동기발전기 병렬운전

왜 배우는가: 동기발전기를 계통에 병입하거나 여러 대를 병렬로 운전할 때 전압·주파수·위상·상순서가 맞지 않으면 과도 전류와 토크 충격으로 발전기와 계통이 손상된다. 이 개념은 계통 연계와 발전기 운전의 기본이어서 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 함께 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 11번, 제125회 2교시 2번, 제118회 2교시 1번, 제115회 4교시 1번, 제110회 1교시 2번, 제102회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동기발전기의 병렬운전은 전압 크기·주파수·위상·상순서를 모선과 일치시킨 뒤 차단기를 투입해 두 전원을 같은 모선에 접속하는 운전이다.

핵심 키워드

• 병렬운전: 2대 이상의 발전기를 동일 모선에 접속해 공통 부하에 전력을 공급하는 운전 방식이다.
• 동기투입: 모선과 조건을 맞춘 뒤 차단기를 닫아 발전기를 계통에 연결하는 동작이다.
• 동기화력: 회전자 위치 변화에 따른 출력 변화율이며, 동기 운전이 안정되려면 dP/dδ>0 이어야 한다.
• 무효순환전류: 기전력 크기 차이로 발전기 사이에 흐르는 무효 성분 전류이다.
• 유효순환전류(동기화전류): 위상차나 주파수차로 흐르는 유효 성분 전류이다.
• 상순서: 3상 전압이 나타나는 순서이며, 발전기와 모선이 같아야 한다.
• 동기검정기: 발전기와 모선의 전압·위상·주파수 차이를 지시하는 계기이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발전기 두 대, 또는 발전기와 계통을 같은 모선에 붙여 함께 전기를 공급하는 것이다. 이때 두 전원이 서로 다른 상태로 연결되면 큰 전류가 흘러 설비가 손상된다. 그래서 병렬운전에는 정확한 조건이 필요하다.

정식 정의는 다음과 같다. 병렬운전은 2대 이상의 발전기를 동일 모선에 접속하여 공통의 부하에 전력을 공급하는 방식이다. 계통 병입은 이미 전압이 형성된 전력계통에 발전기를 새로 투입하는 것을 말한다. 이 둘의 전제는 같다. 투입 순간의 두 전압 벡터가 일치해야 한다.

병렬운전의 조건은 네 가지다. 전압 크기·주파수·위상·상순서 일치가 핵심이다. 파형도 같아야 하지만 파형은 발전기 구조와 결선으로 정해지므로 설치 단계에서 맞춘다. 상순서가 다르면 발전기 전압과 계통 전압이 반대 위상이 되어 매우 큰 전류가 흐를 수 있다.

무효순환전류는 두 전원의 전압 크기 차이에서 생긴다. 전압이 높은 발전기는 감자 작용을 받아 전압이 내려가고, 전압이 낮은 발전기는 증자 작용을 받아 전압이 올라간다. 결과적으로 두 단자전압이 같아진다. 이 전류는 무효 성분이라 권선 저항에 의한 손실과 발열을 키운다.

유효순환전류(동기화전류)는 위상차에서 생긴다. 위상이 앞선 발전기는 속도가 줄고 뒤진 발전기는 속도가 늘어 위상이 맞춰진다. 이때 유효 전력이 두 기기 사이를 오가며 위상차를 줄인다. 주파수가 다르면 위상차가 시간에 따라 계속 변하므로 이 전류가 주기적으로 흘러 출력이 요동한다.

고조파 무효순환전류는 두 전원의 파형이 다를 때 생긴다. 기본파 이외의 고조파 성분이 두 기기 사이를 순환하여 권선을 가열한다. 파형 차이는 기기 설계와 결선으로 정해지는 값이므로 병입 시 현장에서 조정하기 어렵다.

병렬로 운전되는 발전기가 안정하려면 동기화력이 양의 값이어야 한다. 회전자 위치각 δ가 커질 때 출력 P도 커져야 회전자가 원래 위치로 돌아온다. 이 조건이 깨지면 발전기는 동기를 잃고 탈조한다.

3. 등장 배경과 필요성

한 대의 발전기 용량만으로는 증가하는 부하를 감당하기 어려운 경우가 많다. 발전기를 여러 대 병렬로 묶으면 필요한 만큼 용량을 늘릴 수 있다. 이것이 병렬운전이 등장한 첫 번째 배경이다.