발전소의 설비는 기계 및 전기기로 대별된다.
기계관계는
화력 및 원자력 발전소의 증기발생장치 외에 원동기인 수차, 증기터빈 및 보조기기가
포함되며 전기관계는 발전기, 변압기, 송전선, 소내기기와 이와 같은 주요접속회로를
말하며 구성되는 각 기기에 적당한 보호장치가 설치가 된다.
고 장 내 용 |
조 치 사 항 |
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기력 |
수력 |
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● : 비상정지 ○ :급정지 △ : 무부하무여자 × : 경보
교류 발전기의 사고종류는 절연열화의 진전 등에 의한
자발적인 것과 외부요인에 의한 돌발적인 것이 있으며 전기적 보호계전장치는
이들 사고를 전기적 변화에 의해 검출하는 것으로서 사고 발생 개소와 사고의
종류를 구분해서 사후의 대책을 용이하게 할 필요가 있다.
따라서 보호계전과
고장 기록 장치가 설치 운용되며 표 5.2에 발전소의 보호 종목과 조치에 대해
표시하였다.
발전기의 전기적 사고로 계통측으로부터 유입되는 사고전류와 발전기 자체에서 발생하는 사고 전류를 고속도로 차단하여 사고의 확대를 방지하기 위한 조치이며 발전기의 차단기 및 계자 차단기를 개방하고 원동기를 급정거 시킴.
발전기의 기계적 사고 때의 조치이며 원동기 입력을 급속히 줄이고 다음에 발전기의 주회로 및 계자 차단기를 개방시킴.
외부 사고시의 발전기 보호이며 원동기에 의한 회전은 그대로 두고 병렬용 차단기 및 계자 차단기를 개방하여 무부하 운전하고 사고 원인 해소시 즉시 계통 병입 하도록 한다.
경미한 사고로서 운전원의 진단으로 조치하도록 경보와 표시창에 나타낸다.
이 사고는 교류회로의 단락사고로 되기 때문에 계통과 병렬 운전하고 있는 경우 정상적인 계통에서는 각상의 전류가 권선의 어느 부분에서도 동일한 값으로 흐르고 있으나 사고 발생 순간부터 중성점 측과 발전기 출력 단자측의 전류가 사고 장소를 경계로 해서 변화한다. 또한, 계통과 병열운전하고 있지 않은 경우(발전기용 변압기와 접속되어 있지 않은 경우)는 내부 유기전압에 의해서 중성점 측에서 사고전류를 검출하거나 중성점측 전류와 발전기 출력단자측 전류를 비교하면 검출할 수가 있다.
전기자 권선의 상간 단락보호에는 비율차동계전방식이 가장 일반적으로 사용되며 계전기의 접속방법은 그림 5.17과 같다.
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발전기 권선에 이상전압 또는 외부에서의 침입파가 생긴
때 권선절연을 보호하기 위해 중성점을 접지하며 접지하는 경우 과대한 지락
전류로 인한 권선의 손상을 방지하기 위하여 중성점에 저항 또는 접지용 변압기를
설치 최대지락전류를 10∼100A정도로 제한하는 것이 일반적이다.
한편
보호방식에도 다음과 같은 몇 가지 방법들이 이용된다.
사고시 전류치가 적으므로 단락보호용의 차동계전기로서는 감도가 부족하므로 지락보호 전용의 차동계전기를 그림 5.18과 같이 사용한다.
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발전기의 계자회로는비접지이므로 1개소에 접지가 발생해도 별 문제가 없으나 그대로 방치하면 다른 곳에 접지가 또 생긴 경우 그 부분이 단락 되어 큰 전류가 흘러 대형사고로 되던가 일부의 계자권선의 단락으로 회전자에 자기적 불평형이 생겨 진동이 발생하므로 되도록 빨리 검출 경보로 처리토록 한다. 검출방법으로는 그림 보호원리와 같이 고저항의 지락계전기로 계자회로를 접지하여 검출하늘방법이 있으며 이 방법은 간단한 반면 계자권선의 중간부근 지락사고 사고에는 동작하지 못하는 결점이 있다.
