18. 동기발전기의 병렬운전조건(전압, 위상, 주파수)

18. 동기발전기의 병렬운전조건(전압, 위상, 주파수)

새로운 발전기를 계통에 병입시키는 것은 발전기를 병렬운전시키는 것과 같다.
발전기를 병렬운전하기 위해서는 '동기화 조건'을 만족시켜야 한다.
동기화 조건으로 1. 전압의 크기 2. 위상 3. 주파수 를 맞춰줘야 한다.

'동기화 조건'을 왜 만족시켜야 하는지,
만족시키지 못하면 어떤 문제가 발생할 수 있는지 알아보자.

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동기발전기 병렬운전조건
+ 상회전 방향
1. 전압의 크기
2. 위상
3. 주파수

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+ 상회전 방향
동기화 조건을 맞추기 이전에 당연히 상회전 방향은 맞추고 시작해야 한다.
두 개의 발전기의 상회전 방향이 다르면 변압기 병렬운전조건에서 봤던 것처럼 순환전류가 굉장히 크게 발생한다.
순환전류에 의해 큰 단락전류가 흐르게 되고 소손이 발생할 수 있다.
https://yyxx.tistory.com/83

17. 변압기의 병렬운전 조건에 대해 알아보자(2)

그러므로 (계통의 A상과 발전기의 a상), (계통의 B상과 발전기의 b상), (계통의 C상과 발전기의 c상)을 맞춰줘야 한다.
상회전 방향을 점검하는 방법은 아래의 그림의 동기검정등을 이용하면 된다.

동기발전기 상회전 방향 일치

그림에서는 C상만 비교하도록 나왔지만 실제로는 3상에 모두 연결되어 있다.


○ 상회전방향이 같을 경우
-> 동기검정등에 들어오는 램프의 밝기가 모두 같다.

상회전 방향 같은 경우 전위차 동일로 동기검정등 밝기 동일

상회전 방향이 같다면 계통의 A, B, C 상과 발전기의 a, b, c상의 전위차가 항상 같게 되기 때문에
각상의 전위차를 나타내는 세 개의 램프의 밝기가 모두 동일하다.
주파수 차이가 생겨서 전위차가 변하더라도 세 개의 상 모두 동일하게 차이가 생기므로
램프의 밝기가 동일하다.


○ 상회전방향이 다를 경우
-> 동기검정등에 들어오는 램프의 밝기가 달라진다.

상회전 방향이 다른 경우는 아래와 같다.

상회전 방향 다른 경우 전위차 불일치로 동기검정등 밝기가 모두 다름

세 개의 상의 전위차가 다르기 때문에 램프가 같은 밝기를 나타내지 않는다.
주파수 차이가 생기더라도 밝기의 변화가 생기기는 하지만 검정등에 들어오는 램프의 밝기가 같아지지는 않는다.

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1. 전압의 크기

계통과 발전기의 상회전 방향을 맞췄다면
계통의 전압 크기, 주파수, 위상과
새로 투입하게 되는 발전기의 전압의 크기, 주파수, 위상이 일치할 때 차단기(CB)를 투입할 수 있다.
이 세 가지를 맞추지 않으면 과도한 전류와 전압이 발생할 수 있다.
과도한 전압에 의해서 절연의 문제가 발생할 수 있고
큰 전류가 흐르면서 손실뿐 아니라 과열에 의한 소손까지 일어날 수 있다.


그러면 이 세 가지 조건 중 전압의 크기에 대해 먼저 알아보자.
아래는 계통과 동기발전기를 나타낸 그림이다.

동기발전기 투입 시 PT로 전압의 크기 확인

PT(계기용 변압기)에서 계통의 전압과 동기발전기의 전압의 크기를 비교하여 값이 같아지면
계통병입 조건이 된다.

전압의 크기가 다르다면 어떤 문제가 발생할까?

전압의 크기가 다르게 되면 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 무효순환전류가 흐르게 된다.
즉 무효전력이 흐른다.

발전기 투입시 전압의 크기가 다르면 무효순환전류(동기화 전류) 발생

그런데 전압의 크기를 완벽하게 맞출 수는 없다. 동기화 조건으로 일치시키라고는 하지만 현실적으로 불가하기 때문에
작은 차이인 수준까지 만들어서 투입해야 한다.
CB 투입 후 작은 전압 차이에 의한 작은 순환전류가 흐르다가 일정 시간이 지나면 전압이 같아지게 된다.
그래서 이 무효순환전류를 '동기화 전류'라고 표현한다.
이 전류가 흘러줌으로써 달랐던 전압을 일치시켜주기 때문이다.

발전기 쪽 전압이 계통 쪽 발전기의 전압보다 높은 상황이라면 아래와 같은 방향으로 동기화 전류(i0)가 흐른다.

발전기 투입시 전압의 크기가 다르면 증자와 감자로 전압이 맞춰짐

동기발전기 i0는 발전기에서 봤을 때는 지상전류이고 계통 쪽 발전기에서 봤을 때는 진상전류이다.
그러면 발전기에서는 전기자 반작용 '감자'가 일어나고 계통 쪽 발전기에서는 전기자 반작용 '증자'가 일어난다.

이걸 반복하다 보면 어느 순간 둘의 전압은 같아지고 i0가 더 이상 흐르지 않게 되기 때문에 이 전류를 동기화전류라고 부른다.

전기자 반작용 '감자'와 '증자'
https://yyxx.tistory.com/160

6. 동기발전기 전기자 반작용(R부하,L부하,C부하)

그러나 이 전류의 크기가 너무 크게 되면 과열 소손의 우려가 있기 때문에 전압의 크기를 어느 수준까지는 맞춰서 투입할 필요가 있다.

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2. 위상

두 번째 병렬운전을 위한 동기화 조건으로 '위상'을 같게 해줘야 한다.

위상이 다른 경우 위상이 빠른 쪽에서 늦은 쪽으로 유효순환전류가 발생한다.
계통 쪽 발전기가 위상이 앞서있는 상황이라고 하면
계통 쪽 발전기는 유효전력을 공급하는 입장이 되고 발전기 쪽은 유효전력을 소비하게 된다.
발전기 쪽이 부하가 된다.

발전기 투입시 위상이 다르면 유효순환전류(동기화전류) 발생

계통 쪽 발전기는 점점 부하가 많이 걸리면서 속도가 떨어지게 된다.
발전기 쪽은 에너지를 받으면서 속도가 빨라지게 된다.
그러면 어느 순간 둘의 위상이 같아지면서 동기화된다.
그래서 여기서 흐르는 유효순환전류도 '동기화 전류'라고 한다.

만약 둘 사이의 위상 차이가 너무 큰 상태에서 발전기를 투입하게 되면 '유효순환전류'가 너무 커져서 과열이 발생할 수 있으므로 위상차이를 어느 정도 맞춰준 상태에서 투입해야 한다.

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3. 주파수

세 번째 병렬운전을 위한 동기화 조건으로 '주파수'를 같게 해줘야 한다.

계통 쪽과 발전기 사이에 주파수 차이가 있다면
시간에 따라 둘 사이의 전위차는 커졌다 작아졌다를 반복하게 된다.

발전기 투입시 주파수가 다르면 전위차가 커졌다 작아졌다를 반복

전위차는 최대 2배까지 발생할 수 있다.
높은 전압에 의한 절연에 위험성이 있고
이 전위차에 의해 큰 전류가 흘러서 과열도 일으킬 수 있다.

그러므로 주파수 역시 어느정도 맞추고 투입해야 한다.