발전기 고정자 단부권선의 진동 특성 평가 및 공진 회피 사례 연구

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확장요약문

발전기는 운전 중 전자기력에 의해 주기적으로 가진되며, 고정자 단부권선의 고유진동수가 가진주파수에 근접할 경우 공진에 따른 진동 증폭이 발생할 수 있다. 과도한 진동은 권선 절연물의 마모와 균열을 촉진하여 절연 파괴 및 발전기 수명 저하로 이어질 수 있으므로, 개별 단부권선과 단부권선 바스켓의 진동 특성 및 공진 가능성을 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 정지 상태 진동성시험 결과를 바탕으로 단부권선 바스켓과 개별 권선의 진동 특성을 평가하고, 고유진동수 튜닝 및 바인딩 보강 사례를 분석하여 공진 회피를 위한 구조 개선 방향을 제시하고자 한다.

발전기 정지 상태에서 선형성 시험을 통해 단부권선 바스켓의 일체형 거동 여부를 평가하였다. 이후 충격가진 기반 모달시험으로 바스켓의 고유진동수와 모드 형상을 도출하고, 개별 권선의 주파수응답함수(FRF)를 분석하여 고유진동수와 응답 크기를 평가하였다. FRF는 주파수 영역에서 가진력에 대한 가속도 응답(㎜ /s²/N)으로 산정하였다. 전원주파수(60 ㎐) 의 2배인 전자기 가진주파수 120 ㎐와 고유진동수의 근접성, 모드 형상 및 FRF 크기를 종합하여 공진 가능성을 평가하고, 표-1과 같이 구조 강성·결속 상태 조정을 통한 고유진동수 튜닝과 응답 저감 방안을 검토하였다.

단부권선 바스켓의 지지구조 강성 조정 후, 1차 타원모드 고유진동수는 TE측 135 Hz에서 81 Hz로, EE 측 125 Hz에서 81 Hz로 감소하여 전자기 가진주파수 120 Hz와의 이격이 확대되었다. 개별 권선의 그룹 바인딩 보강 후 #14와 #15의 고유진동수는 각각 120.3→117.8 Hz, 120.0→117.5 Hz로 변화하였으며, FRF 크기는 각각 598→61 (mm/s²)/N, 506→47 (mm/s²)/N 감소하였다. Phase Lead #28 Top은 바인딩 보강 후 고유진동수가 120.5 Hz에서 131.5 Hz로 상승하였고, FRF 크기는 477에서 238 (mm/s²)/N으로 감소하였다.

진동성시험을 통해 단부권선 바스켓의 고유진동수 튜닝과 개별 권선 및 Phase Lead의 바인딩 보강에 따른 동특성 변화를 확인하였다. 바인딩 보강에 따른 고유진동수의 변화 방향은 대상에 따라 달랐으므로, 개선 효과는 가진 주파수와의 근접성, 모드 형상 및 FRF 크기를 종합하여 평가할 필요가 있다. 본 결과는 정지 상태 구조 개선 후 재시험에 근거한 것으로, 추후 발전기 운전조건을 고려한 추가 검증이 필요하다.