비상용 발전기 과전압 발생문제 - 주식회사 한국서지연구소

비상용 발전기 과전압 발생

매카니즘 분석 및 사고예방 대책 출처:전기신문

일반적으로 각종 빌딩에서 사용되는 비상발전기는 화석연료를 에너지원으로 하는 내연기관 또는 소형 가스터빈을 이용하여 발전기를 구동시키고, 여기에서 발생된 전력을 빌딩 내부의 전력을 소요로 하는 설비에 공급하는 소형 발전소로 볼 수 있다. 컴퓨터의 보급과 더불어 각종 발전기 관련장비는 급속히 전자화되었으며, 이로 인하여 각종 설비는 보다 양질의 전력 공급을 요구한다. 그러나 정작 전력설비 그 자체는 비선형적으로 소모시키고 있으며, 이로 인하여 발생되는 많은 고조파 성분은 전력계통의 왜란을 일으키는 주요 원인이 되고 있다. 비상용 예비 발전기는 동기발전기로서 Brushless 회전형 여자시스템으로서 Exciter, Diode Wheel,SCR Bridge, AVR 등의 많은 전력전자 부품으로 이루어져 있으며 장기간 사용시 그림 2와 같은 단점을 가지고 있다. 최근 자가용 전기설비의 비상용 발전기를 점검 위해 발전기 기동하는 순간 과전압 발생 사고 및 축전기 폭발사고가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 발전기관련 사고로 인해 부하의 전기 기계기구 및 전자제품 등이 소송되는 피해가 발생하고 있지만 발전기의 이상전압 발생에 대한 정확한 원인규명 및 분석이 미흡하여 현재까지 피해가 지속되고 있으며, 기 설치된 발전기에는 과전압 보호계전기와 같은 보호장치가 대부분 설치되어 있지 않기 때문에 과전압사고에 대해 잠재적으로 노출되어 있는 실정이다. 발전기 보호시설 관련 규격 중 전기설비기술기준의 판단기준에서는 제47조 「발전기 등의 보호장치」에서 발전기에 과전류나 과전압이 생긴 경우 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하도록 2009년 2월 25일에 개정되었다. 2008년까지 국내 비상용 예비발전설비 48,334기중에 안전공사 안전관리대행 수용가의 비상용 발전설비운용현황에 대한 실태조사 결과 그림3과 같이 발전기 과전압 사고에 잠재적으로 노출되어 있음을 알 수 있다. 1. 발전기 과전압 사고 실태 분석 비상용 예비발전기의 사고는 최근 10년간(‘98̃08.2) 지속적으로 발생하고 있다. 발전기 사고는 전기안전공사에 보고된 사고사례 21건 뿐만 아니라 피해규모가 적은 사고사례도 다수건으로 추정되고 있다. 비상용 발전설비의 사고유형별로 분석을 해보면 그림 3과 같이 발전기 기동시 과전압 발생사고와 발전기 시동용 축전기 폭발 사고가 대부분을 점유하고 있었으며 발전기의 안전점검을 위해 발전기를 기동순간 사고 발생이 가장 많은 것으로 조사되었다. 따라서 발전기 사고의 발생빈도와 피해규모를 고려할 때 사고의 파급효과가 상당히 큼으로 비상용 발전기가 있는 자가용 전기설비의 안전관리시 사고예방을 위한 사전점검 및 사고 발생의 정확한 원인 진단 그리고 계획적인 노후 설비교체 등의 체계적인 대책이 요구되고 있다. 2. 발전기 과전압 발생원인 분석 1) 비상용 발전설비 과전압 사고 원인별 분류 발전기 과전압 발생원의 원인으로는 다음과 같이 분류할 수 있다. (1) AVR 노후로 인한 소손 (2) AVR 제어 불능 􀓋 AVR 결선 오류 (전압 검출라인 오결선) 􀓋 전압 검출 라인 단선 및 접속불량 (발전기 기동시 엔진의 폭발진동과 회전 진동) 􀓋 사이리스터의 캐소드(K)와 게이트(G)에 먼지, 습기에 의한 도통 􀓋 제어함에 부착된 외부 가변 저항 불량 및 접촉 불량 􀓋 고조파/비선형 부하에 의한 전압 왜곡 현상으로 AVR(사이리스터) 위상 제어 불능 􀓋 전원 분리형 변압기 미사용 (N상을 AVR Power 단자에 직접 결선한 경우) (3) 부하설비에 직축 과도 리액턴스(용량성 부하, 역률보상용 콘덴서) (4) 부하 단락사고 및 발전기 단자 이완 (5) 3상 전압 불평형 (6) ATS 비동기 절체에 의한 상용전원과 발전전원의 전기적 위상차 발생 (7) ATS N상의 선입지절 불가로 인한 중성점 전위이동 현상 2) 발전기 과전압 발생 메카니즘 분석 가. AVR 노후로 인한 소손 자동전압조정기(AVR)은 완전 밀폐된 내부에 전자부품이 내재된 기기로 현장에서 점검 및 검사가 불가능하다. 