[논문]절연파괴 사례분석을 통한 진공함침 방식 발전기 고정자권선의 절연특성 연구

공태식

doi:10.5370/kieep.2010.59.3.311

절연파괴 사례분석을 통한 진공함침 방식 발전기 고정자권선의 절연특성 연구
A Study on Insulation Property of VPI Type Generator Stator Winding Through the Case Analysis of Insulation Breakdown 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.59 no.3, 2010년, pp.311 - 316

Abstract ▼ AI-Helper

According to increase of combined cycle power generation, the manufacturing market of gas turbine generator has become more competitive, so there is high pressure on the manufacturer to reduce generator price. Global VPI(vacuum pressure impregnation) method is effective to save the production cost and time for manufacturing stator windings, but it has an abrasion problem by vibration between stator windings and slots. This paper presents the insulation breakdown case, which is for VPI type generator during high voltage insulation tests, and also shows the cause analysis, repair works as well as reliability test. the purpose of this paper is to understand the insulation properties of VPI type generator and to know prevention of insulation weakness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

O&M 수행기업을 국제입찰을 통해 5년마다 선정, 교체하다 보니 설비 유지관리의 연속성이 없어 비슷한 시기에 설치한 국내 발전기에 비해 열화가 빠르게 진행되고, 고장도 자주 나타나는 편이었다. 또한 같은 발전소내의 동일한 타입의 발전기가 이미 절연파괴 사례가 있어 계획예방정비기간을 활용하여 발전기 고정자권선의 절연상태 파악 및 운전가능 여부를 결정하기 위한 절연진단 요청이 있어본 시험을 실시하게 되었다.
본 논문에서 소개하는 발전기 절연파괴 및 보수사례는 중동국가에 있는 공랭식 진공함침 방식으로 제작된 가스터빈 발전기로써 우리나라 전력기업이 운전 및 유지보수를 수행하는 O&M(Operating & Maintenance) 계약을 하여 운영하고있는 발전기이다.
본 논문에서는 진공함침 방식으로 제작된 공냉식 가스터빈 발전기 고정자권선에 대한 고전압 절연진단 시험 도중 절연파괴가 발생된 사례를 소개하고, 고장원인분석 및 수리 작업을 통하여 얻은 진공함침방식 발전기의 절연특성과 고장예방 방법에 대하여 기술하였다.

