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문제 정의
- PAB 165'에서의 층응답스펙트럼을 입력지진으로 선택한 것은 표 1에서 보는 바와 같이 480V MCC의 지진취약도 평가 결과에서 유일하게 screen out 수준 아래로 평가되고 있는 위치이기 때문이다. 또한 등재해도 스펙트럼은 원자력발전소 전기설비의 고진동수에 대한 영향을 분석하기 위하여 선택하였다. 각 입력지진의 가속도 응답스펙트럼은 그림 2에 제시하였다.
- 본 연구에서는 원자력발전소의 주요 설비중의 하나인 전기설비를 대상으로 지진취약도 재평가를 위한 진동대 실험을 수행하였다. 원자력발전소 내에는 많은 전기설비들이 설치되어 있으며, 이러한 전기설비의 손상은 전기설비 자체의 손상에서 그치는 것이 아니고 발전소 전체의 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있다.
- 그러나 원자력발전소에 대한 수출이 국가적인 관심사항이 된 지금의 현실에서는 우리가 수출하는 모든 기기에 대한 지진취약도 평가를 실험적으로 수행하여 증명해야 할 필요성이 증대하고 있다고 할 수 있다. 이의 일환으로 본 연구에서는 원자력발전소의 주요 전기설비의 하나인 전기캐비넷을 대상으로 한 진동대 실험을 수행하여 지진취약도 평가를 수행하였다.
가설 설정
- 2g에서 실험이 중단되었으나 그것이 실험체의 파괴라고 판단하기에는 적합하지 않은 것으로 판단되어 취약도 산정을 하지 않았다. UHS 지진을 이용한 실험에서는 최대가속도 3.0g까지 실험을 수행하였으나 구조적인 손상은 발생하지 않았으며, 따라서 3.0g에서의 결과를 기능적 손상이 발생한 것으로 가정하고 취약도 평가를 수행하였다. FRS를 이용한 실험에서는 최대가속도 2.
제안 방법
- 480V MCC의 구조적 응답 및 캐비넷에서의 진동증폭효과를 분석하기 위하여 캐비넷 주요부에 가속도계를 설치하여 가속도를 관측하였다. 캐비넷 전체의 거동을 살펴보기 위하여 캐비넷의 측면 판넬의 세지점에서 3방향의 가속도를 관측하였으며 캐비넷 내부의 가속도 증폭을 분석하기 위하여 계전기가 설치되어 있는 일부 위치에서의 가속도를 관측하였다.
- 0g에서의 결과를 기능적 손상이 발생한 것으로 가정하고 취약도 평가를 수행하였다. FRS를 이용한 실험에서는 최대가속도 2.5g에서 캐비넷의 측면 판넬이 손상되는 구조적 손상이 발생하였으므로 이것을 구조적 손상인 것으로 판단하여 취약도 평가를 수행하였다. 최종적인 취약도 평가결과를 정리하면 표 8과 같다.
- FRS의 경우는 PAB 165' 위치에서의 층응답이 약 0.8g 수준이므로 0.8g에서 시작하여 PGA 수준을 증가시키면서 실험을 수행하였다.
- NRC 설계지진과 UHS 지진을 이용한 내진성능 시험시 캐비넷 측면의 가속도를 분석하여 캐비넷 자체의 구조적 증폭특성을 비교하였다. 그림 5와 그림 6에 입력지진과 측면 각 지점에서 계측한 최대가속도를 각 위치에 따라 입력지진 별로 도시하였다.
- 또한 진동대 실험시 수행한 최대가속도 수준별로 모두 비교하여 입력가속도 수준의 변화에 따른 변화를 파악할 수 있도록 하였다. NUREG/ CR-5203에서는 진동수 범위를 4~16Hz, 16~40Hz 그리고 40~100Hz로 구분하였으나 본 연구에서는 한계 진동수(cutoff frequency)를 50Hz로 하였으므로 4~16Hz와 16~50Hz 구간만을 대상으로 비교하였다. 표 4~7과 그림 9~12에 지진파와 캐비넷의 내외부에 따른 가속도 증폭비를 정리하였다.
