발전기의 지상역률과 진상역률은 내부에서 어떤 차이를 만들까?

교류발전기를 운전하다 보면 같은 유효전력을 공급하고 있는데도 전류가 달라지고, 여자전류가 변하며, 단자전압의 특성까지 달라지는 경우가 있다.

그 차이를 만드는 중요한 요소 가운데 하나가 역률이다.

역률은 단순히 전기요금을 계산하기 위한 숫자가 아니다.

동기발전기에서는 전기자전류가 단자전압보다 늦는지, 같은 위상인지, 앞서는지에 따라 고정자에서 만들어지는 자계의 방향이 달라진다.

그 결과 회전자 계자자속에 대한 전기자반작용도 달라진다.

지상역률에서는 발전기의 자속을 약하게 만드는 감자성분이 증가할 수 있고,

진상역률에서는 반대로 자속을 강화하는 증자성분이 증가할 수 있다.

이 차이는

단자전압,

여자전류,

무효전력,

고정자전류,

발전기 발열

까지 연결된다.

그래서 발전기의 역률을 이해하려면 단순히 cosφ 값만 보는 것이 아니라 전압과 전류의 위상관계를 함께 봐야 한다.

역률이란 무엇일까?

교류회로에서 유효전력은

P = √3VLIL cosφ

로 나타낼 수 있다.

피상전력은

S = √3VLIL

이다.

따라서 역률은

cosφ = P / S

로 표현할 수 있다.

역률이 1이라면 공급되는 전압과 전류의 위상차가 거의 없다.

같은 전압과 같은 유효전력을 전달할 때 필요한 전류도 가장 작다.

반대로 역률이 낮아지면 같은 유효전력을 보내더라도 더 큰 전류가 필요하다.

하지만 발전기에서는 역률의 크기만큼 중요한 것이 하나 더 있다.

바로 지상인지 진상인지다.

지상역률은 무엇을 의미할까?

지상역률은 전류가 전압보다 늦는 상태를 의미한다.

영어로는 lagging power factor라고 한다.

유도전동기나 변압기처럼 자기장을 만들기 위해 무효전력을 필요로 하는 부하가 많이 연결되면 지상역률이 나타나기 쉽다.

발전기를 기준으로 전류가 발전기에서 계통으로 나가는 방향을 잡으면 지상전류를 공급하는 발전기는 일반적으로 계통으로 무효전력을 공급하고 있는 상태와 연결된다.

따라서 발전기에서는 지상역률 운전을 볼 때

고정자전류가 전압보다 늦는다

는 것을 먼저 생각하면 된다.

진상역률은 무엇을 의미할까?

진상역률은 반대로 전류가 전압보다 앞서는 상태다.

영어로는 leading power factor라고 한다.

콘덴서와 같은 용량성 설비가 강하게 작용하거나 발전기가 부족여자 상태로 운전되면 진상전류 영역이 나타날 수 있다.

발전기 기준에서는 일반적으로 진상전류 상태가 계통으로부터 무효전력을 흡수하는 방향과 연결된다.

그래서 발전기의 역률을 볼 때는

숫자가 0.9인지 0.8인지뿐 아니라

0.9 lagging인지 0.9 leading인지

를 구분하는 것이 중요하다.

같은 역률 0.8이라도 지상과 진상은 완전히 다르다

역률 0.8이면

cosφ = 0.8

이다.

위상각의 절대값은 약 36.9°다.

하지만 지상 0.8에서는 전류가 전압보다 약 36.9° 늦고,

진상 0.8에서는 전류가 전압보다 약 36.9° 앞선다.

역률 숫자만 보면 똑같지만 발전기 내부에서는 전기자전류가 만드는 자계의 방향이 달라진다.

그 결과 전기자반작용과 단자전압의 특성도 서로 반대로 나타날 수 있다.

역률이 낮으면 왜 발전기전류가 증가할까?

발전기가 일정한 유효전력 P를 공급한다고 하자.

