KR102066931B1

KR102066931B1 - 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치

Info

Publication number: KR102066931B1
Application number: KR1020190076998A
Authority: KR
Inventors: 이광민; 고재석
Original assignee: 이광민
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-01-16

Abstract

실시예는 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치에 관한 것이다.
구체적으로, 이러한 자동화 진단 장치는 원자로 제어봉구동장치의 구동을 위해 전력을 변환할 시, 과도전류 저감부, 컨버터부, 과도전압 저감부, 전압측정부, 서지저감부, 전류측정 센서모듈부를 통합적으로 포함하여 수행하는 전력변환모듈의 자동화 진단 장치에 대한 것이다.
그리고, 상기 전력변환모듈을 진단할 시, 상기 각 부에 대한 소자단위 진단과 모듈단위 진단별의 시험 경로에 대응되는 입출력 커넥터로부터 시험 경로를 원하는 진단에 따라 상이하게 순차적으로 체결해서 소자진단 및 모듈단위 진단을 하는 입출력 지그를 포함한다.
또한, 상기 체결이 될 시, 상기 각 저감부와, 전압측정부, 전압측정부 및 전류측정 센서모듈부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로를 체결하도록 하여 소자단위 진단하도록 하고, 과도전류 저감부의 입출력 커넥터와 전압측정부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로를 체결하도록 하여 모듈단위 진단하도록 하는 진단유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이를 통해 1차 무전원/무부하 상태에서 수행되는 소자단위 검사 및 2차 전원/부하 상태에서 수행되는 모듈단위 검사를 단계적으로 모두 수행할 수 있도록 하는 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단장치를 제공한다.

Description

원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치{Apparatus for diagnosing automatically module for converting power for controlling system employing apparatus for driving of a control rod of nuclear reactor}

본 명세서에 개시된 내용은 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈을 진단할 시, 신뢰도가 높고 유지보수성이 뛰어난 특정 전력변환모듈의 진단을 함으로써, 원자력 발전소 가동율을 향상하는 전력변환모듈의 진단 장치에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

일반적으로, 원자력 발전소의 원자로의 제어봉은 상위 제어기에서 삽입 혹은 인출의 명령을 받아 구동장치가 제어봉구동장치의 코일에 전류를 흘리는 일련의 순차에 의해 제어봉이 삽입 혹은 인출되도록 설계된다.

그리고, 이러한 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈은 이렇게 코일에 전류가 흐를 시, 3상 교류전원으로부터 원하는 값의 전력을 변환해서 직류 전압을 발생해서 이루어진다.

이때, 기존의 이러한 전력변환모듈은 도 1a 및 도 1b와 같이, 단순히 컨버터부(사이리스터)와 과도전압 저감부(스너버)로 구성되어서, 방열설계가 최적화 되지 못하며 동일 크기의 기구부 내부의 공간을 효율적으로 사용하지 못한다.

그리고, 반면 과도전류 저감부(3상 리액터), 스너버, 전압측정회로 및 서지저감장치 등이 전력변환모듈 외부에 설치되어서, 고장확률이 높은 부품이 전력변환모듈 외부에 개별 설치됨에 따라 운전중 교체와 고장위치 판별이 복잡하여 유지보수가 쉽지 않다.

또한, 기존에는 이러한 전력변환모듈의 설계나 제작 방법보다는 일반적인 전력변환모듈을 구성하는 주요 구성품의 고장검출 방법과 관련된 기술이 대부분이다. 그리고, 기존의 원자로 제어봉구동장치 제어계통에 적용된 전력변환모듈(웨스팅하우스 전력변환모듈)은 위상제어회로(반파/전파 사이리스터 회로)의 전원과 구동부 전원이 독립되지 못하여, 공통 고장이 발생할 수 있다. 또한, 전력변환모듈과 제어기기가 동일 모듈 내부에 설계되어 있어, 제어기기가 열에 매우 취약하여 잦은 고장이 발생한 사례가 보고되고 있다.

