[해외기술특집] 회전기 온라인 진단 기술

▶ 개요
회전기는 직류기, 교류발전기(증기터빈, 가스터빈, 엔진, 수차발전기), 전동기(단상·삼상 유도전동기, 서보모터, 소형 발전기) 또는 전동 공구와 같이 일체화된 기기 등으로 분류된다. 여기에서는 이 중에서 정격전압이 3㎸ 이상인 교류발전기, 전동기를 대상으로 온라인 진단 기술을 소개한다.


▶ 회전기 노화 현상
화력 플랜트 발전기 사례 조사 결과로 고정자 상태가 나빠진다거나(쐐기가 느슨해짐) 하는 사실과 전동기에서 고정자 권선의 단락·소선이 많다는 사실이 잘 알려져 있다.
고정자 권선은 장기적으로 내전압, 내열이 우수한 절연 재료(운모, 폴리에스테르 및 에폭시 수지) 등을 이용해 만들지만 운전 시에는 전기, 열, 기계, 환경 스트레스 등의 복합 스트레스를 받아 노화가 진행됨에 따라 방전이 발생한다. 권선에 발생하는 특징적인 방전으로는 도체와 철심 간 절연층 내 방전, 권선 표면과 철심 간 표면 방전, 엔드 코로나 방지층의 방전, 코일 엔드의 이상(굋相) 사이에서 발생하는 방전 등을 열거할 수 있다. 이 모든 방전은 절연재를 서서히 침식하여 권선 수명을 짧게 한다. 소용량 발전기, 전동기의 고정자 권선은 귀갑(갋甲)형 다층 권선(멀티 턴 다이아몬드 코일)으로 제작되는 경우가 많지만, 턴 사이의 도체 부근에서 방전이 발생하면 턴 간(間) 절연을 침식하여 턴 간 단락을 일으키는 경우도 있다. 고정자 쐐기가 느슨해져 불안정한 상태가 되면 권선이 전자 진동으로 움직여 절연 표면이 마찰되는 현상이나 철심 내 권선이 전자 진동에 따라 움직임으로써 발생하는 스파크 현상(바이브레이션 스파크) 등이 발생한다.
이런 상태 악화는 고정자 쐐기를 적절하게 고정 및 교체하거나 권선과 철심 사이 극간 관리·보수를 통해 방지할 수 있다.
회전자 권선의 절연은 도체 간 턴 절연과 대지 절연 및 회전자 권선 상하단에 설치된 절연 컬러 등으로 구성된다. 기동 정지에 의한 도체의 온도 변화에 따라 축 방향 및 원주 방향으로 신축하여 접착 렌지 및 턴 절연지에 열적·기계적 노화가 발생하고, 턴 절연이 벗겨져 턴 간 단락이나 더 나아가 도체 소손 및 발전기 이상 진동이 발생한다. 대지 절연은 환경적, 열적, 기계적 스트레스에 의해 노화가 진행되면 절연 저항의 저하가 실현되고 결국에는 자계 접지에 이르는 경우도 있다.
대용량 터빈 발전기의 회전자 권선에는 여러 장의 도체로 원 턴을 형성하는 자계 권선이 있는데, 발전기 기동의 저속 회전 시(터닝 시) 회전자 슬롯 내에서 수직·수평 방향으로 움직이고 구리 가루가 발생하여 복수의 도체 사이로 부착·퇴적됨으로써 턴 간 단락 및 자계 접지에 이르는 경우가 있다. 터빈 발전기의 대지 절연인 슬롯 아머는 슬롯 단부에서
부분적으로 마찰되어 유리 섬유가 노출되거나 절단되는 등의 경년 노화가 현저하게 나타난다는 사실도 보고되고 있다.
바구니형 유도전동기 회전자의 권선 도체를 형성하는 중요한 부위로 로터 바와 엔드링이 있는데, 이 부근에서는 고(高)관성 부하를 구동하기 때문에 시동 시 발열에 의한 열응력, 전자 진동 응력 및 원심력이 작용한다. 이 응력은 로터 바와 엔드링의 통로 부분에서 최대가 되어 손상 및 파단에 이르는 경우도 있기 때문에 시동 빈도가 높은 경우나 고속기에는 보수 유지에 충분히 신경을 써야 한다.


▶ 온라인 진단 기술

1. 고정자 진단 기술


현재 실용화되고 있는 고정자 온라인 진단 장치 대부분은 고정자에서 발생하는 부분방전(PD : Partial Discharge) 펄스를 검출하는 것이 주류가 되고 있다. 부분방전 펄스의 검출 방법으로는 주회로에 결합 콘덴서를 직접 설치하거나 쐐기 아래에 센서를 설치하는 방법, 권선 온도 센서(RTD : Resistance Temperature Detector)를 이용하는 방법, 고주파 CT를 사용하는 방법, 접지선에 흐르는 전류에서 검출하는 방법 등이 개발되고 있다.

⑴전용센서설치법
온라인 진단 전용 센서를 설치하는 방법으로 결합 콘덴서를 설치하는 방법 및 쐐기 아래에 센서를 매입하는 방법 등이 있다. 온라인 진단에서는 노이즈 제거가 큰 과제다. 노이즈 제거 기술의 한 예로 <그림 1>과 같이, 하나의 상에 두 개의 결합 콘덴서를 설치하고 외래 노이즈와 부분방전 신호의 도달 시간차를 이용해 외래 노이즈를 제거하는 방법이 실용화되고 있다.


