C-1E 인버터/충전기의 교류오일 커패시터 검증수명 평가

2019.6

홍 영 희 – 한국수력원자력(주) 중앙연구원 일반규격품검증그룹 ☎ 042-870-5770, younghee.hong@khnp.co.kr

목 차

1. 개요

2. 유입식 교류 커패시터

3. 검증수명 평가

1. 개요

1.1 C-1E 기기 내환경검증(EQ)

RG 1.89 Environmental Qualification of Certain Electric Equipment

Important to Safety for Nuclear Power Plants

• Rev.0 1974, IEEE Std.323-1974 Endorse

• Rev.1 1984, IEEE Std.323-1983 Endorse(신고리 3,4호기)

1.2 C-1E 인버터 & 충전기의 검증(Qualification)

RG 1.210 Qualification of Safety-Related Battery Charger and

Inverters for Nuclear Power Plants

• Rev.0 1974, IEEE Std.650-2006 Endorse

KINS 경수로형 원전 규제기준 및 규제지침 제3장 설계공통

• 3.11 안전등급 축전지용 충전기 및 인버터에 대한 검증

IEEE Std. 650-2006 또는 KEPIC-END-3600(신고리 5,6호기)

선행호기

• IEEE Std. 650-1979

• IEEE Std. 650-1990

1. 개요

1.3 C-1E 기기의 부품 검증수명 평가 근거

IEEE Std.323-1983(안전등급 전기기기 내환경검증)

4. 서론

(4) 온화한 환경(Mild Environment)에 위치하고, 주요 노화

메커니즘을 가지지 않는 기기는 검증수명 불필요

6. 검증절차

6.2.1 노화 고려사항

(3) 기기는 잠재적 노화 메커니즘을 식별하기 위하여 명시된

적용에 대하여 설계, 기능, 자재 및 환경의 관점에서 검토.

만일 노화 메커니즘이 정상 및 비정상 사용 환경 내에서

기기 설치수명기간 동안에 그 기기가 설계기준사고(DBE)

조건하에 점진적이고, 현저하게 안전기능 수행을 실패

하도록 하는 기능 저하를 야기시키면 주요 노화메커니즘을

보유.

1. 개요

1.3 C-1E 기기의 부품 검증수명 평가 근거

IEEE Std.650-1990(안전등급 축전지용 충전기 및 인버터 검증)

5.1.2.2.2

문서상으로 노화가 주요 고장 메커니즘이 아니라는 점을 입증하지

않는 한 다음 부품들이 주요 노화 메커니즘을 갖는다고 가정.

(1) 계전기, 팬 (Fans), 접촉기 (Contactors) 및

차단기와 같은 전기-기계적 부품

(2) 절연 전선

(3) 강력 자성 부품 (Power Magnetic Components)

(4) 습식 전해 커패시터 (Wet Electrolytic Capacitors)

(5) 서지 억제기 [셀렌(Selenium)]

(6) 유입식 교류 커패시터 (AC Oil-filled Capacitors)

(7) 상기 5.1.2.2.1 (2) (나)항에 열거된 비노화, 전기 기계적 부품이

아닌 유기 재료 (Organic Materials)

(8) 상기에서 언급되지 않은 기타 부품 또는 재료

1. 개요

1.4 C-1E 기기의 부품 검증수명 평가 근거

IEEE Std.650-1990(안전등급 축전지용 충전기 및 인버터 검증)

5.2.2.2.6 교류 유입식 커패시터(AC Oil-Filled Capacitors)

• 정현파 전압 (Sinusoidal Voltage) 적용을 위한 교류 유입식

커패시터의 가속 노화는 EIA-401-73과 EIA-454-78의 수명

데이터 곡선에 따라 수행.

• 비정현파 전압 또는 60 Hz 이외의 주파수에서 사용되는

커패시터 [예 : 정류 커패시터 (commutating capacitors)] 는

등가적인 60 Hz 정현파 전압을 기준으로 노화.

EIA : Electronic industries Alliance, 미국전자산업협회 EIA-401-73 Paper, Paper/Film, Film Dielectric Capacitors for Power

Semiconductor Applications

EIA-454-78 Fixed Paper and Film-Paper Dielectric Capacitors with

Non-PCB Impregnates for Alternating Current Applications

2. 유입식 오일 커패시터

2.1 구성 및 형상

Aluminum Can

Oil

Conductor

Can Insulation

Safety Device

Metalized Film Dielectric

Vapor Deposited Electro

Film Dielectric

상기 그림은 Only 참조용으로 작성함

2. 유입식 교류 커패시터

2.1 안전기능(Safety Function)

C-1E 인버터

125VAC

125VDC

CB

InverterFuse

DC electrolytic Capacitor AC Oil-filled Capacitor

DC

AC

CB

CB

Input

Filter

Ouput

FilterTR

Contactor

Static bypass

SW

MBS

125VAC

AC

DC480VAC 125VDC

CB CBRectifierFuseTransformer

DC Choke

DC electrolytic Capacitor

Blocking

Diode

AC Oil-filled Capacitor

C-1E 충전기

2. 유입식 교류 커패시터

2.2 고장 메커니즘(Failure Mechanism)

