JP2015126540A

JP2015126540A - 原子力発電所用非常電源システムおよび非常用独立電源

Info

Publication number: JP2015126540A
Application number: JP2013267035A
Authority: JP
Inventors: 香織小松; Kaori Komatsu; 傑堀川; Takashi Horikawa; 一央亀井; Kazuchika Kamei
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2015-07-06
Also published as: WO2015098004A1; EP3089319A4; EP3089319A1

Abstract

【課題】常用電源系統の異常時に、原子力発電所の安全上重要な機器に給電する。
【解決手段】実施形態によれば、原子力発電所用非常電源システムは、レベル１の状態のときに電力を供給する第１レベル非常用電源と、レベル２の状態のときに電力を供給する第２レベル非常用電源１０とを有する。第２レベル非常用電源１０は、常用電源および第１レベル非常用電源の少なくとも一方と電気的に直接接続された第１の回転電機１６ａと、第１の回転電機１６ａと電気的には接続されておらず機械的には接続されている第２の回転電機１６ｂと、第２の回転電機１６ｂと遮断器１７ａを介して電気的に接続し非常時負荷に給電する第２レベル非常用母線１４と、レベル２の状態のときに起動して第２レベル非常用母線１４に非常時電力を供給するバックアップ発電機１５とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、原子力発電所の電源システムおよび非常用独立電源に関する。

原子力発電所で起こった事象では、外部電力系統の事故時に、非常用発電機が所内電源系統に接続できない事象が発生した例がある。電源の保護は、遮断器および保護リレーにより行われている。保護リレーの設定を誤ると事故の波及を防止できない場合がある。

図６は、従来の原子力発電所の電源システムの構成例を示す概念的なブロック図である。図６に示すように、原子力発電所の電源システムは、常用電源システムと非常用電源システムを備え、常用電源システムと非常用電源システム間の保護システムは保護リレー、遮断器およびフューズのみであった。

前記の事象では、外部電力系統での短絡事故が発生した場合に、所内電源系統を外部電力系統から切り離し、所内単独運転への移行を試みたところ、負荷遮断により発電機電圧および所内電源系統の電圧が上昇した。所内電源系統の電圧上昇により、非常用電源システム内の４つの母線のうち２つの母線から給電されている無停電電源装置が停止した。一方、所内単独運転移行に失敗し、かつ予備外部電源系統への切り替えに失敗したため、非常用発電機が起動したが、この２つの母線については非常用発電機の速度計に電源を供給する無停電電源装置が前述のとおり破損していたために、非常用発電機の速度確立が確認できず、非常用発電機を所内電源系統に接続できなかった。最終的には、さらに２つの無停電電源を有していたため、この２つの無停電電源に対応する非常用発電機が起動し、非常系統への給電がなされた。

Nuclear Energy Agency, Defence in Depth of Electrical Systems and Grid Interaction, Final DIDELSYS Task Group Report, NEA/CSNI/R(2009)10

無停電電源装置は、バッテリを有し、本来、交流電源の変動・停電時に安定して計測制御電源を供給する設備であるが、前述の事象では、系統側の電源変動により、４つのうち２つが正常に機能しなかった。

一般に電源の保護は遮断器および保護リレーで行われるが、前述の事象でみられたように、電源変動による過渡事象を受けて、保護機能が正常に機能せず、電圧変動または過電流により、電源システムが損傷を受ける可能性がある。

そこで、本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、常用電源系統の異常時に、原子力発電所の安全上重要な機器に給電できる電源システムを得ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態は、非常時に運転が必要な非常時負荷に給電するための原子力発電所用非常電源システムであって、電力供給源としての常用電源からの電力供給が途絶えたレベル１の状態のときに電力を供給する第１レベル非常用電源と、前記第１レベル非常用電源からの電力供給が途絶えたレベル２の状態のときに電力を供給する第２レベル非常用電源と、を備え、前記第２レベル非常用電源は、前記常用電源および前記第１レベル非常用電源の少なくとも一方と電気的に直接接続された第１の回転電機と、前記第１の回転電機と電気的には接続されておらず機械的には接続されている第２の回転電機と、前記第２の回転電機と遮断器を介して電気的に接続し、前記非常時負荷に給電する第２レベル非常用母線と、前記レベル２の状態のときに起動して、前記第２レベル非常用母線に非常時電力を供給するバックアップ発電機と、を備えることを特徴とする。