고정자는 제작 방법 및 사용되는 절연 재료가 다종다양하고 부분방전에 대한 내량도 각각 다르기 때문에 명확한 판정 기준은 정해져 있지 않다. 현재상태로는 절대치 관리보다도 트렌드에 의한 변화 감시를 더욱 장려하고 있어, 대략 2~3개월마다 측정하여 방전에 변화가 있는 경우 로터 제거 점검 등을 실시하는 것이 일반적이다.

⑵ RTD법
측온 저항체 RTD 및 발전기 내 리드선을 안테나 또는 정전 용량이 작은 결합 콘덴서로 가정하여 수 10㎑까지의 주파수 응답이 있는 부분방전 센서로 이용한다.(<그림 2> 참조)
부분방전 검출을 위해 설치된 것은 없기 때문에 노이즈의 영향을 받기 쉽고 방전과 노이즈의 주파수 특성 차를 이용한 노이즈 제거, 부분방전 검출기 설치 방법에 대한 연구 등이 필요하다. 그러나 고압회로와 직접 접촉하지 않고 기설 발전기에도 용이하게 설치 가능하며 발전기 출력단에서 교정 펄스를 주입함으로써 방전 전하량을 교정할 수 있다. 따라서 기설 발전기 정기 진단의 인터벌 사이에서 건전성을 확인하기 위한 방법 등으로 이용되면서 트렌드 관리를 위해 데이터 축적이 계속 이루어지고 있다.

⑶ 고주파 CT법
부분방전이 발생하면 코일에 흐르는 부하 전류에 고주파 펄스성 전류가 중첩되기 때문에, 이것을 <그림 3>과 같이 고주파 CT로 검출하는 방법이 있다.
이것은 고압 전동기 단자 상자 속 급전용 케이블 실드부가 없는 부분에 3상 1괄 상태로 2분할식 또는 배분할식 고주파 CT를 부착 고정하여 측정기 본체로 접속하여 측정하도록 구성되어 있다.

2. 회전자 진단 기술
여기에서는 회전자 진단 기술로 동기발전기 계자권선의 턴 간 단락을 진단하는 기술 2가지를 소개한다.

⑴계자자속센서에의한턴간단락검출기술
계자 속 센서에 의한 턴 간 단락 검출은 고정자 외측에서 냉각 에어닥트를 통해 <그림 4>와 같이, 자속 센서 프로브를 삽입하고 회전자 슬롯 표면의 누설 자속을 측정하여 턴 간 단락을 검출할 수 있다.


한편 <그림 5>에는 검출 파형을 나타냈다. 이 파형 전반 부분에 후반 부분의 파형을 정부(正負) 역과 비교하면, 회전자 권선에 턴 간 단락이 발생하는 경우 단락이 발생하는 권선 슬롯에서 파형에 차이가 발생한다. 이 차이를 검출하는 것으로 계자 권선의 턴 간 단락을 진단할 수 있다.

⑵ 축 전압 스펙트럼에 의한 턴 간 단락 검출 기술
발전기 회전자에는 축의 편심(偏芯) 등이 원인이 되어 축 전압으로 불리는 전압이 발생한다. 그리고 회전자에 이상이 발생하면 축 전압 스펙트럼에 특징적인 성분이 나타난다.(<표 1> 참조)
이 장치는 <그림 6>과 같이 반 드라이브 측에 설치된 RC 모듈을 이용해 축 전압 스펙트럼을 검출하고 그 스펙트럼을 조사함으로써 운전 중 회전자의 턴 간 단락을 진단하는 것이다. 회전자 권선에 턴 간 단락이 존재하지 않는 경우 극에서의 자속은 대칭이 되기 때문에 축에 발생하는 축 전압은 <그림 7> ⒜와 같이 기수차(奇겤次) 고조파만을 함유하지만, 턴 간 단락이 존재하는 경우에는 비대칭인 암페어 턴이 생성되어 <그림 7> ⒝과 같이 우수차(偶겤次) 고조파가 함유하게 된다.

3. 그 외 진단 기술
대형 발전설비에는 최근 느슨해진 코일 엔드를 광섬유 이용 가속도계로 상시 모니터링하는 장치 및 쐐기의 진동을 상시 모니터링하는 장치 등 해외를 중심으로 하이테크 진단 장치의 개발 도입이 계속 진행되고 있다.


▶ 마무리
온라인 진단은 기기가 기계적, 열적, 전기적, 환경적 스트레스를 받는 상태로 진단하기 때문에 정지 진단에서는 발견할 수 없었던 이상을 검출 가능하다는 특징을 가진다. 그러나 현재 일본은 공개 데이터 수는 적고 해외와 비교하면 보급이 진행되지 않고 있는 실정이다.
향후 판정 기준 및 운용 기준 확립을 위해 정지 진단과의 정량적인 비교 등 데이터 축적 및 적극적인 데이터의 공개가 기대된다.

고정자 코어(Stator Core) 회전 전기의 일부분으로, 운전 상태에서 정지하고 있는 부분을 이른다. 단, 축받이부는 포함하지 않는다. 고정자 권선(Stator Winding) 고정자 중에 있는 권선을 말한다. 슬롯(Slot) 회전기기에 있어서 코일변을 넣기 위해 철심에 따낸 홈이다. 엔드링(End Ring : 단락 고리) 농형 유도전동기의 회전자 도체를 단락하는 고리로, 동기기에서 회전자에 제동권선이 있는 경우는 그 양단에 단락 고리를 사용한다.