전류는

I = P / (√3V cosφ)

로 나타낼 수 있다.

전압과 유효전력이 같다면 cosφ가 작아질수록 전류는 증가한다.

예를 들어 6.6kV 3상계통에서 1MW를 공급한다고 생각해보자.

역률이 1이면 약 87A 정도의 전류가 필요하다.

역률이 0.8이면 약 109A 정도가 필요하다.

역률이 0.6이면 약 146A 정도까지 증가한다.

유효전력은 똑같이 1MW인데 발전기 고정자권선에는 훨씬 큰 전류가 흐르는 것이다.

지상과 진상 모두 역률이 낮으면 전류는 커질까?

그렇다.

고정자전류 크기만 생각하면 지상인지 진상인지와 관계없이 역률의 절대값이 낮아질수록 같은 유효전력을 전달하기 위해 더 큰 전류가 필요하다.

피상전력은

S² = P² + Q²

이기 때문이다.

무효전력 Q가 +방향이든 -방향이든 절대값이 커지면 피상전력 S가 커진다.

전압이 일정하면 고정자전류도 증가한다.

따라서

진상역률이면 전류가 무조건 작다

라는 생각은 잘못된 것이다.

발전기 내부전압 관계부터 보자

동기발전기의 한 상 등가회로를 단순화하면

E = V + Ia(Ra + jXs)

로 나타낼 수 있다.

여기서

E는 내부유기기전력,

V는 단자전압,

Ia는 전기자전류,

Ra는 고정자저항,

Xs는 동기리액턴스다.

대형 동기발전기에서는 일반적으로 Ra보다 Xs의 영향이 훨씬 큰 경우가 많다.

저항을 무시하면

E ≈ V + jXsIa

로 단순화할 수 있다.

여기에서 중요한 것은 jXsIa의 방향이 Ia의 위상에 따라 달라진다는 점이다.

페이저로 보면 왜 전압특성이 달라지는지 알 수 있다

단자전압 V를 수평방향 기준벡터로 생각해보자.

역률 1이라면 Ia는 V와 같은 방향이다.

jXsIa는 전류벡터를 90° 앞선 방향으로 회전시킨 벡터다.

따라서 E는 V와 jXsIa를 벡터적으로 더한 위치에 존재한다.

지상역률에서는 Ia가 V보다 늦는다.

Ia를 90° 회전한 jXsIa 벡터는 V와 같은 방향의 성분을 더 많이 갖게 된다.

같은 단자전압 V를 유지하려면 상대적으로 더 큰 내부유기기전력 E가 필요한 방향으로 움직인다.

반대로 진상역률에서는 Ia가 V보다 앞선다.

jXsIa에는 V와 반대방향 성분이 생길 수 있다.

그래서 같은 단자전압을 유지하는 데 필요한 E가 지상역률 때보다 작아질 수 있다.

이 차이가 여자전류 변화와 연결된다.

내부유기기전력이 커진다는 것은 무엇을 의미할까?

동기발전기의 유기기전력은 기본적으로

E = 4.44kwfNΦ

와 관계가 있다.

주파수와 권선수가 일정하다면

E ∝ Φ

다.

그리고 자속 Φ는 계자전류 If와 밀접하게 연결된다.

따라서 더 큰 E가 필요하다는 것은 일반적으로 더 큰 여자전류가 필요하다는 의미다.

그래서 같은 단자전압과 유효전력을 유지할 때 지상역률 운전으로 갈수록 여자전류가 증가하는 경우가 많다.

전기자반작용이란 무엇일까?

발전기의 회전자 계자권선은 주자속을 만든다.

그런데 부하가 연결되면 고정자권선에도 전류가 흐른다.

고정자전류 역시 자기장을 만든다.

이 고정자 전기자자계가 회전자 계자자속에 영향을 주는 현상을 전기자반작용이라고 한다.

부하가 없으면 전기자전류가 거의 없으므로 전기자반작용도 작다.

