원전 케이블 수명 60년 이상 설계 및 수명관리 방안 ·...

원전원전 케이블케이블 수명수명 6060년년 이상이상

설계설계 및및 수명관리수명관리 방안방안

제 9회 원전 전력계통 안전성증진 워크샵

전력연구원전력연구원 원자력발전연구소원자력발전연구소김김 종종 석석

[email protected]@kepri.re.kr

60년 수명 케이블 수요60년 수명 케이블 수요

n 세계적으로 신규원전은 60년 설계수명으로 건설되고 있음

u AP1000(Westinghouse) : 60년 수명

u US-APWR(Mitsubishi) : 60년 수명

u EPR(Areva) : 60년 수명

n APR1400급 국내원전 및 수출용 APR1000 원전도 60년 설계수명으로 건설

u UAE 1,2호기 계약조건 : 40년 케이블 수명(APR1400). In the negotiation

u 신고리 3,4호기는 케이블 수명 40년->60년 수명을 위한 대안 필요

u 신울진 1,2호기는 인허가를 위해 60년 수명 케이블 확보 필요

n 케이블은 원자로압력용기, 안전성등급 배관 등과 함께 장수명 기기로 분류됨

u 장수명 기기의 경우 발전소 설계수명과 동일한 수명을 가지는 것이 원칙임

u 케이블은 재 포설 난이 , 화재 관통구 교체 , 시운전 문제로 전면교체가 어려움

Study for beyond 60years Cable in AbroadEPRI LTO ITT: long term operation issue tracking table

Study for beyond 60years Cable in AbroadEPRI LTO ITT: long term operation issue tracking table

No 분 야 주요내용 중요도

1 1차계통 금속열화PWSCC, IASCC, RPV 조사취화 예측모델, 감시시편, 열화기구 확장, RPV 저온과압, Int. 신재료, 환경피로/파괴, 조사크립, RPV 열처리 등 H, L

2 콘크리트 열화 열화DB, 관리절차/해석도구, 연료저장조 균열 H, M

3 SSC 감시, 진단, 예측 능동형 기기, 변압기/발전기, 피동형 기기 실시간 감시 H, M

4 디지털 I&C 선진화, 개선 차세대 계측제어 시스템, 첨단정보관리 M

5 연료 설계 및 성능 SiC 클래딩, 연료열화, 연료열화 해석기술, 사용후연료 저장 수소취화 M, L

6 위험도기반 안전여유 LTO 안전해석, 해석 도구, LTO PRA H, M, L

7 환경적 인터페이스 냉각수 환경 영향 L

8 통합 설비개선 대형기기 설비개선, 교체 정책, 설비개선 DB, 단계별 설비개선 방안 H, M

9 케이블 열화 실험 및 열화관리 기술 M

10 매설/BOP 설비 열화 매설설비관리, 신재료 적용 H, M

11 비파괴검사 기술개선 검사 데이터 관리 M

12설 계 , 인 허 가 , 운 영 기 반형상관리

3D 형상관리 기술 M

13 기기검증 개선 기기검증 기술 최적화 L

14 코팅 장기 코팅 관리 L

15 재료열화기구 종합 DB 80년까지의 열화기구 규명 M

16 용접기술 조사 Internals. 수중용접 기술 M

17 잠재적인 수명제한 쟁점 60년 이상 경년열화, 잔존수명 재분석 H

60년 수명 케이블 개발 현황60년 수명 케이블 개발 현황

n 해외업체u HABIA(스웨덴)

§ HFI260 절연체: Radiation 2.64x106 Gy<APR1000 60년TID 2.86x106 Gythermal 109℃에서 60년 가능

