Embed Size (px)
Citation preview
Special Issues
30 | Journal of the Electric World |
➍
� 한�성�진�
동아대학교 교수
1 개 황
최근 지구의 기후변화는 인류생존의 문제와 직결되고 있다. 이에 따라 국제적
으로 환경규제가 강화되고 있으며, 모든 분야에서 환경오염 물질 사용의 지양 또
는 저감 등 환경 친화적인 노력이 이뤄지고 있다. 중전기기 분야도 예외 없이 전
세계적으로 2000년대 들어서면서 본격적으로 환경오염물질을 대체 또는 저감하
는 연구가 본격화됐다.
특히 중전기기에서 절연 및 차단 매질로 사용되고 있는 SF6 가스의 경우 지구
온난화 계수(GWP, global warming potential)가 CO2 가스의 2만3,900배에 달하
고 대기 중에 존재할 경우 3,200년을 존재하면서 지구환경에 영향을 미친다는 사
실은 이미 잘 알려져 있다. 또한, 러시아, 캐나다, 유럽북부 등 극한지역에서 절연
가스로 사용되는 SF6 가스가 영하 30~40℃ 부근에서 액화돼 대규모 사고를 유발
하는 원인으로도 작용하고 있다.
아울러 친환경 및 초고압기기에 대한 기술확보는 전력산업을 전통산업에서 미
래 성장산업으로 인식을 전환하는 기반인 동시에 향후 국가기반 경쟁력의 제고측
친환경 송변전용 디바이스 R&BD 개발 현황
| March | 31
+ 친환경 송변전용 디바이스 R&BD 개발 현황
면에서 상당히 중요한 사안이다. 하지만 국내 중전기
기 업계는 개발 전문인력 부족, 개발비용 부담, 시장의
불확실성 등의 사유로 독자적인 기술개발 추진에 어려
움을 겪고 있으며, 현재 선진국과의 기술수준도 50%
이상의 격차를 보이고 있다.
이러한 전력 및 중전기기 산업의 여건변화에 능동적
으로 대처하고, 이를 통해 국내 중전기기산업의 경쟁
력을 강화하기 위해서는 친환경적 초고압 핵심부품과
절연물에 대한 기술개발이 전력산업연구개발 사업의
필수적인 추진 연구 과제임에 분명하다.
이에 따라 친환경 송변전 디바이스 상용화 연구개
발 분야를 친환경 SF6 가스 저감 송배전 디바이스, 친
환경 HVDC용 디바이스, 친환경 신재생에너지 전송용
디바이스로 구분해 연구개발을 추진하게 됐다.
본 과제는 한국전기산업기술연구조합이 주관해 지
난 2010년 6월부터 2014년 8월(51개월)까지 총 123억
원의 사업비(정부출연금 67억 원)를 투입, 평일, LS전
선을 비롯한 7개 대·중소기업과 동아대학교, 한양대
학교 등 2개 대학, 한국전기연구원 등 출연연구원이
참여한 명실상부한 ‘친환경 전력기기 산·학·연 공동
R&BD 사업의 Milestone’으로 평가받고 있다.
2 동 향
가.�해외시장�현황�및�전망
세계 전력수요가 2000년 1만5,400TWh에서 2020
년 2만7,000TWh로 2배가 될 것으로 예상(IEA, UN,
WEO 2006)되고 있는 가운데, 세계 전기기기산업의
시장규모도 스마트그리드 및 친환경 전력기기, 디지털
중전기기를 중심으로 급성장이 예상된다.
특히 Chindia(China+India) 및 중동 지역이 인구증
가를 주도하고 있고, 비전화(非電化) 인구수도 10.4억
명에서 7.8억 명으로 2.6억 명 감소할 것으로 전망된
다. 이러한 자연증가 인구 및 전력화의 확대에 따라 총
25억 명 이상의 새로운 전력서비스 고객 증가가 예상
된다.
현재의 경우 세계적인 금융위기 영향으로 일시적인
투자지연이 발생되고 있으나, 기 설치된 노후 전력설
비기기의 교체시기 도래와 각국의 경기부양책에 따른
인프라 투자 추진으로 2030년까지 전력부문의 신규
투자규모는 발·송·변·배전에 약 11.3조 달러(1.13경
원, 발전부문 5,200조 원, 송전부문 1,800조 원, 배전
부문 4,300조 원)에 이를 것으로 전망된다.
