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[기술특집] 초전도 한류기 연구개발 현황
2009-07-01

차세대 초전도 응용 기술 개발 현황
초전도 한류기 연구개발 현황


차세대초전도응용기술개발사업단(www.cast.re.kr)
한전 전력연구원_현옥배 박사
(042)865-5900 / hyun@kepri.re.kr

개요

국내 345㎸ 및 154㎸ 송전계통은 송전거리가 짧고, 공급 신뢰도 및 안정도를 향상시키기 위해 망상구조(Network)로 운영하고 있다. 그러나 고장 발생시 임피던스 저하로 인한 고장 전류 증대가 문제시 된다. 지난 십 수 년의 경제발전에 따라 우리나라의 전력 수요가 증가했고, 이를 위한 지속적인 설비 증설로 사고 시 고장 전류가 증가되어 왔다. 이로 인해 고장 전류가 차단기의 차단 내력을 초과하는 변전소가 늘어나 그에 대한 전력계통 보호 대책도 많이 연구되고 있다.
고장 전류 문제에 대해 시행 중인 대책으로는 우선 대용량 차단기로의 교체를 들 수 있다. 차단기 교체는 그러나, 동 교체에 따르는 막대한 경비 부담 외에도 상위 선로에서의 차단기 용량 증대는 하위 선로의 고장 전류 증대를 의미하므로 하위계통의 차단내력도 동시에 상승시켜줘야 하는 등 반복 과정이 불가피하다. 그리고 추후 고장 전류가 다시 증가할 경우 다시금 증대된 용량의 차단기로 교체해 주어야 한다.
또 하나의 방안은 문제 지역에서 모선을 개방해 운영하거나(모선 분리), 일부 변전소에서 직렬 리액터를 설치해 운영하는 것이다. 다만, 이 경우 계통간 결합력 감소로 안정도가 손상되고 계통 간 유효 및 무효전력 송수전 유연성 결여로 공급 신뢰도 저하, 전압 제어가 원활하지 못함으로 인한 전력 품질저하 및 광역정전 가능성 증대를 감수해야 한다. 그럼에도 고장 전류 문제는 상존하고 있어 최근에는 교류를 직류로 바꾸었다가 다시 교류로 전환함으로써 고장 전류를 줄이는 개념인 back-to-back 방안이 추진되고 있다. 이러한 고장 전류 문제는 국내뿐만 아니라 외국에서도 풀어야 할 과제여서 이를 위한 신개념의 고장 전류 억제 방안으로 떠오르고 있는 초전도 한류기 연구 개발이 세계적으로 진행되고 있다.

