원자력발전소 저전압 케이블의 노화에 대한 적격, 상태 모니터링 및 관리 ②

QUALIFICATION, CONDITION MONITORING, AND MANAGEMENT OF AGEING OF LOW VOLTAGE CABLES IN NUCLEAR POWER PLANT

강 기 식 국제원자력기구 원자력발전부

Ki Sig KANGDivision of Nuclear Power

International Atomic Energy Agency

[Following the July]

4. CHEMICAL TECHNIQUES

• Oxidation Induction Time / Oxidation Induction Temperature

Oxidation Induction Time(OIT ) and Oxidation Induction

Temperature(OITP) are laboratory techniques that measure the loss of anti-

oxidants in a polymer as it degrades. OIT is a measurement of the time at

which oxidation of a specimen material occurs when exposed to a constant

temperature and OITP increases the temperature at a specified rate with

abundant oxygen supplied to the sample and measures the temperature at

which the oxidation initiates. The onset of oxidation is usually considered to

occur when the specimen has been depleted of antioxidants.

•Density

Measuring the density of cable polymer material can be performed

using multiple methods. One method is to measure the weight of a

specimen in both air and a liquid of lower density than the specimen

under test. The density of the specimen can be calculated from these

[7월호에 이어]

4. 화학적 기술

• 산화 유도 시간/산화 유도 온도

산화 유도 시간(OIT) 및 산화 유도 온도(OITP)는 폴리머가 분

해될 때 발생하는 폴리머 내 산화 방지제의 손실을 측정하는 실

험적 기술이다. OIT는 일정 온도에 노출될 때 검사체 재료의 산

화가 발생하는 시간을 측정한 것이며, OITP는 검사체에 풍부한

산소가 공급될 때 특정 비율로 온도를 상승시키며 산화가 시작

되는 온도를 측정한 것이다. 일반적으로 산화의 시작은 시편에서

산화 방지제가 고갈되었을 때 발생하는 것으로 고려된다.

•밀도

폴리머 케이블 재료의 밀도 측정은 여러 방법으로 수행될 수

있다. 한가지 방법은 공기중에서 검사하는 검사체보다 낮은 밀도

의 액체에서 검사체의 중량을 측정하는 것이다. 검사체의 밀도는

이러한 중량 측정으로 계산될 수 있다. 밀도 측정의 또 다른 방

22 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

Special And+

weight measurements. Another method of determining density is

placing the specimen into a calibrated liquid column and deriving

density from a known calibration curve once equilibrium has been

reached. Density measurements are considered a useful condition

monitoring technique because results are known to correlate with EAB.

•Fourier Transform Infrared(FTIR) Spectroscopy

A technique used in materials analysis for over 70 years, FTIR

spectroscopy is based on infrared radiation passed through a sample,

such as a cutting from cable insulation. In the test, a sample both

absorbs and transmits parts of the spectrum. This spectral signature is

used to quantify physical changes to the insulation during the aging

process, such as molecular quality, consistency, and the amount of

components present in a sample.

•Thermogravimetric Analysis(TGA)

TGA is a common test that measures changes in weight relative

to changes in temperature. This test is particularly useful for cable

insulation aging because the physical shrinkage is based on cable

insulation embrittlement from loss of volatile organic compounds and

법은 눈금을 맞춘 액체 기둥에 검사체를 배치하고, 일단 평형에

도달하면 검량선으로부터 밀도를 도출하는 것이다. 이 결과는

EAB와 관련이 있다고 알려져 있기 때문에, 밀도 측정은 유용한

상태 모니터링 기술이다.

• 푸리에 변환 적외선 스펙트럼 분석

FTIR 스펙트럼 분석은 70년 이상 재료 분석에서 사용된 기술

로서, 케이블 절연체를 절단하는 것과 같이 샘플을 관통하는 적

외선에 기반을 두고 있다. 검사 시 샘플은 스펙트럼의 일부를 흡

수하거나 전달한다. 이 스펙트럼 특성은 분자 성질, 일관성, 샘플

에 존재하는 부품의 양처럼 노화 과정 중 절연체의 물리적인 변

화를 정량화하는데 사용된다.

