기획특집 표준화력발전기기술동향 황두현책임전문원 / 한전 KPS 전기기술팀 hdh96@kps.co.kr 1. 기술의개요최근표준화력발전기 ( 수냉식 ) 에서발전기설계수명 Stator Core Punching 1) Phenolic Resin 2) Inorganic Filter 만기전에냉각수누수에의한절연물흡습및권선단 부의고정구조물및슬롯지지부이완으로부분진동 에의한손상등의열화현상이빈번하게발생되어, 이에대한근본원인분석및대책에대한내용이다. 2. 발전기및고정자권선구조 Rotor Coils 1) FRP(Epoxy-Grass) 2) Epoxy Resin Stator Coils 1) Grass-Mica Tape 2) Epoxy Resin 3) Inorganic Filter Terminal Box (Connecting Bar) 1) Grass-Mica Tape 2) Epoxy Resin 3) Inorganic Filter (1) 발전기구조발전기는크게고정자프레임, 고정자, 회전자, 여자기, 보조기기로분류되며, 전체조립형상은다음과같다. 발전기고정자권선은상부권선 (Top Bar) 과하부권선 (Bottom Bar) 으로구성되며, 철심 (Stator Core) 에삽입되어여자기및터빈측각끝단에서전기적으로연결되어 3상회로를구성하고있다. 정상운전시회전자에서발생된자속 (Flux) 이고정자권선 (Stator Bar) 과 그림 1. 발전기전체조립도쇄교하여기전력을발생시키고, 부하전류가발전기단부 (Terminal Bushing) 를통해출력이발생하게된다. 또한고정자권선은정격전압에견딜수있는충분한절연내력을가지고있어야하며, 운전중발생되는전기적, 기계적진동에대한충분한강성을가져야하며, 냉각수에의한화학적부식등에의해냉각수누수가발생되지않아야한다. 2017. 1 113
한국, 일본의전력수요반응사업과발전기동향 A 소선 위트크립 A 주절연 ( 직선부 ) Suppressor 테이프 주절연 ( 단부 ) 위트크립 SECTION-A-A- 그림 2. 고정자권선외형도 (2) 고정자권선구조 고정자권선은용량및냉각방식에따라공기또는 수소로냉각되는간접냉각방식과권선내부로직접 Gas 또는액체를흘려냉각시키는직접냉각방식으로구분되며, 구조적으로고정자권선은전기에너지통로인나동 (Copper) 부, 전기에너지에의해발생된열을냉각시키기위한냉각부, 그리고정격전압에견딜수있는두꺼운절연층으로이루어져있다. 나동부 (Hollow+Solid) 3. 발전기 Retrofit 및재권선필요성발전기고정자권선은고온의운전환경에장기간노출되어있으며, 운전중상시작용하는진동, 권선냉각수누설에의한절연물흡습, 권선단부의고정구조물및슬롯지지부의이완에의한진동및부분방전에의한절연물손상, 잦은기동정지에의한절연물 Stress 누적등여러가지요인에의해발전기설계수명보다절연물수명이단축되어일정기간후발전기수명연장또는용량격상을위해고정자재권선및 Retrofit이요구된다. 4. 발전기고정자권선의주요문제점 냉각부 절연층 그림 3. 고정자권선단면 발전기고정자권선제작시코일절연방식은크게 Resin Rich 방식과진공함침방식 (VPI) 으로구분할수있다. VPI 방식은주로 300MVA 이하용량의공랭식고정자권선에적용되고있으며, 발전기나전동기의다량생산을목적으로개발된기술로생산공정을단축할수있으나기술적한계로절연층내부, 절연층과 Core 간에 Void 나 Gap이존재하여부분방전에의한절연물특성저하로발전기수명이단축되는사례가많이발생 114 계장기술
표준화력발전기기술동향 Operation Forming the bar Resin rich Single bar VPI Global VPI Applying the mica tape Corona protaction Impregnation / curing Pressing / curing Corona protaction Fitting into the stator Impregantion / curing R. Schuler 1998 그림 4. 권선제작기술 (Resin Rich/VPI) 고정자냉각수누수원인 냉각수주요누설부위 Brazing 품질불량 ( 주요원인 ) Hollow Conductor의부식 ( 주요원인 ) 전자력및기계적진동에의한피로응력 Brazing에의한잔류응력열팽창차이에의한균열권선절연물표면에부착된자성체금속미립자 Teflon Tube 손상및동재질불량설계불량 Clip to Strand Clip Bottom Coil Top Coil T-Joint Clip Casting Porosity Connection Pipe Pipe Connection Insulation Tube Clip Cover Header Pipe 표 1. 