한류기와 초전도 한류기

한류기(限流器, FCL : Fault Current Limiter)는 송 · 배전 선로 등 전력선에 고장이 발생할 경우 생기는 과도 전류, 즉 고장 전류를 고속으로 억제하도록 개발된 전력기기이다. 선로에 임피던스를 고속으로 투입하여 전류를 큰 값에서 작은 값으로 줄인다는 면에서 차단기와 구별되고, 상시 임피던스가 없거나 아주 작다는 점에서 직렬 리액터와 다르다. 이상적인 한류기라면 대략 다음의 4가지 성능이 기대된다. 우선 ① 한류기의 상시 임피던스가 제로(zero)이거나 아주 작아서 계통에 영향을 주지 않아야 하고 ② 고장 발생 시 초고속으로 임피던스를 투입해 고장 후 1/2주기 이내에 전류를 제한하며 ③ 임의의 임피던스를 투입할 수 있어야 하고 ④ 고장 종료 후 자동 회복되어 차기 고장이나 재폐로 등에 대처할 수 있어야 한다.
위에서 언급한 이상적인 기능에는 미치지 못하지만 고장 전류 저감을 위한 노력으로 여러 종류의 한류기 개발이 시도되어 왔다. 주요 형태는 고장 전류감지 및 판단부, 기계적 스위치 그리고 한류 리액터(혹은 리미터)로 구성된 것이다. 감지부가 고장을 감지해 스위치를 개방하면 전류는 한류부로 우회되어 전류가 제한된다는 개념이다. 여기서 기술적 어려움은 초고속 고장 감지 및 판단의 어려움, 무엇보다도 스위치의 초고속 개방과 아크 소호의 문제, 송전 전압급으로의 확대 등이다. 또 다른 방식은 전력용 반도체 스위치를 이용하는 경우인데, 상시 전력소모와 고전압 적용의 곤란함 등이 진보를 저해하는 요인이 된다. 이러한 기술적 어려움 하에서 배전 전압급 한류기가 개발됐고, 부분적인 적용이 시도됐으나 광범위한 활용에는 미치지 못했다. 송전급 개발이 개념 연구 정도로만 진행된 것도 범용화 되지 않은 이유의 하나일 것이다.
여기에 신개념의 기술혁신을 제시한 것이 초전도 한류기(超電導限流器, SFCL : Superconducting Fault Current Limiter)이다. 초전도 한류기는 초전도체만의 성질인 저항 제로와 일정 전류 이상에서는 자동적으로 저항 상태(비저항이 비교적 큰 도체 상태)가 초고속으로 바뀌는 특성을 이용한다. 초전도-상전도 전이는 수동적이므로 대단히 빠르고 실패의 가능성이 전혀 없는 Fail-safe 동작을 보장한다. 이런 특성을 이용하면 저항이 제로로 상시 임피던스가 없다. 고장 발생을 자동적으로 감지하여 1~2밀리초 이내에 임피던스 투입 및 전류 제한을 완료하며, 설계에 따라 투입 저항을 조정할 수 있고 고장 전류소멸 후 자동적으로 회복돼 다음 고장에 대비한다.
더욱이 상전도 한류기와는 달리 송전 전압용으로의 확장에 장애가 없다. 그러므로 초전도 한류기는 이상적인 한류기에 가장 가깝다고 여겨진다.
이러한 초전도 한류기는 그러나 냉각 설비라는 부가적인 부담을 감수해야 한다. 이전에는 액체헬륨냉각이라는 대단히 비싼 설비가 필요해 운용 경비가 높았다. 그러나 고온 초전도체 발견 이후 액체질소냉각 방식으로 운용이 가능하면서 경제성을 맞출 수 있게 돼 대규모 개발 연구가 진행되어 왔다. 특히 최근 고온 초전도 도체의 대량 생산 및 가격 하락에 맞춰 그 활용 가능성은 더욱 기대된다. <그림 1>은 초전도 한류기의 원리와 구성을 보여준다.

초전도 한류기 원리 및 구성

초전도 한류기는 초전도체가 특정 온도(임계온도) 및 특정 전류(임계전류) 이하에서 보이는 저항 제로특성을 이용한다. 그러므로 초전도체를 한류 소자로 하여 전류를 통전시키면 저항이 없으므로 임피던스제로의 요구를 만족시킨다. 그러나 고장 전류가 발생해 임계전류 이상이 되면 자동적으로 상전도체로 변해 저항을 발생시키므로 전력선에 저항을 투입해 전류를 제한한다. 이는 무척이나 빨라서 고장 전류가 최고값에 도달하기 훨씬 이전에 한류한다. 그러므로 초전도체를 적절히 가공해 전기적은 물론 열적 및 기계적 요구를 만족시키는 한류 소자를 제작해 직 · 병렬하고, 저온 장치에 결합시켜 한류기 시스템을 여하히 구성하는 기술에 달려 있다. 이 방식은 초전도체 자체의 저항 발생 특성을 이용하므로 ‘저항형’이라 불린다.

