초전도 기술의 개발동향과 전력분야에서의 기여방향
1. 개요 – 초전도체의 특징은 임계온도 이하가 되면 갑자기 전기저항이 0이된다.
2. 초전도체의 일반적인 특징
1) 임계온도
(1) 전기저항이 갑자기 0이 되는 전이온도를 임계온도라고 한다.
(2) 초전도체(Superconductor)는 적절한 조건이 되면 전기저항이 완전히 사라져 도체 중에서도 가장 전도율이 큰 물질이 된다.
(3) 보통 어떤 물체에 전류가 흐르면 그 물체에는 전류의 제곱과 물체의 저항을 곱한 값의 열이 발생하게 된다.
(4) 이로 인해서 에너지의 손실이 크게 되지만, 전기저항이 없는 초전도체의 경우 에너지의 손실 없이 훨씬 더 많은 양의 전력을 송전할 수 있다.
2) 임계자속밀도(마이스너 효과)-리액턴스분 0
(1) 초전도체는 자석에서 나오는 자기력선을 통과시키지 않고 초전도체의 외부로 밀어내는 것을 마이스너 효과라고 하며, 이와 같은 성질을 완전반자성이라 한다.
(2) 주위의 온도가 올라가 임계온도 이상이 되면 시료는 초전도의 성질을 잃어버리게 되는 것을 퀜치현상이라고 한다.
3) 임계전류밀도(조셉슨 전류)
(1) 2개의 초전도체가 매우 얇은 절연막을 사이에 두고 격리되어 있을 경우, 터널효과에 의해서 전자가 특수한 쌍(쿠퍼쌍)을 이루어 절연막을 통과하는 현상을 말한다.
(2) 전압이 0임에도 불구하고 조셉슨 전류가 나타난다.(미세전류)
3. 초전도 기술의 산업응용
1) 초전도 전동기 – 산업문명의 고도화와 에너지의 사용량 증가에 따라 CO2 가스의 발생이 나날이 증가하므로 환경오염의 문제 및 지구 온난화 현상이 발생하고 있다. 기존의 대용량 전동기의 효율을 높이면 지구 온난화의 주원인인 CO2의 배출량을 줄일 수 있다.
2) 초전도 변압기 – 기존 변압기의 권선을 초전도체로 대체하여 동손이 없으므로 효율이 향상되고, 전류용량이 큰 초전도체를 사용함으로써 소형화가 가능 할 뿐만 아니라 기존 변압기에서 사용하는 절연유를 사용하지 않아 화재나 폭발의 위험이 없고 환경오염을 감소시킬 수 있다. 최근에는 교류 손실이 적은 고온초전도체가 개발되면서 가격이 저렴한 액체질소를 사용할 수 있는 고온초전도 변압기의 개발이 활발히 진행되고 있다.
– 초전도 변압기 원리 – 선로의 단락사고 발생 시 사고전류에 의해 초전도체를 상도체로 바꿈으로써 사고전류를 트리거 시켜 이들 사고전류를 제한하는 변압기. 단락사고가 발생하면 트리거 회로에 흐르는 전류가 급증하며 이 전류가 트리거의 임계전류값 이상이 되면 퀜치가 발생하면 트리거에 큰 저항이 발생하여 발생된 저항이 리미터의 임피던스값을 상승시켜 사고전류를 제한하며 발생 후 2~3Cycle만에 사고 지점으로부터 전류가 분리.(퀜치란? 초전도체가 상도체로 변하는 현상)
3) 초전도 한류기 – 전력계통에서 단락 및 지락사고로 인해 발생하는 고장전류를 제거하거나 줄이기 위해 초전도 기술을 접목시킨 전력기기로 정상상태에서는 전력손실 및 전압강하 발생이 없고, 사고 상태에서는 스스로 사고를 감지해서 자동으로 계통의 임피던스를 증가시켜, 사고전류를 허용치 이하로 제한함으로써 전력과 계통의 기기를 보호하여 기존 차단기의 용량문제나 전력계통의 안정도 문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 새로운 사고전류 대책 기술이다.
4) 초전도 케이블 – 전력사용의 증가와 집중화에 대비하여 도심지에 적용하기에 가장 이상적인 지중 송전방식으로서 송전에너지 밀도가 매우 높고, 송전에너지 손실이 현저하게 적은 초전도 전력케이블을 고려할 수 있으며, 이 중 고온초전도체의 특징은 아래와 같다.
(1) 대용량, 저손실 – 초전도케이블은 현재의 케이블에 비해 대전류를 흘릴 수 있을 뿐만 아니라, 교류손실이 종래 케이블에 비하여 1/20로 극히 작으며 송전용량 또한 현재보다 수 배 이상 증가시킬 수 있다.
(2) 저전압 송전 – 현재 전력케이블은 주로 송전전압을 상승시키는 방법에 의해 송전용량을 증대시키고 있으나, 초전도케이블은 대전류를 흘리는 것이 가능하기 때문에 동일용량을 송전할 경우 기존의 전력케이블보다 낮은 전압으로 송전이 가능하다. 즉 345, 765kv로 승압하여 송전하지 않고 154, 22.9kv로 수용가까지 저전압, 대전류의 대용량 송전이 가능하다.
(3) 송전비용의 절감 – 지중계통의 전압등급의 균일화가 가능하고, 도심의 초고압 변전소의 생략이 가능하여 송전비용을 줄일 수 있다. 절연레벨의 감소로 송변전기기의 소형화 및 전력기기 가격의 저하가 가능하다. 저전압화에 의해 케이블의 충전전류가 크게 감소하기 때문에 보상용 리액터를 경감하여 계통 전체에 걸쳐 송전비용을 줄이는 것이 가능하다.
(4) 케이블의 소형화 – 초전도체 케이블은 1회선당 송전용량이 대단히 크기 때문에 동일한 용량을 송전하는 경우 종래 케이블에 비해 소요 회선수가 대폭 감소된다.
(5) 케이블 관로의 소형화(건설비용의 절감) – 동일 송전용량으로 기준할 때 케이블의 포설에 필요한 터널의 직경을 60%정도 작게 할 수 있기 때문에 기존 관로나 전력구의 활용이 가능하여 건설비용을 대폭 절감할 수 있다.
(6) 금속계 저온초전도 케이블과의 비교 – 고온초전도체는 액체헬륨냉각의 금속계 저온초전도 케이블에 비해서 냉동기의 운전비용, 설치면적 등의 냉각계 비용이 대폭 저감되고 냉각단열관의 구조가 간소화되며, 케이블 및 부속품의 비용을 대폭 저감시킬 수 있다. 또한 초기 냉각에 필요한 시간과 비용을 저감시켜 사고보수가 용이한 점등의 기술적, 경제적 측면에서 매우 유리하다.
(7) 장거리 송전 가능 – 초전도 케이블은 저손실 대전류 송전이 가능하여 케이블 허용전류 중 충전전류가 차지하는 비중이 작기 때문에 종래의 케이블에 비해 충전전류가 송전길이의 제약 조건으로 작용하는 경우가 작아 장거리 송전이 가능하다.