また、本実施形態は、電力供給源としての常用電源および第１レベル非常用電源のいずれからも電力供給が途絶えた電力供給源機能喪失時に非常時電力を供給する非常用独立電源であって、前記常用電源および前記非常用電源の少なくとも一方と電気的に直接接続された第１の回転電機と、前記第１の回転電機と電気的には接続されておらず機械的には接続されている第２の回転電機と、前記第２の回転電機と遮断器を介して電気的に接続し、前記非常時負荷に給電する第２レベル非常用母線と、前記電力供給源機能喪失時に起動して、前記第２レベル非常用母線に前記非常時電力を供給するバックアップ発電機と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、常用電源系統の異常時に、原子力発電所の安全上重要な機器に給電できる電源システムを得ることができる。

第１の実施形態に係る電源システムの全体構成を示す概念的な構成図である。第１の実施形態に係る電源システムの独立電源装置以降の構成を示す概念的な構成図である。第２の実施形態に係る電源システムの独立電源装置以降の構成を示す概念的な構成図である。第３の実施形態に係る電源システムの全体構成を示す概念的な構成図である。第３の実施形態に係る電源システムの独立電源装置以降の構成を示す概念的な構成図である。従来の原子力発電所の電源システムの構成例を示す概念的なブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電源システムについて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る電源システムの全体構成を示す概念的な構成図である。主発電機５は、図示しない原子炉で発生したエネルギーにより回転する蒸気タービンにより駆動されて、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して発電を行う。主発電機５により発電された電力は、主変圧器２を介して外部電力系統１に供給される。また、主発電機５により発電された電力の一部は、所内変圧器４を介して所内の常用電源系６に供給される。常用電源系６は、常用電源に給電する常用電源母線６ａおよび常用配電変圧器６ｂを有する。また、常用電源母線６ａには、外部電力系統１から、予備変圧器３を介して電力が供給される。

主変圧器２、予備変圧器３、所内変圧器４、常用電源母線６ａ、外部電力系統１の相互間には、遮断器９が設けられている。遮断器９のそれぞれは、それぞれに応じた原因でそれぞれに対応した図示しない保護継電器が動作した場合には、それぞれ投入状態から開放状態へ移行動作する。なお、主発電機５が電力を供給する外部電力系統１の回線と、予備変圧器３が電力の供給を受ける外部電力系統１の回線とは、異なる場合もある。

原子力発電所の通常運転時には、主発電機５から所内変圧器４を介して常用電源母線６ａに電力供給が行われる。また、原子力発電所の停止状態、停止状態からの起動、停止状態への移行時のように、主発電機５が運転されない場合には、外部電力系統１から予備変圧器３を介して常用電源母線６ａに電力が供給される。この２つの状態の相互の切り替えのためにも、遮断器９が使用される。

原子力発電所用非常電源システム１００は、常用電源からの電力供給機能が喪失するレベル１の状態において非常時負荷に非常電力を供給する第１レベル非常用電源７と、この第１レベル非常用電源７が電力供給機能を喪失するレベル２の状態において非常時負荷に非常電力を供給する第２レベル非常用電源（独立電源装置）１０とを有する。ここで、常用電源からの電力供給機能喪失とは、主発電機５から所内変圧器４を経由した常用電源母線６ａへの電力供給、外部電力系統１から予備変圧器３を経由した常用電源母線６ａへの電力供給のいずれもが喪失することをいう。

