동기발전기의 병렬운전 조건

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1 출제 포인트 — 이렇게 나옵니다

38회 시험 중에서 18번 나왔습니다

2010~2022년 기출 38회 시험 기준

출제 회차 2010년 1차 · 2010년 2차 · 2010년 3차 · 2011년 2차 · 2011년 3차 · 2012년 1차 · 2012년 2차 · 2014년 2차 · 2014년 3차 · 2015년 1차 · 2015년 2차 · 2016년 1차 · 2018년 2차 · 2019년 2차 · 2020년 2차 · 2021년 1차 · 2021년 2차 · 2022년 1차

2 쉬운 설명

병렬운전은 발전기 여러 대를 한 선로에 연결해 전력을 나누어 공급하는 것이다. 이때 두 발전기 기전력(발전기가 만드는 전압)의 크기·위상·주파수·파형이 같아야 하고, 3상에서는 상회전 방향도 같아야 한다.

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조건이 어긋나면 나타나는 현상이 다르다. 기전력의 크기가 다르면 두 발전기 사이로 무효 순환전류(무효 횡류)가 흐르고, 위상이 다르면 유효 순환전류(유효 횡류)인 동기화 전류가 흐른다. 파형이 다르면 고조파 무효 순환전류가 흐른다. 주파수가 다르면 위상차가 계속 변해 함께 운전할 수 없고, 출력이 요동하며 권선이 가열된다. 상회전 방향이 다르면 아예 연결할 수 없다.

용량은 병렬운전 조건이 아니다. 용량은 발전기가 낼 수 있는 전력의 크기일 뿐이어서, 용량이 달라도 각자 맡는 부하의 몫만 달라지고 병렬운전은 할 수 있다. 회전수도 같을 필요가 없다. 주파수는 $f=\frac{pN}{120}$ 로 정해지는데 $p$ 는 극수, $N$ 은 분당 회전수라서, 극수가 다르면 회전수가 달라도 주파수를 맞출 수 있다.

한 발전기의 계자를 강화해 기전력이 커지면 두 기전력의 차이만큼 전압이 남아 두 발전기 사이만 도는 무효 횡류(무효 순환전류)가 흐르고, 이 전류는 부하로 나가지 않는다. 전류의 길은 한 발전기의 동기 임피던스를 지나 다른 발전기의 동기 임피던스를 지나 돌아오는 고리이므로 전체 임피던스는 $2Z_{s}$ 이다. 무효 횡류는 $I_{c}=\frac{\Delta E}{2Z_{s}}$ 로, 분자는 두 기전력의 전압차이다. 동기 임피던스가 각각 6 Ω 이고 두 유도기전력(상전압)의 전압차가 210 V 이면 210 을 12 로 나눈 17.5 A 이다.

병렬운전 중인 A, B 두 발전기에서 A 의 여자를 B 보다 강하게 하면 A 의 기전력이 커져 순환전류가 흐르고, 발전기 내부는 리액턴스가 지배적이라 이 전류는 전압보다 90도 뒤진다. 그래서 A 발전기에는 90도 뒤진(지상) 전류가, B 발전기에는 90도 앞선 전류가 흐른다. 여자를 늘린 발전기는 지상 무효전류가 늘어 역률이 나빠지고, 모선 전압은 정해져 있어 전압이 오르지 않는다. 유효전력은 원동기 입력으로 정해져 여자로 바뀌지 않는다.

기전력의 크기는 같고 A 의 위상이 B 보다 앞설 때는 앞선 A 가 뒤진 B 에 유효전력을 보내는 동기화 전류가 흐른다. A 는 속도가 줄고 B 는 빨라져 위상이 맞춰지는데, 이렇게 위상차를 줄이는 방향으로 작용하는 힘이 동기화력이다. 이 전류가 전기자 권선에 흘러 동손이 늘고 과열의 원인이 된다. 동기화력은 동기 리액턴스에 반비례하므로 리액턴스가 커지면 작아진다.

3 이 개념이 나온 기출문제

해설·법령 근거까지 가입 없이 보실 수 있습니다. 최신 5개년 문항은 여기 나오지 않습니다.

4 체크리스트 + 암기팁

암기팁 병렬운전 조건: 크기 · 위상 · 주파수 · 파형 · 상회전 방향이 같을 것 — 용량은 해당 없음.