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동기발전기의 계자상실은 계자개폐기의 개방, 슬립링 또는 브러시 접촉부의 사고, 여자기의 사고 등으로 계자가 아주 약하게 되던가 상실되면 마지막에는 동기 탈조되어 특히, 비돌기극에서는 철심이 흐르는 유도전류로 급격하게 과열된다. (5∼10초) 또 전기자 권선에서도 정격의 2∼4배에 달하는 전류가 흘러 과열하며 더 나아가서 동기탈조로 계통전압이 저하하고 계통동요가 생길 염려가 있으므로 신속히 발전기를 계통에서 분리시켜야만 한다.
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교류발전기에서 3상부하가 불평형이 되면 거기에 포함되어 있는 역상전류에 의하여 회전자(계자)의 회전방향과 반대방향으로 회전자계가 생겨 이 때문에 회전자 철심에 계통주파수의 2배 주파수 전류를 유지하게 되며 이를 계속 운전하면 회전자는 급격히 과열되어 중대한 사고에 이르게 된다. 여기서 발전기에 허용되는 불평형전류의 역상분과 시간과의 관계는
표 5.2에서 보는 바와 같이 불평형 수차발전기보다 화력발전기에
필요함을 알 수 있다.
보호방식으로는 역상분 전류에만 응동하고 발전기
온도특성에 맞는 한시 계전기를 사용한다.
(표 5.2)
발 전
기 의 종류 |
K= I22
× t |
증기터빈(보통냉각) |
30 |
따라서 계전기는 역상필터와 장한시 유도원판형 계전기를 조합한 주체와 경보요소 등으로 구성되어 그림 5.22에서 결선내용을 볼 수 있다.
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보조변류기외 변류비를 K ' 라 하면
Iv = (2ic - ib - ia) k ' 로 되어
평상시 ia + ib + i. = 0 임으로 Ix ∝ 3 Ia , Iy ∝ 3 Ic로 된다.
I x 는 Z의 양단에 60° Lag하는 전압강하 Vz를 또 Iy는 R2의 양단에 동상의 전압강하 VR를 발생
정상분에 대하여 VZ 와 VR 은 I Z I = I R2 I , I ia
I = I ic I 로 되기 때문에 그림 5.23(a)과 같이 180° 의 상차가 있어 출력전압은
0(V)가 되나 그림 5.23(b)에서와 같이 역상분에 대하여는 그러한 벡터 관계가
이루어지지 않아 출력 전압 V(V)를 발생하며 계전기를 동작시키게 된다.
즉, 역상분 필터에서는 정상분은 상쇄되고 역상분에 해당하는 출력만 나오게
된다.
최근의 자동전압조정기(AVR)는 신뢰도가 향상되어 발전기의
과속도에 의한 과전압 발생 등은 적어졌으나 반면 장거리 송전선 또는 Cable선로
등이 많아져 사고 제거 후의 계통상태에서 과전압 발생률이 많아졌다.(생략하는
경향이 있다)
이상전압은 일반적으로 급격한 부하차단, 충전전류에 의한
자기여자, 불평형 고장시 고조파 진동, 여자장치의 고장 혹은 수동 운전 중의
오동작 등에 기인한다.
계전기는 통상 발전기 단자에 설치한 PT에 과전압계전기를
연결하여 사용하며, 발전기의 AVR에 쓰이는 PT와는 별도로 하는 것이 좋다.
과전압 계전기는 한시형(저속도)을 사용하며 정정은 정격전압의 120∼130%로
정한다.
발전기가 계통에 연결된 상태에서 원동기 입력이 무 부하 회전을 하기 위한 양 이하가 되면 발전기는 계통에서 전력을 받아 동기 전동기로 운전하게 된다. 이 때에는 발전기 자체에서 별문제가 없으나 원동기 측에 문제가 발생하며, 증기 터빈에서는 Motoring되면 풍손에 의한 열이 제거되지 않고 축적 과열되므로 반드시 보호장치가 필요하다.
발전기가 동기속도로 Motoring하는데 필요한 최소한의 Power는 기종별로 다르며 일반적으로
이것은 발전기 정격용량과 원동기 설계에 따라 다르며 계전기 동작치 정정은 기기에 따라 검토 결성하여 되도록 감도를 높이는 한편 동작시간은 발전기 동기 투입시나 계통 동요시에 일시적인 전력반전으로 오동작 되는 것을 막기 위해 일반적으로 10초 정도로 한다.
