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[중전기 차세대 성장 동력, 초전도 전력 기기 ④] 21세기 전력 공급 패러다임 전환, 초전도 케이블 - 대용량, 친환경, 고효율 전력 전송
2012-05-04



우리나라는 대용량, 친환경, 고효율 등을 특성으로 하는 '초전도 (신)전력망'을 구축하고 있다. 전력 공급 비용을 최소화하고 사회경제적 편익을 극대화하기 위한 것으로, 초전도 전력 계통은 기존 전력 공급망 체계와 전력 공급 패러다임을 변경하는 사업이다. 지경부는 전체 전력 계통의 초전도화를 실현하면, 전력 공급 비용을 현재 수준보다 3% 이상 절감할 것으로 전망했다. 전력 손실 절감분 2%, 환경 · 품질 효과 1%(미국에서 전력 공급 정전 비용을 GDP의 1%, 환경 비용을 1% 이상으로 추정), 기타 온실가스 배출 권리와 민원 감소 효과 등을 감안한 것이다. 전력 계통의 초전도화는 세계적 추세이며, 21세기 전력 공급 패러다임을 바꾸는 획기적인 사업이다.

송전 선로와 변전소 신 · 증설에 따른 민원 문제가 사회적 이슈로 떠올랐다.
그 해결책이 바로 초전도 전력망 구축이다

고온 초전도 케이블의 장점은 동일한 크기의 기존 케이블과 비교할 때 소형 및 대용량, 고효율, 친환경 전력 전송 등이다. ▲소형 및 대용량-교류 초전도 케이블은 5배 이상, 직류 초전도 케이블은 약 20배 송전한다. ▲고효율-교류 초전도 케이블은 약 1/4 이하의 송전 손실을, 직류 초전도 케이블은 약 1/40 송전 손실을 나타낸다. ▲친환경-송전 손실을 줄임으로써 전력 생산에 따르는 CO2 배출을 억제하며, 기존 케이블에 사용하는 절연용 오일이나 SF6 등 환경오염 물질을 전혀 사용하지 않는다. 또한, 자기장을 완벽하게 차폐하므로 기존 초고압 가공선과 지중선이 갖는 전자파 문제를 근원적으로 해결할 수 있다. ▲장거리 송전-교류 초전도 케이블은 허용 전류 중 충전 전류가 차지하는 비중이 작으므로 충전 전류에 의한 송전 거리 제약이 기존 케이블에 비해 작다. 따라서 장거리 송전에 유리하다. 직류 초전도 케이블은 저항이 거의 '0'에 가깝기에 장거리 송전에 의한 전압 강하가 거의 없다.
우리나라는 경제 성장과 더불어 전력 부하가 꾸준히 늘어났으며, 수도권 지역에 전체 부하의 41% 이상이 집중한다. 전력 공급의 신뢰도를 확보하고 전력 계통의 안정도를 높이려면, 전력 수요 증가에 맞춰 송 · 변전 설비를 확충해야 한다. 그러나 전력 설비에 대한 부정적인 시각과 환경 민원 등으로 갈수록 부지를 확보하기 어렵고 공기工期도 늘어나는 추세다. 특히, 도시 기능이 고도로 발달한 대도시의 경우 높은 부하 밀도에 따라 지중 케이블과 변압기의 대용량화가 필요하지만, 송 · 변전 기기의 용량을 늘리는 데 한계가 있다. 또한, 도심에 지중 케이블의 복수 회선을 포설하려면 부지 확보와 토목 공사비 부담도 만만치 않다. 지중 케이블의 용량 한계로 인한 다회선 포설은 도심 내 변전소의 신 · 증설뿐만 아니라 전체 전력 공급 비용을 높이고 민원 문제를 야기한다.
이러한 문제를 해결할 방법은 없을까. 바로 차세대초전도응용기술개발(DAPAS : Dream of Advanced Power System by Applied Superconductivity Technologies) 사업 2단계 연구에서 제안한 '초전도 (신)전력 계통'이다. 도심의 154㎸ 변전소를 2.9㎸ 개폐소로 변환하고, 외곽의 154㎸ 변전소로부터 초전도 케이블을 통해 전력을 공급하도록 하는 계통 구성 방식이다. 22.9㎸ 개폐소는 주변압기뿐만 아니라 기타 154㎸ 변전 설비들이 필요 없으므로 설비비가 대폭 줄어든다. 아울러 22.9㎸ 개폐소는 154㎸ 변전소보다 훨씬 적은 부지만 필요하므로, 이로 인한 경제적 이익도 얻을 수 있다. 또한, 154㎸ 케이블을 22㎸급 대용량 초전도 케이블로 대체하면 기존 관로나 전력구 등 지중 선로 입지 공간을 활용하기에 토목 공사비를 줄이고 공사에 의한 교통난도 완화하며 토지를 효율적으로 사용할 수 있다.