암기팁 위상차 → 유효 순환전류(유효 횡류·동기화 전류) · 기전력 크기차 → 무효 순환전류(무효 횡류).

함정 주의 동기 리액턴스가 커지면 전압변동률은 커지고 동기화력은 오히려 작아진다. 둘을 같은 방향으로 외우면 안 된다.

병렬운전 조건이 아닌 것은 「기전력의 용량이 같을 것」과 「회전수가 같을 것」이다. 크기·위상·주파수·파형이 같을 것, 상회전 방향이 같을 것은 필요한 조건이다.
조건 위반의 현상을 짝지어 외운다 — 크기 차는 무효 순환전류(무효 횡류), 위상 차는 유효 순환전류(유효 횡류·동기화 전류), 파형 차는 고조파 무효 순환전류, 주파수 차는 위상차가 계속 변해 함께 운전 불가(출력 요동, 권선 가열).
크기가 같은 A, B 에서 A 의 위상이 B 보다 앞설 때 일어나는 현상은 동기화 전류, 동기화력, A 의 회전속도 감소이다. 「B가 A에 전력을 공급한다」는 방향이 거꾸로이고, 「고조파 무효순환전류」는 위상이 아니라 파형이 다를 때의 현상이다.

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A 의 여자를 B 보다 강하게 하면 A 에는 90도 뒤진(지상) 전류, B 에는 90도 앞선 전류가 흐른다. 여자를 늘린 발전기는 역률이 나빠지고, 「부하 전류가 증가한다」와 「전압이 높아진다」는 오답이다. 정전압 계통에서 여자를 약하게 하면 앞선 무효전류가 늘어난다.
무효 횡류 계산은 전압차를 두 발전기의 동기 임피던스를 합친 $2Z_{s}$ 로 나눈다. 문항의 단서(두 유도기전력 사이의 전압차, 동기 임피던스 6 Ω 2대)를 놓치지 않는다.
무부하로 병렬운전하는 같은 두 3상 동기발전기(1상 기전력 $E_{o}$ , 1상 동기 임피던스 $Z_{s}$ )에서 기전력의 위상차가 $\delta_{s}$ 이면 한쪽에서 다른 쪽으로 가는 1상 전력은 $\frac{E_{o}^{2}}{2Z_{s}}\cdot\sin\delta_{s}$ 이다. 분모는 두 동기 임피던스의 합 $2Z_{s}$ 이고 함수는 사인 꼴이다.

5 예제 — 이 개념, 실제로 이렇게 나왔습니다

2010년 3차 전기기기 45번 — 두 발전기 사이 무효 횡류1[MVA], 3300[V], 동기 임피던스 6[Ω] 2대의 3상 교류발전기를 병렬운전 중 한 발전기의 계자를 강화해서 두 유도기전력(상전압) 사이에 210[V]의 전압차가 생기게 했을 때 두 발전기 사이에 흐르는 무효횡류[A]는?계산해설 보기 →2014년 3차 전기기기 41번 — 병렬운전 조건이 아닌 것동기 발전기의 병렬 운전에 필요한 조건이 아닌 것은?옳지 않은 것 고르기해설 보기 →2020년 2차 전기기기 51번 — 병렬운전에 불필요한 조건동기발전기를 병렬운전 하는데 필요하지 않은 조건은?옳지 않은 것 고르기해설 보기 →

6 이론 근거 — 정의가 곧 정답입니다항목 17개 · 눌러서 펼치기눌러서 닫기

동기 발전기의 병렬운전 조건

기전력의 크기, 위상, 주파수, 파형이 같고 상회전 방향이 같아야 한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 20문항 중 2문항이 인용

동기발전기 병렬운전과 여자 조정

병렬운전 중 한 발전기의 여자를 강화하면 기전력 차이로 인한 순환전류가 생기며, 리액턴스가 지배적이므로 이 전류는 90도 지상으로 나타난다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 20문항 중 2문항이 인용

동기 리액턴스가 동기기 특성에 미치는 영향

동기 리액턴스가 커지면 전압변동률은 증가하고, 동기화력과 단락전류는 리액턴스에 반비례하여 감소한다.