KR20140094099A - 원전용 케이블 및 그 감시시스템 - Google Patents

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KR20140094099A KR1020130006329A KR20130006329A KR20140094099A KR 20140094099 A KR20140094099 A KR 20140094099A KR 1020130006329 A KR1020130006329 A KR 1020130006329A KR 20130006329 A KR20130006329 A KR 20130006329A KR 20140094099 A KR20140094099 A KR 20140094099A
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

본 발명은 강화부재를 구비한 케이블에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 케이블은 적어도 하나의 파워선, 적어도 하나의 접지선, 상기 파워선과 접지선을 감싸는 반도전층 및 상기 접지선과 절연되어 구비되어 상기 접지선의 접지상태를 확인하는 적어도 하나의 접지확인선을 포함하며, 상기 접지확인선은 도체, 상기 도체 외주를 따라 구비되는 적어도 하나의 강화부재 및 상기 도체와 강화부재를 둘러싼 절연체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

원전용 케이블 및 그 감시시스템 {Nuclear power cable and monitoring system for the same}
본 발명은 원전용 케이블 및 그 감시시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 어떠한 물리적 파괴 또는 화학적 변화 없이 원자력 발전소에서 사용되는 케이블의 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 원전용 케이블 및 그 감시시스템에 대한 것이다.
최근 제4세대 원자력 발전(GEN4)등 원자력 발전기술의 급격한 발달에 따라 원자력발전소의 설계기술뿐만 아니라 운전기기 등의 내구수명의 증가 및 기기들의 운전에 필요한 케이블의 중요성이 대두되고 있다. 특히, 일본 후쿠시마 원전 사고 이후로 원자력 발전소에 설치된 각종 기기들의 안전성이 크게 중요시되고 있으며, 이에 따라 원자력 발전소에 구비된 각종 케이블에 대한 안정성도 크게 주목받고 있다. 원자력 발전소 등에서 사용되는 원전용 케이블은 내방사능성, 내열성 및 내화학성뿐만 아니라, 장기간 사용에 따른 신뢰성을 제공할 수 있어야 한다.
제4세대 원자력발전은 원자력 발전소의 안전성, 경제성이 크게 강화된 개념으로 대략 60년 이상 연속 사용 가능한 원자력 발전소를 의미한다. 이와 같이 장기간 원자력 발전소를 사용하는 경우에 원자력 발전소의 각종 설비에 파워와 전기적 신호를 전달하는 케이블은 가장 중요한 설비 중의 하나이다. 원자력 발전소의 다른 설비와 달리 케이블은 기본적인 인프라로 설치되며, 설치 후에는 원자력 발전소의 가동을 중지하지 않고 분리, 해체 및 이동이 불가능하기 때문이다. 따라서, 원자력 발전소의 케이블은 지속적인 안전성을 보장하기 위하여 그 설치 후에도 지속적으로 상태를 감시하고 수명을 평가하는 것이 필요하다.
상기와 같이 원자력 발전소에 구비되는 원전용 케이블의 상태를 감시하는 방법은 다양한 방법이 개시되어 있다. 예를 들어, 첫째로 케이블의 화학적인 특성을 이용하는 방법이 있다. 즉, 케이블 절연재료의 화학적인 성질변화와 열화와의 상관관계를 확인하는 방법이다. 구체적으로, 적외선분광광도계, 산화유도시간, 열중량분석법(TGA)등이 있다. 둘째로, 기계적인 특성을 이용하는 방법이 있다. 즉, 케이블의 압축률, 밀도, 탄성률 등의 변화를 측정하는 방법이 있다. 특히 기계적인 방법중에서 신장률을 이용하는 EAB(Elongation at break)방법이 케이블의 수명을 평가하는 방법으로 통상적으로 사용되고 있다. 하지만 전술한 화학적/기계적인 방법은 케이블 재질에 따라 사용이 제한적이며 모두 파괴적인 방법이라는 단점이 있다.
한편, 전원을 인가하여 케이블의 절연재료의 특성이 열화로 인한 변화정도를 감지하는 전기적인 방법도 사용되고 있다. 즉, 전기적인 방법으로 절연저항, 내전압, 유전손, 유전정접, 부분방전 등의 방법이 사용되고 있다. 그런데, 전기적인 방법은 모든 재질에 사용 가능하나 열화와의 상관관계를 정량적으로 정확하게 표시하는데 어려움이 있다는 단점이 있다.
