KR20130081405A

KR20130081405A - 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 및 그를 이용한 측정방법

Info

Publication number: KR20130081405A
Application number: KR1020120002355A
Authority: KR
Inventors: 구철수; 김인용; 최영환; 신용덕; 이정훈
Original assignee: 한국원자력안전기술원
Priority date: 2012-01-09
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2013-07-17
Also published as: KR101328994B1

Abstract

본 발명은 원자력발전소에 설치된 케이블의 상태를 감시하기 위한 장치로 케이블 절연재료(폴리머)의 체적전기저항률을 측정하여 케이블 장기사용에 따른 열화정도를 확인하는 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 및 그를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
그 구성은 케이블 샘플 측정을 위한 지그(1), 전압계(2), 전류계(3), 전원공급기(4)로 구성되어 있다.

Description

원전케이블 체적전기저항률 측정장치 및 그를 이용한 측정방법{Volume Electrical Resistivity Equipment for Cable in NPPs}

본 발병은 원자력발전소에 사용되는 케이블 절연재료의 체적전기저항률을 측정하여 열화 상태를 감시하는 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 및 그를 이용한 측정방법에 관한 것이다.

현재까지 국내, 외에서 연구된 원전 케이블의 상태를 감시하는 방법으로는 케이블 절연재료의 물리적 성질, 화학적 성질 및 전기적 성질을 이용하는 방법 등이 제시되어 있다.

이중 화학적 성질을 이용한 열중량 분석법(TGA : Thermo Gravimetric Analysis), 물리적 성질을 이용한 파단-연신율(EAB : Elongation at Break) 측정법 등은 국내에서도 많이 사용되고 있는 방법이다.

특히 인장 시험에 근거를 둔 EAB법은 국제적으로 표준화가 되어 있으며, 일반적으로 유용한 상태감시 방법으로 많은 상태감시 방법의 기준이 되는 시험으로 인정되어왔다. 그러나 EAB법은 케이블 측면에서 파괴적인 방법으로 매우 많은 샘플이 필요하며, 가교폴리에틸렌(XLPE), 고무재질일 경우와 시험물이 2개 이상의 다른 층으로 구성된 혼합물일 경우 측정이 어려운 단점이 있다.

또한 지금까지 개발된 다른 상태감시 기술들도 모든 종류의 케이블에 적용이 가능한 기술은 없으며 하나의 기술만으로는 정확한 상태감시가 어렵다. 특히 화학적 또는 물리적인 성질을 이용한 케이블의 수명평가는 케이블의 외피와 절연재에 사용된 재질과 그 특성에 따라 영향을 받는 단점이 있으며, 전기적 성질을 이용한 방법들도 측정된 값들과 케이블 열화와의 정확한 상관관계 도출이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

따라서 국제원자력기구(IAEA)에서 제시한 이상적인 케이블 상태감시 방법인 원전의 다양한 종류의 케이블에 적용 가능한 방법 일뿐만 아니라 측정값과 열화와의 상관관계 도출이 쉽고, 감시 및 측정이 비교적 간편한 체적저항률을 이용한 원전케이블 상태감시 및 분석방법을 개발이 필요하였다.

이 기술은 지속적인 연구개발을 통해 국내에서 많이 사용되는 TGA 및 EAB 방법과도 조합사용이 가능하도록 분석방법들을 개발하는 것이며, 향후 국내 장기가동원전의 증가와 신규원전의 설계수명이 늘어남에 따른 새로운 절연재료의 개발로 인한 새로운 상태감시 기술에 대한 요구가 증대될 것으로 판단된다.

국내등록특허공보 등록번호 제1003304690000(20020315)호에는 피검사 회로 기판의 피검사 전극이 위치하는 일면측에 배치되며 표면에 복수의 접속용 전극을 갖는 일면측 검사용 회로 기판과, 상기 일면측 검사용 회로 기판의 표면에 설치되고 도전성 탄성 중합체(elastomer)로 이루어지는 커넥터층 부재를 구비하여 구성되고, 상기 커넥터층 부재는 그 일면이 상기 접속용 전극중의 상호 인접하는 복수의 접속용 전극군의 각 접속용 전극에 동시에 접하여 이들과 전기적으로 접속됨과 동시에, 그 타면이 피검사 회로 기판의 일면의 피검사 전극중의 상호 인접하는 복수의 피검사 전극으로 이루어지는 피검사 전극군의 각 피검사 전극에 동시에 접하여 이들과 전기적으로 접속되어 측정 상태로 되고, 상기 측정 상태에 있어서, 상기 접속용 전극군에 속하는 접속용 전극중의 2개중의 하나를 전류 공급용 전극으로 하고, 다른 하나를 전압 측정용 전극으로서 이용함으로써, 상기 피검사 전극군에 속하는 것으로부터 지정된 하나의 지정 피검사 전극에 관한 전기 저항의 측정이 실시되는 것을 특징으로 하는 회로 기판의 전기 저항 측정 장치가 공개되어 있고,

