9.5 열적 민감도의 원인

Causes of Thermal Sensitivity

 

앞에서 언급했듯이 발전기 계자가 열적으로 민감한 주요 원인중의 하나는 권선을 구성하고 있는 구리 도체와 단조강 사이의 열팽창 계수차가 크기 때문이다. 계자전류가 공급되면 도체는 단조강보다 크게 팽창한다. Unit 정격에 가깝게 계자전류가 증가되면 도체와 단조강 사이의 팽창차가 크게 되고 힘이 크게 발생한다. 이러한 힘이 계자 원주 방향으로 균일하게 분포되지 않는다면 이 힘이 발전기 로터를 휘게 할 것이다. 이러한 휨은 Thermal Sensitivity를 일으키며 계자전류 증감에 따라 변한다. 이러한 원리는 간단하지만 발전기 계자측의 구성이 복잡하기 때문에 열적진동 발생에 대해 주어진 계자의 민감도에 영향을 주는 요인이 여러 가지 있다. 다음은 발전기 계자측에 Thermal Sensitivity를 발생하게 하는 여러 항목을 나열하고 있는데 그 자체 또는 복합적으로 작용한다.

9.5.1 層間短絡 (Shorted Turns)

발전기 권선 층간의 절연이 손상되었을 때 층간단락이 발생한다. 층간단락은 Thermal Sensitivity의 가장 일반적인 원인이다. 층간단락의 수와 분포에 따라 다르지만 운전상 문제가 될 수도 있으며 되지 않을 수도 있다. 극에 인접한 코일에서의 층간단락은 매우 중요하다. 계자내에 층간단락이 발생했을 때 단락이 많이 발생한 극에서는 전기 저항이 낮아지고 그 결과 반대 극에서 보다 약간 낮은 온도에 있게된다. 따라서 온도가 더 높은 극에서는 다른 극에서 보다 축 방향의 신장량이 크게되며 계자는 동일한 방향으로 휘게 된다 (그림 3-67). 계자전류가 증가하면 휨 양도 증가하며 진동과 위상각이 이와 비슷하게 영향을 받을 것이다. 층간단락은 가역적인 Thermal Sensitivity 결과를 초래한다.

그림 3-67 A극 층간단락에 의한 온도 변화는 Thermal Sensitivity를 일으킨다.

 

9.5.2 通風口 막힘 또는 非對稱的인 冷却 (Blocked Ventilation or Unsymmetrical Cooling)

층간단락과 같이 통풍구 막힘도 발전기 계자의 원주 방향 열적 균형에 큰 영향을 줄 수 있다. 이것은 이물질이 계자 속으로 유입되어 계자의 정상적인 냉각과 통풍을 방해한다. 직접 냉각 방식의 권선은 냉각매체가 구리 속으로 흐르도록 제작, 설계된 냉각 Hole을 직접 통과한다. 이들 냉각 통로의 막힘이나 절연물의 탈락은 계자측에서 Thermal Sensitivity를 일으키는 원인이 된다. 불균일한 온도 분포는 층간단락과 동일한 방법으로 계자에 영향을 미친다. 이러한 진동의 형태도 가역적이다.

9.5.3 絶緣 偏差 (Insulation Variation)

절연물의 두께, 축적 상태 및 결합 상태가 극에서 극까지 균일하지 않으면 Coil Slot내에서와 Retaining Ring 아래에서 불균일한 마찰력이 발생한다. 이러한 현상이 발생하면 계자전류가 공급될 때 계자코일은 축 방향으로 균일하고 자유롭게 팽창할 수 없게되고 그 결과 계자측 단조물은 불균일한 부하를 받게되어 계자측을 휘게 한다. 이러한 경우 가장 크게 마찰을 하는 코일 즉 구속하고 있는 코일들은 축 방향으로 단조물에 보다 큰 부하를 주게되어 계자측을 그 방향으로 휘게 한다. 계자전류를 증가시키면 계자측의 굽힘을 더 증가시킨다. 어떤 경우에는 Slot내의 도체들이 Slip이 발생하여 진동의 Step 변화를 일으킨다. 또 다른 경우에는 계자전류가 제거된 이후에도 코일의 구속이 지속되어 로터가 휜 상태로 남아있다. 이러한 상태는 절연물이 파괴되거나 이동되어 Slot안으로 들어간 상태로 여러해 동안 운전해온 계자에서 발생한 바 있다. 새로운 계자 조립시 주의를 요하며, 계자 재권선시 절연물이 균일하게 설치되는지 또 적절한 설계 절차와 간극을 가지는지를 확인한다 (그림 3-68 참조). 이러한 형태의 Thermal Sensitivity는 대부분 비가역적 또는 Slip-stick이다.