저항형은 구조가 간단하고 빠른 한류를 보이는 반면, 발생 저항이 한류 성능에 적절하도록 충분히 많은 양의 초전도체를 사용해야 하는 부담이 있다. 부가적으로 냉각 장치도 대형이어야 한다. 비록 대량 생산에 들어가기는 했지만, 아직도 초전도체의 가격은 비싸므로 전체 제작비는 상당히 높다. 따라서 초전도체 축소 방안이 연구되고 있다.
그 하나가 ‘하이브리드 방식(혹은 복합형)’으로, 초전도 한류 소자와 기계적 스위치(예를 들면 진공차단기)를 직렬 연결하고, 한류 리액터(혹은 리미터)를 병렬로 구성하는 방식이다. 여기서는 초전도체가 고장 전류 감지만 하고, 스위치는 선로를 변경하며, 한류는 상전도 기기인 한류부가 담당한다. 그러므로 초전도체가 파격적으로 축소되는 대신 상전도 기기가 그 공백을 메운다. 상전도 기기는 가격이 낮아서 경제성을 맞추기 용이하고, 이미 검증된 부
품이 사용되므로 더욱 유리하다. 이 방식은 국내 기술이 가장 앞서 있다.
현재 연구개발되고 있는 또 하나의 방식이 ‘포화철심형’이다. 원리는 변압기 철심 2차측에 대형 초전도 코일을 사용해 철심을 포화시키고, 1차측에는 전력선과 연결되는 교류 코일을 감는다. 교류전류의 방향성 때문에 3상 6개의 철심을 준비한다. 철심이 포화됐으므로 교류 코일에는 작은 임피던스만 있지만, 고장 전류가 생기면 그로 인한 자속 때문에 포화가 풀리면서 큰 임피던스로 발전하고 전류는 제한된다.
그 외 정류형, 자기차폐형 등 많은 방식이 연구 개발됐으나, 상기 방식에 비해 불리해 활용에는 미치지 못했다.

해외 초전도 한류기 개발 및 적용현황

해외 초전도 한류기 개발은 현재 배전 전압급의 개발 완성 및 상용화에 이어 송전 전압급을 개발하고 현장 설치 단계에 있다. 활용에 가장 적극적인 나라는 중국이고, 미국, 유럽, 일본 등이 개발 및 활용을 시작했다.

1. 유럽
유럽 각국이 초전도 한류기 개발을 가장 먼저 시작했으며 활용 또한 앞서 있다. 독일의 경우 정부가 지원한 CULT10 프로젝트로 10㎸급을 개발하고 RWE 계통 Netphen 변전소에 모선 연계용으로 설치해 2004년부터 1년간 성공적으로 시험했다. 이를 바탕으로 2009년 3월 동 한류기 제작사인 Nexans Superconductor(NSC)사는 12㎸급을 제작 · 납품했고, 이는 영국 Lancashire 지방의 변전소에 설치됐다. 이 한류기는 NSC사의 Bi2212 벌크 소자로 제작된 한류 소자를 채용하고 있다. 한편, 송전급의 경우 상기 NSC사가 EC가 지원하는 INES110 프로젝트로 115㎸급 개발에 착수했으나, 소자의 안정성 문제 등으로 개발 수행이 일시 중단된 상태다. 그 외 영국의 RollsRoys사가 선박용(직류용) 초전도 한류기 개발을 진행하고 있고, 이탈리아의 CESI 등도 배전급을 개발 중이다.

2. 미국
Zenergy Power사(최근 영국으로 적을 옮김)는 포화철심형 초전도 한류기 개발을 진행해 왔다. 이 한류기는 2007년 배전급으로 단락시험을 거쳤고, 15㎸급을 남가주전력의 LA 근교 Shandin 변전소에 설치해 2009년 3월부터 운전을 시작했다. 이 한류기는 강력한 초전도 자석으로 철심을 포화시키고 있으며, 63㎄의 피크 전류를 53㎄로 한류하는 성능을 보이고 있다. 크기가 폭 8피트×길이 12피트×높이 9피트에 무게 약 20톤이다. 이 개발 및 적용 사업은 미국 에너지성(DOE)의 지원 하에 진행됐다. 이 성공을 바탕으로 2009년 하반기부터 Feeder 보호용 13.8㎸급을 개발해 미국 뉴욕주의 전력사 Con Edison의 계통에 설치하고 스마트 그리드(Smart Grid)의 일부로서 적용하기로 약정하고 있다.
한편, 미국의 AMSC사는 역시 DOE 지원 하에 유럽의 중전기기 업체의 Siemens사와 공동으로 저항형 초전도 한류기(SuperLimiter)를 개발하고 있다.
송전급을 지향해 115~138㎸급으로, 제작은 Siemens사가 담당하고, AMSC사가 생산하는 초전도 선재를 도체로 사용한다. 초전도체를 절약하기 위해 차단 스위치를 채용하고 있으나 초고속 스위치가 없어 현재는 일반 3주기 차단 스위치를 사용하고 있다. 이 한류기는 완성 시 미국 캘리포니아주 리버사이드 근방에 위치한 남가주전력의 Valley 변전에 설치되어 시범운전될 예정이다.