그래서, 개량된 전력변환모듈(두산중공업 전력변환모듈)은 상기의 전력변환모듈(웨스팅하우스 전력변환모듈)을 개선하여 위상제어회로의 전원과 구동부 전원부를 분리하고, 제어기기를 독립기기로 설계하는 개선이 진행되었다. 그러나, 과도구간의 전류를 제한하는 장치인 리액터를 수용하지 못한 점, 위상제어회로와 구동신호는 분리되었으나 제작 시 회로 간 간섭이 있는 점, 전류측정을 위한 센서부 샘플링 저항이 접촉저항이 발생할 수 있는 구조를 갖는 점, 열에 취약한 구조인데, 이를 운전 중 확인할 수 없는 점 등의 문제점이 있다.

부가적으로, 이러한 배경의 선행기술은 아래와 같다.

1) 웨스팅하우스 전력변환모듈

A. 전력변환모듈이 제어봉구동코일별로 분리되어 있지 않다.

B. 정류회로(고전압)와 구동회로(저전압)가 분리되어 있지 않다.

C. 정류회로와 구동회로가 동일 모듈내에 위치하고 있어, 구동회로가 열에 취약한 구조를 갖는다

D. 상기 A의 원인으로 무게가 무거워 별도의 전력함 취급장치((특허문헌 1) KR200226142 Y1)가 필요하여 운전중 유지 보수가 매우 어렵다.

2) 두산중공업 전력변환모듈

A. 상기 1)의 웨스팅하우스 전력변환모듈의 단점을 상당히 개선한다.

B. 과도구간의 전류를 제한하는 장치인 리액터는 모듈 내에 수용되지 못하여 외부 기기에 별도로 설치되어 설치 공간이 많이 차지한다.

C. 위상제어회로와 구동신호는 분리되었으나, 제작품에는 회로간섭이 발생하고 있다.

D. 전류측정을 위한 센서부 샘플링 저항이 접촉저항이 발생할 수 있는 구조를 갖는다.

E. 내부 열섬현상을 관측할 수 없는 폐쇄모듈 구조이다.

3) 선행기술 관련 특허

A. 원자로의 제어봉 구동 시스템((특허문헌 2) KR1020040013912 A)

B. PCM 진단장치((특허문헌 3) KR1020140136253 A) 및 상분리 전력함 진단장치((특허문헌 4) KR1020140136252 A)

C. 위상제어정류기의 고장 진단 장치 및 방법((특허문헌 5) KR1020020016182 A)

D. 제어봉구동장치 제어기기용 전력변환장치에서의 사이리스터 고장검출방법((특허문헌 6) KR1020040110645 A)

E. 원자로 제어봉구동장치 제어기기용 전력변환모듈의 고장검출 방법((특허문헌 7) KR100603216 Y1)

그래서, 본 출원인은 이러한 원자력 발전소 제어봉구동장치 제어계통에 적용될 수 있는 신뢰도가 높아 고장발생률이 적고 유지보수성이 뛰어나 가용도가 높은 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈을 제안하였다.

그러나, 기존에 전력변환모듈의 소자단위 검사 방법이 제안되었으나, 웨스팅하우스 전력변환모듈에만 적용될 수 있는 방법으로 제안하는 전력변환모듈에는 적용될 수 없는 문제점이 있다.

또한, 웨스팅하우스 전력변환모듈 및 두산중공업 전력변환모듈의 운전 중 고장검출을 위한 방법이 제안되었으나, 취지와 범위가 상이하다.

그래서, 이러한 개선형 전력변환모듈의 소자단위 검사 및 모듈단위 검사를 단계적으로 수행하는 방법을 제안한다.

부가적으로, 종래 기술은 개선형 전력변환모듈의 진단에 적용될 수 없는 진단방법이 제안되었거나, 일부 소자단위 검사만 수행되는 방법 및 모듈단위 검사만 운전 중 특정 상태에서 진단하는 방법을 제안하고 있다.

