100년 넘은 전류전쟁 구도 변화 앞당겨질 듯 한국전기연구원, LS산전에 고압 직류 차단기술 기술이전 HVDC용 직류차단기는세계적으로도 아직 상용화되지 않은 기술로 HVDC 네트워크의 확대적용에 따른 그리드화에 필수적 기기다. HVDC 네트워크가 대용량 발전원으로부터 전력 수요처까지 단일 링크로 연결되는 접점연결(point-to-point) 방식에서 메쉬(mesh) 형태의 다중 터미널 네트워크(multi-terminal network) 방식으로 발전됨으로써 계통운영에 있어 선로상의 사고지점을 계통으로부터 신속히 분리할 수 있는 기능이 무엇보다 필요하게 됐고 네트워크 운용의 안전성, 신뢰성, 효율성을 향상시키기 위한 필수적 방안으로 직류차단기 적용이 요구되고 있다. 정부출연연구소와 대기업이 전기기술 분야 최대 난제 기술 해결과 세계 최초 상용화를 위해 손잡는다. 다가올 ‘직류(DC) 시대’를 맞아 신재생에너지 수송의 최대 걸림돌을 해결해 신뢰성 높은 전력 공급을 조기 실현하는데 크게 기여할 것으로 기대된다. 미래창조과학부 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 산하 전기전문 출연연구기관 한국전기연구원(KERIㆍ원장 박경엽)과 국내 우량 중전기기 대기업인 LS산전(대표이사 회장 구자균)은 21일 오후 한국전기연구원(KERI) 창원 본원에서 명성호 한국전기연구원 부원장, 이학성 LS산전 CTO 등 양측 임직원이 참석한 가운데, ‘직류(DC) 차단 기술’ 관련 기술이전 조인식을 갖고 DC 차단기 및 초고압 제품의 조기 상용화를 통한 신(新)시장 선점에 나선다. 직류(DC) 송전 기술은 기존의 교류(AC) 송전에 비해 전력제어가 가능하고, 장거리 송전의 경우 손실이 적다. 특히, 서로 다른 전력망을 연계할 수 있어 국가간 계통연계에 활용하거나, 반대로 전력망을 분할해 고장이 파급되는 것을 막을 수 있어 차세대 전력전송 개념으로 각광받고 있다. 직류 전력망을 구성하는데 가장 큰 기술적 장애 중 하나가 바로 전력망에 이상이 생겼을 때, 특정 구간의 전력을 신속히 차단함으로써 전체 전력망에 대한 파급 확산을 막아주는 직류차단 기술이다. 2012년 유럽 중전기기 업체인 ABB가 HVDC(고압직류송전)용 DC 차단기 기술을 발표한 후 굴지의 해외 전력기기 기업들이 경쟁적으로 DC 차단기에 대한 연구개발을 추진하고 있지만, 전세계적으로 상용화된 제품은 없는 실정이다.현재, 전력시장은 직류로의 변화가 급속히 진행되고 있다. 교류가 주도하던 전력기기 시장의 판세가 신재생에너지 보급 확대와 전력의 효율적 활용 및 전력계통 안정성 향상을 위한 분산전원의 필요성이 대두됨에 따라 직류송전 기술의 필요성이 증대되고 있다. KERI는 기술이전을 통한 산업적 적용과 산업체와의 후속 공동연구를 위해 HVDC 차세대 전력망 발전에 혁신적 진전이 될 고압 직류차단기(DC Circuit-Breaker) 관련 기술들(“고압 직류 전류 차단 장치 및 방법”, “직류전류 차단을 위한 장치 및 방법” 외)을 관련 유력기업인 LS산전측에 기술이전함으로써 국내외 DC 차단기 시장 선점과 관련 기술의 경쟁력 확보에 한 걸음 다가셨다. 기술이전료는 4억 원이다. KERI가 개발한 직류 차단 기술은 고장전류가 발생했을 때, 눈깜빡임보다 수십배 빠른 1,000분의 2초 이내에 발전소 전력조류을 차단할 수 있다. 또한 주 통전로(通電路)를 기계식 스위치 만으로 구성해 정상 운전할 때 전력손실을 최소화하도록 했다. 우회선로는 커패시터(Capacitor)로 구성하는 방식을 채택해 전력반도체 스위치를 사용한 기존 ABB의 방식에 비해 구조가 간단하다. 