고온초전도 케이블은 초전도 상태를 유지하기 위해서 반드시 액체질소를 이용한 냉각시스템이 필요하다. 액체질소는 순환펌프에 의해 케이블의 유로를 순환하고 케이블을 냉각시키게 된다. 논문에서는 초전도 케이블의 냉각시스템의 기돈 설계에 있어서 중요한 운전온도 운전압력, 열부하에 대해서 고찰하였고, 현재 국내 초전도 케이블의 연구개발에 대해 고찰함으로써 향후 초전도 케이블이 실용화되기 위해 나아가야 할 방향에 대해 제시하였다.
3상 다층 고온 초전도 동축 케이블은 초전도 선재 사용량의 감소 및 케이블의 소형화와 같은 이점 때문에 활발히 연구되고 있다. 3상 다층 고온 초전도 동축 케이블의 전기적 특성은 기존 초전도 케이블과 차이를 가지므로 실제 시스템에 적용하기 위해 충분한 분석이 필요하다. 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC 기반 시뮬레이션을 통하여 22.9 kV, 60 MVA급 3상 다층 고온 초전도 동축 케이블을 모델링하고 과도 특성을 분석하였다. 결과적으로 3상 다층 고온 초전도 동축 케이블에서 고장전류가 발생하면 대부분의 고장전류가 구리 포머층을 통해 우회한다. 이때, 케이블 전체 온도는 약 5 K 증가하였다. 본 논문을 통해 3상 다층 고온 초전도 동축 케이블의 과도 상태에 대한 신뢰성을 확인할 수 있으며 향후 케이블의 실 계통 적용에 도움이 될 수 있다.
21세기 프론티어 사업의 일환으로 고온 초전도 케이블을 한국전기연구원과 LS 전선(주)이 공동으로 개발 중에 있으며, 고창에 있는 한전 전력시험센터에 초전도 전력케이블을 설치하고 시험 운전중에 있다. 초전도 전력케이블을 실계통에 설치하기 위해서는 많은 시험을 거쳐야 한다. 본 논문에서는 초전도 전력케이블이 거쳐야 하는 많은 시험 중 하나인 직류 임계전류 측정방법에 대해서 다루었다. 초전도 전력 케이블에 여러 가지 방법으로 전압탭을 설치하고, 각각 직류 임계전류를 측정하였다. 이렇게 측정된 데이터를 분석하고, 초전도 전력케이블의 직류 임계전류 측정에 가장 적합한 전압탭 연결 방법을 제안하였다.
고온 초전도 전력케이블의 통전용량 산정은 먼저 고온 초전도 전력케이블의 임계전류를 먼저 알아야 한다. 선재의 임계전류를 알고자 하는 경우, 전압-전류를 측정하거나 온도를 측정하는 방법을 통해 임계전류를 알아내지만, 고온 초전도 전력케이블의 경우 이러한 방법으로 임계전류를 알아내는 것이 불가능하다. 본 논문에서는 고온 초전도 케이블에 사용되는 선재에 대한 임계전류를 측정하고, 전자장 해석을 한 후, 실험결과와 해석 결과를 토대로 고온 초전도 전력케이블의 임계전류를 계산하였다. 이렇게 계산된 임계전류를 이용하여 고온 초전도 전력케이블의 통전용량의 기초자료로 활용토록 하였다.
점차적으로 늘어나는 전력 수요의 공급을 원활히 하기 위해서 발전 설비 뿐만 아니라 전력을 전송하기 위한 전력케이블의 증설도 반드시 필요하다. 하지만 대부분의 도심지에 전력을 공급하기 위한 전력케이블의 증설은 추가적인 케이블의 설치공사를 위한 공간을 필요로 하고 현재 국내 도심지에 케이블 설치를 위한 공간이 부족한 실정이다. 이에 동일한 사이즈로 더 많은 전력을 전송할 수 있는 초전도 전력 케이블은 부족한 케이블의 설치공간을 극복할 수 있는 대안으로 등장하였다. 하지만 대용량의 전력 전송의 이점을 가지고 있는 초전도 전력케이블은 교류 시스템에서의 일부 손실을 가지고 있다. 따라서 교류 전력 전송 시스템에서 초전도 전력 케이블을 도입하기 위해서는 교류손실의 설계 및 분석이 반드시 필요하다. 이에 본 논문에서는 다양한 초전도 전력케이블의 교류 손실 분석을 통하여 실제 초전도 전력 케이블의 제조 및 실계통 적용에 고려하고자 한다. 단일 초전도 선재에 대한 교류 손실의 이론적인 계산 방법은 존재하지만 많은 수로 구성된 초전도 전력 케이블의 교류손실 계산은 쉽지가 않다. 저자는 초전도의 E-J (Electric field-current density) 특성이 고려된 전자기적 유한요소해석법을 이용하여 다양한 종류의 초전도 전력케이블 교류 손실을 분석하고자 한다. 또한 본 초전도 전력케이블의 교류손실 특성 분석은 실계통에 적용될 초전도 전력케이블의 설계 및 개발에 중요한 요소로 작용될 것이다. [1-4].