결국, 전술한 종래기술에 의한 방법으로 케이블의 수명을 예측하기 위해서는 기존케이블을 반드시 철거하여 분해한 후, 케이블의 절연체의 손상 여부를 확인해야 한다. 그런데, 상기와 같이 케이블을 철거하여 시험하는 방법은 원자력 발전소의 전영역에 걸쳐 진행하는 것이 곤란하다. 반면에, 원자력 발전소의 일부 영역에서만 케이블을 시험하는 방법은 방사선이 나오는 원자로의 특성상 모든 영역이 동일한 노화를 보이지 않는다는 문제점을 수반한다. 또한 이러한 케이블 철거와 평가방법을 적용하기 위해서는 원자력 발전소의 가동중단이 필요한데, 원자로의 가동중단과 재가동에 따른 비용부담은 천문학적인 비용이 소요되며, 이에 따른 전력발전 공백에 따른 수요자 부담도 원자력 발전소 운영에 큰 부담이 될 수 있다. 또한, 기존의 원자력 발전소에 이미 설치된 케이블 중 수명이 다 되어 노후한 케이블이나 손상되어 교체가 필요한 부분에는 새로운 케이블의 설치가 필요한데, 원자력 발전소의 케이블 관로(duct) 구조상 기존에 설치된 케이블의 철거는 매우 어려우며 비용 역시 많이 소요된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 원자력 발전소에 사용되는 케이블의 손상 및 수명을 실시간으로 파악할 수 있는 케이블을 제공하는데 목적이 있다. 특히, 본 발명은 원전용 케이블의 평가를 수행하는 경우에 원전용 케이블의 분해, 철거 또는 분리 없이 케이블이 설치된 상태에서 평가할 수 있는 감시시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 원전용 케이블로서, 도체, 상기 도체를 감싸는 적어도 하나의 절연체, 상기 절연체를 감싸는 외피 및 상기 절연체 또는 외피의 상태를 실시간으로 감시하는 감시수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블에 의해 달성된다.
여기서, 상기 감시수단은 적어도 하나 이상의 광케이블을 포함할 수 있으며, 상기 광케이블은 광섬유, 상기 광섬유를 감싸는 방사능 방지부를 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 방사능 방지부는 금속박막 및 고분자 섬유 중에 적어도 하나를 구비할 수 있다. 상기 금속박막은 알루미늄 또는 구리로 구성될 수 있으며, 상기 고분자 섬유는 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 광케이블은 상기 원전용 케이블 내에 대칭적으로 구비될 수 있으며, 바람직하게 상기 도체에 인접하여 배치될 수 있다.
한편, 상기 감시수단은 적어도 하나의 광케이블과, 상기 광케이블에 감시광을 입사하고 반사된 상기 감시광을 수신하여 상기 원전용 케이블을 감시하는 감시장치를 포함한다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 원전용 케이블 감시시스템에 있어서, 적어도 하나 이상의 광케이블을 포함하는 원전용 케이블 및 상기 광케이블에 감시광을 입사하고 반사된 상기 감시광을 수신하여 상기 원전용 케이블을 감시하는 감시장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 광케이블 감시장치는 상기 광케이블에 감시광을 입사하고 반사된 감시광을 수신하는 OTDR 및 상기 반사된 감시광의 파형을 해석하는 해석장치를 구비한다. 이 경우, 상기 광케이블은 광섬유, 상기 광섬유를 감싸는 방사능 방지부를 구비하며, 상기 방사능 방지부는 금속박막 및 고분자 섬유 중에 적어도 하나를 구비한다. 상기 금속박막은 알루미늄 또는 구리로 구성되며, 상기 고분자 섬유는 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 이루어진다. 한편, 상기 광케이블은 상기 원전용 케이블 내에 대칭적으로 구비된다. 즉, 상기 원전용 케이블은 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연체를 구비하고, 상기 광케이블은 상기 도체에 인접하여 배치된다.
한편, 상기 해석장치는 상기 원전용 케이블을 최초 설치하는 경우에 상기 OTDR을 통한 감시광의 파형을 표준파형으로 저장하고, 측정파형을 상기 표준파형과 비교하여 상기 원전용 케이블의 손상여부를 판단한다. 이 경우, 상기 해석장치는 상기 표준파형의 반사피크와 상기 측정파형의 반사피크를 비교하여 상기 원전용 케이블의 손상여부를 판단하게 된다. 구체적으로, 상기 해석장치는 상기 측정파형의 반사피크의 크기 및 위치 중에 적어도 하나가 상기 표준파형의 반사피크와 상이한 경우에 상기 원전용 케이블에 손상이 발생한 것으로 판단한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면 원자력 발전소 등에 이미 설치된 케이블의 철거 없이 케이블의 손상 및 수명을 평가할 수 있다. 이러한 평가는 실시간으로 수행이 가능하며, 특히, 장기간 운영되는 원자력 발전소의 어떠한 운행 중단 없이 시험 평가가 가능하다. 따라서, 케이블의 철거 및 원자로의 운행중단에 따른 현저한 비용증가를 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면 원자력 발전소의 일부 영역에 국한되어 케이블의 평가를 수행할 수 있는 것이 아니라, 원자력 발전소의 모든 영역에 설치된 케이블에 대한 시험평가를 실시간으로 수행할 수 있다. 따라서, 원자력 발전소의 전영역에 걸쳐 케이블의 상태를 실시간으로 파악하여 손상이 발생하는 경우에 즉각적인 대처가 가능하며, 수명을 미리 예측하여 어떠한 손상이 발생하기에 앞서 미리 조치하는 것도 가능해진다.
도 1은 일 실시예에 따른 케이블의 내부구성을 도시한 단면도,
도 2는 다른 실시예에 따른 케이블의 내부구성을 도시한 단면도,
도 3은 감시수단을 구비한 일 실시예에 따른 케이블들의 내부구성을 도시한 단면도,
도 4는 감시수단을 구비한 다른 실시예에 따른 케이블들의 내부구성을 도시한 단면도,
도 5는 원전용 케이블의 감시시스템의 구성을 도시한 개략도,
도 6은 도 5에 따른 감시시스템에서 OTDR 표준파형을 도시한 그래프,
도 7은 도 5에 따른 감시시스텀의 표준파형과 측정파형을 비교한 그래프,
도 8 내지 도 11는 케이블의 피폭량 및 사용기간을 측정한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 대해서 상세히 살펴보기로 한다.
