국가의 산업이 발달되고 복잡화되면서 사용되는 전기설비의 부하규모가 증가함에 따라 국내의 전력수요는 매년 평균 4% 정도로 꾸준히 증가하고 있다. 따라서 증가하는 부하를 충족시키기 위하여 안정적인 전력 공급을 위한 송배전설비의 합리적인 신증설이 중요한 문제로 대두되고 있다. 이에 국내를 포함한 세계 여러 나라의 전력회사와 제작자들은 신규 기술을 통한 획기적으로 안정적인 전력공급이 가능한 친환경 고효율 전력기기를 개발하고자 적극 노력하고 있다. 특히 전력계통에서 최근 송전효율과 제어성을 높이고자 HVDC 기술 적용이 적극적으로 검토되고 있다. 또한 안정적인 성능의 고온 초전도 선재를 초전도 전력케이블에 대한 상용화 노력이 진행되면서, AC 고온 초전도 전력케이블에 비해 낮은 손실(ACAC 손실 무), 조밀한 구조, 대용량의 장점을 가지고 있는 DC 고온 초전도 전력케이블에 관심이 집중되면서 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 해외에서는 일본 중부대학과 스미모토전기의 , 중국 IEE CAS (IEE CAS: Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences), 미국 Tres Amigas 프로젝트와 CAPS(CAPS: Center for Advanced Power Systems in Florida University), 국내에서는 80 kV / 500 MW의 용량을 갖는 DC 고온 초전도 전력케이블 실계통 적용 실증 프로젝트가 대표적인 예이다. 또한, 미국 일본 등의 초전도 기술 선진국들에서는 대용량, 장거리, 저손실 송전의 장점을 갖는 HVDC 초전도 전력 케이블 기술을 대륙간, 국가간 DC 송전망 구축에 적용하기 위한 계획들을 구상 중에 있으며, 대표적인 계획으로 미국의 ‘Integrated Grid'', 일본의 GENESIS, 중국의 ‘GEI (Global Energy Interconnection)’ 등이 있다.
최근 DC 고온 초전도 전력케이블 특성은 적은 손실, 조밀한 구조, 대용량 등으로 환경 친화적 케이블로써 무손실 도체로써 조밀한 구조가 가능하여 저전압 대전류에서 고전압 대전류의 대용량까지 응용이 가능하게 되었으며, AC 고온 초전도 전력케이블보다 송전용량이 약 5배가 가능하다. 그리고 또한 통전 손실이 없어 냉각거리를 최대로 길게 할 수 있는 장점이 있기 때문에 에너지 절약 효과가 큰 환경 친화적인 케이블로써 손실이 전혀 발생하지 않는 DC 고온 초전도 전력케이블에 대한 연구를 시작하게 되었다 [10]-[12].
DC 고온 초전도 전력케이블 시스템은 1) 고온 초전도 전력케이블, 2) 중간 접속함, 3) 종단 접속함, 4) 냉각시스템으로 구분할 수 있다. 고온 초전도 전력케이블은 전류 통전을 위한 초전도 코어와 케이블 극저온 냉각과 단열을 위한 2중의 금속 시스로서 구성되며, 본 연구에서 제안한 고온 초전도 전력케이블은 ±80 kV DC 정격전압을 가지는 단상형 구조로 제작하였다. 중간 접속함은 장조장의 구간에 고온 초전도 전력케이블을 포설할 때 고온 초전도 전력케이블 상호간의 전기적 연결을 위해 사용되며, 극저온 영역에서의 케이블과 동등 이상의 절연 성능을 확보해야 한다. 종단 접속함은 고온 초전도 전력케이블과 외부 기기와의 전기적 연결을 위해 사용되며, 극저온 영역에서의 케이블과 동등 이상의 절연 성능을 확보하고 열손실을 최소화 할 수 있도록 각종 부품으로 제작되어 있다. 마지막으로 냉각 시스템은 케이블 및 접속함 포설 방식 및 사용/설치 조건에 따른 고온 초전도 전력케이블 시스템의 열 손실을 충분히 냉각시킬 수 있어야 한다. 이러한 새로운 개념의 신 전력기기를 실계통에 안정적으로 적용하기 위해서는 계통이 요구하는 사양에 적합한지를 알기 위한 계통해석과 더불어 안정적인 전력기기의 전력공급을 검증하기 위한 신뢰성 평가기술이 필수적으로 확보 되어야한다.
본 연구에서는 DC 대용량 고온 초전도 전력케이블로 DC 500 MW/80 kV 고온 초전도 전력케이블 대상으로 하여 DC 고온 초전도 전력케이블에 대한 실계통 적용 방안을 체계적으로 수립하고, 신규 전력설비의 실 계통 적용을 위하여 전력계통 해석을 통한 기술성 검토로 적용개소를 선정한 후, 검토된 전력계통 요구사항에 최적화된 DC 고온 초전도 전력케이블 정격 및 특성을 정립하는 것이다. 그리고 DC 고온 초전도 전력케이블의 신뢰성 평가를 위한 시험방안을 수립하고 상용화 제품을 고려한 시작품을 제작하여 자체 특성 시험을 수행한 후에, 최종적으로 DC 고온 초전도 전력케이블 시스템에 대한 신뢰성 평가를 수행을 통해 새로운 전력기기의 실계통 적용을 위한 DC 고온 초전도 전력케이블의 신뢰성 평가 기술을 확립하는데 목적을 두었다.
