KR101022161B1 - 제어봉 낙하시간 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소에서 사용되는 제어봉 주변에 설치되는 코일의 전류를 실시간 감시하여 체계적으로 관리할 수 있는 장치 및 제어봉 낙하시간을 안전하고 간편한 방법으로 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 원자력 발전을 위한 제어봉을 제어하기 위한 올림권선, 이동권선 및 정지권선을 포함하는 코일을 구비한 원자력 발전 설비에 있어서, 상기 제어봉 주위에 설치되는 코일; 상기 제어봉을 구동시키는 구동신호를 상기 코일로 출력하는 전력제어함; 상기 코일 및 전력제어함 사이에 구비되는 홀센서; 상기 전력제어함과 전기적으로 격리되어 상기 홀센서를 통해 상기 코일에 흐르는 전류신호를 전송받아 분석하는 코일전류감시분석기를 포함하여 구성되는 제어봉제어계통 코일전류 감시장치를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 발전소가 운용되는 동안 제어봉 코일에 흐르는 전류파형을 실시간으로 취득하여 체계적으로 관리할 수 있고, 제어봉 낙하시험시 작업자가 원자로 격납 건물 내로 들어가지 않고 배선해체도 할 필요없이 용이하게 낙하시험을 실시할 수 있다.

Description

제어봉 낙하시간 측정방법{Method for measuring dropping time of Control rod}

본 발명은 제어봉 낙하시간 측정방법에 관한 것이며, 구체적으로 제어봉 주변에 설치되는 코일의 전류를 실시간 감시하여 체계적으로 관리할 수 있는 장치 및 제어봉 낙하시간을 안전하고 간편한 방법으로 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다.

원자력 발전은 기본적으로 원자로 내에서 핵분열 반응을 일으켜 이때 발생되는 열에너지를 이용하여 증기를 생성시키고 이 증기로 터빈을 구동하여 전기를 공급하는 것이다.

이러한 원자로 내에는 핵분열 반응을 제어하기 위하여 복수 개의 제어봉이 설치된다. 상기 제어봉은 핵분열 반응의 중개를 하는 열중성자를 흡수하기 쉬운 붕소·카드뮴·하프늄 등을 스테인리스강 또는 알루미늄으로 피복하여 제작된다. 이러한 제어봉을 노심에 넣으면 열중성자가 흡수되어 노의 반응온도가 낮아지고, 반대로 상기 제어봉을 빼면 노의 반응도가 높아진다.

도 1을 참조하여, 이러한 제어봉을 제어하기 위한 종래의 제어봉제어계통에 대하여 설명한다.

상기 제어봉(30)의 주위에는 복수의 코일이 설치된다. 그리고, 상기 코일에 전류를 흘려주면 제어봉을 위 또는 아래 방향으로 이동시킨다.

이때, 주제어부(40)의 제어신호를 받아 상기 제어봉에 구동전류를 흘려주는 역할을 하는 것이 전력함(10)이다. 또한, 상기 전력함(10)에는 적당한 시기에 구동신호를 주도록 하는 복수의 전자카드유닛(20)이 연결된다.

즉, 상기 전자카드유닛(20)은 상기 전력함(10)과 각종 신호를 주고받으며 제어봉(30)으로 적당한 시기에 적당한 전류를 흘려주도록 한다.

원자력 발전에서는 안전성이 최우선 과제이므로 상기 제어봉제어계통에 고장이 발생한 경우 가동을 중단시키고 즉각 고장원인을 찾아내어 수리를 해야 한다.

기존의 제어봉제어계통에서는 고장이 난 경우 경고음을 내보내고 있지만, 어디에서 고장이 발생한 것인지 알아내기가 힘들어 고장원인을 찾는데만 며칠씩 걸리고 있는 실정이다.

한편, 원자력 안전규제에 명시된 절차에 따라 원자로 임계 직전에 제어봉들의 완전 인출 위치에서 자유낙하시켜 원자로 노심 하부에 위치한 제동호 입구까지 소요되는 시간이 3.3초 이내로 되어야 한다. 이를 위하여, 제어봉 낙하시험을 실시하는데 시험방법에는 크게 제어봉구동장치에서 직접 시간을 측정하는 방법과 제어봉 낙하시 이동권선에 유기되는 전압을 측정하여 낙하시간을 추정하는 방법이 있다.

