제1장 발전기

제1절 전기이론

1. 전기 기초 이론

2. 직류 회로

3. 교류 회로

제2절 발전기 개요

1. 발전기 개요

제3절 발전기 구조

1. 개  요

2. 고정자(Stator)

3. 회전자(Rotor)

4. 냉  각

제4절 보조설비

1. 밀봉유 계통

2. 수소가스 제어계통

3. 고정자 냉각수 계통

제5절 발전기 부속설비

1. 단자 부싱(Bushing)

2. 상분리 모선(IPB : Isolated Phase Bus)

3. 중성점 접지

4. 서지 흡수장치(Surge Absorber)

제6절 여자기와 자동전압조정기

1. 여자(勵磁機 : Excitor))

2. 자동전압조정기(AVR)

제7절 발전기 운전

1. 발전기 운전

2. 병렬 운전

3. 수요 변동에 따른 부하각 변화

4. 가능출력곡선

5. 진상(進相) 운전

제8절 발전기 관리

1. 온  도

2. 진  동

3. 축전압

4. 집전환(集電環 : Collector Ring)

제9절 발전기 보호계통

1. 개  요

2. 용어 해설

3. 발전기 고장종류와 조치

4. 보호계전기 종류와 역할

제1절 전기이론

	학 습 목 표
1. 전기의 발생원리를 설명할 수 있어야 한다. 2. 전기에 대한 기본 용어를 정확히 설명할 수 있어야 한다. 3. 교류회로와 교류전력에 관하여 정확히 설명할 수 있어야 한다.

1. 전기 기초 이론

전기란 전류의 흐름, 즉 물체 속에 존재하는 하나의 작은 전자가 한 곳으로부터 다른 곳으로 옮겨갈 때 일어나는 현상을 말하며, 전류에 의한 자기작용과 전자유도 작용의 기본원리 이해를 통해 앞으로 배울 발전기와 전기설비 전반에 대한 기초지식을 넓히는데 그 목적이 있다.

가. 전자(電子 : Electron)

(1) 전하(電荷 : Electric Charge)

물체가 전기를 띠게 되는 현상을 대전(Electrification)되었다고 하며, 전기를 띤 물체를 대전체라고 부른다. 이때 이와 같은 대전현상에 의해서 물체가 가지는 전기 또는 전기량을 전하라고 한다. 전하에는 양(+)전하와 음(-)전하의 두 종류가 있다.

전기량의 단위로는 쿨롬(Coulomb)을 사용하며 단위는 [C]로 나타낸다. 특히 전자 1개의 전기량은 -1.602 ×[eqn: 10^-19] [C]이며, 1[C]의 전기량은 6.25×[eqn: 10^18]개의 전자를 갖는다.

(2) 자유전자(自由電子 : Free Electron)

모든 물질을 작게 세분하여 가면 그 이상 세분할 수 없는 미립자로 되어 있는데 이를 원자(Atom)라고 한다.

이들 원자는 (+)전기를 가진 원자핵과 그 주위를 회전하는 (-)전기를 가진 전자로 구성되어 있고 , 원자핵 내에는 전자와 같은 수이 (+)전기를 가진 양성자와 전기를 띠지 않은 중성자로 구성되어 있다.

원자핵 주위를 돌고 있는 전자 중에서 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자를 최외각 전자라고 부르며, 이들 전자는 원자핵과의 결합력이 가장 약하므로 외부로부터 각종 에너지가 주어지면 에너지를 흡수하여 원자핵의 구속으로부터 쉽게 이탈하게 된다. 따라서 그 물질 안에서 자유로이 움직일 수 있게 되므로 이를 자유전자라고 부르며, 결국 전기의 여러 가지 현상 및 작용은 대부분 이들 자유전자의 이동에 의한 것이다.

전류는 이 자유전자의 이동으로 인한 것이다.

나. 전류(電流)

정‧부로 대전된 두 도체에 가느다란 도선을 연결하면 두 대전체 사이에는 전위차에 의하여 전하의 이동이 나타난다. 이 전하의 이동을 전류라 한다.

단위는 암페어(Ampere)로 [A]와 같이 나타내며, 전류의 크기는 도체의 단면을 단위시간에 통과하는 전기의 양으로 정의한다. 즉, 1초 동안에 1[C]의 전하가 이동했을 때의 전류의 크기는 1[A]가 된다.

따라서 t[초]동안에 Q[C]의 전하가 일정한 속도로 도체를 이동했을 때 전류의 크기 I[A]는 다음과 같다.

[eqn: I~=~{Q}over{t}~ rm [A]]

<그림 > 자유전자의 이동에 의한 전류의 방향

다. 전압(電壓)과 기전력(起電力)

(1) 전압(전위차)

<그림 2(a)>와 같이 수조 A와 B사이에 수위차가 H만큼 있으면, 이 수위차 H만큼 수압이 발생되어 수조 A에서 수조 B로 흐르게 되는데, 전류도 물의 흐름과 비슷하게 생각하면 이해가 쉽다.

<그림 2(b)>와 같이 도선에 전류를 흘려 전구에 불이 켜지려면, 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것과 같이 전기적인 높이의 차이가 필요하다. 이때 건전지의 양(+)극과 음(-)극 사이의 전기적인 높이의 차이를 전위차 또는 전압(Voltage)이라고 하며, 단위로 볼트(Volt)로서 [V]로 나타낸다.

<그림 > 수위와 수위차, 전위와 전위차

(2) 기전력[起電力(emf) : Electro Motive Force]

전지나 발전기처럼 전위차를 지속시켜 전류를 계속적으로 흐르게 하는 힘을 기전력이라 하며, 기전력의 단위는 볼트[V]를 사용한다.

○ 전원(電源) : 전지와 같이 기전력을 가지고 전류를 지속적으로 흐르게 하는 공급원이다. 전류와 전압이 그 방향과 크기가 시간의 경과에 따라 어떠한 형태로 변화하는가에 따라 직류 또는 교류로 분류된다.

라. 직류(直流)와 교류(交流)

전류와 전압의 그 크기와 방향이 시간의 경과에 따라 어떠한 형태로 변화하는 가에 따라 직류 또는 교류로 분류된다.

(1) 직류

<그림 3(a)>와 같이 전류 또는 전압의 크기와 방향이 항상 일정한 전기를 직류(DC ; Direct Current)라 한다.

(2) 교류

<그림 3(b)>와 같이 전류 또는 전압의 크기와 방향이 시간에 따라 변화하는 전기량을 교류(AC ; Alternating Current)라 하며, 이때 교류의 크기와 방향이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸 것을 파형이라 한다.

<그림 > 직류와 교류

마. 자석(磁石)과 자기(磁氣)

(1) 자석(Magnet)

자석이 철편을 끄는 성질을 자기라 하며, 그 물체를 자석이라 한다. 이때 작용하는 힘이 가장 강한 부분을 자극이라 한다.

<그림 4>그림과 같이 자석을 수평으로 매달았을 때 북쪽을 향한 자극을 N극, 남쪽을 향한 자극을 S극이라고 한다. 자석은 전동기, 발전기, 전화기, 라디오 등 기타 각종 전기기계로부터 간단한 생활기구에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다.

<그림 > 자석

(2) 자장(磁場) 또는 자계(磁界)

자석의 자극은 주위의 물질에 대하여 자기적인 힘이 미치는 데 이 힘을 자기력(Magnetic Force)이라 하며, 자기력이 미치는 공간을 자장 또는 자계라고도 한다. 자계의 상태는 눈으로 보이지 않으므로 자계의 상태를 표시하는 선을 가상하여 자계의 크기와 방향을 나타내며, 자계의 크기와 방향을 함께 나타낸 것을 자계의 세기라고 한다.

(3) 쿨롱의 법칙

자극 간에 작용하는 자력의 크기는 두 자극의 힘의 곱에 비례하고 자극간 거리의 제곱에 반비례하며, 자극이 같은 경우에는 서로 밀고, 다른 경우에는 서로 당긴다.

자석의 세기가 m1[Wb], m2[Wb]인 자극이 진공 중에서 r[m]의 거리에 있을 때 자극 간에 미치는 자력의 크기 F[N]는 다음 식으로 표시한다.

[eqn: F=6.33×10^4 × {m_1 m_2} over r^2 rm[N~]]      [Wb] : 자속의 단위

[N] : Newton

◦ 1[Wb] : 진공 중에서 서로 같은 세기의 두 점자극을 1[m] 거리에 놓았을 때 작용하는 힘이 6.33 × 104[N]이 되는 것을 단위로 하여 1 웨버[Wb]라 한다.

(4) 자력선(磁力線)

<그림 5(a)>와 같이 막대자석 주위에 쇳가루를 뿌려 두면 자력의 방향으로 선의 모양을 이루게 되는데 이와 같은 자계를 나타내는 가상적인 선을 자력선이라 하며, 이들 자력선은 N극에서 나와 S극으로 돌아간다.

<그림 >  자력선

(5) 자속(磁束 : Magnetic flux)

자력선은 자극의 위치와 주변 매질에 따라서 개수가 달라진다.  이러한 불편을 없애기 위해 자극이 어떤 매질 중에 있더라도 ＋m[Wb]의 자극에서는 언제나 m개의 자력선이 나온다고 가정하여 이 선에 의해서 자계의 상태를 나타내도록 한다. 이와 같은 자력선을 자속이라 하며, 기호는 φ, 단위는 자극의 세기와 같은 단위인 웨버[Wb]를 사용한다.

자속으로서 자계의 크기나 자성체 내부의 자기적인 상태를 나타내기 위하여 자속의 방향에  수직인 단위면적 1[㎡]를 통과하는 자속의 수를 취하여 이것을 자속밀도(Magnetic Flux Density)라 하며, 기호는 B, 단위는[Wb/㎡] 또는 테슬라(Tesla)[T]가 사용된다.

바. 전류와 자기(磁氣)

(1) 자장(磁場)의 방향

도체에 전류가 흐르면 도체 주위에는 흐르는 전류에 의해 자계가 발생된다. 전류의 방향을 오른나사가 진행하는 방향으로 일치시킬 때, 전류에 의해 생기는 자계의 방향은 오른나사가 회전하는 방향과 일치하는데, 이것을 앙페르(Ampere)의 오른나사법칙 또는 오른손법칙이라 한다.

즉 오른나사법칙은 전류가 오른나사의 진행방향으로 흐르면 자계는 그 나사의 회전방향으로 발생한다. <그림 6(b)>는 이런 관계를 평면상에 표시한 것으로 ⊗표시는 전류가 지면으로 들어가는 방향을, ⊙표시는 지면에서 나오는 방향을 표시하고 있다.

<그림 > 전류 오른나사 법칙

(2) 직선 전류에 의한 자장(磁場)의 세기

어느 점의 자장의 세기는 전류의 크기, 그 점과 전류와의 거리, 그 점까지의   매질 등에 따라 달라지며, 진공 중에서 직선 도체에 I[A]의 전류가 흐르고 있을 때 도체에서 r[m] 거리에 있는 점의 자장의 세기 H[AT/m]는 다음 식으로 표시한다.

[eqn: H= I over {2πr} rm[AT/m]]

(3) 기자력(起磁力)

자속을 만들 수 있는 원동력이 되는 것을 기자력이라 하며, 자속은 코일의 권수 N이 많을수록, 또한 흐르는 전류 I가 클수록 커진다.

따라서 기자력은 전류 I와 코일의 권수 N을 곱한 것, 즉 NI에 비례한다. 단위는 암페어 턴(Ampere Turn)으로 [AT]를 사용한다.

<그림 > 전류에 의한 자장의 예

(4) 전자석(電磁石)

<그림 8(a)>와 같이 코일에 전류 I를 흘리면 코일 내부에 자장이 생긴다. 이 코일 안에 <그림 8(b)>와 같이 철심을 넣으면 철심은 코일 내부의 자장에 의해서 자화(磁化)되어 전자석으로 된다. 전자석의 자극 세기는 코일에 흐르는 전류에 의해서 변화시킬 수 있다.

이러한 전자석의 원리를 이용하여 발전기의 회전자에 계자(界磁)전류(전자석을 만드는 전류)를 흘려 회전자를 자화(磁化)시킨다.

<그림 >  전자석

사. 전자력(電磁力)

2개의 자석을 가까이 하면 흡인력 또는 반발력이 작용한다. 또한 자계 내에 있는 도체에 전류를 흘려주면 도체가 힘을 받아 움직이게 되는데 이 힘을 전자력이라고 한다.

<그림 9>와 같이 장치에서 N, S의 자계 내에 있는 코일에 직류 전류를 흘려주면 코일은 화살표 방향으로 움직이게 된다. 이것은 코일에 흐른 전류와 자장 상호작용에 의하여 화살표 방향으로 힘이 생겼기 때문이다.

<그림 >  전자력의 발생

(1) 전자력의 방향

<그림 10(a)>와 같이 왼손의 집게손가락을 자계의 방향 B, 가운데손가락을 전류의 방향 I에 일치시키면, 엄지손가락의 방향으로 전자력 F가 발생되는데, 이와 같은 현상을 설명한 것이 플레밍의 왼손법칙이라 한다.

(2) 전자력 크기

<그림 10(b)>와 같이 자속밀도 B[Wb/㎡]인 평등자계 내에 길이가 ℓ[m]인 도체를 놓고 도체에 I(A)의 전류를 흘리면 도체에 발생되는 전자력 F는 다음과 같이 된다.

F = BIℓ[N]

즉, 전자력 1[N]이란 자속밀도가 1[Wb/㎡]인 평등 자계 중에 1[m]의 길이인 도체에 1[A]의 전류를 흘릴 때 발생되는 힘이다.

<그림 >  전자력의 방향과 크기

아. 전자유도(電磁誘導)

<그림 11>과 같이 코일에 검류계를 연결한 후 코일 내부로 자석을 가까이 했다 멀리했다 하면 코일에 전류가 흘러 검류계의 바늘이 좌우로 움직인다. 이 현상을 전자유도라 하며, 이 전자유도는 자속의 변화에 의한 경우와 도체의 운동에 의한 경우로 나눌 수 있다.

<그림 > 자속변화와 전자유도 현상

(1) 코일 속의 자속수가 변화하는 경우의 전자유도

<그림 11>에 나타낸 것과 같이 자석을 코일에 가까이 하거나 멀리하면 검류계 바늘이 움직인다. 이것으로부터 코일 내에서 자장의 변화가 발생하면 전압이 유도되어 전류가 흐른다는 사실을 알 수 있는데, 이때 발생한 전압을 유도기전력이라 하고, 흐르는 전류를 유도전류라 한다.

