터빈 발전기

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 초기 역사
3. 구조적 특징
- 3.1. 회전자
- 3.2. 고정자
4. 수소 냉각
5. 고정자 직접 수냉각
6. 출력 제한과 가능 출력 곡선
7. 효율 및 초전도 발전기
- 7.1. 초전도 발전기 개발 현황
8. 관련 문서
참조

1. 개요

터빈 발전기는 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기이다. 1866년 최초의 수차가 개발되었고, 1883년 산업 규모의 터빈 발전기 생산이 시작되었다. 터빈 발전기는 증기 및 가스 터빈에서 높은 회전 속도에 맞춰 설계되며, 회전자는 주로 비돌극 유형이다. 대형 터빈 발전기는 단조 강철이나 합금을 사용하며, 고정자는 두 개 이상의 부분으로 제작될 수 있다. 터빈 발전기는 수소 냉각 방식을 사용하여 효율을 높이고 있으며, 수소는 열전도율, 비열, 밀도 측면에서 냉각에 유리하다. 또한, 출력 제한과 가능 출력 곡선을 통해 운전되며, 효율이 매우 높다. 초전도 발전기는 효율 증대 및 계통 안정도 향상을 위해 연구되고 있다.

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터빈 발전기
개요
지멘스 SST5-6000 터보 발전기
유형	전기 기계
작동 원리	전자기 유도
연결 대상	터빈
적용 분야	발전소
상세 정보
설명	터보 발전기는 터빈과 연결되어 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 기계이다. 발전소에서 주로 사용되며, 증기 터빈, 가스 터빈, 수력 터빈 등 다양한 종류의 터빈과 결합될 수 있다. 터보 발전기는 대용량의 전력을 생산하는 데 효율적이며, 안정적인 전력 공급에 기여한다.
작동 원리	터보 발전기는 전자기 유도의 원리를 이용하여 작동한다. 터빈의 회전 운동은 발전기 내부의 회전자를 회전시키고, 이 회전자가 자기장 내에서 움직이면서 전기 에너지를 생성한다. 생성된 전기 에너지는 변압기를 통해 전압을 높여 송전망으로 전송된다.
특징	고효율: 대용량 발전이 가능하며 효율이 높다. 안정성: 안정적인 전력 공급이 가능하다. 다양한 적용 분야: 증기 터빈, 가스 터빈, 수력 터빈 등 다양한 터빈과 결합될 수 있다.
주의사항	유지 보수: 정기적인 유지 보수가 필요하다. 안전: 고전압 장비이므로 안전에 유의해야 한다.

2. 역사

터빈 발전기는 1903년에 헝가리의 기술자 블라티 오토가 발명했다. 터빈 발전기는 객차 조명 및 난방 시스템의 전원으로 증기 기관차에 사용되거나, 객차 조명 및 난방 시스템용 워터 펌프의 동력원으로 증기 기관차에도 사용되었다.

2. 1. 초기 역사

최초의 터빈 발전기는 발전기를 추진한 수차였다. 최초의 헝가리 수차는 1866년 간즈 작품의 기술자가 설계했고, 발전기가 있는 산업 규모의 생산은 1883년에 시작되었다.^[2]

파슨스는 1887년에 발전기를 사용하는 직류 증기 터빈 발전기를 시연했으며,^[3] 1901년에는 독일 에베르펠트 공장에 메가와트급의 최초 대형 산업용 교류 터빈 발전기를 공급했다.^[4]

3. 구조적 특징

터빈 발전기는 증기 및 가스 터빈의 높은 회전 속도에 맞춰 사용된다. 축 방향으로 길고, 축을 수평으로 눕힌 형태가 많다. 대형 화력 발전소에서는 에너지 공급·변환 장치와 터빈 부분을 별도의 건물에 설치하는 경우가 있는데, 이 터빈을 격납하는 시설을 '''터빈 건물'''이라고 부른다.^[5]

3. 1. 회전자

터보 발전기의 회전자는 비돌극 유형이며, 50Hz에서 4극 또는 2극일 때 1500 또는 3000rpm, 60Hz에서 4극 또는 2극일 때 1800 또는 3600rpm으로 회전한다.^[5] 회전 부품은 고속 작동으로 인해 높은 기계적 응력을 받기 때문에, 대형 터보 발전기에서는 높은 기계적 강성을 위해 단조 강철이나 크롬-니켈-강 또는 크롬-니켈-몰리브덴과 같은 합금이 사용된다.^[6]

주변의 권선 돌출부는 강철 고정 링으로 고정되고, 슬롯 상단의 무거운 비자성 금속 웨지는 원심력에 대해 계자 권선을 고정한다. 운모 및 석면과 같은 경질 복합 절연 재료는 회전자의 슬롯에 사용되는데, 이러한 재료는 고온 및 높은 압축력을 견딜 수 있다.^[6] 터빈의 고속 회전에 대응하기 위해 직결되는 발전기는 직경을 작게 하고 축 방향으로 길게 만들며, 자극 수는 통상 화력 발전기에서 2극(4극기도 있음), 원자력 발전기에서 4극이 사용된다. 자극 수가 2일 때의 회전수(동기 속도)는 50Hz용으로 3000rpm, 60Hz용에서는 3600rpm이다.