고장 메커니즘 VS 고장 모드(Failure Mode)

• (고장 메커니즘)고장에 기여하는 물리적, 화학적,전기적, 열적 등 스트레스

• (고장 모드)고장이 발생하는 메커니즘의 결과로 고장 형태

개방(Open), 단락(Short), 파손(Fracture) 등

오일 커패시터의 주요 고장 메커니즘

• 과전압(Over Voltage)

정격전압을 초과하는 과전압 운전 시 단락 발생으로 Safety Device가

동작하여 개방(Open) 상태

• 정격 온도 초과 운전(Over Temperature Operation)

정격 운전온도를 초과 운전 시 절연 열화 등으로 절연저항, 정전용량,

유전정접 등 전기적 성능에 영향을 미침

3. 검증수명 평가

3.1 IEEE Std.650에서 제시한 EIA 기술기준(1/2)

EIA-401-73

• 적용

SCR 정류회로, 스너버, 하모닉 필터, EMI/RFI 감쇠 회로 등에

적용하는 오일함침 종이, 종이 및 필름 커패시터

• 고온 수명시험

85℃에서 500시간, Peak Voltage는 110% 초과 안됨

3. 검증수명 평가

3.1 IEEE Std.650에서 제시한 EIA 기술기준(2/2)

EIA-454-78

• 역률개선, 낙뢰방전, 철공진 변압기 등 적용 커패시터

3.2 국내 사용중인 커패시터 적용 현황

북미 제작사

• EIA-456-A, Metalized Film Dielectric Capacitors for Alternating

Current Application

유럽 및 아시아, 국내 제작사

• IEC 61071, Capacitors for Power Electronics

• KSC 4804, 고압 및 특별고압 진상콘덴서

3. 검증수명 평가

3.3 검증수명 평가 프로세스(1/2)

IEEE Std. 101 The Statistical Analysis of Thermal Life Test Data

IEEE Std. 98 The Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of

Solid Electrical Insulating Materials

IEEE Std. 1205 Assessing, Monitoring, and Mitigating Aging Effects on Class 1E

Equipment Used in Nuclear Power Generating Stations

제조사의

가속수명시험 또는

고장률 자료

가속수명시험 테이터 해석 IEEE Std. 323-1983

IEEE Std. 101-1987

IEEE Std. 1205-1993

가속수명 시험 IEEE Std. 98-1987

IEEE Std. 101-1987

IEEE Std. 1205-1993

시작

Yes

NO

가속노화 시험

(수명보증시험) IEEE Std. 323-1983

IEEE Std. 650-1990

가속수명시험 데이터 해석 IEEE Std. 323-1983

IEEE Std. 101-1987

IEEE Std. 1205-1993

열 수명 분석

(Thermal Life Analysis)

검증수명 평가

(Qualified Life Evaluation)

방법1

방법2

3. 검증수명 평가

3.4 검증수명 평가 프로세스(2/2)

열수명 분석(활성화 에너지 산출)

• 고장률 또는 가속수명시험 데이터 확보 경우

IEEE Std.101의 회귀분석으로 활성화 에너지 산출

• 고장률 또는 가속수명 시험 데이터를 확보할 수 없는 경우

EIA 기술기준 적용 커패시터 : 8℃ 수명법칙

IEC, KS 기술기준 적용 커패시터 : 10℃ 수명법칙

IEEE Std.101의 회귀분석으로 활성화 에너지 산출

검증수명 평가

• (시험 방법) 용량, 제작사/모델 등을 고려한 가속노화 시험

• (해석 방법) 대용량 커패시터, 고장률 또는 가속수명시험 데이터

해석

3. 검증수명 평가

3.5 교류 커패시터의 검증수명 시험방법 고려사항

커패시터 정전용량에 비례하여 충전전류 발생

• 대용량 교류전원 설비 요구로 인하여 시험 한계

시험 중 정전용량 변화에 따른 전압변동(진상, 지상) 발생

• 리액터 및 자동전압 조절장치

AC

ReactorInduction Voltage Regulator

AC Oil-filled Capacitor

IC=6.28fCE×10-6

[A]

Transformer

AC Power

Supplier

E[V], F[Hz]

Rated Voltage

& Frequency

Temperature

Chamber

3. 검증수명 평가

3.6 검증수명 평가 현황

총 7개 제작사의 13품목

• GE Energy: 4개, 660~1000VAC, 0.25~25uF

• Cornell Dubilier Electronics : 2개, 370~1000VAC, 10~13uF

• Electronicon : 2개, 420~600VAC, 25~200uF

• 뉴인텍㈜ : 2개, 370~535VAC, 50~100uF

• AEROVOX : 1개, 660VAC, 1uF

• CSI Capacitors : 1개, 250VAC, 200uF

• KEMET : 1개, 400VAC, 300uF

검증수명 평가 현황 : 약 60% 완료

• 운전온도 : 40℃

• 활성화에너지 : 평균 0.8

• 검증수명 : 9Y, 15Y 등. 끝.

TEXT THANK YOU

2019-08-19