(가) 유도기전력의 크기

코일과 교차된 자속이 변화할 때 생기는 유도기전력의 크기는 코일과 교차하는 자속의 매초 변화량과 코일의 감은 수에 비례한다. 이것을 전자유도에 관한 패러데이의 법칙(Faraday's Law)이라 한다. 따라서 N[회]감은 코일의 내부를 통하는 자속이 t[초]동안에 Φ[Wb]의 비율로 변화할 때에 유도기전력 e는 다음 식으로 표시한다.

e = (매초 변화하는 자속의 크기) × (코일의 감은 수)

=[eqn: {-N}Ф over t]  [V]

여기서 ( - )의 부호는 유도기전력이 자속의 변화를 방해하는 방향으로 발생한다는 것을 표시하고 있다. 또 NΦ를 자속 쇄교수라고 하며 유도기전력의 크기는 단위시간당 자속 쇄교수와 비례한다.

(나) 유도기전력의 방향

<그림 12>와 같이 코일을 지나는 자속이 증가될 때는 자속을 감소시키는 방향으로, 감소될 때는 증가시키는 방향으로 유도기전력이 발생해서 유도전류 ｉ가 흐른다. 다시 말해 유도기전력은 자속의 변화를 방해하려는 방향으로 발생된다. 이것을 유도기전력의 방향에 관한 렌즈의 법칙(Lenz‘s Law)이라고 한다.

<그림 > 유도기전력과 방향

(2) 도체의 운동에 의한 전자유도

<그림 13>과 같이 도체를 자속과 직각인 방향으로 움직이면 도체에는 움직이는 방향에 따라 유도기전력이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 이와 같이 도체가 자장 중에서 운동하여 자속을 끊을 때에도 유도기전력이 발생함을 알 수 있다.

<그림 > 도체운동과 전자유도

(가) 유도기전력의 크기

<그림 14(a)>와 같이 자속밀도 B[Wb/㎡]인 평등자장 내를 길이 ℓ[m]인 도체를 자장과 직각으로 놓고 자장 및 도체의 방향과 직각 방향으로 v[m/s]의 속도로 운동시켰을 때 유도되는 기전력의 크기 e는 다음 식으로 표시된다.

e = B l v [V]

(나) 유도기전력의 방향

도체의 운동에 의한 전자유도 현상에 의해 발생되는 유도기전력의 방향은 <그림 14(b)>와 같이 플레밍의 오른손 법칙에 따라 결정된다. 즉, 검지손가락이 자장의 방향일 때 엄지손가락 방향으로 도체가 운동을 하면, 결국 가운데손가락 방향으로 기전력이 유도된다는 법칙이다. 발전기는 플레밍의 오른손 법칙에 의한 원리로 구동된다.

<그림 >  유도기전력의 방향

2. 직류 회로

가. 옴의 법칙

전기회로에 흐르는 전류의 크기는 전압의 크기에 비례하며 저항에 반비례한다.

I(전류) = E(전압) / R(저항)

나. 직류전력(直流 電力)

<그림 >  직류회로

<그림 15>와 같이 R[Ω]의 저항에 I[A]의 전류가 흐를 때에 단위 시간당 I2R[J]의 열량이 발생한다. 이 열량은 전기에너지가 열에너지로 변환되어 생기는 것으로써 I2R은 이 회로에서 전류가 1초간에 하는 일에 상당한다.  이와 같이 전류가 1초 사이에 얼마만큼씩 일을 했느냐를 전력이라 하며, 전력의 단위에는 와트[W]를 사용하고 1[W]는 전압이 1[V]로 전류가 1[A]흐를 때의 전력으로 나타낸다. 회로의 전력 P는 전압을 E[V], 전류를 I[A], 저항을 R[Ω]로 하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: P=I^2 R =RI E over R = EI[W~]]

[eqn: P=I^2 R = R E^2 over R^2 = E^2 over R [W~]]

이상과 같이 전류에 의하여 어떤 일을 하는 것을 부하(負荷 : 발전기에 걸리는 일의 量)라고 한다.

다. 전력량

전류가 단위 시간당 하는 일(에너지)을 전력이라 하며, 전력량은 일정 시간에 전기가 한 일의 량을 말한다. 즉 P[W]의 전력을 t[시간] 동안 사용했을 때의 사용된 전력량 W는 다음과 같이 나타낸다.

전력량의 단위는 와트아워[Wh]로 표시하며, 1[Wh]는 1[W]의 전력을 1시간[h] 사용한 전력량에 해당된다.

큰 단위로 전력량을 표시할 때는 [kWh] 혹은 [MWh]로 나타낸다.

3. 교류 회로

가. 정현파 교류(正弦波 交流)

◦ 교류전압, 교류전류 : 시간, 크기 및 방향이 변화하고 주기적으로 같은 변화                           를 반복하는 전압, 전류

◦ 파  형 : 전압 또는 전류가 시간에 따라 변화하는 모양을 나타낸 것

◦ 정현파 교류 : 정현파형으로 변화하는 파형

(1) 정현파 교류의 발생 원리

<그림 16(a)>와 같이 ℓ[m], 반지름 r[m]인 4각형 도체를 자속밀도 B[Wb/㎡]인 평등 자장 속에서 속도 υ[m/sec]로 회전시킬 때에 도체에 발생하는 기전력 e[V]는

e = 2Bℓυ sinθ [V] = [eqn: E_m Sinθ]〔V〕

로 표시되고 <그림 16(b)>와 같은 정현파 교류가 된다.

<그림 > 코일에 발생하는 전압

(2) 주기(週期)와 주파수

<그림 17>과 같은 임의 파형의 교류에 있어서 그 교류파형이 완전히 한 번 변화하여 처음 상태로 되는 것을 1사이클이라 하며, 1사이클의 변화에 필요한 시간은 주기라 하여 T[s]로 나타낸다.

또한 주파수는 1초 동안에 반복되는 파형의 사이클 수를 말하며, 기호는 f를 사용하고 단위로는 헤르츠로서 [Hz]와 같이 나타낸다.

따라서 주파수 f와 주기 T 사이에는 다음의 관계가 성립된다.

ƒ = [eqn: 1 over T] [Hz],   T = [eqn: 1 over f][s]

<그림 >  주파수, 주기

(3) 위상차(位相差 : Phase difference)

<그림 18>에서와 같이 사인파 교류 과  사이에는 주파수는 같지만 시간적인 차이를 가지고 있다.

이와 같이 주파수가 똑같은 2개 이상의 교류 파형간에 시간적인 차이를 나타내는 데는 위상을 사용한다. 위상차는 2개의 교류 파형에서 어떤 임의 기점에 대한 상대적인 위치의 차(差)를 말한다.

위상차를 나타낼 때, [eqn: v_1]을 기준으로 하면 [eqn: v_2]는 θ만큼 위상이 뒤지고(Lag), [eqn: v_2]를 기준으로 하면 [eqn: v_1]은 θ만큼 위상이 앞선다(Lead)라고 말한다. 이때 [eqn: v_1]과 [eqn: v_2]의 위상차는 θ이다.

<그림 >  교류전압 V1, V2의 위상차(θ)

나. 교류의 표시 방법

(1) 순시값

<그림 18>에서와 같이 의 값은 시간이 경과함에 따라 매순간 변하게 되므로 이것을 교류전압의 순시값이라 하며, 순시값은 전압과 전류에 대하여 각각 ,  의 기호를 사용한다.

(2) 최대값(Maximum Value)

최대값은 순시값 중에서 시간에 따라 가장 큰 값을 말하며, 기호는 , 으로 나타낸다.

(3) 평균값(Average Value)

교류는 수시로 크기가 변화하기 때문에, 크기를 나타낼 때는 순간순간의 크기를 평균화한 값으로 크기를 나타내는 때가 있는데 이때 평균화하여 얻는 값을 평균값이라 한다. <그림 19>에서 점으로 표시된 부분과 빗금으로 표시된 부분과 같은 때의 크기 가 평균치가 된다. 정현파인 경우 최대치와 평균치의 관계는 다음과 같다.

[eqn: V_a= 2 over π V_m = 0.637 V_m ~[V~]]	( Va : 평균값, Vm : 최대값)

<그림 > 평균값

(4) 실효값 (Effective Value)

실효값은 교류 전류가 흐를 때 전류가 하는 일의 크기에 따라 정해진다. 순시값이나 평균값을 사용하여 전류의 세기를 표현하면 그 크기가 불분명하기 때문이다.

직류나 교류가 저항을 통과하게 되면 열이 발생된다. 따라서 실효치는 그 교류와 같은 열작용을 생기게 하는 직류의 값으로 표시된 값을 말한다.

실효값  = [eqn: sqrt {(I^2 의 ~1주기간의~ 평균)}]

즉, 실효값은 순시값을 제곱하여 평균한 값을 평방근으로 계산한 값이 된다.

<그림 > 실효값

최대값과 실효값의 관계는 정현파인 경우 다음과 같다.

[eqn: I= I_m over sqrt 2 = 0.707 I_m rm~[A]],	[eqn: V= V_m over sqrt 2 = 0.707 V_m rm~[V]]

일례로 가정에서 사용하는 100[V]의 교류전압은 실효값을 나타내는 것으로, 이 전압의 순간 최대값은 141[V]가 된다.

교류의 전압이나 전류의 크기는 특별한 언급이 없을 때는 실효치로 나타낸다.

다. 교류전류에 대한 R, L, C의 작용

교류회로의 부하는 저항 R, 인덕턴스 L, 정전용량 C 등으로 구성되어 있으며, 실제의 교류회로는 그것들의 요소가 여러 가지 형으로 조합되어 이루어지고 있다.

각 요소의 특성을 이해함으로서 부하의 특성을 알 수 있다.

(1) 저항(R)만 있는 회로

저항은 자유전자의 수와 전자가 이동하기 어려운 정도에 의하여 결정되는 물체 고유의 저항이므로 교류를 공급했을 때에도 직류를 공급했을 때와 마찬가지로 저항의 크기가 항상 일정하다.

<그림 21>과 같이 똑같은 저항에 직류전압 E와 교류전압 E를 공급하고 전류를 측정하면 <그림 21(a)>는 직류전류 Ia가 흐르고 <그림 21(b)>에서는 교류전류 Ia로서 똑같은 크기의 전류가 흐른다.  이상의 결과에 의하면 저항의 크기는 직류일 때나 교류일 때나 항상 일정하다는 것을 알 수 있다.

<그림 >  저항회로

<그림 22(a)>와 같이 저항에 직류를 공급할 때나 교류를 공급할 때를 막론하고 항상 저항의 크기가 일정하며, 저항에 흐르는 전류와 저항 양단의 전압은 항상 동위상(同位相)이 된다.

<그림 >  저항성 회로에서의 파형과 백터도

(2) 코일(인덕턴스 : L)만 있는 회로 (유도성)

코일에 교류를 공급했을 때 작용하는 코일의 저항은 자기유도 작용이 있으므로 유도성 리액턴스(Inductive Reactance)라 하며  로서 표시하는데 유도성 리액턴스의 크기는 다음과 같다.

2×3.14 × 주파수 × 자기유도계수 [Ω]

값은 코일 자체의 유도능력을 나타내며 코일의 권수와 형태 및 철심의 이상유무 등에 따라 결정되는 상수로 단위는 헨리[H]를 사용한다.

<그림 >  유도성 회로

예를 들면 <그림 23>과 같이 10[H]의 코일에 60 [Hz]의 교류를 공급하면 이 코일의 유도성 리액턴스 은

=2×3.14×60×10=3768[Ω] 으로 작용한다는 것이다.

<그림 24>와 같이 코일에 교류를 공급하면 코일에는 역기전력이 발생되는데, 이때 발생되는 역기전력()은 항상 공급전압과 반대 방향으로 발생하여 전류의 흐름을 방해하기 때문에 코일은 교류에 대해서는 저항으로 작용하는 것이다.

코일 성분인 유도리액턴스 회로에서 전류는 전압보다 늦어지고(遲相), 반대로 전압은 전류보다 앞선 위상이 된다.

<그림 >  유도성 회로

(3) 콘덴서(캐패시턴스 : C)만 있는 회로 (용량성)

<그림 >  용량성 회로

콘덴서에 교류를 공급했을 때 작용하는 콘덴서의 저항을 용량성 저항(Capacitive Reactance) 이라 하고 로서 표시하며 용량성 저항의 크기는 다음과 같다.

예를 들면 <그림 25>와 같이 10[μF]에 60[Hz]의 교류를 공급한다면 콘덴서는 [eqn: Xc= 1 over {2×3.14×60×10×10^-6} = 265] [Ω]의 저항으로서 작용하게 된다.

용량성 저항의 영향은 <그림 26>과 같이 전압과 전류의 위상차를 만들어 전류는 전압보다 앞선 위상이 되며 전압은 전류보다 늦은 위상이 된다.

<그림 >  용량성 회로

라. 교류전력

교류회로에서는 전류, 전압, 저항뿐만 아니라 또 다른 요소인 유도 리액턴스와 용량 리액턴스가 전력의 생산에 영향을 미치게 된다.  유도 리액턴스와 용량 리액턴스의 영향은 유효전력, 무효전력, 피상전력 등의 서로 다른 3가지 형태의 교류 전력을 만든다.

일반적으로 전력이라 하면 평균전력을 의미하며, 순시전력과 구별하기 위하여 대문자 P를 사용한다.

(1) 저항성(R) 회로의 전력

<그림 27>과 같이 교류의 처음 반주기 동안의 전압, 전류는 양(+)이므로 두 신호를 곱한 전력 또한 양(+)이 되는데 이 양의 전력은 전원으로부터 부하로 흐르는 전력이다. 또한 다음의 반주기 동안은 전압, 전류가 모두 음(-)이므로 두 신호를 곱한 전력은 일정하게 양(+)이 되어 전원으로부터 부하로 흐르게 된다.

이와 같이 저항에 공급되는 전기적 에너지는 모두 열에너지로 소비된다.

그러므로 두 경우 모두 발생되는 전력은 유효전력(有效電力)으로 일을 하는데 유용하게 사용되는 전력이다.

<그림 >  저항성 회로의 전력

(2) 유도성(L) 회로의 전력

순수한 유도성 교류회로에서는 전압과 전류의 위상이 다르므로(전압이 전류보다 앞선 위상), <그림 28>과 같이 처음의 1/4주기의 전압은 양(+), 전류도 양(+)으로 되는데 이 양의 전력은 전원에서 부하로 공급되는 전력이다.

두 번째 1/4주기 동안에는 전압은 음(-), 전류는 양(+)이므로 전력은 음(-)이 되어 부하에서 전원으로 되돌아오는 전력이다.

세 번째 1/4주기 동안에는 전압과 전류가 모두 음(-)이므로 전력은 양(+)이 되는데 이 양의 전력은 전원에서 부하로 공급되는 전력이다.

네 번째 1/4주기 동안에는 전압은 양(+), 전류는 음(-)이므로 전력은 음(-)이 되어 부하에서 전원으로 되돌아오는 전력이다.

따라서 순수한 유도성 교류회로에서 전원으로 되돌아오는 전력량은 부하에 공급하는 전력량(量)과 같다. 즉 평균전력은 제로(0)가 된다.

