[해외 ①] 이트륨계 초전도 전력기기 개발

재단법인 국제 초전도 산업기술연구센터 시오하라유(塩原 融)
번역 · 정리 전화영 기자

최근 몇 년 동안 이트륨Yttrium계 초전도 선재(이하, Y계 선재)의 성능이 두드러지게 향상됨에 따라 이 선재를 이용한 전기기기 개발이 전 세계적으로 활발하다. Y계 선재의 개요와 일본에서 이루어지고 있는 전력기기 개발 프로젝트 상황을 소개한다.
한편, 이 프로젝트는 (재)국제초전도산업기술연구센터, 주부[中部]전력㈜, 규슈[九州]전력㈜ 등 세 조직을 중심으로 대학, 제조사 등 총 27개 조직이 연계해 추진 중이다.

Y계선재의 개요
<그림 1>과 같이 Y계 선재는 두께 100㎛ 정도의 금속제 기판 위에 중간층, 초전도층, 여기에 다시 은銀 등 안정화층을 층상層狀으로 형성한 구조로 되어 있다. 가장 중요한 초전도층은 Y, Ba(바륨Barium), Cu(구리)의 산화물(YBa₂Cu₃Ox)로 구성된다. 이 중 Y를 Ho(홀뮴Holmium), Sm(사마륨Samarium), Gd(가돌리늄Gadolinium) 등 희토류 원소로 치환하면 초전도 성능이 바뀌게 된다. 이 모두를 총칭해 Y계 초전도체라고 부르며, 이 초전도체를 선재화한 것을 Y계 선재라고 부른다.

Y계 선재는 초전도층과 중간층이 산화물이긴 하나, 기판에 금속 재료를 이용해 선재 기계 강도가 높고 사용 재료의 전체 비용이 낮으며, 자계 중에서 전기적 초전도 성능이 우수한 것이 장점이다.
그러나 Y계 선재는 지금까지 장척화長尺化가 상당히 어려운 과제였다. 초전도 전류치(임계 전류)의 성능을 향상시키려면 초전도층의 다多결정립 구조를 3축 모두 같은 방향에 배열해야 하는데, 배열이 흐트러진 개소에서는 눈에 띄게 초전도 성능이 저하해 초전도 선재로서의 성능을 발휘하지 못하기 때문이다.

이러한 기술적 과제를 해결하고자 선재 개발자는 이온 빔이나 레이저를 구사한 증착법 등 고도의 선재 제작 공정기술을 연구 · 개발했으며, 이로써 대전류와 장척의 Y계 선재를 제작하는데 성공했다. 선재의 제조 방법이나 구조는 개발업체에 따라 다양하기에 여기서는 생략한다.
다음으로 선재 외관은 <그림 2>와 같다. Y계 선재는 임계 전류의 경우 1㎝ 폭에서 최고 1000A를 넘어섰으며, 길이의 경우 일본에서는 500m 이상, 미국에서는 1000m가 넘는 선재 개발에 성공했다. 또한 해외에서는 기기 개발을 목적으로 수십㎞ 단위로 Y계 선재를 거래하고 있다.

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프로젝트 개요
일본에서는 현재 Y계 선재를 이용해 전력기기를 개발하는, 경제산업성/NEDO 사업인 '이트륨계 초전도 전력기기 기술 개발(2008~2012년)'프로젝트가 진행 중이다. 이 프로젝트에서는 향후 전력계통에 초전도 전력기기를 도입 · 보급하고자 전력계통 제어 기술로 적용이 기대되는 SMES(초전도 전력 저장 시스템), 송전 기술에 도움이 되는 전력케이블과 변압기 기술을 개발하고 있다. <그림 3>은 이 프로젝트가 지향하는 초전도 전력기기로 구성된 전력 계통 개념도를 나타낸 것이다. 5개년 프로젝트에서 전반 3개년은 기기를 구성하는 선재 제작과, 각 기기 설계 등에 기여하는 요소 시험을 포함한 요소 기술 개발이 주를 이뤘다. 남은 2년간은 이 프로젝트 후의 실증 시험과 2020년경 도입 · 보급을 위한 각 기기의 모델 기기를 통해 기능을 검증할 예정이다. 이 프로젝트에서 이뤄지고 있는 3종류의 기기 개발 목표와 기술 과제, 지금까지의 주요성과에 대해 보고한다.

