Unbalance and Balancing
9.1 개요 (Introduction)
9.2 일반적인 발전기 거동 (General Generator Rotor Vibration)
9.3 발전기 로터의 열적 민감도 (Generator Rotor Thermal Sensitivity)
9.4 열적 민감도 시험 (Testing for Thermal Sensitivity)
9.5 열적 민감도의 원인 (Causes of Thermal Sensitivity)
9.6 열적 민감도 조사 결과 (Thermal Sensitivity Findings)
9.7 열적으로 민감한 계자의 예 (Examples of Thermally Sensitive Fields)
9.8 증명된 해결책 (Proven Solutions)
9.9 결론 (Conclusion)
1 개요
Introduction
발전기 로터의 Thermal Sensitivity(열적 민감도)는 발전기 로터에 발생할 수 있는 현상으로 계자전류가 증가되면서 진동이 변화한다. 이러한 현상은 모든 제작사의 발전기 계자들에서 한, 두 번쯤은 발생하였다. 발전기 로터의 Thermal Sensitivity(열적 민감도)는 로터 주변 원주 방향으로의 온도 분포가 불균일하거나 축 방향 힘이 원주 방향에서 균일하게 작용하지 않을 때 일어날 수 있다. 이러한 현상의 두 번째 원인에서의 주된 힘은 구리 코일과 단조 로터 및 부품 재질인 합금강 사이의 열팽창 계수가 크게 차이가 나기 때문이다. 로터 권선이 원주 방향으로 기계적으로나 전기적으로 상태가 아닐때 발전기 로터는 로터 굽힘과 진동을 발생시킬 수 있는 불균일한 힘이 발생한다. 대부분의 경우, 열적으로 민감한 로터라고 해서 발전을 못하는 것이 아니라 과도한 로터 진동 때문에 높은 계자전류나 무효전력에서의 운전이 제한될 수 있다.
2 일반적인 발전기 로터 진동
General Generator Rotor Vibration
발전기 로터 진동의 목표는 발전기 로터 진동이 허용한도 이내에서 유지되고, 모든 운전 속도에서 그리고 용량 곡선 이내의 정격속도의 어떠한 운전 조건하에서도 순조롭게 운전하는 것이다. 그림 3-63의 용량 곡선에서 보면 3개의 별개 영역으로 나타난다. A-B 영역은 계자에서 발생하는 열에 의한 한계를, B-C 영역은 전기자에서 발생하는 열에 대한 한계, C-D 영역은 전기자 철심 끝단에서 발생하는 열에 대한 한계이다. 일반적으로, 열적으로 민감한 계자는 B-C, C-D 영역에서 운전될 때는 계자전류가 크지 않으므로 영향을 받지 않으며 로터 정격 온도에 도달하지 않는다.
그러나, 계자권선이 발전기 정격 출력점인 B에 다다를 때 열적으로 민감한 계자는 계자전류 증감에 따라 진동이 변한다. 이러한 변화는 진동 크기의 증가 또는 감소, 또는 위상 변화로 나타난다. 모든 발전기 계자는 어느 정도의 열적 민감도를 가지고 있지만, 진동의 크기가 허용 한계(저널에서 50～80 ㎛ pp) 이내로 유지한다면 열적 민감도는 일반적으로 문제가 안된다. 용량 곡선 이내에서 운전하는 동안 진동이 허용치를 초과할 때 문제가 된다.
발전기 계자에서의 고진동 발생 원인은 여러 가지가 있다. 그 중에서 가장 일반적인 것은 기계적 질량 불평형, Thermal Sensitivity, Misalignment, 베어링 기능 저하이다. 그 외로 다른 원인으로는 Rubbing, Bent Overhang, 로터 강성의 비대칭, 저널 진원도
그림 3-63 일반적인 전기자 반작용 용량곡선
불량 및 비정상 운전에 의해 일어나는 설계와의 편차 등이다. 이러한 원인들은 각각의 주된 주파수와 응답 특성을 가지고 있다. 진동의 원인은 진동 데이터의 분석을 통해 진단할 수 있다. 예를 들면, 가장 빈번하게 관찰되는 진동의 원인은 기계적 질량 불평형이다. 진동의 형태는 진동 주파수가 로터 회전 주파수와 같은 동기 주파수로 나타난다. 이는 발전기 부하나 계자전류와 같은 운전 조건 변화에 응답하지 않는다. 대부분의 경우, 질량 불평형이 크지 않다면 기계적인 진동은 발란싱에 의해 교정될 수 있다.
