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초전도 한류기란 무엇인가?

 초전도 한류기는 초전도체의 초전도성을 이용하여 계통에 임피던스를 투입함으로써 고장전류가 발생했을 때, 차단기가 차단이 가능한 용량으로 제한하는 기기입니다



위의 그림과 같이 전력계통에 예상치 못한 사고가 발생했을 때 초전도 한류기를 통해 고장전류를 감소시켜 차단기를 통해 전류를 제한합니다. 쉽게 말해 낙뢰나 단선 등으로 인해 발생하는 과잉전류를 단시간에 감지하여 수초이내에 정상전류로 바꿔서 정전사태 등의 전력계통 사고를 방지하는 보호장치를 말합니다.


초전도 한류기를 설치하면 사고전류의 용량을 제한하고 차단기의 용량 증대와 선로 증설 감축, 전력기기 기준완화 등이 가능하여 전력계통의 신뢰도 및 안정도가 향상되고 경제적으로도 유리합니다.


간이 지날수록 전력수요가 증가하고 있음에 따라 전력계통의 신뢰도와 안정성을 위해 초전도 한류기의 중요성은 물론이고 계통의 고장전류 문제를 해결해 줄 것으로 기대됩니다.

현재 전력산업에 종사하는 회사들은 보다 성능이 좋은 초전도 한류기를 개발하기 위해 많은 노력과 산업에 투자를 하고 있습니다.

 




초전도 한류기의 동작 원리 및 특징

초전도 한류기는 초전도체가 특정 온도 및 특정 전류 이하에서 보이는 저항 제로특성을 이용합니다. 계통에 초전도 기기를 적용할 경우 고장전류의 크기의 증가를 초래하여 교류차단기의 차단 능력 한계가 문제가 되고 있습니다. 이에 대한 해결책으로 일정한 임피던스를 통해 단락전류를 제어하는 장치, 즉 한류기를 설치해야 합니다. 초전도체는 초전도 상태에서는 저항이 제로이지만, 초전도가 파괴되어 상전도 상태로 전이되면 높은 저항상태를 보입니다.  


<사진출처-http://www.ekn.kr/news/article.html?no=181226>

 한전 전력연구원이 개발한 초전도 한류기 시스템

 

초전도 한류기의 장점은 고장전류를 1/4 주기 내로, 원하는 전류치 내로 저하시킵니다. 초전도 발전기를 비롯하여 미래의 계통기기의 초전도화를 고려할 때, 단락전류에 의한 단락사고 방지를 위해서는 초전도 한류기는 없어서는 안 될 필수적인 기기입니다.

 




초전도 한류기의 종류

초전도 한류기는 임피던스를 투입하는 원리에 따라 여러 종류로 나뉘게 되는데요. 현재 개발되고 있는 수 kV급 이상의 초전도 한류기에는 저항형, 포화철심형, 자기차폐형 등이 있습니다.

 


1) 저항형 한류기

저항형 한류기는 구조가 간단하지만 충분히 많은 양의 초전도체를 사용해야 합니다. 초전도체에 고장전류가 흐를 때 초전도성을 잃어 저항이 발생하는 성질을 이용해 고정전류를 억제합니다. 초전도체를 일정한 온도 이하로 냉각하면 저항은 0가 되어 많은 전류가 흘러도 열이 발생하지 않습니다. 그러나 전류가 과도하게 많이 흘러 일정한 값을 넘으면 초전도성을 잃어 저항이 급속하게 발생하게 됩니다.

저항형 초전도 한류기는 과도전류가 흐를 때 초전도체의 고유성질에 의해 선로에 저항이 급격히 투입되어 전류를 제한하게 됩니다.

 


2)포화철심형 한류기

포화철심형 초전도 한류기는한 쌍의 철심 한쪽에 AC 코일을 감아 선로에 연결하고 반대쪽은 DC 코일을 감아 DC회로에 연결해 구성합니다.


