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동기발전기

발전기 출력가능 곡선

발전기 출력가능 곡선

[80-1] 발전기의 출력가능곡선(Capability Curve)에 대하여 아는바를 기술하시오.
[98-2] 발전기의 출력가능곡선과 이를 제한하는 요인들에 대하여 설명하시오.
[95-2] 대용량 발전기 진상운전의 목적과 진상운전시 유의점에 대하여 설명하시오.
[89-4] 발전기를 진상운전 할 경우 그 목적과 이때 발생하는 문제점에 대하여 설 명하시오.

개요

발전기의 출력을 제한하는 요소는 주로 발전기 각부 도체 및 절연물의 온도상승 제한에 의해서 출력 제한을 받으며, 샤프트의 기계적 강도, 안정도 및 정격역률 등도 발전기의 출력제한에 관여한다.

발전기 출력의 제한 요인

1) 열적인 제한

(1) 계자 권선의 과열 : 과여자, 지상운전시
(2) 전기자 권선의 과열 : 저여자, 진상운전시
(3) 고정자 철심단부의 과열 : 저여자, 진상운전시(누설자속의 증대)

발전기 운전곡선
발전기 고정자 철심

발전기 고정자 권선 단부에서 고정자 철심 적층에 수직하여 누설자속이 발생하고 이에따라 철심에 와전류손(eddy current loss)에 의한 국부과열이 발생하게 된다.

과여자의 경우 Retaining Ring이 포화상태를 유지하게 됨으로서 단부의 누설자속은작다. 그러나 저여자의 경우 역률이 95[%]를 넘는 진상영역에서는 계자전류가 감소로 Retaining Ring이 포화되지 않았기 때문에 전기자 말단의 누설자속증가가 가능하다. 이때 계자에 의한 자속에 전기자에 의한 자속이 더해져서 전기자 단부에 열이 발생하고 이에 따라 발전기의 출력이 제한된다. 이 온도상승에 의하여 발전기는 무효전력 흡수 능력에 제한(진상운전의 제한)을 받는다. 그러나 이 진상운전에 대한 제한범위는 이론적으로 정해지는 것이 아니고, 단부의 구조 재료 등에 따라 개개의 발전기마다 다르고, 실험적으로 정해지고 있다.

2) 정태 안정도 한계

\[ P=\frac{EV}{X_s}\sin \delta : 정태안정도 한계는 \delta = 90 \]

3) Shaft의 기계적 강도

-> 기계적 입력토크의 한계

4) 정격역률 -> [지상 0.9 ~ 진상 0.95]

-> 정격역률을 증가시키면 무효전력의 공급 및 흡수 능력은 저하되지만, 발전기의 중량이 작아지고, 제작비가 저렴해지는 특성이 있다.

동기발전기의 출력가능곡선

발전기의 출력은 지상 및 진상 운전범위에서 열적, 기계적, 안정도, 정격역률 등에 영향을 받는다. 발전기의 각 운전영역에서 출력의 한계를 종축에는 무효분, 횡축에 유효분을 취해서 표시하고, 이것을 가능 출력 곡선이라고 부른다.

1) 발전기의 등가회로 및 페이저도

발전기의 등가회로 및 페이저도

E:발전기 유기기전력, V : 발전기 단자전압, I : 전기자 전류

Xs : 동기리액턴스, θ : 역률각, δ : 상차착

발전기의 등가회로 및 페이저도

발전기의 등가회로 및 페이저도는 위와 같이 나타낼 수 있다. 발전기의 출력가능곡선을 나타내기 위해서는XsI cosθ를 P(유효전력), XIs sinθ를 Q(무효전력)으로 나타내기 위해서 모든 페이저에 동일하게 V/Xs곱해서 다시 나타낸다.

\[ P=VI \cos \theta , Q=VI \sin \theta \]

2) 출력가능곡선

상기 V/Xs로 스케일링(Scaling)된 페이저를 왼쪽으로 90° 회전한 후 대칭구조로 하여 P-Q도를 그리면 다음과 같다.

출력가능곡선
출력가능곡선
출력가능곡선

수소냉각방식인 경우에 수소압력을 증가시키면 냉각성능이 향상되어 발전기의 출력범위도 아래의 그림과 같이 확대된다.

출력가능곡선

발전기 정격역률의 범위

발전기에서 요구되는 무효전력조정범위는 주변압기, 송전선에서의 무효전력손실과 인근 계통의 무효전력 수요의 분포와 함께 계통 전체의 전압과 무효전력 균형의 적정유지, 송전손실의 경감 등을 고려하여 결정한다. 계통의 무효전력 공급원, 공급형태의 변화에 큰 영향을 받는다.

발전기의 정격역률 낮을수록 무효전력 공급범위가 커지므로 계통 운용면에서는 유리하다고 할 수 있으나 가격이 상승하는 단점이 있다.

대용량 발전기의 정격출력을 일정하게 하고 “정격역율을 0.9에서 5% 증가시키는 경우 중량은 약 9% 정도 감소하는 것”으로 조사되었고, “정격역률을 높이면 발전기 중량이 작아지므로 발전기 가격에 미치는 영향은 크다.”

최근 수요의 증가에 따른 무효전력 공급 현황은 초고압 전력계통의 확대, 케이블 계통의 확장으로 인하여 정전용량이 증가함으로써 무효전력 공급원이 증가하고 있으며, 수용가에 인접한 배전용 변전소의 조상설비와 수용가의 역률 개선용 콘덴서의 설치가 확대됨에 따라 발전기에서 요구되는 무효전력 공급량은 점차 낮아지는 경향이 있다.

한편 경부하 시에는 계통전체의 무효전력 공급의 과잉으로 계통전압이 상승하므로 변전소에 설치된 병렬 리액터를 투입하는데 계통전압이 계속 높아지면 화력, 양수 발전소 등에서 진상역율운전을 하게 되는 경우가 있다.

대용량 발전기에서 요구되는 무효전력 조정범위는 대체로 역률은 95% 정도, 진상은 발전기 용량한계와 단자 전압 저하한도 및 안정도 한계 이내로 하고 있다. 그러므로 대용량 발전기에서 요구되는 역률은 대부분 지상 90%가 표준적으로 사용되고 있다.

수력발전기의 역율은 계통전압 발전기용량에 따라 다소 차이는 있으나 1960년 이전의 0.8~0.85에 비하여 최근에는 0.9~0.95로 높아지는 경향이 있다. 특히 소비지로부터 떨어진 중소 규모의 수력 발전소의 정격역율은 0.95이상의 고 역율로 운전하는 경우도 있다.

터빈 발전기의 역률은 70년까지는 0.85가 표준이었으나 근래에는 0.9가 일반적으로 채용되고 있다. 발전소에서 배전선에 이르는 계통에서 변압기와 송배전선에서 무효전력이 소비된다.

발전기는 부하에서 소비하는 무효전력뿐만 아니라 계통에서 소비되는 무효전력도 함께 공급하여야 한다. 그러나 수력발전소와 같이 발전소와 소비지가 떨어진 경우에는 정격역률을 낮추어도 “송전선에서 소비하는 무효전력과 선로 및 변압기의 동손이 증가하여 비경제적이다.”

“무효전력은 소비지에서 비교적 가까운 곳에서 발생하도록 하는 것이 바람직”하며 변전소에 설치하는 조상설비와 협조하여 발전기 정격역률을 결정할 필요가 있다. 아울러 발전기의 제작비는 정격역률이 낮아짐에 따라 제작비는 높아지므로 수력발전기의 역률을 높이는 연구가 진행되고 있다.


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