특히 지구 온난화 문제로 인해 온실가스 배출을 최
소화하는 친환경 전력기기의 개발은 에너지 효율 향상
과 온실가스 감축을 위한 핵심기술이 될 것이며, 세계
선진국가 및 기업들은 SF6 가스 저감/대체 기술 연구
등 Green-tech에 막대한 R&D 예산을 투입하며 신시
장 출연에 대응하고 있다.
현재 SF6 가스가 사용되는 고압 스위치기어의 세
계적 개발 추세는 유럽의 SIEMENS, ABB 등이 콤
팩트화를 완성한 단계에 이르렀고, SF6에 대해서는
‘maintenance free’를 적용해 생산부터 폐기까지 철저
히 관리하는 시스템을 구축하고 있다.
특히 SF6 가스 대체가스를 이용한 기기 개발에 소극
적이었던 유럽의 경우 ABB가 2012년 9월 CIGRE에서
72.5kV CO2 가스차단기 개발완료를 전격 발표하고,
145kV CO2 가스차단기에 대해서도 이미 2010년부터
실증시험을 수행하고 있음을 발표하는 등 향후 친환경
중전기기의 폭발적인 수요 증가는 물론 산업구조도 변
경돼 갈 것이라는 점을 확인시켜 줬다.
아울러 2008년 일본은 당시까지 CF3I를 제조할 수
있는 칠레의 한 회사를 인수 합병하면서, 전 세계에서
CF3I를 제조할 수 있는 유일한 국가로 자리매김 했다.
일본은 CF3I를 사용해 전력기기를 개발할 경우 SF6를
대체한 친환경 전력기기로 전 세계를 독과점하겠다는
Special Issues
32 | Journal of the Electric World |
➍
야심찬 전략을 세우고 있다. 하지만 ABB가 CO2 가스
차단기를 개발 완료한 것으로 발표한 이상, 1980년대
CO2 차단기에 대해 선두주자로 연구를 했던 일본으로
서는 전략 및 정책 수정이 불가피해 보인다.
향후 스위치기어 산업구조는 72.5kV급 이하는 SF6
가스가 모두 대체될 것으로 전망되며, 72.5kV급 이상
의 스위치기어에 있어서는 SF6를 저감하거나 CO2가스
로 대체하는 연구 개발이 당분간 지속될 것으로 예측
된다.
HVDC 기술은 대용량 송전이 가능하고 송전손실
을 최소화 할 수 있어 장거리 송전 뿐 아니라 신재생에
너지와의 전력계통 연계에도 널리 활용되고 있는 미
래 핵심기술로 현재 9조 원에 달하는 세계시장 규모도
2019년이면 23조 원으로 확대될 것으로 전망된다.
특히 중국에서는 세계 최초로 800kV HVDC 라인
을 건설 중이며 폴리머 재질의 애자가 개발됐고, DC
환경에서의 평가를 위해 스웨덴의 STRI에서 8m가 넘
는 실제 크기의 폴리머애자를 오손 환경 하에서 섬
락 시험을 실시해 특성을 평가했으며, 중국의 유틸리
티는 500kV HVDC 선로의 자기 및 유리애자를 실리
콘 고무 애자로 교체해 섬락 성능을 크게 향상했다고
보고한 바 있다. 유럽 등에서는 DC 조건 하에서 폴리
머 애자 및 부싱에 대한 가속열화 시험이 실험실 챔버
(chamber) 및 옥외 조건 하에서 비교 평가되고 있으
며, IEC에서 DC 선로용 애자 선택의 가이드라인을 개
발하고 있다.
친환경 에너지원으로 각광받고 있는 풍력발전의 경
우 유럽과 미국을 중심으로 성장하고 있으며, 점차적
으로 중국, 인도를 중심으로 하는 아시아 지역으로 옮
겨가고 있는 추세이다. 2008년 117GW에서 2012년
240GW로 증가했고, 향후 4년간 2배 이상 급증할 것
으로 예상되며, 향후 지속적으로 확대돼 2030년까지
전 세계 에너지 공급의 약 5%를 담당할 것으로 전망된
다. 주요 풍력타워 제작 업체로서는 VESTAS가 1위를
유지하고 있으나, 2위 그룹인 GE, Gamesa, Enercon
의 경쟁이 치열한 상황이며, 전력간선으로 부스닥트
의 대체는 적용 대상(전체 시장의 20%)을 고려해 봤을
때, 2020년 1,000억 원 이상의 규모가 될 것으로 전망
된다.
