[에너지데일리 송병훈 기자] 한국전력 전력연구원은 1961년 출범한 한국전력 전기시험소가 그 모태로, 1993년 대덕연구단지에 둥지를 튼 한전의 기업부설연구소다. 그동안 전력공급 안정화를 위해 광역 전력계통 실시간 해석기술, 지중케이블 시험기술, 한국형 배전자동화시스템(DAS) 기술 등을 개발하며, 그 존재가치를 입증했다. 우리나라가 세계으로 자랑하는 최고 수준의 전기품질을 만드는데 크게 기여함은 물론이다.
또한 4차 산업혁명 등 미래 에너지 전환 시대를 대비한 마이크로그리드(MG) 및 주파수 조정용 에너지저장장치(ESS) 기술, 이산화탄소 포집 기술, 해상풍력단지 계통연계 기술개발 등 급변하는 기술환경 변화에도 선제적으로 대응하고 있다는 평가다.
특히 전력산업은 제4차 산업혁명과 에너지 전환이라는 큰 흐름으로 그 어느 때보다 큰 변화를 겪을 것으로 예상되고 있다.
본지는 창간 21주년을 맞아 전력연구원이 개발중인 주요 신기술 3개를 지면에 담았다.

▲ 차세대 변압기 점검기술

기술발달에 따라 전력설비의 규모는 계속 증가하고 설비 간 네트워크도 복잡해지고 있다. 최근 4차 산업혁명에 따른 디지털기기의 확대는 더욱 가속화되고 있고, 안정적인 전력공급의 중요성은 더욱 늘어나고 있다. 하지만 노후화된 전력설비가 증가하면서 정전사고에 의한 경제적 손실은 갈수록 늘어날 전망이다.

특히 정전고장의 원인 중 변압기가 차지하는 비율은 절반 이상을 차지하고 있어 변압기의 상태를 주기적으로 감시하는 것이 고장 및 사고 예방을 위해 매우 중요하다. 그러나 변전설비 종합예방진단시스템을 구성하는 대부분 진단 장비가 수입에 의존하고 있으며, 높은 가격, 부품수급 및 유지보수가 어려운 상황이다.

변압기나 OLTC(on load tab changer, 변압기 부하 시 탭 전환기) 등의 기기 내부에 국부과열이나 절연파괴와 같은 이상현상이 발생하면, 고열로 인해 내부의 절연유, 절연지, 프레스보드 등의 액상 및 고상 절연재료들은 온도 대역별로 열분해돼 다양한 가스를 발생시킨다. 이러한 가스 대부분은 절연유 속에 그대로 용해되므로, 절연유 내 가스의 양과 조성을 분석함으로써 변압기 내부의 이상 유무, 종류 및 위험 수준의 추정이 가능하다.

이처럼 절연유 용존가스의 조성과 양을 검지해 변압기 내부의 이상상태를 진단하는 방법을 유중가스 분석법이라고 한다. 이 외에도 부분방전, OLTC 진단 등 여러 가지 변압기 상태진단 기술이 있지만, 유중가스 분석이 가장 오래되고 신뢰성이 입증된 기술로 인정받고 있다.

한전 전력연구원은 2019년부터 기존에 사용하던 고가의 정밀 분석기기 기반 변압기 유중가스 분석기를 저비용으로 대체, 반도체식 가스센서를 이용한 경제적이고 신뢰도가 높은 유중가스 분석시스템을 개발하고 있다.

이를 위해 변압기 상태감시 추정에 가장 중요하다고 판단되는 핵심가스, 즉 수소, 아세틸렌, 일산화탄소의 3종 가스를 대상으로 10ppm 수준의 극미량 가스농도까지 측정이 가능한 센서를 개발하고, 이를 변압기 내부로 직접 장입이 가능한 프로브 형태로 제작하여 절연유 내 발생한 유중가스 종류 및 농도를 신속·정확하게 감시할 수 있는 기술을 개발할 예정이다.

특히 고감도 가스센서는 변압기의 상태감시에만 적용되는 것이 아니라 발생 가스 및 온도, 압력 등 작동 환경이 비슷한 다양한 산업에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 도서지역 직류배전 시스템

태양광과 수소연료전지는 직류 전기를 생산한다. 대부분의 디지털 장비도 직류를 사용한다. 당장 손에 있는 핸드폰도 직류를 사용하는 디지털기기다. 2022년까지 국내 43만대가 보급될 전기차에 들어가는 리튬이온 배터리도 직류를 사용한다.

직류배전이란 직류기반의 배전시스템을 구성하고 이를 통해 직류부하에 직접 직류전원을 공급하는 동시에 신재생발전과의 연계 및 효율성을 높이는 기술이다. 즉, 배전시스템에서 교류에서 직류로 변경해 직류부하에 공급하는 전력변환 단계를 줄이고, 분산전원의 직류출력을 직류부하인 디지털 부하와 직접 연계함으로써, 에너지효율을 높이는 것이 직류배전의 목적이다.

직류배전의 연구는 IDC(Internet Data Center, 인터넷 데이터센터)에서 시작됐다. IDC는 인터넷 사업에 필수적인 설비, 시스템 및 서비스를 제공하는 곳으로써 지식기반 사회의 핵심이라고 할 수 있다. IDC는 수많은 서버 장비뿐만 아니라 안정성 및 신뢰성 보장을 위한 2중 전원시설, 냉각장비, 항온·항습을 위한 공조시설 등이 가동되고 있기 때문에 많은 전력이 소비하고 있다.