고온 초전도 전력케이블은 기존 케이블에 비해 많은 전력을 공급할 수 있기 때문에 대용량 신규부하 밀집지역이나 노후 전력케이블 교체시 대용량 송전을 가능하게 하는 대안으로 관심이 많아지고 있다. 그러나 고온 초전도 케이블은 전기적인 특성이나 냉각시스템을 필요로 하는 등 기존 케이블과 다른 많은 특성을 가지고 있기 때문에 실계통에 투입하기 이전에 초전도 케이블의 신뢰성 검증 및 평가가 새롭게 검토해야할 사안들로 받아들여주고 있다. 이를 위해서는 국내외적으로 진행된 많은 고온 초전도 전력케이블에 시험 데이터 및 경험을 근거로 실계통에 적합한 새로운 신뢰성 평가방법을 제시되어야 한다. 본 논문에서는 국내외적으로 진행된 고온 초전도케이블의 신뢰성평가 방법을 검토하고 국내에서 개발중인 세계최고의 전압인 154kV 고온 초전도 전력케이블에 대한 신뢰성 평가방법을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 초전도 케이블의 계통 적용시 적용개소의 선정기법을 제시하였다. 초전도 케이블은 케이블의 장선화가 불가능하고, 송전용량이 대용량이어야 하며, 특히 초전도체에서 상도체로의 전이현상이 일어나는 ��치 현상이 있다. 따라서 단거리, 대용량인 소요 개소에 초전도 케이블의 적용이 이루어져야 한다. 이에 본 논문에서는 이러한 초전도 케이블의 특성을 고려하여 적용개소 선정에 있어 최적조류계산을 통한 기술적 검토와 경제적 검토를 수행하였으며 또한 초전도 케이블의 교체 전인 기존 계통과의 비교를 통해 선정기법의 타당성을 제시하였다.
초전도 전력케이블은 기존 케이블에 비해 많은 전력을 공급할 수 있기 때문에 노후 전력케이블 교체시 대용량 송전을 가능하게 하는 대안으로 관심이 많아지고 있다. 초전도 케이블은 전기적인 특성이나 냉각시스템을 필요로 하는 등 기존 케이블과 다른 많은 특성을 가지고 있기 때문에 실계통에 투입하기 이전에 케이을 보호 등 새롭게 검토 해야할 사안들이 있다. 이를 위해서는 초전도 전력케이블 모델 및 이를 이용한 전산모의가 필수적이지만, 새로운 요소인만큼 이에 관한 자료들이 많지 않은 실정이다. 본 논문에서는 전력계통 과도해석에 널리 사용되는 EMTP를 이용하여 초전도 전력케이블을 모델링하고 전압-전류 특성을 모의한 사례를 제시하고자 한다.
국내전력수요의 지속적인 성장과 더불어 전력산업의 대용량화, 고밀도화에 따른 친환경 고신뢰도의 전력계통 구성을 위하여 친환경 녹색기술의 초전도케이블이 실증시험을 통한 실계통 적용 사업이 이천변전소에서 정부지원으로 한전전력공사 주관으로 진행되고 있다. 그래서 향후 초전도 케이블이 실계통에 연계한 계통이 운용되는 것을 고려해야 하기 때문에 기존 전력기기와 협조하여 운영되기 위해서는 계통영향 분석이 필요하다. 특히 초전도케이블은 초전도성이라는 물리적인 특성 때문에 기존 계통해석과정과는 다른 계통 과도현상의 모델링이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 초전도케이블의 실계통 적용을 위해서 이천변전소에 시범 적용된 22.9kV 50MVA 500m 초전도케이블 계통을 대상으로 열적특성을 분석하고 안정적인 대규모 전력전송을 위해서 초전도 케이블을 열적특성으로부터 보호하기 위한 열동계전기(Thermal Protection Relay)의 운영방법과 적용방안을 소개하고자 한다. 향후 대용량 초전도케이블의 실계통 적용 확대를 고려한 열동계전기의 운영방법과 적용방안도 제시하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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