03 한송엽교수님(51집2호).hwp

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학술원논문집 (자연과학편) 제51집 2호 (2012) 85-126

韓國超電導電力機器의 開發現況과 課題

한송엽* ․유상임** ․최경달****

Present Status of Superconducting Power Apparatus

Development in Korea and Issues

Song-Yop Hahn* ․ Sang-Im Yoo** ․ Kyng-Dal Choi***

ABSTRACT

Superconducting power apparatus development in Korea was seriously

started from 2001, supported by the 21st Frontier Project of Korean

Government. The Government and industries investigated $9Million and

$4.5Million per year respectively during 10 years until 2011. 2nd

generation high temperature superconducting wire, superconducting

power cable, superconducting current limiter, superconducting AC

motor, superconducting transformer, superconducting magnetic energy

storage were developed by this support.

Although superconducting power apparatus development in Korea was

started behind the developed countries such as US, EU and Japan,

* 大韓民國學術院自然科學部第3分科會員, 서울大學校名譽敎授

** 서울大學校材料工學部敎授

*** 韓國産業技術大學校電氣工學部敎授

접수일 2012년 10월 5일

2 한송엽 ․유상임 ․최경달

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present superconducting technology level of Korea is on average

80~90% of the developed countries. Especially superconducting

magnetic energy storage technology is the same level as that of the

developed countries.

In summary of last 10 year's R&D results, man power is firstly

cultivated. Secondly, developed technologies are successfully transferred

to the participated industries. Because the R&D program was a joint

study by research institutes, universities and industries. Thirdly, some

of R&D results have been put to practical use such that 2nd generation

high Tc superconducting wire is commercialized and superconducting

cable and superconducting current limiter are in operation at KEPCO

power system. For the practical application of all R&D results, second

stage R&D investigation is needed. In the second stage, most

investigation should be allocated to superconducting wire development

and the rest to man power cultivation.

The biggest issue in superconducting R&D is the price of superconducting

wire.

Present price of superconducting wire is $200 per KAm. For the

practical use of superconducting power apparatus, price of superconducting

wire should be below $50 per KAm. Present manufacturing technology

of superconducting wire in Korea is behind compared to that of the

developed countries. Key technologies are improvement of critical current

density, unit wire length and manufacturing speed. To solve these

problems, most investigation should be allocated to superconducting wire

manufacturing system.

Without continuing cultivation of man power for superconducting

engineering, R&D for superconducting apparatus in industries cannot

last long. So superconducting R&D program in universities should be

continued.

Key words : high temperature superconducting wire, superconducting power cable,

superconducting current limiter, superconducting ac motor,

superconducting transformer, superconducting magnetic energy

storage

초 록

우리나라에서는 2001년부터 정부의 21세기 프론티어 사업에 의하여 초전도

전력기기에 대한 연구 개발이 본격적으로 시작되었으며 2011년까지 10년간 정

韓國超電導電力機器의 開發現況과 課題 3

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부에서 매년 100억원, 산업체에서 매년 약 50억원의 연구 개발비를 투자하였

다. 이와 같은 지원에 힘입어 2세대 고온초전도 전선, 초전도 전력케이블, 초전

도 한류기, 초전도 교류전동기, 초전도 변압기, 초전도 자기에너지 저장장치 등

다양한 초전도 전력기기를 연구 개발하였다.

우리나라는 미국, 유럽연합, 일본 등 초전도 연구의 선진국에 비하여 초전도

전력기기에 대한 연구 개발을 늦게 시작하였지만 현재의 기술 수준은 평균적으

로 선진국의 80~90% 수준이라고 평가되며 특히 초전도 자기에너지 저장장치

의 경우는 선진국과 동등한 수준이다.

지난 10년간의 연구 투자의 효과를 요약하면 첫째로 초전도공학을 전공한 인

력의 양성이며. 둘째로 본 연구 개발이 산학연 공동연구였기 때문에 개발된 기술

이 산업체에 성공적으로 전수되었고, 셋째로 초전도 도체가 국내에서 생산되고

초전도 케이블과 초전도 한류기가 한국전력의 실 계통에 연결되어 시험 운전 중

에 있는 등 일부 실용화가 이루어 진 것이다. 앞으로 본격적인 실용화를 위하여

2단계 연구 투자가 필요하다. 2단계 연구 투자에서는 초전도 전선 개발에 중점적

으로 투자하고 다음에 인력양성에 투자한다.

초전도 전력기기 개발에 있어서 제일 큰 문제는 초전도 전선의 가격이다. 현재

초전도 전선의 가격은 KAm당 $200 수준이다. 초전도 전력기기가 실용화 되려

면 초전도 전선의 가격이 $50 이하가 되어야 가능하다. 현재 초전도 전선의 생

산 기술은 선진국에 비하여 많이 뒤져있다. 초전도 전선의 핵심 기술은 임계전류

밀도 향상, 장선화 및 제조 속도 향상이다. 이 문제를 해결하려면 초전도 전선 제

조 장치 개발에 많은 투자가 요구된다.

초전도공학을 전공한 인력의 계속적인 배출이 없으면 산업체에서 초전도 전력

기기의 개발이 지속될 수 없다. 따라서 대학에서의 인력양성을 위한 연구투자도

이루어 져야한다.

주제어 : 고온 초전도 전선, 초전도 전력케이블, 초전도 한류기, 초전도 교류

전동기, 초전도 변압기. 초전도 자기에너지 저장장치

차 례

Ⅰ. 머리말

Ⅱ. 2세대 고온초전도 전선

Ⅲ. 초전도 전력 케이블

Ⅳ. 초전도 한류기

Ⅴ. 초전도 교류전동기

Ⅵ. 초전도 변압기

Ⅶ. 초전도 자기에너지 저장장치

Ⅷ. 결 론

참고문헌


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I. 머 리 말

초전도 현상은 지금부터 100년 전에 네델란드 라이덴(Leiden)대학의 카멜링 온네

스(Heike Kamerlingh Onnes) 교수에 의하여 처음 발견되었다. 온네스 교수는

1908년에 헬륨의 액화에 성공하여 각종 물질의 극저온에서의 전기저항을 연구하던

중 1911년 4월 8일 수은의 전기저항이 액체헬륨의 온도인 4.2K에서 없어짐을 관측

하였다.

그 후에 많은 공학자들이 임계온도가 높고 열적으로 안정한 초전도 전선의 개발에

진력하였는데 1960년대에 들어와서 임계온도가 9.8K인 NbTi 초전도 전선과 임계

온도가 19.8K인 Nb3Sn 초전도 전선을 개발하여 상용화 하였다. 그러나 이와 같은

초전도 전선을 사용하려면 가격이 고가인 액화헬륨을 냉매로 사용하여야 하므로 상

기의 초전도 전선을 전력기기에 적용하는 데는 많은 어려움이 있었다.

한편 많은 과학자들이 계속하여 임계온도가 높은 초전도 물질의 발견에 진력하였

는데 1986년에 IBM-Zurich 연구소의 베드노즈(J. G. Bednorz)와 뮬러(K. A.

Muller) 두 사람은 금속화합물이 아닌 세라믹 계통의 물질 즉 Ba-La-Cu-O에서

초전도 특성을 발견하였으며 임계온도가 35K이었다. 이때부터 세라믹 계통의 물질

에 대한 초전도성 연구가 급진전되어 1987년 1월에는 츄(Paul. C. W. Chu) 그룹

이 Y-Ba-Cu-O에서 초전도 특성을 발견하였으며 임계온도가 93K이었다. 이와 같

은 세라믹 초전도체는 앞에서 설명한 금속 초전도체 보다 임계온도가 높기 때문에

고온 초전도체라 부르고 있다. 따라서 1990년대에는 세라믹 초전도체를 이용한 초

전도 전선의 개발이 활발하였는데 PIT법을 사용하였다. 즉 은관(silver tube) 내에

초전도체 분말을 채우고 이것을 인발하여 전선을 제작하였다. 이 방법은 은을 많이

사용하기 때문에 가격을 낮추는데 한계가 있다. 그 후 2000년대에 와서 금속 모재

에 초전도체를 증착시키는 방법이 개발되었다. 이 방법은 PIT법과 전혀 다른 방법

이기 때문에 2세대 고온초전도 전선 또는 CC(Coated Conductor) 전선 이라고 부

른다. 현재 생산되고 있는 CC 전선의 가격은 KAm당 $200 수준으로 고가이다. 지

금은 이 가격을 $50 이하로 낮추기 위한 연구 개발이 계속되고 있다.

우리나라에서는 1980년 서울대학교 전기공학과에 초전도응용 연구실이 설립되면

서 초전도 전력기기에 대한 연구가 시작되었다. 1983년에 용량 6L/hour의 헬륨


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액화기를 도입하였고 1985년에 한국과학재단의 연구비 지원으로 중심 자장 3T의

초전도 전자석을 국내 최초로 개발하였다. 이어서 한국전력주식회사의 연구비 지원

으로 1986년에 25KJ 초전도 에너지저장 장치, 1994년에 20KVA 교류 발전기가

연구 개발되었다. 또한 1998년에는 산업자원부의 연구비 지원으로 3상 100KVA

초전도 변압기가 연구 개발되었다. 이상의 초전도 전력기기 들은 모두 저온 초전도

체를 사용하였기 때문에 실용화 하는데 한계가 있었다.

우리나라에서 초전도 전력기기에 대한 연구 개발이 본격적으로 시작된 것은 2001

년부터이다. 즉 과학기술부의 21C 프론티어 연구개발 사업인 “차세대 초전도응용 기

술개발” 연구 사업이며 2011년까지 10년간 정부에서 매년 100억원, 산업체에서 매

년 약 50억원의 연구비를 투자하였다. 이 프로그램에서는 2세대 고온초전도 전선과

초전도 전력케이블, 초전도 한류기, 초전도 교류전동기, 초전도 변압기 등의 초전도

전력기기를 개발하였다. 초전도 전선은 상용화 되었으나아직도 고가이고 초전도 전력

케이블은 한국전력의 실 계통에 설치되고 있으나 아직도 개선할 부분이 많이 있다.

본 연구의 목적은 국내에서 개발되고 있는 초전도 전력기기의 개발 현황을 조사

분석하고 이들 기기의 실용화를 촉진할 수 있는 방안을 제시하는데 목적이 있다.