DC 코일에 전류를 인가해 철심이 포화되도록 하면 임피던스가 작고, 고장전류가 흐를 때에는 임피던스가 커져 전류를 제한합니다. 쉽게 말해 변압기 철심 2차측에 철심을 포화시키고, 1차측에는 전력선과연결되는 교류 코일을 감습니다. 교류 전류가 생기면 그로 인한 자속 때문에 포화가 풀리면서 고장전류는 제한됩니다.

 


3) 자기차폐형 한류기

자기차폐형 초전도 한류기는 철심의 1차 측에 AC코일을 감아 선로에 연결하고, 2차측에 초전도 링 또는 튜브를 설치하여 구성합니다. 초전도체는 초전도상태에 있을 때에는 초전도체 내부의 자기장이 0이 되며, 초전도성을 잃고 상전도 상태가 되면 자기장이 생기지 않습니다.


고장전류가 발생하면 초전도체가 초전도성을 잃어 철심에 자기장이 생기므로 1차 측 코일에는 임피던스가 발생하여 전류를 제한하게 됩니다.

 




초전도 한류기 전망

현재 우리나라의 송전계통은 154kV 345kV로서 송전거리가 짧고, 공급 안정도와 신뢰도 및 사고대처를 빠르게 하기 위하여 네트워크방식을 사용하고 있습니다. 날이 갈수록 전력수요는 증가하고 있는 상태에서 지속적인 설비 증설로 사고가 발생했을 때 고장전류도 점점 증가하고 있습니다.


전 세계적으로도 전력계통의 안정성을 중요성을 일찌감치 깨닫고 개발 및 상용화에 힘써오고 있습니다. 유럽과 미국 및 중국, 일본이 대표적인 나라인데요. 유럽의 경우 초전도 한류기 개발을 가장 먼저 시작했으며 활용 또한 앞서있습니다. 분산전원 투입 등으로 배전급 한류기의 수요가 많아 실적용이 진행되고 있습니다. 유럽 각국의 정부가 앞장서서 초전도 한류기 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 현재는 시장 진입을 추진하는 단계에 있다고 합니다미국의 경우 Zenergy Power의 주도하에 에너지성의 지원을 받아 12.5kV/1.2kA급 초전도 한류기를 개발하고, American Superconductor의 에너지성의 지원을 받아 Siemens의 공동으로 115kV/900A급의 초전도 한류기를 개발했습니다. 중국의 경우 중국정부의 적극적인 지원에 힘입어 2007년에 35kV/1.5kA급 제작을 완료하였고 2013년에는 220kV/800A급 초전도 한류기를 개발했다고 하네요.

 


전력계통에서 고장전류는 없어지지 않고 상존할 것이며 전력수요 증가에 따라 앞으로 많은 문제가 발생할 것이라고 생각하기 때문에 이에 따른 고장 전류 대책을 강구하기 위해 초전도 한류기의 중요성은 점점 커질 것입니다.


현재 우리가 사용하고 있는 전력계통에 초전도 한류기가 상용화되기 까지는 시간이 걸릴 것으로 생각합니다. 장기테스트를 통하여 초전도 한류기가 전력계통에 적합하게 적용을 하는지 알아야 할 것이고, 초전도 전력기기의 비용 및 운전비용이 적게 드는 것이 중요하겠죠?


차세대 전력산업의 선두자가 될 스마트 그리드 기술에 초전도 한류기가 적용이 된다면 그 효과는 배가 될 것이라고 생각합니다. 초전도 한류기는 개발역사와 설계사례가 그다지 많지는 않지만, 미래전력산업에 엄청난 기기가 될 것이라고 생각합니다.



미래에 초전도 한류기가 전력계통에 신뢰성과 경제성이 전력산업에 확보가 된다면 이전보다 전력계통은 안정적이고 효율적으로 운영이 가능해 질 것이며이에 따라 수용가측에서는 품질 좋은 전력을 공급받을 것이라 생각합니다.








 




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