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초전도 케이블의 개발 현황스미토모전기공업 주식회사_마스다 다카토(增田孝人)서론1986년에 고온 초전도체가 발견된 이래, 스미토모전기공업 주식회사(이하 스미토모전공(주))에서는 재료 연구에서부터 응용제품 개발에 이르기까지 그 연구 개발을 진행시켜왔다.최근, 비스무트계(Bi2Sr2Ca2Cu3Ox) 초전도선의 성능이 대폭 향상되어 세계 최장(最長) 레벨의 고성능 고온 초전도선을 상용 베이스로 공급할 수 있는 단계에 이르렀다. 응용제품으로 초전도 케이블을 비롯하여 모터, 연구용 코일 등의 개발에 주력하여 여러 가지 실용화를 목표로 하고 있다. 그 중에서 초전도 케이블 분야에서 미국, 한국 내 프로젝트에 참여하여 각 현지 시설, 냉각실험을 끝내고 실증운전에 들어간 상태다. 특히 미국의 프로젝트에서 초전도 케이블이 실용 지중관로(地中管路)에 시설된 형태로는 세계 최초로 실선로에 접속, 안전하게 운전할 수 있음이 확인되었다. 이 장에서는 최근의 초전도선과 한국, 미국의 초전도 케이블 프로젝트에 대한 개요를 정리해본다.비스무트계 초전도선의 개발비스무트계 고온 초전도 재료는 초전도 형태로 바뀌는 온도가 110K(-163℃)로 높고, 액체 질소가 냉매로서 사용 가능하여, 기존의 금속계 초전도선의 냉각에 필요한 고가의 액체 헬륨이 불필요하여 냉각 코스트가 대폭 절감될 수 있으므로, 일본·미국·유럽 각국에서는 응용제품 개발에 필요한 선재화(線材化) 개발 경쟁을 펼쳐왔다.개발 당초에는 액체 질소온도에서의 임계전류도 수 암페어 정도로 적은데다 산화물의 취약성 때문에 장척(長尺)의 선재로 가공할 수 있는지 의문시되었지만, 2단 소결법(燒結法)에 의한 임계전류 밀도의 향상과 다심화(多芯化)에 의한 플렉시블화에 의해 고온 초전도선으로서 그 실현성이 확인되었다. 제조된 선재는 테이블 형태로 1Km 이상의 장척선을 제조할 수 있다. 선재의 단면 사이즈는 폭 4.0~4.5㎜, 두께 0.2~0.3㎜이다. 단면구조에 가요성(可撓性 : 탄성체가 외부로부터 회전력을 받았을 때 휘는 성질)을 부여했기 때문에 <그림 1>과 같이 세라믹 초전도 필라멘트(검은 부분)가 은이나 은합금(흰 부분)으로 덮여 있는 다심구조이다.
 게다가 고온 초전도선을 공업생산 레벨로까지 높이기 위해서 새로운 제조 방법인 ‘가압 소성법’이 개발되어, 장척·고성능 제품 양산화에 적합한 선재 구조를 결정하여 거기에 적합한 제조기술이 확립되었다. 이 초전도선은 약 0.9㎟의 단면적에 액체질소 온도(77K)에서 200A의 임계전류(전기저항 제로로 흐를 때의 전류치)이고, 동(銅)에 비해 동일 단면적에서 200배의 전류를 저항이 ‘0’인 상태에서 흐르게 할 수 있다.초전도 케이블의 구조스미토모전공(주)에서는 삼심일괄(三心一括)형 초전도 케이블의 개발을 진행하여 왔다. <그림 2>는 그 기본구조를 나타낸 것이다. 도체는 포머상에 비스무트계 선재를 다층 나선모양으로 휘감아 만든다. 포머는 동(銅)보다 선이 사용되고 기계적인 강성(剛性)을 유지시키고 사고전류를 초전도선과 평행하게 흐르게 하기 위해 이용된다. 전기절연은 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)를 채용하여 액체질소를 함침(含浸)시킨 복합절연형식을 취하고 있다. 절연층의 상부에 초전도선을 사용한 실드층을 형성하여 도체전류와 역방향의 전류를 유기(誘起)시켜, 전계(電界) 및 자계(磁界)를 차폐(遮蔽)하는 역할을 담당하고 있다. 삼심 코어는 열수축 대책을 위해 헐겁게 꼰 구조로 되어있다. 단열관은 2중의 스테인리스 콜게이트관과 단열재로 만드는데, 단열층을 고진공(高眞空)으로 유지하여 고단열 특성을 얻을 수 있다. 단열관 외주에는 방식층(防食層)을 입히는데, 관로인입용으로 텐션 멤버(tension member : 강도보완선)를 단열관 위에 휘감는 구조로도 만들 수 있다.
 최근 프로젝트의 진보(1) 한국 전력형 초전도 케이블① 프로젝트 개요 한국은 전력수요의 증가가 연 4.7%로 크고, 특히 도시부에 증가량이 커서 송전선로의 신설이 어려운 형편으로, 제한된 송전선로로 얼마나 전력의 증용량(增用量)을 이끌어 갈 수 있을지가 문제가 되고 있다. 문제 해결 방법의 하나로 기존의 케이블과 비교하여 같은 사이즈로 대용량의 전력을 보낼 수 있는 초전도 케이블 기술이 기대되고 있다. 한국전력공사(Korea Electric Power Corporation, KEPCO)는 초전도 케이블이 실용화되었을 때의 사례연구로, 한국의 배전 레벨인 전압 22.9kV에서 전류가 표준의 5배인 1250A의 용량으로 도시부에서의 지하관로 Φ175㎜으로 적용이 가능한 초전도 케이블을 상정하여 초전도 케이블이 실용화된 때의 운용방법에 대해서 연구하는 계획을 진행하고 있다.② 시스템 구성 <그림 3>에는 시스템 구성을 나타내었다. 케이블은 동도(洞道)와 관로(管路)를 복합한 루트를 시설하여 그 양끝에 케이블 단말을 설치하였다. 동도 내에 서설한 케이블 외관을 <그림 4>로 나타내었다. 냉각은 액체질소 순환냉각방식이 채용되었다. 냉각된 액체질소는 케이블 시스템으로 보내져 각 부분을 냉각한 후 원단(遠端)의 단말에서 리턴 배관을 통하여 처음으로 돌아가게 되어 있다.