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LS전선의 세계적 초전도 케이블 기술력
세계적으로 넥상스Nexans, 스미토모Sumitomo, 사우스와이어Southwire, NKT, LS전선만이 초전도 케이블 턴키Turnkey 기술을 확보하고 실증 사업을 진행 중이다. LS전선은 2000년에 고온 초전도 케이블 개발을 시작한 이래 2001년 DAPAS 프로젝트를 통해 본격적으로 초전도 케이블 시스템개발에 착수했다. 2005년에 한국전기연구원 조전욱 박사팀과 공동 연구로 22.9㎸, 50㎹A급 3상 30m 고온 초전도 케이블을 개발하고 장기 실증 시험에 성공했다.
LS전선에서 개발한 초전도 케이블은 같은 용량의 기존 케이블에 비해 크기는 1/3 이하로 줄이면서 동시에 5배 이상 송전할 수 있다. 당시 6개월 이상 실제 운전 상태와 같이 전류와 전압을 흘리고 정전 상태, 이상 압력, 냉각 및 상온을 반복하는 실험을 통해 초전도 케이블의 신뢰성 확보와 검증을 위한 장기 실증 시험에도 성공했다. 또한, 고온 초전도 케이블 설계, 케이블 및 터미네이션Termination 제작, 냉각 시스템 설계 · 제작, 웹Web 기반 인터넷을 활용해 어느 곳에서나 초전도 케이블의 상태를 감시하고 제어하는 무인 운전 기술 등 세계적 수준의 핵심 기술도 독자적으로 개발했다.

 
초전도 케이블 시스템
초전도 케이블 시스템은 비등점 77K 액체 질소로 냉각했을 때, 초전도 현상을 나타내는 고온 초전도 선재를 전도체로 하는 '초전도 케이블'과 '접속함', '단말', '극저온 냉각 시스템'으로 이뤄진 시스템을 총칭한다. 초전도 단말은 초전도 케이블과 가공선을 연결하는 단말부고, 초전도 접속함은 초전도 케이블을 운송 가능한 일정한 길이(약 300∼500m)마다 연결해 장거리 전력 전송을 가능케 하는 접속부다. 극저온 냉각 시스템은 하이브리드 타입으로 초전도 케이블 시스템의 액체 질소 온도를 일정한 기준에 맞춰 유지해 준다.


그 후 LS전선은 2010년 세계 최고 수준의 154㎸급 송전용 '초전도 케이블 단말'개발에 성공했다.
이것은 특정 온도(약 -196℃ 이하)에서 전기 저항이 '0'이 되는 특성을 이용해 대용량 송전을 가능케하는 초전도 케이블을 기존 전력망과 연결하는 커넥터 역할을 한다. 즉, 초전도 케이블 송전망 구축에 필요한 핵심 장치 중 하나다.
초전도 케이블과 단말은 초전도 특성을 유지하기 위해 액체 질소를 냉매로 사용한다. LS전선에서 개발한 단말은 극저온부-온도 구배부-상온부 세 단계로 구성돼 열효율을 극대화하면서 전력 손실을 최소화한 것이 특징이다. 아울러 기존 전력망과 효율적으로 연계할 수 있는 구조를 채택함으로써 시공편의성도 크게 높였다. 송전용 초전도 케이블 단말은 높은 전압에서도 안정적인 성능을 유지해야 함은 물론, 액체 질소를 주절연물로 이용하므로 열 충격에 강하고 기계적으로도 안전한 구조의 복합적 기술을 필요로 한다. LS전선의 단말은 성능 테스트에서 ±900㎸ 이상 충격 전압衝擊電壓을 견뎌냈다.