Ⅱ. 2세대 고온초전도 전선

1. 개발 현황

우리나라에서 2세대 고온초전도 전선의 연구개발은 2001년 7월 과학기술부의 21C

프론티어사업으로 <차세대 초전도 전력응용기기 개발>이라는 과제가 시작됨에 따라 개

시되었다. 이 과제의 1단계에서는 초전도층의 제조공정으로 펄스레이저증착(pulsed

laser deposition: PLD), 금속유기증착(metalorganic deposition: MOD), 금속

유기화학증착(metalorganic chemical vapor deposition: MOCVD) 등 3가지

제조법의 연구개발을 모두 시작하였으나, 2007년 3단계에 진입할 때에는 금속모재

제조공정은 IBAD법으로, 초전도층 제조공정으로는 2단계에서 시작한 활성화동시증

발(Reactive Co-Evaporation: RCE)법으로 결정하고 임계전류특성의 장선재 개

발에 집중하게 되었다. 특히 3단계 초기 장선 2세대 선재 제조는 카이스트와 한국전


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기연구원이 공동으로 개발한 RCE-DDR(Dual Drum Reaction)법으로 진행되었

으나, 여러 문제점이 발생하여 (주)서남과 서울대는 2008년부터 RCE-DR

(Deposition & Reaction)법이라는 새로운 R2R(reel-to-reel) 연속공정을 개발

하였다, 이 제조기술은 원료조성을 IBAD 템플릿 위에 비정질 상태로 고속 증착할

수 있는 RCE법의 장점을 살리고, 산소 분압이 서로 다른 고온의 전기로를 연속으로

통과시켜 비정질층을 초전도층으로 고속 에피성장하도록 하는 방법이다. 초전도층은

벌크 고온초전도체 결정성장과 매우 유사하나 훨씬 초전도상 성장속도가 빠른 포정반

응에 의해 성장된다.

한편, 21C 프론티어사업 1단계에서 초전도층을증착할 수 있는 기판용 금속모재로

는 미국에서 개발된 압연보조2축배향(Rolling-Assisted Biaxial Texturing:

RABiTS)법을 채택하였는데, 이 방법은 Ni-W 합금 선재를냉간 가공으로 내부 스트

레인을 유발한 후, 재결정 공정으로 결정립간의 2축배향성을 유도하는 기술이다. 그러

나 국내 기술개발의 한계성으로 인하여 사업의 2단계 1차년도인 2004년부터 Ni-Cr

합금인 Hastelly위에 이온빔보조증착(Ion Beam-Assisted Deposition: IBAD)법

에 의한 템프릿의 연구개발을 서울대가 본격적으로 시작하였다. 2단계가 끝나는 시점

인 2007년 초 10m 이상의 장선에서 7도 이하의 면내 배향성을보이는 우수한 IBAD

MgO 템플릿 개발에 성공하였다. 현재 (주)서남은 500m급의 IBAD MgO 템플릿을

초전도층의 제작에 안정적으로 공급할 수 있게 되었을 뿐 아니라, RCE-DR법으로

360m/h (4mm 선폭 기준) 이상의 세계 최고 제조속도로 임계전류 500A/cm, 길이

500m급 GdBCO 전선을 IBAD MgO템플릿위에 생산하여 판매하고 있고, 최근에는

아래 [그림 1]과 같이 1km급 GdBCO선재의 제조에도 성공하였다.

(a) (b)

그림 1. (a) (주)서남이 제조한 1km급 2세대 선재 사진과 (b) 2세대 선재 단면 모식도.


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2. 외국의 개발 현황

미국의 고온초전도 전선 개발은 1987년 고온초전도체의 발견이후 20여년의 지속

적인 투자로 수백 m급 고온초전도 전선을 개발하였고, 비록 가격이 고가이긴 하지

만, 상용화에도 성공하였다. 미국 AMSC는 오크릿지국립연구소의 기술을 바탕으로

RABiTS 기판위에 MOD법으로 초전도 전선을 개발, 제작 및 판매하고 있다.

AMSC사의 초전도 전선은 소비자가 요구하는 선택에 따라 자유롭게 선폭을 조절해

줄 수 있는 특징을 갖고 있다. 현재의 생산능력은 720km/년 이고 평균적으로 약

400~500m길이단위로 초전도 전선을 생산하고 있어 가격을 제외하면 상용화급에

전혀 문제가 없다고 판단된다. 2009년 DOE Peer Review를 통해서 발표된 자료

에 의하면, 생산 길이는 500m급으로 일관성이 있게 제작되고 있고, 상압하 액체질

소온도에서 임계전류가 약 100A급(즉 250A/cm)으로 일정하여 신뢰성이 아주 높

다고 할 수 있다. 한편, Superpower(SP)사는 AMSC사와 경쟁 관계에 있는 초전

도 전선 개발, 제조 및 판매회사로 로스알라모스국립연구소의 IBAD MgO 템플릿

제조 기술과 MOCVD 초전도층 공법을 바탕으로 2009년 길이 1065m 전류밀도

282A/cm의 세계최고의 YBCO 2G 초전도 전선을 개발한 바 있다. 그러나 이 회사

는 2011년 10월 일본의 Furukawa사에 넘어가 향 후 귀추가 주목된다.

일본은 1998년부터 5년단위로 NEDO지원의 국가단위 연구개발 계획을 중심으

로 철저하게 초전도 전선 개발을 관리해 왔다. 현재는 M-PACC(Materials &

Power Applications of Coated Conductors)을 중심으로 연구개발을 수행하고

있으며, ISTEC-SRL을 중심으로 기업들이 공동으로 참여하고 있다. 초전도 전선

개발을 위해 ISTEC-SRL은 물론, Sumitomo전공, Fujikura전선, Showa전선,

Chubu전력, Furukawa전공, JFCC가 참여하고 있고, 큐슈대학, 오사카대학, 교

토대학, 와세다대학 등의 대학이 참여하고 있다. Fujikura전선의 경우, IBAD-

GZO를 이용한 기판(Hastelloy C-276) 제조로서 일본 전체의 2G 초전도 전선 개

발의 근간이 되어 왔고, 최근 IBAD-MgO 기법을 이용한 기판제작에도 성공하였다.

2010년까지의 가장 좋은 연구결과는 PLD법을 이용하여 615m길이에 609A/cm를

달성한 것이다. 이와는 별도로 최근 ISTEC-SRL에서는 Fujikura전선의 PLD법에

사용된 기존의 YBCO 대신에 GdBCO를 새롭게 추진하고 있다. 특히, Fujikura에

서는 Contact heating방식과 새롭게 Hot-wall heating방식도 채용하고 있다.

Contact heating방식에서 GdBCO로 초전도층을 바꾸고 Throughput속도를 아


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주 높게 향상(300A@45m/h, 600A@15m/h)시켰고, 새롭게 Hot-wall heating

방식을 채택하여 1,000A(Short sample)가 넘는 임계전류를 달성하였다고 발표하

였다. 한편, Showa전선은 저가공법 개발을 목표로 ISTEC-SRL과 공동으로 MOD

법을 이용한 2G 초전도 선 개발을 추진하고 있다. Batch type으로 생산하며 최근

500m길이의 tape에 300A를 달성하였다. 이밖에 Sumitomo전공(이하, SEI)은

초전도 전선의 상용화에 초창기부터 가장 적극적으로 노력한 초전도 전선 회사이기

도 하다. 1988-1995년까지는 BiSCCO 1세대 장선재 개발과 다심선재를 개발하였

고, 1995년부터는 지속적인 R&D 투자를 통해서 파이럿 플랜트도 구축하였으며,

1999년 이후부터는 COP(Controlled Over Pressure)공법을 개발하여 획기적인

1세대 초전도 전선의 적극적 상용화의 전기를 마련하였다. 그 후, 2004년부터 본격

적인 Di-BSCCO 초전도 전선의 상용화에 앞장서게 된다. SEI의 2세대 초전도 전

선의 개발은 2008년부터 시작되었고, ISD(Inclined Substrate Deposition)방법

으로 템플릿 제작을, 산업용 레이저를 이용하여 초전도층 제조 throughput을 높이

고자 하고 있다.

마지막으로 유럽의 초전도 전선 개발동향은 다음과 같다. 먼저 Bruker사는

Bruker Advanced Supercon이라는 초전도 관련 회사를 설립하여 현재 1G 와 2G

초전도 전선을 생산 및 판매하고 있다. 1G 초전도 전선을 주문을 하면 2.5km의 단

위 길이로 생산도 가능하지만, 일반적으로 1.5km급 선으로 제작되고 있으며,

300km/년의 생산능력을 갖추고 있다. 한편, ZBAS사 2G 초전도 전선의 기술은

IBAD-YSZ기판위에 PLD를 이용하여 초전도층을 증착하고 있다. 최근, 새롭게

ABAD(Alternating Beam Assisted Deposition) 시스템을 설치하고 4mm폭에

서 30m/h이상의 Throughput 속도가 가능하며 단위길이가 2km에 달한다. 최근

초전도 전선 공정장비들을 Scale-up하여 PLD의 경우는 70~75m/h의 증착속도와

단위 제작 길이를 2.3km로 늘렸으며, IBAD 장비의 경우는 35m/h의 증착속도와

단위 제작 길이를 2km이상으로 맞추고 있다. 4km의 2G 초전도 선이 ABAD-HR

PLD 공정을 통해서 제작되었고, Super3C 초전도 전력케이블 프로젝트에 2008년

공급되었다. 이밖에 독일에 위치하고 있는 Nexans SuperConductors사는

ReBCO 2세대 초전도 전선, Bi2212, 및 YBCO 벌크를 주요생산품으로 하고 있다.

2세대 초전도 전선의 구조는 미국 AMSC사와 아주 유사한 구조를 갖고 있다. 10m

길이의 선재가 제작되고 있으며, 현재는 50m급 제작공정으로 scale-up 중인 것으로

발표하고 있다.


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3. 실용화를 위한 과제

1) 기술적 과제

실용화의 기술적 과제는 크게 4개의 주요 인자로 나누어 볼 수 있다.

첫째, 높은 임계전류 특성을 구현하는 것이다. 과거에는 고온초전도박막의 두께가

두꺼워지면 급격히 임계전류밀도가 감소하는 문제점을 극복하는 것이 가장 큰 과제

였는데, 최근 이 문제는 출발조성을 제어함으로서 2μm 까지도 임계전류밀도의 감소

를 최소화할 수 있는 기술이 개발되었고, 이 방법으로 MOD, MOCVD 및 RCE-

DR법에서 임계전류 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있었다. 그러나 아직도 2μm 이

상의 두께에서는 출발조성의 제어로도 달성하기 어려운 기술적 난제로 남아 있다.

