발전기 보호 – 고장 유형 및 보호 장치

발전기의 일반적인 고장과 보호 시스템
발전기 고장의 분류

발전기 고장은 주로 내부와 외부 유형으로 구분됩니다:

• 내부 고장: 발전기 구성 요소 내에서 발생하는 문제.

• 외부 고장: 비정상적인 운전 조건이나 외부 네트워크 문제로 인해 발생.

원동기(예: 디젤 엔진, 터빈)의 고장은 기계적 성격이며 장비 설계 시 정의되지만, 트리핑을 위해 발전기 보호와 통합되어야 합니다.

내부 고장 유형
1. 스태터 고장

• 권선 과열: 지속적인 과부하 또는 절연 파손으로 인해 발생.

• 상간 고장: 상 사이의 절연 실패로 인해 발생.

• 상 대 지구 고장: 상 권선에서 스태터 프레임으로의 전류 누설.

• 회전체 간 고장: 동일한 권선 내에서 인접한 회전체 사이의 단락.

2. 로터 고장

• 지구 고장: 로터 권선에서 로터 축으로의 전류 누설.

• 권선 단락: 감마 전압을 감소시키고 감마 전류를 증가시킵니다.

• 과열: 스태터 불균형 전류(예: 단극 트립, 음의 상열 순서)로 인해 발생.

3. 자기장/감마 손실

• 발전기에 반응 전력이 흐르면, 발전기는 유도 발전기로 작동하여 동기화를 잃습니다.

4. 동기화 벗어남 운전

• 축에 대한 기계적 스트레스와 그리드와의 동기화 손실로 인한 전압 변동.

5. 모터 운전

• 원동기 공급이 중단될 때(예: 증기/수분 손실) 발전기가 그리드에서 전력을 끌어들여 터빈의 과열이나 공기포집 위험을 초래합니다.

6. 기계적 고장

• 베어링 과열, 윤활유 압력 손실, 과도한 진동.

로터 과열 메커니즘

불균형 스태터 전류(예: 음의 상열 순서)는 시스템 주파수의 두 배(100/120 Hz)에서 로터에 에디 전류를 유도하여 국소적으로 과열을 일으킵니다. 이는 로터 유지 용 웨지와 링을 약화시킵니다.

외부 고장 유형
전력 시스템 이상

• 외부 단락: 그리드의 고장이 발전기 운전에 영향을 미칩니다.

• 비동기 연결: 부적절한 발전기 병렬 연결로 인한 손상.

• 과부하/과속: 갑작스러운 부하 해제나 원동기 제어 실패로 인해 발생.

• 상 불균형/음의 상열 순서: 로터 에디 전류와 과열을 유도합니다.

• 주파수/전압 편차: 저주파수 또는 고주파수, 저전압 또는 고전압으로 인해 발전기 구성 요소에 스트레스를 줍니다.

발전기 보호 장치
주요 보호 계획
1. 스태터 고장 보호

• 차동 릴레이: 입력/출력 전류를 비교하여 상간 및 상 대 지구 고장을 감지합니다.

• 지구 고장 보호: 저항 접지용 과전류 릴레이 또는 변압기 접지용 전압 릴레이를 사용하여 스태터 접지 고장을 감지합니다.

2. 로터 고장 보호

• 지구 고장 릴레이는 로터 권선과 축 사이의 절연 파손을 모니터링합니다.

3. 불균형 부하 보호

• 음의 상열 순서 전류와 자기장 손실을 모니터링하여 반응 전력 흐름 문제를 해결합니다.

4. 과열 보호

• 열 릴레이 또는 온도 센서는 스태터 권선과 베어링 과열을 감지하며, 음의 상열 순서 릴레이는 로터 가열을 처리합니다.

5. 기계적 보호

• 과속 릴레이, 진동 센서, 저진공/저압 스위치는 원동기와 터빈의 고장으로부터 보호합니다.