나.�국내시장�현황�및�전망
국내 72.5kV~800kV 이하의 스위치기어 시장규모
는 약 4,000억 원 정도이며, 매년 3%대의 꾸준한 성
장세를 유지하고 있다. 하지만 환경 규제 강화에 따라
�� 그림�1 �The�World�Markets�and�Manufactures�of�HV�Switchgear(2008~2015년),�Goulden�Reports
| March | 33
+ 친환경 송변전용 디바이스 R&BD 개발 현황
SF6 가스 저감/대체 기술 등 친환경 기술개발을 통한
시장 확대 및 경쟁력 강화가 필요하다.
국내의 HVDC 기술은 변환기 및 케이블 등에 집중
돼 있으며, HVDC용 애자는 국내에서 전혀 개발되지
않고 있다. 특히 HVDC 500kV급 가공선로 절연애자
에 요구되는 성능 및 평가기준 등에 대한 연구는 크게
부족한 실정이다. 일례로 한전 전력연구원 주관으로
‘초고압 직류 가공선로 설계기술 및 핵심요소 기술개
발’ 과제가 2002년 9월부터 2009년 8월(72개월)까지
진행됐으나 여기에서 평가된 애자는 수입품인 자기애
자로 핵심 절연물인 폴리머 애자에 대한 내용은 적용
되지 않았다. 765kV HVAC 선로용 금구류는 세명전
기 및 제룡산업 등에서 국산 개발했으며, 국내에 기설
된 AC 765kV 선로에 국산품이 사용되고 있다.
HVDC 기술 개발을 집중 육성하기 위해 한전은 ±
250kV, ±500kV급의 기술개발을 동시에 추진해 국내
표�1 �XLPE�케이블�AC�내전압시험�기준(IEC)
구 분 2008년 시장규모 2015년 예상 시장규모
72.5kV 이하 470 580
72.5kV 초과 ~300kV 이하
효성 350 430
현대 320 390
LS산전 210 260
기타 150 180
300kV 이상 ~800kV 이하
효성 1,200 1,470
현대 900 1,100
LS산전 100 120
기타 - -
합 계 3,700 4,530
※국내 제작업체별 매출 및 담당자 직접조사(2008.7, 연평균 3% 성장률 반영).
표�2 �국내�SF6�저감친환경�245kV�스위치기어�시장�규모
구 분 2014년 2015년 2016년 2017년 2018년연평균
증가율(%)
공급생산 458,684 477,032 496,113 515,958 536,596 4
수입 - - - - - -
수요수출 458,684 477,032 496,113 515,958 536,596 4
내수 - - - - - -
※ 자료출처 및 산출근거：전기산업생산통계(통계청)
1) 국내 차단기의 총 생산 중 245kV급은 10%로 추정해 계산함
2) 245kV급 GIS는 내수용이 없고 모두 수출품임
3) 최근 5년간 해당기술이 적용된 제품들과 직접적으로 관련된 전망치만 제시
4) 공급(생산+수입) = 수요(수출+내수(국내시장))
(단위 : 억원)
(단위 : 천 달러)
Special Issues
34 | Journal of the Electric World |
➍
상용화를 조속히 앞당기고, 2020년경 선로건설이 예
정돼 있는 북경남~포천의 765kV AC 250km 선로를
HVDC 500kV로 변경하는 방법도 검토하고 있는 것으
로 알려지고 있다.
풍력발전은 선진국에 비해 많이 뒤쳐져 있는 상황이
며, 설치할 수 있는 단지의 여건이 상대적으로 다른 국
가에 비해 매우 협소해 시장 규모는 그리 크지 않은 상
황이다. 하지만 국내 풍력업체들이 생산하고 있는 타
워의 규모가 매우 빠른 속도로 성장하고 있으며, 향후
수출 및 수입 대체에도 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
국내의 주요 풍력타워 제작 업체는 유니슨, 효성, 두
산중공업, 삼성중공업, 현대중공업이며 각 발전용량
은 2~3MW가 주를 이루고 있다. 이 경우 변압기가 대
부분 하부에 위치해 있는 구조여서 전력전송 케이블을
부스닥트로 교체할 경우 상당한 효과를 나타낼 것으로
전망되며, 국내 시장규모는 2015년 120억 원, 2020년
400억 원 정도로 성장할 것으로 예상된다.