동 공보 등록번호 제1008390390000(20080611)호에는 연속적으로 변하는 입력전류를 발생하여 전기화학전지의 전원단자에 인가하는 전류인가부;상기 아날로그 입력전류에 대한 상기 전기화학전지의 전압응답신호를 소정의 검출시간 동안에 소정의 시간간격으로 검출하는 전압검출부; 및 상기 검출된 전압응답신호를 선형근사시켜 시간에 대한 전압응답함수를 획득하고, 상기 입력전류의 시간에 대한 변화율, 상기 전압응답함수의 기울기 및 오프셋을 기초로 상기 전기화학전지의 내부저항값을 결정하는 내부저항측정부를 포함하며, 상기 검출시간은 상기 입력전류에 대한 전압응답신호의 크기가 소정의 임계전압을 초과하는 시점보다 작게 설정되는 것을 특징으로 전기화학전지의 내부저항 측정장치 및 방법이 기재되어 있으며,

동 공보 등록번호 제1007759160000(20071106)호에는 금속시편의 전도도를 측정하는 장치에 있어서, 평면 형태의 받침대(10) 상측에 설치되어 시편이 놓여지는 시편받침대(32)와; 상기 시편의 넓이에 따라 이동되며, 받침대(10)의 중앙에 설치되고, 상기 시편의 넓이 방향으로 양측을 고정시키는 시편고정대(30)와; 상기 시편고정대(30)를 넓이 방향의 양측으로 이동시키며, 시편고정대(30)의 일측에 설치된 시편고정대 이동레버(31)와; 상기 시편의 길이방향 양측단에 접촉되며 전류를 인가할 수 있는 금속으로 형성되며, 좌우 방향으로 이동되어지는 인가전극부(40)와; 상기 인가전극부(40)를 시편의 길이방향 좌우로 이동시키는 인가전극부 이동레버(43)와; 상기 받침대(10)의 상측에 고정기둥에 결합되어 상하로 이동되는 측정전극 이송부(20)와; 상기 측정전극 이송부(20)를 상하로 이동시키는 측정전극 이송부 이동레버(21)와; 상기 측정전극 이송부(20)의 하측에 설치되어 좌우로 이동되며, 하측끝단이 금속재질로 형성되어 시편양극에 걸리는 전압을 측정하는 측정전극(50)과; 상기 측정전극(50)을 좌우로 이동시키며, 상기 측정전극 이송부(20)의 일측에 설치된 측정전극 이동레버(51);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 4단자 저항 측정방법을 이용한 전기전도율 측정장치가 기술되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 제2020090008245(20090818)호에는 Heater Wire의 위치검출(Encoder)과 저항측정을 하는 저항측정기제어부와 측정기NG Signal감시, NG 발생시 NG위치 추적하는 PLC Control제어부와 압출기를 제어하는 압출제어부 와 상기제어부에 의해 상기 측정값을 감시 추적하여 압출을 정지를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 Heater Wire의 전기저항 측정검사장치가 공개되어 있음을 알 수 있다.

현재까지 국내, 외에서 연구된 원전 케이블의 상태를 감시하는 방법으로는 케이블 절연재료의 물리적 성질, 화학적 성질 및 전기적 성질을 이용하는 방법 등이 제시되어 있으나, 원자력발전소에 사용되는 케이블 절연재료의 체적전기저항률을 측정하여 열화 상태를 감시하기 위해 필요한 장비로 국내에는 현재까지 적용된 사례가 없는 문제점이 본 발명이 해결하고자 하는 과제인 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 원전케이블 열화된 절연재료에 대하여 고 저항(10¹⁴Ω·m 이상)물질의 내부에 흐르는 극소전류(nA 또는 pA)를 외부 노이즈와 오차를 최소화하면서 정확하게 측정할 수 있는 장비를 개발하여 원자력발전소의 다양한 환경조건에서 시간이 감에 따라 변화하는 케이블 절연재 및 외피의 절연성능 변화량을 전기적인 변수인 체적전기저항률의 변화량으로 정확히 측정해 내므로써 케이블의 상태를 감시하고자 하는 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 및 그를 이용한 측정방법을 제공하는 것이 본 발명의 과제 해결 수단인 것이다.