본 발명에서 설명하는 케이블 및 그 감시시스템은 케이블의 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 것을 목적으로 하며, 예를 들어 원자력 발전소 등에서 사용되는 원전용 케이블에 적용될 수 있다. 즉, 원자력 발전소 등에서 사용되는 원전용 케이블은 내방사능성, 내열성 및 내화학성뿐만 아니라, 장기간 사용에 따른 신뢰성을 제공할 수 있어야 한다. 특히, 장기간 원자력 발전소를 사용하는 경우에 원자력 발전소의 각종 설비에 파워와 전기적 신호를 전달하는 케이블은 가장 중요한 설비 중의 하나이다. 원자력 발전소의 다른 설비와 달리 케이블은 기본적인 인프라로 설치되며, 설치 후에는 원자력 발전소의 가동을 중지하지 않고 분리, 해체 및 이동이 불가능하기 때문이다. 따라서, 원자력 발전소의 케이블은 지속적인 안전성을 보장하기 위하여 그 설치 후에도 지속적으로 상태를 감시하고 수명을 평가하는 것이 필요하다.
그런데, 종래기술에 의한 방법으로 원전용 케이블의 수명을 예측하기 위해서는 기존케이블을 반드시 철거하여 분해한 후, 케이블의 절연체의 손상 여부를 확인해야 한다. 그런데, 상기와 같이 케이블을 철거하여 시험하는 방법은 원자력 발전소의 전영역에 걸쳐 진행하는 것이 곤란하다. 이를 피하기 위해, 원자력 발전소의 일부 영역에서만 케이블을 시험하는 방법은 방사선이 나오는 원자로의 특성상 모든 영역이 동일한 노화를 보이지 않는다는 문제점을 수반한다. 또한 이러한 케이블 철거와 평가방법을 적용하기 위해서는 원자력 발전소의 가동중단이 필요한데, 원자로의 가동중단과 재가동에 따른 비용부담은 천문학적인 비용이 소요되며, 이에 따른 전력발전 공백에 따른 수요자 부담도 원자력 발전소 운영에 큰 부담이 될 수 있다. 또한, 기존의 원자력 발전소에 이미 설치된 케이블 중 수명이 다 되어 노후한 케이블이나 손상되어 교체가 필요한 부분에는 새로운 케이블의 설치가 필요한데, 원자력 발전소의 케이블 관로(duct) 구조상 기존에 설치된 케이블의 철거는 매우 어려우며 비용 역시 많이 소요된다. 따라서, 이하에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 원전용 케이블 및 그 감시스템에 대해서 살펴보기로 한다.
도 1 및 도 2는 원자력 발전소 등에서 사용되는 원전용 케이블의 구성을 도시한다. 이하에서 설명하는 원전용 케이블은 원자력 발전소의 각종 기기를 제어하기 위한 제어 신호를 전달할 수 있는 제어용 케이블을 예로 들어 설명한다.
도 1을 참조하면, 원전용 케이블(1)은 그 내부에 도체(10), 상기 도체(10)를 감싸는 절연체(20)와, 상기 절연체(20)를 감싸는 외피(시스: sheath)(30)를 구비한다. 여기서, 상기 외피(30)는 원자력 발전소 등에서 발생하는 방사능에 의한 도체(10)이 손상 및 피폭을 줄이기 위하여 내방사선 재질로 제작될 수 있다. 한편, 상기 원전용 케이블(1)은 도체(10)를 2 개 구비한 소위 '2 코어(core)' 제어용 케이블에 해당한다.
한편, 도 2는 도 1과 유사한 구조를 가지며, 단지 도체(10)의 숫자에 있어 차이가 있다. 즉, 도 2에 따른 원전용 케이블(3)은 도체(10)를 7개 구비한 소위 '7 코어(core)' 제어용 케이블에 해당한다. 도 1 및 도 2에 도시된 케이블은 일예를 들어 도시한 것에 지나지 않으며, 예를 들어 도체의 개수 및 케이블 내에 구비되는 도체를 둘러싼 구성은 적절하게 변형 가능함은 물론이다.
이하에서는 상기와 같은 구조를 가지는 원전용 케이블의 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 감시수단 및 감시시스템에 대해서 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 3은 감시수단을 구비한 2개의 코어를 가지는 원전용 케이블의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 원전용 케이블(100)의 도체(10), 절연체(20) 및 외피(30)에 대해서는 이미 설명하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 원전용 케이블은 상기 절연체(20) 또는 외피(30)의 상태를 실시간으로 감시하는 감시수단을 구비한다. 상기 감시수단은 원전용 케이블에 어떠한 물리적/화학적 변형을 수반하지 않으며, 나아가 케이블의 분해, 분리 및 철거를 동반하지 않으면서 원전용 케이블(100)의 상태를 실시간으로 파악하도록 구비된다. 본 발명에서는 상기와 같이 원전용 케이블의 상태를 실시간으로 파악하기 위하여 광케이블을 활용한다.
