2.1 4.16kV 1E급 보조 전력계통

4.16kV 1E급 모선은 4개의 독립된 다중 트레인으로 구성되어 있고, 정상 운전 시 소내 보조 및 대기 변압기에서 전원을 공급받는다. 소외전력 상실로 소내 보조 및 대기 변압기로부터의 전원이 상실되면 4개의 독립된 비상 디젤 발전기에서 각 4.16 kV 1E급 모선에 전원을 공급한다. 각각의 4.16kV 모선에는 모선 전압을 감시하는 부족전압 계전기가 설치되어 전압상실시 부족전압 신호를 전송하여 비상발전기를 기동시키고, 안전관련 부하를 순차 투입시킨다.

소외전원 상실, 냉각재 상실사고 및 주요 2차 계통 파손 사고시 모든 안전 관련 기기는 4.16 kV 1E급 고압반에서 전원을 공급받거나, 변압기를 통하여 480/120V 전원을 공급받는다. 소외전원과 비상디젤 발전기에서 전원을 공급할 수 없는 소내정전사고시에는 10 CFR 50.63과 Regulatory Guide 1.155에 따라 대체교류 발전기에서 안전급 A와 C 트레인 부하 또는 B와 D 트레인 부하에 전원을 공급한다. 안전급 부하는 아니지만 발전소 운전 정지 중에도 항상 운전되어야 하는 중앙 냉동기, 축전기 부하와 같은 상시 비 안전(Permanent Non-Safety) 부하는 발전소 정상운전 중 소내 보조 또는 대기 변압기에서 전원을 공급받고, 소외전원상실시 대체교류 발전기에서 전원을 공급받는다. 참조발전소대비하여 APR 1400에서 본 계통은 4 트레인으로 변경되었고, PNS 전원계통이 추가되었다.

2.2 480V 1E급 보조 전력계통

4개의 트레인으로 저압배전반은 4개의 트레인의 4.16kV 1E급 고압반에 연결된 4,160/480V 저압배전반 변압기를 통하여 전원을 공급받고, 회로차단기가 변압기 1차와 2차 양측에 제공된다. 다중 설계된 저압배전반은 해당 트레인의 안전급 대용량 전열기 부하, 대용량 전동기와 발전소 내 부하가 집중된 지역에 위치하는 480V 전동기 제어반에 전력을 공급한다.

2.3 1E급 비상 디젤 발전기

4.16kV 1E급 보조 전력계통의 각 트레인은 해당 비상 디젤 발전기로부터 비상 전원을 공급받는다. 비상 디젤 발전기의 용량은 각각의 1E급 안전 계열 모선으로부터 전력을 공급받는 공학적 안전기기와 비상정지 부하에 전원을 공급할 수 있어야 하며, 비상 디젤 발전기 연속 정격을 기준으로 10%의 여유 용량을 고려하여 발전소 수명 기간에 걸친 부하의 증가를 수용할 수 있도록 선정된다.

APR1400에 대한 사고분석을 통해 필요시 60초 내에 안전정지와 관련된 부하에 순차적으로 전원 투입이 완료되어야하기 때문에 순차적으로 부하 투입이 모두 완료되는 40초를 고려하여 비상디젤발전기는 기동 신호를 접수한 후 20초 내에 정격 전압과 주파수에 도달하도록 설계된다. 순차 부하투입 중 발전기 전압과 주파수 변동은 Regulatory Guide 1.9를 준수한다. 순차 투입하는 동안에 발전기 전압은 정격의 80%이하로 떨어지지 않는다.

각 비상 디젤발전기와 관련 보조 설비는 물리적으로 격리된 개별의 내진범주 I 구조물에 설치되며, 폭풍, 외부 비산물로부터 보호되고, 내진 설계된다. 비상 디젤 발전기실은 화재의 확산을 방지하기 위해 방화벽으로 설계된다.

각 비상 디젤 발전기실은 기기의 운전과 직원의 접근에 적당한 환경의 유지를 위한 독립된 환기 계통을 갖는다. 비상 디젤발전기의 제어와 감시계측 설비는 자립형 제어반이어야 하며, 이 제어반은 디젤발전기 운전시 진동 환경에 대해 설계되며, 내진 범주 I 요건으로 검증된다. 또한 비상 디젤발전기 엔진에 설치된 부품과 배관은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 344에 따라 내진 검증된 내진 범주 I 로 분류된다.