개시된 내용은, 1차 무전원/무부하 상태에서 수행되는 소자단위 검사 및 2차 전원/부하 상태에서 수행되는 모듈단위 검사를 단계적으로 모두 수행할 수 있도록 하는 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단장치를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단장치는,

원자로 제어봉구동장치의 구동을 위해 전력을 변환할 시, 과도전류 저감부, 컨버터부, 과도전압 저감부, 전압측정부, 서지저감부, 전류측정 센서모듈부를 통합적으로 포함하여 수행하는 전력변환모듈의 자동화 진단 장치에 있어서,

상기 전력변환모듈을 진단할 시, 상기 각 부에 대한 소자단위 진단과 모듈단위 진단별의 시험 경로에 대응되는 입출력 커넥터로부터 시험 경로를 원하는 진단에 따라 상이하게 순차적으로 체결해서 소자진단 및 모듈단위 진단을 하는 입출력 지그; 및

상기 체결이 될 시, 상기 각 저감부와, 전압측정부, 전압측정부 및 전류측정 센서모듈부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로를 체결하도록 하여 소자단위 진단하도록 하고, 과도전류 저감부의 입출력 커넥터와 전압측정부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로를 체결하도록 하여 모듈단위 진단하도록 하는 진단유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예들에 의하면, 1차 무전원/무부하 상태에서 수행되는 소자단위 검사 및 2차 전원/부하 상태에서 수행되는 모듈단위 검사를 단계적으로 모두 수행할 수 있도록 하는 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단장치를 제공한다.

그리고, 원자로 운전 중 유지보수 및 진단이 용이하고, 진단이 완료된 모듈이 기기에 설치됨에 따라서 기기 고장 발생율이 현저히 낮아져 기기 가용도가 증가되므로 원자력 발전소 가동율 향상에 기여할 수 있다. 또한, 시험자가 직접 진단 시 소요되는 정밀 진단 시간을 단축시킬 수 있으며, 인적 실수를 예방할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치의 구성을 도시한 도면
도 2 내지 도 4는 도 1의 자동화 진단 장치에 적용된 일실시예에 따른 소자단위 진단기법을 보여주는 도면
도 5 내지 도 7은 도 1의 자동화 진단 장치에 적용된 일실시예에 따른 모듈단위 진단기법을 보여주는 도면
도 8은 도 1의 일실시예와 다른 실시예에 따른 소자단위 진단 및 모듈단위 진단의 단계적 자동화 진단 방법이 적용된 블록도

본 개시내용의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 개시내용은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 개시내용의 개시가 완전하도록 하고, 본 개시내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시내용은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 개시내용의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 개시내용의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 일실시예에 따른 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 그 장치는 원자로 제어봉구동장치의 구동을 위해 전력을 변환할 시, 과도전류 저감부, 컨버터부, 과도전압 저감부, 전압측정부, 서지저감부, 전류측정 센서모듈부를 통합적으로 포함하여 상호 간의 열손실에 따른 맞춤 방열구조를 구비한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치를 전제로 한다.

그리고, 이에 더하여 그 장치는 상기 전력변환모듈을 진단할 시, 상기 각 부에 대한 소자단위 진단과 모듈단위 진단별의 시험 경로에 대응되는 입출력 커넥터로부터 시험 경로를 원하는 진단에 따라 상이하게 시스템적으로 순차적으로 체결해서 소자진단 및 모듈단위 진단을 하는 입출력 지그(101)를 포함한다.

또한, 이러한 입출력 지그(101)에 의해 체결이 될 시, 상기 각 부에 따른 입출력 커넥터로부터 시험 경로를 상이한 진단별로 대응되게 체결하도록 하여 소자단위 진단과 모듈단위 진단을 하도록 하는 진단유닛(미도시)을 포함한다.

상기 입출력 지그(101)는 전력변환모듈의 분해 없이 입출력 커넥터를 활용하여 해당 시험 목적에 맞도록 시험 경로를 시스템적으로 체결하는 장치이다. 그리고, 이러한 경우 상기 입출력 지그는 소자단위 진단과 모듈단위 진단이 가능하도록 필요한 경로를 프로그램에 의해 순차적으로 진행한다.

