발전소에서 생산된 전기는 송전선로를 통해 배전선로를 거쳐 소비자에게로 전송되는데, 송전선로에서 전달 매개체 역할을 하는 것이 가공송전선이다. 지중으로 가는 선로가 있긴 하지만 전체의 5% 이내로 소수이고 가공송전선은 철탑을 지지물로 하여금 하늘 높이 설치돼 있다. 현재 우리나라가 사용하고 있는 가공송전선은 대부분 ACSR(Aluminum Conductors, Steel Reinforced, 강심알루미늄연선) 전선이다.
▲ 그림 1. 가공송전선로
이 전선은 내부에 강심이 위치하여 전선을 지탱하는 역할을 하고 바깥층에는 알루미늄이 여러 층으로 둘러싸여 전력을 전송한다. 강심의 표면은 아연으로 도금되어 강심과 알루미늄의 부식을 지연시킨다. ACSR은 약 90여년 전에 개발된 것으로 당시 알루미늄만으로 구성된 가공전선의 인장강도를 향상시키기 위해서였다. 그 결과 단면적의 15% 정도에 불과한 강심 부분이 전체 전선 인장강도의 60% 정도를 담당하게 됐다.
그러나 그간의 소재 분야 기술 진보에 따라 ACSR 전선은 현시점에서 몇가지 문제점을 드러낸다. 가장 큰 문제점으로 지적될 수 있는 것은 경질 알루미늄을 사용한다는 점이다. 용융 알루미늄으로부터 선으로 제작된 상태 그대로 사용함으로써 인장강도 향상에는 도움이 되지만 전기저항이 커지는 단점이 있다.
또한 ACSR 전선의 열적 수명을 결정짓는 요소가 되기도 한다. 통상적으로 ACSR 전선의 설계수명은 섭씨 90℃에서 36년 정도이다.
이 조건에서 경질 알루미늄의 인장강도 저하가 한계치를 넘지 않도록 해야 하기 때문이며, 이에 따라 송전 용량도 결정된다. 덧붙여 시간이 지남에 따라 크립(Creep)에 의한 영구적 전선 늘어나는 현상도 경질 알루미늄 때문이다. 이로 인해 실제 송전선로에서는 일정 기간이 지난 후 재조정해 주어야 하는 번거로움이 있다.
ACSR 전선은 1970년대에 대대적으로 국내에 포설되기 시작했고 한계 수명으로 약 40년 경과한 가공송전선이 해가 갈수록 점증하고 있다.
즉 교체 시기가 도래했다는 뜻이며, 낙후된 기술이라고 할 수 있는 ACSR 전선을 계속 사용할 것인가 아니면 그 단점을 보완하고 최신의 기술이 가미된 새로운 전선을 사용할 것인가의 기로에 서 있는 시점이다.
차세대 주력전선이 될 신전선의 첫 번째 명목은 저손실 특성이다. 그 방안으로서 새로운 합금을 개발하는 어려운 과정을 거치지 않고서 경질 알루미늄을 연질 알루미늄으로만 변경하여도 큰 효과를 얻을 수 있다. 경질 알루미늄은 간단한 열처리 과정을 통해 연질 알루미늄으로 만들 수 있다. 알루미늄의 용융점이 650℃ 정도임을 감안하면 500℃ 내외의 온도를 통하기만 해도 연질화된다.
이를 통해 전기 저항은 2~3% 감소되며, 그 손실비용 감소분은 전선 가격의 40~50%에 이를 정도로 상당한 액수이다.
이제 연질 알루미늄을 사용함으로 인한 인장강도 감소분은 강심의 인장강도를 향상시킴으로써 보완해야 한다. 강심의 성능 향상은 그동안 지속적으로 이뤄져 왔다. 표 1과 같이 해외 일부 신전선에서는 강도가 향상된 강심을 채택하고 있다.
▲ 표 1. 가공전선 강심의 종류와 인장 강도
국내에서는 이를 국산화 하거나 더 나은 성능의 강심을 적용해 국내 사업 뿐만 아니라 해외 사업에서도 우월적 위치를 점유할 수 있다.
▲ 그림 2. 우리나라 가공송전선 ACSR 단면 구조
마지막으로 신전선의 알루미늄 도체는 그 단면적이 원형이 아니라 사다리꼴 형태를 갖도록 한다. 단면 형상이 원형인 기존 ACSR 전선에 비해 알루미늄의 충진율을 높일 수 있어서 전선의 직경이 줄어드는 효과가 있다.
▲ 그림 3. 차세대 가공송전선 예상 모습
이를 통해 얻을 수 있는 기대효과는 다음과 같다. 우선 전선의 하중을 강심에게로 집중시킬 수 있어 고온까지 사용할 수 있다.
열적 수명 관점에서 연속 사용온도는 250℃까지 올릴 수 있으며, 동일한 단면적의 ACSR에 비해 송전용량을 1.5배 이상 높일 수 있다. 손실은 2~3% 감소하고 전선의 직경은 8% 정도 감소하게 된다. 전선 직경의 감소는 풍하중 부담을 경감시킬 수 있어서 철탑의 하중 부담을 줄여주는 효과가 중요하다.
또한 전선 표면이 평탄하여 추운 지방의 착설 문제도 상당 부분 해결해 줄 수 있다. 이에 반해서 전선의 가격은 ACSR 대비 약 1.5배 증대될 것으로 예상된다. 그러나 손실비용 감소분이 이러한 가격 상승분을 상쇄시켜주며, 결국 용량 증대 및 직경 감소 효과는 그저 얻을 수 있는 특성이라고 할 수 있다.
한전 전력연구원은 이러한 가공송전선 현실에 맞추어 차세대 주력전선을 개발하려는 계획이 있다. 우선 노후화가 진행되고 있는 ACSR 전선을 대체하는 용도로 활용하며, 1.5배 이내의 용량증대가 필요한 선로에서는 STACIR와 같은 고가의 대용량 전선도 대체할 수 있다. 나아가 HVDC 선로를 포함한 신규 송전선로에서는 송전용량을 다양하게 설정할 수 있어서 통일 이후 남북한 계통 연계시에도 다양하게 활용될 것으로 기대된다.
김상범 _ 전력연구원 송변전연구소 책임연구원
