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문제 정의
- 안전정지지진 시험은 시방서에서 요구하는 안전정지지진의 요구응답스펙트럼(그림 16 참조)을 이용하여 운전기준지진 시험과 비슷한 방법으로 1 회 시험을 수행하였다. 각 시험 후 공진탐색시험의 경우는 기기의 구조적 건전성 및 안전기능 유지 여부를 확인한다. 측정센서(가속도계) 부착위치 및 방향은 각 판넬의 하부, 중앙, 상부 등 세 개 지점에 세 방향(X, Y, Z) 가속도계를 부착하였다.
- 내진시험은 지진사고가 발생하였을 때 시스템의 기능적 동작성 및 시스템을 구성하는 구성품들의 구조적 건전성을 입증하기 위하여 실시한다. 시험 중에 계측된 기기의 성능시험 결과는 각 기가가 요구하는 허용기준을 만족시켜야 하며, 시험 후에도 구조적 건전성 및 기능적 동작성을 유지하여야 한다.
- 수행하였다. 본 고에서는 안전등급(Class 1E) 여자시스템의 설계과정과 기기검증시험 수행과정, 현장에 적용하기 전에 최종 성능 확인시험 그리고 현장에 적용하면서 검토하였던 제반의 사항에 대해서 살펴보기로 한다.
제안 방법
- 나누어서 진행할 수 있다. 개발과정에서는 현장 여건상 내환경시험과 전자파시험 등을 함께 진행하였고 내진시험을 별도로 진행하였다. 안전 등급으로 강화된 요건에서 설계되어 제작된 시스템은 가장 먼저 종합기능시험을 수행한다.
- 개체 시스템의 구성 전략은 기존 시스템의 구성 전략과 전력연구원에서 기 개발하여 상용화한 여자 시스템(상품명:KDR-2000)의 다중화 전략을 혼용하였다. 즉, 제어기의 3 중화와 정류기의 N+1(정격 용량보다 한대 더 여유있게 우용) 우전 전략은 KDR-2000과 동일하고 정류기의 구성전략은 기존 아날로그 여자시스템 방식인 SCR과 다이오드가 조합된 Semi-Converter로 그 전략을 그대로 유지하였다[2].
- 이밖에도 여러 가지 제약사항 때문에 MMI(Man- machine interface)를 새롭게 추가하지 않고 기존 인터페이스를 그대로 사용하다 보니 디지털의 장점인 상황 재연(또는 기록)이 가능하다는 점인데 제약이 따랐다. 그것을 보완하기 위해서 현장 제어기판넬에 발생가능한 경보를 네 종류로 구분하여 표시하였고 그것을 하나로 묶어서 상위(Engine Control Panel)로 송출하도록 했다. 이것은 기존 시스템에서는 없는 자체 진단 항목이다.
- 그래서 주 발전기 여자시스템에 보편적으로 채용되어 있는 삼중화 기술을 이용하여 안전등급으로 인증된 디지털 제어기를 채용하고 나머지 설비를 안전등급으로 인증받기 위한 설계 및 제작하여 지난 2007년에 기기검증시험을 통해 원전 품질등급 중 가장 엄격한 Q 인증을 받아 국내 최초로 2009년 1월에 실계통에 적용하였다. 여자시스템 구성은 그림 2와 그림 3과 같으며, 그림 2의 음영으로 표시된 부분과 그림 3의 #로 표시된 부분이 개체되었다.
- 상온에서 운전하는 것을 의미한다. 그리고 각 시험 전후 실시하는 기능시험을 실시하는데 그 방법은 시험환경 여건상 정류기 입력측 전압의 크기를 95-105[%]로 변화시키면서 출력 측 전압의 크기를 측정하는 것으로 대체하였다. 또한 각 시험시 또는 전후에 기능을 유지하여야 하는 안전기능 항목과 그에 따른 허용기준은 표 5와 같으며, 다음과 같은 이유로 선택되었다.