상기 진단유닛(미도시)은 상기 체결이 될 시, 상기 각 저감부와, 전압측정부, 전압측정부 및 전류측정 센서모듈부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로를 체결하도록 하여 소자단위 진단하도록 한다. 그리고, 이에 더하여 상기 진단유닛(미도시)은 과도전류 저감부의 입출력 커넥터와 전압측정부의 입출력 커넥터로부터 시험 경로를 체결하도록 하여 모듈단위 진단하도록 한다.

이러한 도 1의 자동화 진단 장치의 동작을 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명한다.

도 2 내지 도 4는 도 1의 자동화 진단 장치에 적용된 일실시예에 따른 소자단위 진단기법을 보여주는 도면이고, 도 5 내지 도 7은 도 1의 자동화 진단 장치에 적용된 일실시예에 따른 모듈단위 진단기법을 보여주는 도면이다.

구체적으로, 도 2는 일실시예에 따른 과도전류 저감부(3상 리액터) 및 과도전압 저감부(스너버)에 대한 소자 진단시의 등가 회로이고, 도 3은 전압측정을 위한 분압회로 소자 진단시의 등가 회로이다. 그리고, 도 4는 전류측정 센서모듈의 소자 진단시의 등가 회로이다.

반면, 도 5는 일실시예에 따른 3상전원 공급부 결선시의 위상제어 원리를 보여주는 도면이고, 도 6은 시험용 부하 장치 결선시의 부하 특성을 보여주는 도면이다. 그리고, 도 7은 모듈단위 진단시의 등가회로이다.

도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 자동화 진단 장치는 1차 무전원/무부하 상태에서 수행되는 소자단위 검사 및 2차 전원/부하 상태에서 수행되는 모듈단위 검사를 단계적으로 모두 수행한다.

보다 구체적으로는, 먼저 일실시예에 따른 자동화 진단 장치는 소자단위 진단을 수행한다.

상세하게, 우선 도 2와 같이 전술한 전력변환모듈의 진단을 할 시, 상기 전력변환모듈의 각 부에 대한 소자단위 진단과 모듈단위 진단별의 시험 경로 중에서 (1), (2) 및 (3), (4), (5) 경로를 적용해서 3상 리액터 및 스너버의 소자 진단을 한다.

그리고, 도 3과 같이, 이때 이러한 시험 경로 중에서 (8), (7), (6), (5), (4) 경로를 적용해서 전압측정을 위한 분압회로 소자 진단을 한다.

또한, 도 4에서와 같이, 이러한 전력변환모듈의 진단이 될 시, 그 시험 경로 중에서 (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11) 및 (12) 경로 부분만을 적용해서 전류측정 센서모듈 진단을 한다.

다음으로, 일실시예에 따른 자동화 진단 장치는 모듈단위 진단을 수행한다.

구체적으로는, 먼저 상기 전력변환모듈의 각 부에 대한 소자단위 진단과 모듈단위 진단별의 시험 경로 중에서 (1), (2), (3) 및 (4)의 경로를 적용해서 3상전원 공급부 결선(3상 4선식)을 한다.

그리고, 다음 이러한 시험 경로 중에서 (5), (6), (7) 및 (8)의 경로 부분만을 적용해서 시험용 부하 장치 결선을 한다.

이때, 사이리스터 진단용 구동회로부를 통해서 진단용 구동신호를 발생(0 ~ 150VDC 제어)한다.

그리고, 이러한 경우 그의 위상제어는 이러한 모듈단위 진단이 될 시, 120°의 위상각 범위에서 상이한 상별로 알파 각을 원하는 출력전압 지령치와 상전압 실효치에 따라 상이하게 적용해서 이루어진다.

그래서, 이에 따라 이러한 위상제어가 될 시, R 부하에 대해서 α = 1.3333cos^-1V_dc/1.172V_α의 특성이 측정되면 정상으로 판별하고, R-L 부하에 대해서 α = cos^-1V_dc/1.172V_α의 특성이 측정되면 정상으로 판별함으로써, 진단이 된다.

