《OPINION》 전동기 리액터 기동방식의 리액터 소손과 직입 기동방식 적용 고찰

편집부 기자
입력 2023.03.13 00:00

전동기 리액터 기동방식의 리액터 소손과

직입 기동방식 적용 고찰

공압기 등에 널리 사용되는 유도전동기는 특성이 우수하고 경제적이며 유지보수가 매우 간단하다는 다양한 장점이 있지만 기동 시 발생하는 커다란 기동전류(Starting Current)에 의한 전압강하가 발생하여 전동기 및 기타 민감 부하에 악영향을 끼친다. 또한, 리액터 기동방식에서 기동 후에는 자동으로 회로가 분리되지 않아서, 비교적 장시간 리액터 기동상태 운전으로 절연파괴 되는 사례와 공진 등 기타원인의 소손사례가 종종 발생한다. 본고에서 기동방식에서 리액터 소손의 근본적인 예방이 곤란할 경우, 전동기 기동 시 전압강하가 국제기준(IEEE, NEMA) 최소허용 전압강하(% 정격) 범위를 유지하며 직입기동 방식 적용을 고찰해 보았다.

글 윤기섭 삼성전자 전기기술사무국장(공학박사·기술사)

유도 전동기 기동방법

유도전동기를 기동할 때 전동기의 정격전압을 인가하면 큰 기동전류가 흐르게 된다. 과도한 기동전류는 전동기의 권선을 과열시킬 뿐만 아니라 전원전압을 강하시켜서 수전단에 영향을 주게 되어 타부하의 운전에도 나쁜 영향을 미치게 된다. 전동기의 기동 시에 전압강하가 타 부하에 영향을 주지 않고 부하의 특성에도 지장이 없도록 할려면 전동기의 기동전류를 적당히 제한하는 기동방법을 적용하여야 한다. 농형 유도전동기의 기동방법에는 직입기동과 감전압기동방법이 있다. 감전압기동 방법에는 Y-△(Star-Delta)기동, 리액터(Reactor)기동, 기동용단권변압기(Korndorfer or Auto-Transformer)기동 으로 분류되며, Y-△기동에는 Open Y-△기동과 Closed Y-△기동으로 분류된다. 이외에도 최근에는 Inverter기동, Soft Starter 기동 등이 있다.

직입기동

농형 유도전동기의 단자에 직접 전원전압을 인가하여 기동하는 방법이며 제어 방법이 간단하여 용량이 적은 전동기의 기동방법으로 가장 많이 사용된다. 이 방법은 기동 시 기동전류가 5~8배 정도로 크기 때문에 전원단의 용량이 이것을 감당하여야 한다. 또한 100~200 %정도의 기동토오크가 부하에 가하여지므로 그 기계적 충격을 견딜 수 있어야 한다. 따라서 전원 용량이 충분하고 부하의 효과가 크지 않으면 직입기동을 하여도 된다. 그러나 다음과 같은 경우에는 감전압기동(Reactor, Y-△(Star-Delta), Korndorfer)을 하여야 한다.

1) 전원 용량이 충분하지 않을 경우

2) 부하의 이 크고 기동시간이 짧아 급속한 발열로 전동기 손상 우려가 있는 경우

3) 기동토크로 인하여 부하에 충격을 주어서는 안 되는 경우

리액터(Reactor)기동

모터 기동용 리액터는 유도전동기 기동시 유도전동기의 단자전압을 저감하는 감압기동으로 정지상태의 회전기기가 기동되면서 가속되어 전류가 감소함에 따라 단자전압이 상승하여 완전한 기동이 이루어 질 때(t초후) 리액터를 단락시켜 전전압으로 운전하는 방식으로 기동 전류를 제한하여 모터의 원활한 기동 및 기기의 오동작이나 기동 시, 전압강하로 인한 사고를 미연에 방지한다. 기동 시, 특성은 다음 식으로 나타내어진다.

1) 전동기의 속도가 증가함에 따라 전동기 단자 전압이 상승하여 가속과 함께 자동적으로 기동토크가 증가하여 기동이 용이하고 기계적 충격이 적다.