또한 비상용 예비발전기는 대부분이 건물지하 수배전반실에 위치하여 습기 및 온도에 취약하며 발전기 기동시 내연기관의 폭발진동과 회전자의 회전에 의한 진동으로 인하여 장기간 사용시 AVR 내부 부품의 경년열화와 제어정밀도가 저하된다. 그리고 AVR 내부에 발전기 단락사고나 절연저항시험 등의 고전압 인가시 내부 사이리스터와 같은 전력전자 소자가 소손되어 여자전류 제어 불능으로 발전기 기동시 과전압이 발생하게 된다. 나. AVR 오결선 및 단선 AVR의 전원입력단자와 센싱단자의 결선시 전원입력단자인 3번 단자는 반드시 발전기 계통의 N상에 접속되어야 한다. 전원입력단자의 오결선시 단상 220V가 스펙인 AVR 전원입력단자에 380V 전압이 인가되어 AVR 소손의 원인이 되며, 또한 발전기 동체의 진동에 의한 AVR 전압 검출라인의 단선(탈락), AVR 전압 검출라인 퓨즈 파손, 전압안정도 조정 불량, 전압 가변용 외부 가변저항 불량, 전압 가변용 외부 가변저항 접촉불량이 발생하면 전원측의 저전압 인식과 센싱전압과 기준전압과의 비교가 불가능해지며 AVR 내부 사이리스터의 위상제어 불능으로 여자기로 계자출력을 제어할 수 없기 때문에 과전압이 발생하게 된다. 다. 고조파나 비선형부하에 의한 전압 왜곡 SCR 노이즈는 발전설비 시스템에서 다양한 문제를 야기할 수 있다. SCR 노이즈는 발전기 파형에 심한 영향을 주어 전압의 실효값(RMS)이 평균값으로부터 크게 달라질 수 있다. 발전기 전압을 감사히 위한 계측 시스템이 실효값 또는 평균값중의 어느 한 가지를 사용하고, 자동전압조정기는 계측 시스템과 다른 값을 사용하는 경우 발생한다. 실효값(RMS)은 전력시스템의 교류 전압값을 나타내는데 일반적으로 사용된다. 어떤 계기는 RMS값을 직접 측정하고, 다른 계기들은 정류된 평균전압을 측정하여 RMS값으로 읽기 위해 눈금이 그어져 있다. SCR과 같은 비선형 부하로 파형이 왜곡되면이 두 형태의 계기가 지시하는 눈금은 아주 달라진다. 많은 발전기 파형의 정류된 평균값을 감지하여 응답하고, 계기는 실효값(RMS)에 응답 한다. 따라서 파형 왜곡이 존재하면 조정된 전압과 감시전압 사이에 차이가 발생한다. 그림 6는 SCR 부하에 전원을 공급하고 있는 발전기 전압 파형을 나타내고, 그림 7은 SCR 부하가 인가된 발전기 시스템의 다양한 AVR 형식과 계측 시스템에 대한 효과를 나타내고 있다. SCR 부하는 전압조정 불량뿐만 아니라 SCR 부하와 AVR 전원증폭기 사이의 상호작용으로 발전기 전압의 불안정을 초래하기도 한다. 라. 사이리스터 위상제어 불능 AVR 내부소자인 사이리스터는 그림 5와 같이 위상각 α를 제어함으로써 직류 출력전압을 가변하여 많은 전력전자기기 등에 이용되고 있다. SCR은 전압 및 전류의 파형을 깍아 그 평균전력으로 제어량이 되며, 저항부하에 대한 전압 및 전류가 동위상이 존재해야 한다. 따라서 전류 및 전압의 위상이 제어각 이상 위상차가 있거나 직류전압일 경우에는 제어를 못하게 된다. 결국 이러한 경우에는 한번 도통(Turn on)된 SCR은 Turn off 되지 않으므로 제어기능이 상실된다. 콘덴서에 의한 전류가 90􀆆앞서면 시지연이 발생하여 다음에 오는 파형의 영역을 넘어 0점을 찾지 못하여 제어가 불능이 되고 제어불능에 도달하면 SCR을 통과하는 1차측 최대전압이 여자기에 공급되므로 발전기 전압은 순식간에 상승하게 된다. 