케이블 TOV(과도과전압) 해결, HVDC 건설사업 핵심과제 등장
유럽 등 시뮬레이션 실증시험통해 구축, 한국은 아직, 관심필요

전세계적으로 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 생산 및 수요 및 공급의 급증에 따른 장거리 직류 송전(HVDC) 건설은 케이블의 안정성을 위협하는 과도, 과전압인 TOV(Transient Over Voltage)의 문제가 핵심이슈로 급부상하고 있다.

이에 따라 TSO(유럽송전계통운영회사)는 TOV(과도과전압)파형에 대한 시뮬레이션을 실시 하는 등 케이블의 안전성 제고를 위해 총력을 경주하고 있는 것으로 알려졌다.

최근에는 TOV 시험을 네덜란드의 송전계통운영회사인 TenneT와 이태리 케이블 제작사인 프레즈미안이 협력, KEMA 만하임 시험소에서 성공적으로 시행한 것은 향후 생산되는 케이블의 안전성을 확보할 수 있는 교두보를 마련 했다는 평가를 얻고 있다.

전문가들은 “우리나라도 동해안-신가평 500kV HVDC(EP사업)을 비롯 동제주-완도 #3 HVDC 건설사업, 북당진-고덕 HVDC 사업 등이 앞으로 시행되거나 진행중인 사업에 있어   TOV(과도과전압)에 대한 관심이 있어야만 향후 HVDC 계통에 안전성을 확보하고 있다는 점”을 지적하고 있다.

특히 전문가들은 “국내업체들이 해외 HVDC케이블의 사업에 참여하려면 향후에는 반드시 TOV문제 해결이 필요하다는 점”을 강조한다.

TOV(과도과전압)에 대한 구체적인 실증시험 없이는 현재 탄소중립으로 건설이 늘어나고 있는 장거리 송전 케이블의 고장을 막기는 사실상 불가능 하다는 것이 정설이어서 발주처인 한전,케이블 관련업계의 보다 적극적인 노력과 투자가 선행되어야 할 것으로 보인다.

특별기고

윤형희 KEMA Labs 한국대표

525kV HVDC압출 케이블에 대한 최초의 TOV 시험 수행 성공 (KEMA 독일 만하임)

◆직류 송전시스템 급증과 함께 날로 증가하고 있는 장거리 직류송전케이블의 안정성을 위협하는 이상시 발생하는 과도 과전압(Transient Over Voltage)의 실체(실선로에 발생하는 위험전압의 크기 및 지속시간)를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 최초로 구현

최근에 독일 만하임 KEMA시험소에서 프레즈미안(Prysmian Group R&D)의 525kV HVDC 압출케이블에 대한 TOV(Transient Over Voltage) 시험을 최초로 성공하였다. 이로써 KEMA는 HVDC 케이블 시험분야에서 중요한 기술목표 중 하나를 달성하게 되었다.
기후변화에 따라 친환경에너지의 요구가 점차 증가하면서 풍력 및 태양광 등 신재생에너지의 확보에 전세계의 이목이 집중되고 있다. 이를 위하여 대규모 신재생에너지 단지에서 생산된 전력을 원거리 전력부하단에 공급하는 전력 프로젝트가 유럽을 중심으로 활발하다.
그러나 신재생에너지 입지가 대부분 전력수요지와 멀리 떨어져 있어서 장거리 송전이 불가피하게 되었다. 따라서 장거리 송전에서 효율이 우수한 HVDC 케이블이 각광을 받게 되었다. 이런 이유로 HVDC 송전에 대한 투자가 점차 늘어나면서 전력계통에서 HVDC 선로가 차지하는 비중도 날로 커지고 있다.
이와 같이 HVDC 케이블의 적용이 지속적으로 증가하면서 수명기간 중 내·외부 영향에도 잘 견디는 케이블의 요구가 증대 되었고 이를 검증하기 위한 실증시험에 사용자의 관심이 집중되고 있다. 특히 HVDC 케이블 운전중에 발생하는 고장이나 외부의 이상현상으로 인하여 발생하는 과도 과전압(TOV)이 케이블의 안정성을 위협하는 중요한 요인중에 하나임이 밝혀짐으로, 선로에서 발생할 수 있는 TOV 파형을 시뮬레이션하고 이 파형을 시험소에서 구현하는데 관심이 모아지기 시작했다.
이런 가운데 2018년 몇몇의 TSO(유럽송전계통운영회사)에서 최초로 TOV 파형에 대한 시뮬레이션을 시행하였고, 그 결과 국제시험규격인 IEC 나 CIGRE 규격의 TOV에 대한 시험 기준이 실제 DC 계통에서 발생하고 있는 TOV의 파형을 반영하지 못한다는 결론에 이르렀다.
특히 북해와 발트해의 풍력단지로부터 전력을 수송하는 몇몇 TSO들은 DC 케이블 지락, 극간 단락고장 또는 AC 측 고장 등으로 인해 파급되는 위험에 대하여 HVDC 케이블이 얼마나 견딜 수 있는지를 확인하기 위해 525kV HVDC 압출 케이블에 대한 TOV 전압 파형에 대한 시뮬레이션을 시행하였으며, 이를 통해 하나의 DC선로(one pole)에서 지락 고장시, 나머지 건전 DC 선로에서는 1.7p.u~2.0p.u의 과전압이 나타난다는 것을 밝혀내었다.