•열중량 분석(TGA)

TGA는 온도 변화에 따른 중량 변화를 측정하는 일반적 검사

방법이다. 물리적 수축은 휘발성 유기 화합물의 손실과 산화로

부터 오는 케이블 절연의 취성11)을 기반으로 하기 때문에 이 테

스트는 케이블 절연 노화에 특히 유용하다. 열중량 분석기는 케

11) 취성(brittleness, 脆性) : 물체에 가해진 응력이 그 물체의 탄성 한도를 초과하면 소성 변형함이 없이 파괴되는 것을 의미하며, 연성의 대응어이다.

(화학용어사전, 일진사)

2014 August + 23

Global Today

oxidation. A thermogravimetric analyzer can map the degradation

temperatures for a sample of cable insulation.

•Ultrasonic Velocity

Ultrasonic velocity test involves transmitting a series of pulses along

the surface of a cable to measure the transit time of the signal versus

the separation of two attached test probes. The time between the

transmitter and receiver probes is a function of the elastic modulus and

polymer density of the cable material. Changes in ultrasonic velocity

may be an indicator for aging degradation of the cable. The probes are

coupled to the jacket using machine oil or grease.

5. CABLE ACCEPTANCE CRITERIA

There are no generic acceptance criteria. Acceptance criteria have to

be determined based on specific material formulations, environmental

conditions, design parameters and design basis event considerations as

applicable.

Many test s can be used to provide an indication of the condition

of a cable. This may just be a go/no go test or a gross measure to tell if

the cable is good, it should be monitored or is bad. Multiple tests may

be used to look at localized damage verses general damage along the

cable. Additional tests may be performed that are sensitive to certain

stressors(such as submergence in water for a MV cable verses thermal

or radiation aging). As an example of this, dissipation factor criteria is

provided in IEEE 400 which is geared to water induced issues in medium

voltage cables. Note this criterion is general and may not be suitable for

nuclear plant use based on consequences of a fault/failure in a nuclear

plant verses a distribution cable. EPRI provides additional guidance for

the use of dissipation factor for cables used in US nuclear plants.

There may also be some general guidelines on acceptance criteria

for maintenance purposes. In this case, trending may be the most

important and looking at differences of results of conductors in the

same cable, for multiple similar conductors or cables, or change in

이블 절연체의 샘플에 대해서 성능 저하 온도를 지도로 그릴 수

있다.

•초음파 속도

초음파 속도 검사에는 케이블의 표면을 따라 일련의 펄스를

전송하는 것이 포함되는데, 두 개의 부착된 검사 탐촉자를 분리

하는 것과 비교한 신호의 경과 시간을 측정하기 위해 사용한다.

송신기 및 수신기 탐촉자 사이의 시간은 케이블 재료의 탄성 계

수와 폴리머 밀도의 함수이고, 초음파 속도의 변화는 케이블의

노화 성능 저하에 대한 지표가 될 수 있다. 탐촉자는 기계 오일

이나 그리스를 이용하여 재킷에 결합된다.

5. 케이블 승인 기준

일반적인 승인 기준은 없으나 특정 재료의 제재, 환경적 조건,

설계 변수 등을 적용 가능한 것으로서 설계 기반 이벤트를 고려

해야 한다.

많은 검사는 케이블의 상태를 알려주는 지표로 사용된다. 이

것은 단지 검사를 계속하느냐 마느냐에 대해 알려주는 것뿐만

아니라 케이블이 양호한지, 감시가 필요한지, 불량한지를 알려

주는 전체적 측정이 될 수 있다. 그 중 케이블에 생기는 국부적

손상과 전체적 손상을 비교해 살펴보는 것에 다중검정이 사용

될 수 있다. 아울러 추가적 검사들이 수행될 수 있는데, 이는

MV 케이블이 물속으로 침수하는 것이나 열, 방사선으로 인한

노화와 같이 어떤 특정 스트레스 요인을 감지한다. 이에 대한

일례로서, 중전압 케이블에서 물로 기인된 문제를 해결할 수 있

는 손실률 기준은 IEEE 400에 규정되어 있다. 이 기준은 다소

일반적이기에, 원자력발전소와 배전 케이블간의 오류/고장의 결

과를 기반으로 한 원자력발전소의 적용에는 적합하지 않을 수

있다. EPRI는 미국 원자력발전소에서 사용되는 케이블의 유전

계수(dissipation factor)에 대한 추가적인 안내를 제공한다.

