2.1 직류 전기 철도

직류식 전기철도는 공칭전압(22.9kV, 154kV등)의 교류전압을 철도용 변전소 변압기에서 직류로 변환하여 전차선로에 직류전력을 공급하는 방식으로 사용전압은 일반적으로 600V, 750V, 1500V, 3000V로 구성되어 있다. 우리나라의 경우 1500V 직류 전압을 사용하고 있으며 직류식 전기철도는 세계 전기철도의 약 43%를 점유하고 있다.

전기철도 시스템에서 DC 전력은 도시 및 교외 철도의 경우 3~5km, 본선 서비스의 경우 15~30km 거리의 변전소에서 교류전력을 얻은 후 직류전압으로 변환하여 전차선에 공급되고 레일 트랙을 통해 복귀하며, 전기철도는 레일을 귀선로로 사용하기 때문에 레일이 대지를 따라 길게 설치되어 있으므로, 선로변 인근 철구조물 등에 표류전류에 의한 부식이 발생하여 과열 및 아크로 인한 화재가 발생하는 문제등이 발생하는 것으로 보고되고 있다.

직류 전기철도 시스템에서 주행레일을 통하여 귀환되는 전류의 일부는 누설전류가 되며, 대지로의 누설전류는 지하에 매설되어 있는 금속체에 전식을 일으키게 되는 요인이 되고 있다. 레일에서의 누설전류를 방지하기 위해서 대부분의 귀환레일은 비접지방식으로 대지와 절연시키고 있지만 레일전위 상승을 동반하게 되어 감전사고를 일으킬 수 있기에 레일전위 상승 및 누설전류 저감을 위한 대책 및 분석이 요구된다^[9].

직류 전기철도에서 전기 안전에서 고려되는 주요 인자는 다음과 같이 정리할 수 있다.

그림 1. 전기 철도 구조

Fig. 1. The structure of electric railway

직류 전기철도에서 전기 안전에서 고려되는 주요 인자는 다음과 같이 정리할 수 있다.

첫쩨는, 직류 전기철도의 레일전위의 상승 방지이다. 레일전위의 상승을 방지하기 위해서는 귀환레일을 접지하는 것이 효과적이나 귀환레일을 접지할 경우 대지로의 누설전류가 증가하게 되어 지하에 매설된 금속체의 시설물에 전식을 일으키게 된다. 레일전위의 상승 및 누설전류의 크기는 전동차 급전전압, 레일의 선로저항, 변전소간 간격 및 누설저항 등에 따라 변하고 전동차 부하용량과 부하위치에 따라서도 변하게 된다. 전기철도 귀선에서는 전동차 운행에 의해 전압강하가 발생하며 전압강하가 클수록 부하전류가 커지게 되어 레일전위 값도 증가하게 된다.

전기철도의 레일전위는 고장 조건에서의 접촉전압 또는 정상 운전조건에서의 접촉전압으로 구분되며, 교류 전기철도의 경우 작업장 및 이와 유사한 장소에서는 최대 허용 접촉전압을 실효값 25V를 초과하지 않아야 하며 직류 전기철도의 경우 60V를 초과하지 않아야 된다^[9]. 교류 및 직류 전기철도 급전시스템에서 최대 허용 접촉전압을 초과하는 높은 접촉전압이 발생할 수 있는지를 판단하기 위해서는 해당 지점에서 귀선도체의 전압강하를 기준으로 하여 정상 동작 및 고장조건에 대한 레일전위를 평가해야 한다. 전기철도 급전시스템에서 레일전위를 산출하여 평가 할 경우, 주행레일에 흐르는 최대 동작전류와 단락전류를 사용하고, 단락 산출의 경우에는 초기 단락전류를 사용하여야 한다.

직류 전기철도 급전시스템에서 최대 허용 접촉전압의 값을 초과하는 경우 고려되어야 하는 주요 사항은 다음과 같다.

첫째, 고장조건에서 레일 전위를 감소시키기 위해 전도성 구조물 접지의 보강, 전압제한소자 적용, 보행 표면의 절연, 귀선 도체의 보강, 단락전류를 중단시키는데 필요한 트래핑 시간 감소 등의 방안을 적용할 필요가 있다.

둘째, 직류 전기철도의 접지에 대한 고려가 필요하다. 전기철도의 레일은 귀선전류가 흐르는 경로로 사용되기 때문에 접지가 매우 중요하며, 직류 전기철도의 경우 레일을 대지와 절연을 시키고 있으며, 교류의 경우 레일을 대지와 절연하던 방식을 사용하고 있었지만, 고속철도가 도입되면서 레일과 대지를 연결하는 공용접지방식이 적용되고 있다. 레일을 통하여 흐르는 귀선전류는 긴 거리를 대지와 평행하게 흐르기 때문에 인근 설비에 영향을 줄 수 있으므로, 이에 대한 전기 안전 측면에서의 고려가 필요하다^[9].

셋째, 직류 전기철도의 누설전류에 대한 고려이다. 직류 전기철도에서는 주행레일을 귀선으로 활용하고 있어 주행레일을 별도로 접지시키지 않아도 주행레일이 대지위에 설치되므로 귀선전류의 일부는 대지로 누설된다. 일반적으로 누설전류의 크기는 레일의 전위, 차량 부하전류, 레일의 저항 및 변전소 간격의 자승에 비례하고 누설저항에 반비례 한다. 레일전위가 정극성인 경우에는 전류가 레일로부터 대지로 유출되고 부극성의 경우에는 대지로부터 레일로 유입되며, 누설전류는 영전위의 중성점을 기준으로 부하측에서는 레일로부터 대지를 향하여 유출되고 변전소 측에서는 대지로부터 유입될 수 있다. 이 누설전류를 줄이기 위해서는 변전소간 간격을 줄이고 레일저항이 작은 귀환레일을 사용하며 레일과 지반사이의 절연자재를 사용하여 누설저항을 증가시키는 방식이 적용된다^[10].

