동기발전기의 동기검정과 병렬투입은 어떻게 할까? 동기계와 동기검정등의 원리

동기발전기를 이미 운전 중인 전력계통에 연결하려면 발전기 차단기를 적절한 순간에 투입해야 한다.

하지만 계통전압과 발전기전압이 존재한다고 해서 아무 순간에 차단기를 닫을 수 있는 것은 아니다.

병렬투입 전에 발전기와 계통의

전압 크기

주파수

상순서

위상

이 서로 적절하게 맞아 있는지 확인해야 한다.

이 과정을 동기검정이라고 한다.

조건이 맞지 않은 상태에서 차단기를 투입하면 큰 동기화전류와 전자기토크가 발생할 수 있다.

고정자권선과 차단기뿐 아니라 회전자와 축, 커플링, 원동기에도 기계적인 충격이 전달될 수 있다.

따라서 동기검정은 단순히 계기판의 바늘을 맞추는 작업이 아니라 서로 독립되어 있던 두 교류시스템을 안전하게 하나의 전력계통으로 연결하는 과정이다.

동기검정은 무엇을 확인하는 과정일까?

동기검정의 목적은 차단기 양쪽에 존재하는 두 3상 전압이 거의 같은 상태가 되었는지를 확인하는 것이다.

한쪽에는 이미 운전 중인 계통전압이 있다.

다른 한쪽에는 아직 계통과 연결되지 않은 발전기가 자신의 전압을 만들고 있다.

차단기가 열려 있을 때 두 전압은 서로 독립되어 있다.

따라서 발전기의 회전속도가 조금만 달라도 두 전압 사이의 위상은 계속 이동한다.

발전기의 여자전류가 다르면 전압 크기도 달라질 수 있다.

설치나 배선상태가 잘못되면 상순서도 다를 수 있다.

동기검정은 이 차이를 확인하여 차단기 투입이 가능한 상태인지 판단하는 과정이다.

가장 먼저 상순서를 확인해야 하는 이유

동기투입에서 전압과 주파수만 생각하기 쉽지만 상순서는 그보다 먼저 확인해야 하는 기본조건이다.

3상 계통이

A → B → C

순서로 진행하고 있다면 발전기도 같은 순서를 가져야 한다.

만약 발전기 상순서가

A → C → B

라면 두 시스템의 3상 전압이 서로 반대방향으로 진행하는 셈이다.

주파수를 아무리 정확하게 맞춰도 정상적인 세 상의 동기점을 동시에 만들 수 없다.

따라서 발전기 신규설치나 고정자 배선변경, 회전방향 변경 등이 있었다면 상순서를 반드시 확인해야 한다.

상순서가 맞지 않는 문제는 기다리거나 Governor를 조절한다고 해결되지 않는다.

결선이나 회전방향 자체를 확인해야 한다.

전압은 어떻게 맞출까?

발전기가 정격속도 부근에서 회전하고 계자전류가 공급되면 고정자 단자에 전압이 발생한다.

이 전압을 계통전압과 비교한다.

발전기전압이 낮다면 여자전류를 증가시키는 방향으로 조절할 수 있다.

발전기전압이 높다면 여자를 감소시킬 수 있다.

기본적인 관계는

If 증가 → Φ 증가 → E 증가

다.

차단기를 닫기 전에는 발전기전압과 계통전압의 크기차가 충분히 작아야 한다.

두 전압의 크기가 다르면 투입 순간 두 전압원 사이에 무효순환전류가 발생할 수 있기 때문이다.

주파수는 어떻게 맞출까?

동기발전기의 주파수는

f = PNs / 120

으로 결정된다.

발전기의 극수 P는 운전 중 바꿀 수 없으므로 주파수를 맞추기 위해서는 회전속도 Ns를 조절해야 한다.

원동기의 Governor를 이용하여 발전기 속도를 조절한다.

예를 들어 4극 60Hz 발전기의 동기속도는

1800rpm

이다.

하지만 동기검정에서는 단순히 속도계가 1800rpm을 가리키는지만 보는 것으로 충분하지 않다.