이 양(+)과 음(-)의 전력은 서로 감쇄되어 일을 하는데 이용되지 않는 전력이 되며, 이것을 무효전력(無效電力)이라고 한다.

<그림 >  유도성 회로의 전력

(3) 용량성(C) 회로의 전력

용량성 회로는 <그림 29>와 같이, 전압과 전류의 상호작용이 유도성 회로의 상호작용과 반대이고, 전류는 전압에 비해 앞선다(進相: Leading).

<그림 >  용량성 회로의 전력

그러나 전력 생산의 결과치는 유도성 회로에서와 용량성 회로에서의 값이 동일하다.(참조 : 유도성 회로)

따라서 양(+)의 전력과 음(-)의 전력은 상호 상쇄되어 아무런 일도 하지 못하게 된다. 용량성 회로에서는 진상 무효전력이 공급된다.

(4) 실제적인 교류회로

실제적인 교류회로에서 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스의 결합은 전압과 전류의 위상이 다르게 되는 원인이 되지만, 순수한 유도성, 용량성 회로만큼의 위상차가 생기지는 않는다.

<그림 30>은 위상차가 60°인 전압 전류에 대한 순시전력 , 평균전력 , 무효전력 와의 관계를 나타낸다.

<그림 >  실제 회로의 전력

마. 전력의 종류

(1) 유효전력 (有效電力) : Active Power

교류회로의 저항성 부하에서는 전원에서 공급된 전력이 열에너지로 변환되어 부하에서 모두 소비되는 것으로 이것을 유효전력이라고 하며, 터빈에 공급되는 증기의 양(量)과 관련된다.

[W]   ( : 피상전력)

(2) 무효전력 (無效電力) : Reactive Power

교류회로의 유도성, 용량성 부하에서 전원으로부터 공급된 에너지가 자기(磁氣)에너지나 정전(靜電)에너지로 변환되어 부하에 축적된 후 다시 전원으로 되돌려 진다.

이와 같이 아무런 일도 하지 않고 전원과 부하 사이를 왕복함으로서 송전선에 추가적인 열 발생을 초래하는 전기적 손실을 가져오는 것으로,  평균전력이 "0"이 되어 에너지로 사용할 수 없는 전력을 무효전력이라고 하며, 이 무효전력은 회전자에 공급되는 계자전류로 조정한다.

[Var]

(3) 피상전력(皮相電力) : Apparent Power

피상전력은 겉보기 전력으로, 가해진 전압과 전류의 곱으로 표시되며 다음 식으로 표시된다.

[VA],	피상전력 = [eqn: sqrt { 유효전력^2 ＋ 무효전력^2}]

<그림 > 전력 벡터도

바. 역률(力率 : Power factor)

(1) 개요

단상교류의 유효전력  와 같이 직류회로의 전력계산에서는 전압과 전류를 곱하기만 하면 되지만, 교류회로의 전력 계산에서는 전류 전압이 동상(同相)인 경우(순수 저항부하)를 제외하고는 직류회로의 전력과 같이 계산되지 않고, 반드시 전압 전류의 실효치에 라는 계수를 곱해야 한다. 이 계수를 역률(力率, PF : Power Factor)이라 한다.

[W]

역률 =  =  = [eqn: 유효전력 over 피상전력]

θ는 전압과 전류와의 상차각(相差角)이다. 따라서

① 저항부하 회로와 같이 단자전압과 전류가 동상일 때

= 0,  역율 = 1,   가 되고

② 유도성부하 회로에서는 전류가 전압보다 위상이 늦으므로 이때의 역률을   지상(遲相) 역률(Lagging power factor)이라고 한다.

- 유도성 부하종류 : 전동기, 코일성분 부하

- 유도기(誘導器)회로는 무효전력을 흡수한다.

③ 용량성부하 회로에서 전류가 전압보다 앞서므로 이 때의 역률을 진상   (進相)역률(Lagging power factor)이라고 한다.

- 용량성 부하종류 :	․ 가공지선과 전선 사이

․ 가공전선과 대지 간

․ 케이블과 케이블 간

․ 지중전선과 케이블

- 용량기(容量器)회로는 무효전력을 발생한다.

(2) 역률의 의미

교류회로에서 역률이 적으면(유도성, 또는 용량성 부하가 큼) 회로에 공급되어 반환되는 무효전력분이 커지게 된다. 따라서 일정한 유효전력을 공급하기 위해서는 보다 큰 전류를 흘려줄 필요가 있다. 이와 같이 역률은 전원으로부터 회로에 흘려야 할 전류의 크기를 결정하는 중요한 양(量)을 나타낸다.

저항성 회로에서는 직류인 경우와 마찬가지로 전력이 부하에서 전부 소비  되므로 역률이 1이 되며, 유도성 및 용량성 소자의 평균전력은 모두 0이다.

실제적으로 전력계통의 부하는 유도성 부하가 대부분이다. 발전기에서 무효전력을 공급함으로서 불리한 점은, 전기설비가 동일한 양(量)의 일을 하기 위해 전류용량이 증가되어 송전손실이 커진다.

역률 개선방법으로는

－ 부하(負荷)에 병렬로 콘덴서 설치

－ 동기조상기 설치

－ 발전기 회전자의 계자전류 조정

－ 분로 리액터(Shunt Reator) 설치

등과 같은 방법으로 역률을 개선한다.

<그림 32> 역  률

제2절 발전기 개요

	학 습 목 표
1. 발전기의 발전원리를 설명할 수 있어야 한다. 2. 전기자 반작용을 설명할 수 있어야 한다. 3. 발전기를 종류별로 분류할 수 있어야 한다.

1. 발전기 개요

가. 원  리

『도체가 자속을 끊으면 그 도체에는 전자유도법칙에 의해서 기전력이 유기 된다.』가 발전기의 근본원리이다.

발전기는 기계적 회전 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기계이다. 발생되는 전기가 직류냐 교류냐에 따라서 직류(直流)발전기 또는 교류(交流)발전기라 한다.

(1) 단상 교류 파형

<그림 1> 도체에 발생하는 기전력 파형

<그림 1>에 표시되어 있는 것과 같이 자극 N, S사이에 길이 l[m], 반지름 r[m]인 사각형 도체를 자속밀도 B[Wb/㎡]인 평등자장 속에서 속도 v[m/sec]로 회전시킬 때, 코일에는 플레밍 오른손 법칙에 의해 항상 일정한 방향의 기전력이 발생되는데 (a)의 위치에는 영(零), (b)의 위치에서는 정(正)방향의 최대, (c)의 위치에서는 다시 영(零), (d)의 위치에서는 부(負) 방향의 최대가 되어 최초 위치로 되돌아온다. 이와 같이 하나의 행정이 끝나는 것을 사이클이라 하며, 1초간의 사이클 수를 주파수(周波數)라 하여 f로 표시하고 단위는 [Hz]를 쓴다. 즉 1회전시 마다 1[Hz]의 정현파 교류가 도체 양단에 발생되며, 발생되는 기전력의 크기는,

e = 2Bℓυ sinθ [V]  =[eqn: E_m Sinθ]〔V〕

가 된다.

(2) 동기속도

계자기 2극인 발전기에서 전기자 도체를 1회전시키면 주파수가 1[Hz]인 기전력이 발생되고, 4극인 발전기에서 도체를 1회전시키면 2[Hz]가 발생된다. 따라서 P극 발전기에서는 1회전에 P/2 Cycle이 발생하게 되는 것이다.

P극 발전기가 N[rpm] 회전시 주파수 f는 다음과 같다.

주파수(f) = [eqn: {극수(P)} over 2 × {동기속도(N)} over 60] [Hz]

위 식을 변형하면,

[eqn: N~=~ 120~f over P] [rpm]

여기서 회전수 N은 주파수 f와 극수 P에 의해 정해지며 이를 동기속도(同期速度)라 하고 회전자가 동기속도로 돌아가는 교류발전기를 동기(同期)발전기라 한다.

(3) 3상 교류 파형

<그림 2> 3상 교류발전기

이상에서는 코일이 하나만 있는 경우를 생각하였지만 코일 3개를 각각 120° 간격으로 배치하여 회전시키면 도체에는 크기와 파형은 같고, 각각의 위상차가 120° 되는 3개의 유기기전력 파형을 얻을 수 있다.

<그림 2>와 같이 3개의 코일단자 중 B, D, F를 한데 묶어 중성점을  만들고 시작점 나머지 A, C, E를 외부로 인출한 것이 삼상(三相) 교류발전기이다.

나. 유기기전력(誘起氣電力)

1상의 전기자권선에 유기되는 기전력은 정현파로서 다음 식으로 표시된다.

E = 4.44 Kw×f×N×φ [V]

여기서, E : 1상의 유기기전력

Kw : 권선계수(분포계수×단절계수≒0.95)

f : 주파수

N : 1상의 직렬 권수

φ : 자속수

상기 식에서 발전기의 유기기전력은 자속수 φ에 비례한다.

다. 발전기의 출력

발전소에서 많이 이용하는 원통형(비돌극기)발전기의 출력에 대해 알아보자.

<그림 3>은 원통형 동기발전기의 벡터도를 나타낸 것이다.

<그림 3> 비돌극기의  벡터도

여기서,  V : 단자전압

I : 전기자전류

E : 공칭 유기기전력

Zs : 동기 임피이던스

φ : 역률각

유기기전력 E 와 단자전압 V 사이의 각 δ 를 부하각(Power Angle)이라 한다.

부하각의 물리적 의미는 자극 축(Pole Axis)과 자계 측(Field Axis) 사이의 각도이다. 무부하시는 자극 축과 자계 축이 일치(부하각 “0”) 하지만, 발전기가 계통 병입된 후 터빈에 공급되는 증기량을 증가시키면 부하각이 증대되어 발전기 출력이 증가된다.

원통형(비돌극형)에서 이론적 최대출력은 δ = 90°에서 발생된다. 일반적으로 부하각은 40° ～ 50° 정도에서 운전된다.

원통형의 동기발전기 1상의 출력을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

[eqn: P= VI cosθ ={ EV over Zs } sin δ ~rm [Kw]]

라. 전기자 반작용(電機子 反作用: Armature Reaction)

동기발전기에서 무부하인 경우의 자속은 계자기자력에 의해 만들어지고 발생 기전력도 이 계자기자력에 의해 정해지게 된다. 그러나 부하를 걸어 전기자에 전류가 흐르면 기자력이 계자기자력에 겹쳐 작용하게 되므로 자속분포는 무부하인 경우와는 다르게 된다. 즉 전기자 전류에 의한 자속 중에서 공극을 지나 주자극에 들어가 계자자속에 영향을 미치는 것을 전기자 반작용이라 하며, 이 반작용은 부하의 역률에 따라서 그 작용이 다르게 된다.

(1) 유기기전력과 전기자 전류가 동상인 경우 (역률 1)

<그림 5> 횡축 반작용

전압과 동상인 전기자 전류가 최대로 되는 것은 도체가 자극의 한 가운데를 지나는 순간이며 그림으로 표시하면 <그림 5>와 같다.

전기자 전류에 의한 기자력(Ma)이 주계자에 의한 기자력(Mf)와 공간적으로 90°의 각이 되는 방향, 즉 횡축 방향으로 작용하고 있으므로 이것을 횡축 반작용 또는 교차 자화 작용이라 한다.

(2) 전기자 전류가 유기기전력 보다 90。뒤지는 경우

유도성 부하인 경우에는 전류의 최대치와 자극과의 관계는 <그림 6>과 같다. 즉 유기기전력이 최대인 위치에서 자극이 전기각으로 90° 이동해서 유기기전력이 “0”이 되는 순간에 전류는 최대가 되는데 전기자 전류가 유기기전력 보다 90° 뒤진 경우, 전기자전류에 의한 반작용기자력은 계자의 작용축과 직축방향으로 일치하나 그 방향은 반대로 작용하므로 직축반작용이라 하며, 이 현상은 계자자속을 감소시키므로 감자(減磁)작용 이라고 한다.

<그림 6> 감자작용

(3) 전기자 전류가 유기기전력 보다 90° 앞서는 경우

<그림 7> 증자작용

전기자전류가 유기기전력보다 90° 앞선 경우에는 <그림 7>과 같이 자극이 감자작용시와 정반대이다.

이 현상은 용량성 부하인 경우에 발생하며 이때에는 전기자전류에 의한 반작용 기자력이 계자자속을 증가시키므로 자화작용 또는 증자(增磁)작용이라고 한다.

마. 누설리액턴스

(1) 전기자 누설자속

전기자 전류에 의한 자속 중에서 공극을 지나 주계자 자속에 영향을 미치는 것 외의 일부 자속은 전기자 권선하고만 쇄교하는 자속이 있는데 이것은 전기자 반작용에는 전혀 관계가 없는 자속으로 전기자 누설자속(Leakage Flux)이라고 한다.

(2) 전기자 누설리액턴스(Leakage Reactance)

누설자속에 의한 리액턴스를 일괄해서 전기자 누설리액턴스라 한다.

◦ 슬롯(Slot) 누설리액턴스

◦ 공극(Air Gap) 누설리액턴스

◦ 권선단부 (Coil End) 누설리액턴스

바. 동기 리액턴스

전기자반작용 리액턴스와 전기자 누설리액턴스를 합쳐 동기 리액턴스라고 하며, 이것에 전기자 실효저항을 벡타적으로 합한 것을 동기 임피이던스라고 한다. 동기 리액턴스에 비해 전기자 실효저항은 보통 무시될 수 있을 정도이다.

사. 단락비(SCR : Short Circuit Ratio)

단락비는 단락시의 특성을 나타내는 외에 기계의 크기, 중량, 가격, 손실, 여자방식의 선정, 전압 변동률 및 안정도를 아는데 쓰인다.

단락비의 정의는 정격속도에서 무부하 정격전압을 발생하는데 필요한 계자전류와 3상 단락 상태에서 정격전류를 흘리는데 필요한 계자전류의 비를 말한다. 이 단락비는 동기 임피던스와 반비례 관계에 있다.

<그림 8> 특성곡선

단락비가 크다고 하는 것은 철(鐵)기계 즉, 발전기 구성 재료에서 구리가 비교적 적고 철을 많이 사용한 발전기를 뜻하는데 이것의 장․단점은 아래와 같다.

◦ 장 점

① 동기임피이던스가 작다. 즉 전기자반작용의 영향이 적다.(공극 大)

② 전압변동률이 작다.

③ 과부하 내량(耐量)이 크고 안정도가 향상된다.

◦ 단 점

① 기계가 크게 되어 가격이 비싸다.

② 철손, 기계손 증가로 효율이 저하된다.

단락비가 작다고 하는 것은 동(銅)기계 즉, 발전기 구성 재료에서 철이 비교적 적고 구리를 많이 사용한 발전기를 뜻하는데 이것의 장․단점은 아래와 같다.

◦ 장 점

① 중량이 가볍고 기계가 적게 되어 가격이 싸다.