3. 2. 고정자

대형 터빈 발전기의 고정자는 둘 이상의 부분으로 제작될 수 있지만, 소형 터빈 발전기의 경우 하나의 완전한 부품으로 제작된다.^[7]

4. 수소 냉각

수소 냉각은 터빈 발전기의 효율을 높이고, 코로나 방전으로 인한 손상을 줄이기 위해 사용되는 냉각 방식이다.

1937년 10월 미국 오하이오주 데이턴의 데이턴 파워 & 라이트 사가 수소 냉각 터보 발전기에 기체 수소를 처음으로 냉각수로 사용하였다.^[8] 수소는 회전자와 때로는 고정자의 냉각수로 사용되어 효율을 99.0%까지 높일 수 있다. 수소는 열전도율과 비열이 높고 밀도가 낮아 냉각 효율이 우수하며, 전기 분해를 통해 현장에서 제조할 수 있다.

터빈 발전기는 계자와 고정자에 큰 전류가 흘러 냉각이 중요하다. 100MVA급 이하에서는 공랭식을 사용하기도 하지만, 100~1,000MVA급에서는 수소 냉각을 주로 사용한다.

수소는 가연성·폭발성 기체이지만, 공기나 산소와 섞이지 않으면 폭발하지 않으며, 적절히 취급하면 안전하다. 발전기 내 수소 압력은 대기압의 2~5배로 유지되며, 발전기 용기는 폭발에 견딜 수 있는 구조로 되어 있다.

일본에서는 1953년 도쿄전력 조다 발전소 3호기(출력 55MW)에 수소 냉각 터빈 발전기가 처음 도입되었다.

4. 1. 수소 냉각의 원리

1937년 10월 미국 오하이오주 데이턴에서 데이턴 파워 & 라이트 사가 설치한 수소 냉각 터보 발전기에서 기체 수소가 처음으로 냉각수로 사용되었다.^[8] 수소는 열전도율과 비열이 높고 밀도가 낮아 냉각 효율이 우수하며, 발전기 효율을 99.0%까지 향상시킬 수 있다. 수소는 전기 분해를 통해 현장에서 제조할 수 있다.

발전기는 수소 가스 누출을 막기 위해 밀폐되어 있다. 내부에는 산소가 없어 코로나 방전으로 인한 권선 절연 손상을 줄일 수 있다. 수소 가스는 회전자 인클로저 내에서 순환하며, 가스-물 열교환기에 의해 냉각된다.^[9]

터빈 발전기는 계자와 고정자에 큰 전류가 흘러 냉각이 중요하다. 100MVA급 이하에서는 공랭식이 사용되기도 하지만, 100~1,000MVA급 대용량 발전기에서는 냉각 효과를 높이기 위해 수소를 냉매로 사용한다. 수소는 공기에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

열전도 및 열전달이 우수하여 냉각 효과가 높다.
밀도가 낮아 풍손이 적다.
절연력이 높다.
발전기 구성 재료(철심, 도체, 절연체 등)를 산화시키지 않는다.

수소는 가연성 및 폭발성 기체이지만, 공기나 산소와 섞이지 않으면 폭발하지 않으며, 적절히 취급하면 안전하다. 발전기 내 수소 압력은 대기압의 2~5배로 유지되며, 발전기 용기는 폭발에 견딜 수 있는 구조로 되어 있다.

발전기 점검 시에는 수소와 공기가 섞여 폭발하는 것을 막기 위해, 발전기 내 수소를 이산화 탄소로 치환한 후 공기로 치환한다.

일본에서는 1953년 도쿄전력 조다 발전소 3호기(출력 55MW)에 수소 냉각 터빈 발전기가 처음 도입되었다.

고정자 냉각에는 수소 냉각보다 냉각 효과가 높은 '''고정자 직접 수냉각''' 방식이 사용되기도 한다. 이 방식은 고정자 도체 내부에 구멍을 뚫어 냉각용 순수를 통과시키는 방식이다. 고전압이 인가되는 부분을 물로 냉각하는 것이 우려될 수 있지만, 고순도 물은 훌륭한 절연체이다. 회전자 수냉각도 기술적으로 가능하지만, 구조가 복잡하고 비용이 높아 거의 채택되지 않는다.

