대형 수력발전소 터빈 베어링 온도 측정용 서미스터의 고장 분석 및 개선

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류자샤 수력발전소의 1-4호 기기는 현수식 터빈 발전기로, 추력 베어링, 상부 가이드 베어링, 수직 가이드 베어링의 세 가지 베어링이 기기가 작동할 때 발생하는 축 방향력과 반경 방향력을 지탱해 줍니다. 베어링의 온도는 기기의 작동 상태를 파악하는 데 중요한 지표입니다. 베어링의 온도 데이터는 기기 보호 시스템에 연동되어 있으며, 온도가 너무 높아지면 경보가 울리거나 기기가 정지됩니다. 그 중요성은 말할 필요도 없습니다.그러나 발전기가 가동되는 동안, 특히 홍수철에 대형 발전기들이 장시간 연속으로 가동될 때, 각 축의 온도를 측정하는 Pt100 열저항체에서 다양한 문제들이 발생합니다. 예를 들어, 오류된 수치가 표시되거나, 값이 갑자기 변하거나, 아예 데이터가 읽히지 않는 경우가 있습니다. 이로 인해 발전기 자체의 문제인지, 아니면 온도 측정용 백금 저항체의 문제인지 판단하기 어렵게 되며, 이는 발전기의 안전한 운영에 위험을 초래합니다. 열저항 yunrun.com.cn/product/list_80.html 1. 수력 터빈 유닛 온도 측정 시스템 개요 산업 분야에서 온도 측정에는 열전대와 열저항이라는 두 가지 측정 원리가 있습니다.열저항은 저항의 열효과를 이용하여 온도를 측정하는 것으로, 즉 저항체의 저항값이 온도의 변화에 따라 달라지는 특성을 이용합니다.따라서 온도감지 백금 저항의 저항값 변화만 측정하면 온도를 측정할 수 있습니다.현재 가장 널리 사용되는 금속 열저항체 재료는 백금과 구리이며, 흔히 사용되는 분도번호는 Pt100과 Cu50의 두 가지가 있습니다.류자샤 수력발전소의 발전기 베어링 온도 측정에는 모두 Pt100 열저항 온도계가 사용됩니다. Pt100 열저항은 생산 현장에 설치되며, 제어 패널과 일정한 거리를 두고 있습니다. 저항 신호는 연결선을 통해 컴퓨터의 수집 모듈로 전달됩니다.일반적인 열저항의 2선식, 3선식, 4선식 와이어 연결 방식.류자샤 수력발전소의 터빈 베어링 온도가 설정된 값을 초과하면 즉시 신호가 발송되고 정지가 이루어지므로, 온도 측정의 정확도가 매우 중요합니다. 또한, 케이블의 저항 불균형으로 인한 측정 결과의 오차를 최소화하기 위해, 터빈 베어링 온도 측정에는 3선식 Pt100 열저항체가 사용됩니다. 2. 문제점 통계 데이터(표 1 참조)를 분석한 결과, Pt100 열저항체가 작동하는 동안 주로 다음과 같은 문제가 발생하는 것으로 나타났습니다: 측정값의 빈번한 변동；온도 측정 소자가 단락되어 저항값이 0Ω입니다；온도 측정 소자가 단선되어, 저항값은∞；표시값과 실제 측정값의 편차가 큰 등의 문제가 있습니다. 표 1 4월부터 11월까지의 온도 측정 시스템의 결함 통계표
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3. 고장 원인 분석
① 운전 시간이 길어 유지보수가 어렵다.
