 케이블 산업의 신기술 및 동향 ②
교류 초전도 송전 케이블의 실증 프로젝트
초전도 송전 케이블에 관한 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있는 가운데 일본에서는 실 계통에서 초전도케이블의 사용을 목표로 한‘고온 초전도케이블 실증 프로젝트’가 추진 중이다. 당 프로젝트는 200㎹A급, 66㎸의 송전용량을 삼심 일괄형 초전도케이블을 통해 실 계통 사용을 가능하게 하는 것을 목적으로 하고 있다.
번역·정리 전화영 객원기자 글 도쿄전력㈜ 혼죠 쇼이치(本{庄昇一)
참조 ≪전기평론≫ 제94권 12호
'초전도’란, 물질을 냉각했을 때 전기 저항이 제로가 되는 현상이며, 동시에 대전류 통전이 가능한 특징이 있다. 1900년대 초 초전도 물질이 발견된 이후, 선재화 연구와 여러 응용 기기 연구가 행해져 왔다. 가까이에서 만날 수 있는 대표 응용 사례로 의료용 MRI가 있다.
초전도 선재 적용으로 해상도가 크게 향상해 현재는 초전도 MRI가 주류가 됐다. 계측용 SQUID나 대형 가속기용 고高자장 마그넷 등은 초전도 물질로만 실현할 수 있는 장치다. 이외에 운송용으로 JR 도카이(도카이여객철도㈜)가 추진 중인 초전도 리니어 모터카가 유명하다.
초전도 송전 케이블은 초전도의 특징을 전력 송전에 활용하고자 하는 것으로, 뒤에서 논하겠지만 대전류·콤팩트화 효과에 따른 건설 비용 절감과 통전 손실 저감(CO₂저감)을 기대할 수 있다.
초전도케이블의 연구 개발은 전 세계에서 적극 추진해 오고 있다. 도쿄전력㈜는 스미토모전기공업㈜(이하, 스미토모전공)와 함께 1999년부터 2002년에 걸쳐 100m에서 1㎄급 초전도케이블을 개발했으며, (재)전력중앙연구소의 요코스카(橫須賀) 연구소에서 1년에 걸친 과통전 시험을 한 실적이 있다.
이러한 성과를 바탕으로 현재, 실 계통에서 초전도케이블의 송전 시험을 하는 것을 최종 목표로 한 ‘고온 초전도케이블 실증 프로젝트’를 추진 중이다.
본고에서는 교류 초전도 송전 케이블의 특징을 비롯해 본 실증 프로젝트의 개요와 진척 상황을 소개한다.
교류 초전도 송전 케이블의 특징
초전도케이블의 구조｜<그림1>은 본 실증 프로젝트에 사용할 고온 초전도케이블의 내부 구조다. 사용할초전도선재는액체 질소 온도에서 초전도가 되는 비스무트Bismuth계 초전도체를 은으로 감싼 ‘비스무트 초전도선’이다.
 대표적인 선재 단면 사이즈는 폭 4.1㎜×두께 0.23㎜(단면적은 약 1㎟)의 테이프 형상으로, 이 선재 1개당 흐르는 최대 전류값은 150~200A다. 동일한 단면적을 가진 구리선에 흐르는 전류가 1A 정도임을 고려하면, 초전도 선재의 ‘대전류통전가능’이라는 특징을 잘 이해할 수 있을 것이다.
이 초전도 선재를 구리선으로 된 포머Former(심재) 주변에 필요한 개수만큼 나선상으로 휘감으면 도체층이 형성된다. 계통 전류는 이 초전도 선재 부분에 흐르게 된다. 선재 개수는 케이블에서 원하는 전류 용량으로 결정된다.
도체층 위에 OF 케이블에도 사용하는 절연지인 반합성지(폴리프로필렌과 크라프트지의 합성지)를 휘감으면 전기 절연층이 형성된다. 이 부분은 액체질소에 함침돼 적층된 반합성지와 그 안에 함침한 액체 질소로 복합 절연 상태가 된다.