- 기기검증시험과 별개로 그림 17-19와 같이 임시 온도 실을 마련하여 두 종류의 온도 시험을 실시하였다. 하나는 최소 부하를 걸고 임시 온도실의 온도를 40[℃]로 유지한 상태에서 2주 동안 제어기의 안정성을 확인하는 것이고, 다른 하나는 전부하를 걸고 임시 온도실의 온도를 40[C]로 유지한 상태에서 100시간 동안 정류기의 안정성을 확인하는 것이다.
- 내진시험은 그림 15와 같이 수행되었으며, 기기의 내진검증 방법에는 해석, 시험, 조합방법과 경험에 의한 방법 등이 있는데 여기서는 진동시험대에 의한 시험방법을 적용하였다 [. 12] 초기 성능점검 단계에서부터 각 단계별 시험이 끝나고 나면 시스템의 성능을 점검하기 위하여, 내환경시험과 마찬가지로 입력측의 전원을 변화시켜서 출력측의 변화의 폭을 확인하였다.
- 내환경 조건은 온도 -10 ~ 60[t], 상대 습도0~ 99[%]이며, 노화해석시험은 약성환경의 최고 온도인 29E를 채택하고 부품들의 자체발열을 고려한 온도상승분을 8'C로고려하예13], 29C와 37C에서 커패시터와 계전기 등에 대해서 실시하였다.
- 내환경시험은 그림 12와 같이 실시하였으며 상온에서 60% 습도에서 2시간, 고온 다습(60℃, 99%)상태에서 8시간, 저온(-10℃)상태에서 8시간, 상온 60%에서 2시간을 시험하였다. 전자파시험은 시스템이 전자파의 영향을 받지 않으며, 시스템으로부터 방사되는 전자파가 다른 설비의 기능에 영향을 미치지 않는 수준임을 입증하기 위하여, 전도성 방사, 자기장 방사, 전기장 방사, 복사 전기장에 대한 내성시험, 정전기 방전 내성시험, 전기적 빠른 과도현상, 서지 내성시험, 저주파 전도성 간섭에 대한 내성시험, 고주파 전도성 간섭에 대한 내성시험 등을 실시하였다[11].
- 또한 고장요소를 줄이기 위해서 우전원 인터페이스에 별도의 MMI(Man-machine interface)를 채용하지 않았고 기존 인터페이스(데스크에서 스위치 조작 방식)를 유지하였고 제어 전원은 그림 7과 같이 축전지에서 받는 125[Vdc]로 통일하고, 예비 전원으로 비 상디 젤발전기 여자용 변압기 로부터인출한 교류전원을 정류하여 115[Vdc]로 하여 구성한다. 이것은 정상우전 중에 전원공급원이 통전과 차단을 반복하지 않기 위함이다.
- 또한 기존의 아날로그 시스템에서 디지털 여자시스템으로개체되면서 소프트웨어 확인 및 검증(V&V)도 수행하였다. 본 고에서는 안전등급(Class 1E) 여자시스템의 설계과정과 기기검증시험 수행과정, 현장에 적용하기 전에 최종 성능 확인시험 그리고 현장에 적용하면서 검토하였던 제반의 사항에 대해서 살펴보기로 한다.
- 여자시스템 고유 기능인 교류전원을 입력받아 직류전원을 공급하는 것인데, 그 과정에서 발전기 PT 전압과 CT 전류를 입력받아서 유효전력 등을 만들어낸다. 또한 시스템 외부에서 직류전원 125[V]를 공급하여 전원공급기 출력을 만들어 내며, PPT 2차 전압과 점호 신호를 강제로 출력하여 정류기 출력을 만들어 내는 관계로 그 관련 신호들을 안전기능항목으로 선정하였다.
- 본 고에서 수행한 방법은 셋째 방법에 해당되는 것으로, 원전 비상디젤발전기 여자시스템의 설계과정 , 기기검증 시험과 현장 적용단계로 구분하여 살펴 보았다. 기존 설비가 이중화(비상 디젤발전기에 단일 채널 여자시스템이 각 1대씩설치) 되었다고 하면 이번 개발한 설비는 많게는 6 중화(삼중화 제어기) 적게는 4중화(이중화 정류기) 되었다고 할 수 있겠다.
