발전기·고압전동기의 고정자철심 점검

일반사항

발전기나 전동기의 철심은 각각 절연된 0.5㎜ 두께의 철심을 쌓아서 제작하지만 Key Bar 등에 의해 철심 배면부위는 대부분 단락상태로 된다. 일반적인 철심 구조는 <그림 1>과 같으며, 이런 표준 형태의 설계 방식에서는 고정자 철심 와전류가 감소되어 불필요한 손실을 감소시킬 수 있다. 하지만 이 경우 철심 표면 절연물의 상태에 따라 손실에서 많은 차이를 보인다. 되도록 철심 길이를 짧게 하기 위해 철심 표면 절연물의 두께가 얇아야 한다.

다량의 적층 철심이 사용된 발전기나 전동기에서 고정자 철심이 손상되면 손상부위가 국부적으로 발열되면서 권선 절연파괴나 절연물 손상을 초래할 수 있다. 이런 고정자 철심 손상은 다음과 같은 원인에 의해 언제든지 발생될 수 있다.

- 고정자 변위에 의한 고정자와 회전자간의 마찰
- 외부 이물질 유입에 의한 철심 용융
- 권선 손상에 따른 철심 손상
- 회전자 인출, Wedge 교체 등의 작업
- 기타(초기 제작 불량 등)

손상 발생

일반적으로 단락된 철심이 있을 경우, 국부적인 과열이 발생하지 않고 허용 가능한 매수는 철심 Teeth 부위의 자속밀도와 전원 주파수에 따라 달라진다.
하지만 대개 4매 정도까지 철심이 단락되어 있을 경우 특별한 문제는 없을 것이다. 그러나 이보다 더 많은 철심이 절연 파괴된 경우에는 <그림 2>와 같이 절연파괴 부위(표면단락 부위)와 이미 Key Bar(혹은 Building Bar)에 의해 단락되어 있는 철심 배면 부위를 통해 폐회로가 형성되면서 운전 중 큰 순환전류가 흐를 수 있고, 이 순환전류는 국부과열을 유발시킬만큼 커질 수 있다.

때론 이 발열 정도가 냉각장치에 의해 적절히 냉각되지 못할 경우 철심간 손상을 더욱 유발시킬 수 있다. 특히 고정자철심 표면이 단락되었을 경우에는 단락부위에서 심한 와전류 손실도 발생되면서 상태를 더욱 악화시킬 수 있다.
철심단락에 의한 유도 순환전류 및 와전류 손실은, 만일 초기 단계에서 발견하여 조치하지 못하면, 이 손상은 극단적으로 절연물 소손 및 철심 용융으로 진전되어 철심 일부분을 교체까지 해야 되며, 철심이 녹을 정도보다 낮은 온도라도 고정자 재권선이 필요하게 될 것이다. 그러므로 어떤 정비나 계획보다 주기적인 철심점검만이 과도한 사고 비용을 피할 수 있는 주요 요소가 된다.

손상 판정

사고를 유발시키는 고장전류 원인은 철심 내면이나 철심 상부 슬롯면의 기계적인 손상에 의한 것이다. 또한 손상부위는 철심표면 하부에서도 발생될 수 있으며, 이때는 특히 고정자권선이 설치되어 있는 경우 특수 방법을 사용하지 않고서는 쉽게 발견하기 어렵다.

(1) Loop Test

Loop 시험은 철심 손상여부를 판정하는 매우 유용한 방법이며 시험결과에 따라 어떤 조치를 취해야 할지를 결정토록 한다. 특히 이 시험법은 고정자와 회전자간의 마찰이 발생하여 철심 손상이 여러 군데 퍼져 있을 경우 유용하다.
Loop 시험에서 고정자권선의 턴당 실제 전압과 이에 따른 철심 자속밀도가 같도록 시험용 Loop를 통해 다시 확인해야 하나, 실제 5% 정도 과전압이 걸리도록 하는 것이 더 좋다.
철심 과열점은 전원을 투입한 다음 빠르게 찾아야 하며, 심각한 과열부위가 생기지 않으면 온도가 안정될 때까지 3~4시간 정도 시험을 실시토록 한다. 대개 평균 철심 표면 온도보다 10℃ 이상되는 지점의 경우 주의가 필요한 곳이다.
Loop 시험을 위한 정확한 AT(Ampere Turn)계산을 위해 해당 기기에 대해 아래 상수를 알고 있어야 한다.

