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차세대 초전도 응용 기술 개발 현황 초전도 변압기 연구개발 현황
차세대초전도응용기술개발사업단(www.cast.re.kr)
한국산업기술대학교_최경달 교수
(031)8041-0474 / choidal@kpu.ac.kr
개요
초전도 변압기는 초전도 전력기기 중 현 단계에서 실용화가 가장 어려운 기기라고 할 수 있다. 이는 기술적인 면뿐만 아니라 경제적인 면이 크게 작용하는데, 초전도기기라 해도 교류 전류를 통전할 때 발생하는 교류 손실 때문에 경제성을 확보하기가 쉽지않다. 현재 개발된 BSCCO 계열의 1세대 고온 초전도 선재나 ReBCO 계열의 2세대 고온 초전도 선재 모두 초전도 변압기에 적용했을 때 발생하는 손실 그 자체는 구리를 사용하는 상용 변압기에서 발생하는 손실보다 현저히 적은 수준이다. 또한 영하 200도에서 발생하는 이 손실을 상온에서 보상하기 위한 배율(10~20배)을 고려해도 상용 변압기보다 높은 효율을 얻을 수 있다. 경제성에 있어서 가장 큰 걸림돌은 아직 대량 생산이 되지 않는 냉각기이다. 냉각시스템 역시 기술적으로 해결해야 할 문제가 아닌 가격과 신뢰성 확보에 관한 것이어서 이는 초전도기기가 보급되면서 같이 풀릴 문제이다.
초전도 변압기의 핵심 기술을 꼽으라고 하면, 대전류 저손실 기술, 극저온 고전압 절연 기술, 극저온냉각 기술 등 세 가지를 들 수 있다. 초전도 변압기의 실용화는 이 세 가지 기술의 해결과 직접적으로 연결돼 있다. 현재의 2세대 고온 초전도 선재에서 발생하는 손실보다 1/10 정도 감소시킬 수 있는 기술이 개발되면 상용화에 큰 어려움이 없을 것으로 기대된다.
극저온 냉각 기술의 경우에는 효율보다는 가격에 대한 문제를 먼저 해결해야 한다. 극저온 냉각기의 효율이 이론상 얻을 수 있는 효율에 비해 상당히 낮은 것은 사실이지만, 획기적인 새 냉각기가 개발되지않는 한 냉각기의 효율은 점진적으로 개선될 것으로 보인다. 때문에 냉각 기술의 핵심은 저렴하면서 신뢰성이 높은 냉각기를 개발하는 쪽이 될 것이다. 초전도 변압기에 적용하기 위해서는 현재 냉각기 가격을 1/3 이하 수준으로 낮추는 것이 필요하다.
상용 변압기의 경우, 고전압 절연 기술은 765㎸이상의 기기에 대해서도 확보가 되어 있다. 절연 기술 역시 획기적인 새 이론에 의해 급격히 발달하는 것이 아니고 점진적으로 개선되는, 다분히 경험적인 요소가 많이 포함돼 있다.
극저온 절연 기술에서 문제점은 냉매로 사용되는 액체질소 내에서의 절연 경험이 전 세계적으로 전무하다는 것이다. 영하 200도의 온도에서 견딜 수 있는 절연재료의 개발이 필요하며, 쉽게 기포가 발생 할 수 있는 액체질소의 환경에 적합한 절연 설계가 필요하다. 이 분야의 연구는 최근 수년 전부터 연구가 시작됐고, 초전도 변압기가 상용화된 이후에도 지속적으로 연구가 진행될 것이다.
초전도 변압기는 초전도체를 사용하기 시작한 1960년대 이후 지속적으로 관심의 대상이 되어 왔다. 1980년대 초반까지는 저온 초전도체를 이용한 초전도 변압기 개발의 연구가 이루어졌으며, 고온 초전도체가 발견된 이후에는 한동안 연구가 중단됐다가, 1995년 무렵부터 고온 초전도 변압기에 대한 연구가 재개됐다. 현재는 초전도 변압기에 대한 연구가 잠시 정체된 상태지만, 앞에서 언급한 세 가지 기술이 해결되면 초전도 변압기의 상용화도 바로 이루어질 것으로 예상된다.