마. 진상부하시 전기자 반작용(직축 반작용) 동기발전기에 3상 부하전류가 흐를때 전기자 전류에 의한 회전자속이 계자자속에 영향을 미치는 현상을 동기발전기의 전기자 반작용이라고 한다.동기발전기에 R부하인 경우에 발전기의 기전력과 부하전류가 동상이지만, C부하인 경우 그림 10과 같이 전기자에 90􀆆빠른 전기자 전류가 흐르게 되며, 이때 정방향 전류가 피크일때를 기준으로 전기각은 90􀆆이지만 회전자의 공간적인 각은 45도가 되며 45􀆆만큼 더 회전자가 회전되어야 기전력이 최대가 된다. 그러나 이미 이 상태에서 전류는 최대가 된다. 즉, 기전력이 0인 순간 전류는 최대가 된다. 따라서 그림 9와 같이 회전자의 계자자속 방향과 전기자 전류의 회전자속 방향이 축에 대해 같은 방향으로 합성되어 합성자속은 증자 작용으로 커지고에 의해 유기기전력도 커지게 된다. 바. ATS 절체시 전기적 위상차 발생 전동기 부하가 발전측에 연결된 상태에서 상전복전시 전동기는 발전기의 전기적 특성(전압, 주파수 등)을 유지되고 있는 상태에서 상전측으로 투입시 만약 그림 14와 같이 발전기와 상전의 위상간에 정반대 위상(180도)차가 생기면 정격전류 이상의 과도전류(20~50배)발생으로 인하여 비상부하의 전동기, 엘리베이터 등 모든 부하들이 소손될 수 있으며, 최악의 경우 전동기 축이 부러지는 경우까지 발생한다. 즉, 발전기 단자전압과 부하의 잔류전압의 위상차가 180􀆆일 경우 순간 최대전압 760V의 전압이 부하에 가압되고, 상전압도 440V가 발생하게 된다. 사. ATS N상이 선입지절 불능 상용전원에서 비상용 전원으로 절체시 ATS가 4극인 경우 중성선은 전압극보다 먼저 투입되고 개방시는 늦게 개방되어야 한다. 그러나 중성선이 선입지절이 되지 않고 늦게 투입되거나 중선선의 접촉 단자에 접촉불량이 발생되어 순간 중성선이 개방된 상태나 단선이 되면 그림 14과 같이 Load 1과 Load2에 380V의 전압이 직렬로 연결된 상태가 되어 부하저항의 크기에 따라 경부하인 단자의 전압은 상승하게 되고, 중부하의 단자 전압은 부족전압이 발생되는 현상이 발생되며, 전압 불평형은 점점 심화되어 경부하측의 전기기기가 모두 손상되게 된다. 그림 15는 ATS 절체되는 순간을 초고속카메라로 찍은 동영상을 캡쳐한 사진으로 절체순간 S상이 N상보다 먼저 투입되고 있다. 3. 발전기 과전압 사고 예방 대책 1) 고조파나 비선형 부하에의한 과전압 발생 대책 􀓋 AVR이 10년이상의 구형모델인 경우 최신 모델로 교체 􀓋 AVR 전원측에 절연변압기 설치 􀓋 EMI 필터의 설치 􀓋 보조권선(특수권선)형 발전기 사용 􀓋 영구자석 발전기(PMG)로 사용 􀓋 발전기 기동전에 비선형 부하의 차단 2) 자동전압조정기(AVR)의 점검 (결선상태 확인 및 전압조정 저항 확인 및 점검) 3) 발전기 무부하 운전시 정상 출력확인 후 부하 운전 실시 4) 진상부하(콘덴서)에 의한 과전압 발생 대책 􀓋 안전점검시 콘덴서부하 설치 유무 확인 􀓋 역률보상용 콘덴서는 ATS 전단(한전측)으로 설치 변경 또는 부하회로에서 분리 􀓋 발전기 기동전에 콘덴서 회로 차단기 개방 5) ATS 절체시 과전압 사고 예방 대책 􀓋 ATS의 3상 동시 절체 기기로 개선 􀓋 ATS의 위상 동기절체 기기로 개선 6) 과전압 보호계전기의 설치 􀓋 계전기가 반한시형인 경우 정지형 과전압 보호계전기(최소동작시간 0.2초)로 교체 􀓋 정한시형인 디지털 계전기(최소동작시간 0.04초)로 교체 􀓋 과전압 검출장치가 내장된 자동전압조정기(AVR)의 사용

이관옥 기자 (koji@electimes.com)

최종편집일자 : 2010-10-07 11:32:12

최종작성일자 : 2010-10-06 15:10:47

과전압피해 - 간단 해결 - 주식회사 한국서지연구소