19. 동기발전기 계통 병입 과정에 대해 알아보자.

19. 동기발전기 계통 병입 과정에 대해 알아보자.

앞에서 동기발전기가 계통에 투입될 때 맞춰줘야 하는 동기화 조건에 대해 알아보았다.
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18. 동기발전기의  병렬운전조건(전압, 위상, 주파수)

계통의 전압, 위상, 주파수와
투입할 발전기의 전압, 위상, 주파수를 맞춰줘야 했다.
이 세 가지를 맞추지 않으면 과도한 전류와 전압이 발생할 수 있기 때문에 주의해야 했다.

이번에는 어떤 순서로 발전기가 계통에 투입되는지 알아보자.

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1. 발전기의 계통 병입 순서
(1) 회전자 동기속도 회전
(2) 계자차단기 투입(계자전류)
(3) 계통과 발전기의 동기화(전압, 주파수, 위상)

2. 동기검정기

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1. 발전기의 계통 병입(투입) 순서

전력계통의 모선은 무한대 용량을 가진 계통이 아니다.
그러나 전력계통에는 수많은 대용량 발전기들이 병렬로 연결되어 운전하고 있는 상태이다.
그렇기 때문에 전력계통 모선은 무한대 모선의 특성을 가지고 있다고 봐도 무방하다.

전력계통에 동기발전기 병입(투입)

이러한 전력계통에 발전기가 병입(투입)되는 순서에 대해 알아보자.


(1) 회전자 동기속도 회전

첫 번째로 회전자를 동기속도로 회전시켜줘야 한다.
회전자는 터빈과 직결되어 있다.
터빈이 회전함에 따라서 회전자(자석)가 회전하게 된다.

동기발전기 터빈이 회전함에 따라 회전자인 자석이 회전

수력이면 물, 화력이면 증기 등의 입력량을 넣어 터빈(원동기)이 회전하면 회전자가 회전한다.
이때 회전자를 동기속도(Ns)로 회전시켜줘야 원하는 주파수를 얻을 수 있다.
동기속도공식은 아래와 같은 공식을 따른다.

동기속도 공식

발전기가 2극기일 때 우리가 일반적으로 사용하는 60Hz의 주파수를 얻기 위해서는
동기속도(Ns)는 3600RPM이 되어야 하는 걸 알 수 있다.

2극기 발전기에서 60Hz를 만들기 위해서는 3600RPM의 회전속도가 필요

회전자를 동기속도로 회전시키는 것은 정격주파수를 맞춰주는 것과 같다.



(2) 계자차단기 투입(계자전류)

그다음 계자차단기를 투입해야 한다. 대용량의 동기발전기의 회전자는 일반적인 자석이 아닌 전자석으로
되어있기 때문에 계자권선으로 계자전류를 흘려줘야 전자석이 자기장을 형성할 수 있다.

계자권선으로 계자전류를 흘려서 전자석을 자석으로 만들어줌

터빈이 회전함에 따라 회전자인 전자석이 회전한다. 그러면 전기자(코일)를 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하게 되고 전기자(코일)에 유기기전력이 생성되어 발전기가 전력을 공급할 수 있는 상태가 된다.

계자(자석)이 회전하면 자기장이 변하면서 전기자(코일)에 유기기전력 생성

이때 계자전류는 발전기가 정격전압에 도달하면 그 크기를 유지한다.

(3) 계통과 발전기의 동기화(전압, 주파수, 위상)

회전자의 동기속도 회전, 계자차단기 투입까지 마쳤으면 계통과 발전기의 동기화 조건을 맞춰준다.
앞에서 공부했듯이 동기화 조건으로 전압, 주파수, 위상을 맞춰줘야 한다.

전압
현재 CB(차단기)는 열려있는 상태이다. 동기화 조건을 위해서 전압의 크기를 비교해야 한다.