이로 인한 차단기의 신뢰도 향상과 더불어 비용절감이라는 큰 경쟁력을 갖는다. 무엇보다 직류송전과 신재생에너지의 전력수송에 최대 걸림돌이었던 직류차단기의 문제를 해결하게 됨으로써 전력산업계의 100년 난제를 해결함과 동시에 직류계통으로 연계가 용이한 신재생 에너지의 활용성을 한층 제고할 수 있게 됐다. KERI 명성호 부원장은 “이번 기술이전으로 직류차단기라는 중전기기의 새로운 시장 창출을 통한 국내 중전산업의 활성화와 함께 직류 송전분야에서 전세계 전력기기산업 시장의 기술선도와 신기술 경쟁을 통한 국가 기술 브랜드 제고에도 기여할 수 있게 됐다.”고 강조했다. LS산전 이학성 CTO는 “KERI를 통한 기술이전과 향후 추가 개발을 통해 직류 차단기가 상용화되면 그리드화된 직류 송전계통의 실현에 필수적 전력기기로 활용됨으로써 차세대 전력망으로 기대되는 하이브리드 전력망의 구현을 앞당길 수 있게 될 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이번 기술이전을 계기로 KERI와 LS산전은 초고압 직류 송전망 시장 활성화에 대비한 기반기술 확보를 위한 산-연 공동연구센터를 운영하고 후속 공동연구를 추진하게 된다. ‘직류 시대’라는 변화의 물결에 선도적으로 대응하고, 산업계가 요구하는 기반기술 확보를 위한 산·연 협동 매칭 연구센터로서 KERI-LS산전 공동연구센터가 그 역할을 하게 될 예정이다. 특히, KERI가 보유한 배전급 DC 차단 기술과 LS산전이 보유한 배전급 복합형 한류(限流) 기술을 활용해 ‘80kV 8kA의 초고압 DC차단기’ 개발 및 배전급 DC차단기 관련 기술의 실용화를 완성한다는 계획이다.직류송전 및 직류차단기술의 국내외 개발 현황한국전기연구원은 현재 고압직류송전(HVDC) 분야를 중점 개발하고 있다. 장기적인 관점에서 미래 유망 전략기술을 선정해 중점적으로 지원하는 톱다운(Top-down) 연구사업 중 하나가 바로 전력기기연구센터 이우영 책임연구원팀이 진행하고 있는 ‘HVDC용 직류 차단기 개발’ 과제다. HVDC(직류송전․ High Voltage Direct Current)는 일반적으로 사용하는 교류(AC; Alternating Current)가 아닌, 고압의 직류(DC; Direct Current)를 이용해 전기에너지를 전송하는 기술이다. 교류와 다르게 전력제어가 가능하고, 장거리 송전의 경우 손실이 적다. 서로 다른 전력망을 연계할 수 있어 국가간 계통연계에 활용하거나, 반대로 전력망을 분할해 고장이 파급되는 것을 막을 수 있는 차세대 전력전송 개념으로 각광받고 있다. 최근에는 기존 교류송전망을 대체, 보완하는 기능 외에 대규모 신재생발전단지를 조성해 계통에 연계하는데도 HVDC 기술을 적용한 프로젝트가 늘어나고 있다.현재 전력망은 교류(AC)가 주축을 이루고 일부에서 직류(DC) 망이 이용되고 있다. 향후 차세대 전력망은 교류와 직류가 혼합된 하이브리드 형태로 발전할 것으로 예측된다. 중첩된 직류 전력망은 나라와 대륙을 연계하고 전력 부하 균형을 조정하며, 기존 교류 송전망을 보강하게 된다. 직류 전력망은 그리드 신뢰성 및 기존 교류 네트워트의 용량 또한 향상시킨다. 직류 전력망을 구성하는데 가장 큰 기술적 장애 중 하나가 바로 직류차단기다. 지난 2012년 ABB가 최초로 직류차단기 기술을 제시해 100여년 간의 전기계의 숙원을 해결한 것으로 높이 평가된 바 있으나, 아직 상용화되지 못해 선진 중전기기 메이커들이 경쟁적으로 DC 차단기 개발에 나서고 있다. KERI 연구팀은 현재 배전급 전압의 직류차단기(정격전압 33kV, 정격전류 1kA, 차단전류 8kA, 차단시간