즉, 상기 감시수단은 원전용 케이블(100)의 내부에 적어도 하나의 광케이블(70)을 구비하고, 상기 광케이블(100)에 감시광을 입사하고 반사된 상기 감시광을 수신하여 상기 원전용 케이블을 감시하는 감시장치(310, 도 5 참조)를 구비할 수 있다. 상기 감시장치(310)는 상기 광케이블(70)로 감시광을 입사시키고, 산란 및/또는 반사되는 감시광을 수신하여 원전용 케이블(100)의 손상 여부를 감시하게 된다.
여기서, 광케이블(70)을 구비하는 이유는 원전용 케이블(100)의 노화 정도, 즉 수명을 파악하기 위함이다. 케이블의 노화로 인해서 절연체가 손상되면 누설전류가 발생하게 되며, 이에 의해 방전이 발생할 수 있다. 방전에 의해 절연체 또는 외피가 손상되면, 상기 손상된 부위에서는 국부적으로 온도가 상승하게 된다. 따라서, 케이블에서 국부적으로 온도가 상승한 부분을 감지할 수 있다면 온도 상승 영역을 손상이 발생한 영역 또는 수명이 짧아진 영역으로 감지하여 상기 영역에 대해서 즉각적인 교체 및 수리가 가능해진다. 이하에서는 먼저 광케이블을 구비한 원전용 케이블의 구성에 대해서 살펴보고, 이어서 상기 광케이블을 이용하여 원전용 케이블을 감시하는 감시시스템에 대해서 살펴보기로 한다.
도 3(A)에 도시된 바와 같이, 원전용 케이블(100)은 내부에 적어도 하나의 광케이블(70)을 구비한다. 상기 광케이블(70)은 원전용 케이블(100)의 외피(30)에 구비되며, 바람직하게 도체(10)에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 감시수단은 광케이블(70) 및 감시장치(310)를 이용하여 원전용 케이블(100)의 절연체(20) 및 외피(30)의 손상 및 수명을 감시하게 되며, 특히 도체(10)를 감싸는 절연체(20)를 감시하게 된다. 원전용 케이블(100)의 외피(30)의 손상 여부도 중요하지만, 실제 제어용 신호가 전달되는 도체(10)를 감싸는 절연체(20)의 손상 여부 및 수명이 상대적으로 더욱 중요하다. 따라서, 광케이블(70)은 원전용 케이블(100)의 내부에 구비되는 경우에 도체(10)의 절연체(20)에 인접하여 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 광케이블(70)은 원전용 케이블(100) 내에 대칭적으로 구비될 수 있다. 원전용 케이블(100)이 손상되는 경우에 손상부위를 살펴보면 케이블의 양측에 모두 손상이 발생하는 경우도 있지만, 주로 케이블의 일측에만 손상이 발생하는 경향을 보이게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 광케이블(70)을 구비하는 경우에 원전용 케이블(100)의 내부에 복수개 구비할 수 있으며, 나아가 케이블의 여러 군데의 손상 정도를 감시하도록 케이블 내에 대칭적으로 구비될 수 있다. 광케이블(70)이 케이블 내에 대칭적으로 구비되는 경우에 원전용 케이블(100)의 무게중심이 일측으로 쏠리는 것을 방지하여 원전용 케이블(100)의 제작에 용이하며, 나아가 원전용 케이블(100)의 운반 및 설치가 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 광케이블(70)의 구성을 살펴보면, 광섬유(40) 및 상기 광섬유(40)를 감싸는 방사능 방지부(50, 60)를 구비한다. 후술하는 감시장치(310)에 의해 감시광이 입사되기 위하여 다수의 광섬유(40)를 구비하며, 나아가 원자력 발전소에서 발생하는 방사능에 의한 손상을 방지하기 위하여 방사능 방지부를 구비한다.
상기 방사능 방지부는 원자력 발전소에서 발생하는 방사능에 의해 광섬유(40)가 피폭되어 손상되는 것을 방지하게 된다. 본 실시예에서 상기 방사능 방지부는 금속박막 및 고분자 섬유 중에 적어도 하나를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 금속박막은 방사능 차폐효과를 고려하여 알루미늄 또는 구리로 구성될 수 있다. 원자력 발전소의 원자로 부근에서 발생하는 방사선, 특히 β선은 구리 또는 알루미늄과 같은 금속박막에 의해 많은 에너지가 소실되며 차폐된다. 예를 들어, 방사능 차폐효과를 판단하는 경우에 일반적으로 HVL(Half Value Layer)를 사용한다. 'HVL'은 방사능에 의한 에너지의 강도를 절반으로 줄이는데 필요한 차폐부재의 두께로 정의된다. 즉, 'HVL'이 작을수록 차폐효과가 우수하며, 반대로 'HVL'이 높을수록 차폐효과가 떨어지게 된다. 원자력 발전소에서 발생할 수 있는 감마선 에너지에 대한 구리의 HVL 수치를 살펴보면 대략 21.0㎜에 해당하며, 이는 종래 광케이블 등에 사용되는 스테인레스강의 HVL 수치인 21.6㎜에 비해 다소 우수한 특성을 갖는다고 할 수 있다.
