Conductor들이 포머의 외주면에 나선 형태로 연선돼 구성된다. 케이블 정격전류 및 초전도 선재의 임계전류에 따라 초전도 선재는 복층으로 연선될 수 있다. 케이블의 정격전류와 개별 초전도 선재의 DC 임계전류를 고려해 각 상(相)당 초전도 선재를 배치한다.

내부 반도전층은 도체표면의 전계완화를 위해 초전도 도체 위에 여러 장의 카본지나 금속화지를 단독 또는 조합해 반도전층을 둔다. 이는 케이블이 이상적인 동심 원통형 전극형태를 유지하게 함으로서 절연내력을 향상시키기 위한 수단으로 △도체표면이 평활하게 돼 전계집중 완화 △도체와 절연체간을 밀착시켜 도체표면에서 발생할 수 있는 코로나 방전 방지 △ 내부 반도전 재료의 본질적 특성에 의한 효과로, 도체에서 반도전체 및 반도전체에서 절연체간의 전자주입과 전자흐름을 방지하며 불순물을 흡착하는 효과 등이 있다.

절연체는 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)를 내부 반도전 외주면에 지권해 구성되며, 초전도 케이블의 냉매로 사용되는 액체질소가 절연체 내부에 함침돼 절연내력을 확보한다. 절연체 두께는 교류전압은 물론 뇌 충격 및 개폐 충격의 이상전압에 대해서도 충분히 견딜 수 있도록 결정한다.

외부 반도전층은 절연두께 편차에 따른 전계 불평등을 억제하기 위해 비자성 금속테이프, 금속화지 또는 반도전성 카본지를 단독 또는 조합해서 절연체 위에 형성한다.

초전도 차폐층은 도체층과 동일하게 다수의 초전도 선재들이 외부반도전 외주면에 나선 형태로 연선해 구성하며, 도체층과 동일한 전류 용량을 기준으로 설계된다.

안정화 도체층은 사고전류의 귀로도체 역할을 수행하며, 재질은 구리로 해 포머와 동일하게 IEC60949기준으로 단면적을 산출한다.

바인더는 금속테이프와 동선직입 테이프를 안정화 도체층 외주면에 테이핑해 구성되며, 안정화 도체층 내부 구성 재료들을 고정하는 역할 및 금속시스와 전기적 접촉을 좋게 하는 역할을 한다. 포머 이하 바인더까지를 개별 상(相)의 core로 명명한다.

내부 금속시스는 알루미늄 압출 주름관을 사용하며, 내부에 3상 core가 수납된다. 내부 금속시스 내부에는 3상 core 외에 액체질소가 주입돼 3상 core를 저온(66~80K)상태로 유지시킨다. 내부 금속시스는 액체질소의 정상·과도상태 압력을 기준으로 설계한다.

외부 금속시스는 알루미늄 압출 주름관을 사용되며, 내부 금속 시스 외부에 동문에 내·외부 금속 시스 사이는 단열을 위한 진공 상태를 유지하며, 저온용 단열재를 내부 금속 시스 외부에 테이핑하여 외부 금속 시스 내에 수납한다. 방식층은 외부 금속 시스 표면에 아스팔트와 PVC 층을 도포해 구성한다.