100년 넘은 전류전쟁 구도 변화 앞당겨질 듯

한국전기연구원, LS산전에 고압 직류 차단기술 기술이전

기사입력 2015-05-23 07:13:07

[산업일보]

HVDC용 직류차단기는세계적으로도 아직 상용화되지 않은 기술로 HVDC 네트워크의 확대적용에 따른 그리드화에 필수적 기기다. HVDC 네트워크가 대용량 발전원으로부터 전력 수요처까지 단일 링크로 연결되는 접점연결(point-to-point) 방식에서 메쉬(mesh) 형태의 다중 터미널 네트워크(multi-terminal network) 방식으로 발전됨으로써 계통운영에 있어 선로상의 사고지점을 계통으로부터 신속히 분리할 수 있는 기능이 무엇보다 필요하게 됐고 네트워크 운용의 안전성, 신뢰성, 효율성을 향상시키기 위한 필수적 방안으로 직류차단기 적용이 요구되고 있다.

정부출연연구소와 대기업이 전기기술 분야 최대 난제 기술 해결과 세계 최초 상용화를 위해 손잡는다. 다가올 ‘직류(DC) 시대’를 맞아 신재생에너지 수송의 최대 걸림돌을 해결해 신뢰성 높은 전력 공급을 조기 실현하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

미래창조과학부 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 산하 전기전문 출연연구기관 한국전기연구원(KERIㆍ원장 박경엽)과 국내 우량 중전기기 대기업인 LS산전(대표이사 회장 구자균)은 21일 오후 한국전기연구원(KERI) 창원 본원에서 명성호 한국전기연구원 부원장, 이학성 LS산전 CTO 등 양측 임직원이 참석한 가운데, ‘직류(DC) 차단 기술’ 관련 기술이전 조인식을 갖고 DC 차단기 및 초고압 제품의 조기 상용화를 통한 신(新)시장 선점에 나선다.

직류(DC) 송전 기술은 기존의 교류(AC) 송전에 비해 전력제어가 가능하고, 장거리 송전의 경우 손실이 적다. 특히, 서로 다른 전력망을 연계할 수 있어 국가간 계통연계에 활용하거나, 반대로 전력망을 분할해 고장이 파급되는 것을 막을 수 있어 차세대 전력전송 개념으로 각광받고 있다.

직류 전력망을 구성하는데 가장 큰 기술적 장애 중 하나가 바로 전력망에 이상이 생겼을 때, 특정 구간의 전력을 신속히 차단함으로써 전체 전력망에 대한 파급 확산을 막아주는 직류차단 기술이다. 2012년 유럽 중전기기 업체인 ABB가 HVDC(고압직류송전)용 DC 차단기 기술을 발표한 후 굴지의 해외 전력기기 기업들이 경쟁적으로 DC 차단기에 대한 연구개발을 추진하고 있지만, 전세계적으로 상용화된 제품은 없는 실정이다.

현재, 전력시장은 직류로의 변화가 급속히 진행되고 있다. 교류가 주도하던 전력기기 시장의 판세가 신재생에너지 보급 확대와 전력의 효율적 활용 및 전력계통 안정성 향상을 위한 분산전원의 필요성이 대두됨에 따라 직류송전 기술의 필요성이 증대되고 있다.

KERI는 기술이전을 통한 산업적 적용과 산업체와의 후속 공동연구를 위해 HVDC 차세대 전력망 발전에 혁신적 진전이 될 고압 직류차단기(DC Circuit-Breaker) 관련 기술들(“고압 직류 전류 차단 장치 및 방법”, “직류전류 차단을 위한 장치 및 방법” 외)을 관련 유력기업인 LS산전측에 기술이전함으로써 국내외 DC 차단기 시장 선점과 관련 기술의 경쟁력 확보에 한 걸음 다가셨다. 기술이전료는 4억 원이다.

KERI가 개발한 직류 차단 기술은 고장전류가 발생했을 때, 눈깜빡임보다 수십배 빠른 1,000분의 2초 이내에 발전소 전력조류을 차단할 수 있다. 또한 주 통전로(通電路)를 기계식 스위치 만으로 구성해 정상 운전할 때 전력손실을 최소화하도록 했다. 우회선로는 커패시터(Capacitor)로 구성하는 방식을 채택해 전력반도체 스위치를 사용한 기존 ABB의 방식에 비해 구조가 간단하다. 이로 인한 차단기의 신뢰도 향상과 더불어 비용절감이라는 큰 경쟁력을 갖는다.

무엇보다 직류송전과 신재생에너지의 전력수송에 최대 걸림돌이었던 직류차단기의 문제를 해결하게 됨으로써 전력산업계의 100년 난제를 해결함과 동시에 직류계통으로 연계가 용이한 신재생 에너지의 활용성을 한층 제고할 수 있게 됐다.