고온 초전도 변압기의 장점
초전도 변압기의 구조는 기본적으로 일반 변압기와 크게 다르지 않다. 철심을 초전도 권선이 감싸고 있는 형태이며, 초전도 권선의 온도를 극저온으로 유지하기 위해 비전도성 저온 용기(Cryostat) 내에 초전도 권선을 설치해야 한다. <그림 1>은 초전도 변압기 구조이다. 현재 개발된 고온 초전도 선재로도 구리에 비해 100배 정도의 전류밀도를 갖도록 설계가 가능하기 때문에 일반 변압기에 비해 도체의 부피를 현저히 줄일 수 있다. 그러나 초전도 선재의 전류밀도는 선재에 가해지는 자장의 크기에 따라 달라지기 때문에 일반 변압기의 설계 방법을 그대로 적용할 수는 없다.
초전도 변압기의 장점은 크게 6가지를 들 수 있다.
첫째, 일반 변압기보다 높은 효율을 가지며, 둘째로는 고효율 덕에 장기 운전 시 경제성을 확보할 수 있다. 초전도 선재의 가격이나 냉각기의 가격, 냉각 시스템 유지비용 때문에 초기 설치비용은 일반 변압기보다 비싸나 고효율 운전에 따른 손실 저감 비용 덕에 총 수명 대비 비용을 낮게 가져갈 수 있다. 셋째, 소형 · 경량화가 가능하다. 변압기의 중량, 체적은 인가전압 대 권선수의 비율, 즉 한 턴당 전압비(Volt/Turn, V/T)에 의해 결정된다. 손실이 낮고 부피가 작은 초전도 선을 권선에 적용하면, 일반 변압기를 설계할 때보다 낮은 V/T의 설계가 가능하고, 이로써 소요되는 철심의 양을 줄일 수 있다. <그림2>는 일반 변압기와 초전도 변압기의 크기를 비교했다.
넷째, 환경 친화적이다. 대용량 변압기는 절연과 냉각을 위해 절연유를 사용한다. 절연유의 양 또한 변압기 전체 중량의 상당 부분을 차지하며 항상 화재 위험성을 안고 있다. 아울러 변압기의 절연유는 주기적으로 교체해야 하며, 이 또한 재처리의 문제를 야기한다. 반면 초전도 변압기 냉매로 사용되는 액체질소는 환경에 아무런 영향을 주지 않으며, 기본적으로 화재의 위험성이 없다. 다섯째, 자기 보호 기능을 갖는다. 초전도 변압기의 자기 보호 기능에 대한 기술은 아직 정립되어 있지 않으나, 기본적으로 사고 발생 시 흐르는 대전류로 인해 초전도체는 상전도체로 전이되어 고저항을 갖게 되고 이 저항으로 인해 사고 전류를 낮출 수 있다. 그러나 대전류가 상전도 상태의 초전도 권선에 흐를 때 초전도 권선이 소손될 수도 있기 때문에 이에 대한 연구가 계속 진행되고 있다. 마지막으로 우수한 과부하 능력이다.
일반 변압기는 정격부하 이상의 전류가 흐르면 온도가 상승하고, 이러한 온도 상승은 변압기 수명에 직결된다. 초전도 변압기의 경우, 정격 이상의 전류에도 초전도 권선 절연에는 문제가 발생하지 않아 수명에 전혀 영향을 주지 않는다.
해외 고온 초전도 변압기 개발 동향
1986년 고온 초전도체가 발견된 이후, 이를 선재화하여 사용할 수 있기까지는 10년 정도의 시간이 소요됐다. 수많은 고온 초전도체가 발견됐으나, Bi2223, Bi2212, YBCO 등이 응용 가능한 재료로 남게 됐다. 그 중 선재로 사용할 수 있게끔 개발된 것이 PIT(Power In Tube) 공법으로 제조된 Bi2223과 Bi2212 선재였다. 1996년 일본 큐슈대학교와 후지전기는 1세대 고온 초전도 선재인 Bi2223 PIT 선재를 이용해 단상 500㎸A 고온 초전도 변압기를 개발했다. 고온 초전도 변압기로는 세계 최초로 개발된 것이며, 액체질소를 냉매로 사용했다. 액체질소를 그대로 이용할 경우, 77K의 끓는점에서 사용하기 때문에 작은 열량에 의해서도 기포가 발생한다. 고전압에서 사용할 경우, 이 기포는 절연에 치명적이므로 일본에서는 액체질소의 온도를 77K보다 더 낮춘 서브쿨드(Sub-cooled) 액체질소를 적용해 시험했다. 이때의 변압기 정격 온도는 6.6㎸/3.3㎸였다.