3 발전기 로터의 열적 민감도
Generator Rotor Thermal Sensitivity
열적으로 민감한 로터는 굽힘 현상으로 인해 로터 Balance 상태변화로 1×RPM 주파수 응답 신호를 나타낸다. 만약 계자로 인해 발생하는 전체 진동이 허용 한계 이내에 머무르면 “열적인 민감도”를 고려하지 않는다. 진동은 진폭과 위상각으로 특징 지어지기 때문에 진동의 움직임은 그림 3-64에 나타난 바와 같이 Polar Chart에 자주 도식화한다. 만약 진동 벡터가 50～80 ㎛의 원주범위 이내에서 유지되거나 허용가능 진동 레벨이라면 진동은 문제의 대상이 아니다. 비록 위상각이 변하고 진동이 이 원주범위 내에서 움직일지라도 이것은 문제가 되지 않는다. 운전 개시 점에서 운전 끝점까지 Polar Plot내에서 진동 및 위상각 변화를 그린 것이 Thermal Vector이다.
그림 3-64 Thermal Vibration Vector를 나타내는 Polar Plot
Thermal Sensitivity의 형태는 반복성있는 즉 가역적인 것(Reversible)과 비가역적인 것(Irreversible) 두 가지가 있으며, 두 가지다 계자전류에 따라 변하지만 가역적인 형태는 진동의 증가와 감소가 계자전류의 증감에 따른다. 예를 들면, 계자전류가 증가할 때 계자상태에서의 진동이 25 ㎛에서 75 ㎛로 증가하고, 계자전류가 감소할 때 동일하게 진동이 감소하는 이러한 Thermal Sensitivity Type을 가역적이라고 한다. 이러한 경우는 Thermal Vector가 제로점을 통과하고 최대 진동이 허용 한계 이내에 있도록 절충 발란싱을 할 수 있다.
그러나 계자전류를 증가할 때 진동은 상승하지만 계자전류 감소시 진동이 감소하지 않는 형태를 비가역적 또는 Slip-Stick이라 한다. 이러한 상태가 발생하면 발전기를 자주 정지해야하며 로터 휨을 일으키는 힘을 제거하기 위해 터닝기어 속도까지 감속시켜야 한다. 이런 형태의 Thermal Sensitivity는 아주 까다로우며 어떤 경우에는 권선 해체를 하지 않고서는 이러한 상태를 제거하기 위한 효과적인 대책이 없다. 그 결과 발전기는 전기적인 용량을 초과하여 운전할 수 없기 때문에 이런 상태의 계자권선으로는 부하제한을 할 수 밖에 없다. 그림 3-65는 계자전류에 의해 진동이 증가되었지만 계자전류가 제거되었을 때도 높은 진동 레벨에서 머물고 있는 비가역적인 계자상태를 나타내고 있다.
그림 3-65 비가역 Thermal Sensitivity를 나타내는 Vibration Data
4 열적 민감도 시험
Testing for Thermal Sensitivity
만약 로터가 계자전류에 민감하다고 생각되면 이러한 현상을 확인하기 위한 시험 방법들이 있으며, 터빈 발전기의 유효전력 상승에 의한 진동 상승이 아님을 확인해야 한다. 시험 방법중의 하나가 Flux Probe 시험이다. 이 시험으로 계자권선 층간 절연물의 절연 상태를 진단할 수 있고 계자권선 내에서 코일이 단락되었는지를 알 수 있다. 대부분의 경우, 이 시험으로 각 코일 내의 단락 코일수와 단락 위치가 어느 극인지를 알 수 있다 (Magnetic Wedge가 사용되는 경우는 정확한 검출을 할 수 없다). 권선 층간에서의 단락은 Thermal Sensitivity가 발생하는 가장 일반적인 원인이기 때문에 이 시험법은 아주 유용한 진단법이다.