SMES
개발 목표 | SMES는 초전도 선재 코일에 전류를 감쇠하는 일 없이 계속 흐르게 함으로써 전기 · 자기에너지를 축적하는 장치다. 이차전지와 비교해 순식간에 큰 에너지를 담고 꺼낼 수 있는 것이 장점이며, 이미 순간 전압 강하 대책용 10MJ급 SMES, 부하변동 보상용 20MJ급 SMES 실증 시험의 실적이 있다. 이들 SMES는 모두 금속계 초전도선을 이용한 장치이며, 4K(-269℃) 부근의 액체 헬륨에 적셔 사용한다.
이 프로젝트는 기존 금속계 초전도선에서 어려웠던 계통 안정화에 도움이 되는 2GJ급 대용량SMES의 2020년 실현을 목표로 한다. 2GJ급 SMES 완성 예상도와 환상 코일(Toroidal coil)의 특징을 각각 <그림 4>와 <표 1>에 나타냈다.

180개의 코일을 환상 형상에 배치하고 자계를 도넛 형상에 가두는 구조다. 시뮬레이션 결과, 코일에 최대 600MPa 이상의 후프 응력(Hoop stress, 코일이 벌어지려는 힘)이 가해져 가두는 자계는 최대 11T가 된다.
이 프로젝트에서는 2GJ급 SMES 실현에 필요한 ① 600MPa급 내耐후프 응력 코일 ② 2㎄ 통전 특성을 가진 Y계 선재 집합 도체 구조 ③ 2㎸ 이상의 내전압 특성 ④ 20~40K 온도 영역에서 전도 냉각 ⑤ 퀘치Quench 대책을 포함한 시스템 등의 과제를 중심으로 기술을 개발 중이다.

코일 구성 기술｜2GJ급 SMES와 동등한 후프응력 600MPa, 최대 자계 11T를 검증하기 위해 20MJ급 SMES에 해당하는 코일로 검증을 했다. 코일 사이즈는 650㎜Ø급이며, 코일에 요구되는 2㎄ 이상의 전류 용량을 확보하고자 10㎜ 폭 Y계 선재 4개를 적층 병렬로 묶은 집합체로 코일을 권선했다. 시험 제작한 코일 외관은 <그림 5>와 같다. 코일로 통전 확인 시험을 한 결과, 초전도 상태에서 2㎄를 초과하는 통전 전류를 확인했다.
그 밖에 코일 기술의 하나로 2㎸를 넘는 전기 절연구조의 설계 · 검토와 코일 상태에서 3W/㎡ 이상의 냉각 능력을 가진 전도 냉각 기술을 검토했다.

전력케이블
개발 목표 | Y계 선재로 구성된 전력 케이블은 대전류 케이블과 고전압 케이블 두 종류를 개발 중이다. 개발 목표의 개요는 <표 2>와같다.
대전류 케이블은 삼심三心일괄 66㎸/5㎄를 과통 전할 수 있는 종단 접속부를 가진 케이블을 개발하는 것이며, 15m 길이에서 기능을 검증한다. 케이블 총 손실은 2.1W/(m-상) 이하로 하며, 보다 구체적으로는 교류 손실 2.0W/(m-상), 유전 손실 0.1W/(m-상) 정도를 예상한다. 케이블의 바깥지름은 지름 150㎜의 관로에 넣을 수 있는 크기로 한다.
또한 외부로부터 침입 열 손실에 대해서는, 지금까지 NEDO 프로젝트 성과를 고려해 약 1W/m를 적용할 수 있을 것으로 생각한다. 전력 계통에 도입한 경우 사고를 견디는 구조로 제작하고, 31.5㎄-2초의 과전류 통전에서 케이블 손상이나 성능 열화가 없는 지 확인한다.