이 중, 첫번째 방법은 원자로 격납 건물 내로 작업자가 진입하여야 하고 배전반에서 다른 작업자가 전압측정기록계에 유도된 전압을 측정해야 하는 어려움이 있다. 한편, 두번째 방법은 원자로 격납건물 내에 작업자가 직접 들어가지 않아도 되나 이동권선에 유기되는 전압을 측정하기 위하여 전력제어함에서 이동권선에 연결된 배선을 모두 해체하여야 하는 어려움이 있다. 제어봉 낙하시험에서 52개 제어봉 104개 터미널을 모두 풀어내고 테스트포인트를 만드는 작업은 매우 위험하고 어려운 작업이다. 특히, 복잡한 배선을 해체하는 과정에서 측정에 사용되지 않는 정지권선 및 올림권선에는 전류가 흐르므로 잘못 건드렸다가는 감전의 위험이 있다. 또한, 테스트포인트를 만들 때 제어봉을 최상부에 정지시키기 위하여 정지권선이 4.5암페어 정도의 유지전류를 흘려주어야 하는데 이는 감전의 위험이 상당하다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 제어봉제어계통에서 발전소가 운용되는 동안 제어봉 코일에 흐르는 전류파형을 실시간으로 취득하여 체계적으로 관리하고 고장 발생시 즉시 고장위치를 알아낼 수 있는 제어봉 코일 감시장치를 제공하고, 제어봉 낙하시험시 작업자의 위험성 및 작업의 어려움을 제거하고 용이하게 시험을 실시할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원자력 발전을 위한 제어봉을 제어하기 위한 올림권선, 이동권선 및 정지권선을 포함하는 코일을 구비한 원자력 발전 설비에 있어서, 상기 제어봉 주위에 설치되는 코일; 상기 제어봉을 구동시키는 구동신호를 상기 코일로 출력하는 전력제어함; 상기 코일 및 전력제어함 사이에 구비되는 홀센서; 상기 전력제어함과 전기적으로 격리되어 상기 홀센서를 통해 상기 코일에 흐르는 전류신호를 전송받아 분석하는 코일전류감시분석기를 포함하여 구성되는 제어봉제어계통 코일전류 감시장치를 제공한다.

상기 코일전류감시분석기는 상기 코일에 흐르는 전류의 시간에 따른 정상범위가 미리 저장되고, 상기 홀센서에 의하여 측정된 전류값이 상기 정상범위 내에 있는지 판단하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 또 다른 목적을 위하여, 원자로 내의 제어봉 낙하시간 측정방법에 있어서, 상기 제어봉을 일정 위치로 유지시키는 정지권선에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서를 설치하는 단계; 상기 제어봉을 최상단으로 인출하는 단계; 상기 정지권선에 유지전류를 공급하여 상기 제어봉을 유지하는 단계; 상기 유지전류를 차단하여 상기 제어봉을 낙하시키는 단계; 상기 전류센서로부터 전류가 감소되는 시점부터 전류가 다시 증가하는 피크점까지의 시간을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어봉 낙하시간 측정방법을 제공한다.

상기 전류센서는 비접촉식인 홀전류센서 또는 CT센서인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 발전소가 운용되는 동안 제어봉 코일에 흐르는 전류파형을 실시간으로 취득하여 체계적으로 관리할 수 있고, 제어봉 낙하시험시 작업자가 원자로 격납 건물 내로 들어가지 않고 배선해체도 할 필요없이 용이하게 낙하시험을 실시할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 제어봉구동시스템의 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 제어봉제어계통 코일전류 감시장치의 구성도;
도 3은 본 발명에 따른 션트저항의 전압측정회로를 나타내는 회로도;
도 4는 본 발명에 따른 제어봉 낙하시험에서 나타나는 정지권선의 전류파형을 나타내는 그래프;
도 5는 솔레노이드 모델을 나타내는 예시도;
도 6은 솔레노이드 모델에서 솔레노이드 전류의 특성을 나타내는 그래프;
도 7은 본 발명에 따른 제어봉 낙하시험의 구성을 나타내는 개념도;
도 8은 종래기술에 따른 제어봉 낙하시험에서 이동권선에 유기되는 전류파형을 나타내는 그래프.

본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 제어봉제어계통 코일전류 감시장치의 기본적인 구성은 다음과 같다.

본 실시예에 따른 제어봉제어계통 코일전류 감시장치는 전력제어함(100), 홀전류센서(110), 션트저항(120), 제어봉코일(200), 신호처리장치(300), 신호취득제어기(310), 코일전류감시분석기(320)를 포함하여 구성된다.

