[공학저널 김하늬 기자] 전력에도 품질이 존재한다. 품질이 좋은 전력은 고효율·저비용의 효과를 나타낼 수 있기 때문에 해외의 경우 에너지 절감 차원의 전력 관리를 넘어 원 전력의 효율을 얼마나 높일 수 있는지에 대한 관리의 중요성이 부각되고 있다.
국내에서도 전력을 효율적으로 관리하기 위한 기술이 개발되고 있으며, 대국민 교통수단인 철도 역시 마찬가지로 전력의 품질 관리는 매우 중요한 요소로 손꼽히고 있다.
재난·안전사고 방지와 전기철도, 고속선 개발에 따른 안정적인 전력공급을 위해 국내 철도 기술에서도 전력전자 분야의 연구가 주목받고 있으며, 기존의 아날로그 설비에서 디지털 설비로 변모를 꾀하고 있다.
이 가운데 국산 기술로 철도에 안정적이고 효율적으로 전력을 공급하는 기술이 개발돼 눈길을 끌고 있다. 바로 ‘철도 전력품질 개선용 스마트 제어장치’가 그것이다.
전기철도 부하는 대용량의 단상 이동 부하로, 전기철도차량 기동 시 부하 변화가 매우 크고 급격한 특징이 있다. 이로 인해 전압강하, 역률저하, 고조파 발생 등 다양한 전력품질 문제가 발생하게 된다.
이로 인해 발생한 여파는 상위 계통에 영향을 끼쳐 전기철도 계통의 전력 공급에 차질을 발생시키게 된다. 품질이 나쁜 전기는 전력요금대비 효율성이 많이 떨어지며, 각종 전력 설비들에 악영향을 발생시켜 수명을 단축시키고 화재 등 사고 발생의 원인이 되기도 한다.
이를 해결하기 위해 개발된 철도 전력품질 개선용 스마트 제어장치는 전력품질의 문제를 해결하는 100% 전력전자 기술과 감시·제어 장치를 융·복합한 기술이다.
특히 기존 아날로그 방식의 철도 설비와 달리 디지털장비로 개발돼 원가절감, 설치공간 축소, 안정성 확보를 꾀했으며, 고가의 외산장비를 국산 기술로 대체해 40% 이상 원가 절감 효과를 나타낸다는 것이 특징이다.
무엇보다 통합형·일체형 장치로서 전압변환기 없이 특고압에 직접 연결해 운영하는 국내 최초 개발 장비라는 점 역시 눈여겨 볼만하다.
중소벤처기업부와 국가철도공단, ㈜삼문E&I가 공동 개발한 이 기술은 현장 실증시험을 토대로 춘양변전소에 시범 설치해 검증을 완료했으며, 현재 의정부 전철변전소와 옥천 전철변전소에 설치되고 있다.
추후 일반철도와 고속철도 전철변전소, GTX 등 전압보상이 필요하고 전력품질 저하가 발생하는 모든 구간에 추가 확대 적용 예정인 이 기술은 철도뿐만 아니라 송변전, 배전, 역사전력 및 일반공장들과 석유화학플랜트, 철강 등 모든 분야에 적용 가능하다는 점 역시 장점으로 손꼽히고 있다.
이러한 기술을 공동 개발한 삼문E&I 서우석 대표이사(사진)는 “고속선의 대중화로 인한 철도 전기와 전력 설비들의 특수성에 의한 문제점들이 발생해 개선이 필요했지만, 기존 아날로그 기술의 한계, 전력전자 기술의 부재와 그 기술을 제품화 할 수 있는 역량 있는 기업 소싱에 어려움이 있었다”며 “해외 관련 기술과 제품이 일부 존재하나 비용이 너무 고가이고, 국내 철도의 특수성을 고려했을 때 그대로 적용하기에 한계가 있었다. 때문에 국가 R&D를 통한 제품과 기술의 국산화와 국내 철도의 현황과 특수성에 맞춘 적합 기술 개발을 위해 철도공단과 함께 기술개발을 진행하게 됐다”고 기술 개발의 배경을 설명했다.
삼문E&I는 전기철도 계통의 전력품질 향상을 위한 기술을 주력으로 개발해 왔으며 특히 이번 철도 전력품질 개선용 스마트 제어장치 개발에서 변압기의 중성선에 흐르는 영상분 고조파를 근원적으로 발생시키지 않도록 ‘STATCOM’ 기술을 적용해 눈길을 끌었다.
기존 설치되고 있는 많은 설비들에 100% 전력전자 반도체 적용 기술을 적용해 원가 절감, 설치면적 감소, 효율 증대, 안정성 확보에 큰 장점을 갖고 있으며, 기존 외산 제품의 A/S 기간 만료 후 유지보수의 어려움을 극복한 국산화 기술이라는 차별 점을 갖는다.
서 대표는 “지난 2012년도부터 국가철도공단과 스마트 급전 제어장치 개발을 진행하며 전력계통 분야의 본격적인 연구개발을 시작했다. 2015년 아날로그 전력설비의 디지털화 관련 연구과제를 수행하며 철도의 안정적인 전력공급을 위한 기술과 제품을 개발했으며 이후 변전소의 FullDigital화와 IoT와 접목되는 설비 개발 등 디지털화와 전력전자분야 기술을 개발하고 있다”며 “공단과의 협업은 개발단계부터 제품의 판로확보를 통해서 기술개발 의욕을 고취하고, 각종 지원을 통한 국산화, 해외시장 개척 및 신제품 개발 촉진 등 이점이 매우 많다. 또한 구매조건부 신제품기술개발사업을 지원함으로써 기업은 신기술 개발에 매진할 수 있는 장점도 가지고 있다”고 설명했다.
이를 바탕으로 현재 삼문E&I는 전차선로에 필요한 기술을 개발하고 있다. 영상장치 및 라이다를 이용해 횡단구조물(교량, 터널입구, 선상역사) 변형과 자갈도상 변형을 예지할 수 있는 기술을 개발 중인 것이다. 또한 차량기지의 비상전원을 위한 변전설비를 간소화 하고 노선말단, 상용 전철전원으로도 사용할 수 있는 간이변전 설비의 개발도 준비 중에 있다.
향후 삼문E&I는 기존 철도관련 유지보수 사업과 각 부품, 장비들의 표준화·호환성에 집중할 계획이다.
서 대표는 “국내 철도 핵심기술과 장비를 해외기술에 의존하지 않고, 국내에서 생산하게 되면 품질과 안정도 향상은 물론, 가격 경쟁력을 확보할 수 있으며 더 나아가 중소기업 중심의 철도 기술과 산업 혁신도 이뤄질 수 있는 상황”이라며 “삼문E&I는 앞으로도 철도의 송변전, 배전 등 전력의 품질개선과 원격감시제어분야, 디지털변전소(IED) 및 이동형 객체 영상검출장치 등 AI 분야를 책임지고 리드해 나갈 수 있는 기반을 마련하고, 철도 전력설비의 디지털화 선두 그룹으로 끊임없는 연구개발과 핵심 역량을 갖출 수 있도록 도약하며 노력하는 기업으로 성장해 나아갈 것”이라고 전했다.
