전기연 이희웅박사팀
한국전기연구원(원장 권영한) 재료응용연구단 신소재응용연구그룹 이희웅 박사팀은 최근 과기부 국가지정연구실 사업으로 총13억원의 연구비를 지원받아, 연속 사용온도가 230℃로 높고 도전율이 61∼62%IACS에 달하는 고전도성 고내열성의 알루미늄 합금 전선재료를 순수 국내 기술로 개발했다고 17일 밝혔다.
이번에 이박사팀이 이 같은 고품질 알루미늄 합금전선재료를 개발함으로써, 앞으로 우리나라는 고압 송전시 발생하는 열에 의한 송전손실을 대폭 저감시킬 수 있게 됐다.
아울러 전선의 열화방지로 전선의 수명을 상당 기간 연장시켜, 국가 에너지 절약뿐만 아니라 자원의 절약에도 크게 기여 할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이번에 이박사팀이 개발한 알루미늄 합금 전선재는 연속사용온도는 230℃ 이상으로 특별내열 알루미늄 전선재와 동일한 성능을 가지고 있으면서도 도전율이 순수 알루미늄 합금과 비슷한 정도로 높은 재료라는 점에서, 고도전율과 고내열성을 동시에 해결한 고품질의 알루미늄 합금 전선재를 개발한 것은 대단한 의의가 있다.
우리나라에서 송전선재의 저항에 의한 저항열 등으로 발생하는 송전손실은 3% 정도로서, 연간 5∼6천억원에 달하는 에너지 비용이 손실되고 있는 것으로 조사되고 있다.
이희웅 박사팀은 도전성과 내열성을 동시에 증대시키기 위해서 내열성의 알루미늄-지르코늄 합금에 제3원소를 첨가하여 내열성을 결정하는 석출물을 균일하게 유지시키면서 성장조건을 적절히 제어해 1차적으로 재료의 도전율을 높이고 이렇게 만들어진 합금을 적절히 열처리하고 선재화함으로 고순도 알루미늄과 비슷한 도전율을 얻는데 성공했다.
이번 연구에서 고려된 제 3의 첨가원소는 저가여서 경제성을 확보할 수 있고, 상기에서 서술한 두 가지 인자를 동시에 향상시키거나, 공정을 단축함으로서 경제성을 확보할 가능성이 있는 원소로 조사된 재료이며, 연구 결과 희토류계로 구성된 미쉬메탈(misch metal : 이하 Mm)과 베릴륨(Be)이 최적의 성분으로 선택되었다.
이같은 연구와 평가를 통해 도전율 61.5%IACS 이상 연속사용온도 230℃급의 안정된 성능을 가진 송전선용 Al-Zr-Mm-Be계 초내열 고전도 알루미늄 전선 개발에 성공했다.
현재, 발전소에서 변전소를 통해 대도시나 대형 공장 등에 전기를 공급하는 송전 방법에는 철탑으로 연결하는 가공송전식과 지하에 매설된 케이블을 통하는 지중송전식이 있다.
지중송전용의 도체로는 전기전도성이 좋은 반면 무게가 무거운 구리 전선이 주로 사용되고 있으며 설치비용이 많이 소요되기 때문에 변전소 간의 송전이나, 대도시 주변, 관광지 등에 국한되어 시설하고 있으며 국내송전의 10% 정도를 담당하고 있다.
가공송전식은 국내 송전의 90% 정도를 담당하고 있으며 도체로는 도전율은 구리에 비해 낮지만 무게가 구리의 1/3 정도로 가벼운 알루미늄이 사용되고 있다.
합금이 첨가되지 않은 순수 알루미늄의 도전율은 62% 정도이지만 연하기 때문에 전선용으로 사용하기 위해서는 도전율의 저하를 감수하고서라도 소량의 합금원소를 첨가하여 강도를 높인다.
현재 국외에서 개발되어 사용하고 있는 내열 알루미늄 합금전선은 소량의 지르코늄을 첨가하여 알루미늄 전선의 내열성을 향상시킨 것으로 도전율은 58∼60%IACS이고, 내열성의 기준이 되는 연속사용온도는 150∼210℃ 정도이다.
고압송전용의 전선으로 특별히 내열성을 향상시킨 특별내열 알루미늄 합금전선은 연속사용온도는 230℃로 높지만 도전율은 58% 정도로 낮다.
산업이 발전하면서 늘어나는 전력수요에 대비하여 기술선진국들은 송전전압을 고압화하고 있으며, 고압송전시의 송전손실을 줄이기 위해서 알루미늄 합금전선재의 내열성을 증대시키는 연구를 비롯하여 많은 연구를 지속적으로 수행하고 있다.
99.65% 이상의 고순도 알루미늄 재료는 연질이고 연속사용온도가 90℃로 낮지만 도전율이 61∼62% 정도로 높기 때문에 전선재료로 많이 사용되어왔다.
그러나 전력의 사용이 증가하면서 송전전압이 점차 증가하게 되고(국내에서도 송전전압이 170kV급, 362kV, 800kV급으로 격상하였음) 이에 따라 전선의 내열온도도 높아져야 할 필요가 있어서 순금속 알루미늄 재료에 소량(0.2% 정도)의 지르코늄(Zr)이나 철, 실리콘 금속 등을 첨가하여 연속사용온도가 150∼210℃ 정도로 내열성을 증대시킨 내열 알루미늄 합금전선이 개발되었다. 그러나 내열 알루미늄 합금재는 순금속 재료에 제2, 제3의 합금원소를 첨가함에 따라 재료의 저항이 증가하여 도전율은 57∼60% 정도로 낮은 값을 나타낸다.
이석우기자 dolbi@epnews.co.kr