풍력터빈의 구조물과 구조 및 보호장치

풍력터빈 구조물

구조 용접물 시공에 앞서 지반이 충분한 강도를 가지고 있는지 확인하영야 하며, 필요시 재하시험을 수행하여 구조물  또는 부재의 해석에 의한 결과와 재하시험 결과가 충분히 부합되는지 확인하여야 한다. 풍력터빈을 지지하는 구조물은 자중, 적재하중, 적설, 풍압, 지진, 진동 및 충격 등(해상의 경우 염해 및 파랑 하중도 고려)을 고려해야 한다. 비정상적인 부식 등이 발생하지 않도록 고려하고, 타워 연결부 및 기초부에 사용되는 볼트, 너트 및 와셔 등은 융융 아연 도금 처리 또는 동등 이상의 녹방지 처리를 해야 하며, 용접 부위는 방식처리를 해야 한다.

 

풍력터빈의 구조 및 보호장치

1. 풍력 터빈에는 설비의 정상 운전 한계를 유지하도록 능동적 또는 수동적 방법으로 풍력 터빈을 제어 및 보호하는 장치를 시설해야 한다. 회전 속도계, 진동계, 풍속계, 압력계, 지반 등의 변형을 확인할 수 있는 계측장치를 시설해야 하고, 제어장치로는 풍속에 따른 출력 조절, 출력제한, 회전 속도 제어, 계통과의 연계, 기동 및 정지, 계통정전 또는 부하의 손실에 의한 정지, 요잉(Yawing)에 의한 케이블 꼬임제한에 관한 기능 등을 보유하여야 한다. 보호장치는 과풍속, 과출력 또는 고장, 이상진동, 계통정전, 계통사고, 케이블의 꼬임한계 등에 대해서 보호해야 한다. 보호기능을 위해 기계식 브레이크가 사용되는 경우, 마찰패드와 같은 모든 마모 요소들의 잔여 수명은 제어 및 보호 시스템으로 감시해야 한다. 풍력 터빈은 작업자의 안전을 위해 유지, 보수 및 점검 시 전원 차단을 위해 풍력 터빈 타워의 기저부에 개폐장치를 시설해야 한다.

2. 피뢰 설비는 KS C IEC 61400-24(풍력 발전기의 낙뢰보호)에서 정하고 있는 피뢰구역(Lightning Pretection Zone)에 적합해야 한다. 별도의 언급이 없다면 피뢰보호 레벨은 I 등급을 적용해야 한다. 풍향, 풍속계가 보호범위에 들도록 나셀 상부에 피뢰침을 시설하고 피뢰 도선은 나셀 프레임에 접속해야 한다. 전력 기기, 제어기기 등의 피뢰설비는 다음에 따라 시설해야 한다.

1. 전력기기는 금속 시스 케이블, 내뢰 변압기 및 서지 보호 장치(SPD)를 적용하고 제어기기는 광케이블 및 포토커플러를 적용해야 한다. 기타 피뢰설비 시설은 한국 전기 설비 규정(KEC) 150의 규정에 따른다.
2. 접지 시스템은 풍력 발전 설비 타워 기초를 활용한 통합 접지 공사를 해야 하며, 설비 간 전위차가 없도록 등전위 본딩을 해야 한다. 등전위 본딩은 육안 검사로 확인하는 것을 원칙으로 하며 확인이 어려운 경우에는 전기적 연속성을 측정한 전기 저항 값이 0.2Ω 이하가 되어야 한다. 기타 접지 시설은 KESC 제320절의 규정에 따른다.