케이블의 유지보수를 목적으로 한 승인 기준의 일반 지침도

있을 수 있다. 이 때 추세가 가장 중요할 수 있는데, 다수의 유사

한 도체나 케이블에 대해서 동일 케이블 내 도체 결과의 차이나

검사 시행중 변수의 변화를 살피는 것이다. 이는 제조사 및 산업

24 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

Special And+

parameters throughout the test. Plant specific or general criteria may

be developed. This may take into account manufacturer and industry

criteria. The level of conservatism may be factored in based on the

function of the cable and the consequences of it failing.

Another use of the acceptance criteria is in conditioned based

qualification. This is where qualification is based on one or more

condition indictors. A condition indictor is a measureable physical

property that changes monotonically with time and must have

acceptance criteria that are correlated to the cables ability to function

as specified during an applicable design basis event. The qualified

condition is the value of the indictor prior to the start of the DBA for

which the cable was demonstrated to meet the design requirement for

the specified service conditions. It should be noted that the qualified

condition does not include accident radiation, only the normal radiation

and thermal aging. Margin must be considered.

It is desired to have generic cable acceptance criteria. This is not

possible for cables that have to pass a DBA. For other cases this may

be possible, but the specific materials and functions will need to be

reviewed. As an example, for insulation where the electrical properties

do not change significantly with ageing and the ageing is predominated

by reducing the elongation of the cable, then a minimum elongation

may be set to account for normal operation. 50% absolute elongation

has been used for this case with some materials. This is a mechanical

limit to correlate with the insulation not cracking when bending that

provides some margin to account for vibration or movement(that may

be from a motor or other equipment, seismic concerns, some level of

mechanical shock, etc). Some cautions to the use of this would be:

• degradation of materials that soften the polymer(such as hydrolysis or

de-polymerization) should not use this.

• this should not be used when another material is the limiting factor,

such as bonded jackets where crack propagation is the issue.

• where the jacket can be the limit such as insulating jackets on coaxial

cables or shielded cables(possible for EMC issues or ground loops, etc).

• where the jacket is used in splicing or terminating as a seal

• where the insulation is not flame retardant enough and the jacket is

needed to maintain flame performance.

기준을 고려한 것일 수 있다. 보수성의 수준은 케이블의 기능 및

케이블의 손상된 정도에 따라 달라질 수 있다.

다른 승인 기준의 용도는 조건화를 기반으로 한 자격에 있는

데, 이는 자격이 하나 이상의 조건 지표들에 기초해 있음을 말한

다. 조건 지표는 시간에 따라서 단조롭게 변하는 측정 가능한 물

리적 특성이며, 적용 가능한 설계 기초 이벤트 기간 동안에 규정

된 대로 작동하기 위해서는 케이블 기능에 관련된 승인 기준을

반드시 충족시켜야 한다. 적격 판정된 조건은 케이블이 지정된

서비스 조건에 대한 설계 요건을 충족시키기 위해 입증된 DBA

의 시작 전 표시기의 값이다. 적격 판정된 조건은 사고 방사선을

포함하지 않으며, 정상적인 방사선 및 열적 노화뿐임을 유의해야

하고 여분을 고려해야 한다.

이에 따라 통상적인 케이블 승인 기준을 갖는 것이 요구된다.

그러나 DBA를 통과해야 하는 케이블에 대해서는 불가능한데, 이

것이 가능하려면 특정 재료 및 기능의 검토가 필요하다. 예를 들

어 노화에 의해 전기적 특성이 많이 변하지 않으며, 케이블의 신

장을 줄임으로써 노화가 두드러지는 절연체에는 최소 신장이 정

상작동을 고려하여 설정된다. 일부 재료들을 사용하는 이 경우에

는 50% 절대 신장이 사용되었다. 또한 이는 구부릴 때 균열이

일어나지 않는 절연체와 관련 있으며, 모터나 다른 설비, 지진에

대한 우려, 일정 수준의 기계적 충격 등으로 올 수 있는 진동이

나 운동을 설명하기 위한 기계적인 제한이다. 사용을 위해서는

다음과 같은 몇 가지 주의 사항이 있다.