◆컴퓨터 시뮤레이션을 통하여 구현된 TOV 파형을 케마 만하임시험소에서 Pre-test 를 통하여 실증시험 가능성을 최초 확인

이후 일부 TSO에서는 이와 같이 시뮬레이션한 TOV 파형, 즉 충전케이블의 진동방전 (oscillating discharge)파형과 정극성, 부극성의 중첩과도과전압(superimposed transient overvoltage) 파형의 구현이 가능한지 KEMA 시험소에서 문의하였고, KEMA 에서는 이를 검토하기 시작했다.
그 결과 먼저 진동방전파형의 구현을 위해서 인덕터와 필요시 방전시간을 줄이기 위한 댐핑 저항이 필요하며, 중첩 과전압의 구현은 IEC 62895 및 IEC 60230에서 규정한 중첩 과전압 시험과 유사한 회로에 의하되, 다만 서로 다른 시간 파라메타에 의해 가능하다는 결론에 이르렀다.
이에 대하여 만하임 KEMA시험소에서의 구현 가능성을 평가한 결과 현 시험설비를 이용하여 진동방전파형은 구현할 수 있지만, 중첩과전압파형의 구현은 300kJ 의 임펄스 발생기를 사용할 경우 상당히 큰 용량의 댐핑저항과 방전저항이 필요하여 이 구현이 쉽지 않다는 결론에 도달하였다.
이는 이중 지수함수 파형 (a simple double-exponential waveshape)을 가지고 있는 파라메타들을 구현할 수가 없었다는 타 연구소의 발표와도 일치한다.
그러나 KEMA는 피시험체에 정방향의 임펄스전압을 인가하되 역방향으로 빨리 방전되는 것을 방지하는 정류기(rectifier)를 통하여 이를 해결하였다. 이를 위한 시뮬레이션을 실시하였고 시험소에서의 검증을 위하여 축소된 값으로 시험을 시행하였다.
이를 위하여 네델란드의 TSO인 TenneT 과 함께 독일 만하임 KEMA 시험소에서 이 두가지의 파형을 구현하기 위한 시험을 시작하였다. 당시에는 케이블 시료가 없었기 때문에 대신 대용량 시험용 커패시터를 부하로 사용하였다. 또한 충분한 용량의 고전압 정류기가 없으므로  셀레늄 정류기(Selenium rectifier)를 대신 사용하였다.
결과적으로 시험 프로그램의 결과는 매우 실현가능성이 높았고, 만하임 KEMA 시험소에서 이 요구되는 파형을 구현할 수 있었다(관련 내용은 2021년 Jicable 컨퍼런스에서 발표됨)

◆Full 사이즈 TOV 시험을 네델란드 송전계통운영회사인 TenneT과 케이블 제작사인 프레즈미안과 협력해 KEMA 만하임 시험소에서 금년 4월에 성공적으로 시행, 향후 생산되는 케이블의 안전성을 확보할수 있는 교두보 마련

이와 같은 컴퓨터 시뮬레이션과 사전 시험을 마친 후에 본 시험을 진행 하기로 결정하였고, 완벽한 시험구현을 위해 인덕터, 정류장치, 커플링 커패시터를 구입하여 시험설비를 보완하였고 동시에 프레즈미안에서 생산한 DC 케이블(케이블 loop + 2개의 중간접속함 + 2개의 종단접속함)이 시험선로로 이용 되었다.
최종적인 Full 사이즈 TOV 시험은 525kV HVDC 압출케이블을 이용하여 2022년 2월에서 4월 사이에 독일 만하임 KEMA시험소에서 프레즈미안과 협력하고 시험규격을 작성한 TenneT 의 입회하에 시행되었다. 이 시험결과로 규격에 제시된 모든 시험 파라메터들이 시험기간중에 모두 구현되었고 KEMA 시험소는 현재의 고전압시험소에서 이와 같이 특별한 TOV 파형을 기술적으로 구현할 수 있음을 증명하였다.
주) 기존의 KEMA 시험소가 2020년 1월 1일 부로 CESI 그룹에 흡수되므로서 당시 CESI 그룹이 보유하고 있던 시험소와 기존의 KEMA 시험소가 합하여져서 현재는 KEMA Labs 으로 통칭되고 있다. 이들 주요 KEMA Labs은 CESI 그룹의 본사가 위치한 이태리 Milan, 미국 Chalfont, 네델란드 Arnhem, 독일 Berlin과 Manheim, 체코 Prague에 위치하고 있으며, 각 시험소 마다 특화된 시험을 시행하고 있다.