② 철손, 기계손 감소로 효율이 증가된다.

◦ 단 점

① 동기 임피이던스가 크고 전기자반작용의 영향이 크다.(공극 小)

② 전압변동률이 크다.

③ 과부하 내량이 적고 안정도 저하

최근에는 보호계전기가 고속화되고 여자 속응도가 좋아져서 안정도가 향상되기 때문에 단락비를 작게 하여 제작비를 줄이는 추세이다.

단락비의 값은 동기기의 종류에 따라 다르며, 터빈발전기 단락비는 0.5～0.8 정도이며, 수력과 같은 돌극형 발전기는 0.9～0.8 정도이다.

아. 동기발전기의 분류

(1) 발생전압의 상수(相數)에 의한 분류

(가) 단상 (Single Phase Winding)

1쌍의 자극에 대해 1개의 코일 군(群)을 가진 구조로 되어 있으며 단상 교류전력을 발생하는 기기이다.

(나) 다상 (Poly Phase Winding)

전기자권선이 다상(多相)으로 되어 있는 것으로서 대부분이 3상이며, 6상 등이 특수한 용도로 쓰인다.

3상 발전기는 3개의 코일 군의 전기자 권선이 전기각으로 120° 간격으로 배치되어 맥동이 적은 매끄러운 파형의 전력을 얻을 수 있고, 고정자 권선에 많은 권선을 감을 수 있어 경제적인 발전기를 만들 수 있다.

3상 발전기의 경우 상간접속을 Y 또는 Δ 어느 것으로도 할 수 있으나 Y결선으로 하면 아래와 같은 장점이 있다.

○ 중성점을 접지할 수 있다.

○ 높은 선간전압을 얻을 수 있다.(상전압의 [eqn: sqrt3]배)

○ 같은 단자전압이면 상절연(相絶緣)이 용이하다.

(2) 자극의 구조에 의한 분류

(가) 회전전기자형(Revolving Armature Type)

<그림 9>와 같이 자극이 고정되어 있고 전기자가 회전하는 구조로 되어있는 것으로서 소용량 저전압동기기에 적용된다.

(나) 회전계자형(Revolving Field Type)

<그림 9>과 같이 전기자를 고정하고 계자를 회전시키는 구조로서 다음과 같이 장점이 있다.

○ 3상권선의 배열 및 결선 용이

○ 고압의  전기자권선 절연 용이

○ 기계적으로 튼튼한 구조로 제작

<그림 9>  자극에 의한 분류

회전계자형은 <그림 10>과 같이 원통형과 돌극형으로 나누어지며 터빈발전기와 같이 고속기에서는 풍손을 줄이기 위해 원통구조를 채용한다.

<그림 10>  회전계자의 형태

(3) 냉각 방식에 의한 분류

발전기에 사용되는 냉각 매체에 따라 다음과 같이 분류한다.

○ 공기 냉각형 : 공기를 냉각 매체로 이용

○ 수소 냉각형 : 수소가스를 냉각 매체로 이용

○ 수(水)냉각형 : 순수를 냉각 매체로 이용

<그림 11>  회전계자의 형태

제3절 발전기 구조

	학 습 목 표
1. 고정자 틀(Frame), 철심, 권선의 구조 및 기능에 대하여 설명할 수 있어야 한다. 2. 회전자 축, 권선, 코일보호환의 구조와 기능에 대해 설명할 수 있어야 한다. 3. 발전기의 냉각방식에 대하여 설명할 수 있어야 한다.

1. 개   요

대부분의 발전기 구조는 먼지나 습기의 침입 방지와 수소 가스의 누설을 방지하기 위하여 완전밀폐 구조로 되어 있으며, 냉각 매체로 수소가스와 물을 사용하는 구조로 되어 있다.

발전기 내의 통풍은 회전자 축에 부착된 팬(Fan)에 의한 폐쇄 순환방식으로 되어 있으며 수소 가스의 냉각을 위해 냉각기가 내장되어 있다.  또한, 발전기 고정자 케이싱(Casing)양단의 베어링 브래킷(Bracket)은 내폭구조로 회전자 베어링 및 축 밀봉설비를 갖추고 있다.

고정자 철심은 고정자 케이싱에 스프링으로 지지되어 철심의 진동을 차단시키고 있다.

발전기의 부속장치로는 고정자 권선 냉각수 제어장치와 밀봉유 제어장치, 수소가스 제어장치 및 발전기내의 가스온도, 권선온도, 철심온도 등을 감시하는 장치가 있다.

2. 고정자(Stator)

가. 고정자 틀(Frame)

틀은 고정자 구조물, 그랜드밀봉, 베어링 지지대, 단자함, 수소냉각기함 등을 지지하는 철판, 파이프 등으로 용접한 원통형으로, 틀의 내부는 축 회전방향과 직각인 여러 개의 방사상 링(Ring)과 스프링 바(Spring Bar), 버팀대(Brace)로 보강되어 갑작스런 부하 변동이나 3상 단락 및 수소가스의 폭발에도 견딜 수 있도록 견고하게 제작되어 있으며 그 기능을 요약하면 다음과 같다.

(1) 부속장치 지지

틀은 철심, 수소 냉각기 및 부싱(Bushing) 등의 부속 장치를 지지하며 수직적인 힘의 지지 이외에 열 팽창시 터빈과 축 정렬(Alignment)을 유지하기 위해 고정 핀(Key)으로 측면과 축 방향으로 지지되어 있다.

(2) 수소가스의 밀봉

공기중 수소가스의 함량이 약 4～74[％]일 때 폭발이 가능하며 특히, 수소가스의 함량이 약 30[％]일 때 폭발력이 가장 강하므로 이를 방지하기 위해 틀의 용접부분과 조립 볼트 접합부분은 수소의 누설이 없도록 완전 밀폐되어 있다.

<그림 1> 터빈 발전기 단면도

(3) 통풍로 구성

틀은 수소가스가 전기자 철심, 계자 등 발전기 내를 적절하게 흐를 수 있는 내부 통로를 만든다.

(4) 비틀림(Torsional Force) 방지

틀은 갑작스런 단락이나 비정상적인 운전시 발생하는 이상 토크(Torque)와 정상 운전시에 발생하는 비틀림(Torsional Force)에 견딜 수 있도록 설계되어 있다.

틀의 내부는 <그림 2>와 같이 키바(Key Bar)를 프레임 링(Frame Ring)측에 고정된 2개의 스프링 바(Spring Bar)로 지지하여 철심을 적층하고, 스프링 바는 축 방향으로 배열되어 철심의 자기(磁氣)진동이  발전기 외부로 전달되는 것을 방지한다.

<그림 2>  철심지지 구조

나. 고정자 철심(Stator core)

고정자 철심은 고정자 권선의 지지와 회전자계를 연계시키는 자속로(磁束路)를 제공하는 것이다.

고정자 철심은 냉간 압연한 규소강판(두께 0.35～0.5[mm], 규소 함유량 2～4[％])를 <그림 3>과 같이 부채꼴로 만들고 절연 처리하여 성층함으로서  와전류손(Eddy Current Loss)을 줄이고 있다.

철심을 성층할 때에는 50～60[mm]마다 10～13[mm]의 간격편(내측)을 삽입시켜 냉각용 수소가스가 통하는 통로(Gas Duct)가 되게 한다.

<그림 3>  철심의 모양과 압연방향

고정자 철심 단부 <그림 4>의 누설자속에 의한 표류부하손(漂流負荷損 : Stray Load Loss))을 줄이기 위해 적층상태에서의 에폭시 수지로 접착, 비자성 내측 간격편을 채택, 단부 압판 표면의 도전성(導電性) 차폐판 채용 등으로 손실을 경감하는 구조로 되어 있다.

다. 고정자 권선(Winding)

고정자 권선은 하프 코일(Half Coil)로 제작하며 고정자 철심의 슬롯안에 넣은 후 단부를 용접으로 접속한다.

코일은 대부분 1회권(回卷)코일로 평각동선(平角銅線)을 사용하며, 고정자 철심 슬롯 내에 들어가는 권선은 와전류손을 방지하기 위해 소선(素線)으로 만들고 이 소선은 서로 절연이 되어 있다.

또한 소선에 유기되는 전압의 균형을 맞추기 위하여 슬롯 안에서 소선의 위치를 서로 바꾼다. 이를 소선의 전위(轉位 ; Transposition)라 하며 <그림 5>는 소선을 전위한 모양이다.

<그림 4>  발전기 고정자 단부 입체도

<그림 5>  소선의 전위

3. 회전자(Rotor)

가. 회전자 축(Shaft)

회전자 축은 계자가 되는 철심으로 계자권선을 지지하는 역할을 하며, 자극 형태에 따라 돌극형과 원통형으로 분류한다.

돌극형은 개개의 자극이 튀어나와 있고 계자권선이 자극 철심에 집중해서 감겨져 있는 구조로 수차발전기나 엔진발전기와 같은 중, 저속기에 적용된다.

원통형은 기계적 강도를 고려하여 하나의 덩어리로 단조된 니켈-몰리브덴- 바나듐(Ni-Mo-V)의 합금강으로 축의 철심부에 슬롯을 만들고 회전자 권선을 넣는 방식으로 터빈 발전기와 같은 고속기에 사용된다.<그림 6>

터빈 발전기의 축은 고속 회전체로서 고장력(高張力), 고자기(高磁氣)특성을 갖추고 내부 결함이 없어야 하며, 초음파 탐상 시험기로 검사하고 축 각 부분의 시험편을 채취하여 자기 특성, 기계적 특성을 시험한다.

축의 중심에는 구멍(中心空)이 뚫려 있어 보아 스코프(Bore Scope)로 내부 결함을 검사하도록 되어 있으며, 초음파 탐상 시험시 저면 반사(底面反射)가 잘 되도록 되어있고, 또한 이 중심공은 회전자 코일의 리드(Lead)선을 통하기 위해 이용된다.

<그림 6>  회 전 자

나. 회전자 권선(Winding)

회전자 권선은 회전자 축을 계자로 만들기 위해 직류 전류를 흘려주는 동선으로서, 권선은 은합금 구리를 사용하며 구리에 은을 소량 혼입하면 그 양(量)에 비례하여 내열 효과는 상승한다. 또한 은(銀)은 크립 특성(Creep : 일정온도 하에서 일정하중이 작용할 때 재료의 변형이 시간의 경과에 따라서 증가하는 현상)이 양호하여 원심력과 열 사이클에 의한 권선의 영구 변형을 방지한다.  특히 회전자 권선의 접속은 은용접을 주로 시행하며 극(Pole)간 접속은 동대(銅帶)와 같이 유연성 있는 구조로 기동 정지에 잘 견디는 구조로 되어 있다.

직접 냉각방식의 권선은 대체로 2개의 "U"형 도체를 서로 마주 합쳐서 1회 권선으로 하며, 이때 중앙에 사각형의 공간은 냉각용 수소가스 통로로 활용된다.

<그림 7>  회전자 축

다. 코일 보호환(Retaining Ring)

코일 보호환은 고속회전으로 인해 받는 강한 원심력으로부터 코일의 이탈을 방지하기 위해 회전자 단부(Rotor End)의 양단에 열박음으로 설치한 원통이다.

재질은 전기적, 기계적 특성이 좋은 18Mn-5Cr의 합금강을 많이 사용하였으나, 최근에는 응력부식 균열에 강하고 온도 및 강도 특성이 좋은 18Mn-18Cr의 합금강이 개발되어 사용되고 있다.

<그림 8>  코일 보호환

또한 코일 보호환은 불평형 부하 및 돌발 단락사고시 큰 전류가 흘러 국부 가열을 일으키므로 단락환을 설치하여 보호하고 있다.

센터링 링(Centering Ring)은 권선의 축방향 이탈을 방지하기 위하여 코일 보호환에 열박음 되어 있으며 코일 보호환과 열박음되는 부위 이외에는 기계적 지지점이 없는 부동(浮動)상태로 통풍로를 형성시키고 회전자의 변형에 의한 영향이 코일 보호환에 미치지 않도록 한다.

4. 냉  각

가. 개   요

발전기에 있어서 중요한 것은 온도 상승으로 인한 절연물의 열화를 방지하는  것으로, 터빈 발전기의 대용량화는 냉각기술의 진보에 따라 이루어 졌다.

일반적으로 발전기의 출력(P)은 회전자 지름(D)의 제곱, 회전자 철심의 길이(ℓ), 회전수(N)의 곱에 비례하며 다음 식으로 표시된다.

P = k × D2 × ℓ × N [KVA]

여기서, k는 출력 계수이고, 발전기의 정격 회전수는 극수와 주파수에 따라 결정되므로 발전기의 출력을 증대 시키려면

◦ 회전자 직경을 크게 하거나

◦ 회전자를 길게 하거나

◦ 출력 계수를 크게 하여야 한다.

그러나 회전자 직경을 크게 하거나, 길이를 길게 하여 발전기 출력을 증대시키기에는 한계가 있다. 즉 기계적, 전기적, 열적인 여러 가지 요소에 제약을 받게 된다.

그러므로 정해진 회전자의 직경과 길이의 범위 내에서 발전기 출력을 증대하려면 출력 계수가 크게 되도록 냉각방법이 개선되어야 한다.

발전기 용량이 증대됨에 따라 냉각방식은 냉각 매체에 따라 공기냉각 방식, 수소냉각 방식, 수냉각 방식으로 개선되고 있다. 그리고 또 냉각 매체가 도체(고정자, 회전자)에 직접 접촉하지 않는 간접냉각(보통냉각) 방식에서 용량이 증대됨에 따라 냉각매체가 도체에 직접 접촉하여 더 효과적으로 냉각시키는 직접 냉각방식으로 개선되었다.

<그림 9>  직접냉각 발전기 냉각 가스 통풍 경로

나. 냉각 방식

(1) 고정자 냉각

(가) 수소 냉각

발전기의 철심 및 도체에서 발생하는 열을 흡수하기 위해 냉각 매체로써 수소를 사용한다. 수소는 위험한 가스이지만 공기에 비해 밀도가 1/14정도이기 때문에 풍손이 작고, 열전달율이 공기의 1.5배로서 냉각효과가 크며, 또 불활성이기 때문에 절연물의 수명상 유리하다. 그래서 다른 기체보다 냉각매체로서 널리 사용되고 있다.

고정자 철심과 권선의 냉각은 <그림 10>과 같이 발전기 회전자 축의 양단에 달려 있는 팬(Fan)에 의해서 냉각용 수소가스를 철심내의 방사상 통로(Duct)를 통해 내부 혹은 외부로 흐르게 하여 발전기를 냉각시키고 있다.

<그림 10> 수소냉각 발전기

<그림 11>은 2조(組)의 고정자 권선 사이에 얇은 고저항(高低抗), 비자성 합금의 사각형(矩形)의 배기관(Vent Tube)을 고정자 권선의 높이와 같게 설치하고 이 배기관으로 수소가스를 통과시켜 권선의 동손(銅損)으로 인해 발생되는 열을 흡수하여 권선을 냉각시키고 있다.

