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회전전기기계 진단기술1차진단, 2차진단, 가속도 스펙트럼 분석개요전동기, 발전기 등 회전전기기계는 전기적 스트레스와 기계적 스트레스를 받으며 운전하기 때문에 장기간 운전으로 당연히 열화가 진행된다. 회전기 트러블을 미연에 방지하기 위해서는 설비진단이 중요한 임무가 된다.당사에서는 설비진단 방법으로 간단한 진단인 1차 진단과 이를 근거로 세밀하게 진단하는 2차 진단으로 나눠 효율적이고 정밀도 높은 진단을 실시하고 있다. 2차진단 기술의 예로 절연 진단, 축수 진단, 정류자부·집전자부 진단 및 진동 진단이 있다. 이들 기술을 활용해 고객 설비에 대한 신뢰성 유지에 힘쓰고 있다.최근 회전전기기계(이하, 회전기)의 제조기술이나 제어기술은 나날이 진보하고 있다. 특히 고압권선 절연은 에폭시레진 채용과 진공가압함침을 이용한 제조방법이 대형기로까지 확대되면서 품질이 대폭 향상하고 있다. 발전기에 브러시를 장착하지 않는 형태가 정착되고, 또 가변속 전동기로 크게 활약해 온 직류 전동기와 권선형 전동기도 제어기술의 발달로 브러시 없는 전동기로 이행되고 있다. 브러시를 사용하지 않게 되면서 보수성이 크게 향상됐고 여기에 리모트 감시가 가세해 인력절감화를 추구하고 있다.한편 세간에는 20년, 30년 이상 전에 제작된 회전기가 아직까지 활약하고 있다. 회전기는 축수와 브러시를 보유하고 전기적 스트레스와 회전에 의한 기계적 스트레스를 상시 받고 있는데다 열악한 환경에서 운영되고 있는 경우가 많다. 대형·중형 회전기는 신·구 기종에 관계없이 중요한 위치를 차지하고 있다. 만일 고장을 일으킨 경우는 라인 정지나 공장 정지, 정전, 수도물 공급 불능 등으로 발전해 공장이나 회사에 막대한 영향을 미칠 우려가 있다. 일반적으로 회전기 수리는 장기간을 필요로 하기 때문에 예상 외 비용이 발생한다. 회전기 트러블을 미연에 방지하기 위해서는 설비진단이 중요한 역할을 하게 된다. 본 고에서는 당사의 회전기 진단 방법의 일례를 소개한다.  회전기 열화와 점검·진단의 중요성1. 일상점검으로 이상반응 조기발견일상의 운전상태 감시를 통해 이상 반응에 대해 조기발견이 가능해 진다. 회전기의 감시 포인트는 과열, 이상 진동, 이음(異音), 브러시 불꽃, 절연저항 저하이다. <표1>에 회전기 이상 상태 감시 포인트와 감시 부분 예를 나타냈다.이상 상태에 대해서는 원인조사와 해석을 그 자리에서 실시하고 적절한 대처를 함으로써 돌발적 고장을 막을 수 있다. 평소 운전유지 관리를 통한 계획적 설비개선을 수행하는 일이 효과적인 생산 활동에 도움이 된다.2. 정기진단으로 열화 예측과 예방회전기 열화 형태를 이해하고 세부 사항에 걸쳐 상태 파악을 실시, 열화 진행을 예측하고 그 결과에 따라 예방 처치를 적절하게 수행하는 일이 기계의 연명화를 가능하게 한다. 정기적이고 계속적인 진단으로 기능회복과 기능 개선책을 실시함으로써 회전기를 장기적으로 안정적인 운영을 실현할 수 있다.(1) 열화 진행전동기, 발전기 등의 회전기는 상시 전기적 스트레스와 기계적 스트레스를 받으면서 운전하고 있으며 장기간 운용으로 열화는 틀림없이 진행된다. 열화 진행은 경과년수, 운전 시 부하 상태, 기동 정지의 반복, 외부환경에 따라 크게 변화돼 열화 형태나 정도에도 차이가 발생한다.회전기 사고로 가장 영향이 큰 것은 절연파괴이다. 수리 회복에 수 개월을 필요로 하는 경우가 있다. 축수 사고로 소손이 현저한 경우는 철심의 갭이 접해진다든지 축이 휘는 현상으로 진전된다. 주변장치 부분 즉 슬립 링(slip ring), 정류자, 브러시 주변 사고도 손상 정도에 따라서는 복구가 장기화할 우려가 있다.