넷째, 직류 급전계통의 단락 및 지락 사고에 대한 대처방식이다. 지락 및 단락 사고는 변전소에 설치된 고속도차단기, 고장선택장치, 연락차단장치, 접지계전기에 의해 보호된다. 직류 급전계통의 보호는 직류고속차단기에 설치되어 있는 직류 과전류 차단요소와 부하의 전류변화량을 검출하여 동작하는 고장선택장치로 보호하며, 연락차단장치를 설치하여 급전구간 내 사고 발생시 상호 연락 차단하여 사고 구간의 확대를 방지하는 방식을 채택하고 있다^[11].

우리나라의 경우 직류 급전계통에서 레일을 비접지로 하고 각 설비별로 단독접지를 채택하고 있어 고저항 지락사고 발생시 고장검출이 불가능한 문제로 인명피해와 전기설비등에 영향을 줄 수 있다. 따라서 교가위에 설치된 지상부 전차선로의 지락 또는 애자섬락에 의한 고저항 지락사고시 구조물의 전위 상승 검출이 필요하며, 구조물과 레일간 단락 회로로 구성하여, 단락사고 발생시 변전소에서 보호, 차단될 수 있도록 설비 구성 및 보완이 필요하다.

직류 전기 철도에서 안전에 관련한 주요 이슈등을 요약해 볼 때, 향후 DC 그리드 구현시 필요한 전기 안전 고찰 요소들은 다음과 같이 정리할 수 있다.

전기철도는 교류방식과 직류방식으로 구성되어 있으며, 레일을 귀선로로 사용하기 때문에 긴거리로 설치되어 있는 대지로 전류가 흐르게 되어 선로변 주변 유틸리티와 철구조물 등에 표류전류에 의한 부식이 발생하여 과열 및 아크로 인한 화재가 발생하는 문제가 존재한다. 이를 토대로 DC 그리드 구성시에 대지 누설 전류에 대한 검토 및 규정, 누설전류에 의한 부식 및 과열, 화재 문제 발생에 대한 대처안이 요구된다.

직류 전기철도 시스템을 철도전력 그리드 시스템에 적용하는 기술이 연구 개발되어야 하며, 이때 인체 및 시설 보호를 위한 공간거리, 레일 전위, 누설 전류 등과 같은 안전 고려사항과 규정이 마련되어야 한다.

직류급전시스템의 경우 교류 시스템과 대비하여 다양한 안전수칙 보완과 연구가 필요하며, 특히 레일과 대지간 표류전류와 대지전위로 인한 안전사고를 방지하기 위하여 접지의 보강, 전압제한소자 사용 등 다양한 구조적인 방지 방안에 대한 연구가 필요하다. 마찬가지로 DC 그리드 구현시에도 접지 보강, 단락 지락 전류의 감지 및 상용화된 DC 차단기 개발 및 구현이 필요하다.

2.2 전기추진 선박

최근 전 세계적으로 환경오염 및 대기오염에 관해 관심이 높아지며 관련 규정이나 규제가 증가함에 따라 다양한 정책이 시행되고 있다. 특히 선박의 경우 선박에서 배출하는 온실가스 및 대기오염 물질의 대부분이 화석연료에서 기인하므로, 연료 소모량을 절감하고 시스템 효율을 증대시키기 위한 대안으로 전기추진선박이 제시되고 있으며, 배터리를 탑재한 선박의 수도 크게 증가하고 있다^[12].

전기 추진 선박은 전력 전자 장치의 적용 증대, 고전력 부하의 증가로 인하여, 특히 특히 고효율, 경량화 등의 장점을 지닌 직류 기반의 전기추진선박에 대한 연구 개발이 큭증가하고 있다. 기존의 교류 배전 방식에선 추진 모터 동작을 위해 AC-DC-AC의 이중 전력변환이 필요하였으나 직류 배전 방식에서는 DC- AC의 변환만 이루어지므로 전력변환 단계가 축소될 수 있다. 그림 2는 기존 선상 AC 그리드와 동일한 규모의 선상 DC 그리드 적용 구조이다. AC bus와의 연결을 위한 DC/AC 전환 및 에너지 저장 장치와의 연결을 위한 DC/DC 전환 과정이 추가로 필요하지만, 전기 추진 드라이브에 전력을 공급하기 위한 AC/DC 전환 과정이 생략된다^[13]. 이러한 시스템은 발전기가 AC/DC 컨버터를 통해 계통에 연결되어 발전기의 전압과 주파수가 계통과 분리되므로, 발전기의 전압조정기능이 필요 없다는 장점이 있다^[14]. 따라서 기존의 권선형 발전기 대신 표면 부착형 영구자석 발전기의 적용이 가능해지며, 이 경우 발전기 효율을 3% 이상 향상시키고 무게와 부피를 25% 절감하여 전력시스템의 경량화가 가능하다.

그림 2. 선상 (a) 교류, (b) 직류 그리드 적용 구조^[6]

Fig. 2. Shipboard structre (a) AC grid (b) DC grid

선상 DC 그리드 설계에서 발생하는 주요 문제 중 하나는 계통 보호 시스템에 대한 지침이나 규정, 솔루션이 부족하다는 것이다. 특히 선상 DC 그리드의 보호 시스템은 지상 DC 그리드 시스템과 마찬가지로 고장 감지 및 고장 위치 분석이 진행되어야 할 뿐만 아니라, 추진 시스템의 동작으로 인한 부하의 변동성에 의한 영향을 크게 받는다. 따라서 지상 DC 그리드 시스템과는 다른 선상 DC 그리드 배전을 위한 시스템에 대한 연구가 필요하다.

