최근 화력발전에서 발전기기의 경제성, 보수성, 운전성에 관한 시장 요구는 공기 냉각 발전기의 적용 가능 범위를 초과하는 수소 냉각 발전기에서도 중요시되고 있다. 이 요구에 대응하기 위해 일본 후지전기시스템즈㈜는 전 함침 절연을 고정자에 채용한 수소 간접 냉각 터빈 발전기를 개발했다. 베트남 HPJSC Hai Phong 발전소용으로 고정자권선에 전 함침 절연을 채용한 발전기로서는 최대 클래스인 수소 간접 냉각 터빈 발전기를 제작, 완성했다. 여기에서는 그 특징과 적용 기술에 대해 소개한다.
사양과 설계
<표>에 개발한 발전기의 사양을, <그림 1>에 단면을 나타냈다. 이 발전기 개발 · 설계 시에는 고정자 권선, 고전자 철심, 회전자 권선의 구조와 그 제조 방법의 대부분을 후지전기시스템즈㈜ 공기 냉각 발전기와 기본적으로 동일하도록 했다. 따라서 공기 냉각 발전기 실적에 기본하는 신뢰성을 가짐과 동시에 제조 기술 및 제조 공유화에 의한 제조 기간 단축 및 경제성을 도모할 수 있었다.
1. 고정자 구조 고정자 철심은 압력 용기인 원통형의 고정자 틀에 판스프링을 매개로 지지된다. 적당한 스프링 효과로 철심의 전자 진동이 고정자 틀에 전달되는 것을 억제할 수 있는 구조로 한다.
2. 냉각 방식 고정자 냉각 방식에는 간접 냉각 방식을, 회전자의 냉각에는 도체의 반지름 방향에 통풍로를 설치한 반지름 방향 직접 냉각 방식을 채용했다. 통풍 경로는 고정자 양끝 축류팬에서 고정자 및 회전자 각부로 냉각 가스를 보내는데, 고정자 냉각가스의 흐름은 모두 내경 측에서 외경 측으로 흘러가는 통풍 방식(<그림 1> 참조)을 취한다. 이런 냉각 · 통풍 방식은 일본 후지전기시스템즈㈜에서 개발한 공기 냉각 발전기와 같도록 했으며, 시작 시험기 및 실적으로 얻은 데이터를 기본으로 설계했다.
고정자 권선 전 함침 절연 기술
1. 전 함침 절연 시스템의 특징 전 함침 절연은 고정자 권선과 철심이 하나가 되어 에폭시 수지에 함침되기 때문에 철심과 권선, 쐐기가 강력하게 고착되어 느슨해지지 않도록 함으로써 신뢰성을 향상시킨다. 따라서 보수 유지의 저감 등의 이점이 있다. 또 터빈 발전기용 전 함침 시스템에는 신뢰성을 확보하기 위해 다음과 같은 절연 기술을 채용한다.
① 고내열성 에폭시 수지 ② 고함침성 집성 마이카 테이프 ③ 고내전압 수명 대응의 내부 전계 완화층 ④ 고내 히트 사이클성 대응 열응력 완화층
한편 고정자 철심과 모든 고정자 권선은 철심과 함께 진공 함침 처리되기 때문에, 이 제조 공정은 대형 기계에서는 대단히 중요하다. 그 때문에 수지의 점도, 경화제의 배합비 등을 엄격하게 관리할 뿐 아니라, 함침 처리 공정에서는 모니터링 시스템에서의 온도, 진공도, 가압 시 압력, 정전 용량에 의한 수지의 함침 상태를 상시 감시하여 제어한다.
2. 22㎸급 전 함침 절연 시스템의 개발 450㎹A 클래스의 수소 냉각 발전기에 적용되는 22㎸급 전 함침 절연은 지금까지의 고정자 권선에 비해 코일이 길고 절연이 두꺼워진다. 이 때문에 다음 사항에 주목하여 개발했다.
⑴ 주절연 테이핑 기술 고정자 코일의 절연층은 주절연 테이프를 테이프 폭의 반 정도로 겹치듯이 도체에 감아 형성되지만, 테이프 감는 수 분포에 의해 절연 파괴 전압값이 변한다. 동일한 권층수로 최대의 절연 파괴 전압값을 얻을 수 있는 최적 테이핑 조건을 시뮬레이션으로 구하고, 이 결과를 테이핑 머신에 입력하여 제작에 반영시킨다.
⑵ 절연 신뢰성 평가 절연 시스템 평가는 코일 단체의 직선 모델 바 뿐 아니라 철심도 포함한 실기 대모델 코일을 제작하여 실행했다. 직선 모델 바에서는 주로 히트 사이클의 안정성과 고내전압 수명을, 실기 대모델에서는 절연 제법을 포함한 종합적인 신뢰성을 평가했다. 그 결과는 양호했으며 충분히 안정된 절연 성능을 가짐을 확인했다.
공장 시험 결과
이 기술을 적용한 발전기의 공장 시험(<그림 2> 참조)에서는 권선 온도 상승, 특성, 효율 모두 사양을 만족시키는 양호한 결과를 얻었다. 또 절연 성능에 관한 시험 결과도 양호했다. tan δ-전압 특성을 <그림 3>으로 나타냈는데, 이 특성은 실기 대모델 코일과 같고 실기 제작에 있어서도 개발된 절연 기술을 실현함을 확인했다. 더욱이 부분방전 시험에 관해서도 정격 전압에서 750pC로 상당히 양호한 값을 나타냈다.
마무리
시장 요구에 충분히 대응할 수 있는 대용량 전 함침 수소 냉각 터빈 발전기와 그 적용 기술에 대해서 소개했다. 앞으로도 기술 개발함으로써 시장 요구에 맞춘 고품질 · 고신뢰성의 터빈 발전기를 제작할 계획이다. 또한 이 전 함침 수소 냉각 터빈 발전기를 450㎹A급까지 채용할 예정이다.
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