그림 3-68 일반적인 발전기 계자측의 Slot 구성

 

9.5.4 Wedge 組立 (Wedge Fit)

Wedge를 개조하거나 교체하면 발전기 로터는 열적으로 민감해질 수 있다. 이것은 특히 한 극의 한 두개 Slot에서 일부 Wedge만을 교체하였을 때 나타난다. Wedge의 조임이 균일하지 않다면 로터의 굽힘을 일으키는 축 방향으로 구속력의 원인이 될 수 있다. Wedge를 개조 또는 교체할 때 계자내 모든 Wedge의 간극과 조립이 동일하게 되도록 주의 깊게 시행하는 것이 매우 중요하다 (그림 3-69). 이러한 상태는 항상 비가역적인 Thermal Sensitivity를 일으킨다.

그림 3-69 Coil Wedge Fitting

 

9.5.5 Distance Block 組立 (Distance Block Fitting)

발전기 계자측의 Endwinding내에서 일정한 간격을 주는 Distance Block은 일정한 간격이 유지되어야 하고 적절하게 조립되어야 한다. 불균일한 간격과 적절치 못한 조립은 불균일한 힘을 일으켜 Retaining Ring 또는 Center Ring을 통하여 계자 단조물로 전달되고, Thermal Sensitivity의 다른 가능 원인들처럼 로터의 휨 발생과 동특성을 변화시킬 수 있다 (그림 3-70, 3-71). Distance Block 조립이 균일하지 못하면 가역적인 진동을 야기 시킬 수 있다.

그림 3-70 발전기 End Blocking 설계

 

그림 3-71 불균일한 Blocking에 의해 발생하는 굽힘

 

9.5.6 Retaining Ring/Centering Ring의 움직임 (Retaining Ring/Centering Ring Assembly Movement)

계자전류가 증가할 때 계자 코일로부터 발생한 큰 힘이 Retaining Ring과 Centering Ring으로 전달된다. 이 Ring들이 적절하게 설치되지 않으면 계자측은 불균일하게 부하를 받게되고 로터를 휘게 한다. 또한, 열박음이 충분하지 못하면 Ring들은 열박음 조립공간 내에서 움직일 수 있으며 Retaining Ring 질량 중심을 변화시킨다. 이러한 경우, 계자측의 진동 신호가 변화하게 되고 느슨한 열박음 조립공간이 교정되기 전에는 문제 해결이 안된다.

Spindle-mounted Retaining Ring을 가지는 로터는 Retaining Ring이 잘 휘는 Spindle Section에 설치되기 때문에 Body-mounted Retaining Ring의 로터에 비해 Thermal Sensitivity가 훨신 더 민감하다는 것을 알아야 한다. 이러한 이유 때문에 같은 크기의 Axial Force임에도 Spindle-mounted Rotor는 더 크게 휘게 된다 (그림 3-72, 3-73). Retaining Ring과 Centering Ring의 움직임은 가역 및 비가역 진동을 일으킬 수 있다.

그림 3-72 일반적인 Retaining Ring Mounting 종류

 

그림 3-73 End Winding Blocking 힘의 이동

 

9.5.7 틈이 없는 Slot (Tight Slots)

좀처럼 나타나기 드문 현상으로써 절연물 시스템을 교체한후 변형되어 평평하지 못한 도체를 재사용할 때 계자를 재권선하는 중에 통상 발생하게 된다. 계자 재권선시 필요한 설계 간극을 확보하는 것이 중요하다. 틈이 없는 Slot은 계자전류가 공급될 때 도체의 축 방향 움직임을 균일하지 못하게 하여 로터를 휘게 한다. 이러한 현상은 일반적으로 비가역적 형식의 진동을 일으킨다 (그림 3-74).

그림 3-74 기계적으로 발생하는 Thermal Sensitivity

 

9.5.8 熱에 敏感한 鍛造 로터 (Heat Sensitive Rotor Forging)

좀처럼 나타나기 드문 현상이지만 발전기 로터 단조시 재질의 특성이 균일하지 않아서 발생하며 계자나 도체의 구성에는 관계가 없다. 재질의 특성이 균일하지 않기 때문에 계자전류가 공급될 때 단조 로터는 축 방향으로 고르지 않게 팽창하여 로터를 휘게 한다. 이러한 현상은 재료 공급자의 단조 열처리와 제작상 발생한 문제에 의해 일어난다.

앞에서 언급한 발전기 로터 Thermal Sensitivity 원인들은 가장 일반적으로 직면하는 문제이지만 완전한 내용은 결코 아니다. 접착제의 오용, 부적당한 재질의 사용 및 어떤 형태의 운전 실수와 같은 것들도 균일성을 악화시키는 원인이 되며 계자를 열적으로 민감하게 한다. 열, 팽창력 및 마찰 등 무엇이든 균일하지 않으면 계자전류가 변할 때 Thermal Sensitivity가 발생한다. 어떤 경우에는 위의 원인 또는 다른 원인들 중 여러 가지가 복합적으로 작용하여 이 문제가 일어난다. 앞에서 언급했듯이 모든 로터는 어느 정도의 Thermal Sensitivity를 가지고 있다. 여기서 중요한 것은 훌륭한 설계와 완전한 제작을 통해 Sensitivity 정도를 조절할 수 있다는 것이다.

 

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