(2) 회전기 고압권선 절연열화 요인회전기 사고로 치명적인 것은 절연열화에 기인하는 권선 절연파괴 사고이다. 그러나 권선 열화는 외부에 거의 나타나는 경우가 없기 때문에 점검과 절연 진단을 통한 조기 발견이 중요하다.고압권선 절연열화 형태는 다종다양하지만 열화 원인은 크게 ①열적, ②전기적, ③기계적, ④환경적으로 나뉜다. 이들 열화 요인은 단독으로 작용하는 경우보다 대부분의 경우 복합적으로 작용하면서 절연열화가 진행된다. <표2>에 회전기 고압권선 절연의 열화 요인과 열화 형태를 나타냈다.회전기 진단 플로어회전기 운전 상태를 파악하고 현장 상태를 조사하는 일은 매우 중요하다. 상태조사로는 간단하게 진행되는 1차 진단과 그 결과 주목받은 항목의 세밀 진단에 상당하는 2차 진단으로 나눠 실시한다. <그림2>에 회전기 진단 플로어 및 진단 내용을 나타냈다.1. 1차 진단회전기 운전상황, 운전패턴, 운전 기록, 보전 기록, 과거 사고이력 및 현장 상황 등을 파악하는 일은 생산보전에 맞는 보수·유지를 실시하는데 매우 중요하다. 1차 진단은 고객으로부터 <그림2>의 상태를 확인하면서 동시에 라인 가동상태에서 운전 중과 정지 중인 다수의 회전기를 간단하게 진단하는 것으로, 이상 유무와 이상 항목을 특정, 추정하는 것을 목적으로 하고 있다. 또 2차 진단으로 실시할 진단 항목, 진단 범위를 결정한다.2. 2차 진단2차 진단은 1차 진단에서 한층 진행된 세밀 진단이다. 1차 진단 평가에 따른 효율성 있는 진단 내용과 방법을 선택하고 이를 수행하는 일이 중요하다. 필요에 따라 각 부 분해나 상세한 계측, 분석 등을 실시한다. 크게 절연 진단, 축수 진단, 진동 진단, 정류자부 또는 집전자부 진단 등으로 나눌 수 있다. 이들 진단을 개별 또는 병용함으로써 예방보전이나 상황이 좋지 않을 때 효과적으로 대응할 수 있다. 또 장기적인 보수·유지 계획이나 갱신 계획에 도움이 된다. 이하 2차 진단 예를 소개한다.(1) 절연 진단절연 진단 시험은 회전기에 사용하고 있는 코일의 흡습(吸濕), 오손, 열화 등의 상태를 알 수 있는 데다 현재 가장 효과적인 방법이라 할 수 있다. 그러나 절연물은 제조 시 고유의 특성을 갖는다는 점, 환경이나 운용상태에 따라 열화진행의 정도가 다르다는 점 때문에 수년마다 실시하는 시험을 통한 트랜드 감시가 중요하다. 절연 진단 시험 항목으로 다음과 같다. 각 항목마다 판정기준을 마련하고 열화 상황, 정도를 파악하면서 동시에 종합적인 열화 판정을 실시한다.① 직류흡수 시험초절연 저항계에 따라 절연저항의 1분 값 및 10분 값을 계측하고 성극지수(PI : Polarization Index)를 산출한다.② 교류전류 시험규정전압까지 교류전압을 점차 증가시켜 전류 증가 경향으로부터 전류의 증가율(쬟I)과 전류증가 전압(Pi1 또는 Pi2)을 산출한다.③ 유전정접 시험규정전압까지 교류전압을 점차 증감시켜 tanδ 계를 이용해 유전정접(tanδ)을 계측한다. 기준이 되는 tanδ 0과 증가분( tanδ)을 구한다.④ 부분방전 시험규정전압의 경우 방전전하량과 누적 발생 빈도 관계에 대해 부분방전측정기로 측정하고 규정누적빈도 때의 방전전하량(Qamax)을 구한다.직류흡수시험, 교류전류시험 및 tanδ 시험은 절연물의 전체적인 열화정도를 진단하고 있는데 부분방전시험은 국부적인 열화 정도를 진단하고 있다는 점에서 가장 중요한 시험이다.<표3>은 절연 진단시험 결과, 불합격 판정을 받았기 때문에 보수를 실시했을 때의 보수 전후 기록이다. 