[논문]LS전선, 세계 초전도 케이블 시장을 주도하다!

박승기

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문제 정의

본 기고에서는 한국의 초전도 케이블 시스템의 개발 성과 및 사업화 현황을 소개한다.
현재는 산업통상자원부의 지원 하에 한국전력와 함께 ‘송전급 초전도 케이블 시스템 실계통 적용기술 기발’ 사업을 2011년부터 수행 중에 있으며 2016년 완료될 예정이다. 본 사업은 DC80kV 500MW급과 AC154kV 600MVA급 초전도 케이블 시스템의 개발 및 실계통 실증을 목적으로 하고 있다. 이를 통해 LS전선은 2013년에 세계 최초로 직류 (Direct Current) 초전도케이블시스템을 개발하여 형식시험 (Type Test)을 통과하였으며, 2014년 현재 실계통 적용을 위해 제주도 한림읍 금악리에 위치한 초전도 실증단지인 ‘초전도제주센터’에 500m 선로를 설치하였다.

제안 방법

뒤 이은 2단계 사업의 성과로 2005년 일본에 이어 세계 2번째로 초전도케이블의 장기 실증테스트를 통과했으며, 초전도케이블 개발 이후 약 1년간 한국전기연구원과 공동으로 케이블의 기본 성능테스트와 이상 전압, 전류 상태에서의 장시간 통전 시험, 극저온과 상온 간의 온도 변화에 대한 제품의 구조적 이상 정도를 검증하는 열충격 시험 등으로 진행되었다.
또한 LS전선은 한국전력과 함께 ‘차세대 초전도 응용기술 개발사업’ 성과 중 일부인 AC22.9kV 50MVA급 초전도케이블시스템의 실계통 실증 및 동일 전압에 기존 개발품의 3배에 달하는 송전용량을 가지는 150MVA급 시스템의 개발과 실계통 실증을 위한 두 번째 국책과제를 2008년부터 2013년까지 5년 간 진행하였다.
본 프로젝트의 마지막 3단계에서는 2008년 제품의 신뢰성 확보를 위해 극저온 및 상온 상태에서의 제품 구조의 이상 정도를 검증 하는 장기신뢰성 시험인 열충격시험을 총 6회 실시하였다. 케이블 수명을 30년으로 볼 때 상온 및 극저온간의 열충격 시 열수축/팽창에 의한 기계적 스트레스)이 약 4회 정도 있을 것으로 예상된다.

대상 데이터

그림 4. AC22.9kV 50MVA급의 실증 부하 데이터.
9kV 50MVA급 초전도케이블시스템의 실계통 실증 및 동일 전압에 기존 개발품의 3배에 달하는 송전용량을 가지는 150MVA급 시스템의 개발과 실계통 실증을 위한 두 번째 국책과제를 2008년부터 2013년까지 5년 간 진행하였다. 우선 AC22.9kV 50MVA급 시스템의 실계통 실증을 위해 그림 3과 같이 2010년 한국전력의 경기도 이천 변전소에 당시 배전급 세계 최장 선로 길이인 410m의 시스템이 설치되어 준공시험을 통과하였다.
이를 통해 LS전선은 2013년에 세계 최초로 직류 (Direct Current) 초전도케이블시스템을 개발하여 형식시험 (Type Test)을 통과하였으며, 2014년 현재 실계통 적용을 위해 제주도 한림읍 금악리에 위치한 초전도 실증단지인 ‘초전도제주센터’에 500m 선로를 설치하였다.

성능/효과

당시 개발에 성공한 초전도케이블은 이상 전압에서도 안정적인 송전능력을 보유하고 있었으며, 기계적 이상으로 인한 극저온 냉매의 누설이나 전기적 문제 등이 전혀 발생하지 않아 장기 실증테스트를 통과할 수 있었다.
우리나라 최초의 고온초전도 전력케이블 개발프로젝트는 교육과학기술부의 ‘21C 프론티어 연구개발 사업’의 일환으로 2001년부터 진행된 ‘차세대 초전도 응용기술 개발사업’ 으로서 한국전력, 한국전력연구원, 한국전기연구원, 한국기계연구원, 기초과학지원연구원, 대학 연구기관 및 LS전선과 같은 산업체들이 공동으로 참여하여 2011년까지 총 10년간 3단계로 나뉘어 진행되었다. 본 프로젝트의 1단계 사업을 통해 2004년 22.9kV 급 초전도 전력케이블을 개발하였으며, 이는 덴마크, 미국, 일본에 이은 4번째의 성과였다.
케이블 수명을 30년으로 볼 때 상온 및 극저온간의 열충격 시 열수축/팽창에 의한 기계적 스트레스)이 약 4회 정도 있을 것으로 예상된다. 이와 더불어 일반 케이블의 송전 용량의 4배에 달하는 AC154kV 1GVA급 대용량 초전도 케이블시스템의 개발에도 성공하였으며, 특히 세계 최고 전압급의 초전도 중간접속함 (Normal Joint) 개발에 성공하는 쾌거를 이루어 냈다.