냉각수누수원인및주요누설부위 하고있다. 이에비해 Resin Rich 방식은 Resin이함침되어있는 Resin Rich Tape로절연후 Hot Pressing 을시행하여절연물결합 (Void) 부를제거하는기술로대용량수냉식발전기고정자권선에적용되고있다. 따라서, 표준화력기의경우절연물특성에의한문제보다는고정자권선냉각수누수에의한절연물흡습및단부권선 Basket 의진동에대한기계적특성저하 에의한문제가주로발생되고있다. (1) 고정자권선냉각수누수고정자냉각수는그림과같이 Water Haeder, Teflon Hose, Water Clip 및 Hollow Strand를거쳐고정자권선을냉각하게된다. 이때다양한부분에서 Brazing 기술을적용하여접속이이루어진다. 이때 Brazing 접 2017. 1 115
한국, 일본의전력수요반응사업과발전기동향 소선 Water Clip 그림 5. Water Clip Horizontal Set-up 그림 6. Water Clip 단면기공현상 Water Clip 구리부식 소선 4 7 누설 소선 냉각수 1 2 3 5, 6 Brazing 용가재 소선 내부기공 그림 7. Water Clip so 부식및누설경로 속부에결함 (Void) 이존재하면냉각수내의산소와동이공존하는상태에서열적, 화학적영향을받기때문에부식이발생하여결국냉각수누수로진행하게된다. 가. 냉각수누수원인 : Brazing 품질불량 ( 기존표준화력기 : Horizontal Set-up 방식적용 ) 기존고정자권선은 Bar를수평으로 Set-up하여 Water Clip과소선, 소선과소선사이를 Brazing 하고냉각효과를높이기위해 Hollow Strand로구성되어다수의 Hollow Strand 간의좁은 Gap으로용가재 (Alloy) 를완벽하게용입하는것이구조적으로불가능하다. Brazing 시용가재는녹아서접합부를채우고하부로흘러내려 Clip 하부에고이게되며이때접합부틈새의크기정도와온도분포에따라채움양의차이가발생하고, 어떤부위는용가재가부족하게된다. 이러한부분 에서기공 (Void) 이존재한다. 특히기공부는부식, 피로응력및균열등냉각수누수를일으키는다양한원인의초기메커니즘을형성하게되므로냉각수누수방지에있어가장중요한부분이라할수있다. 나. 냉각수누수원인 : Crevice Corrosion( 틈새부식 ) Water Clip부는냉각수내의산소와동이공존하는상태이며, Brazing 시사용되는용가재는인성분을함유하고있어냉각수와반응하여열적, 화학적영향에의해부식이발생한다. 특히기공부분에서인성분과반응하여인산염이형성되고, 이인산염이 Brazing 접합부경계면의기공부위에틈새부식을일으킨다. 즉틈새의공극이나용가재용입이취약한부위로틈새부식이진행되며, 제작사별로차이는있으나연간약 0.38mm의부식속도로틈새부식이진행되어냉각수 116 계장기술
표준화력발전기기술동향 가누설되는현상이발생한다. 1 Brazing 용가재표면냉각수접촉 2 냉각수가 Brazing 표면의 Void 로침투되고정체 3 Brazing 용가재의인성분과냉각수가반응하여인산염이형성되고, 부식이발생하여기공이점점성장 4 기공에정체되어있는인산용액에의해소선 (Copper) 표면부식발생 5, 6 Brazing 용가재와소선경계면의상호반복부식으로틈새부식진행 7 냉각수가누설되어절연물이흡습되고, 고정자권선접지로인한불시정지발생다. 냉각수누수정비경험에의한통계적분석과거 2000 2010년까지 10년간고정자권선냉각수누수에의한당사의정비경험을바탕으로한통계분석결과에서냉각수누수는대부분 Water Clip과 Pipe Connection 부위의 Brazing부에서발생됨을알수있다. 그리고냉각수누수원인중대부분이 Brazing 품질불량에의한현상임을알수있으며, 또한제작사별로는특정 OEM 디자인에집중되어있음을알수있다. 이는단순 Alloy 성분에의한화학적부식에의해냉각수누수가발생되는것이아니라브레이징품질불 량, 즉브레이징시모재틈새에 Alloy 가충분히침투되지않아 Brazing부결함 (Void) 존재시 Alloy 성분과결합하여부식진행이촉진됨을알수있다. (2) 고정자권선 Support System의기계적특성고정자권선끝단영역지지구조를통상 End Winding Support System이라칭하며, 운전중 Running Force, 기동정지시 Thermal Expansions Force 및 Sudden Short Circuit 발생시의 Fault Force에견딜수있어야한다. 