하지만 부하전류가 증가할수록 전기자자계가 강해지고 주자속에 미치는 영향도 커진다.

중요한 점은 전기자반작용의 방향이 부하역률에 따라 달라진다는 것이다.

전기자반작용은 역률에 따라 어떻게 달라질까?

역률 1 부하에서는 전기자반작용이 주로 교차자화 작용을 한다고 설명할 수 있다.

주자속을 단순히 강화하거나 약화시키기보다 자속분포를 비틀고 왜곡하는 성분이 중심이 된다.

지상역률로 갈수록 전기자반작용에는 감자작용 성분이 증가한다.

즉 회전자 계자자속을 약화시키는 방향의 성분이 커진다.

반대로 진상역률로 갈수록 증자작용 성분이 증가한다.

회전자 계자자속을 강화하는 방향으로 작용하는 것이다.

특히 역률이 0에 가까운 순수 지상무효전류에서는 감자작용이 강하고,

순수 진상무효전류에서는 증자작용이 강하게 나타나는 것으로 이해할 수 있다.

지상역률에서는 왜 감자작용이 나타날까?

지상전류에서는 고정자전류가 단자전압보다 늦은 위상을 가진다.

이 전류가 만드는 전기자자계는 회전자 주자속과 반대방향으로 작용하는 성분을 갖는다.

그 결과 공극의 합성자속이 줄어드는 방향으로 영향을 준다.

발전기 입장에서는 같은 단자전압을 유지하기 위해 이를 보상해야 한다.

그래서 AVR은 여자전류를 증가시키는 방향으로 동작할 수 있다.

즉

지상무효전력 증가

→ 감자성 전기자반작용 증가

→ 단자전압 하강 경향

→ AVR 여자전류 증가

의 흐름을 생각할 수 있다.

진상역률에서는 왜 증자작용이 나타날까?

진상전류에서는 전기자자계가 주자속을 강화하는 방향의 성분을 갖게 된다.

합성자속이 증가하는 방향으로 작용하므로 여자전류를 그대로 두면 단자전압이 높아지는 현상이 나타날 수도 있다.

AVR이 단자전압을 일정하게 유지한다면 여자전류를 감소시키는 방향으로 보상할 수 있다.

따라서

진상무효전류 증가

→ 증자성 전기자반작용 증가

→ 단자전압 상승 경향

→ AVR 여자전류 감소

와 같은 흐름을 생각할 수 있다.

역률 1에서는 전기자반작용이 없는 것일까?

아니다.

역률 1에서도 고정자에는 전기자전류가 흐르고 자기장이 형성된다.

따라서 전기자반작용은 존재한다.

다만 순수한 감자 또는 증자작용보다는 주로 자속분포를 옆으로 밀어 왜곡시키는 교차자화작용으로 설명된다.

그래서

역률 1 = 전기자반작용 0

이라고 생각하면 안 된다.

부하역률이 지상으로 갈수록 단자전압은 왜 많이 떨어질까?

여자전류가 일정한 독립운전 발전기를 생각해보자.

부하전류가 증가하면 내부리액턴스 전압강하가 증가한다.

여기에 지상역률에서는 감자성 전기자반작용까지 커진다.

내부적으로 전압을 떨어뜨리는 방향의 영향이 겹치기 때문에 단자전압이 비교적 크게 감소할 수 있다.

그래서 발전기의 전압변동률은 일반적으로 지상역률 부하에서 커지는 경향이 있다.

진상역률에서는 단자전압이 왜 오를 수 있을까?

진상역률에서는 전기자반작용에 증자성분이 생긴다.

또 페이저상 jXsIa의 방향도 지상역률과 반대로 작용한다.

그 결과 여자전류를 일정하게 유지해도 부하가 증가하면서 단자전압이 떨어지지 않고 오히려 상승하는 경우가 가능하다.

그래서 진상역률 부하에서는 전압변동률이 음수가 되는 경우도 있다.