- 비상디젤발전기의 여자시스템은 기존 개발된 주발전기 여자 시스템(상표명:KDR-2000)의 설계개념을 채용하되 가용성 및 안전성을 확보하여 높은 신뢰성을 갖도록 설계되었다. 주발전기 여자시스템처럼 삼중화 디지털 제어기를 채용하되 안전등급으로 인증된 상용 제어기를 채택하여 안전성을 확보하여 기기검증시험에 대한 위험 부담을 경감시키고, 또한 특수 입출력 신호처리 보드(Signal conditioning board)도 DSP(Digital signal processor)를 이용한 디지털 보드 형식 대신에 아날로그 보드 형식을 채용하여 '소프트웨어 확인 및 검증' 활동을 경감했다.
- 그렇다 보니 배기팬도 상시 운전되어야 한다. 세 개의 배기팬이 Class 1E 120[Vac] 전원을 받아서 운전되게 하였으며 이중화된 정류기는 별도의 배기 팬은 없고 큐비클 상부와 하부에 뚫어진 공기 필터를 통해서 자연 냉각되는 방식으로 구성하였다.
- 소요 공정은 15일이었다. 신설 제어기 큐비클 하부 기초 보강작업 실시 - 기존 케이블 철거 - 정류기 내부 판넬 철거 - 정류기 내부 판넬 설치 - 신설 제어기 설치 - 전선관 설치 및 케이블 포설 - 케이블 라인 점검 및 입출력 시험(시퀀스 시험 포함) - 동기발전기 시뮬레이터시험(EDG 미기동) - 무부하 시험(시스템 튜닝) - 부하 시험(종합성능시험) 순으로 진행하였다. 원자력 규제기관에서는 성능시험시 입회하여 성능을 확인 및 검증하였다.
- 총 5회 시험을 수행하였다. 안전정지지진 시험은 시방서에서 요구하는 안전정지지진의 요구응답스펙트럼(그림 16 참조)을 이용하여 운전기준지진 시험과 비슷한 방법으로 1 회 시험을 수행하였다. 각 시험 후 공진탐색시험의 경우는 기기의 구조적 건전성 및 안전기능 유지 여부를 확인한다.
- 여자시스템의 기본 기능과 요건이 확인된 시스템을 기기검증시험장으로 이동하여 그림 10과 같은 절차에 의해서 노화분석, 내환경시험, 전자파시험 등의 기기검증시험을 수행하였다. 여기서 초기 기능시험은 정류기 입력전원을 95%, 100%, 105%로 각각 유지한 상태에서 각각 관련 데이터를 취득하여 시험 전후 변동 여부를 확인한다. 시스템이 설치될 현장 환경 조건은 표 3과 같으며 기기검증 시험 조건은 그림 11과 표 4, 5와 같다[3].
- 기존 시스템을 분석한 결과 여자시스템에서 상위로 트립 신호를 송신하는 회로는 없었으며 여자시스템은 상위로부터 수신되는 트립 신호나 정지 신호에 의해서 정지되도록 설계되어 있어서 그 개념을 따랐다. 여자시스템 경보회로는 기존에 없었으나 디지털 시스템으로 바뀌면서 제어기 상태 진단과 정류기 상태 등을 경보로 처리하여 그림 5와 같이 제어기 큐비클 전면부에 네 개의 경보신호등을 설치하였고 그 신호들을 병렬처리하여 하나의 신호로 만들어서 상위 계통(Engine control panel)으로 송출하게 하였다. 그 경보회로의 상세 구성은 그림 6과 같다.
- 종합기능시험은 비상디젤발전기(10MVA급)를 축약한 전동발전기(5kW급)나 동기발전기 시뮬레이터 등과 연계하여 전압 확립, 우전범위 확인, 계단응답, 각종 제한회로 동작 등을 확인하는 것을 의미한다. 여자시스템의 기본 기능과 요건이 확인된 시스템을 기기검증시험장으로 이동하여 그림 10과 같은 절차에 의해서 노화분석, 내환경시험, 전자파시험 등의 기기검증시험을 수행하였다. 여기서 초기 기능시험은 정류기 입력전원을 95%, 100%, 105%로 각각 유지한 상태에서 각각 관련 데이터를 취득하여 시험 전후 변동 여부를 확인한다.