절연층 위에는 도체층과 거의 같은 수의 초전도 선재를 휘감은 초전도 실드층이 있다. 이 초전도 실드층에는 도체층을 흐르는 전류가 만드는 자계를 차폐하도록 도체층의 전류와는 역방향으로 유도 전류가 흐르며, 초전도 실드층보다 바깥으로 자계가 새어 나가는 것을 방지한다.
이로써 단열관에서 와전류 손실이 일어나는 것을 방지하는 동시에, 케이블 외부로 자계가 새어 나가는 것을 막는 효과가 있다.
초전도 실드층의 한층 바깥쪽에는 구리선으로 된 구리 보호층이 있다. 포머의 구리선과 구리 보호층에는 단락 전류 등과 같은 과전류가 흘렀을 때 초전도 선재에 다 흐르지 못한 전류가 우회해 흐르는데, 결과적으로 보면 와전류로부터 초전도 선재를 보호하는 역할을 한다.
이렇게 형성된 도체 삼상 분을 2중 SUS 코러게 이트관으로 된 단열관 안에 담으면‘삼심 일괄형 초전도케이블’이 만들어진다. 한편, 단열관과 삼상 도체 사이 틈새는 액체 질소의 유로가 된다.
초전도케이블의 이점｜앞서 설명한 대로 전류 밀도가 높은 초전도 선재를 사용하면 기존 CV 케이블이나 OF 케이블에 비해 대전류를 송전할 수 있는 초전도케이블을 실현할 수 있다. 일례로 1회선당 350㎹A인 기존 케이블과 초전도케이블의 단면 사이즈를 비교한 것이 <그림2>다.
기존 케이블에서 새로운 3회선 송전 계통을 신설할 경우, <그림2>의 왼쪽 그림에서 보듯이‘동도洞道’라 부르는 터널을 구축해 기존 케이블을 설치해야한다. 그러나 대도시에서는 지하 매설물이 폭주해 새로운 동도 건설이 어려운 데다 건설 비용이 꽤 든다는 과제를 안고 있다. 이에 비해 초전도케이블은 바깥지름이 150㎜ 정도인 기존 설치 관로에 넣어 같은 용량의 전력을 송전할 수 있다. 관로를 신설한다 하더라도 건설 공사비는 동도에 비해 상당히 적게 들기에, 초전도케이블을 냉각하기 위한 비용을 고려해 크게 줄일 수 있다. 게다가 기존 송전 케이블은 구리를 사용하기에 송전에 따른 송전 손실(줄Joule 손)이 생긴다. 이에 비해 초전도케이블은 직류 송전의 경우 손실은 제로, 교류 송전의 경우라도 아주 작은 손실(‘히스테리시스 손실’이라고 한다)이 생길 뿐이다. 이 손실로 냉매인 액체 질소의 온도가 올라가게 돼 초전도
케이블 시스템에서는 이를 식히기 위한 냉각 시스템이 필요하다. 그러나 그 동력손을 고려해도 송전 계통 전체의 송전 손실을 기존 케이블의 1/2 정도로 낮출 수 있다. 그 결과 기존 케이블을 초전도케이블로 교체하면 CO₂저감도 기대할 수 있다.
실증 프로젝트 개요
개요와 전체 일정｜앞서 설명한 특징을 가진 초전도케이블의 조기 실용화를 목적으로 (독)신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)는 2007년도에 ‘고온 초전도케이블 실증 프로젝트’를 시작했다. 지금까지 고온 초전도케이블의 연구 개발을 공동으로 추진해 온 도쿄전력과 스미토모전공에, 냉각 시스템에 식견이 있는 ㈜마에카와(前川)제작소까지 3사 체제로 본 프로젝트에 응모해 프로젝트를 수탁·추진하고 있다.
본 프로젝트는 케이블 시스템의 신뢰성, 운용성, 운전 보수 기술을 두루 평가·검증하기 위해 케이블을 실 계통에 연계한 실증 시험을 목표로 한다. 본 실증 프로젝트용 초전도케이블의 주요 개발 목표는 다음과 같다.