3 주요 기술 개발 내용
가.�SF6�저감친환경�245/29kV�스위치기어�
SF6 Free 29kV 스위치기어와 SF6 Free 29kV 옥외
용 CB 등 2개의 디바이스에 대해서는 3년 동안 설계·
제작, 기본특성시험, 상용화 제품 개발·개발시험 등을
통해 절연성능 및 공인인증 성능을 확보한 SF6 Free
29kV 20kA 스위치기어와 SF6 Free 29kV 옥외용 CB
를 각각 개발했다. 또한, SF6 저감형 245kV 스위치기
어와 SF6 저감형 245kV VT(Voltage Transformer) 등
2개의 디바이스의 경우 4년 동안 기본 설계·제작, 수
정 설계·제작, 기본특성시험, 상용화 제품 개발·공
인인증시험 수행 등을 통해 SF6 저감(50:50)형 245kV
40kA 스위치기어와 SF6 저감(50:50)형 245kV VT를
각각 개발했는데, 해당 연구개발을 통해 (공기, 가스,
고체)절연기술, 통전기술, 차단기술, 아크해석기술 등
의 핵심기술을 확보했다.
245kV SF6 저감형 스위치기어의 경우 성능확인시
험으로는 세계최초이며, 주요시험 항목인 SLF, BTF,
소전류, 고전압, 단시간전류등의 시험을 성공했다는
데 의의가 있다. 245kV SF6 저감형 VT는 국내 최초로
주요 공인시험을 성공했고, 29kV SF6 Free 스위치기
어의 경우 기존의 72.5kV 변전소의 1/20 크기로 대체
할 수 있었으며, 친환경과 가격경쟁력을 갖췄다. 특히
29kV SF6 Free CB는 친환경 제품으로서 중국시장 진
출을 앞두고 있다.
나.�HVDC�500kV급�가공절연�디바이스�
HVDC 500kV급 가공절연 디바이스 개발과 관련
해서는 ▲DC 절연물의 수명평가를 위한 기법 연구
표�3 �국내�HVDC�500kV급�가공절연�디바이스�시장�규모
구 분 2014년 2015년 2016년 2017년 2018년연평균
증가율(%)
공급생산 0 5,000 10,000 20,000 25,000 25
수입 0 0 0 0 0 0
수요수출 0 2,000 10,000 12,000 20
내수 0 1,000 8,000 10,000 13,000 30
※ 자료출처 및 산출근거：한전의 중장기 계획에 의거 산정
1) 2015년~2024년 국내 HVDC 건설 추정 예상 : 울진~포천 300km, 양양~포천 120km, 대북송전 400km, 한~러 계통연계 1,200km
(단위 : 천 달러)
| March | 35
+ 친환경 송변전용 디바이스 R&BD 개발 현황
및 방안 제시 ▲ESDD에 따른 Insulator의 오손 특성
및 아크 특성 연구 ▲코로나 발생을 최소화할 수 있
는 Grade Ring의 설계 및 적용 해석기술 확보 ▲DC
전계해석 기반 절연설계 및 해석/연구를 통한 HVDC
500kV급 폴리머애자에 대한 절연 설계기술 확보 ▲
HVDC 500kV 폴리머 애자 표준 사양서 제정 ▲고전
압 직류절연물에 대한 성능 및 신뢰성 평가기술 개발
에 따른 HVDC 500kV급 폴리머애자에 성능 및 신뢰
성시험 기술 확보 등 구체적인 연구개발을 진행했다.
이를 통해 ▲HVDC 500kV 가공선로 핵심절연 설계
및 평가기술 개발 ▲HVDC 500kV급 폴리머애자 국산
화 개발 ▲HVDC 500kV 폴리머애자 실선로 실증시험
그림�2 �SF6�저감형�245kV�스위치기어
그림�4 �SF6�Free�29kV�스위치기어 그림�5 �SF
6�Free�29kV�Circuit�Breaker
그림�3 �SF6�저감형�245kV�Voltage�Transformer
Special Issues
36 | Journal of the Electric World |
➍
수행 등의 최종 목표를 달성했다. 또한, 해당 연구개발
을 통해 절연설계 기술, 신뢰성 제품 제작 기술, 성능
평가 및 신뢰성평가 기술 등의 핵심기술을 확보했다.
