[논문]가스터빈 기동에 따른 정지형 주파수 변환장치(SFC:Static Frequency Converter)의 노이즈 특성 분석

정태훈; 최성욱; 김현수

문제 정의

전력 생산을 위한 발전 설비는 주변기기와의 전기적 간섭에 의해 노이즈를 발생하거나 각종 계장시설 및 장치의 동작에 의한 간섭 등으로 여러 가지 문제를 야기 할 수 있다. 본 논문에서는 가스터빈 기동 시 정격 회전수를 유지하도록 하는 SFC 장치의 오동작 특성을 분석하기 위해 SFC 장비가 주변 기기들로부터 받는 영향을 분석하여 이에 대한 노이즈 및 각종 서지에 대한 SFC 장치의 오동작 특성을 분석하고 취득된 데이터를 효율적으로 관리 할 수 있도록 하는데 그 목적이 있으며, 가스터빈 기동 시 SFC 장치의 투입과정에서 발생하는 각종 서지 및 노이즈에 의한 오동작 가능성을 추적하고 이에 대한 보호대책을 마련하기 위해 오동작 가능성을 유발할 것으로 판단되는 구간의 특성에 맞는 서지 보호기 개발을 위한 자료를 제공하고자 한다. 본 연구의 데이터 취득은 한국중부발전(주) 보령복합화력발전소에서 운용 중인 가스터빈 기동장치 중 7호기와 8호기에 장착된 SFC 장치에서 취득한 데이터이며, 본 장치는 가스터빈 기동에 따른 불규칙한 오동작 특성이 발생되는 구간이다.