한편, 고자장에서 높은 임계전류를 얻기 위해서는 자속 피닝점(flux pinning

sites)을 제어하는 것이 중요하다. 가장 이상적인 피닝점은 자속 코어의 크기{2세대

선재인 YBCO혹은 REBCO (RE: 희토류 원소) 초전도체의 경우 2-3 nm}와 유사

한 결함이나 제2상의 나노입자이다. 현재 개발된 가장 효과적인 피닝점은 PLD법으

로 제조한 YBCO 혹은 REBCO 초전도상에 포획된 c-축으로 정렬된 nanorod형의

제2상 columnar defect로 5-20 nm의 직경을 갖는다. 제2상으로는 BaZrO3,

BaSnO3, BaHfO3 등이 대표적이다. 그러나 이러한 피닝물질은 MOCVD법에서는

어느 정도 유사한 columnar defect를 형성하지만, MOD법의 경우에는 모두 나노

입자 형상으로 바뀌고 입자의 크기도 수백 nm로 10정도 커져 피닝점으로의 효과가

상당히 감소된다. 더욱이 최근 우리의 RCE-DR 기술로 제조된 2세대 GdBCO 선

재는 수백 nm의 Gd2O3 나노입자가 주로 포획되는데, 초전도상의 성장 속도가 다른

공정기술보다 현격히 빨라 보다 효과적인 피닝점을 도입하는 것이 시급한 과제이다.

둘째, 단위 초전도 전선의 길이를 km 급 이상의 장선으로 제조하는 것이다. 장선

의 선재를 생산하는 것은 초전도 전력응용기기를 위해 요구되는 주요 사항으로 초전

도전선의 접합을 최소화하는 방안이 되기도 한다. 이러한 장선의 도체를 만들기 위

해서는 2세대초전도 전선의 형상이 테입형의 coated conductor이므로 reel-to

-reel의 방법으로 제조하여야 한다. 따라서 km급 선재를 제조하려면 다층으로 된 2

세대 선재의 모든 층들이 연속공정으로 이루어져야 한다. IBAD 템플릿의 경우, 전

해연마 등의 방법으로 금속 모재 (hastelloy혹은 SUS)의 표면을 R2R 연속 공정으

로 처리하고, 확산 방지층과 씨앗층을 각각 스퍼터링 연속공정으로 처리하고,


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IBAD-MgO 공정을 e-beam evaporation과 ion beam으로 처리하고 이어

homoepi공정으로 IBAD 템플릿 공정을 완료한다. 또한 IBAD 템프릿 위에 스퍼터

링법으로 LaMnO3나 CeO2 완층층을 cap layer로 입힌 후, 초전도층을 Reactive

Co-Evaporation법으로 입히고, 연속해서 후열처리 공정을 통해 초전도 에피박막

을 성장시킨 후, 은 층으로 안정화층을 만든다. 그리고 맨 나중에 구리 보호층을 전

기도금법으로 형성한다. 이 모든 과정이 reeel-to-reel 연속공정으로 이루어진다.

따라서 성능이 균일하고 부분적으로 결함이 없는 장선재의 yield를 높이는 것이 주

된 기술적 과제이다.

셋째, 2세대 고온초전도 선재의 제조 속도를 높이는 것이다. 즉 높은 throughput

의 공정은 다층막 각 층의 성막속도를 지배하는 인자를 찾아내어 이를 고속화해야 하

는데, 2세대 선재의 경우, 전체의 throughput을 지배하는 인자가 초전도층의 성막

속도였다. 이러한 점에서 최근 서울대와 (주)서남이 공동 개발한 RCE-DR공정은 이

초전도층의 성막속도를 획기적으로 높힌 원천기술로 세계적인 주목을 받고 있다.

넷째, 생산 단가를 낮추는 것이다. 초전도 선재의 단가를 낮추기 위해서는 원료,

공정비용, 제조 속도 등이 중요한 인자로 원료의 단가를 낮추고, 공정비용을 절감하

며, 장선의 고성능 선재를 제조할 수 있도록 생산 속도가 향상되어야 한다. 이 가운

데 주어진 공정장비를 사용하여 생산단가를 가장 획기적으로 낮출 수 있는 방법은

보다 저렴한 재료의 사용과 보다 향상된 생산속도로 고성능의 초전도 선재를 제조하

는 것이다. 이러한 관점에서 최근 (주)서남과 서울대가 공동 개발한 RCE-DR법은

금속모재로 Ni-Cr 합금인 고가의 Hastelloy 대신 저렴한 SUS 스테인레스강을 사

용할 수 있다는 점과 다른 기술보다 훨씬 고속으로 생산할 수 있다는 점에서, 만일

대량생산이 된다면 생산단가를 10$/kAm 이하로 낮출 수 있을 것으로 예측됨으로

실용화에 가장 적절한 기술로 인정받고 있다.

2) 투자 방안

앞에서 언급한 우리나라 최초의 2세대 고온초전도 전선 제조 산업체인 (주)서남

의 경우, 최초의 투자는 정부가 채권을 발행하여 줌으로서 가능하게 되었다. 이 후,

벤처기업 투자자들이 주로 투자하여 왔고, 최근에는 대기업의 전문투자가 이루어지

고 있으므로, 매출이 증가하면 개인투자로 확대될 것으로 전망된다.


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3) 제도적 뒷받침

고온초전도 전선 제조 분야에서 우리나라의 유일한 산업체인 (주)서남의 경우, 투

자기관으로 부터의 투자는 상대적으로 수월하나 금융기관으로 부터의 대출은 매우

어려워 이에 대한 제도적 개선이 요구된다. 더불어, 보다 고성능의 고온초전도 전선

을 제조하기 위해서는 고급 연구 인력과 엔지니어의 수준이 훨씬 향상되어야 하는

데, 우리나라의 경우 우수한 인력이 벤처기업을 선호하지 않는 관계로 고급 인력의

확보 방안이 시급히 마련되어야 한다. 국가 전략적으로 중요한 (주)서남과 같은 벤

처기업 취업의 경우, 군면제의 혜택을 주는 방안도 좋은 제도적 뒷받침이 될 것이다.

Ⅲ. 초전도 전력 케이블

1. 개발 현황

한국의 초전도케이블은 2001년부터 시작한 21C 프론티어 사업을 통해 세계 최

고 수준에 도달하였다. 2007년까지의 연구개발을 통하여 22.9KV, 50MVA, 3상

100m 초전도케이블의 개발 및 국제공인기관 입회시험을 성공적으로 완료함으로서

22.9KV급 초전도케이블의 실용화를 위한 기반을 마련하였다. 이 초전도케이블은

[그림 2]와 같이 2011년 이천 변전소에 설치되어 실 계통에서 운전 중에 있다.

2007년부터 세계 최고 수준의 154kV, 1GVA급 초전도케이블을 한국전기연구

원, LS전선(주), 한전전력연구원과 (주)CVE, 한국기계연구원, 창원대학교, 위덕대

학교 등이 참여하여 연구개발을 진행하였다. 154kV급 초전도케이블 코아는 2세대

초전도도체를 사용하였기 때문에 기존의 Bi 초전도도체를 사용한 초전도케이블 코

아 설계와는 다르게 2세대 초전도도체 기판의 종류에 따라 비선형 특성을 고려하여

야 한다. 따라서 초전도도체 기판의 비선형특성을 고려한 저손실 설계기술을 개발하

여 1세대 도체 뿐 만 아니라 2세대 도체의 종류에 관계없이 초전도케이블 코아를 설

계 할 수 있는 기술을 확보하였다. 다음에 154kV, 1GVA급 초전도케이블용 극저온

단말을 개발하였다. 초전도케이블용 단말은 가공선로와 초전도케이블을 연결하며

상온에서 액체질소 온도까지의 온도구배를 갖는 부분으로 열손실의 최소화와 극저

온 고전압 전기절연이 매우 어려운 부분으로서 송전급 초전도케이블 개발을 위한 핵


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심 기술 중 하나이다. 또한 초전도케이블 시스템의 설치와 운전 효율을 높이기 위하

여 감압펌프에 의한 과냉과 냉동기에 의한 과냉의 기능을 하나의 장치에서 수행 할

수 있는 콤팩트한 구조의 다기능 하이브리드 냉매공급장치를 개발하였다. 또한 초

전도케이블의 운전 및 감시, 제어시스템을 개발하여 장기간 운전 및 초전도케이블

운전 중 이상 유무와 원격제어 등 신뢰성을 한 높인 154kV급 초전도케이블 시스템

을 개발하였다.

초전도케이블 개발 뿐 만 아니라 초전도케이블의 평가를 위하여 한국전력은 초전

도케이블 실증시험장 및 각종 시험 평가 시설을 구축하였다. 실증시험장에는 국내

그림 2. 이천 변전소에 설치 운영 중인 22.9KV, 50MVA 초전도케이블


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최고 수준의 차폐실, 350kV급 AC 내압기 및 15kA급 DC Power Supply, 관로와

지하 전력구로 구성된 100m 규모의 초전도케이블 장기신뢰성 시험용 시험장과 냉

각실 제어동 등을 구축함으로서 초전도케이블 관련하여 세계적인 수준의 성능시험

이 가능하여 초전도케이블의 실용화에 크게 기여 할 것이다. 또한 초전도 전력기기

에 대하여 국가경쟁력을 확보하기 위한 기술 표준화의 일환으로 한국 산업규격 제정

을 추진하여 초전도 전력케이블 분야에서 세계 최초의 국가규격을 제정하였다. 제정

된 ‘초전도 전력케이블의 직류 임계전류 측정방법 (KS C 6111-6)’에 대한 한국 산

업규격(KS)은 초전도 전력케이블의 가장 기본적이면서도 중요한 측정방법으로서

여러 변수들을 고려한 직류 임계전류측정방법을 채택하여 제정한 것으로 초전도 전

력케이블과 같은 응용기기에 대해 세계 최초이자 국내최초로 국가차원의 표준을 제

정한 점에서 의의가 크며, 향후 국내 전기산업 발전에 중요하게 활용될 전망이다.