계통과 발전기 사이에 아주 작은 주파수차가 있어도 위상은 계속 움직이기 때문이다.

그래서 실제 동기상태는 두 전압을 직접 비교하여 확인하는 것이 중요하다.

주파수가 조금 다르면 위상은 어떻게 변할까?

계통주파수를

f1

발전기주파수를

f2

라고 하자.

주파수차는

Δf = f2 – f1

이다.

두 전압의 상대위상은 시간에 따라 이동한다.

개념적으로

Δθ = 2πΔf·t

로 생각할 수 있다.

예를 들어 주파수차가 0.1Hz라면 상대위상은 초당 0.1주기만큼 이동한다.

다시 같은 위상으로 돌아오는 데 약

1 / 0.1 = 10초

가 걸린다.

주파수차가 1Hz라면 한 바퀴 도는 데 1초밖에 걸리지 않는다.

따라서 동기검정 시 주파수차가 너무 크면 동상점이 너무 빨리 지나가 정확한 투입이 어려워진다.

주파수를 완전히 같게 만들면 가장 좋은 것 아닐까?

이론적으로 완전히 같은 주파수와 정확한 위상을 맞출 수 있다면 좋다.

하지만 수동동기검정에서는 아주 작은 주파수차가 있는 것이 오히려 상태를 확인하기 쉬운 경우가 있다.

주파수가 완전히 같으면서 위상이 30° 어긋나 있다면 두 파형은 계속 30° 차이를 유지한다.

동기계 바늘도 특정 위치에 멈춰 있을 수 있다.

반면 주파수를 아주 조금 다르게 하면 위상이 천천히 움직이면서 동상점으로 접근한다.

운전자는 그 움직임을 보면서 투입시점을 판단할 수 있다.

중요한 것은 주파수차가 크지 않아야 한다는 점이다.

동기계란 무엇일까?

동기계는 영어로 Synchroscope라고 한다.

발전기전압과 계통전압의 상대적인 상태를 지침으로 보여주는 계기다.

일반적인 동기계에서는 원형 눈금 안에 지침이 있고 FAST와 SLOW 또는 이에 해당하는 방향표시가 있다.

지침의 움직임을 보면 발전기주파수가 계통보다 높은지 낮은지를 확인할 수 있다.

지침이 움직이는 속도를 보면 주파수차의 크기도 짐작할 수 있다.

지침이 특정한 동상위치에 접근하면 발전기와 계통의 위상차가 작아지고 있다는 뜻이다.

동기계(동기검정기)의 바늘은 무엇을 보여줄까?

동기계의 지침은 단순한 발전기 회전속도계가 아니다.

지침의 움직임은 발전기와 계통 사이의 상대적인 전기각을 보여준다.

지침이 빠르게 회전한다면 발전기와 계통의 주파수차가 크다는 뜻이다.

천천히 움직인다면 주파수차가 작다.

동상점을 나타내는 위치에 가까워지면 같은 상의 발전기전압과 계통전압이 거의 같은 위상에 접근하고 있다는 의미다.

동기계의 회전방향이 FAST인지 SLOW인지는 계기의 표기와 결선기준을 확인해야 한다.

특정 방향을 무조건 빠르다고 외우기보다 계기에 표시된 FAST·SLOW 방향을 기준으로 읽는 것이 안전하다.

동기계가 12시를 가리키면 바로 투입하면 될까?

개념적으로 동기계의 동상위치가 12시 방향으로 표시되는 경우가 많다.

하지만 실제 설비에서는 계기표시만 보고 기계적으로 정확히 12시에 투입명령을 내린다고 생각하면 부족하다.

차단기에는 투입명령을 받은 뒤 실제 주접점이 닫힐 때까지 시간이 걸린다.

이 시간을 차단기 투입시간 또는 closing time이라고 할 수 있다.

동기계 바늘이 움직이고 있는 상태에서 12시에 명령을 내리면 실제 접점이 닫힐 때는 이미 위상이 지나가 있을 수 있다.