선상 DC 그리드의 구조에서 전력 컨버터는 발전기의 출력을 DC로 전환하기 위한 AC/DC 컨버터, AC 모터에 전력을 공급하기 위한 DC/AC 컨버터, 서로 다른 전압 레벨의 DC 버스를 연결하고 ESS나 연료 전지와 메인 DC 버스 간 전압 레벨을 조절하기 위한 DC/DC 컨버터로 구성된다.

지상 DC 그리드 시스템은 고리형/방사형 구조로 구성되지만 선상 DC 그리드는 일반적으로 부하와 전력원이 단일 DC 버스에 연결되는 단순한 구조를 가지고 있다. 발전기에 장애가 발생할 경우 지상 DC 그리드 시스템에서는 안정적인 계통에 연결하여 계통 연계 모드로 운용할 수 있으나, 선상 DC 그리드는 단독 계통으로 운용되기 때문에 고장 발생 시 치명적인 결과를 초래할 수 있다^[15]. 또한 지상 DC 그리드에서 부하는 일반적으로 과거 데이터를 기반으로 예측 가능한 연속적인 수요를 나타내지만 선상 DC 그리드의 부하는 기상 조건이나 운영 모드에 따라 달라지는 예측할 수 없는 수요를 보인다. 접지 연결 시 지상 DC 그리드에서는 지락 사고 검출을 위해 직접 접지 방식을 주로 이용하지만, 선상 DC 그리드에서는 전력 시스템 보호 및 동작의 연속성 유지를 위해 고저항접지 방식을 주로 이용한다.

DC 전기추진선박이 지닌 주요 문제점 중 하나는 효율적인 보호 시스템이 아직까지는 확보되어 있지 못한 점이다. 선상 DC 그리드 내 보호 시스템 설계에서 고려되어야 하는 주요 사항은 다음과 같다.

선상 DC그리드는 1선 지락 사고 발생시에도 계속해서 동작할 수 있어야 하므로 고저항접지 방식이 이용되어야 한다..

고장이 발생하는 동안 컨버터의 출력 필터(CSC 컨버터의 경우 L 필터, VSC 컨버터의 경우 C 필터)가 충전되기 때문에 충전된 에너지를 소산시켜야 한다.

고장 전류가 컨버터의 토폴로지에 의한 영향을 받는다. 사이리스터를 이용하는 경우 사이리스터 브리지 내에서 전류를 0으로 만들어 고장 지점의 전류 유입을 차단할 수 있으나, IGBT 기반의 VSC 토폴로지에선 환류 다이오드를 통해 계속해서 전류 유입이 발생한다.

DC 시스템에선 전류영점이 존재하지 않아 기존의 AC 차단기를 적용할 수 없으며, 낮은 저항으로 인해 고장 전류가 높은 값으로 상승하여 보호 시스템의 빠른 동작 속도가 요구된다.

선상 DC 그리드의 보호 시스템에서 중추적인 구성 요소 중 하나는 고장 조건에서 전류 파형을 정확하게 추적하고 측정할 수 있는 전류 센서이다. 고장 전류를 측정하기 위한 전류 센서에는 로고스키 코일, 홀 효과 센서, 션트 저항 등이 있다. 그 중 로고스키 코일이 빠른 고주파 전류 및 펄스 부하를 측정할 수 있으며, 공심 방식으로 구성되어 포화 문제가 없는 장점이 있어 선상 DC 그리드의 고장 감지에 유용하나, DC 정상 상태에는 이용할 수 없으며 추가 전원 공급 장치가 필요한 등의 문제가 있다.

DC 시스템에서는 낮은 임피던스로 인해 사고 발생 시 고장 전류가 빠르게 상승한다. AC 시스템에서는 보호계전기 구성을 위해 고장 전류의 정상상태 값이 이용되지만 DC 선상 그리드에서는 고장전류의 과도 상태 값이 컨버터를 손상시킬 수 있으므로, 10ms 이내에 고장을 감지하고 시스템에서 분리해내야 하는 기술이 요구된다^[16].

DC 전기추진선박에서의 사고 차단은 매우 중요한 요소이며 다음과 같은 사항을 고려해야 한다.

첫째, 선상 DC 그리드의 높은 고장 전류로 인한 시스템 구성 요소의 손상을 방지하기 위해서는 빠른 사고 차단 기술이 필수적이다. 또한 보호 시스템은 사고 감지 후 사고 위치를 탐색하고 빠르게 분리해야 하며, 특히 선상 DC 그리드는 케이블 길이가 짧고 전체 시스템이 밀집되어 있어 결함의 영향을 받는 구성 요소가 많아 사고 차단의 중요성이 높다. 선상 DC 그리드에서 사고 차단 방식은 차단기 기반 방식과 차단기 없이 진행되는 방식으로 분류할 수 있다.

둘째, 차단기 기반 방식에서는 사고 발생 시 시스템을 분리하기 위해 차단기가 이용되며, DC 시스템에서는 전류 영점이 존재하지 않아 일반적으로 전류 차단을 위해 추가 장치가 필요하다. 소규모 선박에서는 전압과 전류의 크기가 작아 차단이 용이하나, 상대적으로 정격이 높은 대규모 선박에서는 DC 차단 및 신속한 아크 소호의 중요성이 높아진다.