4. 2. 수소 냉각 방식

발전기는 수소 가스 누출을 방지하기 위해 밀폐되어 있다. 내부 대기 중의 산소가 없으면, 잠재적인 코로나 방전으로 인한 권선의 절연 손상을 현저히 줄일 수 있다. 수소 가스는 회전자 인클로저 내에서 순환하며, 가스-물 열교환기에 의해 냉각된다.^[9] 기기 내에서 수소와 공기가 혼합되어 폭발성 분위기가 되는 것을 피하기 위해, 발전기 내의 수소를 이산화 탄소로 치환하는 과정이 필요하다.

4. 3. 한국의 수소 냉각 기술 도입

도쿄전력 조다 발전소 3호기(출력 55MW)에서 1953년에 수소 냉각 터빈 발전기가 일본에서 처음 도입된 이후, 한국의 발전소에도 수소 냉각 방식이 널리 적용되었다.^[1]

5. 고정자 직접 수냉각

수소 냉각보다 냉각 효과를 높이기 위해, 고정자의 도체 내부에 뚫린 구멍에 냉각용 순수를 통과시키는 '''고정자 직접 수냉각'''이 사용되는 경우가 많다. 고전압이 인가되는 부재를 직접 물로 냉각하는 것에 대해 우려를 느낄 수도 있지만, 고순도의 물은 훌륭한 절연체이다.

6. 출력 제한과 가능 출력 곡선

터빈 발전기의 운전에서는 피상 전력([VA]) (유효 전력[W]과 무효 전력[var]의 벡터 합의 크기)으로 결정되는 고정자 전류를 기기 소정의 제한값 이내로 유지할 필요가 있다. 그러나 부하의 역률이 낮은 경우, 다음 요인에 의해서도 제약을 받는다.

지상 역률(유도성 부하)에서는 역률이 저하됨에 따라 같은 출력에서도 계자 전류를 강화해야 하므로, 계자 권선의 전류 제한에 의해 출력이 제한을 받는다.

진상 역률(용량성 부하)에서는 같은 출력에서도 계자 전류를 약하게 하지만, 고정자 단부로의 자속 집중으로 인한 과열이나 동기화력 감소에 의한 난조나 탈조(동기 이탈)를 방지하기 위해 출력이 제한을 받는다.

실제 터빈 발전기에서는 위 내용을 정리한 것이 가능 출력 곡선으로 정해져 있으며, 운전 시 반드시 고려해야 할 중요한 사항이다.

7. 효율 및 초전도 발전기

터빈 발전기는 효율이 높으며, 대형 수소 냉각기에서는 99%를 넘는 것도 있다. 회전자 권선에 초전도체를 사용한 초전도 발전기는 여자(勵磁)를 위한 전력을 크게 절감할 수 있고, 계통 안정도 측면에서도 유리하여 기대를 모으고 있다.

7. 1. 초전도 발전기 개발 현황

터빈 발전기는 효율이 높으며, 대형 수소 냉각기에서는 99%를 넘는 것도 있다. 또한, 회전자 권선에 초전도체 도체를 사용한 초전도 발전기는 여자(勵磁)를 위한 전력을 크게 절감할 수 있고, 계통 안정도 측면에서도 유리하기 때문에 기대를 모으고 있으며, 국내외에서 수만 kVA급 시작기를 통해 실증이 이루어졌다. 현재도 비용 절감 및 신뢰도 확립과 같은 과제를 극복하기 위해 실용화를 위한 연구 개발이 진행되고 있다.

8. 관련 문서

터빈
증기 터빈
가스터빈 엔진
발전용 수차

참조

_[1] 웹사이트 The turbogenerator – A continuous engineering challenge http://www.labplan.u[...] 2010-08-21
_[2] 웹사이트 Vízenergia hasznosítás szigetközi szemmel Avagy mi lesz veled, Dunakiliti? http://www.sze.hu/~m[...] 2013-10-15
_[3] 서적 Creating the Twentieth Century https://archive.org/[...] Oxford University Press
_[4] 간행물 Scientific American 1901-04-27
_[5] 서적 Basic Electrical Engineering (Be 104) https://books.google[...] McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited 2017-08-08
_[6] 서적 Basic Electrical Engineering (Be 104) https://books.google[...] McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited 2017-08-08
_[7] 서적 Basic Electrical Engineering (Be 104) https://books.google[...] McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited 2017-08-08
_[8] 웹사이트 A chronological history of electrical development from 600 B.C. https://archive.org/[...] New York, N.Y., National Electrical Manufacturers Association 2018-02-11
_[9] 웹사이트 Aeroderivative & Heavy-Duty Gas Turbines - GE Power http://www.gepower.c[...] 2010-05-05
_[10] 웹인용 터빈 발전기 - A continuous engineering challenge http://www.labplan.u[...] 2017-02-25