3. 기어박스는 KS C IEC 61400-4에 적합해야 하고 시제품에 대한 제작공장 내에서의 테스트 및 현장 테스트도 함께 수행되어야 한다. 모든 기상 조건에 대해 해당 하중 및 속도를 포함한 시동 조건, 감시, 경고, 한계, 경보 한계 및 경보처리, 나셀 내부 온도를 포함하여 문서화되어야 한다. 윤활제의 경우 기본 오일 형식, 첨가제, 농축 조화제, 성능 패키지 등을 고려해야 한다. 500kW 이상의 경우는 스플래시와 가압 윤활 시스템이 사용된다. 주변 온도와 오일 섬프 온도 이상의 최대 베어링 온도와 최대 절대 베어링 온도를 명시해야 한다. 또한, 유지보수 매뉴얼에 윤활제 상태 모니터링 주기와 시험을 명시해야 한다. 오일 성능 특성 시험은 제작사의 권고사항을 반영해야 하며 오일 청결도, 점도, 물 함량, 마모 금속, 오일 산화도 등이 포함되어야 한다. 오일 유량은 모니터링이 되어야 한다.

4. 블레이드는 블레이드와 타워 사이의 기계적 간섭을 검증해야 하고 극한 하중 조건에 대해 계산해야 한다. KS C IEC 61400-23에 따라 시험 하중을 적용한 블레이드 평가가 이루어져야 한다. 정하중시험, 피로하중시험, 성능시험 등이 포함된다. 제작사는 설계 및 제작에 대한 고유 ID, 관계도면, 시방서, 적층도면 등 추적 가능한 문서 증거물을 기록해야 한다. 시험 평가를 위한 데이터 측정에 사용된 모든 계측 장비에 대해 교정이 이루어져야 한다.

5. 나셀은 형식이 KS C IEC 61400-1 또는 KS C IEC 61400-2 등 설계자에 의한 선택된 표준 중 관련된 기술 요구사항에 적합해야 한다. 품질관리 절차로서 제어 및 보호 시스템에 해당하는 문서가 적합하게 작성되어야 하며, 여기에는 풍력 발전기 운전모드, 모든 구성요소의 설계와 기능성, 보호 시스템의 페일-세이프 설계, 시스템 로직 및 하드웨어 구현, 안전 관련 센서의 작동 관련, 제동 시스템 관련, 운전 모니터링 시스템 관련 자료 등이 포함되어야 한다.

6. 제조검사는 전기설비 검사 및 점검의 방법 절차 등에 관한 고시 '별표 9'의 개정 사항이 2023년 4월 22일부터 적용됨에 따라 사업용 전기설비의 사용 전검사 항목으로 제작이 완료된 때에 블레이드, 나셀, 타워 등이 추가되었다. 그러므로 주요 부품 및 제조공정에 관한 설계 평가 과정에서 확인된 요구사항은 제조 및 조립과정에서 시행되고 감독되어야 하고, 검사 기관은 제조사에서 인증을 받았거나 받고 있는 설계에 따라 제조되는지를 검사하여 확인하고, 검사는 풍력 발전기 제조사에서 수행되어야 하며, 제조사의 설계 평가에서 식별된 요구사항을 만족하는지 여부를 검사하여 확인할 수 있어야 한다.

 

해상 풍력 발전 설비

1. 해상 풍력 발전의 하중, 내구성 및 운전은 환경조건과 전기조건의 영향을 받는다. 적절한 수준의 안전성 및 신뢰성을 확보하기 위하여 환경, 전기 및 지반의 인자 등을 고려하고 설계하고, 이 파라미터를 설계서에 명기한다. 지지구조물의 재료는 내부식성, 내염해성이 고려되어야 하며 부식이 구조물의 강도 또는 사용성을 저하할 경우 구조 요소는 부식을 허용하거나 방지하도록 설계해야 한다. 부식을 허용하도록 설계하는 경우 강재 부식에 의한 강도 저하의 영향을 적절한 방법으로 고려해야 한다.

2. 부유식 해상 풍력 발전 설비의 경우 KS C IEC 61400-3(풍력 발전기 - 제3부 : 해상용 풍력 발전기에 대한 설계 요구 사항)에 따라 적용 가능한 경우 적용해야 한다. 부유식 해상용 풍력 터빈의 특정 측면에서 추가사항을 고려해야 한다. 운전 중 극치 돌풍은 부유식 해상용 풍력터빈에 대해 더 긴 시간을 사용해 추가로 조사해야 한다. 설계자는 제어 및 보호 시스템의 특정 기능을 사용하여 극치 조건에서 풍력 터빈 작동을 제한할 수 있다.

