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송전기술의 보수 및 개발 ③
UHV, 송전, 기술, 세계 표준화
세계 각국의 경계가 허물어지면서 전력 분야에서도 기술 개발과 함께 세계 표준에 관한 중요성도 높아지고 있다. 국제전기표준회의(IEC)로부터국제표준으로인정받은일본발UHV(Ultra High Voltage) 송전기술의개발과정과함께표준화진행과정을소개한다.
번역·정리 전화영 객원기자 글 도쿄대학 히다카 구니히코(日高邦彦) 참조 ≪電氣評論≫ 제94권 12호
2009년 8월 8일에 방영한 NHK 종합 텔레비전의 다큐멘터리 방송 ≪추적 A to Z≫에서 UHV 송전을 다룬‘일본은 살아남을 수 있을 것인가, 격돌 국제 표준 전쟁’편을 방송으로 본 분도 많으리라 생각한다. 일본 시간 5월 23일 이른 아침, 일본발 UHV 송전 기술 중 제1단계로 전압 값 1100㎸가 세계 표준(IEC 규격)에 포함됐다는 경사로 방송은 끝을 맺었다. 전력 기술에 관한 토픽이 텔레비전 골든타임에 방영되는 일은 아주 드문 일이기도 해서 더욱 기뻤다. 다만, 기술 자체가 아닌 국제 표준 전쟁이라는 시점에 의문을 품을지도 모르겠다. 여기서는 우선 그 의문에 답하는 것부터 시작해 세계 최고 수준에 있는 일본 UHV 송전 기술, 그리고 그것을 국제 표준화로 승화시킨 과정을 소개한다.
국제 표준화 활동의 중요성 일본 경제는 몇 번이나 궁지에 빠져 현재도 2008년 리먼 사태 이후 나쁜 뉴스가 이어지고 있다. 이러한 가운데 견실한 밝은 경제 지표도 있는데, 예를 들어 1985년 이후 수출입 수지에서 연간 10조 엔 전후의 흑자를 계속하고 있는 점이다. 놀라울 정도로 큰 액수는 아니지만 항상 수입을 웃도는 수출로 일본의 부를 증대하는 데 공헌하고 있다. 일본으로서는 중요한 무역(특히 수출)을 논할 때면 자주 듣는 이야기겠지만, 세계 최고 기술 수준에 있는 일본제 고기능 휴대전화나 평면 텔레비전이 꼭 세계에 퍼져 있는 것은 아니다. 그 이유는 단지 국제 표준으로 돼 있지 않기 때문일 뿐이다. 세계 무역을 통제하고 조절하는 국제 연합 기관이 세계무역기구(WTO, World Trade Organization)인데, WTO에서는 무역 기술 장벽에 관한 협정을 1995년에 규정했다. 그 내용을 살펴보면 가맹국에 비관세 장벽을 없앨 것을 의무로 하고, 무역에서 국제 표준(규격)에 준거할 것을 요구한다. WTO는 전기에 관한 표준으로 국제전기표준회의(IEC, International Electrotechnical Commission) 규격을 국제 표준으로 인정한다. 따라서 일본의 우수한 기술이 세계에서 널리 쓰이려면, IEC 규격에 준거한 기술을 개발하려는 수동적 자세가 아니라 적극적으로 일본의 기술을 IEC 규격에 반영하는 것이 중요하다.