시행해야할 또 다른 시험 방법은 계자 상태에서 무효전력으로부터 유효전력의 영향을 격리시키는 것이다. 유효전력 성분에 따른 진동변화는 Thermal Sensitivity Mechanism이 아니다. 유효전력 성분은 베어링 Alignment 변화의 결과와 마찬가지로 로터 진동의 상승을 초래한다. Thermal Sensitivity 진단 시험은 3단계로 실시하며 그림 3-66에 나타내고 있다.
1 단계 시험은 계자에 계자전류를 일정하게 공급하고 발전기 유효전력을 50～60%변화시킨다. 진동값 뿐만 아니라 전압, 전류, 온도와 같은 다른 발전기 주요 매개변수들을 시험 단계별로 기록하여야 한다. 각 단계별 시험 도중 발전기 진동의 큰 변화를 주의해야 한다. 1 단계 시험은 그림 3-66에서의 1에서 4까지 움직이면서 시행한다.
그림 3-66 열적으로 민감한 계자 시험 절차
2 단계 시험은 발전기에 유효전력을 일정(약 60～80%)하게 한후 최대 정격 계자전류까지 상승시킨다. 각각의 시험 지점에서 정상상태에 이를때까지 유지한다. 진동의 한계를 초과하지 않고서는 공급 가능한 최대 계자전류를 공급하지 못한다면, 시험을 반복해야 하지만 허용 가능 진동 한계치를 초과하지 않는 범위까지만 최대 계자전류를 공급한다. 일정한 유효전력에서 계자전류의 증가에 따라 진동 또는 위상각의 변화가 크다는 것은 계자가 열적으로 민감하다는 것을 의미한다.
다음에 이 시험을 다시 반대로 시행해야 한다. 즉 계자전류를 최대치에서 처음 시작점까지 다시 감소시킨다. 모든 시험 데이터를 다시 기록한다. 만약 진동 및 위상각이 초기값으로 되돌아간다면 이러한 Thermal Sensitivity Type을 가역적이라 부르며 대부분의 경우 진동 한계치 이상으로 진동이 초과하지 않도록 하기 위해 Thermal Vector가 제로점을 통과하도록 절충 발란싱으로 교정할 수 있다. 그러나 진동값이 최초의 상태로 돌아오지 않고 높은 상태를 유지한다면 이러한 계자 진동을 비가역적이라 부르며, 교정조치 내용에는 계자에 대한 개선 사항에 포함되어 있다. Flux Probe와 Thermal Sensitivity 시험은 열적으로 민감한 계자를 감시하고 진단하는데 매우 중요하다.
5 열적 민감도의 원인
Causes of Thermal Sensitivity
앞에서 언급했듯이 발전기 계자가 열적으로 민감한 주요 원인중의 하나는 권선을 구성하고 있는 구리 도체와 단조강 사이의 열팽창 계수차가 크기 때문이다. 계자전류가 공급되면 도체는 단조강보다 크게 팽창한다. Unit 정격에 가깝게 계자전류가 증가되면 도체와 단조강 사이의 팽창차가 크게 되고 힘이 크게 발생한다. 이러한 힘이 계자 원주 방향으로 균일하게 분포되지 않는다면 이 힘이 발전기 로터를 휘게 할 것이다. 이러한 휨은 Thermal Sensitivity를 일으키며 계자전류 증감에 따라 변한다. 이러한 원리는 간단하지만 발전기 계자측의 구성이 복잡하기 때문에 열적진동 발생에 대해 주어진 계자의 민감도에 영향을 주는 요인이 여러 가지 있다. 다음은 발전기 계자측에 Thermal Sensitivity를 발생하게 하는 여러 항목을 나열하고 있는데 그 자체 또는 복합적으로 작용한다.