당해기계는 직류흡수시험 1분 값 및 성극지수 저하, 유전정접시험의 tanδ 0 증가를 확인하고 흡습이나 오손이 진행하고 있다고 판단해 공장 내에서 세정, 건조, 바니시 처리 등 보수를 수행한 것이다. 보수를 통해 절연상태가 개선된 예다.<그림3>는 코일 점검, 청소, 보수를 실시하지 않았기 때문에 트래킹이 발생한 사례다. 절연 진단시험은 절연물 상태를 사전에 파악할 수 있다는 점에서 사고의 미연방지와 기기의 계획적 갱신이 가능하다.(2) 축수진단회전기 축수에는 미끄럼 축수와 굴림 축수가 있다. 미끄럼 축수는 진동에도 강해 윤활유와 얼라이먼트 관리를 정확하게 수행한다면 반영구적으로 사용할 수 있다. 굴림 축수는 진동과 오손의 영향을 쉽게 받기 때문에 정기적인 진단이 필요하다. 또 소정의 그리스를 보급해도 신뢰성을 유지하기 위해서는 규정운전시간 마다 축수교환이 필요하다. 인버터 모터는 원리적으로 축전위가 높아지면서 축전류로 인해 그리스 열화를 촉진시키는 경향이 있다.축수 진단에는 진동계측, 청음 및 온도계측이 있다. 축수온도로만 판정하는 것은 위험하다. 진동 변위, 속도, 가속도를 측정하고, 그 위에 주파수 분석과 파형해석을 실시함으로써 판정과 불안정한 원인 규명이 가능해진다. 특히 진동가속도 분석은 효과적이다.<그림4>은 1차진단 결과, 축수에서 이상음이 발생했기 때문에 진동가속도를 측정하고 포락선처리를 실시했을 때 파형이다. 분석 결과, 축수에 이상이 있다고 추측하고 축수교환을 수행한 것이다. <그림5><그림6>는 그 때 축수를 분해했을 때의 내부링과 구슬이다. 구슬에는 마모와 흠집이 발생하고 있으며 내부 링은 전주(全周)에 걸쳐 상흔이 확인됐다. 이 축수는 그대로 운전을 계속할 경우 소손사고로 이어질 것을 예상해 축수진단을 통해 미연에 방지할 수 있었던 일례다. (3) 정류자부 및 집전자부 진단직류전동기와 권선형 유도전동기의 점검, 진단에 관해 설명한다.① 직류전동기직류전동기에서 감시와 점검이 가장 많이 필요하고 중요한 부위는 정류자 및 브러시이다. 이는 환경이나 부하의 영향을 받기 쉬워, 겨울철 건조한 시기 경부하 상태에서 외부로부터 냉각풍을 송풍하면 정류자가 거칠어져 채터링(브러시의 미진동)으로 진전, 불꽃 유발과 브러시 마모를 촉진시킨다.채터링은 모든 악의 근원이 된다. 특히 압연 전동기와 같이 급준한 부하변동을 수반하는 기계는 주의가 필요하다. 브러시로부터 이상 불꽃이 발생할 경우 정부하 간의 섬락(플래시 오버)으로 진전할 가능성이 있다. 때문에 직류기는 매일 매일의 점검과 정기적인 보수가 중요하다. <그림7>은 브러시 마모로 인해 브러시 코킹 금구가 정류자에 접촉해 플래시 오버에 이른 사례다. 정류자부의 정기적인 진단, 보수내용으로는 이하와 같다.(a) 정류자 표면, 주변 및 라이저(壇) 관찰(b) 정류자 진동 측정(c) 브러시 길이와 1000시간 당 마모량 산정(d) 브러시 압력측정(e) 드롭 테스트(권선 층간시험, 라이저 절손조사)(f) 정류자삭정·언더 커트·모서리 깎기(g) 정류자부 절연보수(h) 운전상태에서 불꽃 상태, 브러시 진동② 권선형 유도전동기권선형 유도전동기는 슬립 링과 브러시(집전자부라 함)를 갖는다. 브러시 인양 장치를 부속하는 경우는 기동 중에만 브러시가 슬립 링에 접촉하고 운전 중 2차 권선은 단락 스위치로 단락된다. 슬립 링은 정류자에 비해 안정된 경향이 있지만 그렇다 해도 조흔이나 고스트 마크 발생을 보이는 경우가 있다. 나선 도랑을 가공한 슬립 링은 브러시 움직임이 안정적이다. 그러나 나선 도랑 모서리 부분이 마모되면 브러시의 이상 마모를 불러일으킬 우려가 있다.브러시 인양 장치는 5000회 기동정지 또는 10년 기준으로 갱신을 권장하고 있다. <그림8>은 브러시 인양 장치 불안정으로 슬립 링 표면의 불꽃으로 인해 거칠게 손상된 사례다.