KERI 명성호 부원장은 “이번 기술이전으로 직류차단기라는 중전기기의 새로운 시장 창출을 통한 국내 중전산업의 활성화와 함께 직류 송전분야에서 전세계 전력기기산업 시장의 기술선도와 신기술 경쟁을 통한 국가 기술 브랜드 제고에도 기여할 수 있게 됐다.”고 강조했다.

LS산전 이학성 CTO는 “KERI를 통한 기술이전과 향후 추가 개발을 통해 직류 차단기가 상용화되면 그리드화된 직류 송전계통의 실현에 필수적 전력기기로 활용됨으로써 차세대 전력망으로 기대되는 하이브리드 전력망의 구현을 앞당길 수 있게 될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 기술이전을 계기로 KERI와 LS산전은 초고압 직류 송전망 시장 활성화에 대비한 기반기술 확보를 위한 산-연 공동연구센터를 운영하고 후속 공동연구를 추진하게 된다. ‘직류 시대’라는 변화의 물결에 선도적으로 대응하고, 산업계가 요구하는 기반기술 확보를 위한 산·연 협동 매칭 연구센터로서 KERI-LS산전 공동연구센터가 그 역할을 하게 될 예정이다. 특히, KERI가 보유한 배전급 DC 차단 기술과 LS산전이 보유한 배전급 복합형 한류(限流) 기술을 활용해 ‘80kV 8kA의 초고압 DC차단기’ 개발 및 배전급 DC차단기 관련 기술의 실용화를 완성한다는 계획이다.

직류송전 및 직류차단기술의 국내외 개발 현황
한국전기연구원은 현재 고압직류송전(HVDC) 분야를 중점 개발하고 있다. 장기적인 관점에서 미래 유망 전략기술을 선정해 중점적으로 지원하는 톱다운(Top-down) 연구사업 중 하나가 바로 전력기기연구센터 이우영 책임연구원팀이 진행하고 있는 ‘HVDC용 직류 차단기 개발’ 과제다.

HVDC(직류송전․ High Voltage Direct Current)는 일반적으로 사용하는 교류(AC; Alternating Current)가 아닌, 고압의 직류(DC; Direct Current)를 이용해 전기에너지를 전송하는 기술이다. 교류와 다르게 전력제어가 가능하고, 장거리 송전의 경우 손실이 적다. 서로 다른 전력망을 연계할 수 있어 국가간 계통연계에 활용하거나, 반대로 전력망을 분할해 고장이 파급되는 것을 막을 수 있는 차세대 전력전송 개념으로 각광받고 있다. 최근에는 기존 교류송전망을 대체, 보완하는 기능 외에 대규모 신재생발전단지를 조성해 계통에 연계하는데도 HVDC 기술을 적용한 프로젝트가 늘어나고 있다.

현재 전력망은 교류(AC)가 주축을 이루고 일부에서 직류(DC) 망이 이용되고 있다. 향후 차세대 전력망은 교류와 직류가 혼합된 하이브리드 형태로 발전할 것으로 예측된다. 중첩된 직류 전력망은 나라와 대륙을 연계하고 전력 부하 균형을 조정하며, 기존 교류 송전망을 보강하게 된다. 직류 전력망은 그리드 신뢰성 및 기존 교류 네트워트의 용량 또한 향상시킨다.

직류 전력망을 구성하는데 가장 큰 기술적 장애 중 하나가 바로 직류차단기다. 지난 2012년 ABB가 최초로 직류차단기 기술을 제시해 100여년 간의 전기계의 숙원을 해결한 것으로 높이 평가된 바 있으나, 아직 상용화되지 못해 선진 중전기기 메이커들이 경쟁적으로 DC 차단기 개발에 나서고 있다.

KERI 연구팀은 현재 배전급 전압의 직류차단기(정격전압 33kV, 정격전류 1kA, 차단전류 8kA, 차단시간 <2ms) 관련 기술을 개발하는데 성공하고, 다음 단계로 송전급 전압의 직류차단기 (전격전압 80kV 정격전류 2kA 차단전류 8kA, 차단시간 <2ms) 관련 기술을 개발 중이다.

KERI 연구팀이 개발에 성공한 직류차단기는 기존에 공개된 직류차단기에 비해 한층 개선된 형태다. 우선 고장전류 발생시 눈깜빡임보다 수십배 빠른 1,000분의 2초 이내에 발전소 전력조류을 차단할 수 있다. 또한 주 통전로(通電路)를 기계식 스위치 만으로 구성해 정상 운전할 때 전력손실을 최소화하도록 했다. 우회선로를 커패시터(Capacitor)로 구성하는 방식을 채택해 전력반도체 스위치를 사용한 ABB 방식에 비해 구조가 간단하다. 이로 인한 차단기의 신뢰도 향상과 더불어 비용절감이라는 큰 경쟁력을 갖는다.