3. 중국
초전도 한류기를 실계통에 가장 먼저 설치하고 운영을 시작한 것은 중국이다. 중국은 1980년대부터 저온 초전도 코일 등의 개발 역사를 가지고 있으며, 토카막 핵융합로인 EAST를 자체적으로 개발한 바도 있다. 한류기의 경우를 보면 정격 전압 10.5㎸인 정류형 초전도 한류기를 개발, 호남성 Gaoxi 변전소에 설치해 2005년부터 운용한 바 있다. 그리고 2007년에는 35㎸급 초전도 한류기를 개발, 운남성 Puji 변전소에 설치해 2008년 초부터 운용하고 있다. 이 한류기는 포화철심형으로 6개의 철심 및 교류 코일, 1개의 초전도 코일, 코일 충전 및 방전 장치, 그리고 냉각 장치 등으로 구성된다. 외부 하우징까지 포함해 직경 4m×높이 4.2m에 무게 27톤이다. 이 성공을 바탕으로 현재 220㎸급 동형의 초전도 한류기를 개발하고 있다(<그림 2> 참조).

4. 일본
일본은 다양한 상전도 한류기를 연구개발했고, 일부는 상품화로 연결됐으나 부분 활용에 그쳤다. 고온 초전도체를 이용한 한류기로서 Toshiba가 66㎸급 정류형 한류기를 위해 2005년 대형 초전도 코일을 개발하고 시험한 바 있으나 후속 활용은 이루어지지 않았다. 대신 초전도 선재를 사용해 6.6㎸급을 개발하고, 동경가스 구내에서 실계통 운전을 진행하고 있다. 특히 주목할 사항은 일본은 배전급 초전도한류기를 계통 고장 시 분산 전원 보호용으로 지목하고 있다는 점이다.

국내의 초전도 한류기 개발 및 적용 움직임

머리말에서 언급했듯이 국내 고장 전류 문제는 반드시 풀어야 할 사안이므로 초전도 한류기가 대책으로 연구개발돼 왔다. 본격적인 연구는 2001년 당시 과학기술부가 21세기 프론티어 사업(초전도)으로 지원하면서 시작됐다. 이는 외국에 비해 여러 해는 뒤늦은 출발이었다. 우선 2004년 봄에 초전도 박막을 사용하여 정격 전압/전류가 6.6㎸/200A인 3상초전도 한류기를 개발해 시험에 성공했다. 이를 바탕으로 2007년 국내 고유의 모델인 하이브리드 방식으로 정격 22.9㎸/630A인 초전도 한류기를 개발했다. 이 하이브리드 방식은 초전도 소자, 고속 스위치, 한류 퓨즈 및 한류부로 구성된다. 기존 초전도소자가 고장 감지 및 한류 전부를 담당하는 구도임에 비해, 여기서는 초전도 소자가 고장을 감지하고 고장 전류의 에너지를 이용해 고속 스위치를 구동한다. 전류가 우회하면 한류 퓨즈를 통하는 동안 스위치의 아크는 소호되며, 이어 퓨즈가 용단되고 한류부가 한류한다. 이 모든 동작이 2밀리 초 이내에 이루어지므로 고장 전류가 최종값까지 상승하기 이전에 한류가 시작됨을 증명했다. 이 방식은 초전도체를 극소화함으로써 제작 경비를 파격적으로 낮추어 활용성을 한층 높였다.
그러나 이 방식은 퓨즈를 사용함으로써 수동적으로 교체해야 하는 부담을 안고 있다. 그 다음 개선으로 제시된 것이 퓨즈를 제거한 모델로서, 초기 1/2주기 동안 고장 전류를 통과시키고 그 후 한류를 시작하는 반주기후한류형이다. 언뜻 불완전 한류기로 보이는 이 방식이 유용한 것은 차단기 교체 지연 효과 때문이다. 국내 배전계통은 초기 1/2주기 동안의 열적 및 기계적 충격에도 잘 견디도록 되어 있지만, 전력선 상의 차단기는 대형 고장 전류를 감내하지 못한다. 그러므로 상기 한류기가 동작하면 고장 전류가 기존 차단기의 차단내력 이하일 것이고, 차단기 교체가 요구되지 않으므로 막대한 교체 비용을 절약할 수 있어 활용성이 있다. 또한 이 방식만이 옥내 변전소 설치 요구사항의 하나인 소형화(25.8㎸ GIS의 2배 이내)를 만족시킬 수 있다는 이점도 작용한다.
국내 계통에서 초전도 한류기를 실제 적용하고자 하는 이유는 현장의 요구 때문이다. 한전은 도심지역의 전력 수요 증가에 대비하여(변전소 신설이 어려우므로) 154㎸ 주변압기 용량을 기존 최대 60㎹A에서 100㎹A로 변경을 추진하고 있다. 이 경우 기존 배전선로에 고장 전류의 증가가 불가피한데, 최대 고장 전류가 설치되어 있는 리클로저 등 차단기 차단 용량을 초과하게 됐다. 이 고장 전류 저감 대책으로 상기 초전도 한류기가 제시돼 154㎸ 주변압기 2차측에 정격 22.9㎸/3000A 초전도 한류기를 설치해 배전선로의 개선보다 훨씬 적은 경비로 상기 문제를 해소하는 구도이다.
개발된 한류기는 당연히 실제 상업 운전 이전에 실계통 적용 시험을 거쳐야 한다. 한전의 고창시험센터의 선로에 현재 정격 22.9㎸/630A의 한류기가 설치되어 운전 중이다. 이 하이브리드 초전도 한류기는 크기가 폭 1.2m×길이 2.4m×높이 2.5m로 25.8㎸ GIS의 2배 크기에 무게는 수백 kg에 불과하다. 이 한류기의 장기 운전을 통해 상시 무인 운전, 단락 시험 등을 포함해 기존 보호 시스템과의 협조방안 등을 연구하고 있다. 이를 바탕으로 앞으로 국내 변전소의 배전선로 보호용으로 시범 상업 운전할 예정이다. 이미 시험 설치할 변전소가 선정됐고, 해당 배전선로가 연구되고 있으며, 이를 위한 정격 전류 3150A의 초전도 한류기가 개발되고 있는 중이다. 2009년 하반기 개발이 끝나면, 초전도 케이블과 함께 2010년이 가기 전에 변전소에 설치돼 시범적이지만 상업 운전이 시작될 것이다(<그림 3> 참조).