IEC의 구조와 CIGRE 일본과 마찬가지로 세계 여러 나라도 자국의 기술을 IEC 규격으로 하기 위해 전략을 세우고 있다. 그런 의미로 IEC의 기본 이념, 조직, 논의 과제 등을 살펴볼 필요가 있다. 우선 기본 이념은‘시장 주도’와 ‘기술주도’다. 다음으로 IEC 조직 개요는 <그림 1>과 같다.  최상위 기관에 총회가 있으며, 그 아래에 표준화 관리 평의회(SMB, Standardization Management Board)가 있다. 민간 회사로 따지면 총회가 주주 총회, SMB가 경영 회의에 해당한다 하겠다. 큰 방침은 SMB에서 논의해 결정을 내린다. SMB는 15개국 대표 위원으로 구성되는데, 일본 대표는 소니와 일본규격협회에소속된하라다세쓰오(原田節雄) 씨다. 전문 위원회(TC, Technical Committee)와 분과회(SC, Sub-Committee)가 규격 작성을 추진하는 모체가 된다. TC, SC는 SMB로 보고하고 그 승인을 받아 활동한다. 일례로 개폐 장치는 TC17, SC17A, B, C, D가 담당한다. 섹터 보드(SB, Sector Board)는 SMB와 각 TC를 잇는 조직으로, 시장 요구에 따라 ① 여러 TC에 걸쳐 있는 규격을 통일성 있게 조정하고, ② 규격화의 우선도를 판단하며, ③ 신규 규격화 안건을 발의하는 등 규격화 요소를 책임진다. SMB 아래에 현재 3개의 SB가 있으며, 각각 대상으로 하는 분야가 정해져 있다. 그중 SB1이 전력 기술에 직접 관련이 있는‘송전 및 배전 분야’를 담당한다. SB 위원은 각국의 국내 위원회(NC, National Committee)가 추천하고 SMB 위원의 투표로 승인된다. SB1에서는 현재 일본에서 의장 이케다 히사토시(池田久利) 씨를 포함해 3명이 승인됐다. 한국과 중국이 각각 3명, USA, 캐나다, 프랑스, 독일, 남아프리카 등 세계 각국에서 위원이 모이고 있다. 지금까지 IEC의 구조를 설명했는데, 전력 계통 기술의 국제 표준화에서 또 하나 중요한 조직인 국제 대전력시스템회의(CIGRE)를빼놓아서는안된다. CIGRE는 전력 계통 기술 전반에 대해 국제적 정보 교환과 조사 연구를 하는 기관으로 알려져 있으며, IEC 규격을 뒷받침하는 중요한 기술 조사 역할도 맡고 있다. CIGRE에서 정리한 데이터를 토대로 규격을 작성하기에 규격화하려는 기술은 우선 CIGRE에서 승인되는 것이 중요 요건이다.
일본발 UHV 송전 기술 교류 송전에서 275㎸를 초고압, 500㎸를 초초고압으로 명명한 시점에서 이를 초과하는 UHV(Ultra High Voltage)에 붙일 적절한 일본어가 없어져 버린 듯하다. 그래서 일본에서는 전기학회 전기규격조사회(JEC) 규격에 따라 공칭 전압 1000㎸(100만 볼트), 최고 전압 1100㎸(110만 볼트)를 사용하는 송전 방식을 UHV 송전이라고 부른다. 한편, IEC 규격에서는 최고 전압을 표준 전압으로 하고, 800㎸를 넘는 전압을 UHV로 정의한다. JEC 규격에서는 공칭 전압을 쓰는 경우가 많기에 일본에서는 1000㎸ UHV 송전이라고 부르는 것이 보통이다. 그러나 국제적으로는 IEC 규격에 바탕을 둔 1100㎸ UHV 송전이라고 하는 편이 잘 통한다. 1000㎸와 1100㎸ 양쪽 모두를 쓰면 혼란스럽기에 여기서는 그저 UHV 송전이라고 표기한다. UHV 송전 도입은 장거리 대전력 송전에 따른 계통 안정도 악화, 고장 전류 증가 등과 같은 과제를 해결하는 데 도움을 주는 동시에 송전선 루트 수 감소, 송전 손실 저감 등에서 효과적이다. 이러한 이점 때문에 500㎸가 넘는 상위 전압 계통으로 UHV송전을 1973년부터 중앙전력협의회, 이어 1978년부터 UHV 송전 특별위원회를 통해 전국 규격으로 활발히 검토했다. 그 결과 UHV의 공칭 전압 1000㎸, 최고 전압 1100㎸를 선정하고, 신뢰도가 높은 UHV 송전 기술을 확립할 수 있다는 전망을 얻었다. 이러한 성과를 토대로 도쿄전력㈜에서 구체적으로 도입 계획을 검토해 우선 UHV 송전선의 설계·건설 기술을 확립했다. <그림 2>에서와 같이 1993년에 남북 루트(190㎞)가, 1999년에 동서 루트(240㎞)가 건설을 마쳤다. 