제안 방법

[8] 하지만 발전기의 절연상태가 전반적으로 불량하여 시험도중 추가적인 절연파괴가 발생하여 정비기간이 계속 늘어날 가능성이 높았으며, 그 나라의 열악한 전력사정을 감안하면 우선 발전기를 운전하여 전기를 생산하는 것이 시급한 과제였다. 따라서 a～c 단계에서는 정상운전 시 고정자권선과 대지 사이에 걸리는 최대전압인 상전압(AC 8.49kV)을 1분간 인가하여 시험을 실시하였다. 마지막으로 고정자권선을 수리, 조립을 완료한 최종단계인 d단계에서는 이미 모든 권선들이 상전압까지는 시험을 마쳤기 때문에 수리한 권선(14T)을 슬롯에 삽입 및 웻지 부착 작업시의 손상만을 확인하기 위하여 상전압의 60%까지만 인가하여 1분간 내전압 시험을 수행하였다.
8[kV]에서 Flash-over 현상이 발생하며 시험장비가 Trip 되며 전압이 차단되어 시험이 중단되었다. 따라서 고전압 시험을 중단하고 원인을 찾기 위한 점검을 수행하였다.
우리나라 기업이 계획예방정비를 완료한 후 정상운전 중에 절연파괴에 의한 고장이 발생하면 장기간 발전정지가 불가피하게 되고 이에 따라 그 나라 전력청과 우리기업 간 과실 책임문제로 분쟁의 소지가 있어 차기 정비시점까지 정상운전에 필요한 최소한의 절연내력 확보여부 및 열화진행 상태파악이 필요하였다. 따라서 금번 예방정비기간 중에 고전압 시험을 실시하고 시험 중 절연파괴 발생 시 정비기간을 연장하여 수리하는 것으로 협의 후 절연진단 시험을 수행하였다.
절연파괴된 권선의 손상부위 절연물을 제거하고 절연보강, 압착성형, 경화과정을 거쳐 수리를 수행하였으며, 마모로 인해 표면이 손상된 부분들은 절연을 보강하고 반도전성 페인트로 권선단부는 절연페인트로 보강하였다. 또한 고장권선(14T) 및 고장권선 취외 시 간섭되는 권선(10T, 11T, 12T, 13T)을 슬롯에서 들어 올리는 작업을 위해 웻지를 제거하였으며, 이 과정에서 웻지들이 레진에 의해 권선과 철심에 달라붙어 있어 제거작업 시 손상이 불가피하여 전량 교체하였으며, 이를 포함하여 전체 웻지의 50[%]에 이르는 이완된 웻지도 모두 신품으로 교체하고 권선을 삽입 및 바인딩을 실시하여 수리를 완료하였다.
49kV)을 1분간 인가하여 시험을 실시하였다. 마지막으로 고정자권선을 수리, 조립을 완료한 최종단계인 d단계에서는 이미 모든 권선들이 상전압까지는 시험을 마쳤기 때문에 수리한 권선(14T)을 슬롯에 삽입 및 웻지 부착 작업시의 손상만을 확인하기 위하여 상전압의 60%까지만 인가하여 1분간 내전압 시험을 수행하였다.
상전압의 125[%]인 10.6[kV]일 때의 tanδ값에서 정격전압의 20%전압에서의 tanδ를 뺀 Δtanδ를 계산하여 절연상태를 파악한다.
성극지수 시험도 시험방법은 절연저항시험과 동일하나 측정을 전압인가 1분과 10분 후의 절연저항 값을 측정하여 10분의 절연저항 값을 1분시 측정한 절연저항 값으로 나누어 그 비를 계산하여 성극지수 값을 구한다. 판정기준은 2.
유전정접, 교류전류 시험은 고정자권선 전체의 평균적인 절연상태를 알아보기 위한 시험이며, 시험전압은 상전압 (8.49[kV])의 125[%]인 10.6[kV]까지 단계적으로 올려 시험을 실시하였다.
절연파괴된 권선의 손상부위 절연물을 제거하고 절연보강, 압착성형, 경화과정을 거쳐 수리를 수행하였으며, 마모로 인해 표면이 손상된 부분들은 절연을 보강하고 반도전성 페인트로 권선단부는 절연페인트로 보강하였다. 또한 고장권선(14T) 및 고장권선 취외 시 간섭되는 권선(10T, 11T, 12T, 13T)을 슬롯에서 들어 올리는 작업을 위해 웻지를 제거하였으며, 이 과정에서 웻지들이 레진에 의해 권선과 철심에 달라붙어 있어 제거작업 시 손상이 불가피하여 전량 교체하였으며, 이를 포함하여 전체 웻지의 50[%]에 이르는 이완된 웻지도 모두 신품으로 교체하고 권선을 삽입 및 바인딩을 실시하여 수리를 완료하였다.

대상 데이터

본 발전기는 3년 전인 2006년 12월 국내의 보수업체가 절연진단 시험을 수행하였으며 시험결과 다른 항목에서는 이상이 없었지만 부분방전이 상별로 16,000[pC], 24,000[pC], 31,000[pC]으로 양호기준치인 10,000[pC]을 초과하고 방전개시전압도 낮게 나타나 불량판정을 받았으며, 2007년도에도 발전기 제작사의 점검결과에서도 권선교체 판정을 받은 기기였다. 하지만 고정자권선 교체를 위해 신품을 구매하는 등의 준비가 않된 상태이고, 또한 그 나라에 대규모 발전소가 없어 가스터빈 발전기가 기저부하를 담당하고 있으며, 밤에는 도심지를 제외한 대부분의 지역에는 제한송전을 하는 등 전력사정이 열악하여 고장발생 시 장기간 발전기를 세울 수 없는 여건이었다.

이론/모형

0이상이면 양호하다고 판단을 하고 있다. 절연저항과 성극지수시험에 사용한 장비는 영국 AVO사의 S1-5010 모델을 사용하여 시험을 하였다.