셋째, 전기추진 선박에서 고려해야 하는 것은 배터리 안정성에 대한 문제이다. 전기 추진 선박 및 하이브리드 선박에서는 발전기의 탈락, 추진 부하의 급격한 증가나 감소로 인한 전력 품질 저하를 방지하기 위해 에너지 저장 장치가 이용된다. 현재 개발 중인 모든 선박용 ESS에는 리튬이온 배터리가 탑재되고 있다. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도와 효율이 높아 전자기기 및 전기자동차 등 다양한 장치의 전력저장장치에 이용되고 있지만, 리튬이온 배터리는 인화성 전해액을 사용하여 온도에 민감하며, 과방전 시 용량 감소가 매우 크고, 과충전 시 불안정성이 높아 내부 전극의 쇼트나 외부 충격에 의한 화재 및 폭발 위험성이 높다는 문제가 존재한다. 이에 대한 대처 방안이 절실히 요구되며 관련 기술 개발 및 상용화가 필요하다.

직류 전기 전기추진 선박에서 안전에 관련한 주요 이슈등을 요약해 볼 때, 향후 DC 그리드 구현시 필요한 전기 안전 고찰 요소들을 다음과 같이 정리할 수 있다.

- 선상 DC 그리드 설계에서 발생하는 주요 문제 중 하나는 계통 보호 시스템에 대한 지침이나 규정, 솔루션이 부족하다. 선상 DC 그리드의 보호 시스템은 지상 DC 그리드 시스템과 마찬가지로 고장 감지 및 고장 위치 분석이 진행되어야 할 뿐만 아니라, 추진 시스템의 동작으로 인한 부하의 변동성에 의한 영향을 크게 받는다. 따라서 지상 DC 그리드 시스템과는 다른, 선상 DC 그리드 배전을 위한 시스템에 대한 연구가 필요하며, 마찬가지로 DC 그리드 구현시에도 보호협조 시스템에 대한 지침과 솔루션 마련이 반드시 필요하다.

선상 DC그리드는 1선 지락 사고 발생시에도 계속해서 동작할 수 있어야 하므로 고저항접지 방식이 주로 이용되지만, 현재 DC 그리드 시스템에는 계통 보호 시스템에 대한 지침이나 규정, 솔루션이 부족하다는 문제점이 있다. 특히 선상 DC 그리드는 지상 DC 그리드에 비해 안전 요구 사항이 높으며 전체 시스템의 크기가 작다는 차이점이 존재하여 관련하여 사고 탐지, 사고 위치 탐지, 사고 차단에 대한 연구가 필요하며, 이는 동일하게 MVDC급 배전망 구축시에도 반드시 요구되는 사항이다.

선상 DC 그리드는 기존의 AC 그리드 및 육상 DC 그리드와 차이점이 존재하며, 특히 사고 발생 시 대피할 공간이 제한되며 운행 중 계속해서 흔들림이 발생하기 때문에 배터리의 안전성 및 화재 문제가 안전성을 위한 주요 사안으로 꼽히고 있음. ESS 및 배터리 화재 사고의 예방 및 해결 방안이 필요하다. 리튬이온 전지의 냉각 및 환기 시스템, 화재 진화용 소화약재, 대체 배터리 개발, 관련 보호장치 및 BMS(Battery Management System) 설계 및 운용에 대한 연구가 필요하며 이는 MVDC급 그리드 구현시에도 동일하게 요구되는 사항이다.

2.3 빌딩용 직류배전

정보화 사회의 급속한 발전으로 인해 디지털 기기들이 확대되고 있으며, 특히, 미국 EPRI에서는 직류부하인 디지털 부하가 2000년에는 전 세계적으로 10% 밖에 되지 않았으나, 2020년대 이후에는 전체 부하의 50%에 도달할 것이라는 예상을 내놓고 있다. 대부분 가전제품의 경우, 현재 공급되는 교류전력을 내부에서 직류로 변환하여 전력을 소비하고 있다. 또한, 태양광 연료전지, ESS 등의 경우, 생산된 전력이 직류이기 때문에 교류계통과 연계시키기 위해서는 전력변환이 필요하고, 전력을 변환하는 과정에서 손실이 발생하게 되어, 이로 인해 전력효율이 저하된다.

직류 배전이란 직류기반의 배전시스템을 구성하고 이를 통해 직류부하에 직접적으로 직류전원을 공급하는 동시에 신재생원의 연계 및 효율성을 높이는 기술이다. 즉, 배전시스템에서 교류를 직류로 변경하여 직류부하에 공급하는 전력변환 단계를 줄이는 한편, 분산전원의 직류출력을 직류부하인 디지털 부하와 직접 연계함으로써, 에너지 효율을 높이는 것이 직류배전의 목적이며 이를 위해 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다.

기존의 교류배전 시스템의 경우 전원사고를 방지하기 위해 UPS를 사용하게 될 경우, 전력변환장치를 사용하여 교류 전원을 직류 형태로 변환하여 배터리에 저장하고, 비상 운전 시 교류 형태로 바꾸어 전력을 부하에 공급하게 된다. 이와 같은 전력 변환으로 인해 에너지 손실이 발생하게 되지만, 직류배전 시스템에서는 전력을 배터리를 이용해 저장해 두었다가 비상시에 직류로 공급하기 때문에 최소한의 전력 변환으로 안정적인 전원을 부하에 공급하여 고 신뢰성 및 고 효율 전력 공급이 가능하다^[17].

전 세계적으로 데이터 소비량이 기하급수적으로 증가하면서 데이터센터의 수와 전력 소비량도 크게 증가하고 있다. 많은 기업이 탄소 배출을 줄여 환경 친화적이고 지출을 절감하기 위해 데이터센터를 효과적으로 구현할 수 있는 방안을 찾고 있으며 이로 인해 DC 전원 데이터센터에 대한 관심이 급속히 늘어나고 있다.