발전기 계통 투입을 위해서 동기화 조건인 전압의 크기 비교

PT(계기용 변압기)와 전압계를 이용하여 계통 쪽의 전압의 크기와 동기발전기 쪽의 전압의 크기를 비교한다.
만약 둘 사이에 차이가 있다면 투입하는 발전기의 계자전류를 조정해서 계통 쪽의 전압 크기에 맞춰주어야 한다.
여기서 둘을 완벽하게 일치시킬 수는 없고 차이가 최소화되도록 해야 한다.
전압 차이가 너무 크면 아주 큰 전류가 흐르면서 과열, 소손에 이를 수 있다.
그리고 한 가지 주의할 점은 투입하는 발전기가 전력을 공급하는 입장이기 때문에 계통 쪽의 전압보다 약간 더 큰 상태에서 투입해야 한다.
투입하는 발전기 쪽의 전압이 더 높아야 투입 후 전압이 맞춰지는 과정에서 무효전력을 공급하는 입장이 될 수 있다.


주파수
주파수계를 이용하여 계통의 주파수와 동기발전기 쪽의 주파수의 크기를 비교한다.

발전기 계통 투입을 위해 동기화 조건인 주파수 비교

둘 사이에 차이가 있다면 투입하는 발전기 터빈 입력량을 조절하여 회전자 회전속도를 조정하면 주파수를 맞출 수 있다.
이 부분 역시 둘을 완벽하게 일치시킬 수는 없고 차이가 최소화되도록 해야 하는데 투입하는 발전기쪽의 주파수를 조금 더 크게 하는 편이 좋다.
투입하는 발전기 쪽의 주파수가 더 커야 주파수가 맞춰지는 과정에서 유효전력을 공급하는 입장이 될 수 있다.
투입하는 발전기 쪽의 주파수가 더 작으면 주파수가 맞춰지는 과정에서 유효전력을 받아쓰는 모터가 되기 때문에
공급자 입장에서는 옳지 못하다.


위상
계통과 발전기 사이의 주파수가 완전 같지 않기 때문에 둘 사이의 위상차이는 커졌다 작아졌다를 반복한다.

발전기와 계통의 위상이 같아지는 시점에 발전기를 계통에 투입

시간이 지나다가 둘의 위상이 같아지는 시점에 투입하면 된다. 차단기(CB) 투입 시간까지 고려하면 위상이 같아지기 조금 전에 투입 명령을 내리면 둘의 위상을 맞출 수 있다.


위의 동기화 조건 세 가지를 맞추고 CB(차단기)를 투입하게 되면 약간 차이나던 주파수, 전압이 맞춰지고 동기화된다.
그리고 이후에는 자동전압조정모드로 넘어가서 계통 상황에 맞게 자동으로 조정된다.

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2. 동기검정기(Synchroscope)

동기검정기는 계통과 투입하는 발전기 사이의 주파수와 위상이 일치하고 있는지를 검출하는 장치를 말한다.

주파수와 위상을 확인하는 동기검정기(synchroscope)

동기검정기의 방향을 보면 SLOW와 FAST가 적혀있다.

동기검정기(synchroscope)

SLOW 방향으로 회전하면 계통 쪽 주파수가 크고 발전기가 전력을 소모하는 상태이다.
FAST 방향으로 회전하면 발전기 쪽 주파수가 크고 발전기가 전력을 공급하는 상태이다.
그러므로 FAST 방향으로 회전할 때 투입해야 한다.

주파수에 차이가 있으면 동기 검정기의 지침이 계속 회전한다.
빠르게 회전하면 그만큼 주파수 차이가 많이 나는 거고
느리게 회전하면 주파수 차이가 줄었다고 보면 된다.
속도가 빠르다면 천천히 돌아갈 때까지 조속기(Governor)를 통해 터빈입력량을 조정하게 된다.

FAST 방향으로 회전하다가 주파수가 맞춰짐에 따라 느려지게 되고
주파수와 위상이 일치하게 되면 동기검정기의 지침이 멈추게 되고 계통에 발전기가 투입되게 된다.