KR100603216B1 - 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의고장검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법은, 제어봉의 동작 모드시, 정지 모드시 및 이중유지 모드시의 3가지 모드로 분리하여 전력변환모듈의 고장을 검출하는데, 제어봉의 동작 모드시에는 제어봉 구동장치의 이동집게 코일, 정지집게 코일 및 올림코일의 전압의 리플 크기를 비교하여 전력변환모듈의 고장을 검출하고, 제어봉의 정지 모드시에는 정지 집게 코일에서는 이산 퓨리에 변환에 의한 특정 주파수에서의 전력 스펙트럼 분석을 통하여, 이동 집게 코일에서는 코일 전압의 RMS(root mean square) 계산 방식을 통하여 전력변환모듈의 고장을 검출하며, 제어봉의 이중 유지모드시에는 정지 집게 코일과 이동 집게 코일 모두 이산 퓨리에 변환에 의한 특정 주파수에서의 전력 스펙트럼 분석을 통하여 전력변환모듈의 고장을 검출한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 원자로 제어봉의 운전모드에 있어서의 동작 모드, 정지 모드 및 이중유지 모드 모두에서 상시 전력변환모듈의 이상 여부를 검출함으로써 전력변환모듈의 고장에 의한 발전소의 불시 정지를 사전에 방지할 수 있으며, 이에 따라 원전 가동율을 한층 향상시킬 수 있다.

원자로 제어봉, 구동장치, 전력변환모듈, 고장검출

Description

원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법{Method for detecting fault in power module for nuclear reactor control rod drive mechanism control system}

도 1은 일반적인 3개의 싸이리스터 전력 소자를 사용하여 구성한 3상 반파 정류기의 개략적인 회로구성도.

도 2는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법의 실행과정을 보여주는 흐름도.

도 3은 전력 모듈이 정상일 때의 시험 파형을 보여주는 도면.

도 4는 정지 모드시 이동 집게 코일용 전력 모듈의 한 상에서 고장이 발생한 경우의 시험 파형을 보여주는 도면.

도 5는 이중유지 모드시 이동 집게 코일용 전력 모듈의 한 상에서 고장이 발생한 경우의 시험 파형을 보여주는 도면.

도 6은 이동 집게 코일에서의 Maximum Positive Forcing시의 신호 파형을 보여주는 도면.

도 7은 이동 집게 코일에서의 Maximum Negative Forcing시의 신호 파형을 보여주는 도면.

도 8은 제어봉 동작 중 이동집게 코일에서의 FFT 측정 결과 신호 파형을 보 여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101...싸이리스터

301,401,501,601,701,801...코일 전압

302,402,502,602,702,802...코일 전류

303,403,503,603,703,803...코일 전압의 RMS 값

304,404,504,604,704,804...코일 전압의 FFT 결과

본 발명은 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법에 관한 것으로서, 특히 원자로 제어봉의 운전모드에 있어서의 동작 모드, 정지 모드 및 이중유지 모드 모두에서 전력변환모듈 내의 싸이리스터의 고장을 검출할 수 있는 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법에 관한 것이다.

일반적으로, 원자로 제어봉 구동장치 제어기기는 상위 계통으로부터 명령을 받아 하위의 전력제어기기에 동작 명령을 발생시키는 제어함과, 제어함으로부터 전송된 명령을 수행하는 전력함으로 구성된다. 전력함 내에는 제어봉 구동장치를 작 동시키기 위한 전력변환 시스템으로서 3상 반파 정류기가 설치되어 있으며, 이를 사용하여 각 코일의 요구 전류를 인가하게 되고, 이러한 위상제어 정류기를 이용하여 제어된 전류에 의해 제어봉의 삽입, 인출이 일어나게 된다.

전류 제어 기법을 사용하여 제어봉 구동장치의 각 코일에 흐르는 전류를 제어하는 경우 싸이리스터 한 상이 빠뜨려져 구동되거나 싸이리스터가 마치 다이오드처럼 동작하게 되면, 정상적인 경우와 비교할 때 과도 상태에서의 특성이 나빠지게 되어 원활한 제어봉 삽입 또는 인출 동작이 이루어지지 못한다. 이러한 경우 코일 전류만으로 싸이리스터의 이상 유무를 판단하는 것은 어려우며, 하나의 방법으로 코일 전압의 측정을 통하여 전력 모듈의 고장 검출을 행하게 된다.

