증기 터빈 발전기에서 모터링(Motoring) 운전의 개념, 영향 및 방지대책

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Table of Contents

1. 증기터빈 발전기에서 모터링(Motoring) 운전의 개념

1) 발전기에서 모터링(Motoring) 운전의 의미

① 발전기가 전력 계통에 병렬되어 있는 상태에서 정상 운전 상태일 때,
터빈의 기계적 입력($P_m$)은 터빈 발전기가 무부하 정격 속도로 회전하는 데 필요한 에너지보다 커야 한다.

② 만약, 터빈의 기계적 입력이 터빈 발전기가 무부하 정격 속도로 회전하는 데 필요한 에너지보다 적은 경우,
발전기가 전기에너지를 생산하지 못하고, 전력 계통으로부터 전기에너지를 공급받아 전동기로 운전된다.
이 현상을 모터링(Motoring) 운전이라 한다.

③ 즉, 터빈의 기계적 에너지 < 터빈 발전기가 무부하 정속도로 회전하는 데 필요한 에너지인 경우에 Motoring이 발생한다.

2) 모터링 운전 시 발전기 상태

(1) 계자 상실의 경우 ($I_f = 0 \Rightarrow E = 0$)
→ 전력 계통에서 유효전력을 발전기에 공급. 유도 전동기화

(2) 기계적 입력 차단의 경우 ($P_m = 0$, $P_e ≠ 0$)
→ 전력 계통에서 유효전력을 발전기에 공급. 동기 전동기화

2. 모터링(Motoring) 운전 시 영향

1) 터빈에 미치는 영향

(1) 터빈에 유입되는 기계적 입력원 증기가 없으면 저압터빈 단부가 냉각되지 않고 발전기가 전동기로 운전된다.
(2) 이때, 터빈의 Fan의 형태로 운전되어 섭동가 큰 마지막 단의 블레이드가 공기 흐름에 파열된다.
(3) 특히, 복수기의 진공이 낮아질 경우 증기가 유입되어 이 공기에 의한 풍손이 더욱 증가되며,
마지막 손상은 더욱 커진다.

2) 발전기에 미치는 영향

(1) 계자 전류가 정상 공급 시 모터링 되는 경우
① 발전기가 동기 전동기로 운전되며, 발전기에는 영동률 영향을 미치지 않는다.
② 이때는 동기조상기 형태로 운전되는 경우이며, 계자가 과여자이면 발전기는 Capacitor 역할을 하고, 부족여자이면 Reactor 역할을 한다.

(2) 계자 전류가 공급되지 않는 상태에서 모터링 되는 경우
→ 발전기가 유도 전동기로 운전되는 상태가 된다.

(3) 회전자에 유도 전류가 발생되어 회전자 과열로 손상

3) 원동기별 Motoring 전력의 크기

원동기	정격 출력에 대한 비율
증기 터빈	3% 이하
수차 터빈	2.5% 이하
가스 터빈	5~20% 이하
디젤 발전기	25% 이하

※ 증기 터빈의 경우, 정격 출력의 약 3% 이하로 운전되는 것을 방지해 전동기화를 막는다.

3. 모터링(Motoring) 운전 대책

1) 계자 상실 보호

(1) 발전기가 계자 상실 시 계통에서 무효전력이 유입되어 동기발전기는 유도 전동기가 된다.

(2) 이때, 동기발전기는 동기속도 이상으로 회전해서 회전자에 큰 유도전류가 흐르고,
회전자 저항이 급속히 가열되어 약 2분 정도 후에는 위험한 상태까지 상승하고,
발전기의 속도가 증가하여 동기탈조가 이르면 계통을 동요하게 된다.

(3) 따라서 계자 상실에 대한 보호계전기 (Off-set mho형)를 설치한다.

2) 역전력 보호

전동기 유전 보호는 터빈의 공회전 방지와 발전기가 유동기 입력 상실 시 계통에서 전력을 받아 동기 전동기로 회전하는 것을 방지하기 위함이다.
동작 전정은 발전기와 터빈이 동기 속도로 Motoring 상태에 필요한 전력의 5% 이하로 설정하고,
한시요소 정정은 발전기의 동기 투입이나 계통 동요 시 일시적인 Motoring에 의해 오동작하지 않도록 0.1초 이상으로 설정한다.