제안 방법

#GT7/#GT8호기의 선행기동과 후행기동 시 SFC 감시 채널별 특성을 살펴보았으며, SFC 오동작 발생 시의 대표적인 특성을 도시하였다.
의 순서로 진행되며, GT 정상 기동에 따른 SFC 정지는 SFC Off—MVB, Feed in Isolator Open—Starting Isolator Open—10초후 Brush Lift-off Device Open의 순으로 동작한다. GT 기동 및 정지 시의 특성을 검증하기 위해 레코더를 이용해 실시간 데이터를 12개월 동안 추출하여 오동작 발생 시 특성과 정상상태에서의 데이터 특성을 분석하였다. GT기 동시/SFC 정지 시 동작특성과 관련하여 SFC 장치에서 운용하는 장비 중 각종 서지 및 노이즈에 영향을 받을 것으로 예상되는 대표적인 설비의 해당 범위를 결정하는데 있어 SFC 장치의 오동작은 SFC 제어 판넬의 디스플레이 및 제어기능 불능상태에서 비롯되는 오동작 특성으로부터 정상 상태로 복구하기 위해 제어판넬의 전원을 초기화하는 과정이 필요하게 되는데 이러한 오동작 원인을 분석하기 위해 SFC 제어장치의 판넬에 인가되는 전원부의 상태를 점검하고 전원부의 상태를 감시하는 신호 부의 특성을 분석하므로써 SFC 장치의 오동작 원인을 규명하여 이를 제거하기 위해 주요 분석 대상을 다음과 같이 분류하였다.
GT 기동 및 정지 시의 특성을 검증하기 위해 레코더를 이용해 실시간 데이터를 12개월 동안 추출하여 오동작 발생 시 특성과 정상상태에서의 데이터 특성을 분석하였다. GT기 동시/SFC 정지 시 동작특성과 관련하여 SFC 장치에서 운용하는 장비 중 각종 서지 및 노이즈에 영향을 받을 것으로 예상되는 대표적인 설비의 해당 범위를 결정하는데 있어 SFC 장치의 오동작은 SFC 제어 판넬의 디스플레이 및 제어기능 불능상태에서 비롯되는 오동작 특성으로부터 정상 상태로 복구하기 위해 제어판넬의 전원을 초기화하는 과정이 필요하게 되는데 이러한 오동작 원인을 분석하기 위해 SFC 제어장치의 판넬에 인가되는 전원부의 상태를 점검하고 전원부의 상태를 감시하는 신호 부의 특성을 분석하므로써 SFC 장치의 오동작 원인을 규명하여 이를 제거하기 위해 주요 분석 대상을 다음과 같이 분류하였다. ① 125VDC 주 전원부, ② ELECTRONIC DEVICES, ③ PULSE AMPLIFIER④INTERNAL CONTROL부가 주요 대상이며, 상세 분석 구간은 다음과 같다.
이를 위해 현장조사를 실시하였다. SFC 메인 컨트롤 부의 주전원 계통과 제어 판넬의 주요 전원부에 대한 모니터링을 실시하였다. 가스터빈 기동 시 투입되는 SFC 관련 동작 순서를 살펴보면, GT 기동 시, GT기동—Brush Lift off Device Close(GT기동 2Step)—Starting Isolator Close(GT기동 2단계)—Starting Isolator Close(GT기동 2단계) —MVB Close—Feed in Isolator Close—Step Up—3240rpm 도달.
가스터빈 기동을 위해 회전속도(주파수)를 제어하는 SFC 장치의 오동작 특성을 분석하기 위해 해당 장치의 125[VDC] 주전원과 컨버터 및 상태 감시 신호부의 전원 및 신호상태를 분석하였다. 그 결과 ELECTRONIC DEVICES 24VDC 감시 구간, PULS AMPLIFIER 48VDC 감시 구간 및 INTERNAL CONTROL 48VDC 감시 구간에서 평상 대기 중의 전압 변동률에 비해 오동작 발생 시 노이즈가 2배 이상 검출되었다.
발생되었다. 이를 위해 현장조사를 실시하였다. SFC 메인 컨트롤 부의 주전원 계통과 제어 판넬의 주요 전원부에 대한 모니터링을 실시하였다.
① 125VDC 주 전원부, ② ELECTRONIC DEVICES, ③ PULSE AMPLIFIER④INTERNAL CONTROL부가 주요 대상이며, 상세 분석 구간은 다음과 같다. 전원부의 경우, ①각종 제어판넬에 연결된 125VDC 메인 전원부, ②INTERNAL CONTROL의 125/48VDC DC-DC 컨버터, ③PULSE AMPLIFIERS의 125/48VDC DC-DC 컨버터, ④ ELECTRONIC DEVICES의 125/48VDC DC-DC 컨버터, 신호용의 경우, ①INTERNAL CONTROL UNIT의 상태를 점검하는 접점 신호부, ②PULSE AMPLIFIERS UNIT의 상태를 점검하는 접점 신호부, ③ELECTRONIC DEVICES UNIT의 상태를 점검하는 접점 신호부에 대한 특성을 분석하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 가스터빈 기동 시 정격 회전수를 유지하도록 하는 SFC 장치의 오동작 특성을 분석하기 위해 SFC 장비가 주변 기기들로부터 받는 영향을 분석하여 이에 대한 노이즈 및 각종 서지에 대한 SFC 장치의 오동작 특성을 분석하고 취득된 데이터를 효율적으로 관리 할 수 있도록 하는데 그 목적이 있으며, 가스터빈 기동 시 SFC 장치의 투입과정에서 발생하는 각종 서지 및 노이즈에 의한 오동작 가능성을 추적하고 이에 대한 보호대책을 마련하기 위해 오동작 가능성을 유발할 것으로 판단되는 구간의 특성에 맞는 서지 보호기 개발을 위한 자료를 제공하고자 한다. 본 연구의 데이터 취득은 한국중부발전(주) 보령복합화력발전소에서 운용 중인 가스터빈 기동장치 중 7호기와 8호기에 장착된 SFC 장치에서 취득한 데이터이며, 본 장치는 가스터빈 기동에 따른 불규칙한 오동작 특성이 발생되는 구간이다.