마무리

고장 전류 문제는 상존하고 있고, 또 전력 수요 증가 등에 의해 앞으로도 계속 문제가 될 것이다. 그러므로 기존과는 다른 고장 전류 대책이 요구되므로 초전도 한류기가 유력한 대안으로 사료된다. 서두에서 언급했듯이 기존 상전도 기술로 한류기를 개발하기 위해 노력한 바 있다. 부분적인 성공에도 광범위한 활용에 이르지 못한 것은 다른 기술적 문제에 더해 송전급 개발이 근본적으로 어렵다는 점도 작용한다. 초전도 한류기는 송전급 개발에 장애가 없다. 극저온에서 고전압 대책이 요구되긴 하지만, 이는 상전도 기술에도 있는 문제로서 연구개발을 통해 어렵지 않게 해결될 전망이다. 그리고 상시 계통에 영향을 주지 않으면서 고장 시 초고속으로 전류를 제어하는 능력은 어느 다른 방식으로도 이루지 못하는 성능이어서 활용이 더욱 기대된다.

초전도 한류기는 모선 연계, 차단기 교체 지연 등의 효과와 함께 최근에는 특히 분산전원 보호용으로도 기대된다. 또한 최근 회자되는 녹색기술로서 스마트 그리드에 포함돼 고품질의 전력을 공급하는 일부를 담당할 것이다.
세계적으로 해당 전력계통에 적합한 초전도 한류기가 개발돼 시험 운전되고 있음을 살펴봤다. 이 한류기는 소형화 및 저가격화를 지향해 더욱 발전할 것이다. 국내 기술 수준은 선진국과 대등 내지는 일부 분야, 특히 초고속 스위치에서는 우월하다고 여겨진다. 이를 이용한 선로 변경식 하이브리드 초전도 한류기는 국내 고유 기술이고, 또한 배전 전압급이지만 현장 적용을 위한 연구개발이 순조롭게 진행되고 있어 수년 내에 현장에서 상업 운전되는 기기를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

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