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발전소 전기설비 운용을 위한 기술검토

김봉희 교수 명지전문대학

화력 KEPIC 적용 워크숍


목 차

1.발전기 가능출력 곡선

1.1발전기 가능출력 곡선 운전 영역

1.2 발전기의 여자기 운전모드

1.3 발전기용 승압변압기 탭의 역할

1.4 발전기 무효전력발생과 승압변압기의 관계 계산 예

2. 발전기 보호계전기 종류

2.1 발전기 보호계전기 단선도 종류

2.2 unit generator Transformer configuration

2.3 generator –transformer Tripping logic

3. 발전소 소내 계통 구성

4. 발전소 소내 계통의 과전류 보호기기

4.1 한시 과전류 계전기

4.2 순시 과전류 계전기

4.3 한시 과전류계전기의 전류시간곡선

4.4 직접 구동형 기기

4.5 Digital relay 특성곡선

4.6 보호협조시간

4.7 모터 보호 용 OCR setting

4.8 변압기 보호 용 OCR setting

4.9. Incoming feeder의 OCR setting

4.10 Example of Time Current Coordination

5. 발전소 운용을 위한 기술계산의 종류

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1. 발전기 가능출력 곡선 (generator capability curve)

발전기가 계통에 접속되어 운전할 때, 발전기 각 부위가 허용온도상승 범위를

넘지않고 연속 운전가능한 출력 범위

역율, 냉각수소압력에 따라 가능한 출력을

횡축 - 유효전력(MW), 종축 -무효전력(Mvar)을 표기

A 영역 : 회전자 온도에 의해 제한

정격 역율 이하의 지상역율 범위에서

무효전력을 증가 계자전류 증가 계자권선 (회전자 권선) 온도상승

B 영역 : 고정자온도 에 의해 제한

정격 역율 부근 운전시

전기자 전류 (유효전력) 증가 전기자 권선 온도 상승

C 영역 : 고정자 철심 단부온도에 해 제한되는 범위

진상무효전력 증가시키려면 계자전류를 정격이하로 감소 회전자 철심이 포화되지 않음 회전자 단부 권선 보호환(retaining ring)에서 고정자철심단부로

누설자속증가 고장자 철심 단부 온도 상승.

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1.1발전기 가능출력 곡선 운전 영역

5


1.2 발전기의 여자기 운전모드:

MVAR control mode:

무효전력을 일정하게 내기 위하여 여자기 출력을 조정하는 운전방법,

계통전압 변동과 관계없이 운전하므로 발전기의 과여자를 방지할 수 있다.

AVR control mode:

기준전압(설정치)를 유지하기 위하여 AVR feedback control에 의해 발전기의 여자기를 조정하는 운전,

계통의 전압변동에 응동하여 발전기 무효전력을 조정한다.

계통전압이 강하하면 이를 회복시키기 위하여 무효전력을 많이 내므로 발전기가 과여자 될 수 있다.

Q(minlimit)<Q<Q(maxlimit)를 벗어나면 발전기는 이 Limit선상에서 부하로 작용하므로 전압을 설정치에 유지하지 못한다.

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1.3 발전기용 승압변압기 탭의 역할:

HV, LV의 base voltage(=1.0)을 바꾸는 것

예) 154/11kV Tap을 +1.05로 바꾸면

HV측의 base voltage를 154x1.05=161.7kV로 바꾸는 것

즉 LV 측의 1.0pu는 11kV이지만

HV 측의 1.0pu는 161.7kV임.

전압의 변화는 무효전력의 변화에 비례하므로

변압기 양단의 per unit 모선전압이 상승하강에 따라

무효 전력의 흐름이 감소, 증가 한다.

즉, HV1.05pu, LV1.0pu이면 HV->LV 측으로 무효전력이 흐름.

OLTC 사용 운전중 탭변환에 의해 무효전력의 변경 가능

NLTC 사용 운전중 탭변환 불가하므로 발전기 전압변환에 의해 무효전력 변경 (계통전압 변화에 대비한 opimal tap 설정해야)

발전기 가능출력 곡선내의 무효전력 출력범위에 만족하도록 tap 범위 갖춘 변압기 제작이 중요함.