그림 3. DC 배전 적용 가능성 순위^[18]

Fig. 3. Application priority of DC　distribution

전 세계적으로 데이터 소비량이 기하급수적으로 증가하면서 데이터센터의 수와 전력 소비량도 크게 증가하고 있다. 많은 기업이 탄소 배출을 줄여 환경 친화적이고 지출을 절감하기 위해 데이터센터를 효과적으로 구현할 수 있는 방안을 찾고 있으며 이로 인해 DC 전원 데이터센터에 대한 관심이 급속히 늘어나고 있다.

데이터센터는 기존의 교류배전 시스템을 사용하여 변환과정이 번거롭고 복잡하며 그 과정에서 수전 변압기, 컨버터, 인버터, 파워 서플라이 등의 발열과 악순환으로 냉방기를 더 가동하게 되어 전력 소모 및 에너지 손실이 심했지만 직류배전 시스템을 사용하면 변환과정이 줄고 발생하는 손실, 열이 감소하게 되면서 냉방기를 덜 가동하게 되어 에너지가 절약되고, 태양광 발전기나 ESS를 사용하는 경우에도 배전선에 설비를 직결시킬 수 있기 때문에 매우 효율적이다. 따라서 직류배전을 사용하는 데이터 센터가 향후 급속히 늘어날 것으로 예상된다.

AC 데이터센터 시스템은 배터리와 PDU(Power Distribution Unit)가 있는 AC UPS를 통해 부하에 AC전력을 공급하며 부하에 DC 전력을 공급하기 위해서는 PSU(Power Supply Unit)를 통해 AC를 DC로 변환한 후 전압 레벨을 조정하여야 한다. 또한 UPS내부의 배터리를 충전하기 위해서는 DC 변환 과정이 필요하다.

반면에 DC 데이터센터 시스템은 배터리와 PDU(Power Distribution Unit)가 있는 DC UPS를 통해 부하에 DC전력을 공급한다. 부하에 DC 전력을 공급하기 위해서 전압 레벨 조정만이 필요하며 AC-DC 변환과정의 컨버터 손실이 없다. 또한 UPS내부의 배터리 충전도 이미 변환된 DC 전력을 사용하여 충전할 수 있다^[19].

그림 4. 데이터 센터 구성도 비교^[19]

Fig. 4. Comparison of data center configuration

직류배전 시스템 적용한 DC 빌딩 및 데이터 센터 구축시 전기 안전 고려 사항으로 다음 사항을 포함한다.

첫째, 인체 감전으로부터의 보호 여부이다. KEC-211(한국전기설비규정)에 따르면 특별 저압보호(인체에 위험을 초래하지 않을 정도의 저압 전원 회로에 의한 보호) 기준은 교류의 경우 50V이하, 직류의 경우 120V이하로 일반적인 직류 배전 전압이 12V, 24V, 48V인 것을 감안하면 안전하다고 볼 수 있으며, 분기회로의 최대 차단시간을 비교했을 때, 동일 전압 기준 교류 전원보다 직류 전원이 더 안전하다고 볼 수 있음. 하지만 직류 배전 전압 상승시에는 이를 감안한 인체 감전으로부터의 보호 방식이 제시되어야 한다.

둘째, 화재로부터의 보호이다. DC 회로는 AC 회로에서 발생하는 아크를 소멸시키기 위해 제로 전류를 통과하는 자연스러운 통로가 없기 때문에 스위칭 또는 회로 차단 중에 아크가 발생하기 쉽다. 따라서 적절한 아크 소호 기능이 없는 직류 회로는 유사한 교류 회로에 비해 화재 위험이 증가할 수 있다^[20]. AC 회로에서 지락 회로 차단기(GFCI)는 지락 시 사람의 전기 충격을 방지하고, 작은 아크로 인한 화재 위험도 동시에 줄여준다. 하지만, DC 회로에서는 아직 상용화가 많이 되어있지 않고, 이러한 시장의 부재는 DC 회로의 화재 위험을 초래할 것으로 예상된다. 따라서 DC 지락 회로 차단에 대한 연구와 상용화가 필요할 것으로 사료된다.

셋째, DC 아크 사고로부터의 보호이다. 아크사고는 전로의 손상이나 노화, 커넥터의 느슨해짐 등으로 인해 발생하고, 아크사고가 발생하면 신속하게 조치하지 않을 경우 아크에서 발생하는 높은 에너지로 인해 화재 사고가 발생할 수 있으며 이로 인해 심각한 인명 및 재산피해를 일으킬 수 있으므로 아크사고에 대한 대책이 필요하다. 대표적인 직류 시스템인 태양광 시스템의 노화에 따른 아크 화재 사고가 빈번하게 발생하면서 주목을 받고 있다^[21].

넷째, DC 회로를 개폐할 때 서지전압은 AC에 비하여 훨씬 크기 때문에 이에 대한 문제점이 발생하게 되고, 접점의 개로와 폐로를 반복하면서 전자접촉기나 전자계전기 등 접점의 손상이 빠르고, 마모가 쉽게 되며 접점이 소모된다. 또한 접점에서 발생되는 아크열에 의하여 화재, 폭발로 이어질 수 있다. 이러한 문제가 발생되는 직류 차단 시 접점 양단에 발생된 서지는 아크에너지로 변환되어 접점에서 열과 빛 에너지로 없어지고 일부는 회로의 전원 측으로 유출되어 회로에 분기되어 있는 계통에 영향을 주게 된다. 따라서 스위치의 극간에 아크를 줄이는 것이 중요하며 특히 스위치 개방 서지에 의한 차단기의 아크 소호를 줄이는데 적합한 서지 방호 소자를 적합하게 선택하여 적용하여야 한다.