주요구성품은 Outer Axial Support, Support Brac ket, Support Ring, Z-Ring(Radial Ring), Nose Ring 및 End Winding Binding으로구성되어 End Winding 전체구조를일체형으로지지하게된다. 현재표준화력기에적용된 End Winding Binding은 Comforming Locking Block을서로이웃하는 Bar 사이에조립하고, Tension Member는일련의 Bar Group 을형성하여원주방향으로 Glass Roving을이용하여 Bar를일괄고정하는방식이며, 또한슬롯내에서반경방향의 Bar Force에대해고정자권선을고정시키는 Wedge의경우 Cotton Cloth Base, Laminated Phenolic Sheet를사용하고있다. 이는정상운전중기계적열적영향에의해유기재료의휘발분에의한치수상미소한 Clip Cover, Phase Connection, Worm Hole 각 1 건 ( 각 5%) 기타 3 건 (15%) Casting Porosity 2 건 (10%) Clip to Strand 8 건 (40%) Brazing 품질불량 D 1 건 (5%) C 3 건 (15%) A 10 건 (50%) Brazing 품질불량 Pipe Connection 7 건 (35%) B 3 건 (15%) [ 발생부위및발생원인별 ] [ 제작사별 ] 표 2. 냉각수누수정비경험에의한통계적분석 2017. 1 117
한국, 일본의전력수요반응사업과발전기동향 Stator Bar Nose Ring Liquid Connector O.A.S Support Bracket L-Support Bearing Bolt Phase Conn Ring 그림 8. End Winding Support 조립도 변형이발생하여 Bar 고정상태가헐거워지고, 이로인해철심과웨지, 코일과철심, 코일과고정구조물, 고정구조물상호간에상대운동에의한마멸로절연물및웨지의마멸, 코일소손등의문제를야기시키게된다. Hollow Strand 로구성 Hollow Strand 와 Solid Strand 로구성 5. 주요설계변경및개선사항 (1) Bar Cross-section 개선 ( 최적소선배열구조적용 ) 최근발전기수명연장을위해고정자권선재권선및 Retrofit은용량격상을전제조건으로하여추진되는경향이있다. 따라서용량증대가가능토록 Copper 단면적증대를위한 Bar Cross Section 개선하여증가된부하전류를충분히수용하고, 변화된열손실과현재의냉각수펌프및냉각기용량을토대로 IEEE 115 와 C50.13 Code를적용하여 Simulation 을통한성능검증을수행하였다. 용량격상을위해기존권선은그림 9와같이소선 그림 9. Old Bar (Hollow Strand) 그림 10. New Bar (Hollow + Solid Strand) 전부가 Hollow Strand을사용하였으나, New Bar는 Hollow & Solid Strand를혼합한소선 (Mixed Strand) 로설계변경하여기존권선대리구리단면적을증가시켜증가된부하전류를수용하며또한권선의저항을감소시켜정상운정중발생하는손실을감소시켰다. 또한용량격상을위해서는냉각시스템, 회전자의전기 / 기계적특성, Collector Ring, Brush Rigging, High 118 계장기술
표준화력발전기기술동향 Voltage Bushing, CT 및 AVR 계통등에대한검토가수반되어야한다. To Test Transformer A Test Bar (2) 절연강도앞서언급한것처럼용량격상시구리단면적을증가시키는방식이적용되는데, 소선배열방식에따라주절연물의두께가변화될수있다. 이때가장중요한것은어떤경우라도주절연물은권선이대지전압에충분히견딜수있는절연내력을가져야한다. 따라서주절연물에적용되는 Mica Tape의절연내력특성을감안하여충분한주절연물두께가결정되어야한다. 다음식은일반적인절연물두께를선정하는계산식이다. U ph d F U L-L E = = [kv/mm] d F 3 단, E : 절연물에인가되는전계스트레스 (2.6~2.9kV/mm) U L-L : 선간전압 d F : Groundwall Insulation Thickness 정격전압에따른절연물스트레스를감안한절연두께로설계한후절연시스템에대한가속열화시험을통한신뢰성시험을수행하여야한다. 가. Thermal Cycle Test 기동및정지시발생되는고정자권선의온도상승및하강이반복되며, 이때 Copper와절연시스템간에는열팽창율차이로인해접촉부에전단응력이발생된다. 이에대한건전성을확인하는것이 Thermal Cycle 시험이며, IEEE Std 1310-2012에따른다. 