9.5.1 層間短絡 (Shorted Turns)
발전기 권선 층간의 절연이 손상되었을 때 층간단락이 발생한다. 층간단락은 Thermal Sensitivity의 가장 일반적인 원인이다. 층간단락의 수와 분포에 따라 다르지만 운전상 문제가 될 수도 있으며 되지 않을 수도 있다. 극에 인접한 코일에서의 층간단락은 매우 중요하다. 계자내에 층간단락이 발생했을 때 단락이 많이 발생한 극에서는 전기 저항이 낮아지고 그 결과 반대 극에서 보다 약간 낮은 온도에 있게된다. 따라서 온도가 더 높은 극에서는 다른 극에서 보다 축 방향의 신장량이 크게되며 계자는 동일한 방향으로 휘게 된다 (그림 3-67). 계자전류가 증가하면 휨 양도 증가하며 진동과 위상각이 이와 비슷하게 영향을 받을 것이다. 층간단락은 가역적인 Thermal Sensitivity 결과를 초래한다.
그림 3-67 A극 층간단락에 의한 온도 변화는 Thermal Sensitivity를 일으킨다.
9.5.2 通風口 막힘 또는 非對稱的인 冷却 (Blocked Ventilation or Unsymmetrical Cooling)
층간단락과 같이 통풍구 막힘도 발전기 계자의 원주 방향 열적 균형에 큰 영향을 줄 수 있다. 이것은 이물질이 계자 속으로 유입되어 계자의 정상적인 냉각과 통풍을 방해한다. 직접 냉각 방식의 권선은 냉각매체가 구리 속으로 흐르도록 제작, 설계된 냉각 Hole을 직접 통과한다. 이들 냉각 통로의 막힘이나 절연물의 탈락은 계자측에서 Thermal Sensitivity를 일으키는 원인이 된다. 불균일한 온도 분포는 층간단락과 동일한 방법으로 계자에 영향을 미친다. 이러한 진동의 형태도 가역적이다.
9.5.3 絶緣 偏差 (Insulation Variation)
절연물의 두께, 축적 상태 및 결합 상태가 극에서 극까지 균일하지 않으면 Coil Slot내에서와 Retaining Ring 아래에서 불균일한 마찰력이 발생한다. 이러한 현상이 발생하면 계자전류가 공급될 때 계자코일은 축 방향으로 균일하고 자유롭게 팽창할 수 없게되고 그 결과 계자측 단조물은 불균일한 부하를 받게되어 계자측을 휘게 한다. 이러한 경우 가장 크게 마찰을 하는 코일 즉 구속하고 있는 코일들은 축 방향으로 단조물에 보다 큰 부하를 주게되어 계자측을 그 방향으로 휘게 한다. 계자전류를 증가시키면 계자측의 굽힘을 더 증가시킨다. 어떤 경우에는 Slot내의 도체들이 Slip이 발생하여 진동의 Step 변화를 일으킨다. 또 다른 경우에는 계자전류가 제거된 이후에도 코일의 구속이 지속되어 로터가 휜 상태로 남아있다. 이러한 상태는 절연물이 파괴되거나 이동되어 Slot안으로 들어간 상태로 여러해 동안 운전해온 계자에서 발생한 바 있다. 새로운 계자 조립시 주의를 요하며, 계자 재권선시 절연물이 균일하게 설치되는지 또 적절한 설계 절차와 간극을 가지는지를 확인한다 (그림 3-68 참조). 이러한 형태의 Thermal Sensitivity는 대부분 비가역적 또는 Slip-stick이다.
그림 3-68 일반적인 발전기 계자측의 Slot 구성
9.5.4 Wedge 組立 (Wedge Fit)
Wedge를 개조하거나 교체하면 발전기 로터는 열적으로 민감해질 수 있다. 이것은 특히 한 극의 한 두개 Slot에서 일부 Wedge만을 교체하였을 때 나타난다. Wedge의 조임이 균일하지 않다면 로터의 굽힘을 일으키는 축 방향으로 구속력의 원인이 될 수 있다. Wedge를 개조 또는 교체할 때 계자내 모든 Wedge의 간극과 조립이 동일하게 되도록 주의 깊게 시행하는 것이 매우 중요하다 (그림 3-69). 이러한 상태는 항상 비가역적인 Thermal Sensitivity를 일으킨다.