성능/효과

감시 신호부의 전원 및 신호상태를 분석하였다. 그 결과 ELECTRONIC DEVICES 24VDC 감시 구간, PULS AMPLIFIER 48VDC 감시 구간 및 INTERNAL CONTROL 48VDC 감시 구간에서 평상 대기 중의 전압 변동률에 비해 오동작 발생 시 노이즈가 2배 이상 검출되었다. 또한 감시 접점부의 동작특성은 TTL 레벨로 설계되어 있어 MOS계열의 설계에 비해 ESD 특성이 우수하나 노이즈에 대한 영향을 많이 받는 문제점을 지니고 있으며, 해당구간의 특성데이터를 추출한 결과 오동작 발생시점에서는 항상 본 구간의 노이즈 특성이 ±30% 내외로 측정되었다.
이러한 변동특성은 정상 상태와 오동작상태 모두에 대해 동일한 특성을 보이고 있으나, GT 기동에 따른 SFC의 투입이 정상적으로 동작하였을 때 동일 구간의 변동 특성은 최대 20%이내의 특성을 지니고 있는 것으로 확인되었다. 또한 감시 접점부의 동작특성은 TTL 레벨로 설계되어 있어 MOS계열의 설계에 비해 ESD 특성이 우수하나 노이즈에 대한 영향을 많이 받는 문제점을 지니고 있으며, 해당구간의 특성데이터를 추출한 결과 오동작 발생 시점에서는 항상 본 구간의 노이즈 특성이 ±30% 내외로 측정되었다.
이러한 변동특성은 정상 상태와 오동작상태 모두에 대해 동일한 특성을 보이고 있으나, GT 기동에 따른 SFC의 투입이 정상적으로 동작하였을 때 동일 구간의 변동 특성은 최대 20%이내의 특성을 지니고 있는 것으로 확인되었다. 또한 감시 접점부의 동작특성은 TTL 레벨로 설계되어 있어 MOS계열의 설계에 비해 ESD 특성이 우수하나 노이즈에 대한 영향을 많이 받는 문제점을 지니고 있으며, 해당구간의 특성데이터를 추출한 결과 오동작 발생 시점에서는 항상 본 구간의 노이즈 특성이 ±30% 내외로 측정되었다.
그러나 GT기동에 따른 터빈의 동작으로 인해 각 구간별 최대 ±30% 내외의 변동 특성을 지니고 있다. 이러한 변동특성은 정상 상태와 오동작상태 모두에 대해 동일한 특성을 보이고 있으나, GT 기동에 따른 SFC의 투입이 정상적으로 동작하였을 때 동일 구간의 변동 특성은 최대 20%이내의 특성을 지니고 있는 것으로 확인되었다. 또한 감시 접점부의 동작특성은 TTL 레벨로 설계되어 있어 MOS계열의 설계에 비해 ESD 특성이 우수하나 노이즈에 대한 영향을 많이 받는 문제점을 지니고 있으며, 해당구간의 특성데이터를 추출한 결과 오동작 발생 시점에서는 항상 본 구간의 노이즈 특성이 ±30% 내외로 측정되었다.
LV-DISTRIBTION DC SUPPLY 125VDC 의 Sag에 영향을 받지 않아 입력측의 10%내외의 Sag 특성은 나타나지 않고 있으나 GT기동에 따른 영향으로 각 구간별 최대 ±4% 내외의 변동 특성을 지니고 있다. 이러한 변동특성은 정상상태와 오동작상태 모두에 대해 동일한 특성을 보이고 있으며, 일반적인 DC 부하장비의 경우 DC/DC 컨버터의 LOAD REGULATION 특성에 있어 10% 이내에서는 정상 동작하여야 하는 것을 감안하였을 때 오동작에 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.

후속연구

또한 감시 접점부의 동작특성은 TTL 레벨로 설계되어 있어 MOS계열의 설계에 비해 ESD 특성이 우수하나 노이즈에 대한 영향을 많이 받는 문제점을 지니고 있으며, 해당구간의 특성데이터를 추출한 결과 오동작 발생시점에서는 항상 본 구간의 노이즈 특성이 ±30% 내외로 측정되었다. 이러한 데이터 분석 결과를 통해 해당 상태 감시 구간에는 평상 대기 중의 전압 변동값과 유사한 정도로 특성을 완화 시킬 수 있는 노이즈 필터를 장착하여 SFC 기동 장치의 오동작 특성을 제거할 수 있도록 하여 노이즈 필터 적용으로 인한 특성을 분석 해 볼 계획이다.

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