154kV, 1GVA급 30m 시스템 초전도케이블 시스템을 한전 실증시험장 내 실드

룸에 설치하여 개발시험을 마치고, 100m 시스템을 실제 전력케이블 포설과 같은

조건으로 지하 전력구에 설치하여 2011년 7월까지 load cycle 시험을 포함하여 장

기 신뢰성 시험을 완료하였다.

본 연구개발의 결과를 바탕으로 초전도케이블 운영 및 실 계통 적용기술 개발을

위하여 154kV급 초전도케이블을 2016년까지 한전 실 계통에 설치하여 실증시험을

진행 할 예정이다.

그림 3. 한전 실증시험센터 지하 전력구에 설치된 154KV, 1GVA, 100m 초전도케이블


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미국의 대표적인 초전도케이블 프로그램은 DOE(Department of Energy)의 지

원을 받은 SPI (Superconductivity Partnership with Industries) 프로그램으

로서 LIPA (Long Island Power Authority) project, AEP Ohio project, 및

Albany project 등 3대 초전도케이블 프로젝트가 2006년부터 실 계통에서의 운전

을 시작하여 LIPA project, AEP Ohio project에서 설치된 초전도케이블은 현재

까지도 계속 실 전력계통에서 운전 중이다. LIPA Project는 AMSC가 주관으로

138kV, 620m, 3상 초전도 전력케이블을 East Garden시의 변전소에 설치하여

2008년부터 계통운전 중이며, Ohio Project는 Ultera 주관으로 200m, 13.8kV,

3상 동축 초전도 케이블을 2006년 7월부터 Columbus 변전소에서 운전을 시작하

였다. Albany Project는 Super Power와 Sumitomo 전공(SEI) 공동으로 2006

년 7월부터 350m, 34.5kV, 3상 초전도 케이블을 Albany 허드슨 강변에 설치하

여 실 계통 운전을 완료하였다. 또한 SPI 프로그램의 후속으로 2007년부터 SPE

(Superconductivity Power Equipment) 프로그램으로 DOE의 지원으로 New

Orleans의 downtown 변전소 사이에 13.8kV, 2.5kA (60MVA), 1,780meter

규모의 초전도케이블을 Southwire, Entergy Corporation (전력회사) 등이 공동

으로 설치하는 실적용의 초전도케이블 프로젝트와 DHS (Department of

Homeland Security)에서 지원하는 HYDRA 프로젝트로서 배전계통을 정전 등

사고에서도 안전하게 유지할 수 있는 초전도케이블을 적용한 전력계통으로 재편하

는 2개의 초전도케이블 프로젝트와 기존의 LIPA I의 1상을 Coated Conductor로

교체하여 운전하는 LIPA II 프로젝트를 진행하고 있어 미국은 점진적으로 초전도케

이블의 실용화 적용을 추진하고 있는 상황이다.

미국은 AMSC가 주도하여 Tres Amigas 프로젝트를 진행 중으로서 2015년까

지 미국의 독립된 3개의 전력계통 (Western Interconnection, Eastern

Interconnection, Texas Interconnection)을 서로 연결하고 풍력과 태양광 등

의 신재생에너지와도 연계한 전력 허브를 구축하여 지역 간의 전력거래를 포함하

는 상업운전계획으로서 5 GW, 12.5 kA급 직류 초전도케이블을 지중에 설치할

계획이다.


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그림 4. 미국의 초전도케이블 설치 장소

일본은 고온초전도도체가 발견된 시점부터 초전도케이블에 대한 연구를 진행하여

2001년 Sumitimo 전공(SEI)이 66kV, 1000A, 100m 초전도케이블을 CRIEPI

(전력중앙연구소)에 설치 시험을 완료하였으며, 2004년 FURUKAWA가 교량, 지

하, 지상 등 여러 조건의 실제 운전상황을 모의하여 77kV, 1kA, 500m 초전도케

이블을 제작 평가를 완료하였다. 현재 일본은 M-PACC project를 기본으로 초전도

케이블 프로그램이 진행 중에 있으며, 스미토모전공에서 동경전력과 함께 추진하는

요코하마프로젝트가 있다.

M-PACC 프로젝트내의 초전도케이블 프로젝트는 계통적용이 아닌 연구개발 단

계로서 66kV, 5kA급의 대전류형과 275kV, 3kA급 고전압형의 2개 프로젝트가

존재한다. NEDO의 지원을 받는 요코하마 프로젝트는 스미토모전공, 동경전력, 그

리고 마에카와사가 공동으로 추진하는 대형 프로젝트로서 2011년 Yokohama의 동

경전력 변전소에 66kV급 초전도케이블을 실계통에서 운전을 목표로 하고 있으며,

이는 일본 전력계통에 최초로 투입되는 초전도 전력케이블로서 상징성이 있다.


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그림 5. Yokohama 프로젝트용으로 개발 시험 중의 초전도케이블 (SEI)

유럽에서는 Nuon프로젝트로서 네덜란드의 암스테르담에 50kV/250MVA,

6km급 초전도케이블을 설치할 계획으로 연구개발이 진행 중으로 경제성 평가 및

기초 엔지니어링 등 타당성 평가가 진행 중이며, 이외에도 러시아, 중국 등 세계 각

국에서 초전도케이블 실증 계획이 진행 중이다.


1) 기술적 과제

기존 케이블과의 가격경쟁과 상업화를 위해서는 저가의 초전도 선재, 냉각 시스템

의 냉각능력과 신뢰성 향상 및 시스템 유지보수의 용이성 향상 등이 해결해야 할 기

술적 과제로 판단하고 있으며, 실계통 연계 실증 시험을 통한 대용량 케이블 고장시

의 전력계통 및 계통안정화 대책이 확보 되어야 할 것이다.

2) 투자 방안

일정기간 동안은 국가의 지속적인 지원 하에 국제 콘서시움 등을 구성하여 체계적

인 상업화 준비가 필요하다.


초전도 전력케이블 기술을 중심으로 한 초전도 전력기기 기술은 향후 신재생 에너


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지와 Smart grid를 기반으로 하는 전력 계통의 패러다임 변화에 능동적으로 대처

하고 미래 전력계통의 성장을 안정적으로 지원할 수 있는 기술로서, 초전도 기술과

신재생 에너지 및 smart grid 기술을 융합할 수 있는 국가 선도의 기술개발 및 산

업화 지원 체계 구축이 필요하다.

Ⅳ. 초전도 한류기

1. 저항형과 하이브리드형 초전도 한류기

전력선의 사고는 다양하지만, 그 중 전선의 합선 사고, 혹은 단선, 락뇌 등 사고가

발생하는데, 이러한 고장시 전력선의 부하가 갑자기 변하면서 대단히 큰 고장전류가

발생한다. 이 전류는 때로는 정격의 100배 이상일 수도 있는데, 방치하면 화재, 기기

파손등을 야기하고, 심할경우광역정전을 초래하기도 한다. 이에 대처하기 위해 전력

선로에는차단기가 있어 고장전류를차단하는데, 차단에 시간이걸리는데다, 고장전류

가 너무크면차단에 실패해서 고장이 급속히넓게 전파되기도 한다. 그러므로차단에

앞서 고장전류를 고속으로 제한하는 장치가 바람직한데, 이것이 초전도 한류기이다.

국내 전력계통을 보면, 급격한 경제성장에 맞추어 송배전 설비가 짧은 시간에 대

규모로 증설되었다. 한편, 국내 송전선로는 선로가 짧으며, 더하여 전력 공급 유연성

을 위해 강력한 network로 구성되어 있다. 그 결과로 선로의 유효 임피던스는 작아

지고, 고장전류는 증대되어 고장발생시의 문제는 더욱 심각해졌다. 이러한 고장전류

문제에 대처하여 모선분리, 차단기 교체, 직렬 리액터 설치 등이 시행되고 있는 바,

이에 더하여, 고장 문제에 대한 근본적 대책으로 21C 프론티어사업의 지원하에 초

전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter; SFCL)를 개발하였다.

연세대학교와 현대증공업은 저항형 초전도 한류기(이하 ”RS SFCL"이라 한다)를

개발하였고 한국전력공사와 LS산전(주)은 하이브리드형 초전도 한류기(이하 “HB

SFCL"이라 한다)를 개발하였다.

[그림 6]은 저항형 초전도 한류기(RS SFCL)과 하이브리드형 초전도 한류기

(HB SFCL)의 구성을 나타낸다. 저항형 초전도 한류기(RS SFCL)은 고온 초전


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도 전선으로 구성되어 있는데 평상시에는 전기저항이 영(Zero)으로 있다가 선로의

고장발생으로 과다한 전류가 흐르면 초전도 전선이 상전도 전선으로 변환하여 그 저

항으로 고장전류를 제한한다. 하이브리드형 초전도 한류기(HB SFCL)는 고온 초

전도 전선과 리액터로 구성되어 있는데 평상시에는 선로의 전류가 초전도 전선으로

흐르다가 선로의 고장으로 과다한 전류가 흐르면 초전도 전선이 상전도 전선으로 변

환하여 그 저항이 커지면 선로의 전류가 리액터로 흘러 고장전류를 제한한다. 그 후

에 S/W를 열어 초전도 전선으로 흐르는 전류를 영(Zero)으로 한다.

고온 초전도 전선

고온 초전도 전선

리액터

S/W

(a) 저항형 초전도 한류기

(b) 하이브리드형 초전도 한류기

그림 6. 저항형 초전도 한류기(a)와 하이브리드형 초전도 한류기(b)의 구성

2. 저항형 초전도 한류기의 개발 현황

저항형(무유도 권선형, Non-inductive winding type) 초전도 한류기는 사고

발생 시 초전도체 내에서 스스로 발생하는 저항에 의해 사고전류를 제한하는 원리

를 갖고 있는데, 국내에서는 21세기 프론티어 연구개발사업을 통해 주로 연세대

학교와 현대중공업이 연구개발에 참여하였다 [고태국, 2007].

