발전기 진상운전

왜 배우는가: 발전기 진상운전은 경부하 시 계통 전압 상승을 억제하는 실무 수단이다. 발전기의 무효전력 운전 범위와 열적·안정도 한계를 함께 묻기 때문에 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제136회 2교시 3번, 제112회 2교시 6번, 제95회 2교시 5번, 제89회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 진상운전은 발전기를 저여자로 운전해 계통의 진상 무효전력을 흡수하고, 이로써 경부하 시 계통 전압 상승을 억제하는 운전이다.

진상운전은 방법(저여자 운전), 대상(진상 무효전력 흡수), 목적(전압 상승 억제) 세 요소를 첫 줄에 모두 넣어야 정의 항목을 채운다. 세 요소 중 하나라도 빠지면 감점 요인이 된다. 방법과 목적을 따로 쓰지 말고 한 문장에 묶어 쓴다.

영문으로는 Leading Power Factor Operation 이라고 쓴다. 한글로 진상(進相) 운전이라고도 하며 두 말은 같은 뜻이다. 진상은 전류가 전압보다 앞선다는 뜻이고, 발전기 입장에서는 무효전력을 계통에서 받아들이는 상태가 된다.

핵심 키워드

• 진상운전
• 저여자
• 무효전력 흡수
• 계통 전압 상승 억제
• 내부 유기전압
• 동기화력
• 고정자 단부 과열
• 정격역률

위 여덟 개는 답안 본문에서 반복해서 쓰는 용어다. 목적과 문제점을 묻는 문항에서는 동기화력, 고정자 단부 과열, 정격역률이 감점 항목을 가르므로 용어를 정확히 쓴다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 다음과 같다. 발전기는 계자 전류를 크게 하면 무효전력을 계통에 내보내고, 계자 전류를 줄이면 무효전력을 계통에서 받아들인다. 계자 전류를 줄여 운전하는 상태가 진상운전이다. 계자 전류 조절은 자동전압조절장치(AVR)가 맡으므로, 진상운전은 여자 조절이 한쪽 방향으로 간 결과다.

정식 정의는 다음과 같다. 동기발전기가 계자 전류를 감소시켜 내부 유기전압 E_A 를 단자전압 V 보다 낮게 운전하여, 계통으로부터 무효전력을 흡수하는 운전 상태를 말한다.

진상과 지상은 전류의 위상으로 구분한다. 지상 운전은 전류가 전압보다 뒤져 있으며 발전기가 무효전력을 공급한다. 진상 운전은 전류가 전압보다 앞서 있으며 발전기가 무효전력을 흡수한다. 발전기 기준 방향이 부하와 반대이므로 혼동하기 쉽다. 답안에서는 진상 역률의 발전기가 무효전력을 흡수한다고 적으면 혼동을 피한다.

핵심 용어

• 저여자 (Under-excitation): 계자 여자를 낮춘 상태다. 내부 유기전압이 단자전압보다 작아진다.
• 무효전력 흡수: 발전기가 계통에서 무효전력을 받아들이는 것이다. 진상 운전의 결과다.
• 내부 유기전압 (Internal EMF): 자속과 회전으로 고정자 권선에 유도되는 전압 E_A 다.
• 동기화력: 부하각 변화에 대해 발전기를 동기 상태로 되돌리려는 힘이다. 진상 운전에서 약해진다.

한 상 기준 무효전력은 다음 식으로 나타낸다. $Q=\frac{V\,(E_A\cos\delta-V)}{X_s}$ 여기서 Q는 발전기 무효전력[var], V는 단자전압[V], E_A는 내부 유기전압[V], \delta는 부하각, X_s는 동기리액턴스[Ω]다. 단자전압 V가 일정하다고 보면 E_A\cos\delta 가 V보다 작을 때 Q가 음이 된다. 음의 Q는 발전기가 무효전력을 흡수함을 뜻한다.

이 식은 저여자 운전의 원리를 보여준다. 계자 전류를 줄이면 E_A가 작아지고 Q가 음의 방향으로 이동한다. 같은 식에서 한계도 함께 나온다. E_A가 작아지면 동기화력이 약해지고, 역률이 진상 쪽으로 깊어져 열적 한계에 가까워진다. 특히 역률 95% 초과 진상 영역은 열적 한계가 먼저 걸리는 구간이다.