- 고정자 전압
- 총 슬롯수
- 권선당 턴수 및 슬롯당 권선수
- 권선 병렬 회로수
- 상수
- 권선 Pitch
- 극수
- 철심 내·외경
- 슬롯 깊이
- 정격전압에서의 철심 자속밀도

철심에 정격 자속밀도를 가하기 위한 AT는 다음과 같이 구한다.
먼저 철심 둘레에 Search Coil을 감아 턴당 유기전압을 측정토록 한다. Search Coil 유기전압은 철심 자속밀도에 연관되어 있으며, AT 계산에 필요한 항목이다.
Search Coil 전압은 아래 식으로 계산된다.

VT=VP-P
2√3KTP

여기서 VP-P : 발전기 단자전압(선간)

tp : 상간 직렬권선 회로수(턴수)
K : 권선 분포 및 단절계수의 합산치(발전기의 경우 0.92 적용)
턴수는 가용 전원전압과 연관이 있으며 이를 참고하여 다음 식으로 구한다.
- 턴수 = 가용 전원전압/Search Coil 전압
턴수를 구한 다음에는 아래 식을 참조하여 실제 케이블의 전류용량을 검토하여 턴수를 조정한다.
- 전류크기 = 총 AT/턴수

(2) EL-CID(ELectromagnetic Core Imperfection Detector) Test

앞의 Loop 시험은 철심 손상 여부를 판정하는 유용한 방법이나, 큰 전류와 높은 전압을 인가해야 하므로 장치의 어려움과 위험성이 수반된다.
EL-CID 시험은 <그림 3>과 같이 일반 Loop Test 시험과 유사하게 Toroidal 권선을 사용하여 자속을 발생시켜 철심을 여자시킨 다음 철심 결함여부를 확인하는 시험이지만 정상상태 주자속의 4% 정도만 인가시켜 시험을 실시하므로 시험장치가 간단하다.

이렇게 여자시킨 상태에서 Sensing Head를 철심 표면 위로 움직이면서 결함 부위에서 발생하는 열이 아닌 결함부에 유도되어 흐르는 전류자체를 자기적으로 감지한다. 시험에 필요한 전력은 대형 발전기라도 현장에서 확보 가능할만큼 적은 양으로 수백 MW급 발전기의 경우 단지 2~3kVA 정도면 된다.

발전기나 전동기 철심 내부에는 여자에 의한 원주 방향 자장과 철심손상 부위의 유도전류에 의한 자장이 존재하며 <그림 2>는 전형적인 고장유도전류 흐름을 보여주는 철심 단면도다.
철심 내부 자장에 의해 철심표면 부위의 자게 경도(세기)가 형성되며, 자계 세기의 차이는 ‘Chattock 전위계’라 불리는 특수하게 감은 코일로 감지할 수 있다. 이 감지기는 감지기 양단 부위의 자계세기 차이에 따른 출력신호가 나오도록 되어 있으며, 감지기 헤드 부위에 자장을 검출하기 위한 Chattock coil이 설치되어 있다.

실제 철심 건전성 시험을 실시할 경우, 철심 전 표면을 빠짐없이 점검하기 위해 한 슬롯과 이웃 Teeth 부위를 동시에 검사를 수행하면서, 권선 슬롯을 따라 길이 방향으로 철심표면을 스캔하는 것이 편리하다. 감지기 헤드 부위에 있는 Chattock 전위계는 <그림 4>와 같이 두 이웃 슬롯의 가장자리에 놓이도록 하며, 출력신호에는 여자용 자계에 의한 것과 손상부위 유도전류에 의한 부분 신호가 나타난다.

출력신호 중 기준신호(Phase 신호)와 위상이 같은 신호는 철심 여자용 자속 때문에 신호가 뚜렷이 나타나며, 이 신호 성분은 전 철심에 걸쳐 결함 유무에 관계없이 나타난다. 결함부위에서 유도되어 흐르는 유도전류 신호는 90° 위상차이를 보이며, Quadrature 전류형태로 검출된다.