다섯 번째, 지락 사고에 대한 대처가 필요하다. 지락 사고가 발생하면, 양전위선과 음전위선이 충분히 낮은 저항을 통해 연결되면서 직류 링크 커패시터 양단의 전압이 급격히 낮아진다. 큰 폭의 전압 변화율은 직류 링크 커패시터에 과전류를 유발하고, 이는 직류 링크 커패시터의 고장과, 심할 경우 폭발을 야기할 수 있다. 지락 사고에 대한 가장 일반적인 대응 방안은 차단기 설치를 통한 과전류 차단으로, 이전에는 기계식 차단기를 이용하여 과전류 발생 시 기기와 시스템을 기계적으로 분리시키는 방법이 주로 활용되었으나, 기계적 차단 시 전류 아크가 발생한다는 점과, 차단에 수~수백 ms가 소요되어 인덕턴스가 작고 커패시턴스가 큰 시스템에서는 대응이 늦다는 점과 같은 한계를 나타내고 있다.

여섯 번째, 플러그 분리에 따른 과전압 현상이다. 일반적으로 기기를 작동시키기 시작할 때는 플러그를 통해 기기를 연계시킨 후 기기 내 제어를 통해 전류를 도통시키다가, 기기 작동을 중단할 때는 다시 기기 내 제어를 통해 도통되던 전류를 전기적으로 차단한 후에 플러그를 분리시킨다^[22]. 하지만 외부의 물리적인 충돌이나 플러그의 접촉 불량 등으로 인해 기기가 갑작스럽게 배전 시스템으로부터 기계적으로 분리되는 경우, 기기에 도통되던 전류는 기기 내 제어가 이루어지기 전에 강제적으로 차단된다. 이 때, 갑작스러운 전류 차단으로 인해 기기에 도통되던 전류의 변화율이 일시적으로 매우 높게 나타나며, 배전선 내의 인덕턴스 성분과 맞물려서 플러그 말단의 전압이 크게 높아지게 된다. 이때 발생하는 과전압 현상은 배전 시스템 내에서 연계 지점을 공유하는 다른 기기들에게도 영향을 줄 수 있으며, 심할 경우 플러그 말단에 불꽃을 일으켜, 플러그 접촉부의 손상을 야기할 수 있다. 기존의 방식으로는 플러그와 콘센트의 접촉 및 분리 시, 플러그의 전류 도통 구조를 기계적으로 변형시켜, 전선에 남아있는 전류의 도통 경로를 형성하는 방식이 있지만 위의 지락 사고 부분에서도 언급하였듯 기계적인 연계 및 분리에는 수~수백 ms의 시간이 소요되므로, 수~수십 μs 사이에 발생하는 플러그 분리 과전압을 방지하기에는 부적합하다. 따라서, 플러그 분리시 전류 도통 경로 확보를 위한 연구가 필요하다.

일곱 번째로, ESS 화재사고이다. ESS는 직류배전 시스템에서 비상상황 시 백업 전원을 제공하기에 필수적인 요소이다. ESS는 납축전지에 비해 효율이 매우 좋은 리튬이온배터리를 주로 사용하지만, 리튬이온배터리는 내부에서 산소가 계속 발생하므로 화재가 발생하면 전소될 때까지 화재 진압이 어렵다는 단점이 있다. ESS 화재사고는 ESS 충전율의 영향을 받으며, 대부분의 화재사례에서 95% 이상 충전율로추정 및 확인된 경우로, 배터리 충전율이 높은 상태일 때 화재 발생 위험이 높다고 추정할 수 있다^[23]. 따라서 BMS(Battery Management System)을 통한 축전지시스템의 제어, 보호, 모니터링이 요구된다고 볼 수 있다.

2.4 AC/DC 계통에서의 안전 요소

DC 전력 적용 기술은 기존 AC 배전설비의 일부 구간을 DC로 변환하거나 AC/DC 혼용망 구성을 통해 용량을 높이거나 배전망의 전력흐름을 효율적으로 제어할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 실제 환경에 적용 시 인버터 및 컨버터와 같은 변환장치의 전력품질과 효율성, 경제성에 대한 평가가 필요하다. 또한 기존 AC 계통과 적용 및 운영 측면에서 차이가 큰 DC 계통 구축을 위해서는 실증 및 평가 연구외에도 규제와 제도 개선도 추가적으로 연구되어야 한다^[24]. DC 게통은 고장으로부터 적절한 회로 보호 전략과 보호 장치도 부족한 실정이다. 특히 MVDC 배전 계통에서는 단락 시 큰 DC 전류의 차단은 여전히 해결해야 하는 요소이다.

DC 계통에서 주목해야 하는 안전 요소는 부하 변동에 따른 전압 안정성이다. DC 시스템은 ESS와 같은 분산전원 확대에 따라 배전계통의 불확실성이 증가하는 문제점이 있으며, 분산계통에서의 적절한 전압분배와 전압 변동에 따른 전력기기의 화재 및 안전에 대한 대책도 필요로 하다. 교류의 경우 아크가 발생해도 전압이 주기적으로 교번하기 때문에 전류 영점이 존재하여 아크를 쉽게 소호시킬 수 있지만, 직류의 경우 전압이 일정하게 유지되기 때문에 전류 영점이 없어 아크 소호에 어려움이 있다. 발생한 아크는 전력 시스템에서 온도 상승으로 인한 화재 사고와 감전 사고로 이어질 수 있다. 따라서 DC 계통에서의 전압 변동에 대한 유지조건과 아크로 인한 화재 및 감전 사고에 대한 대책과 보완이 필요하다.

