발전소 설비의 발전기 냉각

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 베어링및 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 감시하는장치가 있다.

 

2. 고정자(Stator)

가. 고정자 철심(Stator Core)

고정자 철심은 계자로부터 발생된 자속(자기력선)의 순환 경로를 제공하는 동시에 고정자 권선의 코일을 지지한다. 고정자 권선의 코일은 쐐기(Wedge)에 의해 고정자 철심의 슬롯 안에 놓이게 된다.

회전자의 회전에 의해 고정자에는 회전 자계가 유도되는데 회전 자계에 의해 생기는 자속의 선들은 많은 수의 고무 밴드(elastic band)에 비교되는 일련의 연속된 회로이다. 이 경로에 대한 자기 저항은 자속이 지나는 재질의 성질에 의해 결정된다. 공기는 가장 큰 자기저항을 가지며 금속(강자성체)은 자기저항이 아주 적다. 고정자 철심은 계자의 원주 방향으로 완전히 둘러싼 높은 투자성을 가진 원통형으로 만들어진다. 계자의 회전에 의해 유도자계의 자속은 고정자 내부를 모두 통과하게 된다.

철손(무부하, No load loss)은 와전류손(Eddy current 10ss)과 히스테리시스 손(Hysteresis loss)으로 이루어진다.

고정자 철심에서의 자속선의 급격한 방향 변화는 고정자 철심에 전자유도 법칙에 의해 와전류(Whirling current or Eddy current)를 유기시키고 이에 의해 도체 표면에 열이 유기 되게 된다. 따라서 이 와전류를 경감시키기 위해 고정자철심은 얇은 박판의 적층으로 이루어져야 한다.

 

히스테리시스 손은 강자성체의 특성 때문에 생기기때문에 철에 규소(Silicon, 2~4%)를 첨가하여 물성을 바꿔서 줄여준다. 이 때 규소는 와전류에 대한 저항을 증가시켜서 와전류손을 줄이는데도 기여하게 된다.

철심의 적층은 양면에 바니쉬(Varnish)를 도포하여 절연된 금속의 박판을 여러 번 겹쳐서 쌓는다.

이런 박판들은 고정자 슬롯(Slot)의 배열을 일정하게 유지하도록 고정자 직경의 바깥쪽에 원주 방향으로 일정한 간격으로 고정되어 있는 키 바(Key bar)에 적층된다. 직경의 안쪽에는 고정자 권선이 놓이는 슬롯이 있다. 고정자 적층은 평평하게 하고 콤팩트한 조립을 위해서 쌓는 동안 간격을 두고 중력에 의해 눌려진다.

고정자 철심의 실린더 내에서 2극 계자는 공극(Air Gap)을 사이에 두고 고정자 내부를 화력발전기의 경우 3,600rpm으로 회전한다. 이 때 비록 고정자 철심은 매우 단단하게 고정되어 있지만 전자력에 의한 인력으로 인해 진동을 하게 된다. 만약 철심이 단단하게 장착되었다면 그 휨은 프레임으로 전달될 것이고 2극 발전기의 경우 회전 주파수의 2배의 진동으로 운전 중에 나타날 것이다.

철심 박판을 단락시킬 수 있는 고정자 철심 면에 대한 손상을 방지하기 위한 주의가 필요하다.

철심 내부 면이 어떤 이유로 손상을 입는다면 박판 사이에 와류가 흐르게 된다. 이러한 일이 발생한다면 각각의 박판 사이의 분리나 절연을 위한 보수 작업이 이루어져야 한다. 

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

자속선의 총 수와 주어진 자계를 가진 금속이 적재 되었을 때의 총 자속 밀도가 필요한 철심의 부피를 결정한다.

나. 철심진동구조

고정자 철심은 운전 중 전자력에 의해 지속적으로 진동하고 있으므로 이것이 발전기 외함이나 기초로 그대로 전달된다면이음 발생은 물론 기초, 외함 균열 등 문제점을 발생시키므로 이를 방지해 주는 장치가 필요하다.

그러므로 발전기에서는 진동 절연 장치를 통해서 고정자 철심을 외함에 연결시키고 있다. 이 진동 절연장치의 기능 저하시 소음이 증가하고 이음이 발생한다.

 

다. 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 수소가 스의 폭발에도 견딜 수 있도록 견고하게 제작되어 있으며 그 기능을요약하면 다음과 같다.

(1) 부속장치 지지

틀은 철심, 수소 냉각기 및 부싱(Bushing) 등의 부속 장치를 지지하며 수직적인 힘의 지지 이외에 열 팽창시 터빈과 축정렬(Alignmen)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 301%1일 때 폭발력이 가장강하므로 이를 방지하기 위해 틀의 용접부분과 조립 볼트 접합부분은 수소의 누설이 없도록 완전 밀폐되어 있다.

(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 키바(Key Bar)를 프레임 링(Frame Ring)측에 고정된 2개의 스프링 바(Spring Bar)로 지지하여 철심을적층하고, 스프링 바는 축 방향으로 배열되어 철심의 자기 진동이 발전기 외부로 전달되는 것을 방지한다.

 

라. 고정자 권선(winding)

고정자 권선은 하프 코일(Half coil)로 제작하며 고정자 철심의 슬롯 안에 넣은 후 단부를 용접으로 접속한다.

