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동기발전기

발전기의 계통병입

발전기의 계통병입

[96-2] 발전기를 전력계통에 동기 투입하고자 한다. 동기가 일치하지 않을 때 발전 기에 예상되는 손상(damage)을 설명하고, 정상적으로 동기투입하기 위한 조건 4 가지를 설명하시오.
[95-1] 발전기의 계통병입을 위한 필요 조건을 제시하시오.
[81-3] 발전기의 계통병입을 위한 필요조건을 3가지 이상 제시하고, 동기검정기 (Synchroscope)를 이용한 계통병입방법을 설명하시오.

동기발전기의 병렬운전 조건

동기발전기를 계통의 모선에 병입하기 위해서는 모선의 전압의 크기, 위상, 주파수, 파형이 일치하도록 조정하여 병입하여야 한다. 이 조건을 만족하지 못하면 차단기를 닫는 순간에 과도한 전류 및 전압이 발생된다.

동기발전기의 병렬운전 조건(전압의 크기)

1) 전압의 크기

 전압이 상이하면 큰 쪽에서 작은 쪽으로 무효순환전류 발생한다.

 전압이 큰 발전기는 감자가 발생되어 전압이 저하되고, 전압이 낮은 곳은 증자가 발생되어 전압이 증가되므로 일정 시간이 지나면 전압이 동기된다.

2) 전압의 위상

 위상이 상이하면 위상이 빠른 쪽에서 늦은 쪽으로 유효순환전류 발생한다.

 위상이 빠른 발전기는 속도가 감소되고, 위상이 느린 발전기는 속도가 빨라져 일정시간이 지나면 위상이 동기된다.

3) 전압의 주파수

주파수가 서로 다르면 두 발전기간 전위차는 시간적으로 심하게 진동하고, 이 전압의 최대값은 발전기 전압의 거의 2배까지 이르게 된다. 따라서 주파수가 같지 않은 상태에서 병렬운전을 하면 발전기의 출력이 주기적으로 요동하고 권선은 비정상적으로 가열된다.

동기발전기의 병렬운전 조건(전압의 파형)

4) 전압의 파형

전압의 파형이 상이하면 고조파 무효순환 전류의 발생흐른다.

계통병입 방법

계통병입방법
계통병입방법

1) 발전기 병입 절차

① 전압계를 이용하여 투입 발전기의 계자전류를 조정하여 전압이 모선의 전압과 거의 같도록 조정한다. 약간 높은 것이 좋으나 약간 낮아도 큰 문제가 없다.
② 모선 단로기의 투입
③ 주파수, 위상이 동기 될 때 차단기를 투입한다.

※ 상회전이 다른 것은 동기검정등(Synchronizing lamp) 등을 이용한 보조적인 방법을 통해서 검사한다.

2) 동기검정기(Synchroscope)를 이용한 주파수, 위상 동기화 투입

전압의 주파수가 다르면 오차각이 계속 바뀌게 되고 동기검정기의 지침은 계속 회전한다.

 SLOW 방향으로 회전: 모선보다 느린 주파수 상태

 FAST 방향으로 회전: 모선보다 빠른 주파수 상태

 검정기 지침의 회전속도: 주파수의 차이

동기검정기(Synchroscope)를 이용한 주파수, 위상 동기화 투입

[예] 검정기의 지침이 FAST 방향으로 빠르게 회전하는 경우

조속기를 제어하여 입력을 감소  지침의 회전속도 저하  모선의 주파수와 근접  영점 1~2°전에 차단기를 투입  동기검정기 멈춤

3. Case Study

1) 전압의 크기가 상이한 경우

전압의 크기가 상이한 경우
전압의 크기가 상이한 경우
전압의 크기가 상이한 경우

2개의 발전기가 병렬로 연결되어 전압이 상이한 경우 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류가 흘러들어간다. 그러면서 자신의 발전기는 지상인 전류가 흘러나가고(무효전력 공급) 상대의 발전기는 지상인 전류가 흘러들어온다(무효전력 흡수). 이렇게 되면서 전압이 높은 발전기는 감자되어 전압이 낮아지고, 전압이 낮은 발전기는 증자되어 동일한 전압으로 조정된다. 이처럼 전압을 동기화하는 전류라고 해서 동기화전류라 부르고, 무효성분의 순환전류가 흐르므로 무효순환전류라고도 한다.

2) 위상이 상이한 경우

위상이 상이한 경우
위상이 상이한 경우

전압의 위상이 다르면 위상차에 해당하는 전위차가 발생되어 순환전류가 흐르며 이 순환전류를 유효횡류라 한다.

\[ I_0= \Delta V/2X_2 \]

유효횡류라고 부르는 이유는 발전기 사이에서 유효전력을 주고받기 때문이다. 위상이 일치하지 않는 상태에서 병렬운전을 하면 위상이 앞선 발전기는 부하분담(유효전력 공급)이 더 많아져 회전속도가 감소하게 되고, 위상이 뒤진 발전기는 부하분담이 줄어(유효전력 소모)들어 발전기의 회전속도가 상승한다.

아래의 페이저도는 동기화 전류에 의해서 새롭게 만들어진 전기자 자속을 만들어서 앞에서 배운대로 계자자속과의 자기배열 토크가 작용하여 서로 모이는 방향으로 작용하여 위상차를 극복하는 것을 설명하는 페이저도이다.

위상이 상이한 경우

– 위상이 앞선 발전기의 유효전력 공급 :

\[ E I_0 \cos \frac{ \delta} {2 } \]

– 위상이 뒤진 발전기의 유효전력 공급 :

\[ E I_0 \cos (\pi-\frac{ \delta} {2 }) =-E I_0 \cos \frac{ \delta} {2 } \]

이 결과에서도 명확하게 알 수 있듯이 위상이 앞선 발전기가 유효전력을 공급하고 뒤신 발전기가 그 유효전력을 소모함으로써 앞선 발전기는 출력이 증가하여 속도가 증가하고 뒤진 발전기는 출력이 감소되어 속도가 감소됨을 알 수가 있다. 속도가 동일한 지점에서 위상이 일치하게 되고 더 이상 전력의 수수관계는 이뤄지지 않는다.

3) 주파수가 상이한 경우

위상이 한쪽이 빨랐다가 느렸다가 같아다를 반복하게 된다. 이때 나타나는 합성기전력은 다음과 같이 표현할 수 있다.

\[ A 발전기 전압= V_m \cos \omega_1 t [V] \]
\[ B 발전기 전압= V_m \cos \omega_2 t [V] \]

두 발전기간 전위차

\[ V(t) =V_m \cos \omega_1 t – V_m \cos \omega_2 t =V_m (\cos \omega_1 t – \cos \omega_2 t ) \]
\[ \cos \alpha -\cos \beta = -2 \sin \frac{ \alpha+\beta} {2 } \sin \frac{ \alpha-\beta} {2 } \]
\[ V(t)=-2V _{m} \sin(\frac{\omega _{1} + \omega _{2}} {2} t) \cdot \sin( \frac{\omega _{1} – \omega _{2}} {2}t ) \]
주파수가 상이한 경우

주파수가 서로 다르면 두 발전기간 전위차는 시간적으로 심하게 진동하고, 이 전압의 최대값은 발전기 전압의 거의 2배까지 이르게 된다. 따라서 주파수가 같지 않은 상태에서 병렬운전을 하면 발전기의 출력이 주기적으로 요동하고 권선은 비정상적으로 가열된다.


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