- 본 연구에서의 실험결과를 이용하여 MCC의 증폭비를 NUREG/CR-5203에서 제시한 것과 동일한 방법으로 정리하여 비교해 보았다. 가속도 증폭비는 NRC 지진과 UHS 지진의 실험결과만을 비교하였으며 캐비넷 외부에서 계측한 결과와 내부에서의 계측결과를 모두 비교하였다. 또한 진동대 실험시 수행한 최대가속도 수준별로 모두 비교하여 입력가속도 수준의 변화에 따른 변화를 파악할 수 있도록 하였다.
- 구체적인 원자력발전소 전기설비의 취약도 평가결과를 파악하기 위하여 원자력발전소의 확률론적 안전성평가 보고서를 분석하였다(한국수력원자력 2002). 전체 설비중에서 중요도가 높은 전기설비를 선별하여 표 1에 정리하였다.
- 내진성능 평가를 위한 진동대 실험은 각 지진파에 따라 수행하였으며 NRC와 UHS의 경우는 국내 원전의 설계지진 최대가속도 수준인 0.2g에서부터 점차 증가하여 가진하여 실험을 수행하였다. FRS의 경우는 PAB 165' 위치에서의 층응답이 약 0.
- 전기 캐비넷이 가장 많이 사용되는 전기설비이기 때문이며, 전기 캐비넷 내부에 설치된 전기장치의 오동작으로 인하여 원자력발전소의 안전에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 내진성능 평가시험을 위한 전기설비를 제작하는 것은 현실적으로 불가능하므로 내진검증용으로 제작된 전기설비를 제작사로부터 임대하는 방법을 취하여 실험체를 구성하였으며, 결정된 평가대상 설비는 480V MCC로 결정되었다. 실험대상 480V MCC의 형상과 제원은 그림 1에 도시하였으며, 주요 제원은 표 2에 정리하였다.
- 가속도 증폭비는 NRC 지진과 UHS 지진의 실험결과만을 비교하였으며 캐비넷 외부에서 계측한 결과와 내부에서의 계측결과를 모두 비교하였다. 또한 진동대 실험시 수행한 최대가속도 수준별로 모두 비교하여 입력가속도 수준의 변화에 따른 변화를 파악할 수 있도록 하였다. NUREG/ CR-5203에서는 진동수 범위를 4~16Hz, 16~40Hz 그리고 40~100Hz로 구분하였으나 본 연구에서는 한계 진동수(cutoff frequency)를 50Hz로 하였으므로 4~16Hz와 16~50Hz 구간만을 대상으로 비교하였다.
- 계측위치의 모식도는 그림 3(a)에 제시하였다. 또한 캐비넷 내부의 전기장치들이 설치되는 위치에서의 가속도 증폭효과를 분석하기 위하여 캐비넷 내부 두 개의 지점에서 가속도를 계측하였다. 계측위치는 그림 3(b)에 도시하였으며, 위치는 480V MCC의 고유위치번호를 따라서 A2와 E1으로 하여 정리하였다.
- 본 연구에서의 실험결과를 이용하여 MCC의 증폭비를 NUREG/CR-5203에서 제시한 것과 동일한 방법으로 정리하여 비교해 보았다. 가속도 증폭비는 NRC 지진과 UHS 지진의 실험결과만을 비교하였으며 캐비넷 외부에서 계측한 결과와 내부에서의 계측결과를 모두 비교하였다.
- 평가대상 전기설비로는 480V MCC를 선정하였으며, 진동대 실험을 위하여 NRC 설계지진, 등재해도 스펙트럼에 의한 인공지진 그리고 PAB165'에서의 층응답스펙트럼을 이용한 인공지진의 3가지 지진파를 이용하였다. 설계지진동 수준인 최대지반가속도 0.2g부터 단계적으로 입력수준을 증가시키면서 실험을 수행하였다. 전기캐비넷의 지진응답평가를 위하여 캐비넷 내부와 외부에서의 가속도응답을 측정하여 입력지진동과의 비교를 통하여 증폭효과를 비교하였다.
