[눈높이 기술] 직류 전력망 보호 솔루션
전 세계가 온실가스 감축을 위해 다양한 계획을 수립 중입니다. 우리나라 정부도 석탄 발전을 줄이고 재생 에너지 발전량 비중을 2030년까지 20%로 확대하겠다는 목표를 밝힌 바 있죠. 그런데 재생 에너지 산업의 성장을 위해선 반드시 갖춰야 할 조건이 있습니다. 바로 직류 송·배전 인프라입니다. 최근 LS ELECTRIC이 직류 전력망 보호를 위해 세계 최초로 ‘DC 1500V급 기중차단기’를 개발했는데요. 배전Solution연구단 고압연구팀 이규호 매니저가 기중차단기의 역할과 직류 송·배전망의 필요성에 관해 설명해드립니다.
1. 기초 학습
DC 1500V급 기중차단기란?
기중차단기란 사고 전류를 감지해 공기를 매질로 선로를 차단하는 선로 보호장치예요.
LS ELECTRIC이 세계 최초로 DC 1500V급 기중차단기를 상용화했습니다. 이로써 고압연구팀 박우진 팀장은 국가 전력 산업 발전에 기여한 공로를 인정받아 과학기술정보통신부 주관 ‘대한민국 엔지니어상’을 수상하기도 했는데요. 기중차단기란 선로 보호장치의 일종으로, 사고 전류를 감지해 선로를 차단하는 역할을 합니다. 이때 선로 차단 매질로 공기가 쓰여 기중차단기라는 이름이 붙었죠.
이번에 개발한 기중차단기는 직류 전력 계통 차단기인데요. 이 차단기의 정격 전압에 주목할 필요가 있습니다. 지금까지 직류용 기중차단기의 최대 정격 전압은 1000V였어요. 그런데 LS ELECTRIC이 보다 높은 정격 전압인 1500V의 기중차단기를 세계 최초로 상용화한 것이죠!
1000V에서 1500V로의 직류 승압에는 고도의 기술력이 필요합니다. 직류의 특성상 전압이 높을수록 사고 전류를 정상적으로 차단하고 계통 선로를 건전하게 유지하는 ‘절연 회복’이 어렵기 때문이죠. 이러한 한계를 극복하기 위해 기중차단기의 일부 부품을 직류 전용으로 개발했습니다. 보통 직류용 기중차단기는 교류용 차단기를 기반으로 만들어지는데, 일부 부품을 직류 전력망에 적합하게 새로 개발한 것이죠.
잠깐 개념 정리! 직류의 차단이 어려운 이유
직류와 교류는 전류 차단과 통전에 큰 차이가 있습니다. 직류는 교류에 비해 사고 전류 차단이 어렵다는 점이 바로 그것인데요. 왜 직류는 사고 전류 차단이 어려운 걸까요? 가장 본질적인 원인은 전류 '0'점의 유무에 있습니다. 교류는 일정 주기를 갖고 전류의 '0'점, 즉 전류가 '0'이 되는 지점을 지나기 때문에 차단이 보다 수월합니다.
반면 직류는 전류 '0'점을 지나는 주기가 없기 때문에 차단 시 강제로 전류를 '0'점에 도달하도록 만들어야 합니다. 따라서 직류는 교류 대비 전압이 높을수록 차단 성능을 확보하는 데 큰 어려움이 있습니다. 이는 그동안 직류 전력 보급이 기피된 이유이기도 한데요. 직류의 보급을 위해선 이러한 한계를 극복할 기술이 더욱 중요해지겠죠?
2. 궁금해요
왜 더 높은 전압의 직류용 기중차단기를
개발한 것일까요?
재생 에너지의 성장으로 직류 송·배전망이 점차 확대되고 있어요.
직류는 그 특성상 승압이 어렵다고 말씀드렸죠? 그렇다면 그 어려운 조건에도 불구하고 직류용 기중차단기의 정격 전압을 높인 이유는 무엇일까요? 에너지 전환이라는 전 세계적 흐름에 따라 태양광 에너지, ESS 시스템 등의 재생 에너지의 수요가 높아지고 있는데요. 이들은 모두 직류 전기를 생산하거나 저장한다는 사실, 알고 계실 거예요. 그런데 용량이 증가한 전류를 송·배전하기 위해선 송전 선로나 관련 판넬의 도체부를 키워야 하는 경제적 부담이 발생합니다. 이때 전류 용량은 유지하고 전압을 높임으로써 경제성을 확보하는 것이죠.
점차 증가하는 재생 에너지의 수요를 감당하려면 직류 관련 기술력이 절실한 상황입니다. 그동안 전 세계는 석탄, 가스 발전 등으로 생산되는 교류 전기에 의존해왔고, 이로 인해 전력망 역시 교류 중심으로 구축되었는데요. 재생 에너지의 성장을 뒷받침하려면 직류 송·배전망을 새롭게 구축해야 하는 상황인 것이죠. 이 때문에 직류 관련 제품을 세계 최초로 개발한 것은 의미가 큽니다. 단순히 제품을 개발한 것이 아니라 직류 전력망 인프라의 기반을 닦은 셈이니까요!
3. 핵심 정리
재생 에너지의 발전 용량이 증가했다는 것은 그만큼 사고 전류의 위험성이 커졌음을 의미해요. 직류 전력망을 보호할 솔루션이 시급한 만큼, DC 1500V급 기중차단기의 역할이 기대되는데요. DC 1500V급 기중차단기 핵심 성능을 살펴볼까요?
차단기에 있어선 최대 단시간 전류 용량이 중요해요. 최대 단시간 전류 용량이란 선로에서 사고 전류가 발생할 경우 차단기가 전류를 차단하지 않고, 전기적·기계적 강도를 충분히 유지하며 통전할 수 있는 능력을 의미합니다. 저압 직류 배전용(LVDC) 차단기인 DC 1500V급 기중차단기는 65kA의 사고 전류가 발생하더라도 전류 차단 없이 1초 동안 버틸 수 있을 만큼 통전 능력이 우수해요. 이외에도 전류, 전압, 전력을 측정하는 계측 기능을 내장해 선로를 보다 적극적으로 보호할 수 있답니다.
이것만 기억하세요!
DC 1500V급 기중차단기 특장점
1.최대 단시간 용량 65kA/1sec (기중개폐기 최대 단시간 용량 100kA/1sec)
2.직류 전용 계측 및 계전 기능 탑재
3.자기 진단 및 사고파형 저장 가능
4.기존 기중차단기와 호환 가능
4. 더 알기
해외 직류 차단기 시장으로 진출 예정!
오랜 시간 교류 전력망에 밀려나 있다가 재생 에너지로 인해 다시금 주목받고 있는 직류 전력망. 정부 역시 재생 에너지 산업에 대규모 투자 계획을 밝힌 만큼 관련 시장은 더욱 커질 전망이에요. DC 1500V급 기중차단기의 적용 범위도 그만큼 넓어지겠죠?
그렇다면 DC 1500V급 기중차단기는 구체적으로 어떤 영역에 적용될 수 있을까요? 직류 배전망에는 모두 활용될 수 있다고 보시면 돼요. 특히 까다롭기로 유명한 미국의 안전 기준인 UL인증규격 중 DC 1500V 4000A급에서 UL 489B 규격과 UL 489F 규격을 세계 최초로 동시 인증했기 때문에 해외 직류 차단기 시장으로도 빠르게 진출할 예정입니다!