한편, 전술한 감시장치(310)는 감시광을 활용하여 원전용 케이블을 감시하게 되며, 특히 OTDR(312, 도 5 참조)을 이용하여 원전용 케이블(100)을 감시하게 된다. 구체적으로, OTDR(312)의 감시파형을 통하여 원전용 케이블(100)에서 국부적으로 열이 상승한 지점을 확인하게 된다. OTDR을 활용한 감시시스템 및 그 동작에 대해서는 이후에 상세히 설명한다. 따라서, 광케이블(70)의 광섬유(40)를 감싸는 방사능 방지부는 방사능 차폐효과가 뛰어날 뿐만 아니라 외부의 열전도가 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 방사능 방지부를 이루는 금속박막의 재료로 활용되는 구리와 알루미늄의 열전도도를 살펴보면 각각 대략 400W/m K, 240W/m K에 해당하며, 이는 종래 광케이블 등에 사용되는 스테인레스강의 열전도도인 15 ~ 20W/m K에 비해 상대적으로 높은 수치를 가짐을 알 수 있다.
상기와 같은 열전도도의 차이를 확인하기 위하여 본 발명자는 구리 및 스테인레스로 각각 구성된 금속박막(50)으로 방사능 방지부를 구비하여 원전용 케이블(100)의 국부적인 열 상승 지역을 찾는 실험을 수행하였다. 이 결과, 구리로 구성된 방사능 방지부를 구비하여 상기 감시장치에 의해 온도를 감지한 경우에 실제 케이블의 온도와 대략 ±1℃이하의 오차를 보이지만, 스테인레스강으로 구성된 방사능 방지부를 구비하여 상기 감시장치에 의해 온도를 감지한 경우에는 실제 케이블의 온도와 대략 ±5℃ 정도의 오차를 나타내는 것으로 결과가 도출되었다. 결국, OTDR(312)을 구비한 감시장치(310)에 의해 원전용 케이블(100)의 국부적인 열 상승 지점을 파악하기 위해서는 종래의 스테인레스강에 비해 열전도도가 높은 구리 또는 알루미늄을 사용하는 것이 유리하다. 바람직하게, 구리는 방사능을 차폐하는 HVL 수치가 낮으므로 방사능 차폐효과도 뛰어나서 본 실시예에서 방사능 방지부의 금속박막(50)으로 활용될 수 있다.
한편, 상기 고분자 섬유는 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 원자력 발전소의 기대 수명이 증가함에 따라서 케이블의 수명 역시 증가하게 된다. 이 경우, 원자력 발전소에 일단 설치된 케이블에 요구되는 내방사선량 역시 증가하고 있다. 따라서, 전술한 금속박막에 의한 차폐로 방사선 전량을 차폐시키지 못할 수 있으며, 이에 따라 분자 내에 아로마틱링(aromatic ring)을 포함하는 고분자 재료를 코팅 또는 테이핑하여 방사능 에너지를 추가로 소실시키고, 나아가 상기 고분자 재료로 된 필름에 의해 산화를 억제할 수 있다.
구체적으로, 폴리이미드(polyimide)를 비롯한 아로마틱 그룹을 포함하는 고분자 재료는 공명구조로 인해 일반적인 선형(linear)의 구조는 가지지 못하는 높은 내열성 및 내방사성을 가지게 된다. 따라서 광케이블에 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 된 필름을 구비하면, 방사선으로부터 광섬유를 보호할 뿐만 아니라 높은 온도로 인한 광섬유의 노화를 방지할 수 있게 된다. 나아가, 방사선 내구성이 탁월한 상기 필름은 방사선에 의해 고분자가 산화되는 산화반응을 방지하는 산소차단층(oxidation barrier)의 역할을 수행하게 된다. 결국, 상기 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 된 필름은 방사선에 의한 광섬유의 피폭을 방지하고, 나아가 일단 침투한 방사선에 의한 산화를 방지하는 역할을 동시에 수행하게 된다.
본 실시예에서 방사능 방지부는 금속박막 및 고분자 섬유 중에 적어도 하나를 구비할 수 있게 된다.
도 3(A)에서 광케이블(70)은 방사능 방지부로 금속박막층(50)을 구비하며, 도 3(B)에서 광케이블(72)은 방사능 방지부로 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 된 고분자층(60)을 구비하게 된다. 나아가, 도 3(C)에서 광케이블(74)은 방사능 방지부로 금속박막층(50)과 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 된 고분자층(60)을 모두 구비하는 경우를 도시한다. 이 경우, 광섬유(40)를 감싸도록 금속박막층(50)을 구비하고, 상기 금속박막증(50)의 외주에 고분자층(60)을 구비하게 된다.
한편, 도 4는 감시수단을 구비한 7개의 코어를 가지는 원전용 케이블(200)의 구성을 도시한 단면도이다. 도 4에서, 원전용 케이블(200)의 도체(10), 절연체(20) 및 외피(30)에 대해서는 이미 설명하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
본 실시예에서 광케이블(70)은 4개 구비된 것으로 도시되지만, 이에 한정되지는 않으며, 예를 들어 더 적은 2개, 또는 더 많은 6개의 광케이블을 구비하는 것도 물론 가능하다. 이 경우, 전술한 바와 같이 광케이블(70)은 외피(30)에 대칭적으로 구비될 수 있다.