본 연구에서는 아직 상용화가 되어 있지 않은 신규 전력설비인 DC 고온 초전도 전력케이블의 성공적인 실계통 적용을 위해서 계통 해석 모델링을 이용한 상세 전력계통 해석으로 DC 고온 초전도 전력케이블의 적용개소를 선정하고 전력계통에서 요구하는 사양을 결정한 후, 이 특화된 전력계통 요구사항에 대하여 충분히 만족하기 위한 시험방안을 제시하였다. 특히, 시험항목 중에 부하주기시험 피시품의 전기적 스트레스에 대한 성능을 확인하기 위해 최고 허용운전 전류와 무부하 운전을 반복하는 시험과 적절한 열 주기시험 피시품의 기계적 스트레스에 대한 성능을 확인하기 위해 초전도 극저온 상태[예, 약 75K]에서 상온 상전도 상태[예, 약 300K]로 운전을 반복하는 냉각시험에 대한 연구는 현재가지 이루어지지 않았기 때문에, 이 연구에서 이것에 대하여 새로운 시험 방법을 제시하고자 한다. 상용화 목적을 가지고 실계통 적용을 위한 신뢰성 평가를 위해서 시작품 100 m/3.25 kA/80 kV DC 고온 초전도 전력케이블이 제작되었다. 본 연구에서 제안한 신뢰성 시험은 고온 초전도에 대한 시험 경험, AC 고온 초천도 전력케이블의 국제 시험권고안(CIGRE TB 538)과 기존 상전도 HVDC 케이블에 대한 국제 시험권고안(Electra 496)을 근거로 하여 한국전력 고창전력시험센터에서 6개월 동안 수행하였다. 성공적인 신뢰성평가 수행으로 DC 500 MW/80 kV 고온 초전도 전력케이블을 2015년에 6개월 동안 국내 한국전력 실계통에 운전하여, 전력계통의 실질적인 요구사항과 기술적인 타당성을 검증하였다. 즉, 본 연구는 DC 고온 초전도 전력케이블의 실계통적용을 위한 전력계통해석 방안과 새로운 신뢰성 평가 권고(안)과 그 시험결과를 제시하고 있다.

Until now, some countries including South Korea have made considerable progress in the development of HTS (High Tc Superconducting) power equipment. Superconducting power cable systems are the strongest candidate from the viewpoint of their use in the real grid owing to their high current capacity, as in Albany Project and LIPA Project of USA and NUON Project of EU. In Korea, AC 22.9 kV 500 m HTS cable system, for the first time in Korea, was installed in 2011 and had been successfully operated in Icheon Substation, in order to meet test requirements made by Korea Utility. Especially, in the future, high-current long-distance DC HTS cables will play an important role in power transmission systems because, in contrast to AC HTS cables due to DC HTS cables’s nearly no loss, as in Integrated Gid of USA, GENESIS of Japan, and GEI of China.
DC HTS power cable system consists of HTS cables, joint, termination, and cooling system. The cooling system keeps the HTS cable at cryogenic temperature.
The purpose of this study is to establish qualification tests for applying High power DC HTS cable into real grid and verify it through performing the evaluation of the commercial level DC HTS power cable, after performing the feasibility study for appling it into real grid and make the requirements in the viewpoint of utility.
In this dissertation, for qualification tests to meet fully requirements of utility, a new testing method for the load cycle and suitable thermal cycles was suggested, in order to meet the requirements for DC 500 MW 80 kV HTS cables to be applied to the real grid. A prototype 100 m/3.25 kA/80 kV High Power DC HTS cable system was developed for the qualification tests in the cooperation with manufacture company. Especially, the patented test equipment for load cycle of DC HTS cable was developed for this qualification tests, which were carried out based on HTS experience, the international standard(CIGRE TB 538) for AC HTS cables, and the standards(Electra 496) for conventional HVDC cables. High voltage current source for testing DC HTS cable system is composed of high voltage part and low voltage part by means of high voltage insulation cylinder. High voltage part includes AC/DC converter, measuring equipment (shunt), and control & monitoring system. Low voltage part does AC input and control & monitoring system which uses LabVIEW and data acquisition system. In order to control high and low voltage part at the same time, wireless optical communication tool is used. Also it’s necessary to be outdoor type owing to connection with DC HTS terminals directly. It’s designed by 150 kVdc 15 kA and enough to perform to 80 kV 3.25 kA DC HTS cable system. There was no problem to test full load cycle using a developed high voltage DC current. Just after superimposed impulse tests, as recommendation on thermal cycles, the prototype- a 100 m 80 kV DC HTS cable was tested for the 4th cool-down. Every thermal cycle we measured the deviation of cable length when the cable had suffered from its contraction and expansion. We found that it reached the saturation points on 4th cycle. We concluded that there was no degradation as DC Ic measurements of it.
Through this process of proposed qualification tests in this study, it was performed for 6 months in the KEPCO PT (Power Testing) Center. The results of qualification tests were finally successful for the first time in the world.
For the application of the results of the study, DC 500 MW/80 kV HTSC cable system had been operated in the KEPCO real grid since 2015, which could make it to evaluate its practical requirements and confirm its technical feasibility. It is expected that qualification tests for High power DC HTS cable suggested here will serve as a good reference for product developers and HTS power cable researchers to apply it into real grid.