발전기의 구조와 냉각방식

 1. 발전기의 구조

1) 고정자(Stator)

고정자는 케이싱, 철심과 권선(Coil)으로 구성되어 있고 내부의 온도를 측정하기 위하여 저항온도계를 철심에 설치한다. 케이싱은 철판을 용접하여 제작하며 수소냉각방식으로 하는 경우 기밀구조로 되어 있다. 철심은 규소강판을 적층하여 제작하고 균일한 간격으로 되어 있는 홈 속에 코일을 삽입한다.

2) 회전자(Rotor)

터빈 발전기는 고속용으로 주로 2극(3,600rpm)과 4극(1,800rpm)이 있으나 우리나라에서는 2극을 사용하고 있다. 수차 발전기에서는 저속기이므로 돌극형을 사용하나 터빈 발전기는 원통형을 사용한다.

회전자는 원통모양의 탄소강 또는 Ni강의 단조물로 되어 있으며 축방향으로 홈이 파여 있어 계자코일을 삽입한다. 회전자는 원심력, 편심력 및 열에 의한 왜형에 견디어야 하며 평형(Blancing)에 유의하여야 한다. 회전자의 코일은 슬립 링에 연결되어 있다.

3) 여자기(Exciter)

계자권선에 여자전류를 공급하는 여자기에는 직류발전기를 사용하는 방법과 정류기를 사용하는 방법이 있다. 직류발전기를 사용하는 방법에도 회전자에 직결하는 직결 여자기와 단독축을 가진 단독 여자기가 있으나 운전의 신뢰도와 유지관리의 편의성으로 직결 여자기가 주로 사용된다.

또한 여자기를 여자시키는 직류 발전기를 부여자기(Pilot exciter)라 하며 여자기의 축에 연결되어 있다. 부여자기의 용량은 주여자기의 3~4% 정도이다.

2. 발전기의 냉각 방식

일반적으로 발전기의 용량이 커지면 체적에 대한 표면적의 비율이 적어지므로 냉각이 어려워진다. 특히 증기터빈 발전기는 고속이라 직경에 비해 축방향의 길이가 매우 크기 때문에 냉매의 속도를 높이던가 비열이 큰 냉매를 사용하지 않으면 냉매의 온도가 상승하여 냉각작용이 둔화된다.

냉각방법으로는 공기냉각법과 수소냉각법이 있으며 이들은 다시 간접냉각과 직접냉각으로 구분된다. 간접냉각법은 직접 코일을 냉각시키는 것이 아니고 철심 혹은 절연 피복을 냉각시키는 방식이다. 직접냉각법은 코일에 구멍을 뚫고 냉매를 이곳으로 통과시켜 냉각하는 방식이다. 이 냉각법은 간접냉각에 비해 냉각효과는 현저하게 좋으나 제작이 어려워진다.

터빈발전기의 풍손은 공기냉각식의 경우 전 손실의 40~45%를 차지하지만 공기 대신에 수소를 사용하면 수소의 비중이 작고 열전도율이 크기 때문에 풍손은 약 1/10로 감소한다. 따라서 동일 기계의 경우 공기냉각보다 정격출력을 약 20% 정도 증가시킬 수 있다.

그러나 수소 속에 공기가 혼입되면 폭발이 일어나기 때문에 수소압력을 대기압보다 높이고 누기가 발생하지 않도록 밀폐에 세심한 주의를 기울여야 한다.