고전압 케이블은 단심單心275㎸/3㎄를 과통전할 수 있는 종단부와 중간 접속부를 가진 단상 케이블을 개발하는 것이며, 30m급 케이블에서 기능을 검증한다. 케이블 총 손실은 0.8W/(m-상) 이하로 하며, 보다 구체적으로는 교류 손실 0.3W/(m-상) 정도, 유전 손실 0.5W/(m-상) 정도를 예상한다. 케이블의 바깥지름은 150㎜ 이하로 하며, 63㎄-0.6초의 과전류 통전에서 손상이나 성능 열화가 없는지 확인한다.

대전류 케이블 코어 개발 | Y계 선재를 이용한 케이블 코어를 시험 제작했다. 케이블 코어란 시험 제작단계의 구조로, 실제 초전도 케이블이 가진 액체 질소의 유로괥걟나 진공 단열층이 없기에 액체 질소를 욕조에 담아 적셔 시험했다. 케이블 코어의 외관은 <그림 6>, 이 Y계 초전도 선재(소선素線)의 집합 도체의 임계 전류 특성은 <그림 7>과 같다. 임계 전류(전계 기준 : 1㎶/㎝)는 도체층 7300A, 실드층 5800A였다. 이 값은 소선의 임계 전류 합과 같으며, 케이블 제작 후에도 선재 열화가 없음을 확인했다. 전력케이블의 휘어짐도 시험했으며, 지름 2m 정도로 휘어도 초전도 성능을 유지하는 것으로 확인했다.

전력 케이블은 대전류로 갈수록 교류 손실이 커진다. Y계 선재의 임계 전류, 선재 폭, 선재 폭 방향의 균일성, 선재 간 틈새 등과 같은 케이블 구조가 전력케이블의 교류 손실에 영향을 미친다는 사실도 알게 됐다. 이러한 특성을 적확하게 파악해 케이블 설계 · 제작 기술의 확립을 목표로 한다.

고전압 케이블의 과전류 시험 결과 | 고전압 케이블 코어를 대상으로 과전류 시험을 실시했다. 고전압 케이블 코어에 흐르는 과전류는 동연선銅然線포머와 초전도 도체층 주변에 배치된 구리 그리고 초전도 선재로 이뤄진 실드층에 과대한 전류를 흘림으로써 초전도선을 보호한다. 케이블 코어를 시험 제작해 63㎄, 0.6초의 과전류 시험을 했다. 초전도 케이블코어의 외관과 시험 모습은 <그림 8>, 시험 시 온도상승 결과는 <그림 9>와 같다. 시험을 시작할 때 77K(-196℃) 부근이던 초전도선의 온도는 과전류로 150K(-123℃)까지 상승했으나, 온도 복귀 후 Y계 선재에 이상이나 열화는 보이지 않았다.

전력 케이블의 전기 절연 설계를 정확하게 하려면 액체 질소 안에서 절연 재료의 전기적 특성을 파악해야 한다. 대표 재료로 폴리프로필렌을 크라프트지(Kraft paper)에서 래미네이트Laminate한 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)을 들 수 있다. 액체 질소 안에서 PPLP의 전기 절연 강도(부분 방전, AC 파괴, 임펄스 파괴)와 유전 손실 특성에 관한 유전율 ε, 유전 정접正接tan δ의 특성을 파악, 축적하고 이것을 케이블 설계에 활용한다.