부가적으로, 이때 전류측정 및 신호처리부를 통해서 진단용 구동신호에 따른 부하에 인가되는 전류를 측정하여 기록한다.

따라서, 이를 통해 1차 무전원/무부하 상태에서 수행되는 소자단위 검사 및 2차 전원/부하 상태에서 수행되는 모듈단위 검사를 단계적으로 모두 수행할 수 있도록 하는 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단장치를 제공한다.

한편, 추가적으로 다른 실시예는 소자단위 진단 및 모듈단위 진단의 단계적 자동화 진단 방법을 제공한다(도 8 참조).

도 8은 이러한 실시예에 따른 소자단위 진단 및 모듈단위 진단의 단계적 자동화 진단 방법이 적용된 블록도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 이러한 소자단위 진단 방법은 리액터, 스너버 회로, 사이리스터 및 전류측정 센서 샘플링 저항 등을 수동소자 진단장치, 절연저항 측정장치, 정밀저항 측정장치 및 더미 부하 장치 등으로 구성하여 진단한다.

그리고, 모듈단위 진단 방법은 3상 전원공급부, 사이리스터 진단용 구동회로부, 시험용 부하 장치, 전류취득장치, 신호처리부, 자연냉각 모사장치 및 열화상 진단장치로 구성하여 진단한다.

이러한 경우, 상기 자연냉각 모사장치는 냉각팬의 동작 조건 및 고장 조건을 모사하여 전력변환모듈의 방열성능을 시험할 수 있도록 모사해주는 장치이며, 전력변환모듈의 하부에 설치된다.

그리고, 이때 주변온도 40도 조건에서 냉각팬의 동작조건에서의 전력변환내부의 열상태를 해석할 경우, 최대 주변온도 대비 약 5도 정도 평균온도가 상승하는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 열화상 진단장치는 전력변환모듈의 전면에 설치된 적외선 측정창을 통해서 내부의 열을 시험 시작 시부터 시험 종료 시까지 영상촬영한다.

101 : 입출력 지그

Claims

원자로 제어봉구동장치의 구동을 위해 전력을 변환할 시, 과도전류 저감부, 컨버터부, 과도전압 저감부, 전압측정부, 서지저감부, 전류측정 센서모듈부를 통합적으로 포함하여 수행하는 전력변환모듈의 자동화 진단 장치에 있어서,
상기 전력변환모듈을 진단할 시, 상기 각 부에 대한 소자단위 진단과 모듈단위 진단별의 시험 경로에 대응되는 입출력 커넥터로부터 시험 경로를 원하는 진단에 따라 상이하게 순차적으로 체결해서 소자진단 및 모듈단위 진단을 하는 입출력 지그; 및
상기 체결이 될 시, 상기 각 저감부와, 전압측정부, 전압측정부 및 전류측정 센서모듈부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로(1, 2, 3, 4, 5)(8, 7, 6, 5, 4)(4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12)를 체결하도록 하여 소자단위 진단하도록 하고, 과도전류 저감부의 입출력 커넥터와 전압측정부의 입출력 커넥터로부터 각기 시험 경로(1, 2, 3, 4)(5, 6, 7, 8)를 체결하도록 하여 모듈단위 진단하도록 하는 진단유닛; 을 포함하고,
상기 진단유닛은
상기 모듈단위 진단이 될 시, (1), (2), (3), (4)의 경로를 적용해서 3상전원 공급부 결선을 하고, (5), (6), (7), (8)의 경로 부분만을 적용해서 시험용 부하 장치 결선을 하고,
상기 모듈단위 진단으로부터 이상 진단이 될 시, 상기 컨버터부와 과도전압 저감부에 연결된 바이패스 회로를 구동함으로써, 컨버터부의 정밀 진단을 하도록 하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉구동장치 제어계통을 위한 전력변환모듈의 자동화 진단 장치.
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