후속연구

또한 현재 한국전력의 고창전력 시험센터에서 AC154kV 600MVA급 초전도 케이블시스템의 형식시험이 진행 중이며, 그림 5와 같이 2015년에 ‘초전도제주센터’에 송전급 세계 최장 길이인 1,000m의 선로를 직류 시스템과 직렬 연결되어 실계통 실증을 실시할 예정이다.
이를 통해 LS전선은 2013년에 세계 최초로 직류 (Direct Current) 초전도케이블시스템을 개발하여 형식시험 (Type Test)을 통과하였으며, 2014년 현재 실계통 적용을 위해 제주도 한림읍 금악리에 위치한 초전도 실증단지인 ‘초전도제주센터’에 500m 선로를 설치하였다. 본 시스템은 2015년까지 DC80kV 가공선로 및 변환설비와 연결되어 12개월 동안 쌍극 (Bo-polar) 운전을 실시할 예정이다. 또한 현재 한국전력의 고창전력 시험센터에서 AC154kV 600MVA급 초전도 케이블시스템의 형식시험이 진행 중이며, 그림 5와 같이 2015년에 ‘초전도제주센터’에 송전급 세계 최장 길이인 1,000m의 선로를 직류 시스템과 직렬 연결되어 실계통 실증을 실시할 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

고온초전도 선재의 가장 큰 실용적인 장점은 무엇인가?

고온초전도 선재의 가장 큰 실용적인 장점은 일정 온도 이하에서 구리도체와 같은 단면적을 통해 전기저항이 없이 수십 수백 배 이상의 전류를 흘릴 수 있는 높은 임계 전류밀도를 갖는다는 점이다. 현재 상용되는 구리선은 자체의 고유전기저항에 의한 열의 발생으로 흘릴 수있는 최대전류가 제한을 받는다.

LS전선은 한국전력과 함께 송전급 초전도 케이블 시스템 실계통 적용기술 기발 사업을 진행 중인데 이 사업의 목적은 무엇인가?

현재는 산업통상자원부의 지원 하에 한국전력와 함께 ‘송전급 초전도 케이블 시스템 실계통 적용기술 기발’ 사업을 2011년부터 수행 중에 있으며 2016년 완료될 예정이다. 본 사업은 DC80kV 500MW급과 AC154kV 600MVA급 초전도 케이블 시스템의 개발 및 실계통 실증을 목적으로 하고 있다. 이를 통해 LS전선은 2013년에 세계 최초로 직류 (Direct Current) 초전도케이블시스템을 개발하여 형식시험 (Type Test)을 통과하였으며, 2014년 현재 실계통 적용을 위해 제주도 한림읍 금악리에 위치한 초전도 실증단지인 ‘초전도제주센터’에 500m 선로를 설치하였다.

초전도케이블 기술의 장점은 무엇인가?

이러한 3차 산업 혁명의 핵심 명제인 신재생 에너지 발전 시스템 및 대규모 장거리 송전 시스템은 21세기 전력 분야의 화두인 스마트 그리드의 연장 선 상에 있으며, 이와 같은 인류의 중요한 역사적 발전의 교두보가 될 3차 산업 혁명의 실현을 위해 전력 전송 분야에서는 고효율, 저손실, 대용량, 장거리 송전을 위한 핵심 기술인 초전도 케이블 시스템이 세계적으로 각광을 받고 있다. 기존의 전력 전송 기술로는 외국의 경우 4～5%, 한국의 경우 2%의 에너지가 송전 중 사라지고 있으며, 이를 통화로 환산하면 연간 1조 2천 억원에 가까운 손실인 셈이다. 이러한 손실을 막을 수 있을 뿐만 아니라 대도심에서 추가 토목공사 없이 기존 관로 및 전력구를 활용하여 송전 용량을 증대시킬 수 있으며 중장기적인 측면에서 토지사용이 줄고, 낮은 운영 및 유지 보수비용으로 효율성을 높일 수 있는 차세대 송전 기술이 바로 초전도케이블 기술이다. 초전도 관련 기술은 선행 기술을 보유한 일부 국가들을 중심으로 1990년대부터 꾸준한 연구 개발이 진행되어 왔으며, 우리나라는 선두 국가들보다 20년 이상 늦게 뛰어 들었으나, 단 13여년의 각고의 노력 끝에 현재 선진 국가들과 어깨를 나란히 할 수 있는 기술과 제품을 보유하게 되었다.

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