비상 디젤발전기는 ANSI(American National Standards Institute)/IEEE 387과 R.G(Regulatory Guide) 1.9 및 1.108에 따라 최소 신뢰도 계수 0.95를 가져야 한다. 또한 디젤발전기의 목적을 달성하기 위해 디젤발전기는 Maintenance Rule(10CFR 50.65)와 R.G. 1.160에 따라 보수 계획이 수립된다. 다음의 그림은 4개 트레인으로 구성된 소내전력계통의 개략 단선도를 보여준다.

그림. 1. 소내전력계통의 개략 단선도

Fig. 1. Single-line diagram of onsite power systems

3.1 125V 직류전력계통과 120V 고류 계측 및 제어전력 계통

4개 트레인으로 구성된 125V 직류전력계통과 120V 교류 계측 및 제어전력계통은 1E급 계측 및 제어 설비에 신뢰성 있는 연속적인 전력을 제공한다. 125V 직류전력계통과 120V 교류 계측 및 제어 전력계통은 해당 트레인의 안전급 계측 및 제어 A, B, C, 및 D 트레인에 전력을 공급한다.

4개 트레인의 125V 직류전력계통과 120V 교류 계측 및 제어전력계통은 R.G 1.75에 따라 분리되고, 단일 고장으로 인해 다중 트레인이 오동작 되거나 트레인간의 상호 작용이 일어나지 않는다. 각 트레인은 축전지, 충전기, 직류 배전반과 직류 분전반, 인버터, 그리고 교류 분전반을 포함한다. 또한 각 계측 모선은 분리된 축전지로부터 전력을 공급받아 양질의 전원을 제어 트레인에 공급한다.

125V 직류전력계통과 120V 교류 계측 및 제어전력 계통은 내진범주 I 계통이며, 보조건물 내에 위치하며, 각 트레인은 4분면에 분리 배치된다.

3.2 125V 직류필수전력충전기

각 트레인의 125V 직류전력계통은 각각의 125Vdc 충전기를 구비하고 있다. A, B, C, D 트레인의 충전기는 1E급 보조 전력 계통의 해당 트레인으로부터 전력을 공급받는다. 각 충전기 용량은 IEEE 946에 따라 선정되며, 또한 충전기는 설계 최소 충전상태에서만 충전상태까지 축전지를 충전할 수 있다. 각 충전기는 축전지를 부동 충전으로 유지하면서 직류 배전반 부하에 정상적으로 전력을 공급한다. 충전기는 충전기의 오동작이나 교류전력 공급이 안될 경우 축전지로부터 충전기로 방전되지 않도록 설계한다. 항상 운전 중에 있는 충전기의 유지 보수시 수동절체 스위치를 통하여 대기 충전기로 절체하여 관련 부하에 전원을 공급한다. 안전급 충전기 각 트레인에 1대의 대기 충전기가 구비되어 있다. 1E급 직류 부하는 최대 90V에서 140V의 운전전압 범위를 가지고 있다. 최소 축전지 방전 종지전압은 105Vdc이다.

3.3 125V 직류전원축전지

각 트레인은 독립된 125V 축전지를 구비하고 있고, 각 축전지는 IEEE 485에 따라 용량이 선정된다. 축전지 A 및 B는 2 시간동안 각 트레인의 부하에 전력을 공급하며 축전지 C 및 D는 16 시간동안 각 트레인의 부하에 전력을 공급한다. 각 축전지실의 환기 계통은 수소농도를 축전지실 전체 체적의 1% 미만으로 제한하도록 설계되고, 축전지실의 최소 온도가 65℉(18.3℃)를 유지하도록 공기조화가 제공된다.

3.4 125V 직류배전반과 분전반

125V 직류 배전반은 125V 축전지와 충전기로부터 전원을 공급받는다. 직류 배전반은 1개의 직류 분전반과 1개의 정지형 인버터에 전력을 공급한다.

3.5 120V 교류게특 및 제어전력 계통

120V 교류 계측 및 제어 전력계통은 인버터, 전압조정용 변압기, 수동 및 자동 절체스위치와 120V 교류 분전반으로 구성되며, 비접지 계통이다. 정상 운전 시 120V 교류 분전반은 인버터에서 전원을 공급받고, 인버터에서 전원을 공급받지 못할 경우 자동 또는 수동 절체스위치를 통하여 전압조정용 변압기에서 전원을 공급받는다. 자동으로 인버터에서 자동전압 조정용 변압기로 자동 절체 시 1/4 cycle의 정전을 허용한다.