즉

무부하전압보다 부하시 단자전압이 더 높아지는 현상

이 이론적으로 가능하다.

발전기 전압은 부하가 늘면 무조건 떨어진다는 말이 틀린 이유

저항성이나 지상역률 부하만 생각하면 부하증가와 전압강하가 자연스럽게 연결된다.

하지만 진상역률에서는 상황이 반대가 될 수 있다.

그래서 발전기의 전압특성을 설명할 때는 반드시

부하전류 크기,

역률,

여자전류,

전기자반작용,

동기리액턴스

를 함께 봐야 한다.

단순히

부하 증가 = 전압 감소

라고 외우는 것은 정확하지 않다.

독립운전에서는 역률 영향이 더 직접적으로 보인다

독립운전 발전기는 자신이 부하의 단자전압을 직접 만들어야 한다.

그래서 부하역률이 바뀌면 단자전압 변화가 눈에 잘 드러난다.

예를 들어 큰 유도전동기가 투입되어 지상무효전력이 갑자기 증가하면 발전기전류가 크게 증가하고 전압은 떨어지려 한다.

AVR은 이를 보상하기 위해 계자전류를 증가시킨다.

반대로 큰 용량성부하가 연결되면 단자전압이 상승하려는 현상이 나타날 수 있고 AVR은 여자를 줄이는 방향으로 움직일 수 있다.

대형 계통에 연결된 발전기에서는 어떻게 달라질까?

매우 큰 전력계통에 병렬연결된 발전기는 계통전압에 강하게 묶여 있다.

따라서 발전기의 역률이나 여자전류가 바뀌어도 단자전압이 독립운전처럼 크게 움직이지 않을 수 있다.

대신 변화가 무효전력 Q로 더 크게 나타난다.

과여자하면 발전기가 계통으로 무효전력을 더 공급하고,

부족여자하면 무효전력 공급이 감소하다가 더 낮아지면 계통에서 무효전력을 흡수할 수 있다.

따라서 계통연계 발전기에서는 전압계 하나보다 Mvar와 역률, 계자전류를 함께 보는 것이 중요하다.

지상역률 발전기는 보통 과여자인가?

발전기가 계통으로 유효전력을 보내는 기준에서 보면 일반적으로 그렇다.

발전기가 과여자되면 내부유기기전력 E가 커지고 계통으로 무효전력을 공급하는 방향으로 움직인다.

이 상태에서 발전기전류는 일반적으로 단자전압보다 늦는 지상측에 위치한다.

그래서 발전기 운전에서는

과여자 → 무효전력 공급 → 지상전류 측

이라는 관계를 사용할 수 있다.

진상역률 발전기는 보통 부족여자인가?

일반적으로 발전기의 여자전류를 낮추면 내부유기기전력 E가 감소한다.

무효전력 공급량이 줄어들고 어느 지점을 지나면 발전기가 계통에서 무효전력을 흡수하게 된다.

이 상태에서는 발전기전류가 단자전압보다 앞서는 진상측으로 이동할 수 있다.

따라서

부족여자 → 무효전력 흡수 → 진상전류 측

으로 이해할 수 있다.

과여자와 부족여자의 관점에서도 연결된다

이 현상은 동기전동기의 부족여자와 과여자에서 살펴보는 여자특성과 같은 동기기 원리에서 나온다.

다만 발전기와 전동기는 유효전력 흐름의 방향이 반대이므로 전류의 방향과 역률 표현을 혼동하기 쉽다.

특히

“동기전동기 과여자는 진상이다”

라는 문장을 외운 뒤 발전기에 그대로 적용하면 틀릴 수 있다.

발전기에서는 발전기에서 계통으로 나가는 전류방향을 기준으로 다시 판단해야 한다.

동기전동기에서도 같은 여자현상을 볼 수 있다

동기전동기의 V곡선을 보면 일정한 기계부하에서 여자전류를 변화시킬 때 고정자전류가 U자 형태로 변한다.

여자가 너무 부족해도 전류가 커지고,

너무 과도해도 전류가 커진다.