第１レベル非常用電源７は、第１レベル非常用電源母線７ａ、非常用発電機７ｂ、整流器７ｃ、インバータ７ｄおよび蓄電池７ｅを有する。第１レベル非常用電源７は、遮断器９ａを介して常用配電変圧器６ｂに接続されている。

原子力発電所の通常運転時には、遮断器９ａは投入状態で、第１レベル非常用電源母線７ａは、原子力発電所の通常運転時は、常用電源系６より、常用配電変圧器６ｂを介して電力を供給される。また、常用電源系６からの電力供給が途絶えたときには、遮断器９ａが投入状態から開放状態に切り替わり、非常用発電機７ｂが第１レベル非常用電源母線７ａに電力を供給する。非常用発電機７ｂは、たとえば、第１レベル非常用電源母線７ａの電圧低下により自動起動する。

整流器７ｃは、常用電源系６から供給された電力を、交流から直流に変換する。また、インバータ７ｄは、整流器７ｃにより変換された直流電力を交流電力に変換する。蓄電池７ｅは、通常時に整流器７ｃから直流電力を供給されて電力を貯留する。

独立電源装置１０は、遮断器９ｂを介して常用電源母線６ａに接続されている。原子力発電所の通常運転時には、遮断器９ｂは投入状態であり、常用電源母線６ａから電力を供給される。また、外部電力系統１および主発電機５からの電力供給が喪失したレベル１の状態のときに、第１レベル非常用電源７が常用電源母線６ａに電力を供給している場合にも、遮断器９ｂは投入状態であり、常用電源母線６ａから電力を供給される。また、第１レベル非常用電源７からの電力供給も喪失するレベル２の状態のときには、遮断器９ｂは、投入状態から開放状態に移行し、独立電源装置１０内で電力供給が行われる。

図２は、第１の実施形態に係る電源システムの独立電源装置以降の構成を示す概念的な構成図である。第２レベル非常用電源である独立電源装置１０は、独立電源ＭＧセット１６、第２レベル非常用母線１４、およびバックアップ発電機１５を有する。第２レベル非常用母線１４は、原子力発電所の通常運転時および常用電源、第１レベル非常用電源の停止時にも運転が必要な直流・計測制御電源その他の常時運転負荷群１２、および非常時のみに運転する非常時運転負荷群１３に電力を供給する。バックアップ発電機１５は、たとえば、ディーゼル発電機などでよい。

常時運転負荷群１２は、バックアップ発電機１５の起動・運転および給電の切り替え等に必要なものであり、たとえば、蓄電池１８ｂを充電するための充電器１８ａ、遮断器制御電源１２ａ、バックアップ発電機（ＢＧ）励磁電源１２ｂ、バックアップ発電機（ＢＧ）制御電源１２ｃ、制御盤１２ｄ、電動弁１２ｅ、バックアップ発電機（ＢＧ）予熱ヒータ１２ｆ、および照明１２ｇ等がある。これらのうち、遮断器制御電源１２ａ、ＢＧ励磁電源１２ｂ、ＢＧ制御電源１２ｃ、制御盤１２ｄ、および電動弁１２ｅは直流母線１９から電力供給を受ける直流電源負荷であり、ＢＧ予熱ヒータ１２ｆ、および照明１２ｇは交流電源負荷である。

また、蓄電池１８ｂは、交流電源喪失時に、遮断器１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｅの制御電源１２ａ、バックアップ発電機１５のＢＧ励磁電源１２ｂおよびＢＧ制御電源１２ｃ、プラントの運転監視および制御に必要な制御盤１２ｄ、電動弁１２ｅ等に電源を供給するため、通常時の充電が必要である。このため、遮断器１７ｄは、その遮断器に係わる図示しない保護継電器が動作して開放側に移行すべき場合を除いて、通常時および非常時に投入状態となっている。