GENI 프로젝트
GENI(Green Superconducting Electric Power Network at Icheon Substation) 프로젝트 1단계 사업으로 2008년 11월에 시작해 2011년 3월 이천변전소에 22.9㎸ 초전도 케이블 및 초전도 한류기의 설치를 완료했으며, 2011년 9월 경기도 이천변전소에 배전용 22.9㎸ 초전도 케이블 시스템 전력 계통 운전에 들어갔다. 미국에 이어 세계 두 번째로 실제 전력망에 초전도 케이블 기술을 적용한 것이다. 2단계 사업은 22.9㎸, 50㎹A 이상, 1㎞ 이상 초전도 케이블을 개발해 실계통에 설치하고 운전하는 것을 목표로 2013년 말까지 진행할 예정이다.
이 사업은 지경부와 한국에너지기술평가원이 주관하고, 한전과 LS전선이 참여했다. 한전은 초전도 전력 시스템의 계통 연계 및 운전, 시스템 해석 및 보호를 담당했고, LS전선은 초전도 케이블의 제작 및 설치를 담당했다. 크게 초전도 케이블과 초전도 한류기의 설치 및 계통 운영으로 구분된다. 여기에 사용한 초전도 케이블 시스템은 410m 규모로 배전용 케이블로는 세계 최장 길이며, 초전도 한류기 시스템은 정격 전류 630A다.
초전도 케이블을 전력망에 적용하려면 경제성 확보와 대용량 냉각 시스템, 케이블 설치 경로의 고저차 극복, 중간 접속 등 장거리 송전 기술이 필요하다. 당시 실계통에 적용한 케이블은 기존 초전도 케이블과 달리 중간 접속함(Joint Box)을 포함한 세계 유일의 초전도 선로다. 초전도 배전 케이블은 저항이 없는 초전도 특성을 사용하므로 대용량 전력전송이 가능해 기존 송전용 케이블의 영역을 일부 대체할 것으로 보인다. 또한, 실계통 운전을 위해 개발한 기술과 노하우는 2013년 제주도에 구축 예정인 송전급(80㎸ 직류, 154㎸ 교류) 초전도 케이블 시스템 실증 사업에 활용할 예정이다.

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대도시 도심지 재개발이나 신도시 개발 등으로 급증하는 전력 수요에 맞춰 송 · 변전 설비를 확충해야 한다. 정부는 지중화율을 2005년 8.3%에서 2020년까지 10.5%로 늘리는 등 송 · 변전 설비 확충 계획을 세웠으나, 막대한 공사비와 오랜 공사 기간으로 전력 생산 원가가 증가할 것으로 보인다. 수도권 지역은 최대 전력 수요의 41%를 차지하기에 타 지역으로부터 안정적 송전이 필요하지만 변전소 부지와 송전선 경과지 확보 문제는 심각한 편이다.
따라서 같은 단면적에 많은 전력을 보내며, 기존 관로와 전력구를 활용해 토목 건설비를 대폭 절감할 수 있는 대용량 초전도 케이블이 필요하다. 현재 배전급 초전도 케이블 분야는 연구 개발과 실증 시험을 활발하게 진행 또는 완료한 상태로 상용화를 앞두고 있다. 2012∼2015년경 본격적인 상업화가 이뤄질 것으로 보인다.

참고 자료 :《 초전도 전력 기기의 실계통 적용 기술 개발 : 기획보고서》지경부, 《차세대 초전도 응용 기술 개발 사업-초전도(신)전력 계통 토털 시스템 계통 적용 연구》한국전기연구원, 《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-초전도》한국에너지기술평가원,《 초전도 전력 기기》한국과학기술정보연구원

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