본 발명은 절연재료의 형상이나 치수 및 측정하는 위치 등 어떠한 측정조건이나 특성에도 변하지 않는 재료 고유의 절대 값인 체적전기저항률을 이용하는 방법으로서, 원자력발전소에 사용되는 케이블 절연재료의 열화 상태를 감시하기 위하여 절연재료의 체적전기저항률을 측정한 값으로 사용되어,

향후 원전 케이블 상태감시 및 열화평가를 통한 원전케이블 수명 예측이 가장 안전하고 과학적으로 관리될 수 있도록 도움이 되며, 우리나라 원전의 케이블 열화 관리평가 체계를 향상시키는데도 기여할 것이다.

도1 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 흐름도
도2 본 발명의 체적전기저항률 측정용 지그 상세도
도3 본 발명의 체적전기저항률 측정용 지그 평면상세도
도4 본 발명의 체적전기저항률 측정용 지그 사진
도5 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 사진
도6 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 실험하는 상태 사진

본 발명은 원자력발전소의 다양한 환경조건에서 시간이 감에 따라 변화하는 케이블 절연재 및 외피의 절연성능 변화량을 전기적인 변수인 체적전기저항률의 변화량으로 정확히 측정해 내므로 써 케이블의 상태를 감시하고자 하는 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 및 그를 이용한 측정방법에 관한 것이다.

이 방법은 원전에 사용되는 다양한 종류의 케이블에 적용가능하며, 다른 방법에 비해 측정이 비교적 편리하며 짧은 시간(30초 이내)에 가능하다. 이를 위해 원전케이블 절연재료의 특성을 고려한 고유의 체적전기저항률 측정장치의 개발이 필요하게 되었다.

본 발명은 원전케이블 상태감시 방법 연구와 원전현장에서 취득한 케이블에 대하여 열화를 평가하는데 주로 사용되며, 원전케이블 절연재료 내부에 흐르는 전류가 측정되면, 다음의 계산식을 이용한 프로그램을 통해 체적전기저항률이 자동계산 된다. 이 자동 계산된 체적전기저항률은 절연재료의 형상이나 치수 및 측정하는 위치 등 어떠한 측정조건이나 특성에도 변하지 않는 재료 고유의 절대 값이다.

여기서, ρ는 체적전기저항률, V는 전압계의 값, I는 전류계의 값, S는 전극면적, t는 케이블 샘플 두께이다. 이 측정장치는 10¹⁴[Ω·m] 이상 고저항 재료의 내부에 흐르는 극소 측정 전류(nA 또는 pA)를 정확히 측정할 수 있는 장치로 상하부 전극의 크기 및 절연성을 보강하고 외부 노이즈를 최소화 시켰으며 측정전압의 폭을 조정(1,000 V 까지)하여 케이블 샘플의 면적에 따라 전극 크기 선택이 가능하도록 하였다.

측정장치 개발을 통해 체적전기저항률을 이용한 원전케이블 상태감시방법에 관한 연구가 가능할 수 있었으며, 이러한 케이블 상태감시와 관련한 다양한 방법들에 대한 연구는 향후 원전 케이블 상태감시 및 열화평가를 통한 원전케이블 수명 예측이 가장 안전하고 과학적으로 관리될 수 있도록 도움을 줄 것이다.

또한 우리나라 원전의 케이블 열화 관리평가 체계를 향상시키는데도 기여할 것이다.

본 발명은 케이블 샘플 측정을 위한 지그(1), 전압계(2), 전류계(3), 전원공급기(4)로 구성된다.

상기 지그(1)는 케이블 샘플 내부에 흐르는 전류를 측정하기 위한 것으로 케이블 샘플을 중심으로 위쪽, 아래쪽에 전극 두 개와 샘플 표면에 누설전류를 제거하기 위한 가드링 형태의 전극을 더해 3개의 전극으로 이루어져 있다.

지그는 이 장비의 핵심기술로 측정 시 전극과 샘플사이의 접촉저항을 없애기 위한 것이 필요한데 여기서는 표면을 실버 또는 구리 페이스트(Copper Paste)를 사용하여 표면처리를 한다.

