1. 머리말

원자력발전소의 가연성 물질 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 케이블이다. 케이블은 원자력발전소의 각 방화구역에 포설되어 있어 화재하중을 이루는 주요 요소일 뿐 아니라 원자력발전소의 안전정지 관련 주요 기기, 설비, 계기의 제어 및 통신을 위한 신호를 전달하고 전력을 공급하는 역할을 수행한다. 따라서 이러한 케이블은 적절한 성능시험기준에 따라 내화 또는 난연성능이 입증되어야 한다.

원전에는 미국원자력규제위원회(NRC)의 Reg.Guide 1.189[1]에서 인용하고 있는 IEEE-383에 따라 수명기간 동안 난연성능이 검증된 케이블을 사용해야 하지만 실제 사례를 통해 확인한 결과 케이블에 따라 난연성능에 일관성이 없음을 확인한 바가 있다[2]. 이에 난연성능에 영향을 주는 환경조건들(온도, 습도)을 고려하여 원자력발전소에 적합한 난연성능 시험방법을 정립하는 연구가 필요하다.

본 연구에서는 원자력발전소의 안전정지 관련 구역에 사용하는 안전등급 케이블에 대해 환경조건에 따른 난연성능을 고찰하고자 하였다. 이를 위해 가장 많이 사용하고 있는 안전등급 케이블 1종에 대해 화염시험 시 초기 온도 및 습도 조건에 따른 시험을 실시하였다. 시험방법은 원전 케이블의 국제시험기준인 IEEE 383(1974)[3]을 적용하였다.

환경조건은 봄/가을, 여름, 겨울 등 각 계절 조건에 대해 수행하였으며 계절별 분류는 온도를 기준으로 설정하였다. 이를 통해 온도 및 습도에 따른 난연성능을 비교 분석하고 적절한 개선방안을 도출하고자 한다.

2. 환경조건에 따른 원전 케이블의 화염시험 및 결과분석 방법

가. 환경조건 정의

환경조건은 계절별 평균온도에 따라 설정하였으며 습도는 데이터 분석에 활용하기 위해 참조 데이터로 기록하였다. 각 계절별 온도 조건은 [표 1]과 같다.

나. 케이블 시험체 사양

본 연구에서 화염시험에 사용한 케이블은 원전에서 전력용이나 제어용으로 사용하는 안전등급(Class 1E) 케이블이며 케이블의 사양은 <표 2>의 내용과 같다.

다. 케이블 시험방법 및 성능요건

케이블의 난연성능시험 기준은 IEEE 383(1974)을 적용하였으며 세부 시험방법 및 성능요건은 다음과 같다.

(1) 시험방법

① 시험체를 시험챔버 내의 수직트레이에 시험체 직경의 1/2 간격으로 이격시켜 일렬로 설치 (케이블 길이 2,400 ㎜)

② 버너는 시험체 표면으로부터의 이격거리가 (76±8) ㎜, 수직트레이 바닥으로부터 높이는 (610±10) ㎜가 되도록 수평으로 설치

③ 버너를 점화하여 시험체에 20분간 화염을 가함

④ 버너의 화염을 제거한 후 시험체의 자기 소화성을 확인하고 자기 소화될 때까지 잔염시간을 측정

⑤ 버너의 접염 부분에서부터 탄화된 외피의 길이를 측정

(2) 성능 요건

① 시험체의 최상단부까지 화염이 전파되지 아니하여야 함

② 버너화염 제거 후 시험체는 자기 소화성을 가져야 함

라. 케이블 시험결과 분석방법

(1) 산점도

산점도(산포도, scatter diagram)는 두 변수 사이의 연관성 방향 및 크기를 그림으로 파악하기 위한 그림이다. X축과 Y축을 각각 독립변수(설명변수, independent variable)와 종속변수(반응변수, dependent variable)로 설정하고 데이터를 점으로 표시하여 두 변수 사이의 관계를 대략적으로 파악하고 분석의 방법을 결정하는데 도움을 받을 수 있다.

(2) 상관분석

상관분석(correlation analysis)이란 두 변수 사이의 선형관계의 강도와 방향에 대해 파악하는 방법이다. 본 연구에서는 상관분석을 통해 얻은 상관계수(r, correlation coefficient) 값을 통해 선형관계의 강도 및 방향을 파악하였으며, 상관분석 결과 얻은 p-값이 유의수준(0.05)보다 작은 경우 상관계수가 유의하다고 판단하였다. 상관계수 r은 –1.0부터 +1.0까지의 값을 가지며, r의 절대값이 클수록 두 변수 사이의 선형 관계가 강하고 0에 가까울수록 두 변수 사이의 선형관계가 없음을 의미한다.

(3) 회귀분석

회귀분석(regression analysis)이란 두 변수 사이의 관계를 설명하는 회귀함수(regression equation)를 구하여 두 변수 사이의 인과관계를 분석하는 방법이다. 회귀함수를 통해 독립변수에 따른 종속변수의 값을 예측할 수 있다. 여기서 독립변수란 모델에서 다른 변수에 영향을 주는 변수이고, 종속변수란 독립변수의 영향을 받아 변하는 변수이다.