권선에전류를인가후나동부를 2.5 /min로 40 에서 155 로상승시킨후다시 40 로냉각을 200회반복하여열적스트레스를인가한다. 단위횟수별시험전후로유전정접시험, Partial Discharge Test, 치수측정및 Tap Test를시행하고, 200회시험후에는 Dissection Test 및고전압시험을한다. A Control Bar Test Bar 나. Voltage Endurance Test 고정자권선에실제운전조건보다가혹한전기적스트레스를인가하였을때절연파괴존재여부를통해절연물의수명을예측하는시험으로 IEEE Std 1043-1996에따른다. 권선외부에히터를설치하여 110 ±2 로안정시킨상태에서선간전압 (E) 의 1.5배로전압을 400시간인가하여절연물의전압파괴현상유무를관찰한다. 시험완료후에는 Dissection Test를시행한다. 전체면에은분 Paint 적용 그림 11. Thermal Cycle 시험구성도 3300 2250(Armor Tape) 후은분 Paint 또는 AI 호일적용 75 300 150 Heater Plate 그림 12. Voltage Endurance 시험구성도 Grading Tape To Test Transformer 2017. 1 119
한국, 일본의전력수요반응사업과발전기동향 다. Voltage Breakdown Test 절연시스템이전기적 Stress를견디는절연내력을확인하는시험으로 ASTM D149-09에따른다. Thermal Cycle Test 및 Voltage Endurance Test를완료한시편을최초 50kV, 60Hz 전압에서 2kV씩상승시켜절연물파괴여부를확인한다. 고전압이인가됨으로시편을절연유속에넣어시험한다. (3) 냉각수누수억제기술냉각수누수를억제하기위해 Vertical Set-up Brazing 적용, 소선조립및단차적용, Water Clip 구조개선을통한 Brazing Point 감소및 Brazing Alloy 침투깊이개선, 용가재재질변경등을통하여근본적으로누수를방지할수있도록개선하였다. 가. Vertical Set-up Brazing 적용 고정자권선을 Vertical Set-up하여 Brazing Alloy 가 Strand to Strand 간틈새를따라하부로흘러내리도록하고, 누수의초기메커니즘을제공하는결함 (Void) 부를제거함으로써 Brazing 품질을확보하였다. 나. Strand 간단차적용 Hollow Strand와 Solid Strand 간끝단길이가차이가나도록단차를주어절단, 조립하여이단차부위에용가재가용입되도록설계함으로써소선간틈새발생시작점을근본적으로제거하고, Brazing 표면균일성을향상시켜냉각수정체현상을개선하였다. B A Hollow Stand Solid Stand 그림 13. Vertical Set-up Brazing Hollow Stand 와 Solid Strand 간단차를주어 Hollow Strand 사이로 Alloy 가충분히침투되고, 브레이징표면을균일하게하여품질을향상 그림 15. Strand 간단차적용 그림 14. Water Clip Brazing 부절단평가 1) Zone A : 100% 냉각수누설방지 2) Zone B : 양호한전기적연결및냉각수누설방지 120 계장기술
표준화력발전기기술동향 다. Water Clip 구조개선기존의 Water Clip의 Window Cover 부위를제거하고, 2 Pieces 구조로변경하여 Clip 하부측은 Brazing 시 Alloy 가소선간및소선과 Clip 간틈새로충분히침투되는과정을육안으로점검가능한구조로변경하였으며, 상부 Cap은진공로 Brazing을제작함으로써 Clip과 Nipple 간이종금속 Brazing 불량을제거하였다. 또한 Nipple 과냉각수공급부 (Copper Tube, Teflon Hose) 의 Brazing 접속을 Coupling 접속으로변경함으로써 Brazing Point를감소하였으며, 누수가빈번히발생되는 Copper Tube 접속 Sleeve 를제거함으로써누수발생부위를근본적으로차단하였다. (4) 진동억제기술가. 고정자권선 Rigid Connection 기존고장자권선은 Copper Flexible Leaf 구조로진동에취약한구조이며, 열팽창수축에의한 Root부집중인장스트레스에의한 Crack 등의문제가발생된다. 따라서, New Bar는 Water Clip 가공품일체의 Bus (Bar) 접속으로변경하여전기적접속및기계적, 전자기적진동에대한강성을증가시켰다. 1 2 3 Current Flow Water Flow 1 Water Clip to Strand Consolidation Braze 2 Cap to Header Braze 3 Cap to Pipe Nipple Braze( 진공로제작 ) 그림 18. Old Design(Leaf) 그림 16, Water Clip 구조 그림 17. TE&CE Coupling Connection 구조 그림 19. New Design 2017. 1 121