2) 제어방법이 간단하고 경제적이며 탭을 설치하여 기동전류를 가감할 수 있다.

단권변압기(Korndorfer or Auto-Transformer) 기동

단권변압기의 원리를 이용하여 전동기를 기동하는 방식으로 기동완료 후 단권변압기를 분리 시키지 않고 중성점을 개방하면 단권변압기가 리액터로 작용하게 되므로 이때 탭을 단락 시키면 전동기에 정격전압이 인가되어 기동하게 되는데 이 방식의 특징은 탭 전압에서 전전압으로 전환할 때, 전원과 전동기가 분리되지 않으므로 충격이 감소하여 부하의 기동토크가 크기 때문에 대용량 모터 기동에 많이 사용된다.

기동순서는 중성점 단락용 개폐기를 투입하면 전동기는 기동된다. 타이머의 동작에 의해 중성점 계폐기를 개방하면 단권변압기는 리액터의 기능을 한다. 이때 단권변압기 단락용 개폐기를 투입하면 전동기에 전전압(선간전압)이 인가되어 기동을 완료하게 된다. 중성점 단락용 개폐기를 개방하고 단락용 개폐기를 투입 할 때까지의 시간이 너무 빠르거나 너무 늦어도 좋지 않다. 너무 빠르면(0.5초 이하) 중성점 단락용 개폐기의 단자와 접촉자 사이의 Arc로 단권변압기 2차 단락상태 되어 대전류가 흘러 과전류계전기가 동작하여 전동기는 기동하지 않는다.

또한 너무 늦으면 리액터 상태가 계속되어 임피던스가 커져서 전압강하가 커지므로 가속된 전동기의 속도가 오히려 떨어져 단락용 개폐기를 투입 할 때, 과전류계전기가 동작하여 전동기가 정지하게 된다. 이 기동방식의 특징은 탭 전압에서 전전압으로 변환 할 때 전원과 전동기가 분리되지 않으므로 충격이 감소된다는 것이다.

Y-△(Star-Delta)기동

농형 유도전동기의 고정자 권선을 전동기 외부에서 개폐기로 결선을 변환시켜서 기동하는 방법이다. 즉, 기동 시에는 권선의 결선을 Y로 변환하여 전동기의 각상에 인가되는 전압을 선간전압의 1/√3로 감압하여 기동전류를 1/3로 제한하고, 기동 완료 후에는 권선의 결선을 △로 변환하여 전동기의 각상에 전전압(선간전압)을 인가하여 운전하는 것이다. 기동전류와 기동토오크는 모두 직입기동시의 1/3의 값이다. Y결선에서 △결선으로 변환할 때 전이 저항을 거쳐서 △결선으로 변환되도록 함으로써 주회로가 일시적으로 개방되어 전동기의 권선 및 부하에 기계적 충격을 주는 것을 줄여주는 방법으로 기계적 충격에 민감한 부하에 적용한다.

리액터 기동과 직입 기동시 모선전압(Case study)

검토배경 및 리액터 소손사례

고압 유도전동기의 리액터 기동방식에서 기동 후에 자동으로 회로가 분리되지 않아서, 비교적 장시간 리액터 기동상태 운전되는 경우가 발생하여 기동용 리액터가 소손하는 사례가 빈번하게 발생하여 리액터 기동시와 직입기동시 모선 전압강하와 기동전류를 검토하여 국제기준(IEEE, NEMA) 전압강하 허용 범위내 유지할 경우에 직입기동 방식 적용을 검토하였다.

