SSR (축계 비틀림 공진)

SSR 정의

SSR은 축계 비틀림 공진, 즉 전기-기계 공진 현상이다.

직렬 콘덴서로 보상된 송전선로의 LC 공진과 터빈발전기 축계의 비틀림 고유진동수가 맞물린다.

전기 쪽 진동은 눈에 띄지 않지만 축에는 반복적인 비틀림 응력이 쌓인다.

발생 구조와 원리

송전선로에 직렬 콘덴서를 넣으면 선로 리액턴스가 상쇄되어 전기 공진 주파수가 생긴다.

발전기 전기자 전류에는 f0 - fe 성분이 나타나 회전자에 전기토크 진동을 만든다.

토크 주파수가 축계 비틀림 고유진동수와 가까워지면 진동이 누적된다.

진폭이 축 재료의 피로 한계를 넘으면 축에 균열이나 파손이 생긴다.

두 유형 비교

SSR은 발생 메커니즘에 따라 두 유형으로 나뉜다.

유도발전기 효과형은 전기 공진과 회전자 상태의 상호작용에서 생기며 회전자 과전류를 일으킨다.

토셔널 상호작용형은 비틀림 고유진동수 근방에서 감쇠 토크가 음이 되어 축 피로와 파손을 일으킨다.

두 유형은 원인과 해석 방법이 다르므로 구분해서 답해야 한다.

계산 예제

직렬 커패시터 보상 선로에서 LC 공진 주파수를 직접 구해 보자.

공진 주파수는 1을 2π와 루트 LC로 나눈 값이다. 여기에 L과 C를 대입한다.

계산하면 약 25.2Hz가 나온다. 기본파 60Hz보다 낮은 부공진 영역이다.

이 값을 축계 비틀림 고유진동수 범위와 비교해 SSR 위험을 판정하는 근거로 쓴다.

주파수 범위와 대책

SSR 주파수는 전력 주파수보다 낮은 아종동기 대역에 나타난다.

비틀림 상호작용에 의한 SSR은 보통 5~50Hz 대역으로 본다.

대책은 필터 설치, 발전기 제어 개선, 보상 방식 변경, 보호 계전 보강으로 나뉜다.

각 대책이 공진 조건을 어떻게 깨는지 한 문장씩 원리를 붙여 설명해야 한다.

정리

SSR을 한 번 더 정리한다.

정의는 직렬 콘덴서 LC 공진과 축계 비틀림 공진의 상호작용이다.

주파수는 전력 주파수 아래 5~50Hz이고, 주요 원인은 TI와 IGE다.

풍력 연계가 늘면 기존 SSR 해석 결과를 그대로 믿기 어렵다.