非常時運転負荷群１３は、プラントの安全を保障するために、必要な負荷である。原子炉の安全のために必要な、たとえば、代替注水ポンプ１３ａ、分電盤１３ｂ、空調機器１３ｃ等を備える。非常時運転負荷群１３、ＢＧ予熱ヒータ１２ｆ、照明１２ｇはプラントの通常運転時は運転が不要であるため、遮断器１７ｅは開放されている。

バックアップ発電機１５は、常用電源系６および第１レベル非常用電源系７が停止した場合に、第２レベル非常用母線１４の電圧低下によって自動的に起動して、第２レベル非常用母線１４に非常時電力を供給する。常用電源系６または第１レベル非常用電源７が運転中は、常用電源母線６ａから常時運転負荷群１２へ給電されるため、バックアップ発電機１５は運転が不要であり、遮断器１７ｂは開放されている。

独立電源ＭＧセット１６は、第１の回転電機である独立電源ＭＧセット電動機１６ａと、第２の回転電機である独立電源ＭＧセット発電機１６ｂを有する。独立電源ＭＧセット電動機１６ａと独立電源ＭＧセット発電機１６ｂとは、機械的に直結されているが、電気的には結合されていない。独立電源ＭＧセット電動機１６ａが電力供給を受けて回転すると、これに直結された独立電源ＭＧセット発電機１６ｂが発電し、第２レベル非常用母線１４に電力を供給する。

なお、第１の回転電機である独立電源ＭＧセット電動機１６ａと、第２の回転電機である独立電源ＭＧセット発電機１６ｂとが、直結している場合を示したが、これに限定されない。たとえば、歯車による結合でもよいし、流体継ぎ手などにより動力が伝達されることでもよい。

独立電源ＭＧセット１６は、独立電源ＭＧセット電動機１６ａへの電力供給源の電圧が変動しても、独立電源ＭＧセット電動機１６ａと独立電源ＭＧセット発電機１６ｂの機械的な慣性エネルギーによって、短時間の電力供給を持続する。

以上のように構成された本実施形態に係る原子力発電所用非常電源システム１００は、通常時は、常用電源系６から第１レベル非常用電源７へ電力が供給されるとともに、非常時に電力供給が必要な独立電源装置１０の負荷にも、独立電源ＭＧセット１６を介して電力が供給される。常用電源系６からの電力供給が停止するような事象（レベル１の状態のとき）においては、第１レベル非常用電源７から、第１レベル非常用電源７の非常用負荷に電力が供給されるとともに、独立電源ＭＧセット１６を介して独立電源装置１０に電力が供給される。

また、第１レベル非常用電源７の非常用発電機７ｂの起動失敗などの原因によって独立電源装置１０の負荷への電力供給が停止した場合（レベル２の状態のとき）、独立電源装置（第２レベル非常用電源）１０のバックアップ発電機１５が起動することにより第２レベル非常用母線１４に非常時電力を供給する。この際、バックアップ発電機１５を起動、運転するために必要なバックアップ発電機１５のＢＧ励磁電源１２ｂおよびＢＧ制御電源１２ｃなどへの電力供給は、バックアップ発電機１５が起動するまでは、蓄電池１８ｂから行われる。

また、独立電源装置１０への給電は、独立電源ＭＧセット１６を介して行われることから、外部電力系統１および主発電機５での事故による電圧変動および事故電流の悪影響は、独立電源ＭＧセット１６で電気的に遮断される。この結果、常時運転負荷群１２および非常時運転負荷群１３に影響が及ぶことが回避される。独立電源ＭＧセット電動機１６ａは電圧変動および事故電流によりトリップする可能性があるが、独立電源ＭＧセット発電機１６ｂは独立電源ＭＧセット電動機１６ａから電気的に切り離されているため、常時運転負荷群１２および非常時運転負荷群１３には電気的な悪影響は波及しない。