상기 전력제어함(100)은 제어봉을 구동하기 위한 전류를 흘려주는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 전력제어함(100)은 주제어부(미도시)로부터 동작신호를 수신하여 미리 정해진 순서에 따라 3종류의 제어봉 코일에 전류를 흘려 상기 제어봉을 한 스텝씩 하강시키거나 상승시킨다. 또한, 상기 제어봉이 일정한 위치에 다다른 경우 정지권선에 전류를 흘려 상기 제어봉을 정지시킨다.

상기 제어봉코일(200)은 제어봉 주위에 설치되어 상기 제어봉을 올리거나 내리는 등 이동시킬 수 있도록 하는 역할을 하며, 올림코일, 이동코일 및 정지코일을 포함한다.

상기 홀전류센서(110)는 상기 제어봉코일(200)에 흐르는 전류를 측정하기 위한 것으로서 홀센서를 이용한 자기유도 방식으로 제어봉구동(CRDM) 코일에 인가된 전류에 비례하는 전압이 발생된다. 상기 홀전류센서(110)는 간접 전류센서로서 표준형 발전소에 사용되는 ACTM 센서의 기구부 및 전자부를 활용하여 전류 및 전압비를 튜닝하는 것이 바람직하다.

본 실시예에 의한 홀전류센서(110)는 힌지구조로 센서어셈블리의 PCB에 무리한 힘을 가하지 않으며, 케이블에 설치시 케이블간의 간섭이 최소화된다.

상기 션트저항(120)은 상기 션트저항(120)을 통해 흐르는 전류로부터 유기된 전압을 직접 측정하기 위한 것이다. 상기 션트저항(120)에 나타나는 전압은 도 3과 같이 측정장비의 Isolation Amp를 통하여 장비와 절연되어지며, 신호처리장치(300)의 입력신호로 전달된다.

상기 신호처리장치(300)는 홀전류센서(110)에 의한 전류 파형의 증폭 및 필터링(Low Pass Filter) 역할을 한다. 또한, 션트저항(120)에 흐르는 전압을 격리(Isolation)회로로 구성하여 신호증폭과 필터링 기능을 수행한다.

코일전류감시분석기(320)가 전력제어함(100)에 영향을 미쳐서는 안되기 때문에 상기 신호처리장치(300)는 전력제어함(100)과 코일전류감시분석기(320)와의 전기적인 격리기능을 수행한다.

상기 신호취득제어기(310)는 취득된 신호를 처리하여 상기 코일전류감시분석기(320)로 전송하는 역할을 하며, 제어기, 샤시 및 DAQ(Data Aquisition)카드를 포함한다.

본 실시예에서 상기 샤시는 Compact PCI Chassis로 구성되며 5개의 슬롯을 보유한다. 또한, 상기 전자카드는 각종 신호를 전송받아 코일전류감시분석기(320)로 전송한다.

상기 코일전류감시분석기(320)는 상기 신호취득제어기(310)로부터 취득된 데이터를 저장 및 분석하는 기능을 수행한다.

구체적으로,상기코일전류감시분석기(320)는 대기모드, 설정모드, 감시모드, 연속모드 및 분석모드를 포함한다.

상기 대기모드는 일시적인 동작상태로 초기 장비의 기동시, 설정값 변경시 또는 기타 필요시 동작하는 모드이며, 전원투입시 자동으로 대기모드로 진입하고 데이터 취득은 수행하지 않는다.

상기 설정모드는 DAQ카드 모듈과 연결된 제어봉 부그룹(subgroup)을 설정한다. 즉, 하나의 제어봉 그룹은 52개의 제어봉으로 구성되는데, 이 중 4개의 제어봉이 하나의 부그룹을 구성한다. 상기 설정모드에서는 상기 DAQ카드 모듈의 샘플링 속도 등을 설정하게 된다.

또한, 상기 설정모드에서는 제어봉코일(200)의 입력신호 유효범위 기준값 및 제어봉코일(200) 전류이상 기준값을 설정 및 변경한다. 그리고, 이에 따른 경보(alarm)의 온/오프를 설정할 수 있다.

상기 감시모드는 모든 제어봉구동장치(CRDM)에 대하여 신호를 취득하여 정상 구동여부 및 이상유무를 판별하는 역할을 한다.

구체적으로, 코일전류감시분석기(320)에 입력된 모든 입력신호는 지정된 샘플링 주기로 연속적으로 취득하여 임시버퍼에 저장된다. 또한, 제어봉구동장치별로 이상유무 판별은 제어봉구동장치 각각의 코일 취득 전류값의 변화추이를 감시하고 기준 설정값과 비교하여 판별한다. 이 때, 사용자가 원하는 설정치를 벗어나는 시점을 전후하여 데이터가 자동저장된다.