검토조건 및 대상

1) 전력계통 시뮬레이션 프로그램 : ETAP 20.0.4C

·Motor Acceleration Analysis 모듈의 Dynamic Motor Starting 구동

2) 전동기 기동 전 변압기(22/6kV) 2차 주 모선전압: 6.08 kV(101.4 %)

3) 전동기 기동 전 변압기 부하율 : 5,958 kVA/12,000 kVA (약 50 % 부하율)

4) 리액터 기동 설정 : 65 % Tap(회전속도 95 % 도달 시 리액터 제거)

기동시간 8초 적용(Inertia 조정: 전동기, 샤프트, 기기의 관성모멘트)

5) 전동기 특성 파라미터는 ETAP 라이브러리 적용 : Locked Rotor Current 453.5 % 적용

6) 6 kV급 고압 전동기(용량 750 kW, 1540 kW)

Case study 분석결과

전동기 기동 시 전압강하 기준(IEEE, NEMA)

전동기 기동 시 시스템 전압(모선전압)의 최소허용 전압(%정격)은 95 %~105 % 이므로 전동기 기동 시 모선전압이 최소허용 전압 내 유지하고 전동기 제작사 제공 기동전류 범위를 초과하지 않는지를 반드시 검토하여 기동방식을 결정하여야 한다.

전동기 용량별 전압강하 검토결과

1) 750 kW 전동기 기동방식은 리액터 기동(97.62 %, 5.86 kV ≥ 95 %, 5.70 kV)은 물론 직입 기동 시에도 모선(System) 전압강하가 국제기준(IEEE, NEMA) 허용기준내(95.51 %, 5.73 kV ≥ 95 %, 5.70 kV)에 유지하고, 전동기 기동전류 조건을 만족하므로 전동기의 리액터 기동방식에서 리액터 소손이 잦은 전동기 한해서 전압강하 등을 검토하여 직입 기동방식 적용을 권고한다.

2) 그러나, 750 kW 전동기 2대를 동시에 기동하거나 1540 kW 전동기를 리액터 기동(93.45 %, 5.61 kV≤ 95 %, 5.7 kV) 및 직입기동시도 모선(System)전압강하가 국제기준(IEEE, NEMA) 허용기준(89.54 %, 5.37 kV ≤ 95 %, 5.7 kV)을 초과하므로 전동기의 직입기동방식 적용은 적절하지 않으므로 직입기동 보다는 다른 기동방식(Y-△, Korndorfer 방식 등)을 권고한다. [표 1]

직입 기동방식 적용…전동기 리액터 소손에

의한 전동기 정지 및 부하 정전 최소화 효과

유도전동기는 기동 시 발생하는 커다란 기동전류에 의한 모선전압 강하를 발생시키는 단점이 있다. 특히 대용량의 유도전동기가 다른 전동기 및 부하들과 동일한 모선에 함께 접속되어 있을 경우에는 전동기의 기동에 따른 전압강하는 다른 전동기 및 부하들의 운전에 큰 영향을 주게 되며 전압강하의 크기에 따라서 전동기 운전정지 및 민감 부하 탈락으로 공장 생산라인 가동 중지를 유발한다.

전동기의 기동용 리액터는 장시간 회로와 연결되어 운전되면 소손되어 화재 위험성 때문에 전동기 기동 후에는 반드시 리액터 회로의 분리 유무를 점검해야한다. 정상적인 기동반은 기동 후에는 자동으로 리액터 회로가 분리되도록 설계되어 있지만 비정상 조건시 장시간 리액터가 분리되지 않은 상태로 운전되어 절연파괴 및 소손사례가 발생한다,

기동용 리액터의 권선 또는 철심에 온도 검출용 센서가 설정 온도 이상이 되면 검출할 수 있도록 되어 있으나 고장 발생 후 일정시간 경과하여 비정상적인 온도를 감지함으로써 리액터의 열화가 상당부분 진행된 후에나 검출된다. 기동용 리액터의 열화 및 소손을 근본적으로 완벽하게 예방하기는 곤란하므로 리액터 소손을 선제적으로 예방할 수 있는 신기술이 개발되기 전에는 기존의 기동방식 변경 등 적극적인 검토와 대책이 필요하다.

현재 적용중인 유도전동기 리액터 기동방식의 리액터가 잦은 소손사례 발생 할 경우에, 리액터 기동방식과 직입 기동방식 기동 시 전압강하를 검토하여 국제기준 최소 허용전압(% 정격)내 유지 시, 직입 기동방식을 적용하여 전동기 리액터 소손에 의한 전동기 정지 및 다른 부하 정전을 최소화하고자 한다.