변압기
개발 목표 | Y계 선재로 이뤄진 초전도 변압기는 기존 유입 변압기와 비교해 도체의 고전류 밀도화 및 저손실화가 가능하기에 권선과 철심의 단면적을 큰 폭으로 줄이고 변압기 본체의 소형화와 경량화를 기대할 수 있다. 또한, 액체 질소로 냉각 · 절연하므로 뛰어난 불연성이 특징이다.
프로젝트에서는 66㎸/6.9㎸-20㎹A급 배전용 변압기를 목표로 2㎹A급 변압기 모델을 개발했다. 초전도 변압기의 외관은 <그림 10>과 같다. 초전도 변압기를 실용화하기 위한 기술 개발 과제로 ① 권선기술 개발 ② 저손실 대전류 집합 도체화 기술 개발 ③ 단락 대책 ④ 변압기용 냉각 시스템 개발 ⑤ 사고전류를 억제하는 한류 기능 첨가 기술 등이 있다.

단락 모델 변압기로 검증 | 권선 기술에서는 Y계 선재의 내耐단락 성능을 검증하고자 단락 모델 변압기(20㎹A 변압기의 %임피던스 15% 상당)를 시험 제작해, 전력 계통 사고 시 단락 전류에 대한 초전도 권선의 건전성을 확인했다. <그림 11>은 시험 제작한 400㎸A 변압기 모델의 외관이다. 전압은 6.9㎸/2.3㎸, 외형 수치는 폭 1200㎜×안길이 1000㎜×높이 2300㎜, 중량(액체 질소 포함)은 2000㎏이다. 단락 시험 결과, 필요한 단락 성능(단락 전류≒정격 전류×6, 단속斷續시간 0.2초)을 만족하는 것으로 나타났다.

한류 기능 검증 | 초전도 변압기는 초전도선이 임계전류를 초과한 과전류 통전에서 상전도 상태로 전이할 때 발생하는 저항으로 전력 계통 사고 시 발생하는 큰 사고 전류를 순식간에 억제해 사고 파급을 막는 것이 가능하다. 또한, 초전도 전력 케이블과 초전도 변압기를 연계해 적용할 경우에도 사고 전류를 저감하므로 케이블 설계상 유리하다.

초전도 변압기의 한류 기능을 검증하고자 검증용 모델 변압기를 시험 제작하고 한류 기능 시험을 실시했다. <그림 12>는 한류 모델 변압기의 외관이다. 이 변압기의 2차 측을 단락해 모의 사고 전류를 통전했다. 그 결과가 <그림 13>과 같다. 계산 결과를 바탕으로 단락 전류(1200Arms)에 대해 1차 권선 전류가 약 1/30인 43Arms로 억제하는 것(한류 효과)을 확인했다. 계속해서 수백㎸A급으로 용량을 늘려 한류 기능을 첨가한 변압기 실용화를 목표로 개발을 해 나갈 예정이다.

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Y계 초전도 선재의 장점과 이를 활용한 3종류 전력기기의 개발 상황을 보고했다. 현재 각 기기에 꼭 필요한 요소 기술을 개발하고 있으며, 각 개발은 순조롭게 진척 중이다. 향후에는 현재 병행해 진행 중인 Bi계 선재를 이용한 '고온 초전도 케이블 실증 프로젝트'와 연계를 강화하고 3종류의 기기에 개별적으로 남은 과제를 극복해 나갈 예정이다. 이후 각 요소 기술을 집합한 시스템화와 검증 시험에 매진하는 한편, 2020년경 도입 · 보급을 목표로 실용 모델의 검증, 실증 시험으로 이어나갈 것이다.
초전도 전력기기의 개발은 일본뿐만 아니라 한국, 미국, 유럽 등에서도 활발히 이뤄지고 있다. 따라서 해외 동향을 주시하며 초전도 관련 기기의 국제 표준화를 염두에 둔 개발을 해 나가는 것이 중요하다.

※ 본고는 일본의(독)신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁으로 실시한 성과다.