• 가수 분해 또는 탈-중합과 같이 폴리머를 연화시키는 물질의

기능이 저하될 때

• 균열이 확산되는 문제가 있는 접합 재킷과 같이 다른 재료가

문제점일 때

• EMC 문제나 접지 루프 등에 대해서 가능한 동축 케이블, 차페된

케이블 상의 절연 재킷과 같이 재킷이 제한 사항이 될 수 있을 때

• 재킷이 밀폐재로서 전선이음되거나 또는 종단하여 사용될 때

• 절연체가 화염 억제제로 충분하지 않으며, 재킷이 차염 기능을

유지하는 것이 필요할 때

2014 August + 25

Global Today

• where the jacket is used to prevent tracking(or other barrier function)

such as with Kapton.

• where the jacketed is barrier to moisture for the insulation(if the

singles are not wet rated as an example).

• where the jacket cracking or falling off can cause sump issues and the

jacket is the limiting case(and may require higher values).

• where the jacket is a beta shield and higher elongation may be

required for this case.

• where the insulation is very soft, with low tear strength and other

mechanical considerations may be required.

6. INTERNATIONAL RESEARCH and develiopment

(ADVANCE: Ageing Diagnostics and Prognos-

tics of low-voltage I&C cables)

The overall objective of the project is to adapt, optimize and assess

electrical condition monitoring techniques for nuclear cables that would

allow utilities to assess in-situ the current cable degradation condition

and, together with the establishment of appropriate acceptance criteria,

to verify its qualified state over its entire length and to estimate its residual

lifetime. ADVANCE is a 3 years collaborative project launched in the

framework of the Euratom program. It ended in December 2013 and

involved 11 European partners(NPP operators, universities, laboratories,

cable manufacturer). It consisted of studying a representative selection of

cables already installed in European Npps with accelerated ageing tests in

order to evaluate the ability of electrical condition monitoring techniques

to detect local and global cable ageing. Tests are supported by a study

of the impact of cable polymers ageing on the electrical properties. It

provides help to interpret the results of the electrical measurements, to

extend the validity of the results to other similar cables.

▒ �CADAK: OECD/NEA Cable Ageing Data and Knowledge Project

This is a continuation of SCAP Project(Stress Corrosion Cracking and

Cable Aging). The SCAP database contains the following information:

cable technical data, the environment, technical standards being

applied in the qualification of cables and inspection methods being

• 재킷이 캡톤(Kapton)과 같이 추적, 다른 장벽 기능을 방지하는

데 사용될 때

• 각 단위가 젖지 않았고 재킷이 절연체의 습기에 대한 보호

막일 때

• 재킷 균열 또는 질 저하가 섬프(sump)문제를 일으키며, 재킷

이 극단적인 경우일 때(더 높은 값을 요구할 때)

• 재킷이 베타 차폐이며 이 경우에 더 높은 신장이 요구될 때

• 절연체가 매우 부드럽고, 전단 강도가 낮으며 다른 기계적인

고려사항이 요구될 때

6. 국제적인 연구 및 개발

(ADVANCE: 저전압 I&C 케이블의 노화 진단 및

예후)

본 프로젝트의 전반적인 목적은 시설물들이 현재의 케이블 기

능 저하 상태를 평가하고, 적절한 승인 기준의 확립과 함께 전체

길이에 대해 적격 판정 상태를 확인하며, 나머지 수명을 추정하

도록 원자력 케이블에 대한 할 수 있는 전기적 상태 모니터링 기

술을 적용·최적화하여 평가하는 것이다. ADVANCE는 유럽 원

자력 공동체 프로그램의 프레임워크로 착수된 3년 협업 프로젝

트이다. 이는 2013년 12월에 종료되었으며 11개 유럽 파트너(NP

운영자, 대학, 실험실, 케이블 제조사)가 관련되어 있다. AD-

VANCE는 지역 및 전세계 케이블 노화를 검출하기 위한 전기적

상태 모니터링 기술의 역량을 평가하기 위해서, 고속 노화 검사

로 유럽 Npps에 이미 설치된 케이블의 대표 표본에 대한 연구로

이루어진다. 검사는 전기적 특성에서 케이블 폴리머 노화의 영향

에 대한 연구에 의해 지원된다. 또한 ADVANCE는 결과의 유효

성을 다른 유사 케이블로 확장하기 위해, 전기적 측량치의 결과

를 해석하는데 도움을 제공한다.

