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HVDC(High-Voltage, Direct Current) 시스템은 초고압 직류 송전 시스템을 말하는데요. 발전소에서 생산된 전력을 교류(AC)에서 직류(DC)로 변환하여 수송한 뒤, 다시 교류로 바꿔 수요자에게 공급하는 방식입니다. HVDC 기술은 기존 교류 송전보다 전력 손실이 적어 대용량 송전이 가능하고 전력조류 및 부하제어가 용이하여 선로 이용률을 상승시킬 수 있습니다.

 

차세대송변전연구소 송변전설비연구실 김수환 연구원HVDC 케이블 진단시스템 개발 및 운영, 케이블 고장점 탐지 기술 실증 등의 연구를 진행하고 있는데요. 김수환 연구원과의 인터뷰로 더욱 자세한 내용을 알아보세요.

 

차세대송변전연구소 송변전설비연구실 김수환 연구원

 

세계 최초로 개발한 기술?!

 

제주와 육지를 잇는 HVDC 케이블에 대해서는 들어보신 적 있으실텐데요.

한전은 해상구간에 설치한 HVDC 케이블을 시작으로, 현재는 육상구간 HVDC인 북당진-고덕 HVDC 케이블을 설치하여 운영하고 있습니다. 북당진-고덕 HVDC는 국내 최초로 ±500kV로 운전되는 대용량 전력공급 사업이며, 세계 최초 HVDC MI-PPLP 케이블 육상포설 사업입니다. HVDC MI-PPLP 케이블은 크라프트지(절연지) 사이에 얇은 필름과 같은 반합성지인 Polypropylene Paper를 컴파운드에 함침하여 절연체를 구성하는 케이블로, 우수한 성능을 갖지만 전 세계적으로 이 케이블에 대한 진단기술이 전무한 상황이였는데요. 송변전설비연구실이 HVDC 케이블 실시간 부분방전 진단시스템을 세계 최초로 개발하였습니다.

 

차세대송변전연구소 송변전설비연구실 김수환 연구원

 

매주 대전 전력연구원과 고창 전력시험센터를 오가며, HVDC 케이블 진단시스템 개발 연구를 수행하였는데요. 연구과정이 쉽지 않았지만, 다양한 시행착오 끝에 마침내 진단시스템을 개발했을 때 큰 자부심을 느꼈습니다.”

 

HVDC 케이블 부분방전 진단기술

 

HVDC(고압직류송전) 케이블 부분방전 진단기술은 DC(직류) 부분방전의 측정, 패턴분석 등을 통해 HVDC 케이블의 상태를 실시간으로 진단할 수 있는데요.

 

“HVDC MI-PPLP 케이블 부분방전 진단 기술은 크게 3가지의 기술로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 DC(직류) 부분방전의 측정 기술인데요. 기존 AC(교류) 송전에서 발생하는 방전 매커니즘과 다른 DC 부분 방전을 측정하기 위한 기술로, 모델 케이블, 실제 케이블 등에 적용하여 측정 기술을 검증하였습니다.”

 

HVDC 케이블 부분방전 측정시스템

 

두 번째 기술은 HVDC 케이블 부분방전 패턴분석 기술입니다. 방전크기, 방전시간차, 누적방전, 방전 주파수를 변수로 하여 구성된 패턴으로 케이블의 상태를 진단할 수 있는 기술입니다. 그리고 세 번째는 이 두 가지 기술로 얻어진 결과를 진단 알고리즘에서 종합하여 케이블의 상태를 최종적으로 나타내는 기술입니다.”

 

HVDC MI-PPLP 케이블 부분방전 진단기술은 현재 ±500kV 북당진-고덕 HVDC MI-PPLP 케이블 실제 계통에 적용되어 운영하고 있는데요. HVDC 케이블의 정확한 진단을 통해 계통의 고장과 정전을 미연에 예방할 수 있을 것으로 기대합니다.