도 4(A)의 광케이블(70), 도 4(B)의 광케이블(72) 및 도 4(C)의 광케이블(74)은 각각 방사능 방지부로 금속박막층(50)을 구비한 경우, 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 된 고분자층(60)을 구비한 경우 및 금속박막층(50)과 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 된 고분자층(60)을 모두 구비한 경우를 도시한다. 상기 금속박막층과 고분자재료에 대해서는 도 3에 대한 설명에서 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
이하에서는 상기와 같은 광케이블을 이용하여 원전용 케이블의 상태를 감시하는 감시시스템의 구성에 대해서 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 5는 원전용 케이블(100, 200)을 감시하기 위한 감시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 감시시스템(300)은 적어도 하나 이상의 광케이블을 포함하는 원전용 케이블(100, 200) 및 상기 광케이블(70)에 감시광을 입사하고 반사된 상기 감시광을 수신하여 상기 원전용 케이블(100, 200)을 감시하는 감시장치(310)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 나아가, 광케이블(70)과 감시장치(310)를 선택적으로 연결시키는 커플러(320)와 원전용 케이블(100)이 다수의 장비와 연결되도록 분기시키는 분배기(330)를 더 구비할 수 있다. 도 5에서 도면번호 '305'는 원전용 케이블(100, 200)을 통해 제어신호를 발생시키는 제어부장치에 해당한다.
구체적으로, 광케이블 감시장치(310)는 광케이블(70)에 감시광을 입사하고 반사된 감시광을 수신하는 OTDR(optical time domain reflectometery)(312) 및 상기 반사된 감시광의 파형을 해석하는 해석장치(314)를 구비할 수 있다.
OTDR(312)은 소정의 파장을 가지는 감시광을 생성하며, 이러한 감시광을 광케이블에 입사시켜 광케이블 길이 방향을 따라 각 지점에서 반사 및/또는 산란되어 되돌아오는 광량을 다시 수신하게 된다. 이에 의해, 해석장치(314)가 반사된 감시광의 거리 분포를 해석해 광케이블의 국부적인 열 상승 영역을 파악하고, 나아가 국부적인 열 상승이 발생한 광케이블의 지점까지의 거리를 측정할 수 있게 된다.
구체적으로 OTDR(312)은 커플러(320)를 통하여 광케이블에 접속된다. OTDR(312)은 예를 들어, 주기적으로 각 광케이블에 접속하거나, 또는 손상이 의심되는 경우에 각 광케이블에 접속할 수 있다. 한편, 하나의 광케이블을 따라 입사된 감시광이 산란 또는 반사되어 수신되는 경우, 분기된 각 광케이블의 길이에 따른 피크가 OTDR에서 거리를 달리하여 도시된다. 따라서, 작업자는 OTDR에서 각 광케이블에 따른 피크의 거리를 확인하여 어느 광케이블의 피크인지를 파악할 수 있게 된다.
한편, 각 장비의 입력단에는 감시광을 반사시키는 반사수단, 예를 들어 반사필터부(340)를 구비할 수 있다. 반사필터부(340)는 광케이블과 각 원전 장비를 연결시키는 광커넥터 어셈블리(미도시)에 구비될 수 있다. 이와 같이, 반사필터부(340)를 구비하게 되면, 광케이블의 종단, 즉 각 원전장비의 입력단에서 반사되는 피크 신호가 더욱 커지게 되어 OTDR을 통한 피크 검출이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
도 6은 감시광의 파형을 도출한 그래프이다. 상기 그래프에서 가로축은 거리(km)를 도시하며, 세로축은 광의 세기(또는 광의 강도)(dB)를 도시한다.
도 6을 참조하면, 감시광의 세기는 광선로의 길이가 길어짐에 따라 손실이 발생하여 도면과 같이 소정의 기울기로 줄어들게 된다. 나아가, 감시광이 원전용 장비의 입력단에 구비된 반사필터 등에 의해 반사되면 소정의 피크(P)를 나타내게 된다.
감시장치(310)는 소정 기준값 이상의 피크가 발생하는 경우에 상기 피크를 노이즈가 아니라 각 원전 장비의 입력단에 구비된 반사필터 등에 의해 반사된 피크(이하, '반사피크'라 함)로 인식하게 된다. 결국, 감시장치(310)는 광케이블에서 발생한 반사피크를 해석하여 원전용 케이블의 국부적인 열상승 여부를 판단할 수 있으며, 나아가 감시광이 광케이블로 입사되어 반사필터에 의해 반사되어 다시 수신되는 시간을 통하여 거리를 측정할 수 있게 된다. 즉, 감시장치(310)는 반사피크(P)가 발생하는 지점까지의 거리를 미리 저장된 광케이블의 길이와 비교하여 어느 광케이블인지를 파악하여 국부적인 열 상승이 발생한 원전용에 케이블에 포함된 광케이블이 어느 선로인지 파악할 수 있게 된다.
도 7은 정상적인 상태의 원전용 케이블에 포함된 광케이블의 감시광의 파형과 원전용 케이블에 국부적인 열이 발생한 경우의 광케이블의 감시광의 파형을 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 원전용 케이블(100, 200)에 어떠한 국부적인 열상승이 없는 정상적인 상태인 경우, OTDR(312)의 감시광의 파형은 반사피크(P1)를 포함하게 된다. 한편, 상기 정상상태의 반사피크(P1)는 원전용 케이블을 최초 설치하고 측정한 감시광의 파형의 피크와 그 크기 및 위치가 일치하게 된다.