▒�KADAK�:�OECD/NEA�케이블�노화�데이터�및�지식�프로젝트

KADAK는 SCAP 프로젝트(스트레스 부식, 균열, 케이블 노화)

의 연속이다. SCAP 데이터베이스는 다음의 정보를 포함한다.

즉, 케이블의 기술적 데이터, 환경, 케이블 적격 판정에 적용되는

기술적 표준, 사용되는 검사 방법, 적용되는 상태 모니터링 기술

26 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

Special And+

used, condition monitoring techniques applied. The database will

be an up-to-date encyclopedic source to monitor and predict the

performance of numerous unique applications of cables. A total of

13 countries(Argentina, Belgium, Canada, Czech Republic, France,

Germany, Japan, Norway, Slovenia, Sweden, Ukraine, and United States)

are participating to continue to update the database. The focus is to

evaluate condition monitoring techniques to monitor and predict the

performance of every unique application of cables.

▒ �IAEA Coordinated Research Programme on Qualification,

Condition Monitoring and Management of Ageing of

Low Voltage Cables in Nuclear Power Plants

The IAEA has started the coordinated research programme(CRP) on

qualification, condition monitoring of ageing of low voltage cables in

nuclear power plants in 2012 with 15 organizations from 13 countries.

The programme of benchmarking tests using was formed as part of the

CRP. The benchmarking cable materials to be tested in the programme

represent a range of materials that are either in use in current nuclear

power plants or are likely to be used in new nuclear power plants, from

manufacturers world-wide. The cable materials that will be included in

the programme are shown in Table 1.

The test programme has covered some of the cable condition

monitoring methods that are currently in use or are being investigated

for future use in nuclear power plants. The benchmarking exercise has

the following main aims.

에 대한 정보이다. 데이터베이스는 케이블의 여러 고유의 응용에

대한 성능을 감시 및 예측하기 위한 최신의 백과사전식 소스가

될 수 있다. 총 13개국(아르헨티나, 벨기에, 캐나다, 체코 공화

국, 프랑스, 독일, 일본, 노르웨이, 슬로베니아, 스웨덴, 우크라이

나, 미국)이 지속적으로 데이터베이스를 갱신하는데 참여하고

있다. 케이블의 모든 고유 응용에 대한 성능을 모니터링하고, 예

측하기 위한 상태 모니터링 기술을 평가하는 것에 초점이 맞추

어져 있다.

▒ �원자력발전소의�저전압�케이블�노화�적격판정,�상태�모니터링,�

관리의�IAEA�조정�연구�프로그램

IAEA는 2012년에 13개국의 15개 기관으로 원자력발전소에서

저 전압 케이블의 노화에 대한 적격 판정, 상태 모니터링의 조정

된 연구 프로그램(CRP)를 시작하였다. 벤치마킹 실험 사용의 프

로그램은 CRP의 일부로서 형성되었다. 프로그램에서 검사될 벤

치마킹 케이블 재료는 전세계 제조사로부터 현재의 원자력발전

소에서 사용되거나, 새로운 원자력발전소에서 사용될 수 있는 재

료의 범위를 나타낸다. 프로그램에 포함된 케이블 재료는 [표 1]

에 도시되어 있다.

검사 프로그램은 원자력발전소에서 현재 사용되거나 추후에

사용하기 위해 조사되고 있는 케이블 상태 모니터링 방법 일부

를 다루고 있다. 벤치마킹 연습은 다음의 주요 목적을 갖는다.

[표 1] 프로그래밍 된 재료

절연체/재킷 제조사

XLPE/CSPE Rockbestos, 미합중국

EPR/EVA Eupen, 벨기에

PEEK/XLPO Habia, 스웨덴

SiR/SiR Hew, 독일

XLPO/XLPO * Shanghai Special Cable, 중국

EPR/EPR * Changzhou Bayi Cable Co., 중국

* 케이블의 절연 물질은 유전체 특성의 내부 층과 화염 지연의 외부

층으로 이루어진 이중층이다.