따라서 자동동기장치에서는 주파수차와 차단기 투입시간을 고려하여 목표 동상점보다 조금 앞서 투입신호를 줄 수 있다.

동기계 바늘이 너무 빨리 돌면 왜 좋지 않을까?

바늘이 빠르게 움직인다는 것은 발전기와 계통의 주파수차가 크다는 뜻이다.

이 상태에서는 동상점이 짧은 시간 안에 지나간다.

투입시점을 정확하게 잡기 어렵다.

또 차단기가 닫힌 뒤 두 시스템이 동기를 맞추는 과정에서도 상대속도차가 더 크기 때문에 전기적·기계적 충격이 커질 수 있다.

그래서 실제 동기투입에서는 동기계 바늘이 천천히 안정적으로 동상점에 접근하도록 속도를 조정한다.

구체적인 허용 주파수차나 위상각은 설비와 제조사, 보호설정에 따라 다르므로 현장기준을 따라야 한다.

동기계만 보면 상순서도 알 수 있을까?

동기계는 기본적으로 올바른 상순서가 확보되어 있다는 전제에서 상대주파수와 위상을 확인하는 데 사용한다.

상순서가 틀린 상태에서는 정상적인 동기계 표시를 기대할 수 없거나 잘못된 상태가 나타날 수 있다.

따라서 발전기를 처음 설치하거나 결선을 변경했다면 별도의 상순서 확인이 중요하다.

동기계 하나만 보고 모든 동기조건을 대신 확인한다고 생각해서는 안 된다.

동기검정등은 어떤 원리로 동기를 확인할까?

동기검정등은 발전기와 계통 사이의 전압차를 램프의 밝기로 확인하는 방법이다.

가장 단순한 방법에서는 발전기의 각 상과 계통의 대응되는 상 사이에 램프를 연결한다.

예를 들어

발전기 A상 ↔ 계통 A상,

발전기 B상 ↔ 계통 B상,

발전기 C상 ↔ 계통 C상

사이에 각각 램프가 연결된다고 생각해보자.

각 램프에 걸리는 전압은 발전기전압과 계통전압의 차이다.

두 전압의 크기와 위상이 같다면 같은 상 사이의 전압차가 거의 0이 된다.

그러면 램프는 어두워진다.

이 방법을 흔히 3등 소등법의 기본원리로 이해할 수 있다.

주파수가 다르면 램프는 어떻게 보일까?

발전기와 계통의 주파수가 조금 다르면 두 전압 사이의 위상차가 계속 변한다.

처음에는 같은 위상이어서 램프가 어두웠다고 하자.

시간이 지나면서 위상차가 증가하면 램프 양단의 전압차가 커진다.

램프가 점점 밝아진다.

다시 위상차가 줄어들면 어두워진다.

그래서 램프는 일정한 속도로

밝아짐 → 어두워짐 → 밝아짐

을 반복한다.

이 밝기 변화속도는 두 전원의 주파수차와 관계가 있다.

주파수차가 작을수록 램프의 명멸도 천천히 일어난다.

세 개의 램프가 동시에 어두워져야 하는 이유

상순서가 동일하고 같은 상끼리 비교하고 있다면 세 상의 상대위상차는 동일하게 움직인다.

따라서 3개의 동기검정등은 거의 동시에 밝아지고 동시에 어두워지는 패턴을 보인다.

동상점에서는 세 램프의 전압차가 동시에 최소가 된다.

그런데 세 램프가 차례대로 밝아지고 어두워진다면 상순서가 잘못되었을 가능성을 생각해야 한다.

즉 동기검정등은 단순한 전압차뿐 아니라 상순서 이상을 발견하는 데도 활용할 수 있다.

3등 소등법만 있는 것은 아니다

동기검정등의 연결방법에는 여러 방식이 있다.

세 램프가 모두 동상에서 어두워지는 방식도 있고,

두 램프는 교차상에 연결하고 한 램프는 같은 상에 연결해 특정 동기점에서

두 램프는 밝고 한 램프는 어두운

상태를 이용하는 방식도 있다.

이런 방식은 동기점과 상순서를 더 명확히 구분하는 데 사용할 수 있다.

