초록

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전 세계적으로 대규모 정전사태가 발생하고, 국내 전력계통의 경우에도 전력수요가 폭발적으로 증가하여 단락, 지락, 낙뢰 등의 전력사고(고장) 발생 시 기존 차단기의 용량으로는 차단할 수 없는 대형 사고가 발생하고 있다. 이렇게 대규모의 정전 사태의 원인은 병렬 network이다. 우리나라 역시 전기공급을 병렬 network로 운전하고 있어 대규모 정전 사태에 직면할 가능성이 있다.(중략)

전 세계적으로 대규모 정전사태가 발생하고, 국내 전력계통의 경우에도 전력수요가 폭발적으로 증가하여 단락, 지락, 낙뢰 등의 전력사고(고장) 발생 시 기존 차단기의 용량으로는 차단할 수 없는 대형 사고가 발생하고 있다. 이렇게 대규모의 정전 사태의 원인은 병렬 network이다. 우리나라 역시 전기공급을 병렬 network로 운전하고 있어 대규모 정전 사태에 직면할 가능성이 있다.(중략)

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 이 글에서는 연세대학교에서 연구한 6.6kV/200A 3상 유도형 초전도한류기의 연구개발 과정과 성과에 대해 설명하고자 한다.
• 3차년도 초전도한류기는 시스템은 2차년도에 성공적으로 개발한 초전도한류기의 성능을 유지하면서 장시간 운전을 위하여 DC reactor의 열 부하를 줄이는 연구를 중점적으로 수행하였다. 그림 4는 바뀐 DC reactor 의 개념도이다.

제안 방법

• 2kV/80A의 용량을 목표로 초전도한류기 연구를 시작했다. DC reactor의 냉각 방식은 임계 전류의 이득을 얻을 수 있는 전도 냉각 방식으로 20K까지 냉각하였고 마그네트는 더블 팬 케이크 형태로 제작하였다. 3상 정류를 위한 전력변환기는 6개의 싸이리스터로 구성되었고 각각의싸이리스터는 사고 감지 후 전기적 신호로 트리거 오프시 켜 차단기 가 작동하기 이 전에 사고 전류를 제한할 수 있도록 설계하였다.
• DC reactor의 냉각 방식은 임계 전류의 이득을 얻을 수 있는 전도 냉각 방식으로 20K까지 냉각하였고 마그네트는 더블 팬 케이크 형태로 제작하였다. 3상 정류를 위한 전력변환기는 6개의 싸이리스터로 구성되었고 각각의싸이리스터는 사고 감지 후 전기적 신호로 트리거 오프시 켜 차단기 가 작동하기 이 전에 사고 전류를 제한할 수 있도록 설계하였다. 그림 2는 완성된 L2kV/80A급 한류기의 모습이다.
• 하지만 과냉질소를사용하면 냉각 온도가 65K으로 1차년도에비해 상당히 많이 동작 온도가 올라갔기 때문에 DC reactor의 임계전류를 향상시키기위한 방법이 필요하였다. 그래서 선재 4개를 적층하여 솔레노이드를 만들었고, 사고 제한에 충분한 임피던스를 주기위하여 보빈 5개를 직렬로 연결한 DC reactor를 설계하였다. 이런 변화가 2차년도 목표를 성공적으로 달성할 수 있었던 중요한 요인이었다.
• 그림 4는 바뀐 DC reactor 의 개념도이다. DC reactor내의 일반 도체에서 나오는 열을 줄이기 위하여 보조 전류 리드와 보빈 연결 부위에 초전도 선재를 접합하여 열 부하를 줄였고, 가장 큰 변화는 cryostat 의 구조를 과냉질소 순환 방식에서 vacuum type으로 변환하였다. 그림 5는 완성된 DC reactor의 모습이다.
• 또한 2001년 9월에 연구를 시작한 이래 불과 2년 6개월여 만에 최근 단락시험을 수행하였다. 그림 8은 단락시험 결과를 보여주는 그래프이다.
• 비전치식 보조권선법에 의한 대용량 초전도 코일을 개발하고 과냉질소를 이용한 특수 냉각시스템을 개발하여 장시간 안정성을 확인하는 등 세계적 수준의 핵심 기술을 개발하였다.

대상 데이터

• 2001년 9월부터 1.2kV/80A의 용량을 목표로 초전도한류기 연구를 시작했다. DC reactor의 냉각 방식은 임계 전류의 이득을 얻을 수 있는 전도 냉각 방식으로 20K까지 냉각하였고 마그네트는 더블 팬 케이크 형태로 제작하였다.

성능/효과

• 전체적인 열 부하는 2차년도의 87W에 비하여 거의 절반인 47W로 줄일 수 있었다. 그림 6은 3상 단락시험 시의 한상에서의 선 전류 결과이다.
• 이번에 개발한 유도형 초전도한류기는 전력계통의 사고발생 시 고장전류를 초전도 코일의 인덕턴스에 흐르게 하여 순간적으로 고장 전류 상승을 억제하는 기능이 있다. 초전도 한류기의 정격용량은 3상 6.
• 1 초의시간 동안 계통에 흘러 막대한 피해를 줄 것으로 예상된다. 하지만, 그래프에서 초전도 한류기가 있는 경우에는 사고가 발생하자마木 전류를 제한하기 시작하여 전류가 서서히 증가하고 있으며, 사고 발생 후0.05초 이후에도 사고 전류의 약 30% 수준인 1.7kA 로 사고 전류를 제한하여 주는 것을 확인하였다. 이러한 한류효과는 세계최고 수준의 결과이다.

후속연구

• 앞으로 2007년까지 22.9kV의 배전급 초전도 한류기의 단락시험 모델을 개발할 계획으로, 이를 초전도한류기의 상용화 시점으로 예상하고 있으며, 실증 시험과 분석을 통하여 실제 투입할 예정이다.
• 6kV급 유도형 초전도 한류기를 성공적으로 개발하였다. 하지만 용량이 증가할수록 부피가 커지는 단점을 갖고 있고, 2G 선재인 YBCO Coated Conductor(CC)가 빠르게 개발됨에 따라 새로운 형태의 22.9kV의 배전급 한류기 를 개발할 계획이다. CC 선재는 임계전류밀도가 높고 n value가 작으며 또한 재료비가 적게 들어 향후 개발이 완료되면 비용과 부피 측면에서의 장점이 많을 것으로 확실시 되고 있다.
• 갈수록 심각해지는 단락 용량의 증가와 사고전류의 증가를 효과적으로 제한하고 조절할 수 있는 초전도한류기의 상용화가 멀지 않았다. 사고전류로 인한 전력기기의 손실과 차단기 교체 비용 등 막대한 손실을 해결해 줄 수 있는 초전도한류기의 빠른 상용화를 기대해본다.

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