22. 발전기와 계통 주파수 저하와의 관계

22. 발전기와 계통 주파수 저하와의 관계

앞에서 병렬운전하는 두 발전기의 부하 분담량을 조정하는 과정을 확인해보았다.
https://yyxx.tistory.com/176

21. 발전기의 부하 분담량 조정 과정

이 과정에서 주파수가 떨어지지 않도록 두 발전기의 무부하속도 설정치를 조정했다.
그렇다면 왜 주파수가 떨어지지 않도록 조정할까?

계통의 주파수가 떨어지면 발전기의 운전이 힘들어지고 발전기에 악영향을 줄 수 있다.
그래서 계통의 주파수가 떨어졌을 때 발전기가 얼마나 버틸 수 있어야 할지,
어느 정도 주파수까지 떨어졌을 때 발전기가 차단돼야 하는지에 대한 규정이 존재한다.

주파수에 관하여 어떤 규정이 존재하는지
주파수가 발전기에 어떤 영향을 주기에 이런 규정이 존재하는지 알아보자.

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1. 발전기의 주파수 운전 기준
2. 주파수 저하가 발전기에 주는 악영향

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1. 발전기의 주파수 운전 기준

(1) 발전기는 58.5Hz ~ 61.5Hz에서 정격출력으로 연속운전이 가능하여야 한다.

-> 우리나라는 60Hz의 전기를 사용한다. 계통의 주파수가 60Hz에서 1.5Hz 떨어져서 58.5Hz의 저주파수가 되더라도 발전기는 문제없이 발전할 수 있어야 한다.


(2) 주파수 강하로 인한 계통 주파수가 57.5Hz ~ 58.5Hz 범위에서 최소 20초 이상 정격출력으로 운전 가능하여야 한다.

-> 60Hz보다 2.5Hz가 떨어진 경우이다. (1)보다 훨씬 발전기가 운전하기 가혹해진 경우인데 이 경우에도 발전기는 최소한 20초 이상 운전 가능해야 한다.


(3) 57.0Hz 미만의 주파수에서는 발전기가 즉각적으로 차단되어야 한다.

-> 60Hz보다 3Hz 이상 떨어진 경우이다. 이 경우 저주파로 인한 발전기에 큰 문제가 발생할 가능성이 있기 때문에 즉각 차단해야 한다.

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2. 주파수 저하가 발전기에 주는 악영향

그렇다면 계통 주파수가 60Hz에서 3Hz 이상 떨어지는 상황에서 발전기에 어떤 영향이 있기에 발전기를 즉시 차단해야 할까?
-> 공진 발생으로 진동 증가, 터빈 손상으로 이어질 수 있다.


계통 주파수는 터빈의 회전속도와 관련이 있다.
계통의 주파수가 떨어지면 터빈의 회전속도가 떨어지게 된다.
그런데 발전기 터빈 날개는 고유진동수를 가지고 있다.
계통의 주파수가 떨어지면서 어떤 특정 회전수(고유진동수)를 만나게 되면 진동이 심해진다.
이 경우에 공진이 발생했다는 표현을 쓴다.


아래의 그림은 발전기 회전속도(주파수)에 따른 진동의 변화를 나타냈다.

회전속도(주파수)에 따른 터빈 진동 변화

평소 60Hz의 정격속도로 운전 중일 때는 작은 진동으로 문제없이 발전기 운전이 가능하다.
그런데 회전속도가 떨어져서 공진주파수에 이르게 되면 발전기의 진동이 아주 커지는 것을 확인할 수 있다.,
저속기인 발전기의 경우 이런 진동이 크게 의미가 없을 수도 있다.
하지만 원자력 발전소의 4극기 발전기의 경우 1800RPM으로 회전, 화력 발전소의 2극기 발전기의 경우 3600RPM으로 회전. 이런 고속기에서는 조그만 진동이 유지됐을 때 큰 손상의 우려가 있다.
그러므로 운전 중 저주파수로 인한 진동 발생은 위험하다.

그리고 기동 시작시에는 0RPM 부터 끌어올려 정격속도까지 끌어올리게 된다. 이 경우 공진점을 통과할 수밖에 없다.
그러므로 기동 할 때는 그 공진점을 빨리 지나가도록 해서 문제가 없게 한다.

진동그래프를 보면 공진점이 한 부분이 아니라 여러 점이 존재하는 걸 볼 수 있다.

터빈에 여러 공진점이 존재

증기 터빈의 경우인데 터빈의 위치마다 터빈의 날개 사이즈 다르기 때문에
각 날개가 가지고 있는 공진점이 다르다.

발전기의 터빈 날개 사이즈 위치마다 달라서 여러 공진점이 존재

그래서 각각 터빈 날개 별로 다른 공진점이 존재하고 이 공진점을 피해서 운전해야 한다.


공진점에서 진동 발생으로 인해 가장 많이 피해를 보는 쪽은 터빈의 회전 날개이다.
터빈의 종단날개 부분이 휘거나 꺾이는 현상이 발생할 수 있다.
또한 터빈 베어링 진동 급상승에 따른 균열이 발생할 가능성이 있다.
그리고 저주파수 운전을 오래 지속하게 되면 샤프트(Shaft) 역시 균열이 가면서 망가질 수 있다.

이런 점에서 1.5Hz 정도 떨어지는 저주파 상황에서 발전기가 견딜 수 있도록 설계되어 있어야 하고
2.5Hz가 떨어지는 경우에도 20초 이상 기계적으로 견딜 수 있도록, 손상이 가지 않도록 설계되어야 한다.
그 이하로 주파수가 떨어지면 발전기의 손상 가능성이 높기 때문에 더 견디는 것은 무의미하고 빨리 계통에서 발전기를 차단해서 보호해줘야 한다.

마지막으로 터빈날개를 설계할 때는 정격속도와 공진점이 맞물리지 않도록
공진점을 정격속도에서 15~20% 이상 벗어나도록 설계해야 한다.

터빈의 공진점은 정격속도에서 15~20% 이상 벗어나도록 설계해야 한다.

이렇게 설계해야 공진의 영향을 받지 않고 안정적인 발전기 운전이 가능하다.