큐슈대에서는 2000년 22.9㎸/6.6㎸, 단상 1㎹A초전도 변압기를 추가로 개발했다. 이때도 역시 서브쿨드 액체질소를 사용해 초전도 권선을 냉각했으며, 이전의 냉각 시스템을 개량하여 극저온 냉동기(Cryo-cooler)를 적용한 냉매 순환 시스템을 적용했다. 이후 66㎸급 단상 2~3㎹A 용량의 고온 초전도 변압기를 개발할 계획이었으나, 1세대 고온 초전도선재의 교류 손실을 줄이는 데 한계가 있어 개발 계획을 연기했다. 최근 2세대 고온 초전도 선재를 적용한 고온 초전도 변압기 개발이 진행 중이며, <그림 3>은 일본에서 개발한 500㎸A 초전도 변압기와 1㎹A 초전도 변압기이다.
유럽에서는 ABB가 최초로 1세대 고온 초전도 선재를 이용한 고온 초전도 변압기를 개발했다. 액체질소로 초전도 권선을 냉각했으며, <그림 4>에 보이는 18.7㎸/420V, 3상 630㎸A 초전도 변압기를 실제 ABB의 공장에 설치하여 장기 운전 시험을 거쳤다. 이를 통해 고온 초전도 변압기의 가능성을 확인했으나, 초전도 선재 가격, 교류 손실 등을 고려해 2단계 개발 예정이던 63㎸/20㎸, 10㎹A급 초전도 변압기 개발을 일단 중지한 상태이다.
독일 지멘스(Siemens)에서는 전력용 변압기보다 고속철도용 초전도 변압기에 주력했다. 1999년 고속철도 탑재용 초전도 변압기 개발 계획에 따라 22㎸/6.9㎸, 단상 100㎸A 초전도 변압기를 개발했으며, 2001년 25㎸/1.5㎸, 1㎹A 초전도 변압기를 개발했다. 초기 계획에서는 2006년 고속철도 탑재가 가능한 2.7㎹A급을 개발할 예정이었으나, 역시 초전도 선재 가격과 교류 손실 문제로 이를 연기했다.
특이할 점은 초전도 권선과 함께 철심도 액체질소로 냉각시키는 구조를 채택했다는 것인데, 철손에 의한 냉각 손실이 증가하지만 전체 변압기 시스템의 부피를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 1㎹A 초전도 변압기에 대한 시험을 통해, 냉각 손실을 고려해도 일반 변압기보다 높은 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. <그림 5>는 지멘스에서 개발한 1㎹A 고온 초전도 변압기이다.
미국에서는 SPI(Superconductivity Partnership Initiative) 프로그램에 따라 총 3단계에 걸쳐 1㎹A, 5㎹A, 30㎹A 초전도 변압기를 개발할 계획이었다.
1998년 미국의 중전기 회사인 와케샤(Waukesha)사와 당시 IGC-superpower사가 공동으로 13.8㎸/6.9㎸ 초전도 변압기를 성공적으로 개발했으나, 2단계 목표인 24.9㎸/4.2㎸, 3상 5㎹A 초전도 변압기 개발에는 도달하지 못했다. 미국의 경우에는 1단계와 2단계 모두 Bi2212 PIT 선재를 사용했다. 이는 20~30K 범위의 온도 영역에서는 Bi2212가 Bi2223보다 성능이 우수한 특성을 활용한 것으로, 이에 따라 액체질소로 냉각하지 않고 기체 헬륨을 사용해 운전 온도를 25~40K로 유지했다. 선재를 고정하기 위해 에폭시 함침을 시켰는데, 이 점이 2단계에서 개발을 완료하지 못한 가장 중요한 문제가 됐다. 에폭시로 함침된 권선 내부에 결함이 발생해 이 부분에 방전이 발생한 것으로 후에 판명됐다. 그리고 비전도성인 FRP 저온 용기를 사용하지 않고, 철심까지 전체를 감싸는 외함을 두어 이 내부를 진공으로 유지했다. 이렇게 함으로써 구조적으로 대형화가 어려운 FRP 진공 용기를 설치하지 않아도 되는 설계가 가능해졌다. 2단계의 실험 결과에 따라 와케샤사는 오크리지 국립연구소와 공동으로 극저온 절연 기술 개발에 중점을 두고 연구를 진행하고 있다. <그림 6>에 와케샤에서 개발한 2단계 초전도 변압기를 나타낸 것이다.
국내 초전도 변압기 기술 현황
국내에서는 프론티어 사업인 차세대초전도응용기술개발사업(DAPAS 사업)을 통해 3단계에 걸쳐 초전도 변압기 상용화 계획을 수립했다. 2001년 당시 1단계 22.9㎸/6.6㎸, 단상 1㎹A, 2단계 154㎸/22.9㎸, 단상 5㎹A, 3단계 154㎸/22.9㎸, 3상 100㎹A 고온 초전도 변압기를 개발할 계획을 세웠으며, Bi2223 선재를 사용해 액체질소로 냉각하는 초전도 변압기가 설계됐다.