그림 3-69 Coil Wedge Fitting
9.5.5 Distance Block 組立 (Distance Block Fitting)
발전기 계자측의 Endwinding내에서 일정한 간격을 주는 Distance Block은 일정한 간격이 유지되어야 하고 적절하게 조립되어야 한다. 불균일한 간격과 적절치 못한 조립은 불균일한 힘을 일으켜 Retaining Ring 또는 Center Ring을 통하여 계자 단조물로 전달되고, Thermal Sensitivity의 다른 가능 원인들처럼 로터의 휨 발생과 동특성을 변화시킬 수 있다 (그림 3-70, 3-71). Distance Block 조립이 균일하지 못하면 가역적인 진동을 야기 시킬 수 있다.
그림 3-70 발전기 End Blocking 설계
그림 3-71 불균일한 Blocking에 의해 발생하는 굽힘
9.5.6 Retaining Ring/Centering Ring의 움직임 (Retaining Ring/Centering Ring Assembly Movement)
계자전류가 증가할 때 계자 코일로부터 발생한 큰 힘이 Retaining Ring과 Centering Ring으로 전달된다. 이 Ring들이 적절하게 설치되지 않으면 계자측은 불균일하게 부하를 받게되고 로터를 휘게 한다. 또한, 열박음이 충분하지 못하면 Ring들은 열박음 조립공간 내에서 움직일 수 있으며 Retaining Ring 질량 중심을 변화시킨다. 이러한 경우, 계자측의 진동 신호가 변화하게 되고 느슨한 열박음 조립공간이 교정되기 전에는 문제 해결이 안된다.
Spindle-mounted Retaining Ring을 가지는 로터는 Retaining Ring이 잘 휘는 Spindle Section에 설치되기 때문에 Body-mounted Retaining Ring의 로터에 비해 Thermal Sensitivity가 훨신 더 민감하다는 것을 알아야 한다. 이러한 이유 때문에 같은 크기의 Axial Force임에도 Spindle-mounted Rotor는 더 크게 휘게 된다 (그림 3-72, 3-73). Retaining Ring과 Centering Ring의 움직임은 가역 및 비가역 진동을 일으킬 수 있다.
그림 3-72 일반적인 Retaining Ring Mounting 종류
그림 3-73 End Winding Blocking 힘의 이동
9.5.7 틈이 없는 Slot (Tight Slots)
좀처럼 나타나기 드문 현상으로써 절연물 시스템을 교체한후 변형되어 평평하지 못한 도체를 재사용할 때 계자를 재권선하는 중에 통상 발생하게 된다. 계자 재권선시 필요한 설계 간극을 확보하는 것이 중요하다. 틈이 없는 Slot은 계자전류가 공급될 때 도체의 축 방향 움직임을 균일하지 못하게 하여 로터를 휘게 한다. 이러한 현상은 일반적으로 비가역적 형식의 진동을 일으킨다 (그림 3-74).
그림 3-74 기계적으로 발생하는 Thermal Sensitivity
9.5.8 熱에 敏感한 鍛造 로터 (Heat Sensitive Rotor Forging)
좀처럼 나타나기 드문 현상이지만 발전기 로터 단조시 재질의 특성이 균일하지 않아서 발생하며 계자나 도체의 구성에는 관계가 없다. 재질의 특성이 균일하지 않기 때문에 계자전류가 공급될 때 단조 로터는 축 방향으로 고르지 않게 팽창하여 로터를 휘게 한다. 이러한 현상은 재료 공급자의 단조 열처리와 제작상 발생한 문제에 의해 일어난다.
앞에서 언급한 발전기 로터 Thermal Sensitivity 원인들은 가장 일반적으로 직면하는 문제이지만 완전한 내용은 결코 아니다. 접착제의 오용, 부적당한 재질의 사용 및 어떤 형태의 운전 실수와 같은 것들도 균일성을 악화시키는 원인이 되며 계자를 열적으로 민감하게 한다. 열, 팽창력 및 마찰 등 무엇이든 균일하지 않으면 계자전류가 변할 때 Thermal Sensitivity가 발생한다. 어떤 경우에는 위의 원인 또는 다른 원인들 중 여러 가지가 복합적으로 작용하여 이 문제가 일어난다. 앞에서 언급했듯이 모든 로터는 어느 정도의 Thermal Sensitivity를 가지고 있다. 여기서 중요한 것은 훌륭한 설계와 완전한 제작을 통해 Sensitivity 정도를 조절할 수 있다는 것이다.