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1.4 발전기 무효전력발생과 승압변압기의 관계 계산 예 GEN 100MW 0.85PF, Load Flow Test

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발전기 무효전력발생과 승압변압기의 관계 계산 예 GEN 100MW 0.85PF, Load Flow Test

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발전기 무효전력발생과 승압변압기의 관계 계산 예 GEN 100MW 0.85PF, Load Flow Test

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2. 발전기 보호계전기 종류 (generator protection relay)

Ref. IEEE Std C37.102-1995

Guide for AC generator protection

2.1 발전기 보호계전기 단선도 종류

1) Unit generator transformer configuration

2) Unit generator transformer configuration with dual gen. CB

3) Cross compound generators (HP LP turbine generator 별도)

4) Generator sharing a unit transformer

5) Generator with direct connection to distribution

6) Combustion turbine generator

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2.2

unit generator

Transformer

configuration

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2.3

generator

-transformer

Tripping

logic

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unit generator

Transformer

configuration

86:발전기측 문제 94:계통측 문제

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3. 발전소 소내 계통 구성

1)Unit aux. transformer에서 전원 공급하는 고압/저압 모터 공급계통

발전기 정상 운전시 발전기로 부터 발전용 보조기기 전원 공급

2)Start-up transformer에서 전원 공급하는 고압/저압 모터 공급계통

발전기/터빈 /보일러 기동을 위한 보조기기 전원 을 공급하여 발전

가능하도록 준비

3) Bus transfer (전원 절체):

발전기 trip시 unit aux. transformer에서 공급되는 보조기기 의 정지없이 전원을 계속 공급하기 위해 start-up transformer 측으로

fast transfer 함. (circuit breaker transfer time이 중요)

Fast transfer가 실패하면 모터감속 후 잔류전압이 40% 미만에 이른후 delayed transfer 함.

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Start-up

Transformer

단선도

와

과전류 보호

기기

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4. 발전소 소내 계통의 과전류 보호기기

4.1 한시 과전류 계전기

Figure. Electro Magnetic Relay (電磁식 계전기)

종래의 Induction disk type OCR with instantaneous attachment

digital relay 전류-시간 특성은 Induction disk type 특성을 수식 함수로 모의하여 프로그램화 한것

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Distribution Line Fault Calculation and Protection Coordination

4.2 순시 과전류 계전기 Instantaneous relay

Two types of EM instantaneous relays; use the principle of electromagnetic

attraction

- solenoid (or plunger)

The pickup current is determined by the position of the plunger using screw.

- clapper (or hinged-armature),

solenoid type clapper type

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4.3 한시과전류계전기의 전류시간곡선

Time current curve (TCC)

3 types

Inverse (반한시)

very in verse (강반한시)

extremely inverse (초반한시)

Tap :

adjustment setting of pick-up current (ampere)

Time Dial:

adjustment setting of moving contact position

(time in seconds, curve number)

Tap setting high/low (Amp) disk moves fast/slow

Time Dial curve number high/low time delay (seconds) long/short

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Typical

Time Current Curve

very inverse type

(강반한시)

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반한시 특성 곡선, GE IAC type

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4.4 직접구동형 기기 Direct Acting Trip Device (DATD)

OC trip 요소가 load conductor와 직결된것.

Low voltage power circuit breaker (LVPCB), so called ACB.

Solid state trip (SST) device 가 내장되어 있슴..

Thermal magnetic Moulded Case Circuit Breaker (MCCB)

LVPCB MCCB

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Time current curve of SST type LVPCB (ACB)

SST device panel에 있는 Dial을 조정;

Long Time(LT), Short Time(ST), Instantaneous

Ground Fault

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Time current curve (t.c.c.) of MCCB

MCCB에 있는 Dial을 조정;

Long Time(LT), Instantaneous

MCCB의 전형적인 t.c.c. MCCB sample 225AF, 50/63/100/150/225AT

Inst. Trip current 50AT(300-600A), 63AT(400-800A),

100AT(650-1300A), 150AT(1000-2100A), 225AT(1350-2900A)

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Distribution Line Fault Calculation and Protection Coordination

4.5 Digital relay 특성곡선

digital relay의 TCC는 Electro Magnetic Relay와 같음.

각 곡선이 수학적 방정식 (mathematical equation)에 의해 표시됨..

Time setting은 Multiplier(M)을 조정.

ANSI curve, IEC curve, maker curve, KEPCO curve가 있음.

(1) ANSI curve equation

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Digital relay 특성 곡선

(2) GE IAC curve equation

(3) IEC curve equation

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4.6보호협조시간 Coordination Time Interval (CTI)

협조 목적: 차단기의 선택차단

최소 시간 간격이 필요한 이유:.

1. 계전기들의 특성이 다르고, EM relay 경우 over travel이 있슴..

2. Fuses는 meting/clearing 특성이 다름.

3. 차단기 동작 시간오차.