·송전 용량: 200㎹A급, 66㎸, 삼심 일괄형
·케이블 사이즈:150㎜ 관로 수용 가능
·케이블 길이:200~300m
·내단락 전류: 31.5㎄, 2초에 견딜 것
본 프로젝트의 실시 기간은 6년이며, 일정은 <표>에서 보는 바와 같다. 최초 2년간은 초전도케이블의 요소 기술 개발, 설계, 실증 시험 장소 선정, 관계 법규 대응 협의, 계통에 미치는 영향 검토 등을 했다.
3년째에 해당하는 현재는 스미토모전공 시험장에서 30m 길이의 초전도케이블 시스템을 구축해 시스템 건전성과 운전·운용 기술의 검증을 목표로 사전 검증 시험을 하는 중이다. 이 성과를 토대로 2009년도 후반부터 실증 시험 설비를 제조하고 2011년도 후반부터 1년간에 걸친 실 계통 연계 시험을 실시할 예정이다.
30m 사전 검증 시험｜실 계통에서 실증 시험을 하기에 앞서 30m 길이의 초전도케이블을 이용해 사전 검증 시험을 추진했다. <그림 3>은 시험 시스템의 개요도를, <그림 4>는 부설 시 외관 사진을 나타낸 것이다.
 선로는 30m 길이의 삼심 일괄형 초전도케이블로 구성했으며, 곡선 반지름 5m에 90도로 구부러진 곳이 있다. 또한, 맨홀을 모의한 공간에 중간 조인트를 시공했다.
이 케이블 시스템을 냉각 시스템에서 순환 냉각해 각종 시험을 진행했다. 지금까지 임계 전류 측정 시험, 절연 성능 시험, 손실 측정 시험 등과 같은 성능 검증 시험을 했으며, 1개월에 걸친 장기 연속 과통전 시험도 했다. 그 결과, 초전도케이블은 설계한 대로 특성을 지님을 확인했다.
앞으로 본 시스템을 이용해 승온·재냉각 시험,과전류 통전 시 특성 검증 등과 같은 가혹성 시험을 해 나갈 예정이다.
아사히[旭] 변전소에서의 실증 시험
초전도케이블의 접속 형태｜본 프로젝트의 개발 목표인 66㎸, 200㎹A 고온 초전도케이블의 실 계통 연계 시험을 위해, 200~300m 케이블을 부설할 공간을 확보하고 운전 감시와 보수 운용 방법 검증이 용이해야 한다는 점 등을 고려해 도쿄전력 가나가와 지점 관내 옥외 일차 변전소인 아사히 변전소(요코하마시 쓰루미구)를 실증 시험 장소로 선정했다. 이 변전소에는 154/66㎸변압기가 3대 설치돼 있으며, 변압기 용량은 모두 200㎹A로, 변압기 2차 측 정격 전류는 1750A다.
실증 시험에서는 변압기 2차 측과 66㎸차단기를 잇는 구내 연락 케이블의 일부를 초전도케이블로 접속한다. 이때 초전도케이블의 접속 형태는 <그림5>와 같다. 초전도케이블은 변압기용 보호 계전기의 보호 범위에 들어가는 형태가 된다. 1년간 연계 시험을 하는 도중에 점검 등의 이유로 초전도케이블을 운용 정지할 때를 고려해, 초전도케이블과 병렬로 계통 교체용 바이패스 회로(차단기: CB)를 설치한다. 또한, 초전도케이블 전후로 계통 분리용 차단기·단로기(LS)를 설치한다.
계통해석｜초전도케이블을 실 계통에 도입할 때는 뇌 침입 시 등으로 발생하는 이상 전압(서지 과전압)에도 케이블로서 기능을 유지해야 한다. 초전도케이블은 같은 사이즈의 CV 케이블 등과 비교해 도체 저항률, 서지 임피던스가 모두 작아 초전도케이블 내 서지 전반傳搬특성이 기존 케이블과 크게 다르다는 점이 걱정스러웠다. 그래서 EMTP로 뇌서지 전반 특성을 해석했다.