6 열적 민감도 조사 결과
Thermal Sensitivity Findings
전체 7,000개 이상의 발전기중 현장에서 운전중인 발전기 계자에서 Thermal Sensitivity와 관련된 운전상의 문제점을 가지고 있는 로터는 0.5% 이하이다. 이들중 Thermal Sensitivity 때문에 운전할 수 없는 것은 단 한 개뿐이며 다른 것들은 높은 무효전력하에서 허용한계를 초과하는 높은 진동 때문에 운전이 제한된 것이다. 일반적으로 Thermal Sensitivity는 강제 정지를 야기하지는 않지만 발전기의 탄력적인 운전을 제한하게 한다.
모든 발전기 로터에는 어느 정도의 Thermal Sensitivity가 있으나 간접 냉각 방식과 Spindle-mounted Retaining Ring 로터에서는 특히 무효전력이 높을떄 높은 진동 진폭을 쉽게 경험하게 된다. 로터를 일정한 역률 근처에서 운전하고 계자전류를 한계치까지 올리지 않으면 Thermal Sensitivity가 일어나기 쉬운 로터도 진동 변화가 나타나지 않는다. 이것은 로터의 조립 불량 또는 운전 사고와 같은 다른 요인들이 포함되지 않음을 가정한 것이다.
7 열적으로 민감한 계자의 예
Examples of Thermally Sensitive Fields
발전기 계자에서의 Thermal Sensitivity 영향을 제거하거나 개선을 위해 여러 가지 방법이 사용되었다. 재권선시 새로운 절연물 보강, 단조된 계자와 Wedge의 개조 및 간접 냉각방식에서 직접 냉각방식 채택 등이 포함된다. 최근의 새로운 계자는 계자에서 Thermal Sensitivity가 실질적으로 제거되는 도체, 직접 냉각방식과 Body-mounted Retaining Ring으로 설계되고 있다.
GE는 Sensitivity 문제에 대한 근본 원인을 알기 위한 조치와 문제 해결 방법을 연구해 왔다. 이 업무를 수행하면서 분석한 보다 흥미있는 여러 사례를 다음에 나타내고 있으며 대부분 개선되어 로터 진동이 더 이상 운전상의 문제가 되지 않았다.
(1) 수소 냉각 발전기의 층간단락 (사례 1)
여러해 동안 운전하면 대형 증기터빈 발전기가 시간이 지남에 따라 계자의 진동 형태가 계자전류에 비례하여 변하기 시작하였다. 이 진동은 시간이 지남에 따라 점점 증가했다. Flux Probe Test 결과 계자권선에 많은 층간단락이 발생했다. 층간단락의 분포는 한 극에서만 집중적으로 많이 나타났으며 진동의 특성은 당연히 가역적 형태이었다.
계자 분해 결과 층간 절연물의 열화 흔적과 층간단락이 발견되었으며 계자 재조립시 새로운 절연 시스템으로 교체하여 운전을 실시하였다. 그 결과 로터 진동의 크기는 정상치로 나타났으며 큰 Thermal Sensitivity가 나타나지 않았다.
(2) 공기 냉각 발전기의 절연물 열화 (사례 2)
공기 냉각가스 터빈 발전기는 정기적인 정비를 위해 정지했다. 정지기간 동안에 발전기의 Spindle-mounted Retaining Ring 점검 결과 습분에 의한 손상이 발견되었다. Stator로부터 로터를 인출하여 Retaining Ring 분해 점검을 실시하고 표면 자국을 제거하기 위해 Ring을 가공하였으며 Pitting 및 Rust에 의한 Slot Wedge 손상상태 점검후 부품을 재조립하고 운전을 실시하였는데 기동하자마자 계자전류 증가에 아주 민감한 진동이 나타났으며 점검 이전에는 나타나지 않았던 현상이다. 진동 감소를 위해 절충 발란싱을 실시하였으며 Flux Probe Test시 문제의 원인을 파악할만한 충분한 단락이 나타나지 않았다. 6개월 이후 현장의 동종 Unit에서도 거의 동일한 문제가 발생하였으며 진동의 형태는 비가역적이었다.
