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(지난 기사에서 이어집니다 https://blog.kepco.co.kr/1537)

 

얼마전, 꿈의 기술인 초전도 기술을 활용한 케이블에 대해 기사를 작성했는데요. 미래 전력분야의 효율 전쟁을 끝낼 최후의 기술로 촉망받고 있는 초전도 케이블 이야기, 재미있게 읽으셨나요?

 

 

(좌) 초전도 기술 시연 장면 ⓒ셔터스톡 / (우) 초전도 기술이 적용되는 발명품, 자기부상열차 ⓒ클립아트  

 

금속, 합금, 화합물 등의 전기저항이 특정 온도 이하에서 0이 되는 현상을 의미하는 초전도. 해당 기술을 활용해 케이블을 제작하면 송전손실이 거의 없는 상태에서 전기를 흘려보낼 수 있다고 설명드렸는데요. 이렇게 신박한 초전도 기술, 과연 케이블에만 사용되고 있을까요? 전력 기자재 관련 분야의 다른 곳에서 활용되고 있지는 않을까요?

 

맞습니다! 초전도 기술은 케이블뿐만 아니라 회로의 전류를 차단하는 장치인 한류기(限流機, 제한할 ‘한’자와 흐를 ‘류’자를 사용) 등 다양한 전력기기에 적용되고 있어요. 이번 시간에는 ‘초전도 한류기’가 무엇인지, 그리고 한국전력의 관련 기술 개발 동향을 소개하겠습니다.

 


 

초전도 한류기란?

 

초전도 한류기(超傳導限流機, Superconducting Fault Current Limiter)는 초전도체를 활용해 계통에 임피던스(도선에서 전기적 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 척도)를 투입함으로써 고장전류를 제한하는 기기입니다. 상시 전류가 흘러도 도선의 저항이 0이기 때문에 교류 전력 손실이 없다는 점이 특징인데요. 고장 전류가 초전도 한류기의 임계 전류 이상이 되도록 설계하면, 초전도 도선은 상전도체로 순간 전이하고 이때 발생한 저항은 계통의 부하로 작용하여 고장 전류를 감소시킵니다.

 

초전도 한류기 개요 ⓒ전력연구원 월간소식지 KEPRI NEWS 2019년 5월호

 

 

조금 설명이 어려운가요? 쉽게 말하면 고장 전류 케이블 지락이나, 단락(전선이 서로 붙어버린 현상)에 의해 계통 부하가 변하면 기기를 보호해주는 장치인데요. 고장 전류를 0.002초 이내에 정상전류로 변환해 전력계통의 유연성, 안정도, 신뢰도 등을 개선해 준답니다.

 

정격 용량 이상의 전류에 의해 차단기가 소손되면 어떻게 될까요? 이럴 경우 계통 보호가 불안정해지고 정전 구간이 확대돼 자칫하면 광역 정전이 발생할 수 있습니다. 고장 전류 증가에 대비하기 위해서는 차단기를 교체해야 하는데 비용이 많이 들고 보수 기간에도 긴 시간이 소요되는데요. 따라서 그동안 안정적으로 계통을 운영하기 위한 적절한 대책이 필요했답니다. 이러한 상황에서 ‘초전도 한류기’를 설치하면 예상치 못한 사고 발생 시에도 차단기를 교체하지 않고 계통을 안정적으로 운영할 수 있게 돼요.

 

 

 

우리나라는 국토가 협소하고 계통 선로의 길이가 상대적으로 짧아요. 따라서 전력 공급의 유연성을 위해 계통을 서로 연계해 사용하고 있는데요. 이런 상황에서 고장 전류가 발생할 시 대규모 정전으로 번질 수 있죠. 그러니 초전도 한류기가 널리 확대된다면 전력 계통의 안정성이 더 강화될 수 있겠죠?

 


 

이렇게나 다양한 초전도 한류기의 종류!

 

초전도 한류기는 임피던스(도선에서 전기적 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 척도)를 어떻게 투입하느냐에 따라 3가지 종류로 나뉩니다.

 

 

1. 저항형 한류기

: 초전도체를 일정한 온도 이하로 냉각하면 저항이 0이 되어 많은 전류가 흘러도 열이 발생하지 않습니다. 그러나 전류가 과도하게 흘러 일정한 값을 넘으면 초전도성을 잃어 저항이 급속하게 발생하는데요. 저항형 초전도 한류기는 바로 이 성질을 이용한답니다. 과도전류가 흐를 때 초전도체의 고유 성질에 의해 전류가 바로 제한되는 거죠!

 

 

2. 포화철심형 한류기

: 포화철심형 초전도 한류기는 한 쌍의 철심 중 한쪽에 AC 코일을 감아 선로에 연결하고, 반대쪽 철심은 DC 코일로 감아 DC 회로에 연결해 제작합니다. DC 코일에 전류를 인가해 철심이 포화되도록 하면 평소에는 AC 코일이 공심 리액터와 거의 같이 동작해 임피던스가 작아져요. 반면 고장전류가 흐를 때에는 철심의 포화가 풀려 AC 코일의 임피던스가 커져 전류를 제한하게 되죠!

 

 

3. 자기차폐형 한류기

: 자기차폐형 초전도 한류기는 철심의 1차 측에 AC 코일을 감아 선로에 연결하고, 2차 측에 초전도 링 혹은 튜브를 설치해 제작합니다. 초전도체의 특성 중 하나는 초전도 상태에 있을 때에는 자기장을 배척해 초전도체 내부의 자기장이 0이 되며, 초전도성을 잃고 상전도 상태가 되면 자기장을 배척하지 않는다는 점인데요. 이러한 특성을 살려 고장전류가 발생하면 초전도체가 초전도성을 잃어 철심에 자기장이 생기고, 1차 측 코일에 임피던스가 발생하는 식으로 전류를 제한하죠.

 

 


 

초전도 한류기 기술, 한국전력이 놓칠 수 없지

 

2016년 한국전력 전력연구원은 154kV급 초전도 한류기 시스템을 개발해 고창전력시험센터에 구축하고 준공을 완료했습니다.

 

ⓒ한국전력 홈페이지 보도자료

 

이 시스템은 산업부의 지원을 받아 2011년부터 연구가 시작됐는데요. 5년여 동안 시스템 개발 및 실증시험을 거쳐 독자적으로 개발이 이뤄졌답니다. 154kV/2kA 급 단상 초전도 한류기 시스템은 50kV 이상의 고장전류 크기를 40% 이상 제한할 수 있는 세계 최고 수준의 초전도 한류기라네요. 이전에는 미국의 115/kV/0.9kA 급 한류기가 최고 수준이었는데, 한전의 시스템이 그 수준을 넘어선 거죠.

 


 

초전도 신기술을 활용해 전력계통의 경제성과 신뢰성을 높이려 노력하는 한국전력. 세계 최고 수준의 개발 및 운용 경험을 바탕으로 연구에 매진하고 있는데요. 초전도 신기술의 실계통 적용이 가능한 그날을 고대하겠습니다.

 

 

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