원자력 발전소 케이블의 체적전기저항률을 측정하기 위한 지그의 전극설계는 시험용 케이블 샘플의 크기 및 두께 측정전류(nA 또는 pA)가 매우 작음으로 생기는 노이즈의 영향을 완화하기 위해 상부전극 지름의 크기를 50mmΦ 및 100mmΦ로 제작하였다. 또한 절연성과 기계적 강도가 높은 백그라이트(Bakelite)를 사용하여 상부전극과 가드링 전극의 간격을 동일하게 유지시키는 동시에 가드링과 상부전극 사이에 절연 역할을 하도록 하였다. 전압인가는 상부전극이 음극, 하부전극이 양극이 되도록 설계하였다. 이는 상부 전극에 흐르는 전류를 작게 제한 할 수 있는 방식으로 접지된 가드링 전극과의 절연을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 전극의 크기도 줄일 수 있고, 단락이나 절연파괴와 같은 사고 시에도 전류의 크기가 작으므로 장치의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법이다.

측정온도와 관련하여 원자력 발전소 케이블은 고유의 저항온도계수를 가지고 있기 때문에 주위온도에 따라 체적전기저항률이 다르게 측정되어질 수 있다. 이를 방지하기위해서는 주위 온도를 일정하게 유지시켜야 한다. 또한 주위온도 외에도 전압인가로 인한 시편자체의 온도가 상승할 우려가 있기 때문에 체적전기저항률을 측정하기 전의 온도와 측정 후의 시편 온도를 확인하고, 온도 차가 나지 않도록 하여 측정하도록 한다. 이 측정 장치에는 일정 온도 유지를 위한 캡을 고안하여 설치하였다.

측정시간에 대하여 전압 인가 시 직류가 1분 이상 대전되었을 때 시간에 따라 전류이득이 발생되기 때문에 체적전기저항률에 영향을 미치며, 측정종료(전압차단) 후 잔류전하에 의한 시편의 안정화를 위하여 충분한 시간을 두어야 한다. 이에 케이블의 체적전기저항률 측정 시 전압인가 후 30초에 측정하고, 전원 차단 시간을 1분 이상 유지하도록 한다.

차폐와 관련하여 체적전기저항률 측정 시 외부전원변화 및 전자파에 의한 노이즈의 영향이 크게 작용하기 때문에 외부의 영향을 받지 않도록 하는 것이 중요하다. 이 장비에서는 알루미늄 소재의 차폐(shield)체와 일정한 전원을 공급받기 위한 전원필터를 사용하는 방식을 채용하였다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

지그(1)에 시험용 케이블샘플(20)을 연결하고 이때 음이온전극판(12)의 직경50mmΦ으로 한 다음, 전원공급기(4)에서 전원이 공급되면, 상기 전원공급기(4)에 연결된 전압계(2), 전류계(3) 및 지그(1)에 전원이 공급되어 시험용 케이블 샘플(20)의 내부에 흐르는 전류를 측정하되,

전압 인가 후 30초에 측정하고, 전원 차단 시간을 1분 이상 유지하며, 커버(30)는 직육면체형상으로 외부는 투명수지로 되고 내부는 알루미늄소재 차폐체로 하여 외부의 영향을 받지 않게 하고,

온도는 동일한 온도로 유지하여 측정된 신호를 중앙처리기(미도시)에 이송되어 다음의 계산식을 이용한 프로그램을 통해 체적전기저항률이 자동 계산되어 원전케이블 체적전기저항률을 측정하였다.

R= V/I

여기서, ρ는 체적전기저항률, V는 전압계의 값, I는 전류계의 값, S는 전극면적, t는 케이블 샘플 두께

실시예 2

지그(1)에 시험용 케이블샘플(20)을 연결하고 이때 음이온전극판(12)의 직경100mmΦ으로 한 다음, 전원공급기(4)에서 전원이 공급되면, 상기 전원공급기(4)에 연결된 전압계(2), 전류계(3) 및 지그(1)에 전원이 공급되어 시험용 케이블 샘플(20)의 내부에 흐르는 전류를 측정하되,

온도는 동일한 온도로 유지하여 측정된 신호를 중앙처리기(미도시)에 이송되어 다음의 계산식을 이용한 프로그램을 통해 체적전기저항률이 자동계산되어 원전케이블 체적전기저항률을 측정하였다.

R= V/I

이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 흐름도, 도2 본 발명의 체적전기저항률 측정용 지그 상세도, 도3 본 발명의 체적전기저항률 측정용 지그 평면상세도, 도4 본 발명의 체적전기저항률 측정용 지그 사진, 도5 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 사진, 도6 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 실험하는 상태 사진을 도시한 것이며, 지그(1), 전압계(2), 전류계(3), 전원공급기(4), 연결선(7), 양전극판(11), 음전극판(12), 가이드링(13), 하부절연체(14), 상부절연체(15), 시험용 케이블 샘플(20), 상하전선연결부(21,22), 커버(30)을 나타낸 것이다.