3.1 MVDC 그리드 적용 개소

MVDC 배전망 기술 적용에 대한 관심이 점점 증가하고 있다. 앞서 언급한 직류 철도, 직류 선박, 빌딩용 직류배전에 대한 적용성이 확보되고 있으며, 또한 분산 에너지 자원(DER)이나 DC 전압을 이용하는 부하 간 연결을 위한 그리드에 MVDC를 적용하고자 하는 논의가 지속되고 있다^[25-26].

철도와 같은 운송 시스템이나 데이터 센터는 DC 기반 부하의 대표적인 예이다. 이러한 부하에 대해 DC 배전 기술을 적용할 경우 변환 과정에서 발생하는 손실이 줄어드는 이점이 있다. 또한 DC/DC 컨버터를 통한 DC 부하나 DC 발전원의 증가, 배터리 에너지 시스템의 통합은 MVDC 도입의 주요 요인이 될 것으로 예상된다.

MVDC 그리드의 적용 예상 사례 및 특징은 다음과 같다.

첫째, 변전소간 연결망으로의 적용이다. 계통이나 그리드 간 연결은 계통의 단락 용량이나 유효전력 및 무효전력 제어, 계통의 용량 및 회복력 향상, 전력 흐름 제어 등의 목적으로 시행되나 계통 간 위상각/주파수 차이, 고조파 문제, 각 계통의 접지 방식 차이 등의 문제로 인해 제한이 존재한다. 계통 간 연결 목적으로 Back-To-Back 형태의 컨버터를 설치하여 조류의 흐름을 제어하는 개념을 Soft-Open Point(SOP)라고 하며, 영국의 변전소 간 20MVA 전력 링크가 대표적인 예시 중 하나이다^[27].

둘째, AC 배전의 DC 배전으로의 전환이다. 기존의 AC 선로를 DC 선로로 변환하면 기존 그리드의 용량을 크게 늘릴 수 있다. 길고 혼잡한 배전 그리드에서 선로의 전환은 전력 용량을 증대시키는 효율적인 해결책이 될 수 있다. DC 배전으로의 전환은 전력 전달을 증대시킬 뿐만 아니라 그리드의 양 측에서 STATCOM을 이용하여 그리드의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 기존 AC 가공 선로를 DC 케이블로 교체함으로써 계통을 확장시키지 않은 채로 송전 용량을 20~80% 증대시킬 수 있으며, 그리드가 안정화된다는 이점이 있다.

셋째, 도시의 대규모 부하 연결용으로의 적용이다. AC 선로를 통해 도심에 새로운 송전 용량을 추가하는 것은 비용이 많이 들지만, DC 선로를 통해 연결할 경우 AC 가공선로에 비해 공간이 덜 필요하며 더 많은 전력을 전달할 수 있어 실용적인 해결책이 될 수 있다. 또한 도심에서 주로 이용되는 지하 접지 방식은 용량성 전류로 인한 문제를 야기하는데, DC 선로를 이용할 경우 이러한 문제를 예방할 수 있다. MVDC 그리드는 LVDC 소비자나 도시 내에서 대형 DC 부하와의 연결이 필요한 공급자에게 변환 과정에서 발생하는 손실을 줄이기 위해 제공되거나, AC 그리드의 잠재적 전력 품질 문제를 방지하고 배전 선로 간 전력 교환을 위해 이용된다.

넷째, 원격 부하 연결용으로의 적용이다. 작은 섬과 같은 일부 지역사회는 전력망에 연결되어 있지 않으며 필요에 따라 값비싼 지역 발전에 의존하고 있다. 이러한 경우 MVDC 송전선로나 가공선을 설치함으로써 본토의 전력망에서 전력을 전달받아 연료 전달, 저장, 디젤 발전기 유지보수와 같은 비용을 절감할 수 있다.

다섯째, 신재생 에너지의 DC 연결망으로의 적용이다. 10~20MW 규모의 풍력, 태양광 발전과 같은 분산 발전 시설은 일반적으로 100kVac 이상 송전 계통이나 MV 측의 HV/MV 변전소에 직접 연결된다. 계통 네트워크 확장을 피하기 위해 새로운 분산 발전 시설을 더 멀리 위치한 기존 HV/MV 변전소에 연결할 수 있다. 주요 사례로 해상 및 육상 풍력 발전 시설을 MVDC 그리드와 연결하여 전력 수집 효율성을 향상시키거나, 대규모 태양광 발전 시설과 MVDC 그리드를 연결하는 방식이 존재한다. 이러한 경우 풍력 발전 터빈 내 공간 요구사항이 감소하고, 고전압 태양광 패널을 MVDC 인버터에 직접 연결할 수 있으며 전력 변환 과정에서 발생하는 손실을 저감할 수 있다.

여섯 번째, 산업용 그리드 간 연결이다. 산업용 그리드 간 연결은 전력 변환 시스템을 통해 공급자 측 그리드와 소비자 측 그리드를 연결하는 것으로 구성된다. 산업용 전력망과 공공 전력망 사이 전력 교환이 필요한 경우 그리드 연결 시스템을 통해 연결함으로써, 서로 다른 주파수를 지닌 전력망 간 비동기 연결이 가능하게 하여 원활한 전력 전송을 가능하게 하고 고조파가 공공 전력망으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 대표적인 예로 인도네시아에서 수력/화력 발전 시스템과 아크로 간의 원활한 전력 공급과 무효전력 보상을 위해 설치된 19MW 그리드가 있다.