미국의 로렌스버클리 국립연구소에서는 IDC의 전력효율 향상을 위해 380V 직류배전시스템으로 10~15% 효율을 향상시키는 실험을 실시했고, 일본의 NTT의 경우, DC배전 적용을 통해 IDC의 소비전력을 14~17% 절감한데 이어 현재까지 지속적으로 인터넷 데이터 센터의 직류배전을 연구해오고 있다.

한전은 직류배전망의 운영기술을 확보하기 위해 2018년 진도군 예하 서거차도에 ‘DC Island’를 구축했다. 6.6kV의 기존 교류(AC) 배전선로 대신 1500V(±750V)의 직류 배전선로를 구축했다. 신재생 전원을 직류로 배전선로와 연계하며 가정 등 수용가에도 직류전원을 공급하는 방식이다. 신재생 에너지원의 계통연계 손실을 줄일 뿐만 아니라 미래 출현이 예상되는 직류수용가에 대한 직류전력 공급 검증도 가능하다. 

이를 위해 서거차도에 200kW의 태양광발전, 100kW의 풍력발전기, 1.5MWh 용량의 에너지저장장치를 구축하고, 전기 카트용 직류 전기 충전기, 직류 가로등 및 직류 가전제품을 지역 내 수용가에 보급했으며, 에너지효율을 10% 이상 향상시켰다. 서거차도 직류 배전망 실증시험 및 표준화가 완료되면 직류 배전 사업에 관심을 가지고 있는 유럽, 인도, 중국 및 아프리카 등을 대상으로 국내 기업들의 해외사업 수주 및 기술이전이 더욱 탄력을 받을 것으로 예상된다.

▲ 가스터빈 동압센서 기술

내연기관은 연료와 공기의 연소반응을 통해 에너지를 얻는다. 연소현상은 높은 연소효율 확보와 기계부의 손상을 예방하기 위해 연소공간의 배기가스성분과 압력변동을 계측하며 운영되고 있다. 특히 발전용 가스터빈의 경우 연소공간이 고온·고압 상태이며, 공간 내부에서 적절히 혼합된 연료와 공기가 연소반응을 일으킨다.

발전용 가스터빈의 경우 운전에 따른 소음과 겉을 둘러싸고 있는 보온재로 인해 연소파트를 담당하는 연소기의 연소현상을 외부에서 관찰하기에는 현실적으로 불가능하다. 이를 극복하기 위해 가스터빈 연소기에 동압센서 계측 장비를 설치하여 연소기의 연소동압을 계측한다. 동압센서의 주요 구성인자는 멤브레인과 압전소자를 들 수 있다. 멤브레인은 사람의 고막과 같이 매질의 진동에 의해 흔들리는 얇은 철판의 역할을 하며, 압전소자는 고막의 진동을 최종단의 청신경으로 전달하는 달팽이관의 역할을 담당한다.

동압센서의 경우 연소현상을 분석하는 최적의 계측장비로, 현재 국내에서 발전용으로 운용 중인 약 200여 개의 가스터빈에는 1기당 많게는 20개의 동압센서가 사용되고 있다. 그러나, 안정적인 가스터빈 운영을 위해 8~10년 마다 계획예방정비 기간에 동압센서 전량이 단순교체되고 있다. 동압센서는 1개당 많게는 약 3500만원에 달하는 고가의 계측장비로 분류되며, 발전용 가스터빈 1기의 유지보수 비용으로 연간 많게는 9000만원에 달하는 비용이 기본적으로 소진되고 있는 상황이다.

한전 전력연구원은 사용 중인 동압센서의 성능을 평가하여 교체여부를 정량적인 지표를 활용해 파악하고, 성능평가장치 개발에 관한 연구를 수행하고 있다. 평가장치는 2020년 울산복합화력(한국동서발전), 평택복합화력(한국서부발전), 서울복합화력(한국중부발전) 현장에 적용하는 것을 목표하고 있다.

동압센서 성능평가장치의 작동원리는 제2차 표준기를 기반으로 하며 첫째, 신·구품 동압센서와 연결된 튜브관 내부를 최대 2MPa로 가압을 한다. 둘째, 가압된 튜브관 내부에 동일한 유체를 분사해 압력파를 생성하고, 압력파가 튜브관을 따라 이동함과 동시에 신·구품 동압센서로 압력파를 계측한다. 계측된 압력신호를 비교 분석, 제작사로부터 검수받은 신품대비 구품의 성능을 평가한다. 그리고 신품 대비 성능지표의 편차가 일정 기준을 벗어나면 해당 구품 동압센서를 비정상으로 파악, 동압센서의 교체를 사용자에게 권고한다.

개발 중인 동압센서 성능평가장치는 현장적용을 통해 계획예방정비 기간 동안 사용 중인 동압센서의 성능을 신속하게 평가할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그 결과 동압센서의 오작동에 따른 가스터빈 연소기 연소현상의 왜곡된 분석과 연소기의 기계적 손상을 예방할 수 있어 궁극적으로 연소기 손상방지와 선택적 동압센서 교체를 통해 발전용 가스터빈의 유지관리 비용을 절감할 수 있을 것이라는 전망이다. 또한 동압센서 종류에 따라 설치부 설계만 변경하면 모든 동압센서에 호환이 가능하기 때문에, 동압센서를 장착해 운용 중에 있는 모든 국내 가스터빈 발전소에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.
 

송병훈 기자 다른기사 보기