집전자부의 정기적인 진단, 보수 내용으로는 다음과 같다. (a) 슬립 링 면, 주변 및 단락 스위치 관찰(b) 슬립 링 진동 측정(c) 브러시 길이와 1000시간당 마모량 산정(d) 브러시 압력측정(e) 슬립 링 삭정·모서리 깎기(f) 집전자부 절연보수(g) 브러시 인양장치부품 정비 또는 갱신(4) 진동진단회전전기기계는 제조업체에서 진동 조정되어 납입된다. 현지 시운전 시 진동 문제가 일어나는 것은 그 외의 요소가 많다. 장기운전과 더불어 발생하는 진동 문제는 회전전기기계에 한정하지 않고 설비전체로 생각해볼 필요가 있다. ① 진동 종류진동에는 주로 다음과 같이 3종류가 있다.(a) 일반적인 진동 : 언밸런스로 인해 정상적으로 발생하며 진동주파수는 회전주파수에 일치한다. 펌프나 팬용 전동기 등에서 볼 수 있다.(b) 비틀림 진동 : 토크 맥동에 수반해 회전중인 축에 비틀림이 생기는 것에 기인한 진동이며, 진동 주파수는 회전주파수에 일치하지 않는 경우가 많다. 엔진 발전기나 왕복 압축용 전동기에서 볼 수 있다.(c) 충격진동 : 충격에 의한 진동이며, 분쇄기나 제분기용 전동기에 많다.② 진동발생 원인 : 운용상태인 경우 진동 장해 원인은 기초나 설치에 기인하는 것이 많다. 회전전기기계 진동발생 요인으로 다음과 같다.(a) 직결상태의 불안정(b) 기초나 축수대 강성부족(c) 회전자 언밸런스(d) 공진(e) 부하 또는 토크 변동(f) 축수 이상 또는 축수 휘어짐(g) 축단 하중 과대(h) 기름 막 영향(미끄럼 축수)(i) 회전부분의 고정부분에 대한 접촉(마찰)(j) 전기적 언밸런스 또는 전자진동③ 진동진단진동 장해 대책으로 진동진단을 수행한다. 진동의 변위, 속도, 가속도를 측정하고 그 위에 주파수 분석과 파형을 해석함으로써 진동 요인을 특정할 수 있다. 진동요인이 복잡한 경우는 리사주(Lissajous : 주파수와 위상을 비교할 때 사용) 해석과 모덜(양상) 해석을 실시한다. 높이 방향의 진동 분포를 측정하는 일도 강성의 강약을 판정하는데 효과적이다.일반적으로 진동의 측정은 수평방향, 수직방향 및 축 방향의 3방향 축 중심으로 실시한다. 각각 방향의 크기로 진동요인을 상정할 수 있다. 진동을 검출하는 픽업으로는 동전형과 압전형이 있으며 압전형은 축수진단이나 충격진단 등 고주파수 영역 측정에 유효하다. 축진동계가 부속된 경우는 축 움직임을 직접 측정할 수 있기 때문에 해석이 용이하다.진동 판정으로 변위, 속도, 가속도를 이용하는데 저주파수 영역에서는 변위 및 속도, 1kHz 이상의 고주파수 영역에서는 가속도를 이용하는 경우가 많다. 판정기준에 변위를 사용할 경우 주파수 또는 회전속도와의 병용이 필요하다. 판정기준은 국제적으로 다대하지만 제조업체 독자적으로 결정하는 경우도 있다. 회전기가 탄성 배트에 탑재된 경우와 강성 배트인 경우의 기준은 다르다.운용 중인 회전기는 쉽게 정지하지 않기 때문에 진동 추이를 관찰하며 계획적으로 대책을 세우고 수행하는 일이 중요하다.당사에서 진행하는 회전기 진단 기술 일부를 소개했다. 1차 진단을 실시해 문제점을 조기 발견하는 일이 진단의 중요한 포인트가 된다. 일부 기기에는 2차 진단을 필요로 하는 경우도 있다. 우수한 진단기술을 활용해 문제해결을 추구하는 동시에 장기적인 보수·유지 및 갱신계획에 도움이 되기를 기대한다.향후 진단기술 향상과 최신기술 도입을 추구해 보다 정밀도 높은 진단을 통한 보수·유지를 실시함으로써 고객 설비의 신뢰성 유지에 노력하고자 한다.
<Energy News>
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