즉, 감시시스템(300)의 해석장치(314)는 광케이블(70, 72, 74)을 구비한 원전용 케이블(100, 200)을 최초 설치하는 경우, 설치 직후에 바로 OTDR(312)을 통해 감시광의 파형을 기록하여 이를 표준 파형으로 저장한다. 원전용 케이블(100, 200)을 설치한 직후라면 어떠한 손상도 발생하지 않은 정상 상태이므로 해석장치(314)는 이러한 정상상태의 감시광의 파형을 표준파형으로 저장하고, 이후 측정되는 측정파형을 상기 표준파형과 비교하여 이상 여부를 판단하게 된다.
한편, 원전용 케이블(100, 200)의 소정 부위에 국부적인 열이 발생하게 되면, 상기 원전용 케이블(100, 200)에 포함된 광케이블(70)의 반사피크(P2)는 정상상태의 반사피크(P1)와 그 크기 및 위치 중에 적어도 하나가 달라지게 된다. 따라서, 해석장치(314)는 OTDR(312)을 통해 측정된 감시광의 측정파형을 상기 표준파형과 비교하는 경우에 그 반사피크의 크기 및 위치 중에 적어도 하나가 변화한 경우에 상기 광케이블이 속하는 원전용 케이블(100, 200)에 국부적인 열이 발생하였음을 알 수 있다. 따라서, 작업자는 상기 국부적인 열 상승이 발생한 원전용 케이블(100)을 미리 수리 및 교체하여 손상을 방지할 수 있다.
한편, 원전용 케이블은 전술한 바와 같이 원자력 발전소 등에서 사용되며, 이 경우 방사능에 의한 피폭을 줄이는 것이 매우 중요하다. 전술한 바와 같이 원전용 케이블(100, 200)의 외피(30)는 내방사선 재질로 제작되며, 본 실시예에 따라 원전용 케이블(100, 200)의 내부에 구비되는 광케이블(70, 72, 74)도 방사선 방지부를 구비하게 된다. 본 발명자는 광케이블(70)에 방사능 방지부를 구비한 경우에 방사능 차폐 및 열노화에 의한 노화방지의 효과를 살펴보기 위한 실험을 수행하였다.
도 8 및 도 9는 전술한 2 코어 제어용 케이블에 있어서, 방사능 방지부를 구비한 광케이블과 방사능 방지부를 구비하지 않은 광케이블의 차폐효과 및 노화방지 효과를 비교한 그래프이다. 하기에서 '실시예1'은 2 코어 제어용 케이블에 있어서, 광케이블의 방사능 방지부로 금속박막층을 구비한 경우이며, '실시예2'는 2 코어 제어용 케이블에 있어서 광케이블의 방사능 방지부로 금속박막층과 고분자층을 모두 구비한 경우이며, '비교예1'은 2 코어 제어용 케이블에 있어서 방사능 방지부를 구비하지 않은 광케이블을 포함한 경우이다.
도 8은 '실시예1'과, '실시예2'와 '비교예1'의 피폭량(Mrad)에 따른 신장장율을 도시한다. 도 8의 그래프에서 가로축은 피폭량을 도시하며, 세로축은 신장잔율을 도시한다. 일반적으로 신장잔율은 케이블의 수명과 연관이 있으며, 대략 신장잔율이 50% 이하로 떨어지게 되면 케이블을 교환하게 된다.
도 8에 도시된 바와 같이, '비교예1'의 경우에 피폭량이 늘어남에 따라 신장잔율이 급격하게 감소하며, 피폭량이 대략 120 Mrad에 이르게 되면 신장잔율이 50% 이하로 떨어지게 되어 광케이블을 교환해야 한다. 반면에, '실시예1'과, '실시예2'의 광케이블의 경우에는 피폭량이 300 Mrad를 넘어가도 신장잔율이 50%로 이하로 떨어지지 않아 케이블을 교환할 필요가 없음을 알 수 있다. 특히, 방사능 방지부로 금속박막과 고분자층을 모두 구비한 '실시예2'의 경우에 피폭량이 늘어나도 신장잔율이 감소하는 비율이 매우 작아서 방사능 방지효과가 현저히 높음을 알 수 있다.
한편, 도 9는 '실시예1'과, '실시예2'와 '비교예1'의 열노화정도를 비교한 그래프이다. 도 9의 그래프에서 가로축은 광케이블의 사용기간을 도시하며, 세로축은 신장잔율을 도시한다. 일반적으로 사용기간이 길수록 열노화가 진행되는 것으로 볼 수 있으며, 이에 따라 신장잔율이 줄어들게 된다. 즉, 도 9의 그래프에서 가로축을 따라 사용기간이 증가함에 따라 케이블에 열노화가 진행되어 신장잔율이 줄어들게 된다.