3. 부유식 해상 풍력 터빈에는 펌프 및 제어시스템의 전원공급을 위한 장치가 설치되어야 한다. 비상발전기 대신 소형 배터리가 설치되는 경우, 배터리의 전원공급 시간은 부유식 해상용 풍력터빈이 설치되는 해역에서 풍력발전이 중단되는 환경 조건의 최대 지속시간보다 커야 하며 적절한 배터리 충전장치가 제공되어야 한다.

4. 제어시스템으로는 KS C IEC 61400-1 및 KS C IEC 61400-3-1의 요구사항뿐만 아니라 부유식 해상용 풍력터빈 지지구조물의 제어 및 시스템은 해당 공인 해상 설계표준을 충족해야 한다. 구조물에 필요한 추가시스템은 다중 제어시스템과 보호시스템 간의 상호작용을 설계에 고려해야 한다.

5. 해상풍력 물밑 전선로의 접속은 전선의 전기저항을 증가시키지 않고 통상 사용상태에서의 단선 우려가 없도록 안전하게 접속하며, 절연전선의 절연물과 동등 이상의 절연성능이 있는 것으로 충분히 피복해야 하고, 케이블 배치, 행거 취부 상태가 적정해야 하며, 방식층 외피의 손상 등이 발생하지 않도록 시설해야 하며, 케이블 뒤틀림을 방지하기 위한 적절한 대책을 강구하여 시설해야 한다.

 

100kW 이하 풍력 발전 설비

1. 풍력터빈과 풍력터빈용 인버터는 한국산업표준(KS)에 적합한 것을 사용해야 한다. 다만, 한국산업표준에 규격이 없는 제품인 경우 검사기관장이 별도로 정하는 요건에 따른 시험성적서를 제출하는 경우 예외로 할 수 있다. 전력변환장치(PCS)의 정격용량은 PCS에 연결된 발전기 정격 출력 이사잉어야 하며, 발전기 출력전압이 PCS 입력전압 범위 안에 있도록 시스템을 구성해야 하며, PCS의 IP등급은 실내형은 IP20 이상, 실외형은 IP44 이상의 제품을 사용해야 한다.

2. 간선 및 분기선의 경우 전선의 굵기는 출력 배선일 때 CV선 또는 TFR-CV선을 사용하거나 동등 이상의 성능을 가진 제품을 사용해야 하며, 전선이 지면을 통과하는 경우 피복이 손상되지 않도록 별도의 조치를 취해야 한다. 기타 사항은 KESC 710.2(전기배선), 710.2(단자의 접속) 및 KS C IEC 60364-5-52(저압 전기섭리 제5-52부 : 전기기기의 선정 및 설치-배선설비)에 따라야 한다.

3. 접지설비는 풍력발전설비 타워기초를 이용한 통합접지공사를 해야 하며, 설비 사이의 전위차가 없도록 등전위 본딩하여야 한다. 등전위본딩은 육안검사로 확인하는 것을 원칙으로 하여 확인이 어려운 경우에는 전기적 연속성을 측정한 전기저항 값이 0.2Ω 이하가 되어야 한다. 기타 접지시설은 KESC 320절에 의하여 시설하여야 한다.

4. 피뢰설비는 전기설비 기술 기준 제175조에 준하여 시설하고, 소형 풍력발전 설비의 경우 타 건축물, 구조물의 수뢰부 시스템에 의해 보호가 되는 경우에는 예외로 할 수 있다. KS C IEC 61400-24(풍력발전기의 낙뢰보호)에서 정하고 있는 피뢰 구역에 적합해야 한다. 다만 별도의 언급이 없다면 피뢰레벨은 I등급을 적용해야 한다. 풍향, 풍속계가 보호범위에 들도록 나셀 상부에 피뢰침을 시설하고 피뢰도선은 나셀 프레임에 접속해야 한다.