추력을 제공하는 부품들과 각종 베어링의 온도 측정용 저항들은 공간이 좁아서 유지보수나 교체가 어려운 곳에 설치되어 있습니다. 또한, 발전기가 작동하는 동안 센서와 일부 전선들은 고온의 터빈 오일에 장시간 담겨 있으며, 오일의 흐름과 발전기의 진동으로 인해 기계적 손상이 심각하게 발생합니다.베어링 위치의 온도 측정 부품은 일반적으로 A등급 점검 시 발전기를 분해할 때에만 점검 및 유지보수가 가능합니다.평소에 고장 난 부품을 처리해야 할 경우, 기계를 계획에 없던 상태로 정지시켜야 하며, 오일을 빼내거나 스프링 오일 탱크를 제거하고 베어링을 교체하는 등의 작업을 해야 합니다. 이로 인해 정지 시간이 길어지고 작업도 매우 어렵습니다.따라서 정상적으로 가동될 때 온도 측정 저항에 이상이 생기거나 회로가 끊어지는 등의 문제가 발생하면, 보통 즉시 대처할 수 없으므로 해당 고장 부위를 일시적으로 가동 중단시켜야 합니다.베어링 온도는 발전기 성능을 판단하는 데 있어 중요한 파라미터입니다. 베어링 부분의 온도 측정 데이터가 오랫동안 제공되지 않으면, 운영 직원들은 발전기의 작동 상태를 신속하고 정확하게 파악할 수 없게 되며, 이는 장비의 안전하고 안정적인 운영에 직접적인 위협이 됩니다. ②온도 측정 저항체의 문제점: a. 부품을 고정하는 부분에 스프링이 없음. 축 베어링 부위에 설치된 온도 측정 부품은 작동 중에 지속적인 진동을 받기 때문에, 고정 부분에 스프링이 없으면 진동으로 인한 부품의 손상을 방지할 수 없습니다. b. 온도 측정용 선의 외부에 보호 장치가 없음. 온도 측정용 선은 내유성, 내식성, 내열성이 비교적 낮음；장기간 유침 환경에 있으면 경화되거나 쉽게 부서지며 표면에 균열이 생기는 현상이 나타나 사용 수명이 단축됩니다；장기간의 진동은 센서 뿌리 부분에서 전선이 끊어지는 원인이 됩니다(그림 1, 그림 2 참조).현장 점검 결과, 뿌리 부분의 회선 단선 고장이 온도 측정 저항 고장 전체의 거의 50%를 차지하는 것으로 나타났습니다. 그림 1: 센서의 뿌리 부분이 끊어짐
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그림 2: 센서의 뿌리 부분이 끊어짐
③ 온도 측정용 저항기의 설치 문제
a. 전선 연결 문제: 온도 측정용 저항기의 배선 길이가 짧아 오일 탱크 내에서의 연결 지점이 많아집니다. 각 연결 지점을 모두 납땜해야 하는데, 오일 탱크 내 공간이 좁아 납땜 작업이 어렵습니다. 그 결과, 납땜 부위가 제대로 이루어지지 않거나 떨어져 나가는 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 센서가 작동하는 동안 진동이나 오일 흐름의 영향으로 납땜 부위가 끊어질 수 있습니다.예를 들어, 유가샤 수력발전소의 4호 기기의 경우, 추력 및 상부 오일 가이드 홈 내의 온도 측정용 저항선의 연결은 스크류를 이용해 이루어집니다. 또한, 온도 측정 소자의 선과 온도 측정용 케이블의 선들은 너트를 통해 에폭시 판에 고정되어 연결이 이루어집니다.그러나 기기 점검 과정에서 전환 에폭시 판의 연결 단자가 쉽게 느슨해지고 산화되어 접촉이 원활하지 않아 온도 값이 급변하는 것으로 나타났습니다. b. 오일 탱크 내 배선이 규격에 맞지 않으며, 전선 고정 및 묶기에 플라스틱 테이프가 사용되어 전선의 외피가 손상될 수 있습니다.오일 탱크 내의 고정용 클립은 얇은 철판으로 만들어져 있으며, 그 가장자리가 매우 날카롭습니다. 만약 전선의 외피에 보호층이 없다면, 날카로운 부분에 의해 손상될 수 있어 위험할 수 있습니다.일부 배선은 오일 탱크 내에서 제대로 고정되어 있지 않아, 기계가 작동할 때 발생하는 오일의 흐름이나 파동으로 인해 온도 측정선이 연결 부위에서 끊어집니다. 