기술정보회의 발표자료 조영식 - kins.re.kr · 제14회원자력안전기술정보회의 2009.4.6~4.7 주발전기경년열화관리평가 조영식 [email protected] 전기제어실

제14회 원자력안전기술정보회의

2009.4.6~4.7

주발전기 경년열화 관리평가주발전기 경년열화 관리평가

조 영 식[email protected]@kins.re.kr

전기제어실

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목 차

I. 배경 및 필요성

II. 국내 원전의 운영현황

III. 해외 원전의 운영사례

IV. 경년열화 관리 방안v 국내·외 관련 기준

v 주발전기의 성능 및 운전요건

v 발전소 별 점검항목 및 주기

v 정기검사시 주요 점검항목

V. 결론

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l 배경• 2005년 5월 원자력발전소 2차 계통설비에 대한 심·검사업무가 전기안전공사에서 원자력안전기술원으로 이관

• 원자력법 시행규칙 제19조(정기검사)와 교과부 고시 제2008-22호(원자로시설의 정기검사 대상 및 방법에 관한규정)에 따라 주발전기 계통이 규제의 대상이 됨

l 필요성• 원전 전력설비의 장기간 운전에 따른 열화진행으로 체계적인 대책수립 필요

• 전력설비의 근간을 이루는 주발전기에 대한 경년열화 관리를 통한 신뢰성 및 안전성의 확보 필요

• 15년 이상 장기운전 발전기의 경우 열화진행 추이를 보임

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l 전력설비 열화의 주요원인• 전기적 스트레스– 부분방전에 의한 오존, 산화질소 생성으로 절연층 부식

– 절연층내 공간(Void) 확대로 방전량 증가

– 서지전압 유입으로 절연물 열화 촉진

• 열적 스트레스– 과부하 등의 열에 의한 절연물 표면 산화

– 열분해에 의한 화학작용으로 절단, 결합 및 분해물 생성

• 기계적, 환경적 스트레스– 전자력, 진동 등에 의한 기계응력으로 절연충간 분리, 지지력 약화

– 분진, 수분, 도전성 이물질에 의한 절연물 오손


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l 전력설비 고장 형태• Bath-Tube Curve– 초기고장기 : 설계나 제조상의 결함 또는 불량부품으로 인해 비교적

초기스트레스를 견디지 못하게 되어 발생하는 기간

– 우발고장기 : 시간의 경과와 더불어 시스템 또는 제품의 사용조건의 우발적인 변화에 기인하여 발생하는 안정된 수준의고장을 나타내는 기간

– 마모고장기 : 일정시간이 경과된 후 마모 또는 노화 등에 기인하여시스템 또는 설비의 고장률이 증가하는 기간

고장률

운전시간

초기 고장기 우발 고장기 마모 고장기


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l 설치 및 교체이력 (2009.3월말 기준)

6호기

5호기

4호기

3호기

2호기

1호기

6호기

5호기

4호기

3호기

2호기

1호기

4호기

3호기

2호기

1호기

4호기

3호기

2호기

1호기

상업운전일제작사용량(MVA)

-’05. 4. 22두산중공업1,219.6

-’04. 7. 29두산중공업1,219.6

9년 운전중’99. 12. 31두산중공업1,219.6

10년 운전중’98. 8. 11두산중공업1,219.6

2011년 교체예정’89. 9. 30Alstom1,100

2012년 교쳬예정’88. 9. 10Alstom1,100

울진

-’02. 12. 24두산중공업1,219.6

-’02. 5. 21두산중공업1,219.6

13년 운전중’96. 1. 1두산중공업1,213

14년 운전중’95. 3. 31두산중공업1,213

2007.5 교체완료’87. 6. 10두산중공업1,284

2007.10 교체완료’86. 8. 25두산중공업1,284

영광

9년 운전중’99. 10. 1두산중공업828

10년 운전중’98. 7. 1두산중공업828

11년 운전중’97. 7. 1두산중공업828

2013년 교체예정’83. 4. 22Parsons800

월성

2009.1 교체완료’86. 4. 29Hitachi1,222

2009년 교체예정’85. 9. 30Hitachi1,222

2008.7 교체완료’83. 7. 25Hitachi735

2005.4 교체완료’78. 4. 29Hitachi749

고리

비 고발 전 기

호 기


O 교체완료 : 5기

O 교체예정 : 4기

O 10년 이상운전 : 5기

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l 최근 10년간 고장 통계 (출처 : kins OPIS)

31420192118232122926

33.3%35.7%55.0%52.6%61.9%55.6%69.6%71.4%72.7%77.8%53.8%

299988766212

합계

15111013101615167142차

66.7%64.3%45.0%47.4%38.1%44.4%30.4%28.6%27.3%22.2%46.2%1차

20092008200720062005200420032002200120001999계통


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l 2차 계통 원인사건 중 주발전기 관련 사건 (출처 : kins OPIS)

l 주발전기 고장원인 별 구분• 보호계전기의 동작에 의한 주발전기 정지 : 8건– 접지보호계전기 동작 : 3– 저전압계전기 동작 : 1– 거리계전기 동작 : 2– 기타 보호신호 동작 : 2