종래 방식에 의한 싸이리스터 고장 검출방법은 제어봉의 동작시에 전압 리플을 검출하여 정해진 레벨 이상이면 고장이라는 판단을 하게 되는데, 이 방법의 단점은 제어봉이 정지 모드에 있을 때 정지 집게 코일에 전류를 공급하는 전력 모듈의 고장검출이 가능하지 않아 궁극적으로 제어봉의 낙하가 발생할 수도 있는 위험성을 안고 있다. 또한, 정지모드 시에 DFT(Discrete Fourier Transform; 이산 푸리에 변환) 방법으로 고장을 검출하는 경우(국내 출원번호:10-2003-0040053) 이동 집게 코일에서의 싸이리스터 한 상의 고장이 발생하여도 고장검출이 가능하지 않다. 또한, 주파수 스펙트럼 분석과 같은 방법(국내 출원번호:10-2000-0049352)은 제어봉의 동작시 일관된 검출 결과를 보이지 못하는 단점이 있다.

기저 부하를 담당하는 원자력 발전소에서 원자로 제어봉은 잦은 삽입, 인출 동작을 행하지 않고 거의 최대로 인출된 상태로 정지모드에 있게 된다. 기존의 웨 스팅하우스(Westinghouse) 모델의 전력함 내의 싸이리스터 위상 고장 검출 방법은 제어봉 동작명령에 따라 제어봉이 동작하는 경우에만 코일 전압에 나타나는 전압 리플(Voltage Ripple)의 크기를 이용하여 전력 모듈의 고장 유무를 판단한다. 따라서, 제어봉이 정지모드에 있는 경우, 즉 정지집게 코일에만 감소 전류(4.4A)가 흐르고 있는 경우에는 3종류의 전력 모듈(정지, 이동, 올림 코일용)에서의 고장검출이 매우 어렵게 된다.

또한, 정지모드에 있는 제어봉 집합체의 정지 집게 코일에 전류를 공급하는 3상 반파 정류기에서 고장이 발생하면 제어봉 추락의 우려가 있으므로 정지모드에서의 전력 모듈의 고장 검출은 제어봉 제어기기의 필수적인 요구사항이라고 할 수 있다. 또한, 정지모드에서 이동 집게 코일용 전력 모듈의 고장 검출을 위하여 FFT(Fast Fourier Transform) 방식을 사용하여도 전력 모듈의 고장 검출은 가능하지 않다. 가령, 이동집게 코일용 전력 변환 모듈에서의 고장이 검출되지 않은 상태(정상상태로 인식)에서 동작모드 명령이 발생되면 1 Step 삽입/인출 동작 중 정지집게 코일의 전류가 0(zero)이고 동시에 이동집게 코일의 전류가 최대가 되어야 하는 구간에서 이동집게 코일의 전류가 부족하여 제어봉이 낙하하는 경우가 발생하게 된다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 원자로 제어봉의 운전모드에 있어서의 동작 모드, 정지 모드 및 이중유지 모드 모두에서 전력변환모듈의 이상 여부를 검출함으로써 전력변환모듈의 조기 고장 검출은 물론 신속한 조 치가 가능하도록 하는 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법은,

원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장을 검출하기 위한 방법에 있어서,

상기 제어봉의 동작 모드시, 정지 모드시 및 이중유지 모드시의 3가지 모드로 분리하여 전력변환모듈의 고장을 검출하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 제어봉의 동작 모드시에는 제어봉 구동장치의 이동집게 코일, 정지집게 코일 및 올림코일의 전압의 리플 크기를 비교하여 전력변환모듈의 고장을 검출한다.

그리고, 상기 제어봉의 정지 모드시에는 정지 집게 코일에서는 이산 퓨리에 변환에 의한 특정 주파수에서의 전력 스펙트럼 분석을 통하여, 이동 집게 코일에서는 코일 전압의 RMS(root mean square) 계산 방식을 통하여 전력변환모듈의 고장을 검출한다.