이번 디바이스 개발의 경우 국내 최초로 국산화 개
발을 달성한 것은 물론 최근 미래기술로 각광받고 있
는 차세대 HVDC 가공송전을 위한 HVDC 500kV 폴
리머애자 설계·제작, 성능평가와 신뢰성평가 기술을
개발 완료함으로써 세계시장 진출이 가능해졌다는 데
그 의의가 있다.
다.�녹색에너지�전송�내진동형�전력전송�디바이스
풍력타워, 선박 등과 같이 동적인 하중을 받는 현장
에 포설을 위해서는 전기적인 안정성 확보 이외에 구
조적인 진동 내구성을 동시에 검증해야 한다. 따라서
이러한 구조·진동측면에서 효율적으로 내구를 검증
하는 방법을 도출하는 것이 중요하다. 이번 과제를 통
해 풍력타워에 본 부스닥트 시스템이 적용될 수 있도
록 해석을 통해 사전 구조·진동적 안정성을 확인했다.
또한, 실제 실증시험을 통해 장기내구를 포함한 구
조·진동 안정성 검증 등의 구체적인 연구개발을 통
해 ▲Seismic Zone 4/IACS E10 진동피로내구 확보
▲단락강도 설계 및 65kA/1sec 단락강도 확보 ▲열
전계해석을 통한 발열 최적설계 및 IEC 60439/60137
기준 만족 ▲저압 3.5kV/9.8kV 고압 50/125kV, IEC
60439/60137 기준 만족 ▲염수분무시험/Damp Heat
시험(선급기준) 통과 등의 최종 목표를 달성했다.
이번 연구개발을 통해 풍력타워용 저압 공기절연형/
고압용 SIB 파이프형 부스닥트에 대한 전기성능 및 내
진동성 장기 피로내구 등 핵심기술을 확보할 수 있었다.
해당 디바이스 개발의 경우 ▲내진형 풍력타워용 부
스닥트 Seismic Zone 1∼4 내진내구 확보 ▲선급피로
기준 IACS E10 기준에 의거한 피로내구 20년 이상 수
명 확보 ▲국내 최초 개발을 통한 선진 메이저사와의
경쟁력 확보 등 다양한 부분에서 의의를 찾을 수 있다.
그림�6 �HVDC�500kV�폴리머�애자
그림�8 �저압�공기절연형�부스닥트
그림�7 �HVDC�500kV�현수�및�내장애자�설치�전경
| March | 37
+ 친환경 송변전용 디바이스 R&BD 개발 현황
4 성과 및 기대 효과
SF6 저감형 245kV 스위치기어의 경우, 성능확인을
거친 세계 최초의 SF6/N2 혼합가스 차단기로서 극한
지역(러시아, 캐나다 등)의 시장진출이 예상되며, 특히
경쟁 유사기기(제품)가 없어 시장의 독점이 가능하다
는 분석이다. SF6 저감형 245kV VT는 수출용으로서
시장점유율 확대가 기대되고, SF6 Free 29kV 스위치
기어 및 CB의 경우 국내시장 및 신흥국의 철도변전소
의 시장 진입이 기대된다.
향후 국내에서 확대 건설예정인 HVDC 가공송전
선로에 개발된 HVDC 500kV급 폴리머 애자를 적용
할 경우 2024년까지 연간 200억 원 이상의 수입 대
체 효과가 기대되며, 세계적으로 경제성이 입증돼 확
대 적용이 예상되는 HVDC용 폴리머애자의 글로벌 시
장 진출 교두보로 마련했다고 할 수 있다. 특히 HVDC
500kV급 폴리머애자 기술을 활용, HVAC 765kV용
폴리머애자의 상용화 개발 추진 및 UHVDC 800kV급
폴리머 애자 개발로의 확대 적용도 가능할 것으로 보
인다.
아울러 녹색에너지 전송 내진동형 전력전송 디바이
스의 경우 고신뢰성의 풍력/선박/초고층형 부스닥트
개발을 계기로 해외시장에 적극 진입해 2015년까지 세
계시장 10%, 매출 4,000억 원을 달성할 것으로 기대
된다.
• 친환경 기반 송변전용 디바이스 상용화 기술 개발 과제 1, 2단계 기획보고서
• 친환경 기반 송변전용 디바이스 상용화 기술 개발 과제 단계 및 최종보고서
참고문헌