그림 3에 나와 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312159048363.png 그림 3: 온도 측정용 와이어가 마모되었습니다. 또한, 온도 측정용 저항과 전선에 효과적인 차폐 처리가 이루어지지 않았습니다. 사용된 온도 측정용 저항의 와이어가 너무 가늘고 차폐층도 약하기 때문에, 연결할 때 온도 측정용 저항의 외부 차폐층과 온도 측정용 케이블의 외부 차폐층이 제대로 연결되지 않습니다. 그 결과, 발전기가 작동할 때 생성되는 강한 전기장, 특히 누설 자기장이 온도 측정 회로에 큰 방해를 주어 온도에 변동이 생깁니다. 4. 개선 조치 ① 온도 측정용 저항체의 개선 창휘 계측기 제조 유한회사는 증기 터빈용 백금 저항체 생산 과정에서 해외의 선진 기술을 도입하고 이를 활용했습니다. 온도 측정용 백금 저항체를 개선하는 과정에서 창휘 계측기의 조언과 기술적 지원을 받았습니다. 새로 교체된 Pt100 열저항체의 고정 부분에는 그림 4와 같이 특수한 스프링을 장착하여, 발전기의 진동이 온도 측정 소자에 미치는 영향을 줄였습니다；온도 측정용 리드선에는 우수한 내유성, 내식성, 내열성을 가진 외부 절연 재료를 사용하여 선의 수명을 연장합니다；밀도 높은 망상형 차폐를 갖춘 온도 측정 선을 사용하여, 강한 자기장이 온도 측정 소자에 미치는 간섭을 줄입니다. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312204195095.png 그림 4 고정 부위에 특제 스프링 장착 전선과 온도 측정 저항체가 연결되는 부분에는 그림 5와 같이 웨이브튜브와 강화선을 사용하여 보호 처리를 합니다.여기서 특별히 강조해야 할 것은 케이싱 와이어를 이용한 보호 방식입니다. 센서 내부의 케이싱 와이어를 바깥쪽으로 뻗혀 있도록 하면, 전선이 유체의 충격을 받는 부분 전체가 케이싱 와이어로 덮이게 됩니다. 사실 케이싱 와이어는 자유롭게 구부릴 수 있는 스테인리스강으로 만들어진 보호층으로, 내식성과 내충격성, 내진동성이 매우 우수합니다. 이러한 방식을 통해 전선이 유체에 의해 부식되거나 충격을 받는 문제를 완전히 해결할 수 있습니다.수명이 더 길고, 성능이 더 안정적입니다. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312208026363.png 그림 5: 추가적인 보호 조치 ② 온도 측정용 저항기의 설치 및 배선 규칙 a. 추력, 상단 가이드, 수동 유도 홈 내에서는 오일의 회전 속도가 매우 빠르기 때문에, 온도 측정용 저항기와 전선의 연결 부분에 큰 충격이 가해집니다. 현장에서 설치할 때는 가능한 한 오일의 흐름 방향에 따라 배선하여, 오일의 흐름이 저항기의 전선 부분에 미치는 충격을 줄여야 합니다. b. 온도 측정용 Pt100 열저항선은 오일 탱크 내부를 따라 설치되며, 500mm 간격마다 흰색 천으로 묶어줍니다. 그 다음, 준비된 절연제를 해당 부분에 발라서 흰색 천과 하나가 되도록 합니다. 이렇게 함으로써 선들이 모여 하나의 덩어리가 되어, 오일의 흐름으로 인한 영향을 줄일 수 있습니다. c. 축 베어링 브라켓을 따라 온도 측정용 저항선들을 한 묶음으로 모은 다음, 와이어 클립을 사용하여 그 선들을 오일 탱크의 벽이나 브라켓에 고정시킨다.내유 고무로 감싼 와이어 클립을 사용하여, 전선의 외피가 마모되는 것을 방지하고, 오일 탱크 내에서 전선이 기계적 손상을 입는 것을 막습니다.