최근 산업통상자원부는 미세먼지 대책반을 구성하고 화력발전 가동으로 배출되는 미세먼지와 대기오염물질을 최소화하기 위해 노후 석탄화력발전소를 일정기간 동안 가동중지(shutdown)하기로 결정했다. 이로 인해 야기될 수 있는 전력공급 부족 사태를 막고 안정적 전력수급을 위해 태양광 및 풍력 등을 이용한 신·재생에너지 보급에 힘쓰고 있다. 이러한 분산형전원 확대 정책에 따라 점차 풍력발전소가 증가할 것으로 전망됨에 따라 이번호에서는 풍력 발전설비 점검 지침을 소개한다.
글 김기수 차장 | 한국전기안전공사 정책총괄부 기술기획팀
1. 목적 이 지침은 풍력발전설비와 관련한 국·내외 기준 및 표 준 등을 인용해 알기 쉽게 기술하고, 전기안전업무 수 행에 필요한 기술적 사항을 규정하기 위한 것이다. 2. 적용 범위 및 방법 이 지침은 발전용 풍력설비에서 정한 안전 성능에 대 해 보다 구체적인 실현수단을 규정한 것으로, 발전용 풍력설비를 시공 및 점검하는데 적용하게 된다. 3. 용어의 정의
[그림 1] 풍력발전 계통(원리)도
3.1 풍력발전소 단일 또는 복수의 풍력터빈(풍력터빈을 지지하는 구조 물 포함)을 원동기로 하는 발전기와 그 밖의 기계기구 를 시설해 전기를 발생시키는 곳을 말한다. 3.2 풍력터빈 바람의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치 (가동부 베어링, 나셀, 블레이드 등의 부속물 포함)를 말한다. 3.3 계통연계 분산형전원을 송전사업자나 배전사업자의 전력계통에 접속하는 것을 말한다. 3.4 분산형전원 중앙급전 전원과 구분되는 것으로, 전력소비지역 부근에 분산해 배치 가능한 전원(상용전원의 정전 시에만 사용하는 비상용 예비전원을 제외한다)을 말하며, 신·재생에너지 발전설비 등을 포함한다. 3.5 풍력터빈을 지지하는 구조물 타워와 기초로 구성된 풍력터빈의 일부분을 말한다. 3.6 화재방호설비 500㎾ 이상의 풍력터빈에 설치한 나셀 내부의 화재 발생 시 이를 감지하고 소화할 수 있는 설비를 말한다. 3.7 기계장치부 바람으로부터 회전력을 생산하는 회전날개(blade), 회전축(rotor shaft)을 포함한 회전자(rotor)와 회전을 적정속도로 변환하거나 증속해 발전기를 구동시키는 증속장치(gear box), 발전기 및 각종 안전장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성되어 있다. 3.8 전기장치부 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급하도록 하는 전력안정화 장치로 구성된다. 3.9 제어장치부 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 제어시스템 및 Yawing & Pitching Controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 모니터링시스템으로 구성된다. <비고> ① 요잉(Yawing; Yaw control) : 바람 방향으로 향하도록 블레이드의 방향조절 ② Pitch control : 날개의 경사각(Pitch) 조절로 출력을 능동적 제어 3.10 자동정지 풍력터빈의 설비보호를 위한 보호 장치의 작동으로 인해 자동적으로 풍력터빈을 정지시키는 것을 말한다. <비고> ① 제동장치(brake wind turbines) : 풍력발전기 로터의 회전속도를 낮추거나 회전을 정지시킬 수 있는 장치. ② 블로킹 장치(blocking wind turbines) : 우발적으로 풀리지 않는 핀 또는 소자를 사용해 풍력발전기 로터 축이나 요잉(다만 보통 기계식 제동장치는 제외)의 움직임을 멈추게 하는 장치.
[그림 2] 풍력시스템 개략도
3.11 수평축 풍력발전기(horizontal axis wind turbine) 발전기 회전축의 방향이 지면과 평행하게 설치되며, 덴마크식 풍력발전기의 개념에서 정립된 프로펠러형 수평축 풍력발전기가 가장 대표적이다. 출력이 가장 안정적이고 효율이 높기 때문에 현재의 대용량 풍력발전기에서 채택하고 있는 형태다. 3.12 수직축 풍력발전기(vertical axis wind turbine) 바람이 불어오는 방향의 수직으로 로터의 회전축 방향이 설치된다. 바람이 지면에 대해 평행하게 불어온다면 수직축은 지면과 수직으로 설치된다. 3.13 나셀(nacelle) 발전기, 기어 박스, 요잉 시스템, 회전축(rotor shaft) 등이 있는 부분으로 회전자(rotor)와 맞물려 발전기를 구동해 출력이 나오고, 풍향에 맞게 Nacelle을 돌려주는 요잉(yawing)으로 구성돼 있다. 3.14 타워(tower) : 지주대 풍력발전기의 지지대로서 원형강관 구조와 격자 구조가 있다. 상부의 nacelle 부분과는 사다리로 연결돼 있어 사람이 올라갈 수 있고, 하부에는 main-control 부가 있어 사람이 위에 올라갈 필요 없이 작업할 수 있다. 3.15 회전자(rotor) 회전자(rotor)는 풍력에너지를 기계적 에너지로 변환하는 가장 기본적 요소로 날개(blade)와 허브(hub)로 이뤄져 있으며, pitch control(날개의 경사각 조절로 출력을 능동적으로 제어)이 이루어지는 부분이다. 3.16 허브(hub) 풍차날개(blade)와 그 회전축(rotor shaft)을 장착한 부분을 허브(hub)라 하며, 회전날개(blade)와 회전자(rotor)가 모인 중심부분이다. 블레이드 또는 블레이드 조립품을 로터축에 결합하기 위한 고정물을 말한다. 3.17 기어박스(gear box) 발전기는 분당 약 1,500회 회전하는 반면, 로터는 분당 수십 회를 회전한다. 기어박스의 역할은 회전축에서 입력된 회전수를 전기발전에 적합한 회전수로 바꾸어주는 역할 수행한다.