<그림 11>  내부냉각 고정자 권선 단부 구조

발전기 용량이 증가함에 따라 이 배기관의 열수(列數)를 증가시켜 효과를 향상시킨다.

(나) 수 냉각

수냉각 방식도 고정자철심의 냉각은 수소냉각 방식과 동일하지만 고정자 도체에 배기관으로 수소가 통과하는 대신 고정자 권선 소도체에 마련된 구멍으로 순수가 지나간다. 물의 열 흡수 능력은 공기의 약 50배이고 압력이 3[kg/㎠] 인 수소의 약 12.5배가 되므로, 물을 냉각 매체로 사용하면 냉각 효과가 매우 커 현재 대용량기에는 수 냉각방식을 가장 많이 채택하고 있다.

<그림 12>는 소선 전부를 중공소선(b)으로 하는 경우와 일부를 중공소선(c)으로 하는 경우의 고정자 권선 단면을 나타낸 것이다.

<그림 12>  고정자 권선 단면도

권선에 냉각수를 공급하는 방식에 따라 1경로방식과 2경로방식이 있다.

1경로방식은 <그림 13>과 같이 집전환(Collector)쪽에서 냉각수를 공급하여 터빈쪽으로 배수하는 방식이다. 용량이 증가하면 권선의 길이가 길어지고 냉각수의 입․출구간의 수두 손실이 증가한다.  따라서 대략 500[MVA]를 초과하는 대용량기에서는 주로 1경로방식을 채용하고 있다.

<그림 13>  고정자 냉각수 1경로 공급방식

2경로방식은 <그림 14>와 같이 냉각수의 공급 헤더(Header)와 배수 헤더가 모두 터빈쪽에 있다.

발전기의 용량이 증대되면 냉각수 양과 압력이 증가하여 수두 손실이 커지므로 대용량애서는 잘 채택하지 않는다.

<그림 14>  고정자 냉각수 2경로 공급방식

(2) 회전자 냉각

회전자 권선의 보통(간접)냉각 방식은 수소가스가 슬롯의 하부나 치부(齒部 ; Teeth 부)에 설치된 통풍구를 지나가면서 권선과 절연물에서 발생된 열을 간접적으로 흡수하는 방식이고, 직접(내부)냉각방식은 냉각 매체인 수소가스가 회전자 도체와 접촉하여 도체에서 발생하는 열을 흡수하는 방식으로 냉각가스 흐름 형태에 의한 분류로 단부공급(End Feed)형과 공극공급(Air Gap Pick-up)형의 2종류가 있으며 대용량 발전기는 거의 공극공급(Air Gap Pick-up)형으로 되어 있다.

(가) 단부공급(End Feed)형

회전자 축단에 설치된 고압 Blower 또는 Fan에 의해 <그림 15>와 같이 축방향으로 통풍가스가 보내져 반경방향으로 공극에 배기되는 방식이다.

회전자 권선은 2개의 "U"형 도체를 서로 마주 합쳐서 1회 권선으로 하여 중앙의 공간이 수소가스의 통로가 된다.  수소가스의 입구는 권선 양단의 단부이고, 출구는 권선 직선부의 중앙에 반경 방향으로 통풍구가 설치되어 있다.

<그림 15>  단부 공급(End Feed)형

(나) 공극공급(Air Gap Pick-up)형

이 방식은 통풍구의 형상 차이에 따라  여러 종류가 있다.

<그림 16>은 대용량 발전기에서 가장 많이 채용되고 있는 방식으로 공극 공급형의 회전자 슬롯 통풍수의 단면을 나타내고 있다.

회전자 표면의 웨지(Wedge)에서 회전에 의한 풍속을 이용하여 들어 온 냉각 가스는 크리페이지 블록(Creepage Block)에 의하여 두 방향으로 갈라져 슬롯하부를 거쳐 반대측으로 경사져 흐른다.

이러한 흡․배기의 조합이 회전자 축방향으로 여러개 설치되어 있어 권선을 고르게 냉각시키고 있다.

<그림 16> 공극 공급(Air Gap Pick-up)형의 회전자 통풍방식

제4절 보조설비

	학 습 목 표
1. 축 밀봉 제어방식에 대해 설명할 수 있어야 한다. 2. 수소가스 제어방식에 대하여 설명할 수 있어야 한다. 3. 고정자 냉각수 제어계통을 설명할 수 있어야 한다.

1. 밀봉유 계통

가. 개요

수소냉각 발전기는 수소가스가 외부로 누설되는 것을 방지하기 위하여 축 밀봉장치를 설치하고 있다.

이 밀봉장치에는 저널(Journal)직경보다 0.1～0.2[mm]정도의 큰 내경을 가진 2조로 분할된 밀봉 링(Seal Ring)이 취부되어 축 상에 부동(浮動)의 상태로 설치되어 있어 축과 같이 회전하지 않도록 되어 있다.

밀봉유 압력은 수소가스 압력보다 항상 높게 유지함으로서 수소가스의 누설을 막고 있다.

나. 축 밀봉방식

(1) 단류식

단류식 밀봉방식은 <그림 1>과 같이 밀봉유 공급통로가 하나로 되어 있으며, 공급된 밀봉유는 공기측과 수소가스측으로 나누어져 흐른다. 따라서 밀봉유 중에 용해된 공기나 수분이 발전기내로 확산되어 수소가스 순도가 저하되므로 진공 탈기장치나 기타 방법으로 처리하여 불순물을 제거하도록 되어 있다.

또한 발전기내 수소가스 압력에 비례하여 밀봉유의 양이 증가하고 밀봉유에 흡수되어 발전기 밖으로 빠지는 수소가스의 양도 증가하여 수소가스의 소비량이 증대하게 된다.

<그림 1> 단류식

(2) 복류식

복류식 밀봉방식은 <그림 2>와 같이 밀봉유 공급 통로가 공기측과 수소 가스측으로 분리된 2개의 통로로 되어 있으며, 수소 가스측의 밀봉유는 수소가스와 접촉하면서 수소를 용해하지만 일단 포화상태에 도달하면 더 이상은 용해되지 않기 때문에 수소가스의 소비량이 매우 적게 된다.

<그림 2> 복류식

양측의 밀봉유 순환계통은 밀봉부 입구에 설치된 균압밸브로 유압을 일정하게 유지하여 양 순환계통간의 밀봉유 교환이 없도록 한다.

(3) 삼중식

삼중식 밀봉방식은 <그림 3>과 같이 밀봉 링에 3개의 유로(油路)가 있으며, 가스측과 공기측 사이에 진공 처리된 밀봉유를 공급하는 방식으로, 이것은 밀봉유의 혼합 및 순환을 차단하는 역할을 하도록 되어 있다.

<그림 3> 삼중식

다. 밀봉유 제어장치

(1) 연속 소기(消氣)법

소용량의 수소냉각 발전기에서 사용하는 방식으로 밀봉유가 베어링 윤활유의 역할을 함께 담당하므로 밀봉유중에 용해된 공기가 발전기내로 확산되어 수소가스의 순도를 점차로 저하시킨다.

이것을 방지하기 위하여 밀봉 링과 발전기 내측의 밀봉유 디플렉터(Oil Deflector)사이에 소기(消氣)실을 설치하여 수소가스를 연속적으로 방출하고 그 양 만큼 수소를 보충하는 방식이다.

(2) 진공처리법

밀봉유에 함유된 불순 가스를 진공으로 제거하는 방식으로 밀봉유 압력은 압력 조절밸브로 수소가스 압력보다 약 0.5～1[kg/㎠]정도 높게 유지한다.

밀봉부에서 공기측으로 흐른 밀봉유는 베어링 윤활유와 합쳐져 공기 추출조로 들어간다. 그리고 수소가스측으로 흐른 밀봉유는 확대조로 들어가 밀봉유 중 큰 기포를 1차로 분리하고, 프로트 트랩(Float Trap)을 거쳐 진공조 혹은 공기 추출조로 들어간다.

진공조에서는 진공펌프에 의해 밀봉유에 함유된 불순가스를 제거하여 진공처리한 밀봉유를 다시 축 밀봉계통으로 공급하며, 부족한 밀봉유는 주로 베어링 윤활유 계통에서 프로트(Float)밸브를 통해 보충을 받는다.

밀봉유 진공처리 계통도는 <그림 4>와 같다.

(가) 주(主)밀봉유 펌프 (Main Seal Oil Pump)

주 밀봉유 펌프는 상용 운전시 밀봉유를 공급하는 펌프로서 스크류 펌프를 사용하며, 진공조 아래의 필터를 지난 밀봉유를 흡입하여 유압 조정밸브에 토출시켜 발전기내의 가스 압력보다 약 0.5～1[kg/㎠]더높게 압력을 조절하여 밀봉유 계통에 공급하는 교류 펌프이다.

(나) 비상용 밀봉유 펌프

비상용 밀봉유 펌프는 교류전원이 상실되었거나 주 밀봉유 펌프 성능저하로 출구압력이 규정치 이하가 되면, 압력스위치가 동작하여 자동 기동되는 직류 구동펌프이다. 이 펌프는 흡입을 진공조에서 하지 않고 확대조의 밸브를 거쳐 흡입하며, 압력 조정밸브를 통한 밀봉유는 발전기내의 수소가스 압력보다 약 0.5～1[kg/㎠]더 높게 압력이 조절되어 필터를 거쳐서 밀봉유 계통에 공급된다.

<그림 4>  밀봉유 진공처리 계통도

2. 수소가스 제어계통

가. 개  요

수소냉각 발전기에서 수소를 발전기내에 넣거나 빼내는 조작과 일상 운전에서 수소 보급 및 순도 유지를 목적으로 <그림 5>와 같은 수소가스 제어장치가 설치되어 있다.

수소는 보통 수소 병(Bottle)에 있는 것을 사용하며 감압변, 가스압 조정장치를 경유해서 발전기 내로 보내진다. 수소는 발전기내 가스압력계와 순도계 등이 서로 관련되어 수소를 자동 공급되도록 되어 있다.

나. 수소가스 치환방법

발전기 냉각매체로 사용하는 수소가스는 공기 중에서 고도로 높은 폭발의 위험성이 있기 때문에 수소와 공기가 직접 접촉하지 않도록 매개체(진공 또는 CO2 매체)를 사용하여 충진하는 것을 치환이라고 한다. 이 매개로 진공을 사용하는 것을 직접치환법이라 하고 CO2 를 사용하는 것을 간접치환법이라 한다.

(1) 직접치환법

발전기 내를 진공으로 해서 수소를 충진하는 방법으로 운전중 치환이 가능하다.

○ 수소 충진시 : 공기 → 진공 → 수소

○ 수소 배출시 : 수소 → 진공 → 공기

(2) 간접치환법

CO2를 수소와 공기와의 중간에 사용하여 치환하는 방법으로 발전소에서 널리 채용되며, 단점으로는 수소와 CO2의 소비량이 많다.

○ 수소 충진시 : 공기 → CO2 → 수소

○ 수소 배출시 : 수소 → CO2 → 공기

다. 수소 치환시 주의할 사항

○ 수소가스 계통 주위에서 용접이나 흡연을 해서는 안된다.

○ 발전기내에 수소가스가 있는 한 밀봉유 계통은 계속 운전되어야 한다.

○ 사용하는 CO2는 주위온도 20℃에서 약 60[kg/㎠]로 압축되어 있어 이를   그대로 0.5～1[kg/㎠] 정도로 팽창시키면 주위의 기화열을 흡수하여     밸브나 배관이 얼어버릴 위험이 있으므로 이에 대한 조치를 강구하여야    한다.

<그림 5> 수소냉각방식의 가스계통

라. 주요기기

(1) 수소냉각기 (H2 Cooler)

수소가스는 발전기 내부에서 발생한 열을 흡수함으로서 더워지며, 더워진 수소가스는 수소냉각기를 통과하면서 냉각된다. 수소냉각기는 <그림 6>과 같은 구조로 되어 있으며, 튜브내로 냉각수가 흐르고 쉘(Shell) 측으로 수소가스가 지나간다.

각 수소냉각기에는 공기 제거용 밸브(Vent Valve)가 설치되어 있어 처음 냉각수를 충수할 때는 반드시 공기를 제거시켜야 하며, 특히 주의할 사항은 냉각수 공급 및 출구측에 있는 밸브는 동시에 닫아서는 안된다.

왜냐하면 냉각기내에 있는 냉각수가 가열됨에 따라 팽창에 의해 냉각기가 손상받을 우려가 있기 때문이다.

<그림 6> 수소냉각장치

(2) 가스 분석기(Gas Analyzer)

발전기내의 수소 및 CO2의 순도는 발전기 옆에 설치된 <그림 7>과 같은 가스분석기에 의하여 분석된다.  가스분석기의 측정원리는 가스의 열전도도(熱傳導度)가 가스 농도에 따라 달라지는 것을 이용하여 발전기내의 가스를 열전도도가 일정한 순수수소 (기준수소)와 비교하여 그 차이를 전기 브릿지회로에서 검출하도록 되어 있다.

<그림 7> 가스 분석기

(3) 가스 건조기(Gas Dryer)

발전기에 공급되는 수소에는 미량의 수분이 포함되어 있어 이 수분의 축적을 방지하기 위한 목적으로, <그림 8>과 같은 수소가스 건조기가 발전기 외부에 설치되어 있으며 발전기와 연결된다. 가스건조기 내에는 실리카겔이 들어 있으며 실리카겔이 건조상태에서는 청색이며 흡습상태에서는 분홍색이다. 발전기내의 수소가스 일부가 가스건조기를 통과하면 건조기내의 실리카겔이 습분을 빼앗아 점차 분홍색으로 변한다. 가스건조기 내의 많은 실리카겔이 분홍색으로 되면 가스건조기의 운전을 중지하고 건조기에 부착되어 있는 팬과 전열기를 기동하여 열풍을 건조기내의 실리카겔에 보내면 실리카겔이 건조되어 다시 청색으로 된다.

<그림 8>  가스 건조기

(4) CO2 Expansion (CO2 팽창장치)

발전기에 CO2를 충진할 때 60[kg/㎠] 압력으로 압축된 액체를 0.5～1[kg/㎠] 정도로 팽창시키면 주위의 기화열을 흡수하여 밸브나 파이프가 얼어 가스의 이동을 방해하기 때문에 이를 방지하기 위한 CO2 Expansion이 설치되어 있다.

이는 팽창도중의 가스를 규정온도(40～80℃)로 가열시키는 Heating Unit(가열장치)를 통과토록 되어 있으며 가열장치는 특수액체로 채워져 있어 전열기로 이 액체를 가열하고 가열된 액체에 의해 CO2가 가열된다.