- 실험결과를 바탕으로 하여 480V MCC에 대한 지진취약도 평가를 수행하였다. 지진취약도 평가를 위해서 EPRI TR103959에서 제시하고 있는 방법을 사용하였다.
- 실험대상 480V MCC에 대한 Random 신호를 이용한 고유진동수 분석을 수행하였다. 분석결과는 그림 4에 도시하였으며 그림에서 보는 바와 같이 캐비넷의 종방향 고유진동수는 72Hz이며 횡방향 고유진동수는 13Hz인 것으로 나타나는 것을 알 수 있다.
- 실험대상으로 선정한 480V MCC의 내외부 증폭특성을 분석하기 위하여 캐비넷 외부와 전기장치들이 주로 설치되는 내부 판넬에서의 가속도증폭을 계측하였다. 계측결과 캐비넷 내부와 외부에서의 가속도 증폭특성이 상이한 것을 발견할 수 있었다.
- 0g까지 실험을 수행하지는 못하였다. 연직방향에 대한 실험과 단축 1방향에 대한 실험을 수행하였으나 본 연구에서는 단축수평방향에 대한 실험결과만을 분석하여 결과를 도출하였다.
- 원자력발전소의 확률론적 안전성 평가의 수행을 위하여 필수적인 요소인 기기 지진취약도 평가를 위한 진동대 실험을 수행하였다. 파괴수준까지의 진동대 실험을 수행하였으며, 구조적 파괴와 기능적 파괴를 고려한 분석을 수행하였다.
- 2g부터 단계적으로 입력수준을 증가시키면서 실험을 수행하였다. 전기캐비넷의 지진응답평가를 위하여 캐비넷 내부와 외부에서의 가속도응답을 측정하여 입력지진동과의 비교를 통하여 증폭효과를 비교하였다. 전기캐비넷의 경우 일반 구조물과는 달리 캐비넷 외부에서의 구조적인 증폭현상보다는 주요 전기기기가 설치되는 내부 지점에서의 지진응답이 더 큰 의미를 갖기 때문이다.
- 480V MCC의 구조적 응답 및 캐비넷에서의 진동증폭효과를 분석하기 위하여 캐비넷 주요부에 가속도계를 설치하여 가속도를 관측하였다. 캐비넷 전체의 거동을 살펴보기 위하여 캐비넷의 측면 판넬의 세지점에서 3방향의 가속도를 관측하였으며 캐비넷 내부의 가속도 증폭을 분석하기 위하여 계전기가 설치되어 있는 일부 위치에서의 가속도를 관측하였다. 캐비넷의 측면에 설치된 가속도계의 위치는 바닥면으로부터 100mm, 1500mm, 2640mm로서 관측결과의 정리시에도 계측 높이에 따라 분석을 수행하였다.
- 전기캐비넷의 경우 일반 구조물과는 달리 캐비넷 외부에서의 구조적인 증폭현상보다는 주요 전기기기가 설치되는 내부 지점에서의 지진응답이 더 큰 의미를 갖기 때문이다. 캐비넷에서 관측된 내외부 지진증폭비는 NUREG/CR-5203(Bandyopadhyay 등, 1998)에서 제시하고 있는 방법에 의거하여 비교하였으며, EPRI TR-103959 (1994)의 방법으로 취약도 평가를 수행하여 기존의 확률론적 지진안전성 평가에서 사용하고 있는 지진취약도 결과와 비교하였다.
- 캐비넷 전체의 거동을 살펴보기 위하여 캐비넷의 측면 판넬의 세지점에서 3방향의 가속도를 관측하였으며 캐비넷 내부의 가속도 증폭을 분석하기 위하여 계전기가 설치되어 있는 일부 위치에서의 가속도를 관측하였다. 캐비넷의 측면에 설치된 가속도계의 위치는 바닥면으로부터 100mm, 1500mm, 2640mm로서 관측결과의 정리시에도 계측 높이에 따라 분석을 수행하였다. 계측위치의 모식도는 그림 3(a)에 제시하였다.