 

                                (좌)HVDC 케이블 PD 패턴분석 시스템(HW+운영시스템), (우)실시간 부분방전 진단 운영시스템(북당진-고덕 실계통)

 

케이블 고장점 탐지 기술

 

장거리 송전용 케이블을 최적의 상태로 운영하기 위해서는 상태를 실시간으로 점검하는 것만큼이나 중요한 게 있는데요. 바로, HVDC 케이블에 고장이 발생했을 때 그 고장점이 어디인지 빠르게 위치를 판별하는 것입니다. 고장점을 탐지하는 시간이 길어질수록 여러 가지 제약 비용이 발생하기 때문입니다. 송변전설비연구실에서는 이 고장점 탐지의 오차율을 1% 이내(100km 케이블 기준 1km 이내)로 개선한 혁신적인 기술, TFDR(Time Frequency Domain Reflectometry, 오프라인 고장점 탐지 시스템)도 개발하였습니다.

 

제주 #1, #2, 북당진-고덕 HVDC 송전선로에서 TFDR기술에 대한 실증을 진행하고 있는데요. 이 기술은 국외 기술이전과, EPRI(최고권위 전력연구소)의 공동연구 제안으로 전 세계 전력케이블에 적용될 수 있도록 개선이 진행 중입니다.”

 

해남변환소 고장점탐지 실증

 

힘들지만 배우는 것도 많아

 

혁신적인 기술 개발이 보람되기도 하지만 또 그만큼 성과를 만들어내는 과정이 쉽지만은 않았을 텐데요. 일반적으로 가정에서 사용하는 전압인 220V보다 1,000~3,000배 이상인 고전압을 사용하는 연구가 대부분이다 보니 그에 따른 시행착오가 많았다고 합니다.

 

차세대송변전연구소 송변전설비연구실 김수환 연구원

 

시험을 수행할 때 사용하는 시험 전압의 영향으로 복잡한 변수들이 존재하게 되는데요. 특히 시험 전압의 크기가 클수록 고려해야 할 변수가 더욱 복잡해집니다. 송전급의 큰 전압으로 시험을 수행할 기회가 많다 보니, 해결하기 어려운 복잡한 문제들에 직면하게 되는 경우도 많았는데요. 이런 어려운 상황을 해결해 나가며 고전압 시험에 대한 전문지식을 쌓고, 다른 업무를 수행할 때도 적용할 수 있는 문제해결 능력이 향상되는 것 같아 뿌듯함을 느낍니다.”

 

차세대 송전기술 개발의 주역

 

최근 한전은 차세대 송전 기술로 주목받는 HVDC 기술 개발을 위해 세계 최대, 최고 규모의 HVDC 케이블 실증 시험장을 고창전력시험센터에 구축하였습니다. 이 시험장은 지하 1, 지상 2, 최고높이 38.65m, 4,772의 면적으로 1800kV, 1400kV HVDC 전압발생기, 4MV 충격전압 발생기, 6kA AC 전류원, 5kA DC 전류원 등 최고 성능의 시험 장비를 보유하고 있는데요. 앞으로 국내에서 진행되는 HVDC사업의 기술 안정성 확보에 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.

 

(좌)HVDC 케이블 실증 시험장, (중앙)1400kV HVDC 전압 발생기, (우)4MV 충격전압 발생기

 

이곳 HVDC 케이블 실증 시험장 구축을 통해, 전 세계 전력분야 연구진들과 함께 연구를 수행하며 함께 지식을 교류할 수 있는 기회의 장이 열린 것 같아 무척 기대됩니다. 한전이 보유하고 있는 빅데이터와 AI기술을 이용하여 기존 진단기술의 신뢰성을 높이는 연구도 지속적으로 추진하여 안정적인 전력망을 구축하는데 도움이 되고 싶습니다.“

 

차세대송변전연구소 송변전설비연구실 김수환 연구원

 

최적의 전력계통운영을 위한 유지보수 시스템을 개발하여, 깨끗하고 품질 좋은 전기를 모두가 마음놓고 사용할 수 있는 환경을 만들고 싶다는 김수환 연구원이 만들어갈 성과를 앞으로도 기대해주세요.  

 

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