상기 연속모드는 사용자의 요구에 의해 수행되며, 주기점검 및 시험시 파형의 실시간 관찰 및 저장을 하기 위한 것이다. 파형감시는 최대 4개의 제어봉에 대하여 수행되며, 지정된 제어봉의 각 코일 파형을 연속으로 출력한다. 출력되는 파형은 지정된 샘플링 주기로 변화시킬 수 있다.

상기 분석모드는 이미 저장된 데이터를 상세히 분석하는 모드이다. 기본적으로 파형 표시, 스크롤, 확대, 중첩 기능이 있으며, 파형데이터 편집기능을 제공한다. 상기 분석모드에서는 전류기준파형을 설정하여 저장하여 두고 제어봉 구동시 실측파형과 비교하여 정상 또는 비정상 판단을 한다.

이와 같은 제어봉제어계통 코일전류 감시장치에 의하여 제어봉에서 발생하는 문제들을 실시간으로 파악하여 발전소 안전운전에 크게 기여할 수 있고, 제어봉 이상동작시 전류파형 분석을 통한 원인분석이 쉽게 되어 정확한 문제해결이 가능해진다.

취득된 전류파형은 온라인으로 연결된 컴퓨터에 실시간으로 전달되고 이러한 데이터들에 의해 체계적으로 측정자료의 이력관리가 가능해져 과거 이력 파악을 통한 문제발생 원인들을 추적할 수가 있다.

다음으로, 제어봉코일전류 측정에 의한 제어봉 낙하시간 측정방법에 대해 설명한다. 원자력발전소의 제어봉 낙하시간 측정시험은 원자로 비상정지 명령에 따른 제어봉의 낙하속응성이 지침서의 제한치 이내에 있는지를 주기적으로 확인함으로써 제어봉의 원자로 안전운전 및 정지기능을 확인하는 중요한 시험이다.

본 실시예에 의한 제어봉 낙하시간 측정방법은 상기 제어봉을 일정 위치로 유지시키는 정지권선에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서를 설치하는 단계; 상기 제어봉을 최상단으로 인출하는 단계; 상기 정지권선에 유지전류를 공급하여 상기 제어봉을 유지하는 단계; 상기 유지전류를 차단하여 상기 제어봉을 낙하시키는 단계; 상기 전류센서로부터 전류가 감소되는 시점부터 전류가 다시 증가하는 피크점까지의 시간을 측정하는 단계를 포함한다.

상기 정지권선은 제어봉을 일정 위치에 정지시키기 위한 코일로서, 올림권선 및 이동권선의 전류를 차단한 상태에서 상기 정지권선에 흐르는 전류를 차단하면 제어봉은 중력에 의해 하방으로 낙하하게 된다.

본 실시예에서 상기 정지권선에는 정지권선에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류센서가 설치되는데 상기 전류센서로는 홀전류센서 또는 CT(Current Transformer) 센서가 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 홀전류센서 또는 CT는 비접촉식이므로 기존 전력제어함을 개조하거나 변경할 필요가 없어 설치가 용이하다.

상기 제어봉은 낙하시험을 위하여 최상단으로 인출된다. 상기 인출은 올림권선을 이용하여 실행될 수 있다.

상기 제어봉이 최상단으로 인출된 상태에서 정지권선에 유지전류를 공급하여 정지상태로 유지시킨다. 이 상태에서 올림권선 및 이동권선의 전류를 차단한다. 이러면 제어봉은 낙하직전의 상태로 된다.

모든 준비가 완료되었으면 정지권선에 공급되는 유지전류를 차단하여 상기 제어봉을 낙하시킨다. 이 때, 제어봉제어계통 코일전류 감시장치에 의하여 정지권선에 흐르는 전류파형이 기록된다.

시간에 따른 정지권선의 전류파형은 도 4에 나타난 바와 같으며, 이에 대한 원리는 다음과 같다.

도 5를 참조하면, 솔레노이드는 크기가 작지만 구조가 원자로의 제어봉과 유사하여, 수학적으로 잘 연구된 솔레노이드 모델을 이용하여 원자로 제어봉 제어기구와 코일의 특성을 설명할 수 있다.