また、第２レベル非常用母線１４に給電可能なバックアップ発電機１５を備え、常時運転負荷群１２に制御電源系およびバックアップ発電機１５の起動・制御に必要な制御電源および機器を備えることにより、常用電源系６および第１レベル非常電源７からの給電が停止した場合にも、バックアップ発電機１５から原子炉の安全上重要な機器に常に給電することができる。

以上のように、本実施形態による原子力発電所用非常電源システムは、外部電力系統および主発電機での事故による電圧変動および事故電流による損傷を受けないよう非常時負荷とその電源システムを保護し、常用電源系が停止した場合にも、原子力発電所の安全上重要な機器に電力を供給することができる。

［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る電源システムの独立電源装置以降の構成を示す概念的な構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態に係る原子力発電所用非常電源システム１００（図１）の独立電源装置２０は、第１の回転電機として再循環ポンプ駆動用ＭＧセット電動機２１ａを、また、第２の回転電機として再循環ポンプ駆動用ＭＧセット発電機２１ｂを有する。

再循環ポンプ駆動用ＭＧセット２１を構成する再循環ポンプ駆動用ＭＧセット電動機２１ａおよび再循環ポンプ駆動用ＭＧセット発電機２１ｂは、原子力発電所の通常運転時には、整流器２２を介して原子炉圧力容器内再循環ポンプ２３に電力を供給するとともに、独立電源装置２０の常時運転負荷群１２にも電力を供給する。

なお、再循環ポンプ駆動用ＭＧセット２１が駆動対象とする再循環ポンプ（図示せず）は、原子炉圧力容器内に設けられたＲＩＰ（ＲｅａｃｔｏｒＩｎｔｅｒｎａｌＰｕｍｐ）の場合でもよいし、あるいは、原子炉冷却材再循環配管に設けられた再循環ポンプの場合でもよい。

以上のように構成された本実施形態により、追加設備を最小に留めながら、独立電源の機能を確保することができる。

［第３の実施形態］
図４は、第３の実施形態に係る電源システムの全体構成を示す概念的な構成図である。本第３の実施形態における第２レベル非常用電源３０は、第１の回転電機として原子力発電所の主発電機５を有する。また、第２レベル非常用電源３０は、第２の回転電機として主発電機５に機械的に結合した副発電機３１を有する。

図５は、第３の実施形態に係る電源システムの独立電源装置以降の構成を示す概念的な構成図である。原子力発電所の通常運転時には、主発電機５により発電がなされている。主発電機５に機械的に結合している副発電機３１も同様に発電を行っており、副発電機３１で発電された電力は、遮断器１７ａを介して、第２レベル非常用母線１４に供給されている。

主発電機５あるいは主発電機５の原動機である図示しない蒸気タービンが異常などによってトリップした場合は、主発電機５、副発電機３１および蒸気タービンの回転エネルギーによって、バックアップ発電機１５が起動するまでの時間の第２レベル非常用母線１４への電力供給を行う。したがって、遮断器１７ａは、この切り替えまでの時間は、図示しない保護継電器が動作する場合を除いて、投入状態を維持する。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…外部電力系統、２…主変圧器、３…予備変圧器、４…所内変圧器、５…主発電機、６…常用電源系、６ａ…常用電源母線、６ｂ…常用配電変圧器、７…第１レベル非常用電源、７ａ…第１レベル非常用電源母線、７ｂ…非常用発電機、７ｃ…整流器、７ｄ…インバータ、７ｅ…蓄電池、９、９ａ、９ｂ…遮断器、１０…独立電源装置（第２レベル非常用電源）、１２…常時運転負荷群、１２ａ…遮断器制御電源、１２ｂ…ＢＧ励磁電源、１２ｃ…ＢＧ制御電源、１２ｄ…制御盤、１２ｅ…電動弁、１２ｆ…ＢＧ予熱ヒータ、１２ｇ…照明、１３…非常時運転負荷群、１３ａ…代替注水ポンプ、１３ｂ…分電盤、１３ｃ…空調機器、１４…第２レベル非常用母線、１５…バックアップ発電機、１６…独立電源ＭＧセット、１６ａ…独立電源ＭＧセット電動機（第１の回転電機）、１６ｂ…独立電源ＭＧセット発電機（第２の回転電機）、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｉ…遮断器、１８ａ…充電器、１８ｂ…蓄電池、１９…直流母線、２０…独立電源装置（第２レベル非常用電源）、２１…再循環ポンプ駆動用ＭＧセット、２１ａ…再循環ポンプ駆動用ＭＧセット電動機（第１の回転電機）、２１ｂ…再循環ポンプ駆動用ＭＧセット発電機（第２の回転電機）、２２…整流器、２３…再循環ポンプ、３０…独立電源装置（第２レベル非常用電源）、３１……副発電機、１００…原子力発電所用非常電源システム