21세기 프론티어 연구개발사업 2단계 ( 2004.7~2007.3 )에 연세대학교와

현대중공업은 CC선재를 이용해 [그림 7]과 같이 단상 13.2kV/630A급의 저항형

초전도 한류기 연구개발 및 제작에 성공하였다 [Kang H. et al, 2008]. AMSC

社 344S (2.56 Km) 선재를 사용하여 초전도 한류기를 제작한 후, 과냉각질소


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환경(65K, 1기압 이상)에서 단락실험을 수행하였는데 사고전류를 1/3수준으로

감소시키는데 성공하였다. 본 실험을 토대로 배전급(22.9kV/630A급)의 초전도

한류기 설계 방법도 개발하여 향후 진행된 송전급 저항형 한류기 연구에도 반영하

였다. 또한, 저항형 초전도 한류기의 운전 시 온도, 압력, 전압 등 운전 상태를 상

시 점검할 수 있는 모니터링 장비의 설계 및 제작에도 성공하여, 초전도 한류기의

제작, 테스트 및 운전까지 구현할 수 있는 기술을 확보하는 데 성공하였다.

21세기 프론티어 연구개발사업 3단계 (2007.4 ~ 2011.3)를 통해 연세대학교는

154kV 송전급 저항형 초전도 한류기 개발을 위한 핵심기술 개발연구를 진행하였다

[고태국, 2011]. 본 연구를 통해 저항형 초전도 한류기용 최적 Cotated Conductor

선재(AMSC社 344S, SuperPower社 SF12050, SF4050 등)설계 기법개발 및 선

재 특성 연구, 초전도 선재권선법 연구, 154 kV급 초전도 한류기의 설계 기법 연구,

154 kV급 초전도 한류기축소모델(1kV/2kA급) 제작 및 특성실험 등의 성과를 도출

하였다. 이러한 연구를 통해 한류기의 퀜치 설계요소 도출과 계통과의 연계성을 예측

하는 기법을 습득함으로써 저항형 한류기의 설계 및 제작 기법의 향상을 이루었다.

연세대학교에서는 동작 온도, 65K와 77K에 따른 SF선재의 특성을 연구하기

위하여 태극무늬로 구성된 무유도 팬케이크 코일을 제작하여 단락 특성 실험을 진

행하였다 [Na J. B. et al, 2009].

그림 7. 단상 13.2kV/630A급 저항형 초전도 한류기 모듈 제작


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3. 하이브리드형 초전도 한류기 개발 현황

한국전력공사와 LS산전(주)의 주도로 21세기 프론티어사업의 하나인 차세대초

전도응용기술개발사업의 지원을 받아 하이브리드형 초전도 한류기를 개발하였다.

6.6 kV급을 우선 개발하였고, 이어 국내 고유 모델로 22.9 kV, 630A, 3상 하이브

리드 초전도 한류기가 개발되었다[현옥배, 2010]. 여기서 하이브리드 방식은 초전

도체 - 기존 리액터를 고속스위치로 선로변경하는 방식인데, 국내 전력선로에서 요

구하는 장시간 한류, 재폐로 및 소형화 등을 특징으로 한다. 실제로 154 kV 변압기

2차측 보호용인 22.9 kV, 3,000A급 하이브리드 초전도 한류기는 한류시간 1.5초

에 재폐로 성능에도, 크기가 GIS 2개인 폭 1.2 m × 길이 2.4 m × 높이 2.5 m에

불과하다. 이는 국내 옥내변전소의 협소한 공간을 고려한 것이다.

이렇게 개발된 초전도 한류기는 장기신뢰성을 검증을 위해 한국전력공사의 고창

소재 KEPCO PT Center에서 1년 이상 장기 무인운전을 경험하였다[Lee G H,

et al, 2009]. 이 운전의 목적은 현장에 설치될 경우 경험하게 될 가급적 많은 상황

을 상정하여 시험하는 것이다. 이 과정에서 장기운전 노하우, 초전도체 교체, 정전

시 온도유지방안 등 노하우 습득과 다른 보호기기와의 협조 등이 연구되었다.

초전도 한류기 개발의 최종 목적은 실선로에서 상업 운전하는 것이다. 그 첫걸음

이 경기도 이천 변전소에서 시작되고 있다. 2010년에 22.9 kV, 630A급 초전도

한류기가 전력선로 보호용으로 이미 설치되어 자체 시험 운전을 시작하였고 그 내부

구조는 [그림 8]과 같다. 이 한류기는 2011년 하반기부터 전력공급용으로 운용되고

있다[Hyun O B, et al, 2011]. 이는 선진국에 비해서는 약간 늦었지만, 대신 장

시간 한류 및 재폐로 기능, 소형화에 저렴함 등 기술진보를 포함하고 있으므로 국내

의 초전도 한류기 기술은 세계 수준급이라고 할 수 있다.


미국, 일본, 영국, 독일, 이탈리아 등과 중국에서 다양한 방식으로 배전급

(medium voltage) 초전도 한류기가 개발되었으며, 상당수가 실제 계통에서 운전

되었다. 대개는 산업체가 적극적으로 개발하였으며, 전력회사가 참여하여 실계통 운


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그림 8. 이천 변전소에 설치되어 운전되고 있는 3상 22.9 kV, 630A급 초전도 한류기

전을 주도하는 구도를 보이고 있다. 대개의 경우 초전도 한류기는 모선연계용으로 사용되

고 있다. 주목할 것은 영국의 적극적 활용인데, 이는 영국의 경우 33 kV급 배전전압에서

약 270 변전소에서 고장전류 초과 문제가 있기 때문일 것으로 사료된다. 실제로, 영국

Scottish Power는 Liverpool 지역에 설치 목적으로 초전도 한류기를 추가 주문하였다. 또

하나의 진전은 유럽 EU project인 ECCOFLOW에서 2개소 적용을 결정했는데, 하나는 스

페인 Palma de Mallorca의 Endesa 계통에서 배전 모선연계용으로, 다른 하나는 슬로바

키아 Kosice의 VSE 계통에서 변압기 2차측 모선 보호용으로 활용하는 것이다.

설치 장소 한류기 개발자 정격 (kV/A) 운전 기간

독일 Nephen S/S, RWE 계통 Nexans SC 10 / 800 2004년 1년간

중국, Puji S/S, 곤명시, 운남성 Innopower 35 / 1,500 2008년 2월 ~

미국 SCE Shandin S/S, LA교외 Zenergy Power 13 / 1,200 2009년 5월 ~

영국 Lancashire, Scottish Power Nexans SC 12 / 100 2009년 5월 ~

독일 Boxberg, 발전소 소내 Nexans SC 12 / 800 2009년 12월부터 1년간

이태리 San Dionigi S/S, Milano ERSE 9 / 1,000 2011년 설치/운전

<표 1> 외국의 배전급 초전도 한류기 실계통 운전 현황


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초전도 한류기의 주요 활용은 송전급에 있으므로, 송전급 초전도 한류기도 개발되

고 있으나, 아직 완성된 것은 없다. 기술적으로도 배전급 보다 훨씬 어려운데, 극저

온에서의 송전급 고전압 처리 기술, 배전급 보다 더 큰 임피던스 요구, 대량의 초전

도 한류소자 소요, 그를 수용하는 대형 냉각설비 및 가격 문제 등이 난관으로 꼽힌

다. 대전류를 제한할 경우 발생하는 기계적 안정성 문제도 풀어야할 중요한 숙제의

하나이다. 현재 세계적으로 개발되고 있는 것은 2개 형식으로, 미국 AMSC/

Siemens의 저항형 초전도 한류기, 영국 ZenergyPower사 및 중국의 Innopower

사의 포화철심형 초전도 한류기가 그것이다.

한류기 개발자 정격 (kV/A) 설치 장소 비고

AMSC, Siemens, 미국115 / 1,200

단상

SCE 계통 Devers 변전소,

Palm Springs, CA, USA

2011년 Power Tech에서

공장 시험 예정

ZenergyPower, 영국138 / 1,300

3상

AEP 계통의 Tidd 변전소,

Billiant, Ohio, USA2012년 설치 예정

Innopower, 중국220 / 750

3상

Shigezhuang 변전소, Tianjin,

China

2011년 하반기 설치

예정

<표 2> 외국의 송전급 초전도 한류기 개발 현황

AMSC社는 총 5단계(2007~2011)의 계획을 수립 후 3상 115kV/1.2kA급 저

항형 초전도 한류기 연구를 진행하였다. AMSC 344 선재로 무유도 펜케이크 코일

63개를 직렬로 연결하여 초전도 모듈을 구성하고, 이와 병렬로 스위치를 설치하여 사

고발생 시 초전도 모듈에 의해 사고전류가 제한되고 3주기 이후 스위치를 개방하여

사고전류를 제한하는 원리를 갖는다. 해당 모델의 권선 구조는 [그림 9]와 같다.

그림 9. AMSC 초전도 모듈 소개 및 실험 결과


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1) 기술적 과제

저항형 초전도 한류기는 사고 시 모든 전압을 감당하기 때문에 장선의 초전도 선

재가 요구된다. 이는 필요 선재소요량 및 냉각량의 증가와 부피의 증가를 의미한다.

특히 송전급에 적용할 경우 더욱 많은 선재가 요구될 것으로 예상된다. 현재 초전도

선재의 단가가 많이 하락했지만 상전도 구리선에 비해서 높은 가격이며, 배전급 및

송전급에 적용 시 기존의 사고전류 제한기기들과의 경쟁에서 우위를 점하기가 쉽지

않다. 따라서 기존 구리에 비해서 초전도 선재의 가격 경쟁력이 필요하며, 선재 자체

의 임계전류와 단위 길이 당 인가 허용 전압의 용량도 증가시킬 수 있는 기술적 개발

이 필요하다. 또한 저항형 초전도 한류기는 한번 작동하면 초전도 전선이 상전도 상

태로 변환되는데 선로의 고장이 제거된 후 다시 초전도 상태로 복귀하는데 오랜 시

간이 요구된다.

하이브리드형 초전도 한류기는 초전도 코일 부분이 적고 고장전류가 전원 주파수

의 1/2 주기 동안만 흐르기 때문에 고장 후 상전도로 변환 되었던 초전도 코일의 초

전도 상태 복귀가 단시간에 이루어 질수 있다. 그러나 전원 주파수의 1/2 주기 동안

고장전류가 제한되지 못하기 때문에 계통에 손상을 주게 된다. 따라서 전원 주파수

의 1/4 주기 이내에 고장전류를 제한할 수 있는 방법이 연구되어야 한다.