다만 실제 고전압 발전기 단자에 일반 램프를 직접 연결한다는 의미로 이해하면 안 된다.

실제 설비에서는 PT 등의 계기용 변압기를 통해 적절한 전압으로 검정회로를 구성한다.

동기검정등이 모두 꺼졌다고 완벽하게 동기된 것일까?

램프가 어두워지는 것만으로 완벽한 동기를 정확하게 판단하는 데는 한계가 있다.

램프는 작은 전압차에서는 밝기변화를 사람이 구분하기 어려울 수 있다.

특히 완전히 꺼진 것처럼 보여도 어느 정도 위상차가 남아 있을 수 있다.

또 램프특성과 주변밝기에도 영향을 받는다.

그래서 대형 발전기에서는 동기계나 자동동기장치, 동기검정계전기 등을 사용하는 것이 일반적이다.

동기검정등은 원리를 이해하는 데 매우 좋은 방법이지만 정밀한 동기검정에서는 계측장치가 더 적합하다.

동기계와 동기검정등은 무엇이 다를까?

동기검정등은 두 전원의 순간적인 전압차를 밝기로 보여준다.

동기계는 상대위상과 주파수차를 회전지침으로 보여준다.

램프에서는

밝기와 명멸속도

를 관찰하고,

동기계에서는

지침의 위치·회전방향·회전속도

를 관찰한다.

결국 둘 다 같은 목적을 가진다.

발전기와 계통이 차단기를 투입해도 될 만큼 가까운 상태인지 확인하는 것이다.

왜 차단기 투입시간이 그렇게 중요할까?

동기계 바늘이 한 바퀴 도는 데 10초가 걸린다고 생각해보자.

이는 상대위상이 초당 36°씩 움직인다는 의미다.

차단기의 실제 접점폐로시간이 0.1초라면 투입명령과 실제 접점폐로 사이에 위상이 약

3.6°

움직일 수 있다.

주파수차가 더 크면 같은 0.1초 동안 움직이는 각도도 커진다.

따라서 정밀한 자동동기에서는

현재 위상차,

주파수차,

위상변화 방향,

차단기 투입시간

을 함께 고려한다.

자동동기장치는 무엇을 측정할까?

자동동기장치는 발전기와 계통의 전압신호를 입력받아 상태를 비교한다.

대표적으로 확인하는 항목은

발전기전압,

계통전압,

전압차,

발전기주파수,

계통주파수,

주파수차,

위상차

등이다.

상순서 역시 올바른지 확인되어 있어야 한다.

필요하면 Governor에 속도 증가 또는 감소명령을 보내고 AVR에 전압조정명령을 보내 두 전원을 동기조건에 접근시킨다.

조건이 만족되면 차단기의 동작시간까지 계산하여 투입명령을 내린다.

자동동기장치가 있으면 운전자가 아무것도 몰라도 될까?

그렇지 않다.

자동동기장치는 동기화 작업을 빠르고 정확하게 수행할 수 있지만 계측신호가 잘못되거나 PT회로에 이상이 있으면 잘못된 판단을 할 가능성도 고려해야 한다.

또 차단기 동작시간이 달라졌거나 인터록에 문제가 있을 수도 있다.

따라서 자동화되어 있어도 운전자는

발전기전압,

계통전압,

주파수,

동기계 표시,

차단기 상태

등을 확인할 필요가 있다.

자동화는 원리를 없애는 것이 아니라 원리에 따라 사람 대신 계산하고 조작하는 장치라고 보는 것이 맞다.

동기검정계전기는 무엇일까?

동기검정계전기는 영어로 Synch-check Relay라고 한다.

이 장치는 발전기와 계통 사이의 전압·주파수·위상조건이 설정된 허용범위 안에 있을 때만 차단기 투입을 허용한다.

예를 들어 운전자가 실수로 투입스위치를 조작했더라도 동기조건이 맞지 않으면 차단기 폐로회로가 성립하지 않도록 인터록할 수 있다.

그래서 동기검정계전기는 잘못된 병렬투입을 방지하는 중요한 보호수단이다.