Claims

非常時に運転が必要な非常時負荷に給電するための原子力発電所用非常電源システムであって、
電力供給源としての常用電源からの電力供給が途絶えたレベル１の状態のときに電力を供給する第１レベル非常用電源と、
前記第１レベル非常用電源からの電力供給が途絶えたレベル２の状態のときに電力を供給する第２レベル非常用電源と、
を備え、
前記第２レベル非常用電源は、
前記常用電源および前記第１レベル非常用電源の少なくとも一方と電気的に直接接続された第１の回転電機と、
前記第１の回転電機と電気的には接続されておらず機械的には接続されている第２の回転電機と、
前記第２の回転電機と遮断器を介して電気的に接続し、前記非常時負荷に給電する第２レベル非常用母線と、
前記レベル２の状態のときに起動して、前記第２レベル非常用母線に非常時電力を供給するバックアップ発電機と、
を備えることを特徴とする原子力発電所用非常電源システム。
前記第１の回転電機はＭＧセットの電動機で、前記第２の回転電機は前記ＭＧセットの発電機であることを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用非常電源システム。
原子力発電所は、原子力発電所が備える原子炉圧力容器内の原子炉冷却材を循環する再循環ポンプおよび前記再循環ポンプを駆動する再循環ポンプ駆動用ＭＧセットを備え、
前記再循環ポンプ駆動用ＭＧセットの電動機および前記再循環ポンプ駆動用ＭＧセットの発電機は、前記第１の回転電機および前記第２の回転電機として前記再循環ポンプへの電力の一部を非常時負荷の一部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の原子力発電所用非常電源システム。
原子力発電所は、原子力発電所が備える原子炉圧力容器内で発生する熱エネルギーから変換された機械的エネルギーを最終的に電力エネルギーに変換する主発電機および前記主発電機と電気的には接続せず機械的には接続された副発電機を備え、
前記第１の回転電機は原子力発電所として外部へ電力を供給するための電力発生用の前記主発電機で、前記第２の回転電機は前記非常時負荷の一部に電力を供給する前記副発電機であることを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用非常電源システム。
前記非常時負荷は、前記原子力発電所の通常運転時に運転する負荷と、前記非常時に起動すべき負荷とを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の原子力発電所用非常電源システム。
前記バックアップ発電機は、前記第２レベル非常用母線の電圧が所定の電圧以下に低下する場合に自動起動することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の原子力発電所用非常電源システム。
電力供給源としての常用電源および第１レベル非常用電源のいずれからも電力供給が途絶えた電力供給源機能喪失時に非常時電力を供給する非常用独立電源であって、
前記常用電源および前記非常用電源の少なくとも一方と電気的に直接接続された第１の回転電機と、
前記第１の回転電機と電気的には接続されておらず機械的には接続されている第２の回転電機と、
前記第２の回転電機と遮断器を介して電気的に接続し、前記非常時負荷に給電する第２レベル非常用母線と、
前記電力供給源機能喪失時に起動して、前記第２レベル非常用母線に前記非常時電力を供給するバックアップ発電機と、
を備えることを特徴とする非常用独立電源。