中, 양자센서 '다이아몬드 링'으로 전력망 보호...대규모 정전 사전 차단

중국이 전력망 대규모 정전을 방지하기 위해 양자 기술을 활용한 '다이아몬드 링' 센서 시스템을 개발해 실용화에 성공했다고 지난달 30일(현지시각) 홍콩에서 발행되는 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

이 시스템은 전력망 불안정을 실시간으로 감지해 유럽에서 발생한 것과 같은 파괴적인 정전으로부터 중국 전력망을 보호하는 역할을 한다.

다이아몬드 센서의 양자 특성에서 영감을 받은 이 기술적 돌파구는 전 세계 국가들이 재생 에너지 변동성과 노후화된 인프라로 인한 정전 문제와 씨름하는 가운데 개발됐다.

지난 4월 스페인, 포르투갈, 프랑스가 전력망 진동으로 유럽의 상호 연결된 네트워크에서 단절돼 대대적인 정전으로 마비됐을 때 이 기술의 긴급성이 부각됐다. 지난해 중국 신장 지역에서도 태양열과 풍력의 변동으로 지역 전력망이 불안정해지는 비슷한 혼란이 발생한 바 있다.
이러한 사고는 재생 에너지가 에너지 전환의 대부분을 차지함에 따라 날씨에 의존하는 예측 불가능성으로 인해 기존 모니터링 시스템에 부담을 준다는 중요한 과제를 부각시켰다.

중국과학기술대학교(USTC)와 스테이트 그리드 코퍼레이션이 공동으로 설계한 '다이아몬드 링'은 질소 공극 양자 센서를 내장한 토로이달(도넛 모양) 장치로, 전력선의 고정밀 센티넬 역할을 한다.

이 시스템은 극한의 온도와 해류에서 0.05%의 정확도로 자기장 변화를 감지하여 위험한 진동이 재앙으로 이어지기 전에 포착한다. 110kV 변전소에서 성공적으로 테스트된 이 혁신은 전력망을 강화하려는 중국의 광범위한 노력을 반영한다.

올해 초 중국 남서부 류저우에서는 세계 최초의 초고압 양자 센서가 첫 선을 보이며 전례 없는 회복력을 선보였다. 이러한 양자 도구들은 함께 중국의 방대한 인프라와 최첨단 과학을 결합하여 에너지 격변의 시대에 전력 공급을 안정적으로 유지하는 새로운 방어선을 형성하고 있다.

모든 전력망이 안정적으로 작동하려면 일정한 주파수를 유지해야 한다. 갑작스러운 변동은 전체 시스템을 위태롭게 하는 연쇄 반응인 진동을 유발할 수 있다. 일반적인 원인은 큰 전기 부하의 갑작스러운 추가나 제거로, 이는 발전과 수요 간의 균형을 깨뜨려 잠재적으로 연쇄적인 고장으로 이어질 수 있다.

중국과학원 소속 궈광칸 교수가 이끄는 팀은 스테이트 그리드 안후이 전력 연구소 및 궈셩 퀀텀과 협력하여 양자 변류기(QCT)를 개발했다. 이 결과는 지난 3월 동료 심사 저널인 APL Photonics에 발표됐다.

QCT는 토로이달 자기 차폐 루프에 균일하게 배열된 4개의 섬유 통합 다이아몬드 센서를 특징으로 하여 '다이아몬드 링'이라는 별명을 얻었다. 핵심은 다이아몬드의 질소 공극(NV) 센터의 양자 특성이다.

이러한 NV 센터는 자기장이나 전기장 변화와 같은 미세한 환경 변화에 반응하는 매우 민감한 양자 상태를 가지고 있다. 또한, 일관성 시간이 길어 장기간에 걸쳐 안정적인 고정밀 감지가 가능하다.

다이아몬드 센서와 광섬유를 자기 차폐 링에 내장함으로써 이 장치는 자기장 감지를 통해 비침습적으로 전류를 측정한다. 일련의 설계 최적화를 통해 팀은 신호 대 잡음비를 크게 개선하고, 전류 측정의 동적 범위를 확장하며, 온도 관련 오류를 최소화했다.

실험실 테스트에서 QCT는 0-1000 암페어의 고선형 범위에서 0.05%의 최대 전류 측정 정확도를 달성했다. 이 장치는 안후이성 허페이에 있는 110kV 변전소에 성공적으로 배치되어 교류를 실시간으로 모니터링하고 전력망 애플리케이션에서 양자 감지 기술의 실용적 잠재력을 검증했다.

중국과학원 양자 정보 핵심 연구소의 부연구원인 장사오춘 제1저자는 "이 QCT는 고전압 전송에서 양자 전류 감지를 위한 강력하고 확장 가능한 플랫폼을 제공한다"며 "운영 및 유지 관리의 복잡성도 단순화한다"고 설명했다.

올해 초에는 중국남방전력망이 주도하는 세계 최초의 ±800kV 초고압 직류 양자 센서가 국가 제품 인증을 통과했다. 4월 류저우에 설치된 이 센서는 섭씨 영하 40도에서 85도에 이르는 넓은 온도 범위에서 밀리암페어에서 수만 암페어까지 전류를 측정할 수 있어 초고압 DC 송전선 확보에 필수적인 기능을 제공한다.

이러한 기술은 전류 계량, 장비 상태 감지, 장거리 전력 전송의 안전성 보장을 위한 최소 침습적 솔루션을 제공하며, 재생 에너지 시대의 전력망 안정성 확보에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com