케이블 클립이 큰 경우, 먼저 흰 천으로 케이블 다발을 감은 다음 케이블 클립으로 고정합니다. ③오일 트레이에서의 전선 배출 장치 개선: 그림 6에 나와 있듯이, 특별히 제작된 오일 트레이용 전선 배출 장치를 사용함으로써, 전선이 오일 트레이에서 나올 때 발생하는 오일 누출이나 설치의 불편함과 같은 문제들을 해결할 수 있습니다.오일 탱크의 배선 장치용 베이스 플레이트와 오일 차단 클립은 모두 304 스테인리스로 제작되어, 장비의 점검 및 분해 과정에서 변형이 발생하지 않도록 합니다.강판에는 여러 개의 통기성이 있는 전선 통과구가 마련되어 있으며, 전선을 그곳으로 빼낸 후 오일 차단용 잠금장치를 조입니다. 이 잠금장치 내부의 밀봉 스트립은 전선의 외피에 잘 밀착되어, 기계가 작동할 때 발생하는 압력 오일이 전선 통과구를 통해 새어 나가는 것을 막아줍니다.이 장치를 사용하면 전선을 하나하나 용접하거나 스크루를 통해 연결할 필요가 없으며, 오일 탱크에서 바로 오일 팬의 외벽에 있는 접속 단자함으로 빠져나갑니다.중간 전달 단계를 줄여 공정이 간단하고 보호 등급이 높다는 장점이 있습니다.현재 류자샤 수력발전소의 1-4호 기기들에 있는 오일 탱크 연결 장치들은 모두 교체되었으며, 운영 중에 오일이 새는 현상은 발생하지 않고 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312210257899.png 그림 6 오일 탱크 출선 장치 ④ 중요한 모니터링 지점에는 중복 구성을 적용함. 엔진이 정상적으로 작동하는 동안 온도 측정 소자가 손상될 경우 교체가 매우 어렵기 때문에, 운영의 신뢰성을 높이기 위해 추력 베어링 및 가이드 베어링과 같은 중요한 부위에는 이중형 온도 측정 저항을 사용해야 한다.즉, 동일한 외부 절연 케이싱 내에 동일한 분해능과 동일한 정밀도를 가진 두 개의 열저항체를 배치하여 같은 지점의 온도를 측정하는 것입니다.온도 측정 소자의 연결선은 6선식을 사용해야 하며, 이는 연결선의 저항 불균형이 측정 결과에 미치는 영향을 없애기 위함입니다. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312213255292.png 그림 7: 이중형 온도 측정 저항의 구조도. 이중형 온도 측정 저항을 사용하면 동일한 위치에서 두 개의 측정 지점을 만들 수 있습니다. 두 측정 지점의 선들은 모두 오일통의 외벽에 있는 연결 단자함으로 연결됩니다.정상적인 경우 하나는 가동되고, 하나는 예비로 사용됩니다.부품에 고장이 발생했을 때, 단자함에서 외부 케이블을 예비 부품에 연결하기만 하면 되므로, 개별 저항기가 손상되어 교체할 수 없을 때 생기는 장비의 위험이 줄어듭니다. 이 글에서는 수력발전소의 온도 측정용 저항이 작동하는 과정에서 발생하는 단선, 측정값이 순간적으로 최대치에 도달하는 등의 문제들의 원인을 분석하고, 다음과 같은 개선 방안을 제시합니다: ① 온도 측정용 저항을 개선한다. ②온도 측정 저항의 설치 및 배선을 표준화합니다. ③오일 탱크 출선 장치를 개선합니다. ④중요한 모니터링 지점에는 중복 구성이 적용됩니다. 위와 같은 방법을 따라 유가샤 수력발전소의 1-4호 기기들에 있는 베어링 부분의 온도 측정용 저항체들을 점차적으로 개조했습니다. 그 결과, 개조된 Pt100형 온도 측정용 저항체는 5년에 한 번씩 이루어지는 A등급 정비 기간 동안 안전하고 안정적으로 작동할 수 있었습니다. 이로 인해 부품의 오작동이나 손상으로 인한 가동 중단 및 정비가 방지되었습니다. 실제로 이 방법은 실용성이 높아 현장에서 효과적으로 적용될 수 있으며, 다른 운영 중인 수력발전소의 온도 측정용 저항체를 개조하거나, 새로운 수력발전소를 건설할 때 온도 측정용 저항체를 선정하고 설치하는 데 있어 유용한 참고가 될 것입니다. 저자: 국가전력망 간쑤 류자샤 수력발전소 왕루위, 구샤오준, 루오홍핑