KERI 연구진이 직류송전과 신재생에너지의 전력수송에 최대 걸림돌이었던 직류차단기의 문제를 해결하게 됨으로써 직류계통으로 연계가 용이한 신재생 에너지의 활용성을 한층 제고할 수 있게 됐다. 개발된 직류차단기는 향후 추가 개발을 통해 그리드화된 직류 송전계통의 실현에 필수적 전력기기로 활용돼 차세대 전력망으로 기대되는 하이브리드 전력망의 구현을 앞당길 수 있게 될 것으로 기대된다.

HVDC용 직류차단기는 이미 형성된 시장에 진입하는 기술이 아니라 머지않아 형성될 것으로 기대되는 미래 지향적 기술이다. 아직까지는 세계시장과 중전기기 관련기술을 선도하는 일부 선진 업체들에 한정적으로 기술 개발이 추진되고 있다. 비록 단기간 내 이윤창출을 기대하기는 어렵지만 현재 HVDC 네트워크의 발전 추세로 보아 향후 거대한 시장으로 발전할 수 있는 무한한 가능성을 내포하고 있는 분야로 기술 선점을 위한 발빠른 노력이 요구돼 왔다.

연구팀은 정부주도 성장엔진 프로젝트 추진을 위한 준비단계에 있어 중전기 업체와의 연계를 통한 기술개발 사업으로 확장 가능성이 많고 관련 세계 선도업체에 대한 경쟁력 확보로 DC 차단기술을 통한 중전기 분야 성장 촉진에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 제주 및 서해안 등의 국내 직류 계통 적용에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

“이젠 직류야, 바보야!”
전기가 도입된 이래 우리가 쓰는 건 1초에 60번씩 전기의 (+)와 (-) 극성이 바뀌는 교류다. 100여 년 전 에디슨과 테슬라의 전기 표준에 관한 논쟁에서 에디슨이 패배한 뒤 니콜라의 교류 송전이 한 세기 넘게 세계적인 추세로 굳어져 왔다.

교류(AC)와 직류(DC)의 백년 전쟁
1880년대 후반, 미국에서는 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)와 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison) 사이에 교류(AC; Alternating Current)와 직류(DC; Direct Current) 중 어떤 것을 표준 전기 시스템으로 채용할지에 대한 치열한주도권 싸움, 이른바 전류전쟁(War of Currents)이 벌어졌다. 에디슨은 120V의 직류 방식으로 전기를 생산해 전압을 높이기가 어려운 반면 테슬라의 교류 방식은 직류방식에 비해 전압을 높이기가 쉬웠다.
1893년 시카고 만국박람회장을 밝힐 25만개의 전구를 감당할 기술로 결국 교류전기가 첫 승리를 거둔 이후, 1896년 나이아가라 발전소에서 생산된 전기를 42km 떨어진 도시 버팔로로 수송하는 경쟁에서도 다시 교류의 승리로 귀결되면서 이후 100여년간 교류의 전성시대가 활짝 열리게 된다.

직류의 새로운 부상과 직류 송전의 특장점
120여 년 후, 교류에 밀려 한동안 주목받지 못했던 직류가 다시 부상하게 된다. 신재생에너지원과 분산전원, 전기에너지 저장장치 등의 DC 전원(電源)의 증가, 그리고 정보화 사회의 급속한 발전에 따라 직류전원을 소비하는 정보통신 관련 DC 부하의 증가가 또 다른 하나다.
교류는 변압기라는 설비를 이용해 손쉽게 전압을 바꾸어 먼 거리로 보낼 수 있지만 전력 전송 손실이 크고 지하 매설에 따른 거리 제한이라는 단점이 있다. 반면 항상 일정한 전압과 극성을 가지는 직류 송전은 전력손실이 적고, 지하 또는 해저 매설에 따른 거리의 제한이 없다. 또 사고가 났을 경우 손쉽게 전력망을 분리해 운영할 수 있어 피해를 최소화할 수 있다. 그러나 직류는 전압을 바꾸기 위한 특수한 반도체로 구성되는 전력 변환 설비가 필요해 송전설비 비용이 고가라는 단점이 있다. 하지만, 최근 눈부시게 발달하고 있는 반도체와 정보통신 및 전력기술은 에디슨이 주장했던 직류 송전을 100여 년 만에 기술적으로, 경제적으로 다시 가능하고 있다.