- 원자력발전소의 확률론적 안전성 평가의 수행을 위하여 필수적인 요소인 기기 지진취약도 평가를 위한 진동대 실험을 수행하였다. 파괴수준까지의 진동대 실험을 수행하였으며, 구조적 파괴와 기능적 파괴를 고려한 분석을 수행하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 표 4~7과 그림 9~12에 지진파와 캐비넷의 내외부에 따른 가속도 증폭비를 정리하였다. 표에서는 표 3에서 제시한 NUREG의 증폭비에서 고신뢰도 값으로 정의된 증폭비보다 큰 값을 보이는 증폭비의 경우에 음영으로 구분하여 확인할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 내진성능 평가실험을 위한 입력지진으로 3가지의 지진파를 선정하였다. 세 가지의 지진파는 US NRC Reg.
- 실험대상 480V MCC의 형상과 제원은 그림 1에 도시하였으며, 주요 제원은 표 2에 정리하였다. 본 실험에 사용된 480V MCC는 신고리 1호기 원전에 실제로 들어가는 제품으로 그림 1과 표 2에서 정리한 바와 같이 높이는 2.65m에 무게는 1.35ton의 제원을 가지고 있다. 실험대상 480V MCC의 지진시 파손모드는 기능적 파괴의 경우 계전기 오작동이며 구조적 파괴의 경우 정착부 손상인 것으로 평가되고 있다.
- 전기설비에 대한 기존의 지진취약도 분석 결과를 바탕으로 하여 실험대상 전기설비로 전기 캐비넷을 선정하였다. 전기 캐비넷이 가장 많이 사용되는 전기설비이기 때문이며, 전기 캐비넷 내부에 설치된 전기장치의 오동작으로 인하여 원자력발전소의 안전에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
- 평가대상 전기설비로는 480V MCC를 선정하였으며, 진동대 실험을 위하여 NRC 설계지진, 등재해도 스펙트럼에 의한 인공지진 그리고 PAB165'에서의 층응답스펙트럼을 이용한 인공지진의 3가지 지진파를 이용하였다.
이론/모형
- Guide 1.60의 설계응답스펙트럼(US NRC, 1973), 해당부지의 등 재해도 스펙트럼(UHS, Uniform Hazard Spectrum) (Choi 등, 2004) 그리고 480V MCC가 설치되어 있는 위치인 PAB 165'에서의 층응답스펙트럼(FRS, Floor Response Spectrum)을 사용하였다.
- 실험결과를 바탕으로 하여 480V MCC에 대한 지진취약도 평가를 수행하였다. 지진취약도 평가를 위해서 EPRI TR103959에서 제시하고 있는 방법을 사용하였다. 지진취약도에서 정의하는 고신뢰도 저파손 파괴확률(HCLPF, High Confidence and Low Probability of failure)은 다음의 식(1)로 구할 수 있다.
- 취약도 계산을 위하여 TRS와 RRS는 본 실험에서 도출된 결과를 사용하여 산정하였으며, 기타 변수들은 TR-103959에서 제시되어 있는 값을 사용하였다. 진동대 실험시 NRC 지진을 이용한 실험에서는 최대가속도 기준 1.
성능/효과
- NUREG 보고서에서 제안하고 있는 가속도 증폭비와 본 연구에서의 실험결과를 비교한 결과 캐비넷 상단부에서의 가속도 증폭이 NUREG의 제안 범위를 벗어나고 있는 것을 알 수 있었다. 즉 전기장치가 캐비넷 내부 어느 위치에 설치되는지의 여부가 고려대상이 되어야 할 것이다.