2) 투자 방안

그동안 송.배전급 저항형 초전도 한류기에 대하여 많은 연구가 이루어 졌지만,

고전압 절연과 대용량 전류 통전 등에 대한 추가 연구가 필요하다. 해당 연구는

유한요소법 해석으로만 해결하는 어려움이 있으며, 비교적 고가의 실험 장비가 필

요하다. 몇몇 국내 기관에서는 해당 장비를 갖추고 있지만 수량이 많이 부족하고

타 기관이 사용함에 있어서 높은 사용료를 지불해야 하는 실정이다. 송.배전급 초

전도 한류기 개발을 위해서는 저렴한 사용료로 사용가능한 통합 실험 센터가 정부

지원 하에 설립되길 바란다.


초전도 기술은 차세대 성장 동력 기술로 인정을 받고 있지만, 현재 21세기 프

론티어 과제 후 대형 국책 과제가 모두 종료된 상태이다. 타 연구 분야에 비해서


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대기업의 참여가 비교적 적은 초전도 분야에서는 정부의 적극적인 지원이 필요한

상태이다. 선진국에 비해 높은 기술력과 송.배전급 전력계통에 적용하기 위한 실

용화 제품을 개발하기 위해서는 대형 연구 과제를 통해서 고급 인력 양성 및 기술

력 증대를 도모해야 한다.

V. 초전도 교류전동기

1. 개발 현황

한국전기연구원에서는 21C 프런티어 사업으로 2004년 100 Hp급 고온초전도

동기전동기를 제작하여 시험평가를 완료하고 초전도 전동기 기초특성을 검증하였다.

2007년에는 두산중공업과 한국전기연구원이 공동으로 세계 최고속도인 3600

rpm, 1 MW급 산업용 초전도 전동기 제작 및 시험평가를 완료하고, 대용량 초전도

전동기 개발에 필요한 핵심기술들을 확보하였다.

현재 두산중공업과 한국전기연구원은 공동으로 [그림 9]와 같이 선박추진용 5

MW급 고온초전도 동기전동기를 2011년 말까지 제작하고 시험평가를 계획하고 있

다. 현재 고정자와 냉각장치 및 시험평가 관련 장비의 제작은 모두 완료된 상태이며,

초전도 계자코일 제작이 마무리 단계에 있다. 초전도계자코일은 우리나라 업체에서

생산하는 2세대 고온초전도선재를 사용한다.

그림 9. 5 MW 고온초전도 동기전동기 회전자 및 고정자


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1999년 미국의 America Superconductor (AMSC)사와 Rockwell사는 3.5

MW와 1.0 MW급 고온초전도 동기전동기 개발을 시작하였으며, 2001년 AMSC사

는 선박추진용 5 MW급 고온초전도 동기전동기를 제작하였다. 또한 2003년 미해

군의 요청으로 36.5 MW급 함정 추진용 고온초전도 동기전동기를 성공적으로 제작

하여 해군에 납품하였으며, 2009년 1월에 필라델피아 미해군 시험소에서 전부하 특

성시험을 성공적으로 수행하였다.

유럽에서는 독일의 SIEMENS사가 1999년 450 kW급 고온초전도 전동기 개발

을 완료하고, 2003년에 4 MVA급 고온초전도 발전기를 제작하고 2006년 동급의

고온초전도 동기전동기를 제작하였다. 현재 2세대 고온초전도 선재를 적용한 4

MW급 고온초전도 동기전동기 시험평가를 진행 중에 있다.

일본인 경우 2005년 토요타자동차와 스미토모전공이 자동차용 소형 초전도전동

기 제작을 완료하고 자동차 시험주행을 선보였으며, Kawasaki사에서는 2008년부

터 1 MW급 선박추진용 고온초전도 동기전동기 개발에 착수하여 2011년 초에 무

부하 운전특성 시험을 수행하였다.

영국의 Converteam사는 독일 Zenergy사와 공동으로 2010년 3월 독일 Eon

소수력발전소에 1.7 MW급 초전도발전기를 설치하여 상업운전 중에 있으며, 2014

년까지 8 MW급 풍력발전용 초전도 발전기 개발을 진행 중에 있다.

풍력발전기는 미국 AMSC사가 현재 세계에서 가장 큰 용량인 10 MW급 초전도

발전기 개발을 진행 중에 있으며 2014년 경 개발을 목표로 연구가 진행 중이다.


1) 기술적 과제

(1) 초전도선재의 성능향상 및 가격인하가 시급한 실정이다. 초전도전동기용 2세

대 고온초전도 선재의 성능은 최소 piece length 500 m 이상이 확보되어져

야 하고, 또한 40 K 동작온도, 수직자장 2 T 이상에서 150 A의 임계전류값

이상이 요구된다. 또한 선재의 가격은 kA-m당 $20 미만의 공급가격이 요구

된다.


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(2) 진공 및 단열용 대용량 회전자 제작기술 경험 축적이 요구된다. 향 후 20

MW급 초전도 동기전동기 개발을 위해서는 현재 개발 중인 5 MW급 기기보

다 부피가 더 커지기 때문에 다층 구조로 되어 있는 회전자의 가공, 용접, 조

립에 필요한 전문적인 경험과 진공 및 단열을 장시간 유지할 수 있는 신뢰성

이 요구된다.

(3) 고정자에서 발생하는 주울-열을 효과적으로 배출할 수 있는 냉각장치 설계

및 제작 기술 개발이 요구된다.

(4) 회전자와 냉각장치 간의 신뢰성 높은 구조설계 및 제작 기술 개발이 필요하다.

(5) 냉각시스템의 신뢰성 확보와 최적화된 냉각장치 개발이 필요하다.

(6) 상온부와 저온부의 회전 토크를 전달하고 열전달이 낮은 재료 개발과 이를 이

용한 토크 튜브 설계, 제작 및 평가기술 개발이 요구된다.

2) 투자 방안

(1) 초전도회전기는 이미 두산중공업이 2003년부터 연구개발에 참여하기 시작하

여 많은 기술적 경험을 쌓았으며, 향후 연구개발을 지속적으로 수행할 예정이

다. 최종적으로 Utility용 초전도발전기 개발을 목표로 하고 있기 때문에 대

형국책사업을 통한 차세대 수출사업으로 개발이 진행될 수 있다.

(2) 우리나라는 세계 1위의 조선산업 강국이다. 그리고 선박의 추진체계가 기계

식에서 전기추진방식으로 바뀌는 추세이다. 초전도전동기는 일반 전동기에

비해 무게와 부피를 절반 이하로 줄일 수 있기 때문에, 추진체를 선박 내부에

서 외부로 옮겨 내부 공간활용도를 높여 경제적 이득을 높일 수 있는 장점이

있다. 또한 배의 선형을 보다 최적화 하여 운항에 소요되는 비용을 줄일 수

있는 장점이 있다. 선박용 전 전기 추진시스템에 초전도전동기를 적용할 수

있도록, 5 MW급 초전도전동기를 선박에 탑재하여 실증시험을 할 수 있도록

정부사업이 필요하다. 이러한 투자는 대용량 선박추진용 초전도전동기의 신

뢰성을 높일 수 있는 기술 개발을 위해 반드시 필요하다.

(3) 풍력용 10 MW급 이상의 대용량 초전도발전기 개발이 이미 미국 AMSC사

와 영국의 Converteam사가 시작하였으며, 대단지 해상풍력용 발전기로 10

MW급 이상의 시장요구가 커지고 있기 때문에 우리나라에서도 해외 시장을

선점하기 위해 서둘러 기술개발이 요구된다. 따라서 정부차원의 대규모 지원


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을 통해 향 후 5~6년 이내에 10 MW급 초전도발전기 개발을 진행하고, 시장

선점의 기회를 우리나라가 주도해 갈 수 있는 기반을 마련할 필요성이 있다.


(1) 우리나라에는 5 MW급 이상의 선박추진용 전동기의 특성시험을 수행할 수

있는 기반시설이 전무한 실정이다. 또한 향후 10 MW급 이상의 대형 풍력발

전기가 개발된다고 해도 기기의 성능시험을 수행할 수 없다. 이러한 시설은

시험인증제도를 국내에서 마련하고 세계표준을 국내산업체에서 선점하기 위

해서는 반드시 필요하지만 많은 예산이 소요되기 때문에 정부지원이 반드시

필요하다.

(2) 2011년 정부와 기업 주도로 서남해안 지역인 신안·영광 앞바다에 총 2.5

GW 대규모 해상풍력단지 건설이 이미 시작되었다. 총 3년동안 9조 6천억원

이 투입되어 우리나라의 차세대 수출산업으로 키워나갈 풍력발전시스템의

Track Record 확보와 친환경에너지원 개발을 위해 건설될 예정이다. 여기

에 우리나라 독자기술로 10 MW 이상의 대형 초전도발전기를 개발하고 실

증시험을 할 수 있는 제도적 뒷받침이 필요하다.

(3) 이미 유럽 여러 나라에서는 입항하는 선박의 환경규제가 시작되었다. 이러한

결과로 전 전기 추진시스템 방식의 선박건조가 빠른 속도록 증가하고 있으며,

조선 산업의 새로운 전환기를 가져다 주고 있다. 우리나라도 친환경 선박건조

및 우리나라 항만을 이용하는 해외 선박의 환경규제를 강화하는 제도적인 정

책이 마련되어야 하겠다.

Ⅵ. 초전도 변압기

1. 개발 현황

국내에서는 1990년부터 초전도변압기에 대한 연구가 시작되었다. 외국에 비해서

는 다소 늦게 저온 초전도변압기에 대한 연구가 이루어졌고, 대학 실험실 수준의 소


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형 저온초전도 변압기를 개발하였다[Lee J. et al., 1999]. 고온 초전도변압기에

대한 연구는 1999년부터 기초전력연구소와 순천향대학교 연구팀에 의해 시작되어,

2000년에는 440/220 V, 단상 10 kVA, 2001년에는 440/220 V, 3상 10 kVA

BSCCO 초전도변압기를 개발하였다[Lee H. J. et al., 2001]. 용량이나 전압은

실험실 수준이었으나, 팬케이크형 권선을 채택함으로써 초고압용 초전도권선의 초

석을 마련하였다[Lee S. et al., 2002]. [그림 10]은 이때 개발한 고온초전도변압

기를 나타내고 있다.