3. 고정자 냉각수 계통

가. 개요

대용량 발전기의 고정자 권선에서 발생되는 온도를 제한하기 위해 냉각매체로 순수를 사용한다. 냉각수가 고전압발생부인 고정자 권선내부로 흐르기 때문에 단락사고를 방지하기 위하여 전도도 관리가 중요하며, 냉각수가 발전기 내부로 누출되는 것을 방지하기 위해 수소압력보다 낮게 유지한다.

이 계통은 <그림 9>와 같으며, 구성은 저수(貯水)탱크, 펌프, 냉각기, 압력조정밸브, 온도조정밸브, 필터, 이온교환 수지장치 등으로 되어있다.

발전기에 들어온 냉각수는 입구측 다지관(多枝管 : Manifold)에서 분류되어 각 코일에 흘러 출구측 다지관에 모여 발전기 밖으로 나온다. 다지관과 고정자 코일 사이에는 절연 접속관으로 연결되어 대지와 절연되어 있다.

고정자권선 냉각수는 권선과 냉각기에서 동(銅)이온이 용해되어 도전율이 상승하므로 이온교환 수지장치에서 주 냉각수의 약 10%정도를 통과시켜 수질순도를 일정한 값 이하로 유지한다.

<그림 9>  고정자 냉각수 계통

나. 냉각수 일반사항

○ 고정자 입구 냉각수 온도 : 40～50℃

○ 고정자 출구 냉각수 온도 : 70～80℃

○ 고정자 입구 냉각수 압력 : 2.0kg/㎠ 정도

○ 냉각수 유량             : 10～50 ℓ/sec(발전소별 상이)

○ 전기전도도              : 0.5[㎲/cm] 이하(25℃)

○ 냉각수 유속             : 0.5～2 m/sec

제5절 발전기 부속설비

	학 습 목 표
1. 상분리 모선의 특징을 설명할 수 있어야 한다. 2. 중성점 접지의 목적과 접지방식을 설명할 수 있어야 한다. 3. Surge Absorber의 설치목적과 방법에 대해 설명할 수 있어야 한다.

1. 단자 부싱(Bushing)

발전기 고정자 권선에서 만들어진 전력을 인출하기 위해 발전기 케이싱과 절연시키면서 고정자권선과 상분리 모선(IPB)을 연결시키는 것이 부싱이다. 부싱 내부의 도체에는 발전기내의 수소가스가 흐르도록 하여 냉각 시키고 있다.

2. 상분리 모선(IPB : Isolated Phase Bus)

가. 개   요

발전기에서 발생된 전력을 발전기 단자에서 주 변압기까지 보내는 전로를 발전기 모선이라 하며, 대략 4000[A]를 경계로 이보다 큰 발전기에는 상분리 모선을 채용한다.

상분리 모선은 <그림 1>과 같이 각 상의 모선(도체)을 애자로 지지하고 금속제 용기로 둘러싸고 각 상별로 서로 공간을 두고 배치한 것이다. 도체 및 외함의 고정부분과 열팽창을 고려한 팽창부분, 그리고 발전기와 변압기 진동의 영향을 흡수하는 가변부분으로 구성되어 있다. 도체에서 발생되는 열을 흡수하기 위해 도체와 금속제 용기 사이의 통로에 공기가 지나간다. 일반적으로 8000[A]까지는 자냉식이 채용되고 8000[A] 초과 시는 풍냉식이 채용된다. 도체는 용량이 적은 경우에는 평각동대를 사용하지만 용량이 커지면 중공의 원형도체를 사용한다. 외함의 형상은 각형, 원형이 있으며 재질은 알루미늄 또는 그 합금으로 제작된다.

상분리 모선의 특징은 상간단락이 없고, 절연강도 및 내 전류 강도가 크고, 전자유도장해가 없으며 또 거의 보수할 필요가 없다.

<그림 1> 상분리 모선

나. 설치위치

상분리 모선은 발전기와 주 변압기 저압측, 발전기와 소내용 보조 변압기 고압측, 발전기와 PT Cubicle 사이에 설치되어 있다.

<그림 2>  상분리 모선 설치도

3. 중성점 접지

가. 개  요

중성점 접지는 발전기 주 회로 지락사고시 이상전압을 억제함과 동시에 지락사고를 검출하기 위한 것으로 전기자권선 3상을 한 가닥씩 묶어 접지한 것이다. 접지방법에는 직접접지, 저항접지 및 변압기 접지 등이 있다.

대전류 접지(직접 접지, 저 저항접지)는 건전상의 전압 상승치를 낮게 하고 접지사고 검출 감도를 높일 수 있으나 사고전류에 의한 기기 손상이 크게 된다. 반대로 소 전류 접지(고 저항 접지, 변압기 접지)에서는 사고시 기기의 손상이 적은 대신 건전상의 전압 상승이 크게 되고 고장 검출감도가 떨어진다.

대용량 화력발전소의 발전기 접지방식은<그림 3>과 같이 단상 배전용 변압기를 이용하여 2차측에 저항기를 삽입한 변압기 접지를 주로 채용하고 있다.

<그림 3>  2차측에 저항기를 삽입한 변압기 접지

4. 서지 흡수장치(Surge Absorber)

서지 흡수장치란 급격한 충격 침입파에 대하여 발전기를 보호하는 목적으로 기기단자와 대지간에 접속된 보호 콘덴서 또는 보호 콘덴서와 피뢰기를 조합한 것을 말한다.

송전선측에서 뇌 등의 서지가 침입한 경우 주변압기 1차, 2차 권선간에 직접 전기적 접속이 없더라도 1, 2차 사이의 전자적 유도에 의해 서지 전압이 발전기 주회로측에 옮겨 온다.

충격파에 대해 발전기는 구조상 변압기 등의 기기보다 절연을 강화하는 것이 곤란하다. 따라서 주변압기 고압측에서 들어오는 서지 전압은 발전기의 충격전압에 대한 강도 이하로 저감하지 않으면 안된다.

이 때문에 <그림 4>와 같이 서지 흡수용 콘덴서를 발전기 주회로에 설치한다.

보호 콘덴서는 충격파의 파두(波頭)를 완만하게 하며, 파장의 길이가 짧은 경우에는 파괴치를 저감하여 발전기 코일의 충간절연, 대지절연 등의 파괴를 방지하는데 유효하다. 그러나 파장의 길이가 길면 파고치 저감효과가 없으므로 피뢰기를 병용한다.

◦ 서어지 흡수장치의 설치방법

－ 가급적 발전기에 가깝게 설치

－ 리드선은 짧게

－ 접지저항은 낮게 설치

◦ 설치 콘덴서 용량 : 1상당 0.1～0.15[μF]

<그림 4>  서어지 흡수장치 접속도

제6절 여자기와 자동전압조정기(AVR)

	학 습 목 표
1. 여자기의 기능과 여자방식을 구분하여 설명할 수 있어야 한다. 2. AVR의 기능과 동작원리를 설명할 수 있어야 한다.

1. 여자기(勴磁機: Excitor)

가. 개   요

주발전기의 회전자 코일에 자장을 형성할 수 있도록 직류를 공급하는 장치를 여자기라 한다. 여자 전류를 조정하여 발전기 전압이나 무효전력을 제어한다.

나. 여자설비의 목표

◦ 발전기 계자에 자계(磁界)를 형성, 유지시키며

◦ 기동시 발전기의 무부하 전압을 형성, 송전계통에 동기(同期)시키고

◦ 병렬운전시 유효전력에 따른 무효전력을 공급하며

◦ 외란 유입시 적절한 과도응답으로 발전기 전압을 안정시키고

◦ 발전기 출력측의 안정도 한계를 상시 측정하여 송전계통과 발전기를      보호하는데 있다.

다. 여자방식의 분류

여자방식의 선정에 있어서는 주로 운전 정비의 난이, 계통변동에 대한 응답성, 신뢰성 등을 고려하여 결정하게 된다.

직류여자기(DC Excitor)			직결 방식
			별치 방식
교류여자기(AC Excitor)			별치정류기 방식 (Commutatorless 방식)
			회전정류기 방식 (Brushless 방식)
정지형 여자기(Static Excitor)				사이리스터 (Thyristor) 직접여자방식

직류여자기 방식은 발전기의 대용량화에 따라 여자기 용량이 커져 기계적 제약을 받기 때문에 근년에는 채용되지 않고 있다. 최근에 주로 채용되고 있는 방식에 대해 살펴보면 아래와 같다.

(1) Commutatorless(무 정류자) 여자방식(별치정류기)

<그림 1>은 별도로 설치된 정지형 정류장치(Static Rectifier)를 이용하여 주 발전기에 계자전류를 공급하는 것으로 이를 Commutatorless 여자방식 이라고 한다.

이 여자기의 원리는 자동전압조정장치(AVR)에서 나오는 제어신호에 따라 사이리스터의 점호각을 조정하여 부여자기인 PMG(Permanent Magnet Generator)에서 나오는 출력을 조정하고 이것을 직류로 변환시켜 주여자기의 계자전류로 공급한다. 이때 발생되는 출력은 정지형 정류장치(Static Rectifier)를 통해 직류로 변환되고 이 직류는 발전기 계자회로에 공급되어 주 발전기 전압을 조정하는 것이다.  슬립링과 브러쉬가 필요하다.

<그림 1> Commutatorless 여자방식

(2) 회전 정류기 여자방식(Brushless 방식)

회전 정류기 여자방식은 <그림 2>와 같이 회전전기자형 교류여자 발전기에서 발생한 교류를 축과 함께 회전하는 실리콘 정류기를 거쳐 직류로 정류하여 주 교류 발전기의 계자권선을 여자(勴磁)하는 것으로, 이 여자방식은 슬립 링과 브러쉬가 없으므로 유지 정비가 용이하며, 그림에서 점선으로 표시된 부분이 한 몸체로 된 회전부로서 회전부에 내장된 정류기에서 교류가 정류되므로 이를 회전 정류기라고 한다.

(3) 사이리스터(Thyristor : SCR) 여자방식

사이리스터 여자방식은 <그림 3>과 같이 주 정류기에 사이리스터를 사용하여 직접 여자제어를 하는 방식으로, 발전기에 필요한 계자전류는 발전기 출력단에 연결된 여자기용 변압기로부터 전원을 취해, 사이리스터에서 직류 여자전류로 변환시켜 발전기 계자에 전류를 공급하는 방식이다.

사이리스터 여자방식은 사이리스터에서 발전기 계자전류가 직접 제어되기 때문에 시간 지연이 거의 없고 응답이 빠른 반면에 여자전원을 발전기 출력으로부터 취하기 때문에 초기 여자를 외부전원으로부터 공급받아야 한다.

초기여자는 계자차단기가 투입되면 자동적으로 공급되고 발전기 전압이 수십 % 이상에 도달하면 자동적으로 차단된다.

<그림 2> 회전 정류기 여자방식

<그림 3>  사이리스터 직접여자방식

2. 자동전압조정기(AVR)

가. 개  요

자동전압조정기는 전력계통의 부하변동에 따라 발전기 출력변화가 있을 때 발전기 전압을 일정하게 유지하기 위해 여자기의 여자전류를 자동으로 조정하는 장치로서 수동운전도 할 수 있도록 되어 있다.

자동전압조정기는 발전기전압과 규정치와의 편차를 검출하는 검출부, 편차를 증폭하는 증폭부, 제어계를 안정시키는 제동회로로 구성되어 있다.

나. 원  리

<그림 4>는 자동전압 조정장치에 대한 간단한 그림으로서 발전기전압에 따른 솔레노이드의 세기에 따라 제어저항이 가감됨으로서 여자기의 유지전압이 달라지며, 여자기에서 유기된 전압에 따라 발전기 회전자의 계자전류가 달라져 발전기 유기전압이 변하게 되는 것을 나타낸다.

<그림 4>  자동전압 조정장치

<그림 5>는 발전기 출력전압을 일정히 유지하기 위한 자동전압조정기의 제어 블록다이아그램을 나타낸 것으로 이것의 원리는 다음과 같다.

미리 정해진 기준전압 Vi와 일치되도록 하기 위해 입력측으로 발전기 단자 전압 Vo를 피이드 백(Feed Back)시켜 이것을 Vi와 비교하여 두 값 사이에 차이가 있으면 그 편차(ε=Vi-Vo)를 구하여 제어장치에서 증폭된 조작량으로 발전기의 계자전류를 조정하므로 기준전압 Vi와 발전기 단자전압 Vo가 같아지게 된다.  Vo와 Vi의 편차ε은 보통 극히 적어 직접 발전기의 계자권선에 주어지는 것이 부적당하므로 증폭장치(Amplidyne)로 증폭하여 계자권선에 주어지게 된다.

<그림 5>  자동전압조정기의 제어 블록 다이아그램

제7절 발전기 운전

	학 습 목 표
1. 발전기의 운전방법과 발전기의 병렬운전 조건을 설명할 수 있어야 한다. 2. 발전기 계통병입 방법을 설명할 수 있어야 한다. 3. 발전기의 부하분담과 부하각의 관계를 설명할 수 있어야 한다. 4. 가능출력곡선을 설명할 수 있어야 한다. 5. 진상운전에 대해 설명할 수 있어야 한다.

1. 발전기 운전

가. 단독운전

독립된 한 대의 발전기가  특정 지역에 부하를 담당하면서 운전하는 것을 말한다.

나. 병렬운전

2대 이상의 발전기를 같은 모선에 연결하여 운전하는 것을 병렬운전(Parallel Operation)이라 하며, 병렬운전을 하기 위해서는 계통(Running)측과 계통에 접속하고자 하는 발전기(Incoming)측의 병입조건이 만족되어야 한다.

따라서 어느 한 발전기를 계통에 투입하고자 할 때 계통과 발전기 측의 제반 전기적인 특성을 일치시키야 하는데 이것을 동기(同期)라 한다.

다. 운전순서

① 보일러를 기동 (Boiler Start-up)

② 터빈 진공형성 (Turbine Vacuun-up)

③ 발전기를 정격운전 속도로 상승 (Speed-up)

④ 계자차단기 투입 (Field Breaker Close)

⑤ 정격주파수, 정격전압으로 맞춘다. (Synchronizing)

⑥ 전압조정기 자동절환 (AVR Auto Change)

⑦ 주 차단기 투입 (Main C.B Close) : Bus Bar Charging

⑧ 전력수요 변동에 따른 대응운전 (Load Sharing)

라. 전력수요 변동시 발전기 출력변동 과정

① 전력수요가 증가하면, 유효전력이 증가하고 전기자권선의 출력전류가           증가한다.

② 전압은 강하했다가 다시 정상으로 복귀하고, 속도와 주파수도 감소            했다가 다시 정상으로 복귀한다.

③ 다시 수요가 증가하면, 계통의 주파수가 떨어지고 주파수의 저하를            터빈 조속기가 검출하여 터빈에 유입 되는 증기의 량을 조정하여              발전기의 출력을 부하에 일치되도록 수정한다.