문제의 해결을 위해 터빈-발전기 축정렬 재점검, 발전기 End Shield 볼트의 조임, 터빈 배기증기가 커플링 부분으로 누설되는 것을 정비하였으나 해결되지 않았다. 더 점검한 결과 Slot의 상부 권선과 단부 권선에서 절연이 저하되어 있음을 발견했다. 그래서 상부 권선에 기계적으로 강한 동, 새로운 권선 절연재, 상부 권선에 특수 테프론 절연재, 개선된 Block 및 Block의 재배치, 개선된 Wedge를 이용해서 로터를 정비했다. 이렇게 개선하여 발전기 로터가 정상 진동치로 되었다. 이러한 절차는 Spindle Mounted Rotor의 대형 발전기에서 Thermal Sensitivity를 감소시키는데 매우 효과적임이 입증되었고, 결과적으로 이런 상황이 해결되었다.
(3) 수소 냉각 발전기에서 가변적인 마찰의 영향 (사례 3)
기존의 간접 냉각방식의 계자권선과 Spindle-mounted Retaining Ring을 가지는 수소냉각 발전기에서 로터의 진동변화를 분석한 결과 계자전류의 변화 정도에 따라 점진적이고 Slip-Stick 형태인 Thermal Sensitivity임이 밝혀졌다. 계산하고 시험한 결과 Thermal Sensitivity는 코일의 축 방향 팽창에 의해 발생한 힘에 의해 발생하며 이 힘이 로터에 비대칭적으로 전달되어 로터가 휘게 되었다. 이러한 비대칭적인 힘은 코일과 절연물 경계면에서의 상호 구속 마찰력의 큰 편차로 인해 주로 발생한다고 예열 시험에서 입증되었다. 발전기 계통 병입전 저속(대략 300 rpm)에서 로터 코일을 예열하므로서 코일이 원심력으로부터 구속없이 팽창하여 진동이 아주 낮아졌다. 이것은 불균일한 축 방향 힘과 마찰에 의해 발생하는 문제의 원인을 찾는데 도움이 되었다. 나중에 로터 재권선시 코일의 마찰에 의한 구속을 최소화하기 위해 코일 커버 절연물과 Retaining Ring 절연물의 처리를 향상시켰고, 코일 팽창과 로터에 대한 코일의 마찰 경로를 감소시키기 위해 도체의 통풍 방법을 개선하였다. Thermal Sensitivity가 사라지고 발전기 정격부하 및 전부하 범위에서 진동이 허용치 이내로 운전중이다. 이러한 경우는 계자전류 공급량에 직접 관계되는 가역 및 비가역 진동이 둘다 나타났다.
8 증명된 해결책
Proven Solutions
GE는 여러 해 동안 Thermal Sensitivity 문제를 취급하고 연구했으며 이 문제에 대한 여러 가지 해결책을 개발하였으며 열적으로 민감한 계자에 대해 Thermal Sensitivity를 제거하기 위한 다음과 같은 여러 가지 결론을 얻었다.
(1) “Slip-Plane” 개발 적용
Thermal Sensitivity의 일반적인 원인중의 하나는 계자권선내의 기계적인 힘의 불균형이다. 이것은 Slot내에서 마찰 또는 구속이 균일하지 못하기 때문에 일어날 수 있다. GE는 계자전류가 공급될 때 계자에서의 굽힘이 발생하지 않도록 축 방향의 Winding Force가 단조된 계자에 균일하게 작용하도록 하는 “Slip-Plane”을 개발했다. 이 “Slip-Plane”은 코일 다발 상부에서 마찰과 힘을 동일하게 하여 로터 굽힘의 원인인 불균일한 힘을 제거시킨다. 이 정비법은 현존하는 계자권선에 적용 가능할 뿐만 아니라 완전한 재권선시에도 적용가능하며 특히 높은 계자전류와 온도하에서 운전되고 간접 냉각 방식의 계자에 효과적이다. 또한 비가역적 진동 형태가 나타나는 곳에 적당하다.