역률 1 부근에서는 필요한 고정자전류가 상대적으로 작다.

동기발전기에서도 같은 유효전력을 공급하면서 여자전류를 변화시키면 비슷한 원리로 고정자전류와 역률이 변한다.

동기전동기와 발전기는 에너지 흐름은 다르지만 기본적인 동기기 전자기현상은 서로 연결되어 있다.

무효전력을 공급하는 동기기의 활용

동기기의 여자특성을 이용하면 축에서 큰 유효출력을 전달하지 않으면서 무효전력을 공급할 수도 있다.

대표적인 장치가 동기조상기다.

동기조상기는 여자전류를 조절하여 계통에 필요한 무효전력을 공급하거나 흡수하고 전압과 역률을 보조한다.

이 원리를 보면 동기발전기가 왜 계통전압과 무효전력 제어에 중요한 설비인지 이해하기 쉬워진다.

지상역률이면 무조건 나쁜 것일까?

지상역률 자체가 고장이나 비정상상태를 의미하는 것은 아니다.

전력계통에는 유도전동기와 변압기처럼 자기장을 필요로 하는 설비가 매우 많다.

따라서 일정한 지상무효전력은 정상적으로 필요한 경우가 많다.

발전기는 이런 부하에 필요한 무효전력을 공급하는 중요한 역할을 한다.

문제는 필요한 수준 이상으로 역률이 낮아져 전류가 지나치게 증가하는 경우다.

진상역률이면 무조건 좋은 것일까?

이것도 아니다.

역률개선을 위해 콘덴서를 설치하면 지상무효전력을 보상하여 역률을 1에 가깝게 만들 수 있다.

하지만 콘덴서를 너무 많이 투입하면 오히려 진상역률이 될 수 있다.

전압이 상승하거나 계통의 무효전력 흐름이 불리해질 수도 있다.

발전기 역시 깊은 부족여자 영역으로 들어가면 안정도와 철심 끝단 발열 등의 제한이 나타날 수 있다.

그래서 목표는 무조건 진상으로 만드는 것이 아니라 계통에 필요한 무효전력 균형을 맞추는 것이다.

지상역률에서 발전기 회전자는 왜 더 뜨거워질 수 있을까?

계통전압을 유지하면서 지상무효전력을 많이 공급하려면 발전기가 과여자되는 경우가 많다.

과여자에서는 계자전류 If가 증가한다.

회전자 계자권선의 동손은

Pfield = If²Rf

로 증가한다.

따라서 무효전력을 많이 공급하면 고정자전류뿐 아니라 회전자 여자전류도 커질 수 있다.

고정자와 회전자 양쪽에서 열적인 한계가 문제가 될 수 있다.

진상역률에서는 회전자 발열걱정이 없을까?

부족여자에서는 계자전류가 감소하므로 과여자 때와 같은 회전자 계자권선 발열은 줄어들 수 있다.

하지만 다른 제한이 나타난다.

부족여자가 심해지면 동기안정도 여유가 감소할 수 있고 고정자 철심 끝단에서 비정상적인 자속과 국부발열이 나타날 수 있다.

그래서 진상역률이라고 해서 계속 깊게 운전할 수 있는 것은 아니다.

발전기의 능력곡선에는 부족여자 운전영역에도 한계가 표시된다.

고정자전류는 지상과 진상 모두에서 중요하다

같은 유효전력에서 |Q|가 커지면 고정자전류가 증가한다.

고정자 동손은

Pcu = 3Ia²Ra

이다.

따라서 지상무효전력을 많이 공급하든 진상측에서 많은 무효전력을 흡수하든 고정자전류가 커지면 권선발열이 증가한다.

발전기의 Mvar 부호가 다르다고 해서 한쪽만 열적으로 부담이 있는 것은 아니다.

역률이 1이면 무효전력은 얼마일까?

역률이 정확히 1이라면 전압과 전류의 위상차 φ는 0°다.