[Table 1] Materials in the programme

Insulation/jacket Manufacturer

XLPE/CSPE Rockbestos, USA

EPR/EVA Eupen, Belgium

PEEK/XLPO Habia, Sweden

SiR/SiR Hew, Germany

XLPO/XLPO * Shanghai Special Cable, China

EPR/EPR * Changzhou Bayi Cable Co., China

* The insulation materials of these cables are dual layers with inner layer for

dielectric properties and outer layer for flame retardency.

2014 August + 27

Global Today

• To test techniques that might be able to locate ‘hot-spots’(both thermal

and radiation) along a cable, where there is localised degradation. These

techniques are primarily electrical methods of test.

• To test techniques that have the potential to track ageing degradation

under thermal, radiation and combined radiation/thermal conditions.

These techniques are primarily mechanical or chemical methods of test.

• To identify the critical test parameters for each of the techniques so

that suitable test standards can be developed in the future.

I have had over 25 years of experience in various aspects of

engineering and operation for nuclear power plant life cycle

management, such as process system engineering, probabilistic safety

analysis instrumentation and control system engineering and project

development management, including my experiences in the IAEA.

Before joining to the IAEA, my positions was as project manager of

implementation and team programmes for engineering and operation

for more than ten years in KEPCO E&C, Republic of Korea, included

project management as a project development manager.

Since working the Agency in August 2000, my role as scientific secretary

of the Technical Working Group on Nuclear Power Plant Control and

Instrumentation(TWG- NPPCI) and Life management of Nuclear Power

Plants(LM-NPP), development of technical documents and implementation

of expert missions for technical cooperation activities in the area of nuclear

power plant life cycle management. Now I am working as technical head

on plant life management for long term operation.

• 국부적으로 성능이 저하된, 케이블을 따라서 ‘열적 및 방사선

핫스팟’을 찾는 것이 가능할 수 있는 기술을 검사하는 전기적

검사 방법을 목적으로 한다.

• 열, 방사선, 방사선/열에 노출된 상태에서 노화 성능 저하를 추

적 가능하게 하는 기술을 테스트하는 기계·화학적 검사 방법

을 목적으로 한다.

• 각각의 기술에 대한 임계 검사 변수를 식별하는 것으로서, 미

래에는 적당한 검사 표준이 개발될 수 있다.

본인은 IAEA에서의 경력을 포함하여, 공정 시스템 엔지니어

링, 확률론적 안전 해석 장치, 제어 시스템 엔지니어링, 프로젝트

개발 관리와 같은, 원자력발전소 수명 사이클 관리에 관한 엔지

니어링 및 운영과 관련된 여러 분야에서 25년 이상의 경력을 가

지고 있다. IAEA 이전에는 업무상 직책은 한국전력기술에서 10

년 이상 엔지니어링 및 운영을 위한 프로그램의 프로젝트 매니

저였으며, 프로젝트 개발 매니저로서 프로젝트 관리 업무를 수행

했다.

2000년 8월에 IAEA 기관원으로 일한 이래로, 본인의 업무 역

할은 원자력발전소 제어 및 장치의 기술적 작업 그룹(TWG-

NPPCI)의 사이언티픽 세크리터리로서, 원자력발전소 수명 사이

클 관리 분야에서 기술적 협력 활동을 위한 기술 문서를 개발하

는 전문가 임무를 수행했다. 현재는 장기 운행을 위한 발전소 수

명 관리 직책에서 기술 책임자로 일하고 있다.

REFERENCES

1. Draft Regulatory Guide, DS-1240, Condition Monitoring Program for Electric Cables used in Nuclear Power Plants, US Nuclear Regulatory

Commission(2010), Washington, USA

2. IEC 62465 Ed 1, Nuclear Power Plants- Instrumentation and Control Important to Safety - Management of ageing of electric cabling systems,(2009),

Zurich, Switzerland.

3. IAEA CRP Draft report, Coordinated Research Programme on Qualification, Condition Monitoring and Management of Ageing of Low Voltage Cables

in Nuclear Power Plants,(2012), Vienna, Austria.

28 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

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