또한, 상기 제어봉의 이중 유지모드시에는 정지 집게 코일과 이동 집게 코일 모두 이산 퓨리에 변환에 의한 특정 주파수에서의 전력 스펙트럼 분석을 통하여 전력변환모듈의 고장을 검출한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법은, 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장을 검출하기 위한 방법에 있어서, 상기 제어봉의 동작 모드시, 정지 모드시 및 이중유지 모드시의 3가지 모드로 분리하여 전력변환모듈의 고장을 검출한다.

즉, 본 발명의 고장검출방법에서는 전력변환모듈에서의 고장검출을 항상 행할 수 있도록 하기 위하여 제어봉의 동작(삽입/인출) 모드시와 정지 모드시 및 이중유지 모드시로 분리하여 고장검출을 수행하게 되는데, 제어봉의 동작 모드시에는 3개의 코일 전압 파형의 리플 크기를 이용하여 이상 유무를 판단한다. 그리고, 제어봉의 정지 모드시에는 정지집게 코일은 코일의 전압파형에 대한 이산 퓨리에 변환(DFT) 방식을 이용한 특정 주파수에서의 파워 스펙트럼을 통하여, 이동 집게 코일은 RMS(root mean square) 계산값을 사용하여 이상유무를 판단한다. 또한, 이중유지 모드시에는 정지집게 코일 및 이동 집게 코일의 전압 파형 모두에 대하여 이산 퓨리에 변환(DFT) 방식을 이용한 특정 주파수에서의 파워 스펙트럼을 통하여, 고장 발생 여부를 판단하는 것이다.

(실시예)

도 1은 일반적인 3개의 싸이리스터 전력 소자를 사용하여 구성한 3상 반파 정류기의 회로구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 고장검출방법은 3상의 입력 전원에 대하여 3상의 싸이리스터(101)가 모두 정상인 경우와 어느 한 상이라도 고장이 난 경우의 차이를 감지하여 3상 반파 정류기에 사용한 싸이리스터의 고장을 검출하는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법의 실행과정을 보여주는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 코일 전압 신호에 대한 초기화 루틴을 실행한 후(단계 S201), 전력제어기는 상위 제어함으로부터 동작 명령이 발생되었는지를 확인한다(단계 S202). 만약 제어봉 동작 명령이 수신되면 전력제어기는 코일 전압에 포함된 리플의 크기를 검출하여(단계 S203), 그 검출된 리플(Vpp)이 정해진 값(Vpth)보다 큰지를 판별한다(단계 S204). 이 판별에서, 검출된 리플(Vpp)의 크기가 정해진 값(Vpth)보다 크면, 고장이 발생한 것으로 판단하고 긴급 고장 경보를 발생시킨다(단계 S210). 그리고, 상기 판별에서 리플의 크기가 정해진 값보다 작으면 전력제어기는 고장이 발생하지 않은 것으로 판단하여 반복 검출 모드 상태로 돌아간다.

한편, 상기 단계 S202의 확인에서 동작 모드가 아닐 경우, 이중유지 모드인지를 판별한다(단계 S205). 이 판별에서 이중유지 모드이면, 정지 집게 코일과 이동 집게 코일에는 정해진 패턴의 전류가 인가되고 이때는 2개의 코일 전압에 대하여 각각 이산 퓨리에 변환(DFT) 방식을 사용하여 전력 모듈에 고장이 발생하였는지를 판단한다(단계 S206,S207).

여기서, 이와 같은 이산 퓨리에 변환(DFT) 방식을 사용하여 전력 모듈의 고장 여부를 판단하는 것과 관련하여 설명을 부연해 보기로 한다.

위상 제어 정류기의 직류 출력 전압을 샘플링 주기(T)로 이산화하여 얻은 시퀀스 신호를 f(kT)라고 하면, 이 시퀀스 신호는 3상 반파정류기가 정상적으로 동작할 때는 특정 주파수 성분을 포함하게 된다. 즉, 입력교류신호의 주파수를 f라 하 면 nㆍ3f의 차수(n=0,1,2,3...)의 고조파 성분을 가지게 된다.