따라서

Q = √3VI sin0° = 0

이 된다.

이론적으로 무효전력의 순전달은 없다.

피상전력과 유효전력도 같은 값이 된다.

S = P

같은 유효전력을 공급할 때 고정자전류가 가장 작은 상태이기도 하다.

하지만 발전기 운전에서는 항상 역률 1이 목표인 것은 아니다.

계통이 필요로 하는 무효전력을 발전기가 공급해야 할 수 있기 때문이다.

지상역률 0.8과 진상역률 0.8이면 전류 크기는 같을까?

전압과 유효전력의 크기가 완전히 같다면 이상적으로는 전류 크기가 같다.

전류식

I = P / (√3V cosφ)

에서는 cosφ의 크기만 들어가기 때문이다.

하지만 두 경우 전류의 위상방향은 정반대다.

그래서 전기자반작용, 여자전류, 무효전력의 방향은 다르게 나타난다.

이 차이가 발전기에서는 매우 중요하다.

전압변동률도 역률에 따라 달라진다

발전기의 전압변동률은 보통 같은 속도와 같은 여자조건에서 무부하전압과 부하단자전압의 차이를 비교한다.

지상역률 부하에서는 단자전압이 많이 떨어지는 경향이 있기 때문에 전압변동률이 큰 양수값이 될 수 있다.

역률 1에서는 그보다 작아질 수 있다.

진상역률에서는 부하시 전압이 무부하전압보다 높아지는 경우가 있어 전압변동률이 음수가 될 수도 있다.

따라서 발전기 전압변동률을 말할 때 반드시 부하역률을 함께 표시해야 한다.

왜 발전기 명판에 역률이 표시될까?

대형 교류발전기의 정격에는 MW뿐 아니라 MVA와 역률조건이 함께 중요하다.

예를 들어 정격 100MVA, 역률 0.8이라면 정격 유효전력은

80MW

로 연결된다.

하지만 발전기가 견딜 수 있는 것은 단순한 80MW 숫자 하나가 아니다.

고정자전류와 계자전류, 무효전력 운전범위까지 포함해 설계된다.

그래서 정격역률은 발전기의 열적·전자기적 설계조건과 연결된다.

역률이 나빠지면 발전기 효율도 영향을 받을까?

같은 유효전력을 공급하면서 역률이 낮아지면 고정자전류가 증가한다.

전류가 증가하면 I²R 동손이 증가한다.

발전기에서 외부로 공급하는 유효전력은 같더라도 내부손실이 증가하므로 전체 효율에 불리하게 작용할 수 있다.

또 온도가 올라가면 권선저항도 증가해 손실이 더 커질 수 있다.

따라서 역률은 단순히 계통의 전압특성뿐 아니라 발전기의 열적 운전상태에도 영향을 준다.

부하에 대형 유도전동기가 많으면 어떻게 될까?

유도전동기는 자속을 만들기 위해 무효전력을 필요로 한다.

대형 유도전동기가 여러 대 운전되면 계통의 지상무효전력 요구가 증가할 수 있다.

독립발전기가 이를 공급한다면 발전기전류가 증가하고 단자전압이 떨어지려 한다.

AVR은 여자전류를 증가시켜 전압을 유지하려 한다.

그 결과

고정자전류 증가,

계자전류 증가,

고정자 발열 증가,

회전자 발열 증가

가 동시에 나타날 수 있다.

그래서 비상발전기나 독립전원에서는 단순한 kW 합계만으로 부하상태를 판단하기 어렵다.

콘덴서를 너무 많이 넣으면 어떻게 될까?

지상역률을 개선하기 위해 진상무효전력을 공급하는 콘덴서를 설치한다.

적절하게 사용하면 발전기와 전선에 흐르는 무효전류를 줄이고 전압특성을 개선할 수 있다.

하지만 부하가 감소했는데 콘덴서가 그대로 많이 연결되어 있으면 계통이 과도하게 진상으로 갈 수 있다.