현재 500㎸로 운전 중이며, 반드시 다가올 UHV 송전에 대비하고 있다. UHV 변전 기기 실용화｜UHV 변전 기기 개발에 있어 대용량·대전류라는 계통 조건 그리고 기기 수송 제약과 산악 입지 등에서 요구되는 기기 소형화 등을 비롯해 일본 고유의 엄격한 요구 사양이 존재했다. 여기다 1970년대, UHV급 송전 실적이 세계적으로 거의 없었기에 독자 기술로 실용화를 진행해야 했다. 특히 UHV 계통은 전체 계통의 연계 기능을 담당하기에 신뢰성 확보가 아주 중요해 견실한 기술 개발을 요했다. 앞서 나온 UHV 송전 특별위원회가 만든 기기부회에서는 송전선의 절연 설계 합리화에 크게 기여하는 고성능 피뢰기 실현을 검토하고 변압기, 가스절연 개폐 장치(GIS) 등을 개념 설계하는 동시에 요소 모델, 프로토타입 기기로 연구해 필요한 기술지식을 얻어 1980년대 전반에 UHV 변전소의 실현 가능성을 밝혔다. UHV 기기 개발로 실적을 쌓은 고성능 피뢰기와 변압기의 복합 절연, 차단기의 차단점 수 저감 등에 관한 기술을 500㎸ 이하 계통에도 응용해 소형화와 비용 절감에 큰 성과를 올렸다. 실증 기기 사양과 개발｜<표 1>은 실증 기기의 기본사양을 나타낸 것이다. 그중 뇌 임펄스 시험 전압은 실측을 통해 UHV 송전 철탑의 서지 모델을 구축한 후 여러 회로 조건의 과전압 해석에서 파악한 과전압 레벨을 토대로 결정했다. 한편, 상용 주파 시험 전압은 기기의 수명 기간 중에 일선 지락이나 부하 차단 등으로 발생하는 과전압과 기기 절연 특성을 상세히 검토해 결정했다. 변압기는 일본 철도와 도로 수송의 엄격한 치수 제약에 따라 단상單相을 2분할 수송해 현지에서 결합하는 구조로 돼 있다. 또한, 절연 치수의 극소화를 실현하고자 해석 기술을 구사해 오일 틈새 세분화 등으로 내전압 성능을 높인 한편, 1/2상 분의 모델 기기를 제작해 전기적·기계적· 열적 성능 등 종합 검증 시험을 실시해 높은 신뢰성을 확인했다. 가스 절연 개폐 장치(GIS)는 UHV 계통 고유의 여러 가지 기술 과제를 극복하기 위해 차단기와 단로기에 500㎸에는 없는 새로운 방식을 적용했다. 또한, 송전선의 사고상 차단 후에 건전상에서 정전 유도로 계속되는 2차 아크 문제를 해결하고자 차단기의 재폐로 동작 기간에 고속으로 선로 양단에 접지를 투입·개방해 강제 소호하는 고속 접지 개폐기(HSGS)를 새롭게 개발했다. 게다가 전압 변성기에는 광 전압 센서를 이용한 방식을 채용하는 등 신기술을 도입했다. 그중 차단기는 개폐 서지 배수를 지락 서지 수준까지 억제할 목적으로 저항 투입·저항 차단 방식(500㎸까지는 저항 투입만)을 채용하는 한편, 저항 접점과 주 접점 간 확실한 동작 협조를 실현하기 위해 신뢰성이 높은 동기 폐로 기구와 유압 지연 장치를 개발했다. 차단기 구조는 가스류 해석 기술의 진보와 500㎸, 63㎄ 차단기 개발 실적 등으로 차단점 수가 2점인 UHV 차단기를 실용화해 크게 소형화했다. 단로기는 충전 전류 차단 과정에서 발생하는 급격한 서지(단로기 서지)를 억제하기 위해 저항체를 사이에 두고 충전 전하를 방전해 단로하는 저항 부착 단로기를 개발했다. 고속 접지 개폐기 개발 시 차단 책무를 상세히 평가한 결과, 사고 조건에 따라서는 전류 영점이 나타나지 않는 영점 추이 현상의 발생이 예견됐다. 이 과제에 대해 소호실에 축압 공간을 마련하고 차단 가능 시간 폭을 넓히는 대책을 강구했다. 산화 아연형 피뢰기는 실적을 쌓은 500㎸ 고성능 산화 아연 소자를 전기적으로 4병렬로 구성해 UHV 계통의 과전압 수준 억제에 효과적인 보호 특성을 실현했다. 가스 부싱은 실험 계획법을 이용하여 애관을 시험 제작 검증해 애관 하부 확대와 삿갓 형상 주름으로 애관 길이를 11.5m로 단축하는 한편, 금속 실드 방식을 채용해 내진 성능을 높이고 구조를 간소화했다. 특히 오손 내전압 시험에서는 실제 필드에서 얻은 염분 부착 특성의 관측 데이터를 토대로 높이 방향과 원둘레 방향의 불평등 오손까지 고려해 시험해 오손 내전압 성능을 한층 적확하게 파악하게 됐다. 