그림 10. 기초전력연구소·순천향대학교의 440/220 V, 3상 고온초전도변압기

2001년부터는 21세기 프론티어 사업의 한 세부과제로서 초전도변압기 연구가 이

루어짐으로써 장기적인 목표를 갖게 되었다. 프론티어 사업이 종료되는 2011년의

실용화를 위해, 1 단계 22.9/6.6 kV, 단상 1 MVA, 2 단계 154/22.9 kV, 단상

5 MVA, 최종 3 단계는 154/22.9 kV, 3상 100 MVA 고온 초전도변압기 개발이

라는 목표를 설정하였다.

1 단계에서는 한국산업기술대학교, 효성중공업, 경상대학교, 순천향대학교 연구팀

이 참여하였고, 2004년 1 MVA 초전도변압기를 완성하였다[Kim W. et al.,

2004]. 당시로서는 세계적인 흐름과 달리, 초전도권선을 고압, 저압 모두 팬케이크

형 (디스크 권선)으로 제작하였다. 테이프형태인 고온 초전도선에서 발생하는 손실은

선재에 수직방향으로 가해지는 자장의 크기에 크게 좌우된다. 따라서 일반 변압기와


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달리, 이 수직자장을 가능한 최소화하는 설계가 필요한데, 팬케이크 형은 레이어 권

선(Layer Winding)과 비교했을 때 수직자장이 더 크게 나오기 쉬운 구조이다.

프론티어 사업에서는 최종적으로 154 kV 급 초전도변압기 개발이 목표였기 때문

에, 일반 변압기에서와 마찬가지로 팬케이크 권선으로 제작하였다. 2011년 현재 다

시 재개되고 있는 외국의 초전도변압기 연구에서는 모두 고압측을 팬케이크 권선으

로 설계하고 있다. [그림 11]은 국내에서 개발한 1 MVA 급 BSCCO 고온초전도권

선과 완성된 변압기를 나타내고 있다.

2003년 경을 기점으로 외국의 고온 초전도변압기 개발이 대부분 유보되었다. 이

는 기본적으로 1세대 고온초전도선재인 BSCCO PIT(Power in Tube) 선재의 한

계 때문이었다. BSCCO 분말을 은통에 넣어 인발하는 형태인 1세대 선재는 대량

생산에 들어간다 하더라도 가격에 한계가 있었고, 무엇보다도 교류손실을 감소시키

기가 어려웠다. 변압기용 초전도선은 가격도 가격이거니와, 저손실 특성과 한류 특

성을 갖추어야만 했는데, 이런 특성을 갖춘 2세대 선재인 YBCO CC(Coated

Conductor)는 막 개발이 시작되는 시점이었다.

그림 11. 고온초전도 팬케이크 권선(좌) 및 1 MVA 초전도변압기(우)

프론티어 사업에서도 이런 환경이 고려되어 2단계 및 3단계 목표의 전면적인 수

정이 이루어졌다. 변압기 권선에 필요한 2세대 초전도선재의 개발은 시일이 소요되

기 때문에, 기업 참여가 유보되고 대학 중심의 요소기술 개발로 목표가 변경되었다.

초전도변압기의 핵심 기술은, 대전류 저손실 기술, 고효율 극저온 냉각 기술, 극저온


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절연 기술이며, 2단계와 3단계에서는 이에 대한 연구가 중점적으로 이루어졌다

[Lee, S.W. et al., 2007] [Lee J. et al., 2009].

100 kV급 이상의 극저온 절연 연구를 위해, 국내 대학뿐만 아니라 아시아권에서

가장 큰 규모의 고압시험설비를 갖춘 한양대학교 퓨전연구센터에 극저온 절연연구

설비를 동시에 갖추어, 1단계부터 극저온 절연설계를 담당한 경상대학교와 함께 초

전도변압기 외에도 케이블, 한류기 등에 필요한 극저온 연구를 수행해 오고 있다. 프

론티어 사업을 통해, 기존 한양대학교의 고압시험설비에 더해 세계 최대 수준의 극

저온 절연시험설비를 구축하였다.

100 MVA급 변압기의 저압권선에는 2,500 A이상의 전류가 흐르게 된다. 일반

변압기의 구리권선과 마찬가지로, 초전도 도체 역시 대전류 통전을 위해서는 병렬

도체를 사용하여야 하고, 이 도체는 일정한 간격으로 전위를 해 주어야 한다. 한국산

업기술대학교에서는 대전류 저손실 병렬도체 제작 방법을 고안하여, 세계에서 처음

으로 특허를 출원하였고, 이에 대한 실증시험을 위해 2세대 초전도선재를 사용한 대

전류용 초전도변압기를 제작하고 있다. [그림 12]는 초전도변압기용 도체인

CTCC(Continuous Transposed Coated Conductor)의 개념도를 나타낸다.

그림 12. 초전도 변압기용 초전도 도체 CTCC선


외국에서는 1990년대부터 고온초전도변압기에 대한 연구가 시작되었다[Mehta

S. P. et al., 1997]. 이 당시는 고온 초전도선재 1세대인 BSCCO 선재로 초전도

변압기를 제작하였으며, 미국, 일본뿐만 아니라, 우리나라를 포함하여 독일, 프랑스,


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중국 등에서도 소형 초전도변압기 개발을 시도하였다. 이 중 주목할 만한 연구결과

로는 후지전기의 22 kV/6.9 kV, 1 MVA 단상 변압기를 들 수 있다[Funaki K.

et al., 1996]. 후지전기는 큐슈대학교, 큐슈전력과 공동으로 2000년, 1 MVA 고

온 초전도변압기를 개발하였는데, 당시로서는 세계에서 가장 큰 용량이었고, 초전도

변압기의 기본 구조를 확립하였다[Funaki K. et. al., 200] [Hata H. et al.,

2002]. 이보다 앞서 1996년에는 세계에서 최초로 6.6 kV/3.3 kV, 500 kVA 초

전도변압기를 개발하여 1 MVA 변압기에 필요한 요소기술을 시험하였다. [그림

13]은 후지전기가 개발한 BSCCO 초전도변압기이다.

그림 13. 후지전기의 500 kVA(좌) 및 1 MVA(우) 고온 초전도변압기

1997년 ABB는 세계 최초로 고온초전도변압기를 실계통에 투입하여 적용시험을

하였다. 18.7 kV/420 V, 3상 630 kVA 고온초전도변압기를 ABB의 한 공장에

설치하여 수개월간 실부하 시험을 거쳤다. 그 후 2002년까지 63 kV/23 kV, 10

MVA 급을 개발할 계획이었으나, BSCCO 선재의 한계로 교류손실이 적고, 한류

작용을 할 수 있는 초전도선재가 개발될 때까지 연구를 보류하였다. [그림 14]는

ABB에서 개발한 630 kVA 초전도변압기이다.


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그림 14. ABB의 630KVA 18.7/0.5KV BSCCO 초전도변압기

미국에서는 에너지성 (DOE)의 고온초전도 프로그램의 일환으로 와우케샤

(Waukesha), 수퍼파워(SuperPower) 등 기업 주도로 고온 초전도변압기 개발이

이루어졌다[McConnel B. W., 2000] [Schwenterly S. W. et al., 1999]. 1단

계로서 1998년 13.8 kV/6.9 kV, 1 MVA 초전도변압기를 제작하였는데, 특이한

점은 사용한 초전도선재가 Bi2223가 아닌 Bi2212였다는 것이다. 와우케샤는 액체

질소를 사용하지 않고, 기체 헬륨으로 냉각하는 방식을 채택하였으며 운전온도는

25 K 정도로 결정되었다. 따라서 같은 BSCCO 계열의 초전도체이지만, 저온에서

Bi2223보다 더 좋은 성능을 보여 주는 Bi2212를 사용한 것이다.

와우케샤는 2단계에서도 동일하게 30 K 정도에서 동작하는 초전도변압기를 설계

하였는데, 추후의 실용화를 고려했을 때는 적절치 못한 선택인 것으로 나타났다. 2

단계 정격은 5/10 MVA, 24.9 kV/4.2 kV로 그렇게 높은 전압은 아니었지만, 에

폭시로 권선을 고정한 함침형 권선을 제작하면서, 크랙 등의 결함으로 온도상승이

발생해 최종 목표를 달성할 수 없었다. 이때의 실패를 기화로 이후 극저온 환경에서

의 절연 연구가 시작되게 되었다. [그림 15]는 와우케샤에서 개발한 초전도변압기

의 내부 구조를 보여 주고 있다.


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그림 15. 와우케샤 고온 초전도변압기의 내부 구조

지금까지 살펴 본 외국의 개발 동향은 대부분 2005년 이전에 종료된 사업들이다.

중단되었던 외국의 초전도변압기 개발 과제들은 2009년을 기점으로 다시 재개되었

다. 대표적으로 와우케샤의 초전도변압기는 미국 에너지성으로부터 다시 자금을 지

원받아, 서부의 전력회사가 공동으로 참여하여 2012년 20 MVA 급 초전도변압기

를 실제 계통에 설치하는 과제를 진행하고 있다. 일본 역시 중단되었던 초전도변압

기 개발 과제가 재개되어, 2세대 고온초전도선재를 사용하는 2 MVA 급 초전도변

압기를 개발하고 있다.


1) 기술적 과제

고온초전도 변압기의 핵심기술은 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째로는 어느 초전

도기기에서나 마찬가지이겠지만, 극저온을 유지하기 위한 냉각시스템을 꼽을 수 있

다. 각 초전도기기의 특성에 따라 요구되는 냉각시스템의 특성도 달라진다. 초전도


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케이블의 경우, 길게 설치된 케이블 전체를 냉각시키는 기술이 필요하다면, 초전도

변압기는 집중된 한 곳에서 냉각이 이루어진다. 다만 발생하는 열량이 다른 시스템

에 비해 많기 때문에 효율적인 냉각 순환 시스템이 필요하다.

다음으로는 극저온 절연기술이 필수적이다. 국내 전력계통의 전압을 고려할 때,

고온초전도변압기가 적용될 가능성이 높은 전압레벨의 변압기는 21세기 프론티어

사업에서 목표로 잡았던 154 kV/22.9 kV 배전용 변압기이다. 국내의 계통전압은

외국에 비해 단순화되어서, 22.9 kV와 154 kV 사이의 중간전압이 없다. 따라서

초전도변압기의 실용화를 위해서는 154 kV 급의 극저온 절연기술이 필요한데, 전

세계적으로 이에 대한 기술이 확립되어 있지 않은 상태이다.