동기검정계전기와 자동동기장치는 같은 것일까?

역할이 겹치는 부분은 있지만 완전히 같은 개념은 아니다.

자동동기장치는 발전기 속도와 전압을 조정하면서 적절한 동기점으로 접근시키고 자동으로 투입명령까지 수행할 수 있다.

동기검정계전기는 조건이 적절한지 확인해 차단기 투입을 허용하거나 차단하는 인터록 역할에 더 가깝다.

실제 발전설비에서는 두 기능이 하나의 디지털 장치나 보호계전시스템 안에 통합되어 있을 수도 있다.

투입 순간 발전기의 전력각은 얼마일까?

이상적인 병렬투입에서는 발전기전압과 계통전압이 거의 같은 위상일 때 차단기를 닫는다.

따라서 투입 순간의 초기 전력각은 매우 작다.

발전기는 투입 직후 계통에 연결되지만 처음부터 정격 MW를 모두 공급하는 것이 아니다.

이후 원동기 입력을 증가시키면 회전자가 계통자계에 대해 앞서는 방향으로 전력각을 형성한다.

단순한 원통형 동기발전기의 유효전력은

P ≈ 3VE / Xs × sinδ

로 나타낼 수 있다.

δ가 증가하면서 발전기가 계통으로 더 많은 유효전력을 공급한다.

동기투입 후에는 왜 위상차가 생길까?

병렬투입 순간에는 충격을 줄이기 위해 위상차를 거의 0으로 맞춘다.

하지만 투입 후 발전기가 실제로 유효전력을 공급하려면 정상적인 전력각이 형성된다.

이 개념은 동기전동기의 토크각과 부하각과 연결된다.

동기기에서 전력과 토크가 전달되려면 회전자 자계와 고정자측 기준자계 사이에 일정한 각도차가 필요하다.

중요한 점은 각도차가 있다고 해서 두 자계의 속도가 다른 것은 아니라는 것이다.

정상적인 병렬운전에서는 두 자계가 같은 동기속도로 회전하면서 일정한 전력각을 유지한다.

발전기 속도를 올리면 병렬투입 후에도 주파수가 올라갈까?

계통에 연결되기 전에는 속도를 올리면 발전기의 주파수가 증가한다.

하지만 대형 계통에 연결된 뒤에는 발전기 회전속도가 계통주파수에 강하게 구속된다.

원동기의 입력을 증가시키면 지속적으로 더 빠르게 회전하는 것이 아니라 전력각이 증가하고 계통으로 보내는 유효전력이 커진다.

따라서 동기투입 전과 후에는 Governor 조작의 의미가 달라진다.

투입 전:

Governor → 발전기 주파수 조절

투입 후:

Governor·원동기 입력 → 유효전력 조절

이라고 이해할 수 있다.

여자조절도 투입 전후 의미가 달라진다

차단기가 열려 있을 때 여자전류를 증가시키면 발전기 단자전압이 직접 상승한다.

따라서 동기투입 전에는 AVR과 여자전류를 이용하여 발전기전압을 계통전압에 맞춘다.

하지만 병렬투입 후에는 계통이 단자전압을 강하게 유지한다.

이 상태에서 여자전류를 조절하면 발전기의 무효전력과 역률이 크게 변한다.

즉

투입 전:

여자조절 → 전압 맞춤

투입 후:

여자조절 → 무효전력·역률 조절

이라는 관점이 중요하다.

동기투입 직후 전류가 조금 흐르는 이유

실제로 모든 조건을 수학적으로 완벽하게 0차이로 만들기는 어렵다.

작은 전압차나 위상차가 남을 수 있다.

차단기가 닫히면 이 차이를 보정하는 작은 동기화전류가 흐를 수 있다.

또 발전기의 여자상태와 원동기 입력이 계통상태와 완전히 일치하지 않으면 유효·무효전력의 작은 이동이 즉시 발생할 수 있다.

중요한 것은 이 차이가 설비가 허용할 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다는 것이다.

위상차가 큰 상태에서 투입하면 왜 토크충격이 발생할까?