1단계에서는 한국산업기술대학교, 효성중공업㈜ 그리고 극저온 냉각 설비 전문기업인 ㈜CVE가 공동으로 2004년 22.9㎸/6.6㎸, 단상 초전도 변압기 개발에 성공했다. <그림 7>은 당시 개발한 초전도 권선과 초전도 변압기이다.
이 변압기의 가장 큰 특징은 변압기 권선을 디스크 권선 구조로 설계했다는 점이다. 외국에서 개발된 초전도 변압기는 모두 레이어 권선 구조를 갖고 있으며, 이 형태는 초전도 권선에 가해지는 수직자장의 크기를 줄일 수 있어 교류 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 그러나 일반 변압기에서 확립된 절연 설계에 의하면 100㎸ 이상의 특고압 변압기에서는 디스크 권선을 사용하는 것이 보편적이며, 테이프 형태의 초전도 선재의 경우 레이어 권선으로 제작할 경우, 절연에 치명적으로 취약한 구조를 갖게 된다.
2단계 이후 프론티어 사업에서는 목표를 수정하여 초전도 선재를 Bi2223 PIT 선재에서 YBCO CC(Coated Conductor)로 대체하고, 초전도 변압기의 핵심 요소 기술을 개발하는 것으로 변경했다.
2단계의 주요 성과로는 <그림 8>에 나타낸, 초전도 선재를 연속적으로 디스크 권선 할 수 있는 기술 개발과 극저온 고전압용 FRP 용기 개발을 들 수 있다. 테이프 형태의 초전도 선재는 기계적으로 취약하여 디스크 권선을 제작할 때 2층 구조를 갖는 더블 팬케이크 권선만이 가능했으나, 2단계 기술 개발을 통해 일반 변압기에서 적용되고 있는 연속 디스크 권선을 제작했다. 그리고 고압 함침 과정을 거쳐 조직이 치밀하고 기포가 없는 FRP 파이프를 제작함으로써, 극저온에서 기계적으로 견고하고 가공성이 좋은 FRP 저온 용기 제작이 가능하게 됐다.
기술 개발을 위해 한국산업기술대학교가 저손실 기술을, 한양대학교와 경상대학교가 극저온 절연 기술을 개발하고 있으며 <그림 9>와 <그림 10>에 지금까지의 주요 성과를 나타냈다. 교류 손실을 저감시키기 위해서는 고온 초전도 선재의 폭을 감소시켜야 한다. CC 초전도 선재에서 초전도층의 두께는 1~2㎛에 불과하며 폭은 수 ㎜ 수준이다. 이와 같은 종횡비에 의해서 형상에 따른 큰 교류 손실이 발생하기 때문에, 선재의 폭을 줄이는 효과를 줄 수 있는 연구를 진행하고 있다. 물리적으로 선재의 폭을 줄여서 많은 수의 병렬 선재를 사용하는 데에는 한계가 있기 때문에, 초전도 층에 홈을 내어 필라멘트화하는 효과를 가한 연속 전위 도체를 개발해 교류 손실 감소 효과를 검증했다.
한양대학교에서는 국내 최대 규모의 고전압 시험설비를 갖추고 있으며, 극저온 절연 기술에 특화한 시험 설비를 추가로 구축하고 있다. 이를 통해 액체질소 하에서의 절연 설계 기준을 정립할 수 있을 것으로 기대된다.
마무리
고온 초전도 변압기는 초전도 케이블, 초전도 한류기, 초전도 모터 등에 비해 상용화가 지연되고 있으나, 이들 초전도기기의 상용화에 따라 선재 가격의 하락, 냉각 시스템의 개선 등이 이루어지면 바로 뒤이어 상용화가 가능할 것으로 기대하고 있다. 외국의 경우, 일시적으로 초전도 변압기에 대한 연구가 활발하지 않은 상태지만 그간의 개발 경험, 축적된 기술 수준을 볼 때 몇 가지 조건이 충족되면 바로 상용화가 가능한 고온 초전도 변압기가 개발될 것으로 보인다.
국내에서도 현재는 기술 개발에 참여하고 있는 기업이 없지만, 대학을 중심으로 핵심 설계 기술을 개발해 초전도 변압기 경쟁에서 뒤지지 않는 발판을 마련하고 있다.
<Energy News>
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