한시 과전류 계전기의 CTI ;

0.3 seconds-0.4 seconds time interval 적용;

1. 모타기동전류를 포함한 최대연속전류에서 협조

2. 순시 setting 차단기와 협조

3. 2개의 보호기기를 통과하는 최대 단락전류에서 협조.

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CTI per IEEE 242-2001 Table 15-1

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CTI for Direct Acting Trip Device (DATD)

LVPCB (ACB), MCCB :

특성곡선이 겹치지 않게.

LVPCB의 Upper band – 최대지연 고장제거시간

LVPCB의 Lower band –차단안되는 최대시간

Fuse 곡선은 ACB와 같은 의미.

cf. 계전기가 단선으로 표시된 이유:

반복 동작해도 오차가 적음.

MCCB 의 Thermal magnetic 특성은 온도에

영향받음. 반복성이 적음.

LV circuit breaker 순시요소는 위치에 따라

협조가능

Isc at the lower location

< Isc at the upper location.

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4.7 모터 보호 용 OCR setting

51 relay Ampere : motor full load current (FLC, ILF) 의 105%-125%

Time Dial: safe stall time 과 starting curve 사이에서 조정.

safe stall time : 구속전류 lock rotor current (ILR)에서 견디는 열적한계시간

50 relay Ampere Tap: 175%-200% of ILR

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4.8 변압기 보호 용 OCR setting

51 relay Ampere Tap:

51 at TR primary: 200%-300% of TR full load current (FLC, ILF)

51 at TR secondary: 125%-200% of TR full load current (FLC, ILF)

Time Dial: 열적한계곡선 보다는 밑에 inrush current 보다는 위에 TCC 곡선을 조정.

50 relay at TR primary: TR 2차측 3상 단락전류의 150%.

TR inrush current에 동작하지 않도록.

TR inrush current : TR full load current의 8 to 12 배, 0.1초 지속.

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OCR setting of transformer protection

열적한계곡선 (TR thermal limit curve):

ANSI point I2 t=1250 , I = TR ONAN 의 FLC

Through fault capability curve per ANSI/IEEE C57.109-1993

(1) Z= 4 – 7%

tANSI = %Z - 2 seconds

for delta-wye TR, multiply 0.58 (=1/sqrt3) to IANSI

(2) Z<= 4% at tANSI = 2 seconds , 25 x IFLC

(3) Z>= 7% at tANSI = 5 seconds , 14.3 x IFLC

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통과 고장 능력곡선 Through fault Capability Curve

저빈도고장 변압기: 열적손상 고려, 축적된 기계적손상 불고려

다빈도 고장 변압기: 열적손상과 축적된 기계적손상 고려

through fault capability curve; 4 categories figures 11-19/20/21/22

category Single phase 3 phase

I 5-500kVA 15-500kVA

II 501-1,667kVA 501-5,000kVA

III 1668-10,000kVA 500-30,000kVA

IV >10,000kVA >30,000kVA

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IEEE Std.242-2001

Figure 11-19

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IEEE Std.242-2001

Figure 11-20

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IEEE Std.242-2001

Figure 11-21

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IEEE Std.242-2001

Figure 11-22

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4.9. Incoming feeder의 OCR setting

51 relay Ampere Tap: 125% or above x Inormal

최대 정상운전 전류 (=가장 큰 모터의 기동전류 + 나머지 부하전류의 합 )보다

크게 정정

Time Dial: 하단 모든 과전류 게전기와 협조.

50 relay Ampere Tap: 하단 협조를 위해 정정하지 않음.

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4.10 Example of Time

Current Coordination

(TCC)

Sample

Single

Line

Diagram

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Time Current

Coordination

(TCC)

curve

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5. 발전소 운용을 위한 기술계산의 종류

5.1. 고장전류계산: 차단기 적정성, 보호계전기 정정 치의 적정성

5.2 전력조류 및 전압변동 계산:

발전기의 가능출력 곡선 내 운전 여부 와 승압변압기 탭 적정성 검토

소내 large motor기동시 모선 전압강하 검토

5.3 보호협조계산:

소내 보조기기 의 과전류 보호협조, 발전기 보호계전기, T/L 보호계전기

5.4 과도안정도 계산 : T/L CCT 계산 및 T/L 후비보호계전기 시간지연 계산

( Breaker Failure Protection Time Delay)

5.5. 미소신호안정도 계산 :발전기의 계통병입후 저주파진동 여부 검토

5.7 써지 해석 : 낙뢰 써지, 개폐써지 로부터 기기의 절연능력(BIL), 피뢰기 정격/

위치 의 적정성 여부

Cf. 해석용 컴퓨터 프로그램: ETAP, PSS/E, PSSE/NEVA, EMTP

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