대형 수력 발전기에서 고정자와 회전자 사이의 불균일한 공극(일반적으로 "공극 편심"이라고 함)은 발전기의 안정적인 작동과 수명에 일련의 악영향을 미칠 수 있는 심각한 고장 모드입니다.
간단히 말해, 불균일한 공극은 비대칭적인 자기장 분포를 유발하고, 이는 일련의 전자기적 및 기계적 문제를 일으킵니다. 아래에서는 고정자 전류 및 전압에 미치는 영향과 기타 관련 악영향을 자세히 분석합니다.
I. 고정자 전류에 미치는 영향
이것이 가장 직접적이고 명백한 효과입니다.
1. 전류 증가 및 파형 왜곡
원리: 공극이 작은 영역에서는 자기 저항이 작고 자속 밀도가 크며, 공극이 큰 영역에서는 자기 저항이 크고 자속 밀도가 작습니다. 이러한 비대칭적인 자기장은 고정자 권선에 불균형적인 기전력을 유도합니다.
성능: 이는 3상 고정자 전류의 불균형을 초래합니다. 더욱 중요한 것은, 전류 파형에 다수의 고차 고조파, 특히 홀수 고조파(예: 3차, 5차, 7차 등)가 유입되어 전류 파형이 매끄러운 정현파가 아닌 왜곡된 파형이 된다는 점입니다.
2. 특성 주파수를 갖는 전류 성분 생성
원리: 회전하는 편심 자기장은 기본 전력 주파수 전류를 변조하는 저주파 변조 소스와 같습니다.
성능: 고정자 전류 스펙트럼에 측파대가 나타납니다. 특히, 기본 주파수(50Hz)의 양쪽에 특성 주파수 성분이 나타납니다.
3. 권선의 국부적 과열
원리: 전류의 고조파 성분은 고정자 권선의 동손(I²R 손실)을 증가시킵니다. 동시에 고조파 전류는 철심에 추가적인 와전류 및 히스테리시스 손실을 발생시켜 철손을 증가시킵니다.
성능: 고정자 권선 및 철심의 국부 온도가 비정상적으로 상승하여 절연 재료의 허용 한계를 초과하고 절연 노화를 가속화하며 심지어 단락 소손 사고를 유발할 수 있습니다.
II. 고정자 전압에 미치는 영향
전압에 미치는 영향은 전류에 미치는 영향만큼 직접적이지는 않지만, 그 중요성은 결코 뒤지지 않습니다.
1. 전압 파형 왜곡
원리: 발전기에서 발생하는 기전력은 공극 자속에 직접적으로 비례합니다. 공극이 고르지 않으면 자속 파형이 왜곡되고, 이로 인해 유도되는 고정자 전압 파형 또한 왜곡되어 고조파 전압이 포함됩니다.
성능: 출력 전압 품질이 저하되어 더 이상 표준 정현파가 아닙니다.
2. 전압 불균형
심각한 비대칭의 경우, 3상 출력 전압에 일정 정도의 불균형이 발생할 수 있습니다.
III. 기타 더욱 심각한 부작용 (전류 ​​및 전압 문제로 인한 것)
위의 전류 및 전압 문제는 더욱 치명적인 연쇄 반응을 일으킬 수 있습니다.
1. 불균형 자기력(UMP)
이것이 바로 공극 편심의 가장 핵심적이고 위험한 결과입니다.
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원리: 공극이 작은 쪽의 자기력은 공극이 큰 쪽보다 훨씬 강합니다. 이러한 순 자기력(UMP)으로 인해 로터는 공극이 작은 쪽으로 더욱 강하게 당겨집니다.
악순환: UMP는 불균형한 공극 문제를 더욱 악화시켜 악순환을 초래합니다. 편심이 심할수록 UMP가 커지고, UMP가 클수록 편심이 더욱 심해집니다.
결과:
•진동 및 소음 증가: 본 장치는 강력한 주파수 배가 진동(주로 전력 주파수의 2배, 100Hz)을 발생시키며, 진동 및 소음 수준이 크게 증가합니다.
•부품의 기계적 손상: 장기간의 UMP(초고속 진동)는 베어링 마모 증가, 저널 피로, 샤프트 휜 현상을 유발하며, 심지어 고정자와 회전자가 서로 마찰(상호 마찰 및 충돌)하여 치명적인 고장을 초래할 수도 있습니다.
2. 기기 진동 증가

출처: 주로 두 가지 측면에서:
1. 전자기 진동: 불균형 자기력(UMP)에 의해 발생하며, 주파수는 회전 자기장 및 그리드 주파수와 관련이 있습니다.
2. 기계적 진동: 베어링 마모, 축 정렬 불량 및 UMP로 인한 기타 문제로 인해 발생합니다.
결과: 터빈을 포함한 전체 발전기 세트의 안정적인 작동에 영향을 미치고 발전소 구조물의 안전을 위협합니다.
3. 계통 연계 및 전력 시스템에 미치는 영향
전압 파형 왜곡 및 전류 고조파는 발전소 전력 시스템을 오염시키고 계통에 유입되어 동일 모선상의 다른 장비의 정상적인 작동에 영향을 미칠 수 있으며 전력 품질 요구 사항을 충족하지 못하게 합니다.
4. 효율 및 출력 감소
추가적인 고조파 손실과 발열은 발전기의 효율을 저하시키고, 동일한 수력 입력량에서 유효 출력량이 감소하게 됩니다.
결론

대형 수력 발전기에서 고정자와 회전자 사이의 불균일한 공극은 결코 사소한 문제가 아닙니다. 이는 전자기적 문제로 시작되지만, 전기적, 기계적, 열적 측면이 복합적으로 작용하는 심각한 고장으로 빠르게 발전합니다. 불균일한 공극으로 인해 발생하는 불균형 자기력(UMP)과 그로 인한 심각한 진동은 발전기의 안전 운전을 위협하는 주요 요인입니다. 따라서 발전기 설치, 유지 보수, 그리고 일상적인 운전 및 유지 보수 과정에서 공극의 균일성을 엄격하게 관리해야 하며, 진동, 전류, 공극 모니터링 등의 온라인 모니터링 시스템을 통해 편심 고장의 초기 징후를 감지하고 적시에 조치해야 합니다.