(2) 발전기 계자 재설계
높은 계자전류와 무효전력하에서 운전되는 간접 냉각방식의 계자 발전기는 직접 냉각 방식 발전기로 개조 가능하며 구리 권선과 계자 단조물 사이의 높은 온도차의 결과로 높은 무효전력하에서 Thermal Sensitivity 문제가 여러번 나타났다. 직접 냉각 방식 계자로 개조하므로서 이러한 온도차가 현저히 적어지고 발전기 품질이 더 향상되었다. 계자의 수정이 불가능하거나 정지기간이 중요한 경우에는 동일한 결과를 얻기 위해 새로운 직접 냉각방식의 계자를 제작한다. 새로 제작하거나 개조된 직접 냉각방식의 계자를 열적으로 민감한 발전기 내에 설치되었는데 개조후 모든 문제의 Thermal Sensitivity가 제거되었다. 이러한 방법은 가역적 및 비가역적 Thermal Sensitivity가 나타나는 계자에 적절하다.
(3) 발전기 계자의 개조
구리 권선과 계자 단조물 및 Retaining Ring 사이에서의 차등 움직임의 대부분은 코일 묶음 상부에서 일어나기 때문에 Top Turn, 절연물 및 Blocking은 이 위치에서 마모되고 변형되기 쉽다. 이러한 상태는 특히 기동 정지가 많거나 부하 변화가 빈번한 높은 계자전류 상태에서 운전하는 발전기에서 일어난다. 절연물, Creepage Block, Distance Block 및 Wedge와 같은 부품들을 개조하여 이러한 형태의 계자에 적용할 수 있도록 일련의 수정 방법을 개발했다. 이 방법은 계자 전체를 재권선하거나 기존의 권선에 필요 부품만 수정함으로서 이루어질 수 있다. 이러한 수정법은 Slot 상부에서 권선과 절연물간의 접촉면을 새롭게 하기 위해 고안된 이 수정법들은 새로운 계자 재권선 뿐만 아니라 많은 운전중인 발전기 계자에 적용했으며 모든 경우 Thermal Sensitivity가 크게 감소했다. 이러한 수정 방법은 가역적 및 비가역적 Thermal Sensitivity가 나타나는 계자에 적절하다.
(4) 수소 압력의 증가
수소 냉각 발전기에서 수소 압력을 증가시키면 도체와 단조품 사이의 온도차를 줄여준다. Thermal Sensitivity가 높은 계자전류와 무효전력에서만 나타난다면 수소 압력 증가만으로도 이러한 구속을 제거하는데 매우 유용할 수 있다. 수소 압력 증가로 인해 권선으로부터 보다 많은 열을 제거한다. 이 방법은 보다 많은 발전기 출력을 공급하기 위해 여러해 동안 새로운 발전기 제작 설계에 적용해 왔다.
9 결론
Conclusion
새로운 계자 제작시나 사용중인 계자를 재권선할 때 Thermal Sensitivity 문제를 피하기 위해 설계나 조립하는 동안에 최소한 다음과 같은 항목들이 고려되어야 한다.
• Retaining Ring 조립
• Endwinding Blocking
• Coil Slot 간극
• 적절한 접착제 사용
• 도체의 상태
• 계자의 오염
• Wedge 조립
• 절연물 형태
• 계자 재권선 절차
상기와 같은 항목에 대해 세심한 주의를 기울이면 계자에서 Thermal Sensitivity가 일어날 위험이 크게 감소하게 된다.
성능을 향상시키고 관련된 메커니즘의 이해를 증진시키기 위해 다음 조치들을 취하는 것이 바람직하다.
• 열적으로 민감한 모든 발전기 계자는 감시되어야 하고 운전 및 진동 특성도 잘 이해하여야 한다.
• Thermal Sensitivity 영향을 최소화하기 위해 새로운 발전기 계자의 설계에 그 특징을 반영한다.
• 모든 사용중인 발전기 계자는 재권선하기 전에 Thermal Sensitivity 발생 가능성을 최소화하기 위해 사용할 절연물, Blocking 및 냉각 방식의 결정을 검토해야 한다. 다음중 하나를 선택해야 한다.
– 비슷한 종류의 계자로 재권선
– 현재의 계자를 절연물과 Blocking System을 새롭게 개조
– 도체 냉각과 새로운 절연 시스템 및 개조된 Blocking으로 재권선
– 현재의 계자를 Body-mounted Retaining Ring의 새로운 도체 냉각방식으로 재권선