6. 백업 및 보조 보호

• 역방향 전력 릴레이는 모터 운전을 방지하며, 스태터 접지 고장에 대한 차동 릴레이는 주 고장 감지를 제공합니다(도 1 참조).

• Differential Relays: 스태터 권선 양쪽 끝의 전류를 비교하여 내부 고장을 감지합니다.

보호 원칙

• Zero-Sequence Voltage Detection: 전압 변환기를 통해 전압 불균형을 모니터링하여 회전체 간 고장을 식별합니다.

• Grounding System Adaptation: 스태터 접지 방법(저항 또는 변압기 접지)에 따라 보호 계획이 달라집니다. CTs 또는 VTs를 사용하여 고장 전류/전압을 감지합니다.

로터 권선 고장 보호 메커니즘

감은 로터 권선 단락 고장은 과전류 릴레이에 의해 보호되며, 이 릴레이는 비정상적인 전류 급증을 감지할 때 발전기를 트립시킵니다. 지구 고장은 로터 권선에 또 다른 위험을 초래하지만, 그 보호는 특수한 접근법이 필요합니다.

대형 열 발전기에서는 로터 또는 필드 권선이 일반적으로 접지되지 않아 단일 접지 고장이 고장 전류를 생성하지 않습니다. 그러나 이러한 고장은 전체 필드와 엑시터 시스템의 전위를 높입니다. 필드 또는 주 발전기 브레이커를 열 때 발생하는 추가 전압—특히 고장 조건에서—필드 권선 절연에 스트레스를 주어 두 번째 접지 고장을 초래할 수 있습니다. 두 번째 고장은 국소 철 가열, 로터 변형, 그리고 위험한 기계적 불균형을 초래할 수 있습니다.

로터 지구 고장 보호는 보통 로터에 보조 교류 전압을 적용하여 절연을 모니터링하는 릴레이를 사용합니다. 또는 로터 회로에 걸쳐 고저항 네트워크(일반적으로 선형 및 비선형 저항의 조합)와 직렬로 전압 릴레이를 사용합니다. 이 네트워크의 중점은 민감한 릴레이 코일(ANSI/IEEE/IEC 코드 64)을 통해 접지됩니다. 현대적인 보호 계획은 개선된 고장 감지 및 절연 모니터링을 위해 선형 및 비선형 저항의 조합을 점점 더 선호하고 있습니다.

자기장 손실 및 과자기화 보호 메커니즘

자기장 손실 보호는 반응 전력 흐름의 변화를 감지하는 릴레이를 사용합니다. 일반적인 계획은 발전기 전류 변환기(CTs)와 전압 변환기(VTs)에 의해 공급되는 단일 위상 장치인 Offset Mho(임피던스) 릴레이를 사용하여 부하 임피던스를 측정합니다. 임피던스가 작동 특성 내로 떨어질 때 릴레이가 작동합니다. 타이밍 릴레이는 선도하는 반응 전력이 1초(표준 타이밍) 동안 지속되면 발전기 트립을 시작합니다.

과자기화 보호

시동 및 정지 중에 코어 포화를 방지하기 위해 과자기화 보호(ANSI/IEEE/IEC 코드 59)가 다음 관계를 기반으로 구현됩니다:B = V/f
여기서:

• B = 자기 유량 밀도(테슬라, T)

• V = 적용 전압(볼트, V)

• f = 주파수(헤르츠, Hz)

코어 유량은 포화점 아래로 유지되어야 하므로, 전압은 주파수(속도)에 비례하여 증가해야 합니다. 신속한 자극 증가는 과자기화 위험을 증가시킵니다. Volts per Hertz 릴레이는 선형 특성을 가지고 있으며, V/f가 설정된 임계값을 초과할 때 트립됩니다.

스태터 및 로터 과열 보호

• 스태터 권선 및 베어링: 저항 온도 검출기(RTDs) 및 테르미스터를 통한 온도 모니터링.