- 운전기준지진 시험은 시방서에서 제시한 운전기준지진에 대한 요구응답스펙트럼을 1/6 옥타브 대역폭으로, 시험 주파수는 1-50[Hz]로 하고 테이블은 3축 동시 가진하며 시험하였고 총 5회 시험을 수행하였다. 안전정지지진 시험은 시방서에서 요구하는 안전정지지진의 요구응답스펙트럼(그림 16 참조)을 이용하여 운전기준지진 시험과 비슷한 방법으로 1 회 시험을 수행하였다.
- 신설 제어기 큐비클 하부 기초 보강작업 실시 - 기존 케이블 철거 - 정류기 내부 판넬 철거 - 정류기 내부 판넬 설치 - 신설 제어기 설치 - 전선관 설치 및 케이블 포설 - 케이블 라인 점검 및 입출력 시험(시퀀스 시험 포함) - 동기발전기 시뮬레이터시험(EDG 미기동) - 무부하 시험(시스템 튜닝) - 부하 시험(종합성능시험) 순으로 진행하였다. 원자력 규제기관에서는 성능시험시 입회하여 성능을 확인 및 검증하였다. 특히 성능시험 전에 시스템 튜닝시간을 최소화하는 것이 중요한데 비상디젤발전기 데이터가 입력된 동기발전기 시뮬레이터를 가지고 튜닝 데이터를 가지고 그림 9와 같이 최종 튜닝을 실시하였다.
- 두 종류 온도시험을 수행한 결과 별다른 이상 점을 발견할 수 없었다. 위 두 가지 상기 온도시험은 기기검증용 여자시스템으로 수행하였으며 현장에 실제 적용되었던 시스템에는 온도시험은 별도로 하지 않았고 전 부하시험만 100시간 실시하였다[2].
- 내환경 시험 조건은 3상 전원공급기를 이용하여 발전기 PT와 CT를 정격으로 공급한 가운데 정류기 입력 측에 180[Vac] 전원을 공급한 상태에서 입출력 신호처리시스템(SCB) 와 3중화 제어기 등이 정상적으로 동작하는지를 확인하는 것이었다. 이 밖에 최소 정류가 이루어지도록가부하장치를 구성하였고, 정류기 점호신호(제어 최종 출력) 는 강제로 출력하여 정격 계자전압이 출력되도록 하였다.
- 전자파시험은 시스템이 전자파의 영향을 받지 않으며, 시스템으로부터 방사되는 전자파가 다른 설비의 기능에 영향을 미치지 않는 수준임을 입증하기 위하여, 전도성 방사, 자기장 방사, 전기장 방사, 복사 전기장에 대한 내성시험, 정전기 방전 내성시험, 전기적 빠른 과도현상, 서지 내성시험, 저주파 전도성 간섭에 대한 내성시험, 고주파 전도성 간섭에 대한 내성시험 등을 실시하였다[11]. 본 시험에서 가장 힘들었던 시험항목이 바로 전자파시험이었는데 특히 전기장 방사(RE102) 항목과 연속파에 의한 전도간섭에 대한 내성시험 (CS114) 항목 등 2개 항목에 대해서 바로 통과하지 못하고 다음과 같이 보완하고 나서야 겨우 통과할 수 있었다[4].
- 설계되었다. 주발전기 여자시스템처럼 삼중화 디지털 제어기를 채용하되 안전등급으로 인증된 상용 제어기를 채택하여 안전성을 확보하여 기기검증시험에 대한 위험 부담을 경감시키고, 또한 특수 입출력 신호처리 보드(Signal conditioning board)도 DSP(Digital signal processor)를 이용한 디지털 보드 형식 대신에 아날로그 보드 형식을 채용하여 '소프트웨어 확인 및 검증' 활동을 경감했다.