§ HFS105XL 자켓 : thermal 61 ℃에서 60년 가능§ DBE : OPR1000 LOCA 만족

§ Nexans(프랑스)§ EPR 절연체, Radiation 2x106 Gy, thermal 90 ℃에서 60년§ 방사선 TID 및 LOCA 시험 peak 온도조건이 APR1400요건보다 낮음

n 국내업체

u LS케이블, JS 케이블 및 대한전선은 40년 수명 케이블 보유

u LS 케이블 : 60년 수명 Class 1E EQ 케이블 개발 추진 중(HABIA 유사재질)

u JS 케이블 및 대한전선 : 60년 수명 Class 1E EQ 케이블 개발의사 있음

60년 이상 수명 케이블 개발OBSTACLE

60년 이상 수명 케이블 개발OBSTACLE

n 원자력발전소 설계조건의 보수성u 정상사용온도

§ OPR1000/APR1400은 전력케이블, 제어케이블 및 계측케이블 모두 90 ℃§ 가동원전 경험 전력케이블 80 ℃ 이하, 제어 70 ℃이하, 계측은 50 ℃ 이하

u 방사선환경 조건§ 60년 TID 2.86x106 Gy는 감마방사선 + 베타방사선 합계임

u DBE 조건§ DBE peak 온도조건(182 ℃ 55초)은 APR1400 ≒ OPR1000(문제 없음)

u 케이블 절연체 및 자켓 재료 수입의존§ 원재료는 100% 수입, 케이블 제작 및 검증시험은 국내에서 가능

n IEEE383(케이블 내환경검증 시험기술기준)의 보수성u Upon completion of the DBE simulation, to demonstrate retention of a degree of

flexibility, margin in electrical performance and ability to withstand some movement and vibration, the samples shall be straighten (if bent) and coiled around a mandrel with a diameter of approximately 40 times the overall cable diameter and immersed in tap water at room temperature for a period of one hour. While still immersed, the specimens shall pass voltage withstand test specified under [6.4.2 item d)].

Life Extension Requirements in IEEE383-2003

Life Extension Requirements in IEEE383-2003

n 5.4 Extending qualified lifeQualified life may be extended in cases where the qualified life is shorter than the anticipated

installed life by the use of ongoing qualification, including the methods discussed below:

a) A cable or field splice shall be qualified for an initial qualified life based on available data. Althoughoperating within the initial qualified life period, other cables or field splices of the same type may beplaced in a natural or accelerated aging environment that ages them under controlled conditions.These other test samples shall then be removed from the age-conditioning environment and typetested. The type testing may include additional accelerated age conditioning and shall include DBEand post-DBE simulations. Successful completion of the type test extends the qualified life by theadditional aging period. This procedure may be repeated until the qualified life equals the requiredinstalled life or until the maximum life is reached if it is less than the required installed life.

b) When a cable or field splice is more robust than originally predicated, a monitoring program may beused to extend the qualified life of installed cable and field splices. This requires that the characteristicssubject to aging deterioration be monitored at specific intervals and compared with specifiedacceptance criteria. The acceptance criteria shall be based on post-age-conditioning characteristicsfor the qualified cable or field splice. Absence of a change beyond the acceptance criteria indicatesthat the cable or field splice is not adversely affected by aging and is qualified for another interval.The monitoring intervals shall be established to prevent deterioration beyond the acceptance criteriaprior to corrective action. Corrective actions include specified maintenance, modification, or replacement.

c) Qualified life may be extended if it can be shown that the service or environmental conditions originallyassumed were overly conservative with respect to those that apply at the equipment's locationsin its installed configuration.

Solution for IEEE383: 5.4 RequirementsSolution for IEEE383: 5.4 Requirements

n IEEE383 : 5.4 a) 요건u 발전소 케이블 종류별 샘플을 추출하여 발전소의 HOT SPOT지역에 설치해 두고 주기

적으로 인출하여 케이블 시험u 자연 열 방사선 노화가 된 상태이므로 DBE 방사선 + 증기시험만 추가로 수행

■ IEEE383 : 5.4 b) 요건u 케이블 열화상태 진단을 위한 비파괴 방법 선정(Indenter, OIT, Reflectometry (TDR,