발전기 회전자는 상당한 질량과 관성을 가지고 있다.

그런데 차단기를 닫는 순간 계통의 회전자계는 회전자 자계를 특정한 안정위치로 끌어당기려고 한다.

두 자계의 위치가 크게 어긋나 있다면 매우 큰 전자기토크가 순간적으로 발생한다.

회전자는 갑자기 가속되거나 감속되는 충격을 받을 수 있다.

축에서는 비틀림응력이 발생한다.

터빈과 발전기를 연결하는 커플링과 베어링에도 충격이 전달될 수 있다.

그래서 잘못된 동기투입은 단순히 전류계가 크게 움직이는 사건으로 끝나지 않는다.

기계적인 손상 가능성까지 고려해야 한다.

동기상태를 잃으면 어떻게 될까?

병렬투입이 정상적으로 완료된 뒤에도 항상 안정적인 것은 아니다.

큰 계통고장이나 여자상실, 과도한 원동기 입력 등으로 회전자 전력각이 크게 흔들리면 계통과의 동기를 잃을 수 있다.

이 현상은 동기전동기의 탈조와 기본적인 동기현상을 공유한다.

탈조가 발생하면 발전기의 전력과 전류가 심하게 변동하고 회전자와 축계에도 큰 기계적인 응력이 발생할 수 있다.

대형 발전기에서는 이런 비동기상태나 전력요동을 검출하기 위한 보호기능을 사용한다.

왜 회전자와 계통이 같은 속도로 움직여야 할까?

동기전동기의 구조와 유도전동기와의 차이를 생각하면 이해하기 쉽다.

동기기의 정상상태에서는 회전자 자계와 고정자의 회전자계가 같은 전기적인 속도로 움직인다.

4극 60Hz 동기기라면 회전자는 약 1800rpm으로 회전한다.

2극이라면 약 3600rpm이다.

발전기가 계통에 연결된 뒤 정상적으로 동기운전하려면 회전자 자계가 계통주파수와 같은 속도를 유지해야 한다.

두 속도가 지속적으로 다르다면 상대각이 계속 변하기 때문에 안정적인 전력전달이 불가능하다.

상순서는 한 번 확인하면 끝일까?

정상적으로 설치된 발전기에서 결선과 회전방향이 바뀌지 않는다면 상순서는 일상적인 동기투입 때마다 달라지는 값은 아니다.

하지만

정비 후 케이블 재접속,

발전기 또는 변압기 결선변경,

원동기 회전방향 변경,

PT 회로 작업

등이 있었다면 다시 확인할 필요가 있다.

특히 실제 주회로 상순서는 정상인데 동기검정용 PT 2차배선이 잘못되면 동기장치가 잘못된 정보를 받을 수도 있다.

따라서 동기검정회로 자체의 결선도 중요하다.

PT 회로가 왜 중요할까?

고압 발전기의 전압을 동기계나 계전기에 직접 입력할 수는 없다.

PT 또는 VT를 이용하여 안전하고 측정 가능한 전압으로 낮춘 뒤 동기검정장치에 입력한다.

따라서 실제 발전기와 계통의 전압이 정상이어도 PT 퓨즈가 단선되거나 2차회로 결선에 이상이 있으면 동기검정값이 잘못될 수 있다.

운전 중 동기계 표시가 평소와 다르다면 발전기 자체뿐 아니라 계측회로의 상태도 확인해야 한다.

동기계 바늘이 움직이지 않는다면 정상일까?

주파수차가 거의 0이라면 동기계 바늘이 매우 천천히 움직이거나 거의 정지해 보일 수 있다.

그런데 바늘이 동상점이 아닌 위치에서 멈춰 있다면 주파수는 같지만 위상차가 남아 있는 상태일 수 있다.

또 계기나 PT회로 이상으로 표시가 움직이지 않는 가능성도 있다.

따라서 바늘이 멈췄다는 사실 자체를 동기완료로 판단하면 안 된다.

지침위치와 다른 계측값을 함께 확인해야 한다.