즉, 부하증가 → 속도, 주파수 감소 →증기조정밸브 개도증가 →              터빈출력 증가 → 발전기 입력증가 → 발전기 출력증가

④ 수요증가 없이 증기유량을 증가시키면,

◦ 발전기 속도가 증가하고 계통의 주파수가 상승하며, 이 계통의                주파수 변화를 조속기가 검출한다.

◦ 조속기에서 터빈 조정밸브에 신호를 보내 증기 조정밸브를 닫도록             신호가 보내진다.

◦ 터빈에 유입되는 증기 유량이 감소하므로 속도 및 주파수가 정상             으로 복원된다.

발전기 출력은 수용가측에 의해 결정되며 수요와 공급은 항상 일치해야 한다.

2. 병렬 운전

가. 병입조건

① 전압의 크기가 같을 것

병렬운전 중에 두 발전기의 기전력의 크기가 다르면, 두 발전기 사이           에는 무효순환전류가 흘러 발전기의 온도상승을 초래한다.

② 위상이 같을 것

기전력에 위상차가 생기면, 각 순시치에서의 전압차로 동기화전류가           흘러 위상이 늦은 발전기는 부하를 감소시켜 속도가 증가하며, 위상이           빠른 발전기는 부하의 증가로 과부하를 초래하는 경우가 있다.

③ 주파수가 같을 것

주파수가 다르면 순시파형에서 전압차가 생겨 무효횡류가 흐르게              되어 난조가 발생되고, 심하면 발전기가 계통으로부터 탈조하게 된다.

④ 파형이 같을 것

파형이 다르면 전기자 동손이 증가되어 과열의 원인이 된다. 파형은           발전기권선 제작시 결정된다.

⑤ 상회전 방향이 같을 것

상회전이 다르면 어느 순간에 단락상태로 되어 큰 사고 유발한다.

최초 시운전시 상회전 방향이 결정된다.

발전기 계통병입시 운전원이 주의해야 하는 것은 ①, ②, ③이다.

나. 동기검정기(Synchroscope)에 의한 계통병입 방법

발전기를 계통에 병입하는 방법에는 동기검정기를 이용하는 수동병입과 자동제어 장치에 의한 자동병입 방법이 있다. 여기서는 수동병입으로 병입하는 방법에 대해 알아본다.

① 여자기용 차단기(Exciter Field Breaker)를 투입한다.

② 수동 전압조정기(70M)로 발전기 단자 전압을 정격전압까지 상승시킨           다음 편차를 0으로 맞춘다.

③ AVR을 자동 위치(90R)로 한다.

④ Synchro 스위치를 켠다.

(병입조건 확인을 위한 전압계, 주파수계, 동기검정기가 작동한다.)

- 발전기측 전압은 자동전압조정기(90R)의 설정값을 변경시켜 조정

- 발전기측 주파수 조정은 터빈 속도로 조정

- 발전기측 위상의 조정은 터빈속도 즉 터빈에 유입되는 증기의 량으로 조정

⑤ 동기검정기 지침이 시계방향(Fast)으로 회전하여 12시 5분전 위치에           왔을 때 차단기를 투입한다.

- 동기검정기에서 시계방향(Fest)은 발전기측 위상이 앞섬을 뜻함

⑥ 계통병입이 되면 출력을 초기부하까지 증발시킨다.

- 발전기가 병입된 후 출력을 즉시 초기부하까지 상승시켜 역전력              계전기에 의한 발전기 비상정지를 방지해야 함

<그림 2> 동기검정기(Synchroscope)

3. 수요변동에 따른 부하각 변화

발전기가 계통에 병입되면 다른 발전기와 항상 같은 속도(2극 발전기는 3,600[rpm], 4극 발전기는 1,800[rpm])로 운전된다.

(1) 자속분포 변화

○ 터빈에서의 회전운동 에너지는 축에 의해 발전기의 회전자에 전달된다.

○ 이 기계적인 에너지는 회전자와 고정자간의 공극(空極)에 뻗혀 있는           자장에 의해 고정자에 전달된다.

○ 이 자장(磁場)은 에너지를 생산해 내지는 못하고 단지 기계적인 에너지를           고정자에 전달하는 매개체 역할을 한다.

○ 자장(磁場)은 압축기의 벨트 역할을 한다.

○ 압축기의 벨트가 팽팽해지면 더 큰 출력을 내는 것과 같다.

<그림 3>에서 (a)는 무부하일 때, (b)는 중부하(重負荷)일 때의 자속분포를 나타낸다.

터빈입력이 증가하면 회전자는 빨리 앞으로 나아가 <그림 3(b)>와 같이 된다. 자속이 이와 같이 팽팽하게 되면 발전기는 전기적인 출력을 더 발생한다.

회전자는 계통의 다른 회전자보다 빨리 돌고 있는게 아니라 약간 앞서서 회전하는데, 이 각을 부하각(Power Angle)이라고 한다. 발전기의 부하(負荷)가 다르면 부하각도 달라지게는 것이다.

<그림 3> 자속(Magnetic Flux)

(2) 부하에 따른 부하각 변화

<그림 4>의 예는 발전기 A는 정격의 약 1/2 부하를 내고 있어서 부하각은 30도 이고, 발전기 B는 최대부하로서 그 부하각은 90도 이며, 발전기 C는 동기되어 있기는 하지만 무부하로서 부하각이 0도인 것을 나타낸 것이다.

부하각은 자장이 유지될 수 있는 한도 내에서 그 변위량은 한계가 있는데, 이것은 약 90도 위치로 만일 부하각이 90도 이상 증가하면 자장은 깨어지고 회전자가 가속되어 발전기는 불안정하게 된다. 이와 같은 불안정상태는 부하와 전압의 불안전으로 타 발전기를 정지시키는 결과를 초래한다.

병렬운전 계통에서는 모든 회전자들이 계속적으로 서로 약간의 각도 관계를 가지고 가속, 감속되고 있는 것으로서 이것은 서로 간에 동기화력(同期化力)을 주고받으며 계통은 부하분담을 연속적으로 하고 있다.

C 발전기가 부하를 분담하려고 터빈의 증기조정밸브를 열어주면 C 발전기의 출력이 증가되며, 이때 다른 발전기는 출력을 줄여 수요와 공급을 항상 같게 된다.

계통의 발전기가 각기 다르게 부하를 분담하는 것은 속도 때문이 아니고, 부하각이 다르기 때문이다.

<그림 4> 발전기 3대의 병렬운전

4. 가능출력곡선

발전기가 계통에 접속되어 계통이 요구하는 출력과 역율로 운전할 경우 발전기 각 부에 허용 온도상승한도를 초과하지 않고 연속적으로 낼 수 있는 출력범위를 나타내는 곡선을 말한다.  발전기의 역률 및 수소 압력에 따라 낼 수 있는 유효전력(MW)을 횡축에, 무효전력(MVar)을 종축에 표시한다. 발전기의 가능출력을 제한하는 요소로서는 회전자 권선온도 상승한도, 고정자 권선온도 상승 한도, 고정자 단부 온도 상승 한도에 의한 제한이 있다.

<그림 5>  발전기의 가능출력곡선

ⓐ 영역 : 회전자권선 온도에 의해 제한되는 범위

ⓑ 영역 : 고정자권선 온도에 의해 제한되는 범위

ⓒ 영역 : 고정자철심 단부 온도에 의해 제한되는 범위

5. 진상(進相) 운전

가. 개요

최근 전력계통에서 초고압 송전성, 케이블 송전선 및 수용가의 역율 개선용 콘덴서 등 용량성 부하의 증대에 따라, 심야 경부하시에 계통전압이 크게 상승하고 있기 때문에 이를 억제하기 위해 동기발전기의 특성을 이용하여 계통의 진상 무효전력을 흡수하기 위해 저여자로 운전을 하는데, 이를 진상운전이라고 한다.

계통전압의 상승을 억제하기 위해서는 분로 리액터, 유도전압조정기, 동기조상기 등의 운전을 고려할 수 있으나 이들 방식은 비용이 들고 손실이 증가하기 때문에 바람직하지 못하다.  이에 비해 발전기의 진상운전은 특별히 비용이 들지 않을 뿐만 아니라 조상용량도 크기 때문에 무효전력제어 수단으로서 대단히 유용하다. 그러나 진상운전시에 발전기에 다음과 같은 문제점이 발생하기 때문에  주의를 기울여야한다.

나. 진상운전시 고려할 사항

(1) 저여자로 인한 안정도 저하

진상운전을 행하면, 내부 유기전압이 작게 되기 때문에 동기화력의 감소를 초래하여 안정도가 나쁘게 된다.  즉, 큰부하 변화가 있는 경우에 발전기가 동기탈조(脫調)를 일으킬 우려가 있다.

(2) 발전기 단부 온도상승

저여자로 운전하면, 여자전류에 의해 발생하는 자속이 적고 회전부 단부가 회전자 자속으로 자기포화되지 않고 고정자 누설자속의 통로로 되어, 고정자 철심단부가 와전류로 인해 국부적인 온도상승을 초래한다.

이러한 온도상승을 방지하기 위해 발전기 가능출력곡선의 범위 내에서 운전하여야 한다.

(3) 소내전압의 저하

진상운전을 행하면, 발전기 전압의 저하에 따라 소내전압도 저하한다. 특히, 문제가 되는 것은 소내 보조변압기에서 전원을 공급받고 있는 주요 보조기 전동기로서, 전동기의 토크는 전압의 2승에 비례하기 때문에 전압 저하시에는 토크 부족으로 과부하를 초래할 수가 있다.

진상 운전시는 위와 같이 고려할 사항이 있으므로 발전기의 온도특성, 구조, 계통상태 등을 충분히 검토 후 실제 계통시험에 의한 확인을 하여 운영하는 것이 바람직하다.

제8절 발전기 관리

	학 습 목 표
1. 온도상승의 영향과 측정법의 종류를 설명할 수 있어야 한다. 2. 진동 발생원인과 측정방법을 설명할 수 있어야 한다. 3. 축전류 발생원인과 대책에 관하여 설명할 수 있어야 한다. 4. 콜렉타 링(Collector Ring) 및 브러쉬의 관리에 대해 설명할 수 있어야 한다.

1. 온도

가. 온도감시

발전기의 코일, 베어링 및 냉각계통에 이상이 있으면 반드시 이상온도 상승이 나타나기 때문에 고장의 미연방지와 조기 발견에 필요한, 정비점검의 주요한 항목으로 온도 감시를 들 수 있다.

다음에 이상온도 상승이 일어날 수 있는 고장으로는 아래와 같은 것을 생각할 수 있다.

(1) 권선(코일)

◦ 충간단락

◦ 과부하

◦ 철심의 이상(異狀)

◦ 냉각계통의 이상

(2) 베어링

◦ 금속(Metal)의 손상

◦ 급유계통의 고장

◦ 사용 윤활유의 열화

◦ 냉각계통의 이상

(3) 브러쉬 (Brush)

◦ 브러쉬 및 슬립 링(Slip Ring) 면(面) 손상에 의한 마찰손 증대

◦ 리드(Lead)선의 접촉 불량

◦ 브러쉬 군(群)의 전류 불균일

나. 측정방법

(1) 온도계법

회전기가 완성된 후 외부로부터 접근가능한 가장 높은 온도가 나타나는 곳에 온도계를 취부하여 온도를 측정한다. 온도계로서는  봉상온도계, 다이알(Dial)온도계, 저항온도계, 열전대 온도계 중 어느 것이라도 좋다. 자계의 세기가 변화하는 곳에는 수온온도계의 지시가 부정확한 곳도 있으며, 파손시 수은이 기기의 권선 내로 들어가 절연을 해칠 수 있으므로 주의해야 한다.

(2) 저항법

온도를 측정하고자 하는 권선의 저항 증가분을 측정하여 온도로 나타내도록 한 것으로 권선 자체의 평균온도를 나타낸다.

(3) 매립온도계법

저항소자(RTD), 열전대소자를 권선 슬롯 안에 매립하여 온도를 측정하는 방법으로 각 부의 온도측정, 부분적 과열을 알기 위해 소자를 각 상의 여러 곳에 장치한다.

다. 최고 허용온도 및 온도상승 한도

(1) 허용최고온도

절연물을 장기간 사용하더라도 견딜 수 있는 온도의 한계를  허용 최고온도라고 하며 절연물의 종류에 따라 <표 1>과 같다.

<표 1> 절연물 종류에 따른 허용최고온도와 절연재료

절연 종류	최대허용온도	절 연 재 료
Y 종	90℃	목면, 면, 종이, 와니스, 절연유 함침지
A 종	105℃	목면, 면, 종이, 화이바, 폴리비닐폴말, 바니쉬그라스
E 종	120℃	폴리에스텔필름, 마일라, 폴리에스텔
B 종	130℃	그라스마이카, 에폭시그라스, 석면, 바니쉬그라스
F 종	155℃	노멕스, 그라스마이카, 에폭시그라스, 석면
H 종	180℃	켑톤, 실리콘바니쉬, 그라스권선
C 종	180℃ 이상	켑톤, 실리콘바니쉬, 그라스권선

(2) 온도상승 한도

온도상승이란 측정온도와 기준온도와의 차이를 말하며 그 한계는 규격으로 정해져 있다. 기준온도란 냉각매체의 주위온도를 말하며, 온도상승을 정할 때 기준이 된다. 기준온도는 40℃이다.

온도상승한도 = 허용최고온도 - (기준온도 + 여유)

여유는 절연물의 허용최고 온도와 가측(可測)허용온도와의 차이로 10℃정도이다.

2. 진동

가. 개요

발전기는 고속 회전운동을 함으로써 진동이 발생되는데, 이 진동이 심하면 베어링이 파손되어 회전체가 파괴되는 위험이 초래된다.

발전기의 진동 진폭이 일정치 이하이면 문제가 되지 않는다. 그러나 그 한계값은 그 발전기의 구조에 따라 달라지지만 대략은 3.0～5.0/100[mm] 정도이다.

진동의 원인으로는 회전자의 기계적 불평형, 고정자철심의 자기진동, 직결 터빈과의 센터링 불평형 등의 여러 가지로 생각할 수 있다.

나. 발전기 진동발생 원인

① 회전자 권선의 미소변형, 절연물의 건조 등에 의한 불평형으로 인한 진동

② 베어링의 센타링(Centering) 불일치에 의한 진동

③ 유막진동으로 인한 진동

발전기 운전시 위험속도 이하에서 진동이 가속적으로 증가하는 경우, 발전기를 긴급히 정지하고 터닝운전으로 들어가야 한다.

진동 측정방법으로는 베어링에서 측정하는 방법과 축에서 측정하는 방법이 있는데 베어링에서 측정한 진폭은 축에서 측정한 진폭보다 작으며, 보통 축에서 측정한 진폭의 약 40%의 크기이다.