도 9를 참조하면, '비교예1'의 경우에 사용기간이 늘어남에 따라 신장잔율이 급격하게 감소하며, 사용기간이 대략 30년을 넘어가게 되면 신장잔율이 50% 이하로 떨어지게 되어 광케이블을 교환해야 한다. 반면에, '실시예2'의 경우에 90년 이상을 사용하여도 신장잔율이 50% 이하로 떨어지지 않아 사용할 수 있는 수명이 매우 길어졌음을 알 수 있다. 한편, '실시예1'의 광케이블의 경우에는 사용기간이 대략 60년을 넘어가게 되면 신장잔율이 50%로 이하로 떨어짐을 알 수 있다. '실시예1'의 광케이블을 '실시예2'의 경우와 비교하면 상대적으로 사용기간이 짧음을 알 수 있지만, '비교예1'과 비교하면 수명이 2배 이상 늘어났음을 알 수 있다.
한편, 참고적으로 상기 도 9에 따른 실험에서 실제 사용기간을 '년' 단위로 측정하는 것은 곤란하므로 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 가열하여 광케이블의 열노화를 진행하고, 이를 실제 사용기간으로 환산하는 방식으로 진행되었다.
한편, 도 10 및 도 11은 전술한 7 코어 제어용 케이블에 있어서, 방사능 방지부를 구비한 광케이블과 방사능 방지부를 구비하지 않은 광케이블의 차폐효과 및 노화방지 효과를 비교한 그래프이다. 하기에서 '실시예3'은 7 코어 제어용 케이블에 있어서, 광케이블의 방사능 방지부로 금속박막층과 고분자층을 모두 구비한 경우이며, '비교예2'는 7 코어 제어용 케이블에 있어서 방사능 방지부를 구비하지 않은 광케이블을 포함한 경우이다.
도 10은 '실시예3'과 '비교예2'의 피폭량(Mrad)에 따른 신장장율을 도시한다.
도 10에 도시된 바와 같이, '비교예2'의 경우에 피폭량이 늘어남에 따라 신장잔율이 급격하게 감소하며, 피폭량이 대략 120 Mrad에 이르게 되면 신장잔율이 50% 이하로 떨어지게 되어 광케이블을 교환해야 한다. 반면에, '실시예3'의 광케이블의 경우에는 피폭량이 300 Mrad를 넘어가도 신장잔율이 50%로 이하로 떨어지지 않아 케이블을 교환할 필요가 없음을 알 수 있어 방사능 방지효과가 현저히 높음을 알 수 있다.
한편, 도 11은 '실시예3'과 '비교예2'의 열노화정도를 비교한 그래프이다.
도 11을 참조하면, '비교예2'의 경우에 사용기간이 늘어남에 따라 신장잔율이 급격하게 감소하며, 사용기간이 대략 25년을 넘어가게 되면 신장잔율이 50% 이하로 떨어지게 되어 광케이블을 교환해야 한다. 반면에, '실시예3'의 경우에 90년 이상을 사용하는 경우에 신장잔율이 50%로 이하로 떨어짐을 알 수 있다. '실시예3'의 경우에 '비교예1'과 비교하면 수명이 3배 이상 늘어났음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
10...도체 20...절연체
30...외피 50...금속박막층
60...고분차층 70, 72, 74....광케이블
300...감시시스템 310...감시장치
312...OTDR 314....해석장치

Claims (20)

  1. 원전용 케이블로서,
    도체;
    상기 도체를 감싸는 적어도 하나의 절연체;
    상기 절연체를 감싸는 외피; 및
    상기 절연체 또는 외피의 상태를 실시간으로 감시하는 감시수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감시수단은 적어도 하나 이상의 광케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광케이블은 광섬유, 상기 광섬유를 감싸는 방사능 방지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방사능 방지부는 금속박막 및 고분자 섬유 중에 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속박막은 알루미늄 또는 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 섬유는 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광케이블은 상기 원전용 케이블 내에 대칭적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 광케이블은 상기 도체에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 감시수단은 적어도 하나의 광케이블과, 상기 광케이블에 감시광을 입사하고 반사된 상기 감시광을 수신하여 상기 원전용 케이블을 감시하는 감시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블.
  10. 원전용 케이블 감시시스템에 있어서,
    적어도 하나 이상의 광케이블을 포함하는 원전용 케이블; 및
    상기 광케이블에 감시광을 입사하고 반사된 상기 감시광을 수신하여 상기 원전용 케이블을 감시하는 감시장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광케이블 감시장치는
    상기 광케이블에 감시광을 입사하고 반사된 감시광을 수신하는 OTDR; 및
    상기 반사된 감시광의 파형을 해석하는 해석장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 광케이블은 광섬유, 상기 광섬유를 감싸는 방사능 방지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방사능 방지부는 금속박막 및 고분자 섬유 중에 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속박막은 알루미늄 또는 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 고분자 섬유는 아로마틱 그룹을 포함한 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 광케이블은 상기 원전용 케이블 내에 대칭적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 원전용 케이블은 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연체를 구비하고, 상기 광케이블은 상기 도체에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 해석장치는 상기 원전용 케이블을 최초 설치하는 경우에 상기 OTDR을 통한 감시광의 파형을 표준파형으로 저장하고, 측정파형을 상기 표준파형과 비교하여 상기 원전용 케이블의 손상여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 해석장치는 상기 표준파형의 반사피크와 상기 측정파형의 반사피크를 비교하여 상기 원전용 케이블의 손상여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 해석장치는 상기 측정파형의 반사피크의 크기 및 위치 중에 적어도 하나가 상기 표준파형의 반사피크와 상이한 경우에 상기 원전용 케이블에 손상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 원전용 케이블 감시시스템.

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