또한, 각 고조파 차수의 크기에 있어서 정상적인 동작을 할 때는 1-차수 즉, 180Hz 성분이 가장 많고 그 다음으로는 2차 성분이 많다(도 3 참조). 그러나, 싸이리스터에 고장이 발생되면 입력 주파수의 3배수배가 아닌 차수의 고조파 성분이 발생하게 되는데, 이것은 위상제어정류기가 일정한 각도마다 점호되고 그에 따라 출력 파형이 주기적이라는 사실에 기인한다. 싸이리스터나 혹은 게이트 구동회로의 고장시 정상적인 시점마다 점호가 되지 않으므로 전원전압의 한 주기 내에서 각 점호시점의 출력 파형이 정상 주기성(180Hz)을 상실하고, 그것을 주파수분석을 통해 검출하는 것이다. 주파수 성분을 추출하기 위하여 DFT를 사용할 수 있다. N개의 샘플링 데이터를 이용한 DFT 알고리즘은 다음의 식으로 표시할 수 있다.

여기서, N = 샘플링 데이터의 수(짝수), T = 샘플링 주기, Ω= 2π/NT를 각각 나타낸다.

입력전원 주파수가 60Hz인 경우, 샘플링 주기 T = 1/1800[초]로 하고 30개 이상으로 DFT를 행하면 최소한 1주기의 입력 신호를 포함하게 된다.

따라서, N-점 DFT의 출력 F(nΩ)은 주파수 성분의 크기와 위상 정보를 출력하게 된다. 샘플링 주기(T)로 임의의 시점에서 N개의 데이터를 샘플링하여 이를 DFT하면 직류성분과 고조파 성분의 크기를 알 수 있고, 이로부터 위상제어정류기의 정상 동작 여부를 판정할 수 있게 되는 것이다.

다시 상기 단계 S207로 돌아가, 만약 특정 주파수(60Hz)에서의 파워 스펙트럼의 크기(Pfo)가 정해진 값(Vdth)보다 크면, 전력제어기는 전력 모듈에서 고장이 발생한 것으로 판단하고 긴급 고장 경보를 발생시킨다(단계 S210).

또한, 상기 단계 S205에서 이중유지 모드가 아닐 경우에는 정지 모드로 인식하여, 정지 집게 코일은 상기 이중유지 모드시와 마찬가지로 DFT 방식을 적용하고,이동 집게 코일의 경우는 RMS 값을 구한다(단계 S208). 제어봉이 정지 모드에 있는 경우 이동 집게 코일은 영전류 제어를 행하게 되고 이때 전력모듈 한 상에서 고장이 발생하여도 DFT 방식으로는 고장 검출이 되지 않는다. 이 때에는 각 상(180Hz)에 대한 RMS 값(Vrms)을 구하고, 이 값(Vrms)이 정해진 값(Vrth)보다 작으면 전력제어기는 이동 집게 코일용 전력 모듈에서 고장이 발생한 것으로 판단하고 긴급 고장 경보를 발생시킨다(단계 S210). 이때, 정지 집게 코일의 경우는 상기 이중유지 모드시와 마찬가지로 DFT 방식을 적용하여, 특정 주파수(180Hz)에서의 파워 스펙트럼의 크기(Pfo)가 정해진 값(Vdth)보다 크면, 전력제어기는 정지 집게 코일용 전력 모듈에서 고장이 발생한 것으로 판단하고 긴급 고장 경보를 발생시킨다(단계 S210).

한편, 싸이리스터가 정상적인 경우 이동 집게 코일에서의 코일 전압, 전류, 전압 RMS 계산값 및 전압 파형에 대한 FFT 결과를 기준으로 전력모듈의 고장시에 이들 신호의 변화를 관찰하고자 한다.

도 3은 제어봉이 정지 모드 상태에 있을 때 정지 집게 코일에만 전류가 인가되는 경우 이동 집게 코일에서 상기 각 신호를 나타낸 것으로서, 위로부터 코일 전압(301), 전류(302), RMS 계산값(303) 및 FFT 결과(304)를 보여 주고 있다. 전압에 대한 FFT 결과(304)에서 알 수 있듯이 3상이 모두 정상적인 경우 전압 신호에서는 180Hz에서 가장 큰 파워 스펙트럼이 나타나고 있음을 알 수 있다.

싸이리스터를 이용한 3상 반파 정류기를 사용하여 코일 전류를 인가하는 경우, 어떤 원인으로 3상 중 한 상이 동작되지 않으면 도 4와 같은 파형이 관찰된다. 도 4의 RMS 계산값(403)으로부터 알 수 있듯이 60Hz 주기로 RMS 값이 거의 영까지 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 경우 RMS 계산값은 정해진 RMS Threshold(도 2의 Vrth)보다 작게 되어 전력 모듈의 한 상에 이상이 생긴 것으로 판단할 수 있다.