성능/효과

[1] 수리를 위해 취외한 권선에서 권선표면과 철심 간 전위차를 줄이는 역할을 하는 반도전층이 대부분 마멸된 것을 확인하였으며, 이는 진동에 의해 상, 하부 권선간 및 권선과 철심 간 마찰이 절연손상의 주원인이라고 분석할 수 있는 확실한 증거가 된다.
[2] 고정자권선 전체의 평균적인 절연상태를 나타내는 유전정접이나 교류전류 결과보다는 절연시스템의 가장 큰 결함상태를 나타내는 부분방전 측정값이 불량하게 나타나는 특징을 보였다. 이는 진동이 구조적으로 일부권선(금번 경우에는 여자기 측 하부 권선)에 집중되어 절연손상을 발생시켜 부분방전이 발생하는 것으로 추정할 수 있다.
[3] 진공가압함침(VPI) 방식으로 제작된 발전기는 진공함침 시 레진에 의해 웻지, 권선, 철심이 서로 달라붙어 있기 때문에 수리 및 보강을 위한 권선 취외 작업 시 대부분의 웻지가 손상될 수밖에 없어 재사용이 거의 불가능하였으며, 권선을 슬롯에서 빼낼 때에도 권선과 철심 간 레진에 의한 부착 때문에 권선이 구부려지기 쉬워 작업 중 손상이 우려되므로 조심스런 작업이 요구된다.
[7] 급격한 부하변동과 높은 권선온도는 도체와 절연물간다른 열팽창 시간에 의한 기계적 스트레스를 발생하므로 가급적 천천히 부하를 변화시키고 운전온도를 제한하여 운전하는 것이 바람직하다.
수리를 위하여 고장권선을 슬롯에서 취외 후 점검결과 위의 그림8, 그림9 에서 보이는 바와 같이 고장권선(14T) 및 하부권선(14B)의 상태는 권선과 철심 간 전위차를 줄이기 위한 권선표면의 반도전층이 대부분 마모되어 손상된 상태 였다. 또한 수리를 위해 고장권선 취외 시 간섭되는 권선들 (10T, 11T, 12T, 13T)도 슬롯에서 들어 올려 점검결과 표면이 손상되어 있음을 확인하였다.
시험이 중단된 W상에 대하여 절연저항 측정결과 20[㏁]근방에서 심하게 hunting 하는 현상을 보여 절연파괴가 발생한 것으로 판단하여, 파괴된 위치확인을 위해 저전압(약 500[V])을 인가하여 확인결과 그림5와 그림6과 같이 여자기 (Exciter)측 아래쪽에 위치한 상부권선(14번 Top bar)의 슬롯인출부에서 아크(arc) 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 본 권선은 그림 7에서 보는 바와 같이 중성점에서 2번째로 위치한 권선으로써 정상운전 중에는 권선과 대지사이에 약 943[V]만 걸려 전기적 스트레스가 비교적 적은 부위이다.
이러한 시험전압도 수리한 권선이 중성점과 가까이 위치하므로 평상시 걸리는 전압인 943V에 비하면 충분이 높은 전압이다. 시험한 모든 단계에서 양호하여 정상운전에 필요한 최소한의 절연내력을 확보한 것으로 판단하여 발전기를 조립 후 정상운전에 들어갈 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금번 발전기에 대한 절연진단 시험도 중 절연파괴 사례에 대한 원인분석과 수리 및 운전신뢰성 시험을 수행하며 얻은 진공함침 방식으로 제작된 공랭식 방식의 발전기 절연문제점 및 고장방지를 위한 예방법은 무엇인가?	[1] 수리를 위해 취외한 권선에서 권선표면과 철심 간 전위차를 줄이는 역할을 하는 반도전층이 대부분 마멸된 것을 확인하였으며, 이는 진동에 의해 상, 하부 권선간 및 권선과 철심 간 마찰이 절연손상의 주원인이라고 분석할 수 있는 확실한 증거가 된다. [2] 고정자권선 전체의 평균적인 절연상태를 나타내는 유전정접이나 교류전류 결과보다는 절연시스템의 가장 큰 결함상태를 나타내는 부분방전 측정값이 불량하게 나타나는 특징을 보였다. 이는 진동이 구조적으로 일부권선(금번 경우에는 여자기 측 하부 권선)에 집중되어 절연손상을 발생시켜 부분방전이 발생하는 것으로 추정할 수 있다. [3] 진공가압함침(VPI) 방식으로 제작된 발전기는 진공함침 시 레진에 의해 웻지, 권선, 철심이 서로 달라붙어 있기 때문에 수리 및 보강을 위한 권선 취외 작업 시 대부분의 웻지가 손상될 수밖에 없어 재사용이 거의 불가능하였으며, 권선을 슬롯에서 빼낼 때에도 권선과 철심 간 레진에 의한 부착 때문에 권선이 구부려지기 쉬워 작업 중 손상이 우려되므로 조심스런 작업이 요구된다. [4] 이와 같은 타입으로 제작된 발전기의 절연열화 과정은 운전과 정지가 반복됨에 따라서 고정자권선이 열에 의해 수축, 팽창되고 철심과 절연물의 열팽창계수가 다르므로 권 선과 철심을 고정하는 레진이 분리된다. 따라서 슬롯 내에서 고정자 권선이 전자력에 의해 120Hz로 진동하게 되고상, 하부 권선간 및 권선 철심 간 마찰에 의해 권선표면의 반도전층이 손상되고 부분방전이 발생하여 열화를 가속시켜 결국 절연파괴에 이르게 되는 것으로 분석된다. [5] 발전기의 절연열화를 늦추기 위한 방법으로는 재 함침을 실시하면 좋겠지만 현실적으로 어려우므로 슬롯과 권선 및 웻지 하부에 틈이 발생한 곳에 반도층을 대신할 도전성 레진을 주입하면 권선고정 및 부분방전 현상을 감소시키는 효과를 기대할 수 있다. [6] 느슨해진 권선을 찾아내기 위한 방법으로는 웻지 타음 점검과 코로나 probe를 이용한 부분방전 발생 위치탐지를 하는 방법 등이 있다. [7] 급격한 부하변동과 높은 권선온도는 도체와 절연물간다른 열팽창 시간에 의한 기계적 스트레스를 발생하므로 가급적 천천히 부하를 변화시키고 운전온도를 제한하여 운전하는 것이 바람직하다.
	성극지수 시험도 시험방법과 판정 기준은 무엇인가?	성극지수 시험도 시험방법은 절연저항시험과 동일하나 측정을 전압인가 1분과 10분 후의 절연저항 값을 측정하여 10분의 절연저항 값을 1분시 측정한 절연저항 값으로 나누어 그 비를 계산하여 성극지수 값을 구한다. 판정기준은 2.0이상이면 양호하다고 판단을 하고 있다. 절연저항과 성극지수시험에 사용한 장비는 영국 AVO사의 S1-5010 모델을 사용하여 시험을 하였다.
	절연저항 시험이란?	절연저항 시험은 고정자 권선과 대지 간에 직류전계를 인가하여 기본적인 절연상태를 측정하여, 권선의 흡습 및 표면 오염상태 등을 평가하는 시험이다. 측정 방법은 전압인가 1분후의 절연저항 값을 측정하며, 판정기준은 100[㏁] 이상이되어야한다.