솔레노이드(60)에 전압을 가하고 플런저(plunger)(70)를 잡아당기는 동작은 원자로 제어봉 제어시스템에서 제어봉을 들어 올리는 것과 매우 유사한 작동을 하며, 전압을 차단하여 플런저(70)가 매우 큰 그라운드 질량(ground mass)에 충돌하는 동작은 제어봉 낙하시험 때에 제어봉이 제동호에 진입하는 상황과 매우 유사하다.

도 6은 오리피스(90)를 통해서 유량을 제어하고 있는 솔레노이드의 온/오프 전류특성으로서, 여기서 유의해야 할 것은 58mSEC 부근의 전류파형으로서 플런저(70)가 오리피스(90)에서 떨어질 때 전류의 오버슈트가 발생한다는 것이다. 이러한 오버슈트가 발생하는 이유는 플런저(70)가 오리피스(90)와 충돌할 때 순간적으로 임피던스가 변화되어 솔레노이드에 순간적으로 급격하게 유도기전력이 변화되어 나타나는 현상이다.

도 4 및 도 7을 참조하면, 정지권선(210)의 유지전류를 차단시키면 정지권선(210)의 자기유도(self-induction)현상에 의하여 전류는 지수함수적으로 감소하게 된다. 이 때, 실험결과 제어봉(400) 자체의 움직임에 의한 코일로의 전자기 유도현상은 무시할 수 있을 정도로 작았다.

제어봉이 낙하할 때, 올림권선이나 이동권선에도 유도전압이 측정되나, 이것은 주로 상기 정지권선(210)에 의한 상호유도(mutual induction)현상에 의한 것이지 제어봉의 낙하에 의한 영향은 측정되지 않거나 미미하다.

즉, 올림권선이나 이동권선에 유도되는 전압은 E=-M*(dA/dt)로 나타낼 수 있다. 여기서, E는 올림권선이나 이동권선에 유도되는 기전력, M은 상호유도계수, A는 정지권선에 흐르는 전류이다.

이러한 사실은 도 4에 나타난 시간에 따른 정지권선의 전류를 시간으로 미분한 그래프의 형태가 도 8의 이동권선(220)에 유도되는 전압의 그래프의 형태와 일치한다는 점에서 확인될 수 있다.

따라서, 이동권선(220)에 유도되는 전압의 그래프를 분석하여 제어봉의 낙하시간을 측정하는 방식은 정지권선(210)에서 유도된 것으므로 간접적인 것이며, 보다 직접적이고 정확한 방식은 정지권선(210)에 흐르는 전류를 측정하는 것이다.

도 4를 참조하면, 전류가 갑자기 돌출된 피크점(F)이 있는데, 이것은 앞서 솔레노이드 모델에서 서술한 바와 같이 제어봉(400)이 제동호(500)에 충돌하면서 생기는 현상이다. 즉, 제어봉(400)이 제동호(500)에 충돌할 때 그 접촉으로 인하여 순간적으로 임피던스에 급격한 변화가 생기고 그 결과 정지권선(210)에 순간적인 전류가 유도된다. 따라서, 처음 제어봉(400) 낙하시점(S)과 피크점(F) 사이의 시간(t)을 계산하면 제어봉 낙하시간을 측정할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면 이동권선이나 올림권선의 배선을 해체할 필요가 없으므로 준비시간이 절약되며, 오배선에 의한 장비손상의 염려가 없고 감전 등의 안전사고를 예방할 수 있음과 동시에 더욱 용이하고 정확하게 제어봉 낙하시간을 측정할 수가 있다.

100 : 전력제어함 110 : 홀전류센서
120 : 션트저항 200 : 제어봉코일
210 : 정지권선 220 : 이동권선
300 : 신호처리장치 310 : 신호취득제어기
320 : 코일전류감시분석기 400 : 제어봉
500 : 제동호

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 원자로 내의 제어봉 낙하시간 측정방법에 있어서,
   상기 제어봉을 일정 위치로 유지시키는 정지권선에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서를 설치하는 단계;
   상기 제어봉을 최상단으로 인출하는 단계;
   상기 정지권선에 유지전류를 공급하여 상기 제어봉을 유지하는 단계;
   상기 유지전류를 차단하여 상기 제어봉을 낙하시키는 단계;
   상기 전류센서로부터 전류가 감소되는 시점부터 전류가 다시 증가하는 피크점까지의 시간을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어봉 낙하시간 측정방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 전류센서는 비접촉식인 홀전류센서 또는 CT센서인 것을 특징으로 하는 제어봉 낙하시간 측정방법.

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