발전기의 속도는 터빈 또는 수차의 조속기에 의하여 조정되나, 조속기에 이상이 발생되거나 계통상의 이유로 회전수가 상승되어 기기에 무리를 주며 나아가 중대사고로 파급됨을 막기 위하여 과속도를 검출 보호한다.
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기술기준에서 정하는 발전기의 보호장치의 설치이유
1. 과 전류계전기
발전기의 과부하 또는 외부단락사고에 의해 발전기의 고전류 보호를 위한 것으로서, 발전기에 과전류가 흐를 경우 동작하여 발전기전기자 권선의 소손을 방지함과 동시에 사고점에 고장전류공급을 방지한다. 그 다음으로서 발전기 비율 차동계전기의 후비 보호로서 , 발전기 내부 사고 확대를 방지한다.
2. 비율차동계전기
발전기의 내부 단락사고 즉 전기자 권선의 상간단락, 층간단락이 발생한 경우에 동작하여, 전기자 권선 및 철심의 손상의 확대를 방지한다. 또한 계통사고에 파급시키므로 속히 발전기를 계통으로부터 분리시킨다.
3. 지락과전압 계전방식
발전기 권선에 이상전압 또는 외부에서 침입파로 부터 권선절연을 보호하기 위해 중성점을 접지하며, 이 경우 지락이 발생한 경우 과대한 지락전류로 인하여 전기자권선 및 철심의 손상의 확대를 방지하기 위하여 중성점에 저항 또는 접지용 변압기를 설치하여 최대지락전류를 10-15A 정로로 제한하며, 지락과전압 계전기는 발전기의 내부지락사고를 검출하는 계전기로서 접지변압기 2차 전압에 응동한다.
4. 역상과전류 계전방식
발전기에 불평형부하 즉 계통의 1선지락, 2선지락등이 발생된 경우 역상전류가 흘려 이에 따라 회전자 표면에 와전류가 흘러 급격히 과열되어 절연물의 손상과 쐐기에 국부 가열이 생긴다. 그러므로 발전기의 역상내량 이상의 역상전류에 대하여 보호한다.
5. 계자상실 계전방식
발전기가 운전중에 무여자 되면 동기화력이 약해져 회전자가 가속되어 표면에 와전류가 흘려 과열되어 고정자 권선에도 과전류가 흐르게 된다. 더욱이 계통 전체의 동기상실이 되는 경우가 있으므로 계자 상실이 발생되면 신속히 계통으로부터 분리시킨다.
6. 축수온도 계전방식
축수의 윤활유 열화와 윤활유 유막의 결여 등에 의한 온도 상승으로 축수의 소손 방지를 위한 계전기로 현저히 온도가 상승한 경우에 발전기를 자동적으로 차단시켜 정지시킨다.
발전기의 지락보호를 위한 중성점 접지저항
가. 개 요
발전기의 중성점을 접지하는 것은 발전기 주 회로 지락사고시
이상전압을 억제하고 동시에 지락사고를 검출하기 위한 것이다. 발전기
중성점 접지에는 직접접지, 저항접지 또는 접지변압기 이용한 접지방식 등이
있으며 접지방식의 결정은 지락 전류와 건전상의 전압상승을 어느 정도 억제할
것인가에 따라 선정된다.
1. 대전류 접지(직접접지, 저 저항접지)
건전상
전압의 상승치를 낮게 억제하는 것이 가능하며, 또한 접지사고 검출감도를 높일
수 있으나 한편 사고전류에 의한 기기의 손상도 크게 된다.
2. 소전류 접지(고저항 접지 또는 접지변압기를 이용한
접지)
기기의 손상이 적은 대신 건전상 전위상승이 크게 되고 또 고장검출
감도향상 방법을 모색해야 한다.
비접지상의 이상전압은 접지저항내 손실과
상규 3상대지정전용량의 비가 클수록 저감되나 1을 넘으면 그 이상 크게 해도
거의 억제효과는 증대되지 않으므로 양자의 비가 1정도 되도록 저항치를 결정한다.
대용량 화력발전소의 발전기 접지방식은 단상 배전용 변압기를 이용, 그 2차측에
저항을 삽입하는 2차 저항기부 변압기 접지방식이 주로 채용되고 있다.
나. 접지저항 산출방법
다. 변압기 용량
- Ig : 고장 접지전류
- f
: 주파수
- C : 회로망 내의 계산된 capacitance
(μF)
- V : 발전기 단자전압(KV)
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