[그림 3] 계통연계형 풍력발전시스템의 전력공급 구성도
4. 검사 및 점검 기준 4.1 풍력설비 비상정지 및 안전장치 1) Emergency Stop Button Test(수동비상 정지시험) 풍차의 비상정지 버튼을 작동해 트립(차단기가 위험 요소를 감지해 차단하는 것)되는지 확인한다. 2) Vibration Detector(나셀 고진동 정지시험) 진동 감지장치에 인위적으로 동작 명령을 줘 동작이 제대로 되는지 확인한다. 3) Overspeed Trip(과속도 정지시험) 풍차가 제조사에서 정한 과속도에서 실제 트립되는 속도를 확인한다. 4) Hydraulic oil high temp(제어용 압유 고온도 정지시험) 해당 온도 S/W를 작동(모의 또는 실제)시켜 제어실의 Annunciator(신호 표시기)에 해당 경보가 표시되는가를 확인하고 시험값은 계기교정성적서의 값을 기록한다. 5) Hydraulic oil low pressure(제어용 압유 저압력 정지시험) 해당 압력 S/W를 작동(모의 또는 실제)시켜 제어실의 Annunciator에 해당 경보가 표시되는가를 확인하고 시험값은 계기교정성적서의 값을 기록한다. 6) Gear oil low pressure(기어 윤활유 저압력 정지시험) 해당 압력 S/W를 작동(모의 또는 실제)시켜 제어실의 Annunciator에 해당 경보가 표시되는가를 확인하고 시험값은 계기교정성적서의 값을 기록한다. 7) Gear oil high temp(기어 윤활유 고온도 정지시험) 해당 온도 S/W를 작동(모의 또는 실제)시켜 제어실의 Annunciator에 해당 경보가 표시되는가를 확인하고 시험값은 계기교정성적서의 값을 기록한다. 8) Bearing high temp(터빈 베어링 고온도 정지시험) 해당 온도 S/W를 작동(모의 또는 실제)시켜 제어실의 Annunciator에 해당 경보가 표시되는가를 확인하고 시험값은 계기교정성적서의 값을 기록한다. 4.2 전력변환장치 1) 외관검사 a) 전력변환장치(전력조절장치, 인버터, 정류기 등)의 일반규격 및 명판이 공사계획인가(신고) 사항과 일치하는지 확인한다. b) 배전반(보호 및 제어)의 각종 계기 및 기록계(Recorder), 표시등(Annunciator Lamp) 이상 유무, 이면배선의 정리 및 청결상태를 확인한다. c) 수송중의 이상 유무, 페인팅 및 부착물 상태 등을 육안으로 검사한다. d) 필요한 개소에 소정의 접지가 돼 있는지 확인하고, 접지선의 접속 상태가 양호한지를 확인한다. 2) 보호장치 시험 a) 전력변환장치(인버터 등)의 보호계전기 등이 정정표에 따라 정정되어 있는지를 현장 확인하고 보호계전기 시험성적서를 검토한 후, 각 계전기를 임의 작동시켜 연동상태를 확인한다. b) 기타 보호 장치가 Interlock 도면에 따라 작동하는지 확인한다. 3) 충전시험 제작사가 자체에서 실시한 전력조절장치의 충전(부동, 균등) 시험을 확인해 이상 유무를 확인한다. 4) 인버터 병렬운전시험 인버터 병렬운전시험을 실시해 부하별로 인버터 입/출력이 안정적으로 운전되고 제어되는지를 확인한다. 5) 제어회로 및 경보장치검사 전력변환장치(전력조절장치, 인버터, 정류기 등)의 각종 보호 및 제어 기능 등을 모의 작동시켜 경보상태를 확인한다. 6) 시스템 기동/정지 시험 전력변환설비 시스템을 기동 또는 정지시켜 순차적으로 제어가 가능한지 여부를 확인한다. 7) 계통연계운전 시스템 확인 전력계통에 연계시켜 안정적으로 연속운전이 가능한지 여부를 확인한다. 8) 축전지 a) 시설상태 확인 공사계획인가(신고) 사항에 따라 설치되었는지 확인한다. 각 축전지의 연결 상태, 누액 및 단자 접속 상태 등을 확인한다. b) 충전전압 공장에서 실시한 용량검사 내용을 확인한다. 초충전, 부동충전, 균등충전시험을 확인한다. c) 전해액면 축전지의 전해액면의 저하여부를 확인한다. d) 환기시설 상태 환기팬의 설치 및 배기상태를 확인한다. 4.3 풍력터빈