마지막으로 가장 중요한 부분은 대전류·저손실 기술이다. 초전도라는 특성을 가장

잘 활용하기 위해서는, 초전도 변압기 역시 고압화보다는 대전류화 쪽으로 응용가능

성을 찾아야 한다. 그러나 현재 개발된 고온초전도 재료에서 발생하는 교류손실은

초전도변압기를 현실화하기에는 너무 높은 수준이다. 이 교류손실은 초전도선재를

구성하는 물질 자체에서 발생하는 손실이라기보다, 선재의 형태인 테이프 구조에서

부터 발생하는 것이므로 선재의 형상을 개선하는 기술을 통해 손실을 획기적으로 줄

일 수도 있다. 현재 발생하는 손실보다 1/10 정도의 손실 저감이 이루어진다면 초

전도변압기의 실용화가 가속화될 것이다.

2) 투자 방안

초전도변압기의 핵심기술 중 극저온절연 기술과 대전류·저손실 기술은 선진국에

서도 확보하지 못한 고난이 기술이다. 또한 이 기술은 디지털 기술과 달리 오랜 경

험에 의해서만 확보될 수 있는 기술이므로, 외국에서 개발한 후 기술을 도입하는

방안은 현실성이 없다고 할 수 있다. 따라서 국내 기업에서 이러한 기술을 확보하

기 위해서는, 당분간 기초연구의 성격을 갖는 국가지원 연구과제로서 개발을 지속

하여야만 한다. 국내의 중전기 기업에서도, 국가 연구과제와 별도로 극저온 절연

기술에 대한 기초 연구를 착수하여야만, 향후 외국과의 경쟁에서 뒤처지지 않을

것이다.


모든 초전도 전력기기가 공통적으로 갖는 문제점이지만, 전력설비가 요구하는 신


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뢰성을 확보하기 위해서는 실험적인 설비 투자가 이루어져야 한다. 초전도 변압기의

경우에는 바로 154 kV 급의 필드테스트를 실행하기에는 시일이 필요하므로, 경제

성이 떨어지더라도 22.9 kV/380 V 급 변압기에서도 계통적용 시험을 수행할 필요

가 있다. 21 세기의 전력 설비는 초전도기기가 주력을 이룰 것이지만, 그것을 어느

나라가 주도하느냐는 현재의 중전기기 경쟁력만으로는 결정되지 않는다. 국가적인

지원 하에, 전력회사의 적극적인 투자가 21 세기 중전기기 산업의 운명을 결정지을

것이다.

Ⅶ. 초전도 자기에너지 저장장치

1. 개발 현황

국내에서의 초전도 자기에너지 저장장치(SMES, Superconducting Magnetic

Energy Storage) 연구는 1985년 20kJ 저온 SMES 연구를 시작으로 지금까지

꾸준하게 진행되고 있다. 기초전력연구원에서는 2000년부터 2004년까지 고온초

전도 SMES에 대한 연구개발을 추진하였으며 100 kJ HTS SMES 코일을 설계․

제작하여 실험하였다.

한국전기연구원에서는 1995년부터 1998년까지 UPS용 LTS SMES 개발을 위

한 관련 기반기술을 확보했으며, 2003년에는 중요부하의 전력품질 개선용으로 이동

형 3MJ LTS SMES 시스템[Kim H. J. et al., 2006]을 개발하여 각종 전력품질

을 모의하여 특성실험을 마쳤다.

그리고 2004년부터 HTS SMES System 연구[Iwasa Y., 1994]를 시작하여

2007년에는 전력품질 보상용 600kJ급 HTS SMES 시스템[Seong K. C. et al.,

2008]을 제작 완료하였다. 코일은 [그림 16]과 같이 Solenoid형이고 전도냉각을

하였는데 실제 실험에서는 세계 최대 규모인 1.03MJ 까지 에너지를 저장할 수 있

었다.


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그림 16. KERI 600kJ HTS SMES 코일

2008년부터 현재까지는 [그림 17]과 같은 2.5MJ HTS SMES System[Choi

J. Y. et al., 2009]을 개발 중에 있다. 코일은 Double Pancake Coil 28개를

Toroid형으로 조립하여 제작한다. 냉각 방식은 전도냉각을 하며 초전도선은 AMSP

사의 4mm CC선을 사용하고 있다. 이 시스템은 2012년 6월에 완성될 예정이다.

그림 17. 현재 개발 중인 2.5MJ HTS SMES System


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미국에서의 HTS SMES 연구는 ASC, NRL GA 및 IGC에서 요소기술 위주로

연구를 진행했으며 최근에는 미국 DOE(US Depart of Energy)에서 지원받아

Super Power, Brookhaven National Lab 및 ABB에서 풍력 및 태양광의 계통

부하(20kW dynamic response)변동 제어를 목표로 2010년부터 3년간

3.4MJ(at 4.2K) HTS SMES System을 제작하기로 했다.

일본에서의 HTS SMES 연구는 중부전력 및 도시바에서 1MJ HTS SMES 코

일제작을 목표로 Bi-2212 선재를 이용하여 11 unit 코일로 구성된 저장에너지

560kJ HTS SMES 코일을 [그림 18]과 같이 제작하였다. HTS 코일의 냉각은 두

대의 냉동기를 사용한 재응축 액체헬륨 시스템으로 했으며 알루미늄 Block 및

plate을 사용하여 열전달을 했다.

그림 18. 중부전력 560kJ HTS SMES 코일

중국에서는 CAS(Chaina Academy of Sciences)에서 Bi-2223 tape을 사용

하여 44개의 pancake 코일로 구성된 HTS SMES 코일을 [그림 19]와 같이 제작

하였다. 코일의 직경은 568mm 높이 645mm 이며 액체 헬륨온도에서 통전전류

560A의 1MJ HTS SMES 코일을 제작하였다.


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그림 19. CAS의 액체헬륨 냉각형 1MJ HTS SMES 코일

유럽의 SMES에 대한 연구는 초전도응용의 한분야로서꾸준히 연구되어오고 있다.

독일의 경우 SMES에 대해 가장 활동적인 기관은 Forschungszentrum

Karlsruhe(FZK) laboratory이며 1995년에 toroidal 타입의 200kJ급HTS SMES

코일을 제작했다. Nexans 는 DGA(방위성)으로부터 연구개발비를 지원받아그레노블

고자장연구소와함께 800 kJ HTS SMES 개발[Tixador P. et al., 2008]을 진행하여

전류 244A를 흘려 425kJ의 HTS SMES 코일을 [그림 20]과 같이 제작했다.

그림 20. Nexans 800kJ HTS SMES 코일


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1) 기술적 과제

고온 초전도 SMES 개발을 위해 필요한 기술 중 고온초전도 코일 설계 및 제작

기술은 600kJ급 고온초전도 SMES System 개발 과제를 통해 많은 기술을 축적

했으나, 고온초전도 도체는 저손실, 고 임계 전류밀도의 성능의 수 km의 길이가

요구되므로 선재의 기술 개발이 필요하며, 펄스운전을 통해 품질보상을 위해서는

전류리드에 의한 침입열을 최소화 하여야 하는 저 손실 Cryostat 제작 기술이 필

요하다.

2) 투자 방안

고온 초전도 SMES 개발의 가장 핵심기술인 코일 설계 및 제작기술은 교류손실,

과도 전자력, 극저온 안정성, 전류분류, Joint 및 극저온 전기절연 등의 각종 요소

기술이 필요하므로 고온초전도 코일 형상에 따른 요소기술 개발과제가 필요하다.


고온초전도관련 연구과제는 성격상 당장 상용화하기에는 연구기간이 다소 소요되

는 관계로 가능한 참여기업이나 기술료 같은 제한조건을 제도적으로 완화할 필요가

있다.

Ⅷ. 결 론

우리나라에서는 2001년부터 정부의 21세기 프론티어 사업에 의하여 초전도 전력

기기에 대한 연구 개발이 본격적으로 시작되었으며 2011년까지 10년간 정부에서

매년 100억원, 산업체에서 매년 약 50억원의 연구 개발비를 투자하였다. 이와 같은

지원에 힘입어 2세대 고온초전도 전선, 초전도 전력케이블, 초전도 한류기, 초전도

교류전동기, 초전도 변압기, 초전도 자기에너지 저장장치 등 다양한 초전도 전력기

기를 연구 개발하였다.


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우리나라는 미국, 유럽연합, 일본 등 초전도 연구의 선진국에 비하여 초전도 전력

기기에 대한 연구 개발을 늦게 시작하였지만 현재의 기술 수준은 평균적으로 선진

국의 80~90% 수준이라고 평가되며 특히 초전도 자기에너지 저장장치의 경우는 선

진국과 동등한 수준이다.

지난 10년간의 연구 투자의 효과를 요약하면 첫째로 초전도공학을 전공한 인력의

양성이며. 둘째로 본 연구 개발이 산학연 공동연구였기 때문에 개발된 기술이 참여

산업체에 성공적으로 전수되었고, 셋째로 초전도 도체가 국내에서 생산되고 초전도

케이블과 초전도 한류기가 한국전력의 실 계통에 연결되어 시험 운전 중에 있는 등

일부 실용화가 이루어 진 것이다. 앞으로 본격적인 실용화를 위하여 2단계 연구 투

자가 필요하다. 2단계 연구 투자에서는 초전도 전선 개발에 중점적으로 투자하고 다

음에 인력양성에 투자한다.

초전도 전력기기 개발에 있어서 제일 큰 문제는 초전도 전선의 가격이다. 현재 초

전도 전선의 가격은 KAm당 $200 수준이다. 초전도 전력기기가 실용화 되려면 초

전도 전선의 가격이 $50 이하가 되어야 가능하다. 현재 초전도 전선의 생산 기술은

선진국에 비하여 많이 뒤져있다. 초전도 전선의 핵심 기술은 임계전류밀도 향상, 장

선화 및 제조 속도 향상이다. 이 문제를 해결하려면 초전도 전선 제조 장치 개발에

많은 투자가 요구된다.

초전도공학을 전공한 인력의 계속적인 배출이 없으면 산업체에서 초전도 전력기

기의 개발이 지속될 수 없다. 따라서 대학에서의 인력양성을 위한 연구투자도 이루

어 져야한다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부의 연구비 지원에 의하여 이루어졌음을 밝히며 이 논문

을 작성하는데 많은 자료를 협조해 주신 고태국 교수, 현옥배 박사, 조전욱 박사, 김

호민 교수에게 깊은 감사를 드립니다.


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