도 5는 도 4의 상태가 전력제어기에 의해 검출된 후 전력제어기가 긴급 고장 상태임을 판단하고 자동 이중유지 모드 상태로 들어간 경우 이동 집게 코일에 저전류 명령이 인가되었을 때 나타나는 신호들을 보여주고 있다. 도 5의 FFT 결과(504)에서 알 수 있듯이, 이 경우에는 60Hz 주파수에서 가장 큰 파워 스펙트럼이 만들어지고, 이것으로부터 전력모듈 한 상의 고장이 발생하였다는 것을 알아낼 수 있다.

도 6은 제어봉의 동작시 싸이리스터가 정상일 때 전류 명령(상)의 변경(Low →High)에 대한 이동 집게 코일의 전압, 전류, 전압 RMS값 및 FFT 결과를 나타내고 있다. 도 6에서 알 수 있듯이 싸이리스터가 정상적인 경우 코일 전압(601)의 리플 크기는 약 5V 정도되는 것을 알 수 있다. 도 3과는 직접적인 비교는 되지 않지만(도 3의 경우 Maximum Positive Forcing이 아님), 한 상이 빠뜨려지는 고장인 경우(도 5) 리플 크기는 적어도 10V 이상이 되는 것을 알 수 있다.

도 7은 전류명령이 하이(High)에서 로우(Low)로 변경된 경우 상기 도 6에서의 코일 전류(602)에 대한 Maximum Negative Forcing을 나타낸 예로 전류 명령이 변경된 후 10msec 이내에 Maximum Negative Forcing이 발생함을 보여 주고 있다. 이때, 리플의 크기는 약 3V 정도되며, 도 3과의 비교를 통하여 전력모듈의 고장이 발생하였는지에 대한 판단이 가능하게 된다.

앞에서 언급한 FFT 알고리즘을 사용하여 제어봉 정지시와 동작시 모두 고장 검출이 가능하다면 문제는 간단하다. 그러나 실제 제어봉이 최대 속도(72spm)로 운전되고 있는 경우 도 8에서 한 예를 보이지만 고장인 경우에만 발생하는 60Hz의 파워 스펙트럼이 크게 나타나는 현상이 발생한다. 이것은 랜덤(random)하게 발생하므로 FFT만으로 제어봉 동작중 고장 여부를 판단하는 것은 매우 힘든 것으로 생각된다. 따라서, 전술한 바와 같이 본 발명의 고장검출방법에서는, 상시 고장 검출을 위해 제어봉의 동작시(운전 모드), 정지시(홀드 모드) 및 이중 유지시(더블 홀드 모드시)로 분리하여 싸이리스터의 고장 검출을 행하는 것이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법은 원자로 제어봉의 운전모드에 있어서의 동작 모드, 정지 모드 및 이중유지 모드 모두에서 상시 전력변환모듈의 이상 여부를 검출함으로써 전력변환모듈의 고장에 의한 발전소의 불시 정지를 사전에 방지할 수 있으며, 이에 따라 원전 가동율을 한층 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장을 검출하기 위한 방법에 있어서,

   상기 제어봉의 동작 모드시, 정지 모드시 및 이중유지 모드시의 3가지 모드로 분리하여 전력변환모듈의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어봉의 동작 모드시에는 제어봉 구동장치의 이동집게 코일, 정지집게 코일 및 올림코일의 전압의 리플 크기를 비교하여 전력변환모듈의 고장을 검출하는것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어봉의 정지 모드시에는 정지 집게 코일에서는 이산 퓨리에 변환에 의한 특정 주파수에서의 전력 스펙트럼 분석을 통하여, 이동 집게 코일에서는 코일 전압의 RMS(root mean square) 계산 방식을 통하여 전력변환모듈의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어봉의 이중 유지모드시에는 정지 집게 코일과 이동 집게 코일 모두 이산 퓨리에 변환에 의한 특정 주파수에서의 전력 스펙트럼 분석을 통하여 전력변환모듈의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출방법.

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