FDR, JTFDR)u 케이블 normal aging 60-80년 후 DBE 시험 전 비파괴 열화진단 시험 및 데이타 취득

ü DBE 시험 pass 할 경우 DBE 시험 전 데이터가 acceptance criteria가 됨

u 발전소 케이블 주기적 열화진단 수행u 케이블 데이터가 acceptance criteria에 도달할 때까지 계속 사용

ü 발전소 Design life와 관계없이 cable 사용 가능

■ IEEE383 : 5.4 c) 요건u 발전소 케이블에 열 및 방사선 모니터링 장치 부착u 전력 및 제어케이블은 코어 저항열 모니터링(케이블 자켓에 부착 측정)u 계측케이블은 room 환경온도 모니터링u 설계시 고려된 온도조건과 모니터링된 온도 조건을 비교u 아레니우스방정식을 이용하여 normal 수명을 재평가하여 수명연장

Suggested cable depot from Siemens(Paks NPP in Hungary)

Solution for IEEE383: 5.4 a)Solution for IEEE383: 5.4 a)

Suggested installation of the cable depot


Cable depot installation in Unit 2 in Paks


Gently expedited aging using a cable depot

n Based on a Siemens recommendationn Installed in Unit 2 in 1997 with 28 initial samplesn Sample removal and addition in 1998 and every year n Examination of the removed samples through the same tests as described beforen Not always unambiguous resultsn The Unit 2 depot conditions were too harsh for the purposen Due to neutron irradiation from the reactor, samples were activated

u complicated to transport and test afterwardsn New depot installation in Unit 1 in 2002


Samples prepared for the Unit 1 depot


Cable depot installation in Unit 1


■ 휴대용 케이블 노화기u 케이블의 노화를 비파괴적으로 진단하는 장비u 초소형 모타 및 PDA를 이용하여 케이블 노화에 따른 경화 정도 측정

Probe이 케이블 표면을 누를 때 가압력을 총 이동거리로 나눈 값을모듈계수라 하며 경화정도를 의미함

u 인덴터 측정값은 실험실에서 측정된 연신율-인덴터 값 비교를 통해케이블의 노화상태 평가에 활용

▲ Development history of portable Cable Aging Tester

Solution for IEEE383: 5.4 b)Solution for IEEE383: 5.4 b)

■ 전력케이블의 절연체로 많이 사용되는XLPE 는 노 화 년 도 별 연 신 율 특 성 이불 연 속 적 이 라 서 파단-연신 율에 의한활성화에너지 측정이 어려움

■ 폴리에틸렌의 경우 산화유도시간이재료의 산화 방지능력 및 산화정도를판정하는데 중요한 역할을 함

■ DSC장비는 케이블 재료의 산화유도시간을 측정하는 장비임

§ 200ºC까지 질소 분위기에서 가열

§ 200ºC에서 5분간 등온을 유지

§ 산소 주입 후 산화유도시간 측정

§ 활성화에너지 계산시 180 - 220ºC 사이에서 4개 이상 온도 선택 후 OIT측정

§ Isothermal time = 15∼100minutes

▲ OIT 분석 장비


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1. Agilnet™ 86100B Infiniium Oscilloscope with 54754A differential TDR modules.

2. Agilent™ Wirescope 350 TDR

3. Riser-Bond™ 1270A TDR Cable Fault Locator

4. 3M™ Advanced Systems Tester 900AST


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5. Anritsu™ Sitemaster S251C Microwave Cable Fault Locator FDR

•Frequency domain information is transferred via IDFT for DTF (Distance to Fault) calculation


Signal Generation and Acquisition Setup

Accelerated Aging Test Heat Chamber

120 W Solid State Broadband High Power Amplifier

AWG

Oscilloscope

PC Optimal Reference

Amplified Signal

Heat Chamber

Cable Through Port (x2)

HeatingController


The University of South Carolina 신용준교수

Aging Process of XLPE Cable(sheath cable only)

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Aging Process of EPR Cable(sheath cable only)

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Aging Process of SIR Cable(sheath cable only)