인버터는 120Vac ±2%, 60±0.5Hz, 전원을 120V 교류 분전반을 통하여 부하에 전원을 공급한다. 부하에 공급전압 변동은 ±2% 이내로 설계한다.

120V 교류 전력은 각 안전등급 기기제어 계통에 전력을 공급하여 안전등급 기기제어 계통 운전의 신뢰성을 높인다.

4.1 안전급기기의 물리적 식별

모든 안전급 기기, 케이블 및 전선로는 각 트레인이 식별이 가능하도록 색상으로 구분되고 식별된다. 적용되는 1E급의 트레인의 색상은 다음과 같다.

○ 트레인 A : Red

○ 트레인 B : Green

○ 트레인 C : Yellow

○ 트레인 D : Blue

4.2 주요 전기기기 배치

주요한 다중 전기기기는 아래와 같이 보조건물의 4분면에 물리적으로 독립되어 배치되어 있고, EDG 또한 각 분면에 맞추어 독립적으로 배치가 되어있다. 참조 발전소에서는 안전급 트레인 A 및 C 축전지를 포함한 직류 및 필수 전원기기는 C 분면에 위치하고 안전급 트레인 B 및 D의 기기는 D 분면에 위치하였으나, APR 1400에서는 직류 및 필수 전원기기는 각 분면에 배치되었다.

그림. 2. 직류 및 필수 전원기기

Fig. 2. Direct and essential electrical power equipments

4.3 나나나

케이블은 트레이, 개방형 채널(open ventilated channels), 전선관 또는 전선로(wireway) 내에 설치된다. 1E급 케이블은 내진 설계된 전선로에 포설되며, 모든 전선로는 비가연성 구조를 갖는다.

케이블은 전압 등급 및 기능에 따라 이격된 전선로 계통 안에 포설된다. 실제적으로 트레이가 수직적으로 적층되는 경우 가장 높은 전압이 가장 위에 배치되고, 전압등급이 낮아지는 순서로 트레이가 하부에 위치하고, 최하위에는 제어 및 계장 트레이가 배치된다. 전압등급에 따른 케이블 구분은 다음과 같다.

○ 15 kV 전력 케이블

○ 5 kV 전력 케이블

○ 저압 전력 교류와 직류 케이블

○ 제어 케이블

○ 계장 케이블

최소 이격 요건은 격리 장치 내의 배선과 부품에 대해서 적용하지 않는다. 그러나 이격은 적용될 수 있는 곳 어디에서나 제시되어야 한다. 격리 기능을 수행하기 위한 기기의 성능은 검증시험에 의해서 증명되어야 한다. 검증은 비 1E급에서의 고장전류 크기와 시간을 고려해야만 한다. 격리 장치로 사용된 차단기는 같은 계열 내에서 발생된 단일 고장 신호에 의해서 자동으로 트립 될 것이다. 또한 케이블 현장 이음은 전선로 내에서 허용되지 않는다. 단일등급의 케이블로 지정된 전선로는 같은 등급의 케이블만을 설치하여야한다.

케이블 트레이와 전선관은 주위온도 상승으로 인한 케이블의 온도정격에 영향을 주지 않도록 고온 배관으로부터 일정한 거리를 유지하여야 한다. 전력용 케이블은 전력케이블에 의한 전자기적 간섭으로 인한 오동작을 방지하기 위하여 제어 및 계장 케이블과 이격시켜 포설하여야 한다. 다중 등급 케이블 트레이 계통의 경우 상단 트레이의 하단과 아래 위치한 트레이의 윗부분 사이의 수직거리는 최소한도 1~6 inches(45cm), 수평으로 인접한 트레이와의 수평거리는 6inch(15cm)를 이격된다. 배리어(Barrier) 사용시 이격 거리의 축소가 가능하다.

고온 증기에 노출되거나 침수 가능성이 있는 원자로건물에 위치한 안전 관련 장비에 대해 모든 전선관이 연결된 접속함과 단자함 연결 부분은 방수형으로 공급된다.

4.4 케이블 이격

다중의 1E급 케이블 사이와 1E급과 비 1E급 케이블 사이의 최소 이격은 R.G 1.75와 IEEE 384에 따른다. 물리적이고 전기적인 이격이 대체교류 전원과 소외 회로 사이에 유지될 것이다. 제어반 자재가 난연성이고 분석이 수행되지 않은 곳에서의 최소 이격거리는 6in(15cm)가 되어야 한다. 이격 거리가 유지되지 못할 경우, 배리어(Barrier)를 설치하여 이격거리를 줄일 수 있다.