동기계가 한 방향으로 계속 빠르게 돈다면 무엇을 볼까?

가장 먼저 발전기주파수와 계통주파수의 차이를 확인할 수 있다.

발전기 회전속도가 너무 높거나 낮을 수 있다.

Governor 설정이나 원동기 속도제어상태를 확인한다.

계통주파수는 대형 계통에서는 크게 변하지 않는 경우가 많으므로 개별 발전기의 속도조정이 필요한 상황일 가능성이 있다.

다만 계기의 FAST/SLOW 방향은 해당 동기계 표기를 기준으로 판단해야 한다.

세 개의 동기검정등이 돌아가며 깜빡인다면 무엇을 의심할까?

같은 상끼리 연결한 정상적인 3등 소등방식에서 상순서가 같다면 세 램프는 대체로 함께 밝아지고 어두워진다.

그런데 밝고 어두운 상태가 램프 사이를 순차적으로 이동하는 것처럼 보인다면 상순서가 서로 다를 가능성을 생각할 수 있다.

이 상태에서는 동기투입을 시도하지 않고 결선과 상순서를 확인해야 한다.

동기검정에서 전압계 하나만으로 부족한 이유

발전기전압과 계통전압이 둘 다 6.6kV라고 해도 실제 순간전압은 서로 반대일 수 있다.

주파수도 둘 다 60Hz일 수 있다.

그래도 위상차가 180°라면 두 전압벡터의 차이는 매우 크다.

따라서

전압계 → 크기 확인

주파수계 → 반복속도 확인

동기계·동기검정등 → 상대위상 확인

처럼 각각 다른 정보를 제공한다.

동기검정은 여러 정보를 함께 종합하는 작업이다.

자동동기에서 허용값은 왜 발전기마다 다를까?

동기투입 시 허용할 수 있는 전압차와 주파수차, 위상각은 모든 발전기에 똑같지 않다.

발전기의 용량,

축계의 기계적 특성,

차단기 폐로시간,

계통의 강도,

발전기 내부리액턴스,

제조사의 설계기준

등이 다르기 때문이다.

그래서 실제 현장에서 임의의 허용각이나 주파수차를 정해서 사용해서는 안 된다.

해당 발전기의 운전절차와 제조사 기준, 계전기 설정을 따라야 한다.

병렬투입 전 원동기 출력은 어느 정도일까?

차단기가 열린 상태에서는 발전기가 계통으로 전력을 공급하지 않는다.

원동기는 발전기의 베어링손과 풍손, 철손 등 자체손실을 보상하며 정격속도를 유지할 정도의 기계적인 출력을 제공한다.

병렬투입 후 원동기 입력을 증가시키면 발전기의 유효전력출력이 증가한다.

즉 병렬투입 전에 원동기를 정격출력까지 올려놓는 것이 아니라 우선 정격속도와 동기조건을 만드는 것이 핵심이다.

병렬투입 후 발전기 출력이 마이너스가 될 수도 있을까?

원동기 입력이 지나치게 작으면 발전기가 계통으로 충분한 유효전력을 내보내지 못할 수 있다.

조건에 따라서는 계통으로부터 유효전력을 받아 동기전동기처럼 끌려가는 방향으로 이동할 수도 있다.

증기터빈이나 일부 원동기에서는 이런 역전력 상태가 위험할 수 있기 때문에 역전력 보호계전기를 적용한다.

발전기는 계통과 연결되었다는 이유만으로 자동으로 발전방향의 전력을 공급하는 것은 아니다.

원동기에서 적절한 기계입력이 들어와야 한다.

병렬투입 후 바로 확인해야 하는 값

병렬투입이 완료되면 차단기 상태만 확인하고 끝나는 것이 아니다.

발전기의

고정자전류,

유효전력 MW,

무효전력 Mvar,

역률,

단자전압,

계자전류,

회전속도 또는 주파수,

베어링과 권선상태

등을 확인해야 한다.

투입 직후 예상보다 큰 전류가 흐른다면 발전기와 계통 사이의 전압·여자상태나 계측값을 확인할 필요가 있다.