한국, 일본의전력수요반응사업과발전기동향 그림 20. Insulation Cap 및 Blocking 그림 21. Binding 구조개선 나. End Winding Knuckle 및 Binding 개선고장자권선의 Series Loop Bar 접속부 (Knuckle) 의절연방식을 Mica Taping 방식대신 Series Loop Insulation Cap type으로변경하여각권선 Knunckle 부에절연물 (Block) 을삽입하여 Glass Cord 로 Binding 하여 Blocking이용이한구조로각 Knuckle 을서로 Tying 하여 TE와 CE측끝단모두를하나의 Ring 구조로하여진동에대한강성을증가시켰다. 또한 Binding 구조역시 Glass Roving에의한일괄 Binding 방식에서 Top & Bottom Bar를 Support Ring에묶는 Band Tie 와인접한 Bar to Bar 간에 Conforming Locking Block 을조립하여전자기력에의한상호방향움직임으로부터 Bar를보호하는기능을가진다. (5) 부분방전억제기술고정자권선에서발생되는도체방전, 슬롯방전, 표면방전을방지하기위해코로나억제기술이적용된다. 코로나발생시주절연 (Organic components of the main walll) 의부식을유발하여절연물손상을일으킨다. 코로나방지기술은 ICP(Inner Corona Protection), OCP(Outer Corona Protection), ECP(End Corona Protection) 등으로구분된다. stator core tooth stator slot tapered wedge Tapered wedge slide Top ripple spring wedge packing Main insulation Outer corona protection Top bar Inner corona protection transposition filter Slot separator pad Bottom Bar Inter-conductor Insulation Solid copper conductor Hollow copper conductor Side packing Slot Bottom pad 그림 22. Slot 내구성품도체와주절연물사이의방전을방지하기위해 ICP를적용한다. - 내부 Gap : 도전성 Putty(Mastic) - Bar 전길이 : 도전성 Tape 122 계장기술
표준화력발전기기술동향 Laminated stator core Slot exit Laminated stator core Slot exit External corona protection End corona protection Copper conductors Roebel bar transposition Copper conductors Roebel bar transposition Main wall insulation Main wall insulation Formation of voids in the main wall insulation has to be avoided by correct application of insulating materials Internal corona protection 그림 23. ICP & OCP Voltage in kv 20 10 Without stress grading Corona Shield 217.21 Corona Shield 217.31 Corona Shield 217.22 0 0 5 10 15 20 Distance from slot exit in cm 그림 24. Stress Grading Tape 응력완화효과 주절연물과코어간슬롯방전을방지하기위해 OCP 적용 - Conductive Tape 및 Paint, Conductive Side Filer & Middle Filler 적용 - 전기적접속및기계적, 전자기적진동강성향상슬롯단부및단부권선의표면방전을방지하기위 해 ECP 적용 - SiC 재질의반도전성테이프, 반도전성 Varnish 처리 - 비선형적인전압 / 전류특성 - Overhang부의전계응력완화효과 2017. 1 123