해석 대상은 서지 과전압이 심해지는 1회선-1모선-1변압기 운용을 회로 구성으로 하고, 뇌격 조건은 제1철탑 뇌격으로 말미암은 상상上相의 역섬락으로, 뇌격 전류는 30㎄로 했다. EMTP 해석 결과, 일어나기 쉬운 최대 과전압은 196㎸로, LIWV 값 350㎸보다도 작아 절연설계상 문제가 없는 것으로 판명했다.
또한, 뇌 서지 전반 속도에 차이는 있으나, 발생 과전압 값, 감쇠 특성 모두 기존 케이블과 큰 차이가 없어 초전도케이블의 낮은 저항 특성이 서지 과전압 값, 전반 특성에 크게 영향을 주지 않음을 알 수 있었다.
게다가 <그림 5>에서 초전도케이블에 영향을 주는 계통 사고는, 사고 제거 직후에도 초전도케이블을 타고 송전이 계속되는‘재송전 있음’과, 사고 제거와 동시에 초전도케이블을 흐르는 전류가 차단되는‘재송전 없음’으로 분류할 수 있다. 단락 전류 계산 프로그램을 이용해 단락 전류를 계산한 결과, 주 보호 계전기가 동작하지 않을 시 후비 보호 계전기가 동작하는 상황까지 고려한 경우‘재송전 있음’조건에서는 통과 에너지가 최대가 되는 사고통과 전류와 계속 시간이 10㎄·2초, ‘재송전 없음’조건에서는 20㎄·2초였다.
따라서‘재송전 있음’에서는 적어도 10㎄, 2초의 단락 전류 통과 직후 연속 과통전에 대해 초전도케이블의 건전성을 보증해야 한다. ‘재송전 없음’에서는 20㎄, 2초의 조건에다가 66㎸용 차단기 규격인 31.5㎄, 2초에 대해서도 초전도케이블의 건전성이 요구된다.
요소기술개발결과의일례｜30m 사전 검증 시험에 앞서, 실증 시험 장소에서 요구하는 초전도케이블사양 등도 고려해 초전도케이블의 요소 기술을 개발했다. <그림6>은 그 일례로, 단락 전류 통과 시 초전도케이블의 특성 검증 시험 결과를 나타낸 것이다.
<그림6>은 대기압 액체 질소 안에서 길이가 짧은 초전도케이블에 과전류를 통전했을 때 도체층, 실드층의 온도 측정 결과다. 그 결과 31.5㎄, 2초 통전 직후에 최대 약 120K의 온도 상승을 관측했다.
이 시험 후 액체 질소 온도로 재냉각한 다음에 케이블 특성을 재평가(임계 전류 값 측정)했더니 과전류 시험 전으로 특성 저하가 없음을 확인했다. 또한 10㎄, 2초의 과전류 통전 직후에 정격 전류 1.75㎄를 통전시켰다. 그 결과, 과전류 통과 직후에 케이블 온도는 약 5K 상승했으나, 그 후 온도는 금방 액체 질속 온도로 돌아가 정격 전류 통전에 지장이 없음을 알 수 있었다.
게다가 10㎄, 2초의 과전류 직후 정격 과전課電(상간 69㎄, 대지 40㎸)도 실시했으며, 별 문제없이 과전함을 확인했다.
*
이상 2007년부터 6년 계획으로 추진하는 ‘고온 초전도케이블 실증 프로젝트’에 대해 개요와 진척 상황을 소개했다. 초전도케이블 개발은 해외에서도 적극 추진 중이며, 특히 미국에서는 2003년 미국 북부에서 일어난 대정전을 계기로 노후한 전력 송전 계통의 대체 기술로 초전도케이블 기술에 주목해 DOE(미국 에너지부) 주도 아래 여러 실 계통 실증 프로젝트를 진행 중이다.
미국 프로젝트에서 채용한 초전도케이블 구조와 비교해 본 프로젝트에서 사용하는‘삼심 일괄형 초전도케이블’은 특히 콤팩트 측면에서 우수해 실용화 시 가장 경제성이 뛰어난 구조라 생각한다. CO₂저감에도 효과가 있는 본 기술의 조기 실용화를 위해 관계자 모두가 합심해 최선을 다할 예정이다.
한편, 본 연구의 일부는 NEDO의 위탁을 받아 실시했다.
<Energy News>
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