참고문헌 (10)

G.Ruelle, "Developement of Large Air-Cooled Generators for Gas Turbines and Combined Cycles" CIGRE 1992 Session, pp. 1-6, 1992
A.P.Kopp, P.Rohn, B.Bislin, E. Mannisto, "Comparison of Maximum Rated Air- Cooled Turbo Generators with Modern Hydrogen Cooled Generators- Design and Experience", CIGRE 1992 Session 30, 1992
B.E.B Gott, "Application of Air Cooled Generators to Modern Power Plants", Proc IEEE International Electric Drives Conference, pp. 317-319, May 1999
B.J Moore, et al. "Utilizing Reduced Build Concepts in the Development of Insulation Systems for Motors" Proc IEEE Electrical Insulation Conference, pp. 347, 1999
Greg Stone "Problems with Modern Air-Cooled Generator Stator Winding Insulation" IEEE Electrical Insulation Magazine, pp. 6, 2000
특별고압회전기.케이블의 열화진단 기술조사 전문 위원회, "특별고압회전기.케이블의 절연열화 진단기술", 일본 전기학회 기술보고( II부), 제267호, pp. 14-20, 1988,
IEEE Standard "IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery" IEEE std 43-2000, pp. 17, 2000
공태식 "고압전동기 고정자권선 오염에 따른 절연특성 변화사례", 대한전기학회 고전압 및 방전응용기술 연구회 춘계학술대회 논문집, pp. 71, 2009
김희동 "대용량 발전기 고정자 권선의 절연열화 특성", 대한전기학회 논문지 58권 7호, pp. 1379, 2009
IEEE Standard "IEEE Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating-Current Rotating Machinery (10,000kVA and Larger)" ANSI/IEEE Std 56-1997, pp. 12, 1997

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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