유효전력이 예상과 반대방향이라면 원동기 입력상태 역시 점검해야 한다.

동기검정은 단순한 순서암기가 아니다

동기투입절차를

속도 맞추기,

전압 맞추기,

동기계 보기,

차단기 투입

정도로 순서만 외우면 실제 현상을 이해하기 어렵다.

각 단계가 필요한 이유를 생각하면 훨씬 명확해진다.

속도를 맞추는 이유는 주파수차를 작게 하기 위해서다.

전압을 맞추는 이유는 투입 후 순환무효전류를 줄이기 위해서다.

상순서를 확인하는 이유는 세 상의 회전방향을 같게 하기 위해서다.

위상을 맞추는 이유는 투입 순간의 전압차와 토크충격을 최소화하기 위해서다.

결국 모든 동기조건은 하나의 목적을 향한다.

차단기가 닫히는 순간 두 시스템 사이의 전기적인 차이를 최소화하는 것이다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 동기계는 단순한 속도계가 아니다.

발전기와 계통 사이의 상대주파수와 상대위상을 나타낸다.

둘째, 동기계의 특정 회전방향을 무조건 FAST라고 외우면 안 된다.

실제 계기의 FAST·SLOW 표시와 결선기준을 확인해야 한다.

셋째, 발전기와 계통의 주파수가 같아도 위상은 다를 수 있다.

넷째, 상순서와 위상차는 서로 다른 조건이다.

다섯째, 같은 상끼리 연결한 3등 소등법에서는 동상점에서 램프 양단 전압차가 최소가 되어 램프가 어두워진다.

여섯째, 동기검정등이 어두워졌다고 완벽한 0° 위상차가 보장되는 것은 아니다.

정밀한 설비에서는 동기계와 자동동기장치가 사용된다.

일곱째, 차단기에는 투입시간이 있기 때문에 실제 동기점보다 앞서 투입명령이 필요할 수 있다.

여덟째, 병렬투입 순간에는 전력각을 가능한 한 작게 하지만 병렬운전 후 유효전력을 공급할 때는 정상적인 전력각이 형성된다.

아홉째, 투입 전의 Governor는 주파수를 맞추는 데 중요하고 투입 후에는 유효전력조절에 중요하다.

열째, 투입 전 여자조절은 발전기전압을 맞추는 데 사용하고 투입 후에는 무효전력과 역률조절에 큰 영향을 준다.

마무리

동기발전기의 동기검정은 발전기와 이미 운전 중인 전력계통 사이의 차이를 확인하고 안전하게 병렬투입하기 위한 과정이다.

기본적으로 확인해야 할 것은

전압 크기

주파수

상순서

위상

이다.

동기검정등은 발전기와 계통 사이의 전압차를 램프 밝기로 보여준다.

동기계는 지침의 위치와 움직임을 통해 상대위상과 주파수차를 확인할 수 있게 한다.

현대의 발전설비에서는 자동동기장치가 이러한 값을 측정하고 Governor와 AVR을 조정하면서 적절한 투입시점을 계산할 수 있다.

동기검정계전기는 조건이 허용범위를 벗어나 있을 때 차단기 투입을 막는 중요한 인터록 역할을 한다.

특히 기억해야 할 점은 차단기의 투입명령 시점과 실제 접점이 닫히는 시점이 같지 않다는 것이다.

발전기와 계통 사이에 작은 주파수차가 있다면 그 짧은 시간에도 위상은 계속 움직인다.

그래서 정확한 동기투입에서는

현재 위상차만 보는 것이 아니라 위상이 어느 방향으로 얼마나 빠르게 움직이고 있는지까지 고려해야 한다.

병렬투입이 끝나면 발전기는 계통과 같은 주파수로 동기되어 운전한다.

그 이후에는 원동기 입력을 조절해 유효전력을 분담하고 여자전류를 조절해 무효전력과 역률을 조절한다.

동기검정은 발전기를 계통에 붙이기 위한 마지막 확인절차인 동시에 독립된 발전기가 전력계통의 일부로 들어가는 경계점이라고 볼 수 있다.