EL-CID 시험은 예민한 시험으로 발전기에 별로 영향을 주지 않을 정도의 미세한 손상도 감지할 수 있다. 이 정도 민감하다는 것은 시험결과치에 대해 정비수행 기준치를 세워야 한다는 것을 의미한다. 판단에 도움을 주기 위해 여러 작업 경험을 통해서 100mA의 m.p.d. 기준치(정격여자의 4% 인가시)가 정해졌으며, 이 수치는 실제 결함부위에 대해 추가 점검이 필요한 정도다. 여자 정도를 다르게 하여 시험할 경우 기준치가 이보다 더 높거나 낮아져야한다.

<그림 5>는 여자 자장세기와 결함 검출세기 사이의 관계식으로 정상 시험 조건에서 거의 선형적임을 알 수 있다. 모든 정비 결정은 최종 결과 분석과 작업수행 가능성 등의 옵션에 따라 좌우된다.

(3) 육안 점검

철심 표면의 이상유무를 육안으로 확인하는 방법으로 주로 철심표면에서의 변색, 과열흔적, 단락, 기타 손상여부를 확인한다.

정비 작업

철심 정비의 기본 원칙은 고정자권선에 손상을 주지 않고 손상 부위를 제거하는 것으로, 다음과 같은 방법이 사용된다.
- 철심을 벌린 다음 철심간 절연물 삽입
- 표면 Grinding
- 전해액으로 부식(Etching)

(1) 표면 Grinding

표면 Grinding 방법은 상호 단락된 철심 표면부위의 단락부위를 고속 그라인더를 사용하여 제거하는 방법이다.
가끔 표면 Grinding 방법으로 작업할 경우, 작업 공구를 잘못 선택하여 철심 표면 단락부위를 더 증가시키는 경우가 있다. 아주 고속의 약간 끝이 둥근 콘형 연마공구를 사용토록 권하며, 작업은 철심면 방향으로 표면을 가볍게 스치는 식으로 표면 단락부위가 완전히 제거될 때까지 실시토록 하며, 어떤 압력으로 계속 누른 상태에서 Grinding하지 않도록 한다.
Grinding 방법으로 철심 표면 단락부위 정비작업이 잘 수행하였으면 다음에 설명하는 전해액 부식방법으로 상태를 더 좋게 마무리하도록 한다.

(2) 전해액 부식법(Etching)

Grinding 공구를 접근시킬 수 없는 철심손상 부위의 경우 Etching이 유일한 정비방법이 될 수 있으며, Etching의 경우 매우 적은 양의 철심 표면만 제거하기 때문에 철심이 Burr에 의해 심하게 단락되어 있을 경우 작업 시간을 잘 고려해야 한다.
전해액 Etching은 철심간 Burr를 제거하여 철심간 절연을 회복시켜 주는 것으로 이 방법은 인산과 알코올 및 물의 혼합물을 적신 Felt를 철심표면에 부착시키고 여기에 평방인치당 약 2~3(A)의 전류를 공급하여 작업한다.
혼합물의 조성비는 다음과 같다.

- 인산 20% 무게비
- 알콜 20% 무게비
- 수분 60% 무게비

이 전해액을 적셔 철심 표면에 부착시키는 작업공구(전극)는 섬유 Felt를 원통형 강철 막대에 감아 만들고 여기에 손잡이와 전원을 연결시킬 수 있는 장치를 하도록 한다. 110V 교류전원을 슬라이닥스를 통해 조절하여 전극과 전해액을 적신 Felt를 거쳐 고정자철심으로 공급하며, 고정자철심은 전류의 귀로 역할을 하도록 한다.
Etching 작업은 여러번 실시해야 하며, Felt는 Etching 작업 중 과열되지만 않으면 재사용할 수 있다. 따라서 약 60~90초간 전류를 공급하고 다음에 약 20초간 Felt를 떼어내서 그 부위를 냉각시키도록 한다. Etching 작업은 철심손상부위를 5~7배 정도 확대경으로 점검하여 철심간 분리가 확실시 될 때까지 계속 수행토록 한다.
Etching 작업 중이거나 완료 후에 과도하게 묻어 있는 전해액은 마른 천으로 닦도록하며, Etching 작업 완료 후에 바니쉬를 발라 건조시켜 코팅 처리토록 한다.

(3) 절연물 삽입

절연물 삽입방법은 철심표면 손상부(단락부)를 나이프 등을 삽입하여 벌린 다음 Mica나 Glass Plate를 약 1/2정도 삽입한 다음 레진 등으로 고착시키는 방법이다.