비위험 지역의 경우, 비 1E급 과 기타 다중회로에서 연계회로와 1E급 회로를 이격하는데 사용되는 최소 이격거리는 전기 케이블의 내부사고 또는 사고로 제한되어지는 위험을 바탕으로 한다. 한 지역이 비 위험 지역인지를 결정하는 기준은 다음과 같다.

○ 스위치기어, 변압기. 회전기기와 같은 고에너지 기기 또는 비산물의 발생원, 배관 사고위험 또는 화재위험을 포함하지 않는 지역

○ 그 지역 내의 회로는 그 지역 내에 위치한 기기를 동작시키는 계측제어 기능과 그 기기의 전력공급 회로케이블 및 기기로 제한됨

○ 이 지역에 전력회로 케이블은 밀폐된 전선로에 설치

○ 운전과 유지보수 활동의 운영관리는 이 지역의 잠재적인 위험 발생을제어하고 제한

비위험 지역인 경우, 연계회로와 비 1E급 그리고 다른 다중의 회로사이의 최소 이격거리는 수평으로 트레이 간 1ft(30cm)가 되어야 하고 수직적으로 트레이 간 3ft(0.9m)가 되어야 한다. 수평 이격은 트레이의 사이드 레일에서 인접한 트레이의 사이드 레일까지 측정되고, 수직 이격은 상단 트레이의 하단부에서 하단 트레이의 사이드레일의 윗부분까지 측정된다.

제한적 위험지역인 경우, 전력회로가 이 지역의 장비에 공급되지 않고 고 에너지 장비가 비 위험지역에 한정된다는 것을 제외하면 비위험지역의 경우와 같은 개념이 적용된다. 제한적 위험지역인 경우, 관련회로와 비 1E급 그리고 다른 다중의 회로사이의 최소 이격거리는 수평으로 트레이 간 3ft(0.9m)가 되어야 하고 수직적으로 트레이간 5 ft(1.5 m)가 되어야 한다. 발전소 배치로 인하여 연계회로와 비 1E급 그리고 다른 다중의 회로사이의 최소 이격거리를 유지하기 어려울 경우 이들 회로는 밀폐된 전선로로 시공되어야 하거나, 회로사이에 배리어(Barrier)가 마련되어야 한다. 밀폐 된 전선로 사이의 최소 간격은 1in(2.5cm)가 되어야 한다.

배관 파단 위험, 비산물 위험, 화재위험이 있는 위험 지역인 경우, 비 1E급 또는 연계된 회로의 케이블 또는 전선로는 그 지역 내의 부하 또는 기기에 단말처리 되는 케이블을 제외하고 그 지역 내에서 설치되어야 한다. 그 지역에 들어가야만 하는 케이블의 경우, 비 1E급 케이블 트레이와 1E 급 또는 연계된 회로의 케이블 트레이 사이의 최소 이격거리는 수평으로 트레이 간 3 ft(0.9 m)가 되어야 하고, 수직으로 트레이 간 5 ft(1.5 m)가 되어야 한다.

4.5 부하 산정 및 관련 EDG 용량 산정

APR1400에서는 타 원전의 2 EDG(Emergency Diesel Generator)와는 달리 4 EDG를 적용하였다. 그러나, 포괄변수 및 냉각탑 적용, 기타 설계변경 등에 따라 EDG A, C가 EDG B, D에 비해 상대적 용량이 증대됨에 따라, 일부 부하를 C, D train으로 배치하고 용량 최적화를 통하여, 균형을 이루도록 설계하였다.

EDG 최저목표신뢰도 산정 SBO시 EDG C, D의 용도를 비상노심냉각계통 Only로 정의하고, 안전정지를 A, B train으로 제한하였으며, 안전계통의 안전정지 기능향상을 위하여 재배치된 부하의 원상회복, 4 EDG 적용효과를 최대로 발휘하기 위해 기능적 4 train을 적용함에 따른 일부 계통기기의 이중화 등에 따라 EDG A, B 용량이 증가되었다. 그러나 EDG A, C 및 EDG B, D를 타 원전과 동일한 계열기준으로 설계하여도 경쟁력확보를 위하여 부하 최적화 등을 통하여 설계 및 제작이 가능하도록 EDG 용량을 산정하였다.