구조를 살펴보면 본 발명의 원전케이블 체적전기저항률 측정장치 는 도1내지 도3에 도시된 바와 같이, 전원공급기(4)와 상기 전원공급기예 연결된 전압계(2) 및 전류계(3)로 구성되며, 상기 전류계 및 전압계와 전원공급기(4)에 연결되는 지그(1)로 구성되며,

상기 지그(1)는 직육면체형상으로 외부는 투명수지로 되고 내부는 알루미늄 소재의 차폐(shield)체로 구성된 커버(30)내에 설치되며, 실버 또는 구리 페이스트(Copper Paste)로 코팅된 시험용 케이블 샘플(20)과, 상기 시험용 케이블 샘플(20)의 중앙 상하로 연장된 상하전선연결부(21,22)와, 상기 시험용케이블 샘플(20)을 중심으로 하부에 설치된 양전극판(11)과, 상기 양전극판(11)의 하부에 설치된 하부절연체(14)와,

상기 시험용 케이블 샘플(20)을 중심으로 상부에 설치된 음전극판(12)과, 상기 음전극판(12)의 상부와 외부를 감싸며 설치된 상부절연체(15)와, 상기 상부절연체(15)의 외부에 설치된 가이드링(13)과,

상기 상하전선연결부(21,22)와 가이드링(13)의 일측에 연결된 연결선(7)으로 구성된 구조임을 알 수 있다.

지그(1), 전압계(2), 전류계(3), 전원공급기(4), 연결선(7), 양전극판(11), 음전극판(12), 가이드링(13), 하부절연체(14), 상부절연체(15), 시험용 케이블 샘플(20), 상하전선연결부(21,22), 커버(30).

Claims

원전케이블용 체적전기저항률 측정장치에 있어서, 저항률을 측정하기 위한 지그(1)과 샘플에 걸리는 전압을 측정하기 위한 전압계(2)와, 원전케이블 절연재료의 내부에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류계(3)과, 시험전압 공급을 위한 전원공급기(4)를 포함하여 구성되어 있음을 특징으로 하는 원전케이블용 체적전기저항률 측정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 지그(1)는 직육면체형상으로 외부는 투명수지로 되고 내부는 알루미늄 소재의 차폐(shield)체로 구성된 커버(30)내에 설치되며, 실버 또는 구리 페이스트(Copper Paste)로 코팅된 시험용 케이블 샘플(20)과, 상기 시험용 케이블샘플(20)의 중앙 상하로 연장된 상하전선연결부(21,22)와, 상기 시험용 케이블 샘플(20)을 중심으로 하부에 설치된 양전극판(11)과, 상기 양전극판(11)의 하부에 설치된 하부절연체(14)와,
상기 시험용 케이블 샘플(20)을 중심으로 상부에 설치된 음전극판(12)과, 상기 음전극판(12)의 상부와 외부를 감싸며 설치된 상부절연체(15)와, 상기 상부절연체(15)의 외부에 설치된 가이드링(13)과,
상기 상하전선연결부(21,22)와 가이드링(13)의 일측에 연결된 연결선(7)을 포함하여 구성되어 있음을 특징으로 하는 원전케이블용 체적전기저항률 측정장치.
원전케이블용 체적전기저항률 측정장치를 이용한 측정방법에 있어서,
지그(1)에 시험용 케이블샘플(20)을 연결한 다음, 전원공급기(4)에서 전원이 공급되면, 상기 전원공급기(4)에 연결된 전압계(2), 전류계(3) 및 지그(1)에 전원이 공급되어 시험용 케이블샘플(2)의 내부에 흐르는 전류를 측정하되,
전압 인가 후 30초에 측정하고, 전원 차단 시간을 1분 이상 유지하며, 커버(30)는 직육면체형상으로 외부는 투명수지로 되고 내부는 알루미늄소재 차폐체로 하여 외부의 영향을 받지 않게 하고,
온도는 동일한 온도로 유지하여 측정된 신호를 중앙처리기(미도시)에 이송되어 다음의 계산식을 이용한 프로그램을 통해 체적전기저항률이 자동 계산되어 측정함을 특징으로 하는 원전케이블용 체적전기저항률 측정장치를 이용한 측정방법

다음

ρ= R×S/t
R= V/I

여기서, ρ는 체적전기저항률, V는 전압계의 값, I는 전류계의 값, S는 전극면적, t는 케이블 샘플 두께