- 실험대상으로 선정한 480V MCC의 내외부 증폭특성을 분석하기 위하여 캐비넷 외부와 전기장치들이 주로 설치되는 내부 판넬에서의 가속도증폭을 계측하였다. 계측결과 캐비넷 내부와 외부에서의 가속도 증폭특성이 상이한 것을 발견할 수 있었다. 캐비넷 외부의 경우 전체모드에 의한 가속도 증폭이 발생하는 반면 캐비넷 내부에서는 국소모드에 의한 증폭이 발생하는 것으로 판단되며, 실제 전기설비가 설치되는 부분이 캐비넷 내부이므로 실제 캐비넷에 전기장치를 설치할 때에는 이에 대한 검토가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 즉 전기장치가 캐비넷 내부 어느 위치에 설치되는지의 여부가 고려대상이 되어야 할 것이다. 기능적, 구조적 파괴를 고려한 캐비넷의 지진취약도 평가 결과는 현재 국내 원자력발전소에서 사용하고 있는 동일 전기캐비넷의 지진취약도 값이 비교적 보수적인 범위에 있음을 알게 해 주었다. 그러나 본 결과는 단지 하나의 전기 캐비넷을 대상으로 한 한번의 실험에 의한 결과이므로 국내 원전을 대상으로 한 추가적인 실험적 연구가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 5이하를 보이는 것을 알 수 있다. 또한 기능적인 손상이 전체적인 손상을 지배하고 있음을 확인할 수 있다.
- 분석결과는 그림 4에 도시하였으며 그림에서 보는 바와 같이 캐비넷의 종방향 고유진동수는 72Hz이며 횡방향 고유진동수는 13Hz인 것으로 나타나는 것을 알 수 있다. 표 1에서 제시한 울진 56호기 전기설비의 지진취약도 평가결과에서는 480V MCC의 고유진동수를 11Hz로 평가하고 있으며, 본 실험의 결과와 큰 차이가 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
- 표 1에서 제시한 울진 원전의 지진취약도 평가결과는 PAB 165'에 설치된 MCC의 경우의 HCLPF값이 기능적손상일 때 0.47g 구조적 손상일 때 0.67g인 것으로 평가되고 있으나 본 연구의 평가결과는 지진파에 따라서 다르지만 기능적 손상인 경우 0.765g, 구조적 손상인 경우 0.746g로 평가되고 있으므로 기존의 확률론적 지진안전성 평가에서 제시하고 있는 HCLPF 값이 다소 보수적으로 평가되어 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 기능적, 구조적 파괴를 고려한 캐비넷의 지진취약도 평가 결과는 현재 국내 원자력발전소에서 사용하고 있는 동일 전기캐비넷의 지진취약도 값이 비교적 보수적인 범위에 있음을 알게 해 주었다. 그러나 본 결과는 단지 하나의 전기 캐비넷을 대상으로 한 한번의 실험에 의한 결과이므로 국내 원전을 대상으로 한 추가적인 실험적 연구가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 전기설비의 안전성 평가에서는 전기설비를 포함하고 있는 전기캐비넷의 고유진동수에 의한 평가도 중요하지만 전기설비가 설치되어 있는 위치에서의 고유진동수에 의해서 실제 증폭이 민감하게 반응하므로 그에 대한 검토가 필요할 것이다. 또한 계전기 등이 설치되어 있는 위치에 따라서 증폭이 크게 변화하므로 계전기 설치 위치에 대한 검토가 반드시 수행되어야 할 것이다.
- 반면 실제 지진시에도 이와 유사한 현상이 발생한다면 오히려 강진시에는 지진에 의한 증폭이 예상보다 작게 발생할 수도 있을 것으로 예측할 수도 있을 것이다. 이러한 현상을 역으로 이용하면 캐비넷 내부 판넬의 강성을 조절해서 캐비넷 내부의 가속도 증폭을 감소시키는 방법을 생각해 볼 수도 있을 것이다.
- 특이한 것은 16Hz미만의 진동수 영역에서의 증폭비가 16Hz이상의 영역에서의 증폭비에 비하여 훨씬 크게 나타나고 있는 점이다. 전기설비의 안전성 평가에서는 전기설비를 포함하고 있는 전기캐비넷의 고유진동수에 의한 평가도 중요하지만 전기설비가 설치되어 있는 위치에서의 고유진동수에 의해서 실제 증폭이 민감하게 반응하므로 그에 대한 검토가 필요할 것이다. 또한 계전기 등이 설치되어 있는 위치에 따라서 증폭이 크게 변화하므로 계전기 설치 위치에 대한 검토가 반드시 수행되어야 할 것이다.
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