독립발전기에서는 단자전압이 상승하려는 문제가 나타날 수 있다.

그래서 자동역률조정장치에서는 부하에 따라 콘덴서 뱅크를 단계적으로 투입하거나 차단한다.

전기자반작용과 동기리액턴스는 같은 것일까?

완전히 같은 개념은 아니다.

전기자반작용은 전기자전류가 만드는 자기장이 주자속에 영향을 주는 실제 전자기현상이다.

누설자속으로 인한 누설리액턴스도 별도로 존재한다.

동기기의 단순한 등가회로에서는 전기자반작용의 효과와 누설리액턴스 효과를 묶어 동기리액턴스 Xs로 표현하는 경우가 많다.

그래서

jXsIa

하나로 계산하더라도 물리적으로는 여러 자기현상이 포함되어 있다는 점을 이해해야 한다.

왜 실제 발전기는 단순 페이저와 완전히 일치하지 않을까?

등가회로는 발전기를 이해하기 쉽게 단순화한 모델이다.

실제 발전기에는

자기포화,

돌극성,

권선저항,

누설자속,

고조파,

불평형,

온도변화

등이 존재한다.

특히 돌극형 동기발전기에서는 직축과 횡축의 리액턴스가 서로 다르기 때문에 단순한 하나의 Xs만으로 모든 상태를 정확하게 표현하기 어렵다.

그럼에도 기본 페이저 관계는 역률에 따른 발전기 전압특성을 이해하는 데 매우 유용하다.

AVR이 있으면 역률에 따른 전압변화는 사라지는 것일까?

아니다.

AVR은 전압변화를 보상할 뿐 원인이 사라지는 것은 아니다.

지상부하가 증가했는데 발전기 단자전압이 거의 일정하다고 하자.

겉으로는 아무 변화가 없어 보일 수 있다.

하지만 내부에서는 AVR이 여자전류를 증가시켜 감자작용과 내부전압강하를 보상하고 있을 수 있다.

따라서 전압이 일정하더라도

계자전류,

Mvar,

고정자전류

가 크게 변하고 있을 수 있다.

현장에서 전압만 보면 안 되는 이유

예를 들어 발전기 단자전압이 계속 6.6kV로 유지되고 있다고 하자.

그것만 보고 발전기 상태가 전혀 변하지 않았다고 판단하면 안 된다.

부하가 지상으로 이동하면서

고정자전류 70A → 100A,

계자전류 증가,

Mvar 증가,

역률 저하

가 동시에 나타날 수도 있다.

AVR이 단자전압만 일정하게 붙잡고 있는 것이다.

발전기 상태를 제대로 보려면 여러 값을 함께 봐야 한다.

현장에서 역률 변화가 생기면 무엇을 볼까?

발전기 역률이 갑자기 변했다면

MW,

Mvar,

고정자전류,

단자전압,

계자전류,

부하구성

을 함께 확인하는 것이 좋다.

유도전동기가 추가로 기동했는지,

콘덴서 뱅크가 투입되거나 차단되었는지,

AVR 기준값이 변경되었는지,

다른 병렬발전기의 여자분담이 달라졌는지

같은 원인을 생각할 수 있다.

여러 발전기의 역률이 서로 다른 것은 이상일까?

반드시 이상은 아니다.

병렬운전하는 발전기들은 전체 부하의 유효전력과 무효전력을 나누어 담당한다.

각 발전기의 여자설정이 다르면 Mvar 분담도 달라지고 역률도 서로 다를 수 있다.

문제는 한 발전기가 과도한 무효전력을 공급하고 다른 발전기는 반대로 무효전력을 흡수하는 등 불필요한 순환이 발생하는 경우다.

이때는 전체 부하가 변하지 않아도 발전기들의 고정자전류가 불필요하게 증가할 수 있다.

무효전력 순환이 왜 문제일까?

두 발전기 사이에서 한쪽은 +Q를 크게 공급하고 다른 쪽은 -Q를 크게 흡수한다고 생각해보자.