• 스태터 상 불균형: 로터의 최대 열 허용 시간에 맞추어 설정된 시간 역수 과전류 릴레이.

• 음의 상열 순서 보호: 스태터 불균형 전류로 인한 로터 과열로부터 기계를 보호합니다. 이는 로터에 손상적인 에디 전류를 유도합니다.

신뢰성 있는 보호 시스템은 가장 비싼 전력 시스템 구성 요소 중 하나인 발전기의 손상과 수리를 최소화하는 데 중요합니다.

이 보호는 도 2에 표시된 것처럼 두 상의 전류를 전류 변환기(CTs)를 통해 비교하는 릴레이를 사용합니다. 보호 설정은 로터가 과열을 견딜 수 있는 최대 시간(K = I²t, 쥴의 법칙에서 파생됨)에 따라 결정되며, 여기서 I는 음의 상열 순서 전류이고 t는 지속 시간입니다.

제조사가 지정한 이 조건에 대한 일반적인 시간-전류 곡선은 원동기 유형에 따라 다릅니다(참조 도표 참조).

역방향 전력, 동기화 벗어남, 주파수/전압 보호 시스템
역방향 전력 보호 (ANSI/IEEE/IEC 코드 32)

이 보호는 CTs 및 VTs(도 3 참조)에 의해 공급되는 전력 방향 릴레이를 사용하여 발전기 부하를 모니터링합니다. 릴레이는 발전기가 그리드에서 전력을 끌어들이는(모터 운전) 것을 나타내는 음의 전력 흐름을 감지할 때 활성화되어 터빈 손상을 방지하기 위해 트립을 트리거합니다.

동기화 벗어남 보호

이 보호는 발전기 고장이 아닌 전력 시스템의 교란을 감지하도록 설계되었습니다. 발전기가 동기화를 잃을 때 폴 슬리핑을 식별합니다. 이는 발전기 브레이커를 트립시키면서 터빈은 계속 작동하게 하여 교란이 사라진 후 재동기화를 가능하게 합니다.

• 작동 원리: 세 개의 임피던스 릴레이는 부하 임피던스를 측정합니다. 트립은 전력 스윙 중 특정 순서로 릴레이가 활성화될 때 발생하며, 이는 자기장 손실(영 자기장에서 발생)과 발전기가 최대 자기장으로 작동하는 경우를 구분합니다.

주파수 및 전압 보호
저주파수/고주파수 보호 (ANSI/IEEE/IEC 코드 81)

• 고주파수: 갑작스러운 부하 해제로 인해 발생하며, 관리되지 않으면 과전압 위험이 있습니다. 발전기 제어는 출력을 수요와 일치하도록 조정해야 합니다.

• 저주파수: 연결된 부하에 대해 발전량이 부족하여 발생하며, 이는 전압 강하, 증가된 자극, 로터/스태터 과열을 초래합니다. 부하 해제는 시스템 붕괴를 방지하기 위해 중요합니다.

저전압/고전압 릴레이 (코드 27/59)

전압 편차를 모니터링하고 제어하여 장비가 스트레스나 손상으로부터 보호되도록 합니다.

상 보조 시작 보호

발전기를 고장이나 부하 상태로 시작하는 것을 방지합니다. 저설정 과전류 릴레이는 주파수가 60 Hz 시스템에서는 52 Hz 이하, 50 Hz 시스템에서는 42 Hz 이하일 때만 작동하여 시작 전이 동안 보호를 제공합니다.

외부 단락 보호

과전류 릴레이(50, 50N, 51, 51N)는 외부 네트워크의 고장을 감지하고 제거하여 발전기가 과도한 고장 전류로부터 보호되도록 합니다.

이 보호 계획들은 발전기의 무결성과 그리드 안정성을 확보하기 위해 전력 흐름 역전부터 시스템 전체의 교란까지 다양한 운영 이상을 해결합니다.