단락비

단락비(short circuit ratio: SCR) :

단락비 (SCR)은 동기발전기의 중요한 특성 중 하나이다.
단락비는 단락 상태에서의 전류와 정격 전류 간의 비율을 나타내며, 정격전압 상태에서의 필요한 계자전류와 단락 상태에서의 계자전류 간의 비율로 정의된다.
단락비 (SCR) 계산:

$K_s = \dfrac{I_{f1}}{I_{f2}} = \dfrac{I_s}{I_n}$

여기서, $I_{f1}$ 은 무부하에서 정격 전압을 만드는데 필요한 계자 전류, $I_{f2}$ 은 3상 영구 단락 상태에서 필요한 계자 전류이다.

단락비 (SCR)의 범위:
- 터빈 발전기의 경우 단락비는 0.6에서 1.0 사이,
- 수차 발전기의 경우 0.8에서 1.2 사이에 있다.
높은 단락비를 가진 기기는 물리적으로 크고 무겁지만, 동기 임피던스가 낮고 안정성이 향상되며 출력이 증가하며 선로의 충전용량이 크지만 효율은 낮다.
낮은 단락비를 가진 기기는 동기리액턴스값이 크며 작은 부하 변화에 민첩하게 대응하기 위해 전압조정시스템이 필요하다.

$z_s = \dfrac{Z_s}{Z_{base}} = \dfrac{\dfrac{V_n}{I_s}}{\dfrac{V_n}{I_n}}= \dfrac{I_n}{I_s}=\dfrac{1}{K_s}$

단락비는 pu 동기임피던스의 역수이다.
동기임피던스를 다음의 과정을 통해 결정할 수 있다.
- (1)개방전압이 정격전압이 되는 계자전류 $I_{f1}$ 을 측정한다.
- (2)단락전류가 정격전류가 되는 계자전류 $I_{f2}$ 를 측정한다.
- (3) 위 식으로 단락비를 계산
- (4) 단락비의 역수로 pu 동기임피던스를 구한다.
단락비는 단락사고가 일어났을 때 얼마나 큰 전류가 흐르는지를 나타낸다.

동기리액턴스:
- 동기리액턴스는 자화리액턴스와 누설리액턴스의 합으로 결정된다.
- 자화리액턴스는 공극의 크기에 영향을 받는데, 공극이 작으면 자화전류가 커지고, 자화리액턴스는 작아진다.
- 공극이 크면 단락비도 크다.
공극 크기에 따른 동기발전기 유형:
- 동기발전기는 공극 크기에 따라 "공극이 작은 발전기"와 "공극이 큰 발전기"로 구분된다.
공극이 작은 발전기 (동기계):
- 공극이 작아 철을 적게 사용하므로 가벼우며 크기가 작다.
- 제작단가가 낮고, 철 손실과 기계적 손실이 작아 효율이 높다.
- 동기임피던스가 크므로 부하전류의 변화에 따른 전압 변동이 크다.
- 과도안정도가 낮아 일시적인 과부하 상태에서 탈조되지 않는 능력이 낮다.
공극이 큰 발전기 (철기계):
- 공극을 크게 만들면 철과 계자가 커져 크고 무거운 기계가 된다.
- 제작단가가 높고, 철 손실과 기계적 손실로 인해 효율이 낮아진다.
- 단락사고 시 전류가 크지만 평상시 전압 변동률은 작고, 과부하를 견딜 수 있는 최대토크가 커져 안정도가 향상된다.
수차발전기와 터빈발전기:
- 수차발전기는 공극이 큰 (단락비가 큰) 철기계와 유사하며,
- 터빈발전기는 공극이 작은 (단락비가 작은) 동기계와 유사하다.

동기발전기가 무부하 상태의 긴 송전선에 연결되어 있는 경우, 선로의 정전용량으로 인해 유도발전기의 자기여자 현상이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 잔류자속에 저장되는 기전력이 선로에 진상의 충전전류를 유발하고, 증자작용으로 인해 발전기에서 먼 선로 끝에 높은 전압이 발생할 위험이 있습니다. 이 현상을 "페란티 효과"라고 합니다.
단락비가 큰, 즉 공극이 큰 발전기는 자화전류가 많이 필요하므로 정전용량이 크고 휴지 상태에 있는 장거리 송전선로를 충전할 때 큰 단락비의 발전기가 사용됩니다. 이로써 전체적으로는 경제성이 더 좋은 작은 단락비의 발전기가 많이 사용되지만, 일부 경우에는 큰 단락비의 발전기가 필요할 수 있습니다.
수차발전기는 경제적으로는 이점이 없지만, 전력계통 운용에서 중요한 역할을 합니다. 이는 출력을 신속하게 제어할 수 있는 능력 외에도 단락비가 크기 때문에 선로의 초기 충전용으로 적합한 특성을 가지고 있기 때문입니다.