또한 산업 시설이 다른 주파수를 이용하는 국가로 이동하는 경우 기기를 교체하거나 개조하는 대신 산업 계통에 연결하여 기존의 기기를 그대로 이용할 수 있다. 관련 사례로 이탈리아(50Hz)에서 멕시코(60Hz)로 공장을 옮기며 기계의 교체 없이 생산 라인을 유지할 수 있도록 설치된 1250kVA 정지형 주파수 변환기가 있다^[28]. 혹은 마이크로그리드에서 생산된 전력의 초과분을 지역 전력사회에 다시 판매하거나 구매할 수 있게 함으로써 이점을 얻을 수 있으며, 50Hz/60Hz 간 주파수 변환의 필요성이 적어진다.

일곱 번째, 해안 전력 수송용으로의 적용이다. 일반적으로 해양 플랫폼은 본토의 전력망에 연결되지 않으며 필요에 따라 고비용의 지역 발전에 의존하고 있으며 이에 대한 대안으로 AC 해저케이블을 이용한 해상 back-to-back 컨버터 설치, 혹은 본토의 터미널과 해안의 터미널 사이 MVDC point-to-point 컨버터 설치 방식이 제시되고 있다. 두 경우 모두 유효전력, 무효전력을 제어할 수 있는 안정적인 전원 공급, 변압기의 사전 자화에 필요한 과부하 공급 능력을 제공할 수 있는 이점이 있다. 관련 사례로 북해의 유전 및 가스전에는 HVDC 기술을 적용하여 운용하고 있으며 최근에는 80kV, 100MW 규모의 변환소가 설치되었다^[29].

결론적으로, 산업용 그리드 연결 적용은 지역 산업 시설과 배전 그리드 간 서로 다른 주파수 및 위상 변화와 같은 특정 그리드 간 상호 연결 문제를 해결하는 데 효과적이다. MVDC 그리드는 최초의 시연 프로젝트 이후 배전 및 송전 그리드에서 빠르게 발전하고 있으며, MVDC 시스템의 대규모 구현은 다양한 적용 분야에서 해결책으로서의 적용을 발전시킬 수 있을 것이다.

3.2 MVDC 그리드 구현을 위한 전기안전 요소 기술 분석 및 향후 과제

앞서의 고찰을 통해 MVDC 그리드망 구축시 기존 교류망과 달리 전기 안전 관련 고려해야 하며, 관련 기기 개발시 요구되는 사항은 다음과 같이 정리할 수 있다.

첫째, MVDC 그리드 과전류 및 단락 등의 전기안전 위험 및 초래 결과 등에 대한 분석. 특히 케이블 및 장비 결함, 전력변환 장치 오작동, 비정상 동작 조건 등에 대한 검토가 필요하다.

둘째, 과전류 및 단락시케이블, 변압기 등 기기의 손상, 화재 및 아크 플래시 위험성, 전원 공급 중단 및 시스템 불안정성 검토가 요구된다.

셋째, MVDC 그리드 기기 절연 실패 및 접지 방식에 따른 기술 요구조건 조사 분석. 특히 절연재료 노화 특성, 환경 특성, 과전압 등에 대한 종합적인 원인 검토가 필요하다. 또한 절연 실패 시 발생 가능한 영향 분석, 접지 결함, 감전, 장비 손상 요인 분석 조사가 진행되어야 한다.

넷째, MVDC 그리드 내 아크 플래시, 화재 위험 요인 및 EMI 영향 분석, 아크 플래시 사고 원인 및 영향 분석 진행, EMI 발생 요인 및 전력기기에 미치는 영향 분석이 필요하다.

다섯째, 전력변환기기(컨버터, 인버터)의 전기안전 위험요소 분석 및 전기 안전 전략 도출이 필요하다. 전류형, 전압형 전력변환 장치 및 MMC 등을 고려한 전기 안전 관련 토폴로지별 분석. 전력변환기기의 사고 동작 및 잠재적인 안전 위험 분석 및 점검 방안이 모색되어야 한다.

여섯 번째, 변압기, 리액터, 케이블 등 DC 절연 위험 인자를 가진 기기에 대한 절연 요구사항 분석을 통한 직류 배전 전력기기의 전기안전 검사∙점검기준 수립을 위한 절연 평가항목이 제시되어여 한다. DC 그리드 절연 취약 인자 감지, 진단 감시 기법 제시, 고장점파악 및 선로 분리, 보호 협조를 위한 방안 분석 등에 대한 방향성 제시가 필요하다.

일곱 번째, MVDC 그리드의 스위치 기어 및 보호 장치 요구 특성에 따른 전기안전 방향 제시. 적절한 그리드 보호를 위한 스위치기어 기술 채택 필요성 분석, 회로 보호를 위한 차단기 및 퓨즈 적정성 및 적용성 분석이 필요하다.

여덟 번째, MVDC 그리드 관련 케이블 적합성 분석 및 케이블 적용방안 분석, 화재 등 전기안전 위험 요소 최소화를 위한 방안 분석 케이블 결함 및 열화 등 손상 징후를 식별하기 위한 감시진단 및 사고 위치 파악 기술 등에 대한 분석 및 연구가 필요하다.

아홉 번째, MVDC 그리드 적용확대 및 안전관리 기술 전략안 도출이 요구된다. 구체적으로 그리드 구성 기기/시스템 분석. 과전류 및 단락 등의 전기안전 위험 및 초래 결과 등에 대한 분석을 통한 전기안전 정책 방향 모색이 필요하다. 또한 국내 직류 배전 시스템 적용 확대를 위한 방안 제시 및 직류 배전 시스템 구성 설비의 향후 기술발전 방향 및 전망 조사가 요구된다. DC 그리드 도입에 따른 안전검사 기술 개발 전략 및 직류 설비 확대 대응을 위한 전기안전 정책 기술 로드맵 수립이 필요하다.

마지막으로, MVDC 그리드 구현시 연구 및 개발이 필요한 주요 인자 및 내용등을 간략 정리하여 제시하고자 한다.