LNG선·전기 추진선의 축전류는 무엇이 다른가요?

배가 디젤에서 LNG와 전기로 옮겨 가면서 축 접지도 바꿔야 하느냐는 질문을 받습니다. 기준은 연료가 아니라 무엇이 축을 돌리느냐입니다. 엔진이 축을 직접 돌리면 지금까지와 같고, 전동기가 돌리면 인버터가 만드는 전압이 하나 더 붙습니다.

LNG선이라고 모두 전기로 도는 것은 아닙니다

LNG선의 추진 방식은 두 번 바뀌었습니다. 오래된 배는 증기터빈으로 돌았고, 2000년대 중반부터는 이중연료 엔진으로 전기를 만들어 그 전기로 전동기를 돌리는 전기 추진이 늘었습니다. 2010년대 중반 이후 새로 짓는 배는 대부분 LNG와 기름을 함께 때는 저속 2행정 엔진이 축을 직접 돌립니다.

추진 방식	축을 돌리는 것	축전압의 주된 원인
2행정 이중연료 LNG선 (최근 건조 대부분)	엔진이 직접	바닷물 전지 — 직류 mV
이중연료 전기 추진 LNG선	발전기 → 인버터 → 전동기	인버터 공통 모드 전압 — Vp-p
크루즈 · 여객선 · 쇄빙선	인버터 → 전동기	인버터 공통 모드 전압
복합 추진선	엔진 + 전동기	전동기로 달릴 때 인버터 전압

새로 짓는 LNG선의 축은 재래식 배와 사정이 같습니다. 이 경우는 선박 축 접지 장치는 왜 필요한가요? 글에서 다뤘습니다. 달라지는 것은 전동기가 축을 돌리는 배입니다.

전동기가 축을 돌리면 인버터 전압이 따라옵니다

전동기 속도를 바꾸려면 인버터가 전압을 아주 빠르게 켰다 껐다 해야 합니다. 이때 세 상의 합이 0이 되지 않고 남는 공통 모드 전압이 모터 안의 정전용량을 타고 축에 걸립니다. 육상 공장의 인버터 모터와 같은 원리입니다. 어떻게 축까지 가는지는 인버터 노이즈가 케이블을 타고 모터로 들어오는 건가요? 글에 정리했습니다.

다른 점은 축의 길이입니다. 배의 축은 전동기에서 추력베어링과 중간 축받침, 선미관을 지나 프로펠러까지 길게 이어집니다. 그 사이의 베어링마다 전류가 빠져나갈 자리가 됩니다.

복합 추진선에서 추력베어링이 먼저 상했습니다

국내 학회지에 보고된 사례입니다. 물속으로 퍼지는 소음을 줄이려고 국내 해군 선박에 처음 적용한 복합 추진 체계에서, 이전에 겪지 않았던 추력베어링 과열과 손상이 나왔습니다. 추력베어링은 프로펠러가 미는 힘을 받아 선체로 넘기는 베어링입니다. 검사해 보니 원인은 전기적 부식이었습니다.

해상 시운전 중에 축전압을 재 보니, 축 접지 장치가 없을 때는 회전수에 따라 최대 35 Vp-p까지 올라갔습니다. 수동 축 접지 장치(전원 없이 브러시로 전류를 흘려보내는 방식)를 더 달고 다시 재자 최대 1.09 Vp-p로 내려갔고, 순간적으로 치솟던 전압도 사라졌습니다. 연구진은 복합 추진 체계를 넣는 배라면 설계 단계부터 이 장치를 넣고, 해상 시운전 때 축전압을 재서 확인하라고 권고합니다.

1.09 Vp-p는 육상 설비에서 목표로 삼는 1 Vp-p와 같은 수준입니다. 기준값은 축전압은 몇 Vp-p부터 위험한가요? 글을 참고하십시오.

밀리볼트 계기로는 보이지 않습니다

재래식 배는 직류 밀리볼트계로 축 접지를 감시합니다. 직류 계기는 평균값을 읽기 때문에, 위아래로 빠르게 흔들리는 인버터 전압은 0에 가깝게 나옵니다. 계기가 정상을 가리켜도 베어링에는 수십 V가 걸려 있을 수 있습니다.

그래서 전기 추진선에서는 봉우리에서 골까지의 폭(Vp-p)을 따로 재야 합니다. 도는 축에서 재려면 측정용 브러시가 있어야 하고, 파형은 축전압 측정 장비로 봅니다.

바닷물 전지는 그대로 남습니다

전기 추진선이라고 프로펠러가 바닷물 밖으로 나오지는 않습니다. 서로 다른 금속과 바닷물이 만드는 직류 전압은 추진 방식과 관계없이 그대로 있습니다. 그래서 전기 추진선의 축 접지는 두 가지를 함께 받아내야 합니다.

	직류 (바닷물 전지)	고주파 (인버터)
크기	mV	V (Vp-p)
좌우하는 것	접촉 저항	접지선 길이 · 모양
재는 법	직류 밀리볼트계	Vp-p 측정

직류는 저항만 낮으면 됩니다. 하지만 고주파에서는 접지선이 길면 그 선 자체가 벽이 됩니다(접지선은 얼마나 짧아야 하나). 재래식 배의 접지 구성을 그대로 가져오면 직류 쪽만 막는 셈입니다.

※ 서철오 · 주용택, 「복합식 추진체계의 추력베어링 전기적 부식에 관한 연구」, 동력시스템공학회지 28(6), 55–62, 2024. DOI 10.9726/kspse.2024.28.6.055.