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그림 6 . 데이터 수집그림 7 . 데이터 저장

u 리치움-이온 전지로 2년간 기기/케이블표면온도/방사선 누적량 측정

u 데이터 압축방법을 사용하여 데이터저장용량을 1/200 로 축소

u 플레시-롬 사용으로 전원 상실시 데이터유지 가능

u 적외선 데이터 전송 방식 이용

u PDA를 이용하여 온도 데이타 수집

u Alanine-EPR 감마 방사선 조사량모니터링 tablet 보관 장치 부착

Solution for IEEE383: 5.4 c)Solution for IEEE383: 5.4 c)

u 전력케이블의 절연체는 외부 온도 및전도체의 저항열에 의해 노화가 진행됨

u 절연체의 노화평가를 위해 전도체저항열을 측정하는 것이 필요하나 자켓내부에 설치된 절연체에 가해지는 전도체저항열을 측정하기가 어려움

u 본 장비는 전도체를 전열기로 가열한 후전도체, 절연체, 자켓표면, 외기온도를측정하여 관계식을 만들기 위한 장비임

u 본 장비를 이용하면 발전소 케이블의 자켓표면온도와 외기온도를 알면 절연체의온도를 알 수 있음

전력케이블 저항열 시뮬레이션 장비

▲ Power cable ohm heat simulator


▲ 전력케이블 표면온도 ▲ 전력케이블 내 외부 온도(실험장비)

▲ 반복실험을 통해 구한 전력케이블 환경상수


n 가동원전 케이블 수명연장을 위한 내환경 검증시험 절차

u 발전소 케이블을 종류별로 분류한 뒤 대표 케이블을 선정

u TGA장비를 이용하여 케이블 절연체의 활성화에너지 산출

u 케이블을 자연열화에 해당하는 양만큼 고온에서 가속열화 실시

u 케이블을 정상 방사선 조사에 해당하는 양 만큼 방사선 조사

u 케이블 밴딩(케이블 구경의 20배) 및 물에 1시간 담군 뒤 내전압 시험

(AC80V/mil)

u 케이블에 DBA에 해당하는 방사선 조사

u 케이블을 DBA 시험 챔버에 넣고 DBA시험 수행. DBA시험 중 전압/전류 가

압 후 누설전류 연속측정. 절연저항은 단속적으로 측정

u DBA시험 완료 후 DBA 시험 챔버에 물을 채우고 1시간 동안 담근 뒤 내전

압 시험(AC80V/mil) 수행(NUREG/CR-6384 'Literature review of

environmental qualification of safety-related electric cables'

report에 따라 가동원전 케이블의경우 DBA 후 밴딩요건 면제)

Other solution for Cable life extension케이블 EQ 시험요건 현실화(1/2)


n Benefit of cable duct and cold air circulation

u 베타방사선량을 EQ 시험선량에서 제외 가능

§ 최대 75% 감소 가능(see next page)

u 단열 트레이 덕트 및 공기 순환 시스템이 케이블 환경온도를 낮춤

§ 케이블 환경온도 감소 → 케이블 수명연장

§ 환경온도 10℃ 감소 → 케이블 수명 2배 연장

§ DBE peak온도를 감소시켜서 EQ 시험 pass 가능성을 높임

• 182 ℃ 에서 200초(APR1400 LOCA) → 132 ℃(약 50 ℃ 감소)

★트레이 덕트 공기순환시스템의 Non safety class 시공시 온도 모니터링 장비

설치 필요

Other solution for Cable life extension(Cable tray duct and cold air circulation)


n Beyond 60years life is possible when you change the present design concept of cable system

n For the excluding of cable bending requirement after DBE, regulatory body should deeply understand the background of cable qualification testu Negotiation is required between regulatory body and plant utility

n Full tests for one nuclear power plant and systematic cable aging management program is required.

u Newly built NPP is better than old plant since the cable sample for test is easy to get

ConclusionConclusion

원전 케이블 수명 60년 이상 설계 및 수명관리 방안 ·...

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