• 수소가스 누설에 의한 주발전기 정지 : 4건– 수소누설로 수동정지 : 3건– 수소누설로 인한 자동정지 : 1건

2차계통 1511101310161516714

0%20%9.1%10%7.7%10%18.8%6.7%6.3%0%14%비율

01111131102주발전기

20092008200720062005200420032002200120001999구 분


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l 전력설비의 고장발생 경향• 2005년 이전– 정비불량 및 인적 실수– 주발전기 등의 주 전력설비 고장다발» 발전기 권선누설 등

• 2005년 이후– 잠재고장의 발생» 설계 및 시공미흡 등

– 보호계전기 고장 급증» 송전계통의 불안정 등 원인

– 중간정비 빈도의 증가» 발전기 수소누설 등

– 자연재해로 인한 고장 발생» 낙뢰 및 서지유입, 태풍 등


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l Reported Main Generator Problems

출처 : EPRI TR-1013458

Nov. 2006

180개발전소에 대한고장통계

III. 해외 원전의 운영 사례

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Winding Insulationl Is subject to variety of stresses mechanical, thermal and electrical actions• Fretting wear can occur from relative movement of conductor

• High voltages and harmonic content can overstress the insulation and lead

• Overheating of the field causes accelerated of the insulation

l Obviously, insulation failure causes field grounds and shorts in the winding

l Up to five percent of field turns may be shorted before the noticeable problem; vibration or increased field current

l An air flux monitoring system can be quite useful in determining the presence of shorted turns


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l Characteristics of two pole and four pole generator field shorts


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l Problem Diagnosis• IEEE Std. 67-1990


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l 회전자 고장사례


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IV. 경년열화 관리 방안

국내 관련기준l 교과부 고시 제2008-12호• 기타 원자로시설의 안전에 관계되는 시설에 관한 규정

l 교과부 고시 제2008-21호• 원자로시설의 사용전 검사에 관한 규정

l 교과부 고시 제2008-22호• 원자로시설의 정기검사 대상 및 방법에 관한 규정

l KINS/GE-N001• 가압경수로형 안전심사지침 제8장 전력계통

l KINS/GI-N001• 발전용 원자로 및 관계시설 정기검사지침서 제9장 전력계통

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해외 관련기준l ANSI/IEEE Std. C37.101-1993

• IEEE Guide for Generator Ground Protection

l ANSI/IEEE Std. C37.102-1995• IEEE Guide for AC Generator Protection

l IEEE Std. C50.13-2005• Cylindrical-Rotor 50/60Hz Synchronous Generators Rated 10MVA and Above

l ANSI C50.10-1990• General Requirements for Synchronous Machines

l IEEE Std. 67-1990• Operation and Maintenance of Turbine Generators

l IEEE Std. 115-1995• Test Procedures for Synchronous Machines

l IEEE Std. C57.13-1993• IEEE Standards of Instrument Transformers

l ANSI/NEMA MG1-2004• Motors and Generators

l KEPIC MTG-2005• 터빈/발전기


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주발전기의 기능l 주기능 : 상업용 전기적 출력(kW)을 얻는 기능

l 부기능 : 계통의 전압제어에 필요한 무효전력(kvar)의제어기능, 부하로의 무효전력 공급 또는 흡수


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주 발전기의 수명l 발전기의 수명은 TEAM의 함수• T : Thermal / Cycling, Peaking• E : Electrical / Voltage Endurance• A : Ambient / Foreign Object Damage• M : Mechanical / Short Circuit

l 발전기는 하나의 System임• 여자기, 냉각기• 콜렉터 단말장치• 접속링 단자• 리액턴스, 시정수(보호계전기 설정)• 안정도


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l 주발전기의 성능 및 운전요건• 터빈이 정격속도로 운전시 정격 전기출력을 생산

• 최대정격출력 도달 시까지 연속운전 및 과도상태운전 가능

• IEEE C37.101 및 C37.102의 기준에 적합한 중성선 접지장치 설치

• IEEE C50.13의 기준에 따른 무효전력곡선 범위 내에서정격전압±5%, 정격주파수±2%에서 열적으로 연속운전가능

• 회전자는 정격의 20% 과속도에서 손상 없이 운전가능

• 제작사가 규정한 최소설계 수소압력으로 역률 0.9(pf)에서 부하 감발또는 연속운전 가능

• 고정자냉각수 유량 상실시에도 어느 정도의 부하감발 상태로 운전가능

• 고정자 및 회전자 권선은 IEEE C50.13의 기준에 따른 단시간 고정자및 계자권선 전류로 운전가능


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l 주발전기의 계측 및 제어요건• 주발전기 감시 계측기를 설치하여 다음 표1의 변수들을 감시• 비정상 운전조건들을 감지하여 제어실에 경보를 제공• 고정자 및 터미널 외함의 낮은 지점에서 습기 및 액체를 검출하는계측기 설치