1) 풍력터빈의 정지장치 풍력터빈 정지장치는 아래 [표 1]과 같이 자동으로 정지하는 장치를 시설했는지 확인해야 한다. 2) 계측장치의 시설 풍력터빈에는 설비의 손상을 방지하기 위해 운전 상태를 계측하는 다음의 계측장치를 시설했는지 확인해야 한다. a) 회전속도계 b) 나셀(nacelle) 내의 진동을 감시하기 위한 진동계 c) 풍속계 d) 압력계 3) 압유장치 및 압축공기장치 풍력터빈에 사용되는 압유장치 및 압축공기장치는 다음 각 호에 따라 시설했는지 확인해야 한다. a) 기름 탱크 및 공기탱크의 재료 및 구조는 최고 사용압력에 대해 충분히 견디고 안전할 것. b) 기름 탱크 및 공기탱크는 내식성을 가질 것. c) 압력이 상승하는 경우에는 해당 압력이 최고 사용압력에 도달하기 이전에 해당 압력을 저하시키는 기능을 가질 것. d) 기름 탱크 또는 공기탱크의 압력이 저하하는 경우에 압력을 자동적으로 회복시키는 기능을 가질 것. e) 이상 압력을 조기에 감지할 수 있는 기능을 가질 것. 4.4 제어 및 보호 장치 풍력터빈에는 설비의 정상운전한계를 유지하도록 능동적 또는 수동적 방법으로 풍력터빈을 제어 및 보호하는 장치를 시설했는지 확인해야 한다. 1) 제어장치의 시설 풍력터빈에서 요구하는 제어장치는 다음과 같은 기능 등을 제어하는지 확인해야 한다. a) 출력한계, 회전자 속도 b) 전기부하의 접속, 기동 및 정지 절차 c) 전력계통 또는 전력부하의 손실에 의한 정지, 케이블 꼬임 한계 d) 바람에 대한 조정 2) 보호장치의 시설 풍력터빈에서 요구하는 보호 장치는 다음과 같은 조건 등에 보호됐는지 확인해야 한다. a) 과풍속, 과진동 b) 발전기의 과부하 또는 고장 c) 전력계통 손실 및 단절, 케이블 꼬임 한계 3) 발전기 등의 보호장치 발전기에는 다음 각 호의 경우에 자동적으로 이를 전로로부터 차단하는 장치를 시설했는지 확인해야 한다. a) 발전기에 과전류나 과전압이 생긴 경우 b) 용량 100kVA 이상의 발전기를 구동하는 풍차(風車)의 압유장치의 유압, 압축 공기장치의 공기압 또는 전동식 블레이드 제어장치의 전원전압이 현저히 저하한 경우 4.5 안전조치 풍력터빈 주위에는 안전표지를 해야 한다. 취급자가 아닌 사람이 쉽게 접근할 수 없도록 적절한 조치를 취했는지도 확인해야 한다. 1) 급경사지 붕괴의 방지 급경사지 붕괴위험구역 내에 시설하는 풍력발전소는 해당구역 내의 급경사지의 붕괴를 조장하거나 또는 유발할 우려가 없도록 시설했는지 확인해야 한다. 2) 접근시설의 안전조치 나셀 등 풍력발전기 상부시설에 접근하기 위한 안전한 시설물을 강구했는지 확인해야 한다. 3) 피뢰설비 풍력발전설비의 피뢰설비는 블레이드, 풍력발전기 본체, 전력기기·제어기기 및 풍향·풍속계 등을 손상, 감전 또는 화재의 우려가 없도록 보호할 수 있는 피뢰설비를 시설했는지 확인해야 한다. 4) 전자기적합성 풍력터빈에 설치하는 전기설비는 전자기적합성을 고려해 시설했는지 확인해야 한다. 4.6 화재방호설비 시설 500㎾ 이상의 풍력터빈은 나셀 내부의 화재 발생 시 이를 감지하고 소화할 수 있는 화재방호설비를 시설했는지 확인해야 한다. 4.7 주전원 개폐장치 풍력터빈은 유지·보수 및 점검 시 전원차단을 위해 풍력터빈 타워의 기저부에 개폐장치를 시설했는지 확인해야 한다. 이는 작업자의 안전을 위한 조치다.
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