회귀분석을 통해 회귀 방정식, 오차항의 표준편차 σ의 추정값(S), 결정계수(R-제곱) 값을 얻을 수 있다. 결정계수(coefficient of determination)는 총변동에서 회귀직선에 의하여 설명할 수 있는 부분을 의미한다. 결정계수가 1(100%)에 가까울수록 산점도에서 점들이 회귀 직선 주변에 밀집되어 있어서 선형회귀모형이 관측결과를 잘 설명하고, 0(0%)에 가까울수록 두 변수 사이의 관계를 선형모형으로 나타내는 것이 부적절함을 의미한다.

3. 환경조건에 따른 원전 케이블의 화염시험 결과 및 분석

환경조건에 따른 안전등급 케이블의 화염시험은 IEEE 383(1974)에 따라 수행하였는데 봄/가을, 여름, 겨울 조건에 대하여 각각 해당 시기에 맞춰 1년간 시험을 수행하였다. 각 시험의 환경조건별 시험결과는 다음과 같다.

가. 환경조건에 따른 안전등급 케이블의 화염시험 결과

(1) 계절별 환경조건

안전등급 케이블의 환경조건에 따른 화염시험은 노 내부의 온도가 [표 1]의 계절별 온도 조건을 만족할 때 실시하였으며 시험 직전 온도와 습도를 기록하였다. 봄/가을 조건 시험에서 노 내부 온도는 17.5~19.2℃이었고 상대습도는 60~64%이었으며, 여름조건은 노내부 온도가 모두 32.5℃, 상대습도가 64~68%, 겨울조건은 로내부 온도가 7.0~9.0℃, 상대습도는 32~50%의 분포를 가졌다. [표 3]에 각 시험에서의 환경조건을 정리하여 나타내었다.

(2) 시험사진

IEEE 383(1974)의 시험절차에 따라 계절별로 각 3회씩 반복 시험하여 케이블의 탄화 길이를 측정하였다. 시험 후 케이블의 탄화 형상은 [그림 1]과 같다.

(3) 탄화길이

안전등급 케이블의 계절별 화염시험 결과 각 케이블의 탄화길이는 [표 4]와 같이 나타났다.

나. 환경조건에 따른 안전등급 케이블의 난연성능 분석

안전등급 케이블의 계절에 따른 환경조건이 케이블의 난연성능에 미치는 영향을 고찰하고자 각 조건에서 실시한 화염시험 결과를 바탕으로 온도 및 상대습도와 케이블 탄화길이에 대해 상관분석 및 회귀분석을 수행하였다. 각 시험에서 케이블 4가닥의 탄화길이의 평균값을 취하여 분석을 수행하였으며 각 시험결과 평균탄화길이는 [표 5]와 같다.

(1) 온도 영향 분석

먼저 노 내부 온도와 평균탄화길이 사이에 대한 상관관계 분석 결과, [표 6]과 같이 p-값이 0.201로 0.05보다 커서 유의미한 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 두 변수 사이의 회귀분석 결과 회귀 방정식 및 값은 [표 7]과 같이 나타났으며, 두 변수 사이의 산점도는 [그림 2]와 같다. 값이 22.1%로 회귀방정식의 설명력이 낮아 안전등급 케이블은 노 내부 온도에 따른 탄화길이의 경향은 일정하지 않은 것으로 판단된다. 그러나 봄/가을 및 여름 조건에 비해 겨울 조건에서의 탄화길이가 상대적으로 짧게 나타나 기온이 낮은 경우 탄화길이에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

(2) 습도 영향 분석

안전등급 케이블의 노 내부 상대습도와 평균탄화길이 사이에 대한 상관관계 분석 결과, [표 8]과 같이 p-값이 0.201로 0.05보다 커서 유의미한 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 두 변수에 대한 회귀 방정식 및 값은 [표 9]와 같고, [그림 3]은 두 변수 사이의 산점도를 나타낸다. 회귀분석 결과 값이 32.1%로 나타나 회귀방정식의 설명력은 낮다. 따라서 안전등급 케이블의 상대습도와 탄화길이 사이의 유의미한 관계는 발견되지 않았다.

4. 맺음말

가. 동일한 케이블에 대해서 계절조건에 따른 초기온도에 따라 케이블의 탄화길이는 다르게 나타났다. 즉 초기온도가 10℃ 이하인 겨울조건에서 17.5℃ 이상인 비겨울 조건(봄/가을 또는 여름)에 비해 탄화길이가 짧게 나타났다.

나. 상관분석 및 회귀분석 결과 노 내부의 초기 상대습도와 탄화길이 사이의 유의미한 관계는 발견되지 않았다.

다. 겨울과 비겨울 온도조건에서의 화염시험 결과에 차이가 있으므로 시험시작 시 초기온도는 적어도 15℃ 이상에서 시험할 필요가 있는 것으로 사료된다.

참고문헌