9.7 열적으로 민감한 계자의 예

Examples of Thermally Sensitive Fields

 

발전기 계자에서의 Thermal Sensitivity 영향을 제거하거나 개선을 위해 여러 가지 방법이 사용되었다. 재권선시 새로운 절연물 보강, 단조된 계자와 Wedge의 개조 및 간접 냉각방식에서 직접 냉각방식 채택 등이 포함된다. 최근의 새로운 계자는 계자에서 Thermal Sensitivity가 실질적으로 제거되는 도체, 직접 냉각방식과 Body-mounted Retaining Ring으로 설계되고 있다.

GE는 Sensitivity 문제에 대한 근본 원인을 알기 위한 조치와 문제 해결 방법을 연구해 왔다. 이 업무를 수행하면서 분석한 보다 흥미있는 여러 사례를 다음에 나타내고 있으며 대부분 개선되어 로터 진동이 더 이상 운전상의 문제가 되지 않았다.

(1) 수소 냉각 발전기의 층간단락 (사례 1)

여러해 동안 운전하면 대형 증기터빈 발전기가 시간이 지남에 따라 계자의 진동 형태가 계자전류에 비례하여 변하기 시작하였다. 이 진동은 시간이 지남에 따라 점점 증가했다. Flux Probe Test 결과 계자권선에 많은 층간단락이 발생했다. 층간단락의 분포는 한 극에서만 집중적으로 많이 나타났으며 진동의 특성은 당연히 가역적 형태이었다.

계자 분해 결과 층간 절연물의 열화 흔적과 층간단락이 발견되었으며 계자 재조립시 새로운 절연 시스템으로 교체하여 운전을 실시하였다. 그 결과 로터 진동의 크기는 정상치로 나타났으며 큰 Thermal Sensitivity가 나타나지 않았다.

(2) 공기 냉각 발전기의 절연물 열화 (사례 2)

공기 냉각가스 터빈 발전기는 정기적인 정비를 위해 정지했다. 정지기간 동안에 발전기의 Spindle-mounted Retaining Ring 점검 결과 습분에 의한 손상이 발견되었다. Stator로부터 로터를 인출하여 Retaining Ring 분해 점검을 실시하고 표면 자국을 제거하기 위해 Ring을 가공하였으며 Pitting 및 Rust에 의한 Slot Wedge 손상상태 점검후 부품을 재조립하고 운전을 실시하였는데 기동하자마자 계자전류 증가에 아주 민감한 진동이 나타났으며 점검 이전에는 나타나지 않았던 현상이다. 진동 감소를 위해 절충 발란싱을 실시하였으며 Flux Probe Test시 문제의 원인을 파악할만한 충분한 단락이 나타나지 않았다. 6개월 이후 현장의 동종 Unit에서도 거의 동일한 문제가 발생하였으며 진동의 형태는 비가역적이었다.

문제의 해결을 위해 터빈-발전기 축정렬 재점검, 발전기 End Shield 볼트의 조임, 터빈 배기증기가 커플링 부분으로 누설되는 것을 정비하였으나 해결되지 않았다. 더 점검한 결과 Slot의 상부 권선과 단부 권선에서 절연이 저하되어 있음을 발견했다. 그래서 상부 권선에 기계적으로 강한 동, 새로운 권선 절연재, 상부 권선에 특수 테프론 절연재, 개선된 Block 및 Block의 재배치, 개선된 Wedge를 이용해서 로터를 정비했다. 이렇게 개선하여 발전기 로터가 정상 진동치로 되었다. 이러한 절차는 Spindle Mounted Rotor의 대형 발전기에서 Thermal Sensitivity를 감소시키는데 매우 효과적임이 입증되었고, 결과적으로 이런 상황이 해결되었다.

(3) 수소 냉각 발전기에서 가변적인 마찰의 영향 (사례 3)

기존의 간접 냉각방식의 계자권선과 Spindle-mounted Retaining Ring을 가지는 수소냉각 발전기에서 로터의 진동변화를 분석한 결과 계자전류의 변화 정도에 따라 점진적이고 Slip-Stick 형태인 Thermal Sensitivity임이 밝혀졌다. 계산하고 시험한 결과 Thermal Sensitivity는 코일의 축 방향 팽창에 의해 발생한 힘에 의해 발생하며 이 힘이 로터에 비대칭적으로 전달되어 로터가 휘게 되었다. 이러한 비대칭적인 힘은 코일과 절연물 경계면에서의 상호 구속 마찰력의 큰 편차로 인해 주로 발생한다고 예열 시험에서 입증되었다. 발전기 계통 병입전 저속(대략 300 rpm)에서 로터 코일을 예열하므로서 코일이 원심력으로부터 구속없이 팽창하여 진동이 아주 낮아졌다. 이것은 불균일한 축 방향 힘과 마찰에 의해 발생하는 문제의 원인을 찾는데 도움이 되었다. 나중에 로터 재권선시 코일의 마찰에 의한 구속을 최소화하기 위해 코일 커버 절연물과 Retaining Ring 절연물의 처리를 향상시켰고, 코일 팽창과 로터에 대한 코일의 마찰 경로를 감소시키기 위해 도체의 통풍 방법을 개선하였다. Thermal Sensitivity가 사라지고 발전기 정격부하 및 전부하 범위에서 진동이 허용치 이내로 운전중이다. 이러한 경우는 계자전류 공급량에 직접 관계되는 가역 및 비가역 진동이 둘다 나타났다.

 

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