동기 발전기 출력 가능 곡선 안정도, 냉각방식, 여자기 한계

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동기 발전기의 출력 가능곡선(Capability Curve)은 발전기의 출력 한계를 그래프 형태로 나타내어 운전 가능 범위를 정의하는 중요한 기준입니다. 발전기는 터빈 및 전기적 특성, 냉각 방식, 운전 환경 등의 요소에 따라 허용되는 최대 출력과 효율성이 달라지며, 이 곡선을 통해 발전기의 안전한 운전 범위를 파악할 수 있습니다. 이번 글에서는 출력 가능곡선의 정의와 구성 요소에 대해 자세히 설명하겠습니다.

1. 발전기 가능 출력 곡선의 정의

• 출력 가능곡선은 발전기의 운전 한계를 정하는 곡선으로, 터빈 발전기를 구동하는 토크의 전열 조건 및 발전기 내부 온도 상승을 고려하여 출력 한계를 설정합니다.
• 따라서, 발전기를 운전하는 경우 각기 다른 운전 조건에서 발생할 수 있는 열적 영향과 기계적 한계를 표시하는 역할을 합니다.

2. 발전기의 가능 출력 특성

발전기의 가능 출력은 발전기를 구성하는 토체 및 전연부의 온도 상승 한도, 역률, 안정도, 냉각 방식 등에 따라 출력이 제한됩니다. 출력 가능곡선은 발전기가 일정한 운전 조건 내에서 안전하게 작동할 수 있는 범위를 나타냅니다.

3. 출력 가능 한계 요소

1) 온도 상승에 의한 출력 한계

• 정격 역률에서 전기자에 흐르는 전류에 의해 전기자 권선의 온도 상승에 따른 제약이 발생합니다.
• 역률이 85% 이하의 지상 영역에서는 계자 전류가 증가하고, 이로 인해 발전기의 출력이 제한될 수 있습니다.
• 역률이 95% 이상인 진상 영역에서는 계자전류가 감소하나, 과도한 전압 상승으로 고정자 단락 전압의 한계가 발생할 수 있습니다.

2) 안정도에 의한 한계

• 발전기의 동기 리액턴스 및 계통의 리액턴스에 의해 안정도가 제한됩니다.
• 정태 및 동태 안정도에 의해 출력 가능 범위가 결정되며, AVR이나 여자기를 조정해 진상 영역의 안정도 제약을 해결할 수 있습니다.

3) 냉각 방식에 의한 한계

• 발전기의 냉각 방식에 따라 허용되는 출력이 달라지며, 수소 냉각 또는 수냉 방식이 일반적으로 더 높은 출력 용량을 허용합니다.
• 예를 들어 수소 냉각이 적용된 경우, 공기 냉각보다 더 높은 출력 한계를 설정할 수 있습니다.

냉각 방식에 따른 출력 변화

• 냉각 방식이 달라짐에 따라 출력 변화가 발생하며, 다음 표에 나타냅니다.

4) 여자기에 의한 한계

• OQL (Over Reactive Power Limit): 발전기 여자전류($I_f$)가 과도한 지상 영역에서 운전을 제한합니다.
• UEL (Under Excitation Limit): 발전기 여자전류($I_f$)가 과도한 진상 영역에서 운전을 제한하며, 전기자 철심을 보호합니다.

이와 같이 출력 가능곡선은 다양한 요소를 고려하여 발전기의 안정적이고 효율적인 운전 범위를 설정해 줍니다. 발전기 운전자는 출력 가능곡선을 참고하여 안전한 출력 범위 내에서 운전함으로써 발전기의 장기적 안정성을 유지할 수 있습니다.

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