- 이 예측은 부품 또는 단위품을 무작위 추출한 후사용 조건과 유사한 환경에서 시험을 하여 실제로 발생되는 고장을 관측하여 고장률을 추정하는 것과는 차이가 있다. 즉, 시험하는 대신 규격서 또는 표준서를 이용하여 대상품과 유사한 부품의 종류 및 규격에 대한 표준적 모델식을 사용하여 고장률을 산출하는 것이다. 이때 대상품의 운용 환경, 품질 수준, 전기적 스트레스 등을 고려하여 모델식에 반영한다.
- 각 시험 후 공진탐색시험의 경우는 기기의 구조적 건전성 및 안전기능 유지 여부를 확인한다. 측정센서(가속도계) 부착위치 및 방향은 각 판넬의 하부, 중앙, 상부 등 세 개 지점에 세 방향(X, Y, Z) 가속도계를 부착하였다.
- 표 1과 같이 기존 여자시스템과 개체 여자시스템을 비교해 보았다. 먼저 정류기 방식에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
이론/모형
- 또한 발전기 손상을 방지하기 위해서 오버슈트를 피해고, 급기동 요건(기동명령 후 10초 이내 규정전압과 규정 주파수 이내로 우전되는 것)을 만족하기 위하여, 그림 9와 같이 발전기 단자전압 설정값을 Ramp 적으로 증가하는 Soft Start 방식을 채용한다. 비상디젤발전기의 기동방법에는 급기동 방식과 완기동 방식이 있다.
성능/효과
- 또한 안전정지지진 시험에서 내진시험기의 각 축이 독립적인 운동을 하였음을 입증하기 위하여 상관함수가 0.5 이하가 됨을 입증하였고 시험시간은 총 25초로 하였고 격심한 운동 시간은 15초 이상 유지하였다. 내진검증조건에 대한 시험 결과 제어기 판넬과 정류기 판넬 모두 구조적 건전성 및 기능적 동작성을 만족하는 것으로 확인되었다[5].
- 또한 현재 발달된 디지털 기술을 원전 안전등급에 맞게 구성한 것이 특징이라고 할 수 있겠다. 원전 안전등급의 아날로그시스템을 디지털시스템으로 개체하고 난 후 개선된 점은 기동시 오버슈트가 110%에서 104% 정도로 확연히 좋아진 점과 최신의 디지털 시스템이 적용됨에 따라 예비품 확보가 수월해진 점 등으로 비상디젤발전기를 안정적으로 운용할 수 있다는 점이 본 연구의 성과이다.
- 안전 등급으로 강화된 요건에서 설계되어 제작된 시스템은 가장 먼저 종합기능시험을 수행한다. 종합기능시험은 비상디젤발전기(10MVA급)를 축약한 전동발전기(5kW급)나 동기발전기 시뮬레이터 등과 연계하여 전압 확립, 우전범위 확인, 계단응답, 각종 제한회로 동작 등을 확인하는 것을 의미한다. 여자시스템의 기본 기능과 요건이 확인된 시스템을 기기검증시험장으로 이동하여 그림 10과 같은 절차에 의해서 노화분석, 내환경시험, 전자파시험 등의 기기검증시험을 수행하였다.
- 종합성능시험 항목 중 전부하탈락시험시 정격전압의 115%를 초과하면 안 된다는 규정을 위반하여 검토한 결과, 디지털 제어기에서 최종 출력되는 신호를 점호카드로 송출하는 데서 시지연 요소가 있는 신호변환기(Transducer)가 사용된 것이 확인되어 제거하고 저항 등으로 대신한 결과 정격전압의 115% 이내로 규정을 만족하였다. 이밖에도 여러 가지 제약사항 때문에 MMI(Man- machine interface)를 새롭게 추가하지 않고 기존 인터페이스를 그대로 사용하다 보니 디지털의 장점인 상황 재연(또는 기록)이 가능하다는 점인데 제약이 따랐다.
후속연구
- 나머지 한 대로 운전 중에 여자 시스템의 어느 한 요소에 고장이 발생할 경우 기동이 불가하거나 운전 중 정지될 가능성이 상존하였다. 또한 예비품 확보가 여의치 않아 부품 고장시 정비하는데 장시간이 소요될 경우 등을 대비하여 이런 필수 설비에 보다 높은 신뢰성을 제고할 필요가 있었다.
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