UHV 기술의 IEC 규격화 일본발 UHV 송전 기술이 어떻게 국제 표준화(IEC 규격화)의 길을 나아갔는지, 이제 그 내용을 살펴보려 한다. 이번 국제 표준화 활동을 시작하기 전에 UHV와 관련한 IEC 규격이 전혀 없었는가 하면 그렇지는 않다. 표준 전압 규격 중에는 30년 이상이나 전부터 당시 계획 단계에 있었던 1050㎸와 1200㎸가 실적이 없는 상태로 리스트에 있었다. 현재 IEC에서는 리스트의 규격 값 수를 늘이는 데 저항이 있어 우선 표준 전압으로 1050㎸ 대신 1100㎸를 넣고, 이어 시험 전압과 각 기기 규격에 실적이 있는 1100㎸와 관련한 규격 값을 추가하는 것을 목표로 삼았다. IEC에서 송배전 분야의 규격화 요소를 책임지는 SB1에 소속된 아시아 각국 위원들이 모여 2005년 11월 제1회 아시아 위원 회의를 열고 UHV 기술의 IEC 규격화를 논의했다. 아시아 위원 회의는 SB1의 아시아 위원이 9개월에 1번 주로 유럽에서 열리는 SB1 회의에 매번 출석할 수 없고, 또 한편으로 송배전 분야에서 중국 시장을 고려할 필요가 있다는 점에서 SB1 회의와 회의 사이에 아시아 위원만으로 열게 된 것이다. 처음에 소개한 NHK 방송에서는 반년 정도의 활동을 다뤘으나 실은 4년 이상이나 전부터 활동은 시작되고 있었다. 아시아 위원 회의에서 UHV 기술 규격화에 힘을 쏟아야 한다는 결론을 내리고, 2006년 2월 제네바의 IEC 본부에서 열린 SB1 회의에 의제로 제안해 SMB에‘UHV 규격화를 추진해야 한다’라는 권고를 결의했다. 이때만 하더라도 미국과 유럽을 비롯해 아시아 이외 나라는 UHV 기술 규격화에 관심이 적어 일절 반대도 없이 권고가 결의됐지 않았을까 싶다. 2006년 5월에 열린 SMB에서는 이 권고에 대해 심포지엄을 개최해‘시장의 요구’와‘기술의 성숙도’를 확인하는 일이 결정됐다. 이러한 SMB의 결정에 중국이 자국에서 심포지엄을 개최하고 싶다는 의사를 밝혔다. 이는 중국이 UHV 기술 규격화의 주도권을 쥐려는 의도를 표명한 것이라 할 수 있다. 일본에서도 일본의 UHV 기술을 국제 규격에 반영하기 위해 2006년 11월 전기학회 전기규격조사회(JEC) 내에 UHV 국제표준화위원회(위원장: 히다카 구니히코)를 설치해 일원적이면서 신속하게 대응할 수 있는 체제를 정비했다. 위원회는 심포지엄 프로그램의 골격을 작성하고 심포지엄 조직위원회에 제안해 일본기술을 최대한 알리는데 전력을 다했다. 2007년 7월 베이징에서 심포지엄이 열렸다. SB1은 그 다음 주 베이징에서 회의를 열어 심포지엄의 결과로‘규격화에 대한 시장의 요구가 크다는 점’과 ‘기술이 충분히 성숙 단계에 있다는 점’을 보고하는 한편, 규격화 추진을 위해 IEC와 CIGRE의 조정 그룹(JICCG, Joint IEC-CIGRE Coordination Group)이 필요하다고 권고했다. SMB는 같은 해 10월 회의에서 SB1의 권고를 승인했다. JICCG(IEC 측 의장 : 이케다 히사토시 씨)는 즉시 규격화를 위한 로드맵(<그림 3> 참조)을 책정하고 규격화해야 할 항목을 추출했다. 수평 규격이 되는 표준 전압은 TC8에서, 시험 전압은 TC28에서 개정 심의를 시작했다. 그 결과 표준 전압은 2008년 4월에, 시험 전압은 같은 해 10월에 각각 규격 원안(CDV)이 승인됐다. 그 후 규격 최종안(FDIS) 작성을 거쳐 가맹국의 투표가 이뤄지고 2009년 5월 22일에 표준 전압 규격(IEC 60038)이, 10월 30일에 시험 전압 규격(IEC 60071-1)이 승인되기에 이르렀다. 규격 안에는 표준 전압(<표 2> 참조)으로 일본발인 1100㎸가, 시험 전압(<표 3> 참조)으로 일본이 제안한 저감된 뇌 임펄스 내전압 값(LIWV), 1950㎸(변압기용)와 2250㎸(GIS용)가 기재됐다. 