• 다음의 변수들을 실시간 연속감시 및 추적하는 계측기 설치– 권선온도– 냉각수 온도(수소냉각기와 고정자 입·출구, 각 냉각기, 각 고정자모선,

여자기 정류기)– 수소가스온도– 고정자 철심감시(Core monitoring)– 라디오주파수(RF)감시– 자속탐지 감시기– 고정자코일 엔드권선에 대한 60/120Hz 진동탐지 계측

• 베어링에서 유출되는 오일 배유량을 확인하는 계측기 설치


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l 표 1. 주발전기 계측 및 트립요건

----복수 고정자권선 온도

발전기 액체 탐지기동기화 상실

집전기환냉각공기 입출구온도고정자 전압

철심 끝단, or 자속 차폐온도고정자 전류

축전압 감시역상 전류

저널베어링 금속온도고정자 냉각수 상실

저널베어링 진동--전력 역류

고전압 부싱온도(수냉식)여자기 상실

계자온도(무브러쉬형 해당없음)회전자 권선의 지락

고정자권선 냉각유로 출구온도고정자 권선의 고장

트립경보감시변수트립경보감시변수


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l 표 2. 주발전기의 시험요건• IEEE Std. C50.13


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l 발전소 별 점검항목 및 주기 (2008년 10월 기준)

--62.4Ω±2%--0.0912Ω-≤80mΩ±10%

-회전자

≥1.25≥2≥1.25≥1.25≥2≥1.25--≥2회전자

≥80 ≥150 ≥80 ≥100 ≥500 ≥80 ≥750 ≥100 ≥230 배수

5년5년3~5년3~5년3~5년4년4년3주기3~5년완전

분해

고정자

고정자

충수

부분

분해

0.000825Ω

≥2.5

≥25

≥0.5

매주기

#3,4 #3∼6#1,2#5,6#1,2#2,3,4#1#3,4#1,2

0.000825Ω0.00107Ω0.000825Ω≤avg±2%0.001643Ω-≤avg

±3%

≤avg

±5%권선저항

≥2.5-≥2.5≥2≥2.5≥2.2≥1.5≥2성극

지수

≥25 ≥30 ≥25 ≥50 ≥25 ≥1 ≥1 ≥10 회전자

절연저항

≥0.5~1 ≥0.3 --≥0.5 ---고정자

절연저항

매주기매주기매주기매주기매주기매주기매주기매주기점검

주기

울진영광월성고리구분


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l 주요 시험방법 및 기준• 권선저항– 제작 후 권선의 저항값이 설계 요구값에 근접하여 제작되었는지

확인하고, 저항손실 계산에 이용

• 절연저항– 목적

» 절연체의 흡습이나 이물질에 의한 오손상태 확인

» 운전개시전이나 운전 중에 필요한 절연저항 확인

– 기준» 절연저항 권고값(기기에 따라 기준값의 10∼100배 정도 차이가능)

» 온도보정 식 :

여기서,

)(1 W+= MkVRmttc RKR ´=

mRkV

cR

tRtK

: 최소 절연저항 값, at 40

: 정격 기기단자 전압

: 40로 보정된 절연저항 값

: 온도 t에서의 절연저항 온도계수

: 온도 t에서 측정된 절연저항 값

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• PI : 성극지수, Polarization Index

– 10분 후와 1분 후의 절연저항 측정값의 비

– 누설전류가 매우 크지 않다면 PI≥1, 대부분 PI≥2.0

– 절연저항이 ≥5,000 이면 PI값 중요치 않음

– IEEE Std.43 : PI 시험결과의 분석 및 지침의 제시


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l 정기검사 시 주발전기의 주요 검사항목 (표준형원전의 예)

62.4mΩ±2% at 25

825.1uΩ±2% at 25

회전자

≥1.25성극지수

≥2.5성극지수

≥25

≥80

절연저항회전자

절연저항

계통병입 상태 만족계통병입

보호계전기의 개체 및 연동시험결과 만족발전기 보호장치 시험

절연저항 : ≥150MΩ, 접촉저항 : ≤10uΩ상분리모선(IPB) 점검

온도상승시험 및 모의부하시험 결과가 관련 요건

만족

여자장치 및 자동전압조정기 성능시험

차단기의 투입 및 차단시간이 제한치 이내발전기 차단기 동작시험

주발전기 내부의 물리적인 손상이 없어야 함발전기 내부 육안점검(정밀점검 시)

고정자고정자 및 회전자의 권선저항 측정

고정자고정자 및 회전자 권선의 절연저항/성극지수

판정기준검사 항목


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V. 결론

l 설비진단 및 수명평가의 체계화• 발전기 정밀진단 및 수명평가 프로그램 도입 이행

l 설비 감시수단의 보완• 온라인 감시설비 시스템의 구축

l 기기별 표준 정비기법의 수립시행• 정비경험 및 제작사 권고사항의 적극 반영

l 중요설비의 중·장기적인 교체계획 수립시행• 노후화된 설비의 적기 교체

l 보호회로의 다중화 구성• 오 신호에 의한 불시정지 예방

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감사합니다!!

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