코일은 대부분 평각동선을 사용하며, 고정자 철심 슬롯 내에 들어가는 권선은 와전류손을 방지하기 위해 소선으로 만들고 이 소선은 서로 절연이 되어 있다.

또한 소선에 유기되는 전압의 균형을 맞추기 위하여 슬롯 안에서 소선의 위치를 서로 바꾼다. 이를 소선의 전위라 한다.

 

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- 바나듐의 합금강으로 축의 철심부에 슬롯을만들고 회전자 권선을 넣는 방식으로 화력 발전기와 같은 고속기에 사용된다.

터빈 발전기의 축은 고속 회전체로서 고인장력(High Tension), 고자기 특성을 갖추고 내부 결함이 없어야 하며, 초음파탐상 시험기로 검사하고 축 각 부분의 시험편을 채취하여 자기 특성, 기계적 특성을 시험한다.

축의 중심에는 구멍이 뚫려 있어 보아 스코프(Bore Scope)로 내부 결함을 검사하도록 되어 있으며, 초음파 탐상 시험시저면 반사가 잘 되도록 되어있고, 또한 이 중심공은 회전자 코일의 리드선을 통하기 위해 이용된다.

 

나. 회전자 권선(winding)

회전자 권선은 회전자 축을 계자로 만들기 위해 직류 전류를 흘려주는 동선으로서, 권선은 은합금 구리를 사용하며 구리에 은을 소량 혼입하면 그 양에 비례하여 내열 효과는 상승한다. 또한 은은 크립 특성(Creep : 일정은도 하에서 일정하중이 작용할 때 재료의 변형이 시간의 경과에 따라서 증가하는 현상)이 양호하여 원심력과 열 사이클에 의한 권선의 영구변형을 방지한다.

특히 회전자 권선의 접속은 은용접을 주로 시행하며 극(Pole)간 접속은 동대와 같이 유연성 있는 구조로 기동 정지에 잘견디는 구조로 되어 있다.

직접 냉각방식의 권선은 대체로 2개의 유자형 도체를 서로 마주 합쳐서 1회 권선으로 하며, 이때 중앙에 사각형의 공간은냉각용 수소가스 통로로 활용된다.

 

다. 코일 보호환(Retaining Ring)

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

재질은 응력부식 균열에 강하고 온도 및 강도 특성이 좋은 18Mm- 18Cr이 사용되고 있다.

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(floating)상태로 통풍로를 형성시키고 회전자의 변형에 의한영향이 코일 보호환에 미치지 않도록 한다.

4. 냉각

가. 개요

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(2), 회전수(N)의 곱에 비례하여 표시된다.

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 개선되고있다. 또한 냉각 매제가 도체(고정자, 회전자)에 직접 접촉하지 않는 간접냉각(보통냉각) 방식에서 냉각매체가 도체에 직접 접촉하여 더 효과적으로 냉각시키는 직접 냉각방식으로 개선되었다.

 

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 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.

수소냉각형 발전기는 2조의 고정자 권선 사이에 얇은 고저항, 비자성 합금의 사각형의 배기관(Vent Tube)을 고정자 권선의 높이와 같게 설치하고 이 배기관으로 수소가스를 통과시켜 권선의 동손으로 인해 발생되는 열을 흡수하여 권선을냉각시키고 있다. 

발전기 용량이 증가함에 따라 이 배기관의 열수를 증가시켜 효과를 향상시킨다.

(나) 수(Water) 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 3인 수소의 약12.5배가 되므로, 물을 냉각 매체로 사용하면 냉각 효과가 매우 키 현재 대용량기에는 수 냉각방식을 가장 많이 채택하고있다.

소선 전부를 중공소선으로 하는 경우와 일부를 중공소선으로 하는 경우의 고정자 권선 단면을 나타낸 것이다. 권선에 냉각수를 공급하는 방식에 따라

1경로방식과 2경로방식이 있다.

1경로방식은 집전환(Collector)쪽에서 냉각수를 공급하여 터빈쪽으로 배수하는 방식이다. 용량이 증가하면 권선의 길이가 길어지고 냉각수의 입•출구간의 수두 손실이 증가한다. 따라서 대략 500을 초과하는 대용량기에서는 주로 1경로방식을 채용하고 있다.

2경로방식은 냉각수의 공급 헤더(Header)와 배수 헤더가 모두 터빈쪽에 있다. 발전기의 용량이 증대되면 냉각수 양과압력이 증가하여 수두 손실이 커지므로 대용량에서는 잘 채택하지 않는다.

 

(2) 회전자 냉각

회전자 권선의 보통(간접)냉각 방식은 수소가스가 슬롯의 하부나 치부( Teeth 부)에 설치된 통풍구를 지나가면서 권선과 절연물에서 발생된 열을 간접적으로 흡수하는 방식이고, 직점(내부)냉각방식은 냉각 매체인 수소가스가 회전자 도체와 접촉하여 도체에서 발생하는 열을 흡수하는 방식으로 냉각가스 흐름 형태에 의한 분류로 단부공급(End Feed)형과공극공급(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 축방향으로 통풍가스가

보내져 반경방향으로 공극에 배기되는 방식이다.

회전자 권선은 2개의 유자형 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.

(나) 공극공급(Air Gap Pick-up)형

이 방식은 통풍구의 형상 차이에 따라 여러 종류가 있다. 대용량 발전기에서 가장 많이 채용되고 있는 방식으로 공극 공급형의 회전자 슬롯 통풍수의 단면을 나타내고 있다.

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