3. 축전압

가. 개요

발전기의 양 베어링 사이에는 운전중 미소전압이 발생되는데 이것을 축전압이라고 한다. 이 축전압에 의해 베어링에 전류가 흐르면 주축(主軸)의 저널(Journal)부분의 유막이 국부적으로 파괴되어 베어링 소손사고로 발전된다. 따라서 베어링은 한쪽 또는 양쪽 모두 절연시키고 있다.

나. 원인과 대책

(1) 축전압 발생원인

터빈발전기 축전압의 주된 발생원인은 다음과 같다.

① 발전기 자기(磁氣)회로의 불평형에 의한 것

② 터빈 구동용 증기와 터빈 날개(Blade)와의 마찰 정전하에 의한 것

③ 발전기 계자전압의 맥류분 등에 의한 것

④ 자화된 축이 베어링 내에서 회전함에 따른 국부전압 발생에 의한 것

⑤ 계자회로 중의 권선 접지사고 발생에 의한 것

(2) 축전압에 대한 대책

① 발전기 자기(磁氣)회로 불평형에 의한 발생원인을 제거하기 위해 제           작상 배려를 행한다.

② 자기회로에 의한 축전류를 방지하기 위해 발전기 콜렉터측 베어링,            H2 Seal, 여자기를 대지와 절연한다.

③ 마찰 정전하 또는 계자전압의 맥류분 등에 의한 축전압 대책으로 축           접지 장치에 의해 발전기 축을 접지하고 절연 베어링을 사용하여              축전류 흐름을 차단한다.

<그림 1>  절연 베어링

4. 집전환(集電環 : Collector Ring)

가. 개요

집전환은 정류기에서 정류된 발전기 계자용 직류를 발전기 회전자에 전달하는 매체를 말한다. 집전환은 집전환 링(Ring), 브러쉬 및 브러쉬 홀더(Holder)로 구성되어 있다. 집전환 링은 P극과 N극으로 분리되어 있으며 운모편으로 축 몸체와 절연되어 축상에 열박음으로 조립된다. 여기에 각 극의 브러쉬가 수평으로 접촉된다. <그림 2>는 집전환을 나타낸 것이다.

나. 집전환이 집전기능을 향상하기 위한 조건

◦ 집전환의 양호한 표면피막

◦ 브러쉬의 규정내 접촉압력

◦ 브러쉬의 집전환링 과의 연속적인 접촉

<그림 2>  집전환(Collector Ring)

다. 유지관리

(1) 브러쉬

◦ 전기흑연 브러쉬를 많이 사용

◦ 브러쉬의 전류밀도 : 5～7[A/㎠]

◦ 브러쉬의 접촉압력 : 120～160[g/㎠]

◦ 접촉압력이 낮을 때는 불꽃발생, 높으면 온도상승과 마모촉진

◦ 브러쉬의 마모는 압력, 집전 링의 필름, 습도, 온도 등에 영향 받음

◦ ＋극 브러쉬 측이 －극 측보다 1,000시간당 30% 이상 더 마모됨

◦ 운전 중 브러쉬 교환 : 각극 20%를 넘지 않는 범위에서 교환 가능

(2) 집전환 링의 마모

집전환 링의 마모는 브러쉬와의 마찰에 의한 기계적 마모와 전류에 의한 전기적 마모로 나눌 수 있으며 일반적으로 전기적 마모가 기계적 마모보다 더 크다.

(3) 습기

집전장치가 이상적으로 운전될 수 있는 냉각공기 중의 수분량은 공기온도 약 30[℃] 에서 10[g/㎥]로서 습도는 대체로 30% 정도가 된다.

(4) 오염 가스

유해가스, 아황산, 4염화탄소에서 증발된 염소와 기타 공기중의 오염가스는 집전환 피막과 브러쉬 면에 불필요한 물질을 생성시키는 원인이 되어 집전환 표면의 손상을 초래한다. 따라서 활성탄소를 넣은 화확적 여과기를 통풍장치에 취부하여 오염가스에 대한 손상을 방지한다.

제9절 발전기 보호계통

	학 습 목 표
1. 발전기 고장종류를 설명할 수 있어야 한다. 2. 각종 보호계전기의 역할과 기능을 설명할 수 있어야 한다.

1. 개요

발전기 보호계통은 발전기 및 주요 전기계통을 전기적 고장이나 비정상 상태에서 보호하는 것으로,  보호 계전기는 전기적 고장이나 비정상 상태를 제거함으로서 소내 기기의 손상을 최소화하고 다른 발전계통의 운전을 계속할 수 있도록 보호하는 것이다. 발전기의 전기 보호용 계전기와 그 결선 상태는 <그림 1>과 같다.

<그림 1> 발전기 주회로와 보호계전방식

발전소의 보호계전기 계통은 2중 보호계통으로 배열하여 주(主)보호계통이 어떤 이유로 고장을 검출하여 제거하지 못하였을 경우 후비용(後備用)보호계통이 이를 검출하여 제거하도록 설계되어 있다.

2. 용어 해설

가. 보호와 경보

보호란 전력선이나 전기기계에 단락, 지락 등 이상상태가 발생한 경우에 그 피해를 가급적 가볍게 파급을 억제하기 위하여 고장부분을 전원에서 분리하거나, 운전하고 있는 것을 정지시키고, 경우에 따라서는 정상운전으로 회복시키는 조치를 취하는 것을 말한다.

이와 같이 보호는 고장을 검출한 이후의 조치를 차단기나 다른 기구와 연동이 되어 있으며, 자동적으로 이루어지도록 되어 있다.

경보란 비교적 가벼운 비정상적인 설비상태를 운전원에게 알리는 것으로서 조치를 자동적으로 하지 못한다. 이것은 경고장과 같다.

나. 주보호와 후비보호

보호는 분초(分秒)를 다투는 고장 발견과 조치를 행하는 것으로서 중요한 것에 대해서는 만일의 경우를 생각하여 이중으로 검출장치를 설치한다.

(1) 주보호(主保護)

보호하고자 하는 대상의 이상상태를 제거하는데 필요한 최소한의 보호를   가능토록 하는 것을 말한다.

(2) 후비보호(後備保護 : Back Up)

주보호가 실패했을 때 주보호위 범위를 포함하여 후원동작을 하는 것을 말한다.

3. 발전기 고장종류와 조치

가. 발전기 고장종류

발전기에는 여러 가지 이상상태가 있고 이에 대한 보호계전장치가 필요하지만 일반적으로 생각할 수 있는 고장의 종류는 다음과 같다.

◦ 전기자 권선의 상간 단락, 충간 단락 및 지락

◦ 전기자 권선의 과전류

◦ 철심 또는 권선의 과열

◦ 발전기의 전동기화(Motoring)

◦ 계자상실

◦ 과속도

◦ 베어링의 과열

◦ 단상 또는 불평형 운전

◦ 과전압 및 부족전압

◦ 동기탈조

◦ 계자권선의 자락

발전기 용량 및 종류에 따라 이에 적합한 보호장치가 적용되며 이의 동작에 의하여 자동차단 및 경보를 발생한다.

(1) 비상정지 (86-1)

차동보호계전기(내부 상간단락, 충간단락) 및 발전기회로 지락계전기가 동작하는 경우로서 비상정지용 계전기(86-1)를 동작시켜 발전기를 계통으로부터 분리시키고 터빈을 급정지 시킨다.

(2) 급정지 (86-2)

과속도, 베어링 과열, 여자기 과전압, 조속기 구동장치의 고장, 유압저하 등 각 계전기 동작의 경우에 급정지용 계전기(86-2)를 동작시켜 터빈의 입력을 급속히 줄이고 그 다음에 발전기를 계통으로부터 분리시키고 터빈을 급정지 시킨다.

(3) 무부하 무여자 정지 (86-3)

과전압, 과전류, 변압기 내부고장 및 부족여자 검출의 각 계전기 동작시 무부하 무여자용 계전기(86-3)를 동작시켜 발전기를 계통에서 분리하여 주계자 개폐기를 열어 경보 및 표시를 한다.

(4) 경 보

경미한 고장 발생시 근무자의 판단으로 조치하도록 경보를 울리며, 베어링 온도상승, 유면, 유압저하, 냉각수 단수, 수위저하, 제어전원의 부족전압, 수소가스 순도저하 등이 이에 속한다.

나. 보호계전기 동작시 조치

(1) 자동정지

사고검출요소에 의해 자동적으로 발전기를 병해함과 동시에 경보를 발하고 발전기 병해를 위해 다음과 같이 조치를 행한다.

◦ 주차단기 개방

◦ 터빈 정지

◦ 계자개폐기 개방

◦ 소내보조기 전원용 차단기 개방

◦ 소내모선 절환

(2) 경보에 의한 조치

경보에 따라 운전원의 판단으로 발전기의 부하를 내리기도 하고, 발전기를 병해도 한다. 이것은 비교적 경비한 사고 혹은 기기의 급속한 파손을 초래하지 않는 이상 현상이 발생한 경우의 조치로서, 발전기 고정자 및 회전자 권선의 온도상승, 발전기 냉각계통의 고장 또는 밀봉유 계통의 고장 등의 경우 이 조치를 행한다.

4. 보호계전기 종류와 역할

가. 발전기 비율차동계전기(87G)

비율차동계전기는 발전기권선 및 단자부분의 3상단락, 상간단락, 층간단락, 접지 등 발전기 내부고장에 대한 보호를 위한 계전기이다. 권선단락 고장을 방치하면 코일 소손 뿐만 아니라 계통사고로 파급되므로 일반적으로 비율차동계전기를 사용하여 고장을 검출해 발전기 및 계자 주차단기를 끊고 비상 정지시킨다.

비율차동계전기 동작 원리는 <그림 2>에서 보호 범위 내에서의 단락 고장시는 계전기 동작코일에 전류가 흘러 동작하나, 외부 단락의 경우는 동작코일에 전류가 흐르지 않아 보호계전기가 동작하지 않는다.

<그림 2> 비율차동계전기 동작원리

나. 발전기 역상 과전류계전기(46)

불평형 부하, 단상 부하 운전시는 고정자 권선에 역상전류가 흐르며, 이 역상전류에 의한 회전자계는 회전자 회전방향과 반대이기 때문에 2배 주파수의 와전류가 회전자 표면에 흘러 코일 절연물 소손, Wedge의 접속부나 코일 보지환 등에 국부과열을 일으킬 위험성이 있으므로 이를 검출, 보호한다.

다. 발전기 계자상실계전기(40G)

(1) 계자상실 고장의 원인

◦ 주여자기의 계자상실

◦ 고장으로 인한 계자차단기 개방

◦ 계자회로의 단락

◦ 브러쉬 접촉불량

◦ 여자기 계통의 교류공급 상실

(2) 영 향

◦ 계통에서 발전기로 과다한 무효전력이 지속적으로 유입되어 계통을           불안정하게 한다.

◦ 무효전력의 지속적인 유입에 의해 고정자권선에 과다한 전류가 흘러           계자권선, 회전자 본체, 슬롯웨지, 보호환 등에 과전류가 유기되어             과열된다.

라. 발전기 지락보호계전기

발전기 지락계전기는 고장자 권선, 주변압기 저압권선, 소내변압기 고압권선 및 이들 상호접속 선로의 접지사고를 조속 검출, 계통과 분리시켜 사고 확대를 막는 보호계전기이다.

<그림 3>  발전기 고정자 지락보호

마. 발전기 후비보호계전기(21G 또는 44G)

발전기 후비보호계전기는 발전기 이후 즉 주변압기 고압권선, 345[kV]모선 및 송전선 고장시 해당 주 보호계전기가 동작해 고장을 제거하지 못하였을 경우 지속적인 고장전류 공급을 방지하기 위한 보호계전기이다. 계전기 설치점의 전압․전류로부터 고장점까지의 거리를 측정하여 보호 구간내 일때는 동작한다.

바. 발전기 전압/주파수(V/Hz)계전기(발전기 과여자 계전기)

자기회로(磁氣回路)내에서 자속은 전압에 비례하고 주파수와는 반비례하기 때문에 자속을 Volts/Hertz로 표현할 수 있다. 그러므로 전압이 증가하거나 주파수가 감소하면 과여자 상태로 되어 과다한 자속이 철심을 포화시키고 주변으로 누설되어 철심과 주변의 도체에 심한 와류손을 일으켜 가열의 원인이 되는데 이를 검출하기 위한 계전기를 발전기 전압/주파수 계전기라고 한다.

사. 발전기 역전력계전기(67G)

발전기의 전동기화는 발전기 차단기가 닫힌 상태에서 터빈 증기량이 무부하손 이하로 감소할 때 계통에서 유입되는 전력에 의해 발생되며, 이때 발전기의 여자가 충분하면 발전기는 동기전동기로 정상적으로 회전하나 터빈은 풍손에 의해 과열된다. 만일 터빈의 증기량 및 발전기의 여자가 상실되었다면 발전기는 유도 전동기로 회전하고 회전자에 슬립주파수 전류가 생겨 회전자를 과열시키고 터빈은 풍손에 의해 과열된다.

이를 방지하기 위한 계전기를 역전력 계전기라고 한다.

아. 발전기 저주파수계전기

전력 수급의 불균형으로 계통 주파수가 저하하면 터빈 발전기에서 가장 크게 영향을 받는 곳은 터빈날개이다. 길이가 다른 여러단으로 구성된 날개는 고유진동 주파수를 가지고 있어 정격 회전속도 이하로 터빈이 회전하게 되면 주로 저압 터빈의 끝단 날개가 공진에 의해 진동이 급격히 증가하여 결국 피로에 의한 균열현상이 발생하는데 이와 같이 저주파수를 검출하는 계전기를 저주파수 계전기라고 한다.

자. 발전기 고정자 전류검출계전기(37G)

발전기 고장자권선 냉각장치 고장 등으로 인해 온도가 상승하는 경우에 자동적으로 터빈 Run-Back 회로를 작동시켜 권선의 과열을 방지하도록 하는 계전기를 고정자 전류 검출계전기라 한다.

차. 계자 지락보호계전기(64F)

비접지 계통인 계자회로의 1개소의 지락고장은 발전기에 직접적인 손상을 주지는 않는다. 그러나 이 상태에서 고정자의 과부하에 의해 계자회로에 전압이 유기될 경우 계자회로의 다른 개소에서 스트레스가 증가하면 제2의 지락고장을 발생시킬 수 있다.

이와 같이 2개소의 지락고장이 발생하면 계자권선의 일부가 단락되어 자기적 불평에 의한 심한 진동이 생길 수 있으며 단락부분이 작을 경우는 진동이 생기지 않더라도 아크로 인해 로터가 국부적으로 천천히 손상된다.

이와 같이 계자지락 보호를 위한 계전기를 계자지락 보호계전기라 한다.

카. 발전기 철심(Core) 감시장치(GCMS)

발전기의 냉각용 수소가스의 이온화를 계속적으로 측정하여 고정자 철심의 과열상태를 검출하는 감시장치를 발전기 철심 감시장치라고 한다.