이처럼 짧은 기간에 IEC 규격화까지 추진할 수 있었던 배경에는 UHV 국제표준화위원회를 중심으로 상황을 적절히 판단하고 관계자가 분담해 여러 채널을 통해 일본 기술을 어필하고 아울러 각국 IEC 위원에게 적극적인 자세로 나선 견실한 노력이 있었기 때문이다. UHV 송전 기술의 국제 표준화를 향해 첫 큰 산을 뛰어넘었으며, 앞으로는 각 기기의 규격에 일본발 기술을 반영하는 것이 목표다. IEC 내 TC17(개폐 장치)에서는 CIGRE WG A 3.22 보고를 토대로 UHV용 교류 차단기 규격을 검토하고, 고속 접지 개폐기의 규격화를 위한 검토도 시작했다. 또한, TC14(변압기)에서는 UHV 절연 강도의 규격화를 위한 검토를 진행했으며, TC37(피뢰기)에서도 UHV 교류·직류 피뢰기 규격 검토를 시작했다.   중국과 인도에서 UHV 송전 기술 개발 중국은 최근 눈부신 경제 발전과 함께 전력 수요가 급증했다. 총 발전 설비 용량은 과거 5년 간 약 2배 증가했으며, 앞으로도 계속해서 급속도로 전원을 개발할 것으로 보인다. 전원 개발 지점은 석탄 산지인 북부·북서부와 수력 자원이 풍부한 남서부에 집중해 있으며, 전력 다소비 지역인 대도시가 동부 연안부에 있어 이를 연계하는 장거리·대규모 송전 네트워크 형성이 필수다. 일본의 UHV 송전선 건설 실적이 있는 도쿄전력㈜는 중국 국가전망공사에 2005년 10월부터 2006년 6월까지 화중 지역(산시성(山西겛)~후베이성(湖겗겛) 간)의 1100㎸ 송전선(1회선, 648㎞) 설계에 관한 기술 컨설팅을 전력중앙연구소와 공동으로 실시했다. 이 UHV 송전선 건설은 2006년 8월에 시작해 2009년 1월 운전을 개시했다. 이것이 세계 최초가 되는 UHV 송전 실운용이다. 한편, 인도도 경제 성장과 전력 수요 증가가 상당히 높아 2013년 내지 2014년 운전 개시를 목표로 한 UHV 송전 계획(1200㎸ 송전선, Raipur-Aurangabad 간 약 600㎞)을 발표했다. 또한, 1회선 및 2회선의 UHV 시험선(각1㎞)과 1200㎸/400㎸ 변압기의 실증 시험도 하려고 하고 있다. <표 4>는 중국과 인도에서 채용 중인 UHV 변전 기기의 사양을 일본과 비교한 것이다. 일본과 중국이 1100㎸, 인도가 1200㎸를 채용하고 있으며, 뇌 임펄스 내 전압 값(LIWV)에서 일본은 저감 값을 채용하고 있는 것이 특징이다. * 일본에서 태어나고 성장해 중국에서도 채용된 1100㎸ UHV 송전 기술에 대해 기술 면에서의 우수성과 함께, 이렇게 우수한 기술을 세계에 보급시키는 데 필수인 국제 표준화의 길을 간략히 소개했다. 국제 표준화를 위한 활동은 순수하게 기술을 토대로 한 활동과는 성질이 다른 부분도 있어 어떤 독자는 당혹감을 느낄지도 모르겠다. 국제 표준화에서는 각국의 평판이 복잡하게 얽혀 우수한 기술이라고 해서 꼭 그에 맞는 정당한 평가를 받는 것만은 아니다. 일본의 앞선 기술이 어떻게 세계에서 인정받고 또 인정받게 할지에 대해서 검토하는 일 역시 기술자의 몫이 된 것 같다. UHV 송전 기술의 국제 표준화 활동은 후반전인 기기 규격 논의로 이행했으며, 일본을 비롯한 아시아 주도의 논의에 미국과 유럽도 다소 경계감을 가지기 시작했다는 정보도 얻어들었다. UHV 국제표준화위원회를 중심으로 지금까지 해 온 연계 체제를 계속해 꼭 국제 표준화를 완성하고 싶다. 최근 각광 받는 스마트 그리드에 대해 중국은 UHV 송전 기술을 기반으로 한‘스트롱 스마트 그리드 구상’을 제창했다. 세계 표준이 된 UHV 송전 기술, 특히 일본 기술을 세계에서 어떻게 판로를 넓혀 나갈지 그 전략을 생각하는 것도 향후 과제가 될 것이다. <Energy News>
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