계통 외부에서 필요로 하는 총 무효전력은 크지 않을 수도 있다.

하지만 두 발전기 사이에는 상당한 무효전류가 흐른다.

이 전류는 실제 유효전력을 추가로 생산하지 않으면서도 고정자 동손과 발열을 증가시킨다.

그래서 병렬운전에서는 단자전압만 같게 만드는 것이 아니라 Mvar 분담까지 확인해야 한다.

지상·진상이라는 말은 기준방향 때문에 헷갈릴 수 있다

발전기와 전동기에서는 전류의 기준방향을 다르게 잡을 수 있다.

또 전력계나 보호계전기에서 사용하는 +Q와 -Q의 부호 convention도 설비마다 다를 수 있다.

그래서 현장에서

“+Mvar니까 무조건 지상이다”

처럼 부호 하나만 보고 판단하면 위험하다.

해당 설비의 계측기준과 전류방향을 확인해야 한다.

이 글에서는 발전기에서 계통으로 나가는 전류를 기준으로 설명하고 있다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 역률의 숫자만 같다고 발전기 상태가 같은 것은 아니다.

지상 0.8과 진상 0.8은 전류크기는 같을 수 있지만 위상방향이 반대다.

둘째, 지상역률에서는 전류가 전압보다 늦는다.

셋째, 진상역률에서는 전류가 전압보다 앞선다.

넷째, 역률 1에서도 전기자반작용은 존재하며 주로 교차자화작용으로 나타난다.

다섯째, 지상역률에서는 전기자반작용의 감자성분이 커지는 경향이 있다.

여섯째, 진상역률에서는 증자성분이 커지는 경향이 있다.

일곱째, 일정 여자상태에서는 지상부하에서 단자전압이 떨어지는 경향이 크고 진상부하에서는 전압이 상승할 수도 있다.

여덟째, 지상과 진상 모두 역률의 절대값이 낮아지면 같은 유효전력에서 고정자전류가 증가한다.

아홉째, 과여자 발전기는 일반적으로 무효전력을 공급하고 지상전류 측으로 이동한다.

열째, 부족여자 발전기는 무효전력을 흡수하면서 진상전류 측으로 이동할 수 있다.

마무리

발전기의 지상역률과 진상역률은 단순히 전류가 전압보다 늦느냐 앞서느냐의 차이로 끝나지 않는다.

전류의 위상이 달라지면 고정자 전기자자계의 방향이 달라진다.

그 결과 회전자 주자속에 대한 전기자반작용도 달라진다.

역률 1에서는 주로 교차자화작용이 나타난다.

지상역률에서는 감자성분이 증가한다.

진상역률에서는 증자성분이 증가한다.

따라서 여자전류가 일정한 발전기에서는 일반적으로

지상부하 증가 → 단자전압 하강 경향

진상부하 증가 → 단자전압 상승 가능

이라는 차이가 나타난다.

AVR이 있다면 이러한 전압변화를 여자전류 조절로 보상한다.

지상무효전력이 증가하면 여자전류를 높여 전압을 유지할 수 있고, 진상측으로 이동하면 여자를 낮추는 방향으로 조절할 수 있다.

하지만 어느 방향이든 역률의 절대값이 낮아지면 같은 유효전력에서 고정자전류는 커진다.

그래서 발전기의 역률을 볼 때는

지상인가 진상인가

뿐 아니라

MW, Mvar, 고정자전류, 계자전류, 단자전압

을 함께 봐야 한다.

결국 지상역률과 진상역률의 차이는 숫자의 부호 문제가 아니라 발전기 내부의 자속과 전압, 전류, 여자상태가 서로 어떻게 균형을 이루는가의 문제다.

다음 글에서는 정상적인 부하상태를 벗어나 발전기 단자에 단락이 발생했을 때 왜 매우 큰 전류가 흐르고, 그 전류가 시간에 따라 어떻게 변하는지 살펴본다.