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[차세대 고온초전도 선재를 이용한 전력기기의 응용 ②]
초전도 변압기의 개발
전 세계적으로 신재생에너지의 대량도입 및 차세대 전력계통에 관한 연구가 진행되고 있는 가운데 사회적 기반으로서 효율적이고 안정적인 전력공급시스템을 실현시키는 송변전기술이 강하게 요구되고 있다. 초전도 기술은 △고속제어성 △소형화 △고효율성 등 전력계통에 이바지하는 기술로 각광을 받고 있어 국내외에서 활발하게 개발이 진행되고 있다. 변압기는 고전류 밀도, 저교류손실의 초전도 선재를 적용하면 한층 고성능화를 도모할 수 있는데 특히, Y계 초전도 선재는 임계전류가 크고 선재의 세선(細線) 가공에 의한 교류손실 저감 및 한류기능 구비에 따른 저코스트화를 도모할 수 있기 때문에 향후 Y계 초전도 변압기의 조기 실용화가 기대되고 있다. 본고에서는 NEDO의 「이트륨계 초전도 전력기기 기술개발」 프로젝트에서 20MVA급 실용 초전도 변압기의 실현을 목표로 한, Y계 초전도 변압기로는 세계 최대급인 66kV/6kV-2MVA 변압기의 개발 및 한류기능 부가기술의 개발성과에 대해 정리했다. 정리 편집부
본 개발은 규슈전력 주관하 규슈대학, 이와테대학, 국제 초전도 산업기술 연구센터(ISTEC), 후지쿠라, 쇼와전선 케이블시스템, 후지전기, 대양일산(타이요닛산), 파인 세라믹 센터(JFCC)와 공동으로 진행됐다.
초전도 변압기의 요소기술 개발 Y계 초전도 변압기의 특징을 [그림 1]에 나타냈다. 20MVA급 초전도 변압기에 필요한 요소기술로는 ①초전도 변압기의 대응 선재 ②권선 ③냉각 시스템 ④변압기 시스템 ⑤한류기능 부가기술 등이 있으며, 그 기술체계를 [그림 2]에 나타냈다. 초전도 변압기의 교류손실 저감에는 Y계 선재의 세선가공이 필수불가결하다. 그 세선가공의 흐름을 [그림 3]에 나타냈다.    YAG 레이저 스크라이빙 기술 및 Reel to Reel 방식의 에칭기술 등에 의해 장척 선재의 3분할 기술(5mm폭, 선재 길이 100~300m)을 개발했다. 다음으로 권선 관련 기술로서 △저손실화 △내단락강도 △내전압 △대전류화 기술 등을 개발할 필요가 있는데 이 중 본고에서는 내단락강도와 대전류화 기술에 대해 설명한다. 내단락강도의 기술 개발에서는 일반적으로 채용되고 있는 배전용 변압기 66kV/6.9kV-20MVA의 %임피던스 7.5%(10MVA 기준)를 고려하여 변압기 권선의 단락전류가 정격전류의 약 6.7배(1166A)가 되는 400kVA 단락 모델 변압기를 시험 제작했다.([그림 4] 참조) 이 모델은 단락전류 1040A(정격전류 174A의 6.0배)로 양호한 상태임을 확인했다.([그림 5] 참조) 또 단락시험 전후의 변압기 권선 임피던스에 변화가 없어 각 권선이 건전한 상태라는 것도 확인했다. 이어 20MVA 변압기 2차권선(정격 1673A)에 필요한 대전류 권선의 기술 개발에서는 24개 병렬(12×2병렬) Y계 선재의 소선을 전위시켜 전류분류의 균일화를 도모한 권선모델(167A/2000A)로 검증을 실시했다. 2075A에서의 소선 간 전류분류의 시험결과를 [그림 6]에 나타냈다. 전류분류율은 ±10% 이내(90.1%~109.0%)로, 양호한 결과를 확인할 수 있었다. 또한, 한류기능 부가기술의 개발 차원에서 6.9kV/2.3kV-400kVA 변압기 모델을 시험 제작했다. 한류기능은 전력계통과의 보호협조를 위해 단락전류를 정격전류의 약 3배 정도로 억제할 필요가 있다. 한류기능은 변압기의 초전도 권선을 보호하는 데 유효하다. 단락시험 결과(해석결과 포함)를 [그림 7]에 나타냈다. 이를 통해 단락전류를 정격의 3배로 억제시킨 양호한 동작을 확인할 수 있었다.   
초전도 변압기 시스템의 개발
2MVA 변압기 시스템 개발20MVA급 초전도 변압기의 실현을 목표로 실제기기, 전압, 권선구성 등이 동등한 최소용량의 2MVA 변압기와 냉각시스템을 조합한 2MVA 변압기 시스템을 개발했다. 그 외관을 [그림 8]에 나타냈다. 이 모델로 JEC2200- 1995 변압기에 준거한 변압기의 기본성능(단락 임피던스, 손실 등) 및 절연성능(교류 내전압, 뇌임펄스 내전압 등) 시험을 실시했다. 또한, 직류 I-V 특성 및 열적 성능(열침입량, 냉각특성 등) 시험을 실시했다. 그 결과는 모두 양호했다. 
실용 20MVA 변압기의 설계 검토
전술의 기술개발 성과를 반영하여 실용 20MVA 변압기를 설계했다. 이를 유입변압기와 비교하여 [표 1]로 나타냈다. 손실은 COP가 0.06@80K의 냉각동력을 감안해도 유입변압기의 46%에서 냉각시스템을 포함한 중량 및 설치면적이 약 절반으로 감소해 기존의 변압기보다 효과적인 특징을 가지는 것으로 확인됐다. 변압기는 한류기능을 부가함으로써 단락 대책을 마련하고 변압기의 %임피던스를 저감할 수 있는데, 이 한류기능을 부가하여 %임피던스를 2/3로 저감한 변압기와 한류기능이 없는 변압기를 비교하여 [표 2]에 나타냈다. 이 기능에 의해 변압기의 고성능화뿐만 아니라, 선재 길이가 7% 축소됨에 따라 비용절감도 가능해졌다.참고로 전 세계 고온 초전도 변압기의 개발현황을 [그림 9]에 나타냈다. 각국에서 격전을 벌이며 개발이 진행되고 있는데 그 중에서도 본 프로젝트는 그 기술개발의 최전선에 서 있다.  
초전도 변압기의 적용성초전도 변압기의 적용 예를 [그림 10]에 나타냈다. 초전도 변압기에는 전원용에서부터 계통용, 배전용, 산업용, 그리고 수송용까지 다양한 용도가 있다. 이러한 변압기에 초전도화 및 한류기능을 부가함으로써 △소형화 △고효율 △단락대책 등의 효과를 기대할 수 있다.  <Energy News>
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