  ③ 준공시험결과 케이블 시설, 기기 조립 후 액체질소 온도까지 냉각하여 케이블의 제특성(諸特性)을 확인했다. 내압시험으로 ICE 22kV급 케이블의 시설 후 내압 시험값을 참고하여 AC 33kV, 5분간 인가하여 별다른 이상 없이 과전 할 수 있음을 확인하였다. (2) 미국 Albany 프로젝트 미국에서는 2003년 8월 NY의 대정전의 예에서도 알 수 있듯이, 전력계통의 취약성 시정이 당면과제가 되고 있다. 이 문제를 해결할 대책으로 초전도 케이블에 의한 송전망의 강화가 채택되었다. 미국 에너지국(DOE)의 SPI 프로젝트에서 초전도 케이블의 개발이 추진되고 있고, 최근에는 Albany 계획, Ohio 계획, LIPA 계획의 세 가지 프로젝트가 실시되고 있다. 일본의 스미토모전공(주)는 그 중에 Albany 계획에 참여하여 초전도 케이블의 개발을 진행하고 있다.① 프로젝트 개요 Albany계획은 NY주 ALBANY시의 두개의 변전소(Menands와 Riverside)를 잇는 선로의 일부에 길이가 약 350m, 전압 34.5kV, 전류 800A의 삼심일괄형 고온 초전도 케이블을 시설하여 장기 운전하는 것이다. 최초로 장척(長尺) 초전도 케이블을 실선로에 적용시킨 것으로, 이 계획의 체제는 미국 SuperPower사가 주계약자로, 전력선로를 제공하는 National Grid 사, 냉각을 담당하는 BOC 사, 초전도 케이블의 제작·시설·운전을 담당하는 스미토모전공(주)로 구성되었다. 케이블 시스템의 구성을 <그림 5>로 나타내었다. 케이블 구조는 삼심일괄형으로 320m부와 30m부로 나뉘고, 지하에는 매설된 내경 3인치의 덕트에 시설되어 있다. 이 케이블은 중간에 맨홀 내에서 조인트 된다. 냉매인 액체질소는 냉각 스테이션에서 초전도 케이블로 보내져 이것을 냉각시키고 리턴관을 통해 냉각 스테이션으로 돌아가는 순환냉각방식이 채용되고 있다.
 ② 케이블 제조 케이블의 제조는 2004년~2005년에 걸쳐 스미토모전공(주) 오사카 제작소에서 진행, 소정성능(所定性能)을 확인하고 미국에 출하된다. 또한 케이블의 단열층은 공장 내에서 진공상태로 밀봉하여 수송된다.③ 현지 설비·조립 케이블 도착 후 현지의 지하관로 내에 케이블 시설을 설치했다. 시설루트의 320m 케이블 구간에는 반경 12m로 90°정도 기울었고, 최대 약 5m의 관로고저차가 있다. 시설은 기존의 케이블과 같은 방법으로, 케이블 드럼을 언더롤러에 놓고 윈치로 케이블 선단을 잡아당겨 케이블을 관로에 인입한다. 인입은 조심스럽게 진행되었으며 최대 장력은 약 2톤이었다. 그리고 케이블의 단열관은 진공상태로 시설되었는데, 시설 후 진공도가 변화 없어 케이블에 별 피해가 없는 것이 확인되었다. 케이블 시설 완료 후, 조인트 및 단말부의 조립시공을 실시하고 있다.④ 준공시험 모든 공사가 완료된 후 2006년 6월에 케이블 냉각을 시작하여, 케이블이 액체질소 온도로 냉각된 후에 액체질소를 순환시키는 방식으로 치환하여 냉동기를 동작시켜 안정운전에 들어갔다. 그 후 준공시험으로 임계전류측정, 과전시험 등의 실시를 행하였다.시험결과는 설계한 대로 값을 나타내었고 과전시험의 결과도 양호했다.그 결과, 2006년 7월 20일에 National Grid의 실계통으로 접속하여 실계통 운전을 개시하였다. 또한, 이 시스템은 자동 운전되고 있어 현지에 사람이 상주하지 않는다. 케이블 시스템은 BOC사의 Remote Operation Center에서 모니터하고 있으며 온도, 압력 미조정(微調整)원격 장비가 설치되었다.맺음말스미토모 전공(주)에서는 삼심일괄형 케이블의 개발을 진행시켜 초전도 특성, 전기절연, 단열관 진공도 등 장기적으로도 안정성이 높다는 것을 실험을 통해 확인하고, 한국·미국의 프로젝트에 참가하여 각각 초전도 케이블을 납입하였다. 특히 미국 Albany의 프로젝트에서는 실선로에서의 운전에 성공하여 장기운전에 있어 그 신뢰성, 안정성을 실증하였다.
< Energy News >
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