JP2024066022A

JP2024066022A - 試験装置

Info

Publication number: JP2024066022A
Application number: JP2022175210A
Authority: JP
Inventors: 雄治細川; Yuji Hosokawa
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2024-05-15

Abstract

【課題】電路の状態を適切に把握できる試験装置を提供する。
【解決手段】共に三相の電路を備える第１の母線１０１と第２の母線１０２とを連絡する母線連絡回路１０５の試験を行う際に、一次巻線１３４ａが前記第１の母線１０１に接続され、Ｙ結線され中性点接地された二次巻線１３４ｂが前記母線連絡回路１０５に接続される変圧器１３４と、前記母線連絡回路１０５の試験を行う際に、前記二次巻線１３４ｂから前記母線連絡回路１０５の各相に流れる試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを計測する電流センサ１３６と、前記電流センサ１３６の計測結果に基づいて、前記母線連絡回路１０５における異常状態の有無を判定する判定回路２００と、を試験装置１７０に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験装置に関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約には、「［課題］設備構成や負荷状況によらずに地落や短絡を伴わない１相開放故障を機械的に検知できる欠相検知システム、欠相検知装置および欠相検知方法を提供する。［解決手段］実施形態の欠相検知システムは、３相静止誘導電気機器、電流検知器、抽出部、判定部を備える。３相静止誘導電気機器は相毎の配線に励磁電流が流される１次側回路を有する。電流検知器は１次側回路の各相の励磁電流を検知する。抽出部は電流検知器により検知された励磁電流から高調波を抽出する。判定部は抽出部により高調波が抽出されたか否かに応じて励磁電流の検知元の１次側回路の配線が開放状態か接続状態かを判定する。」と記載されている。

特開２０１８－０２８５０１号公報

ところで、上述した技術において、一層適切に電路の状態を把握したいという要望がある。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、電路の状態を適切に把握できる試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の試験装置は、共に三相の電路を備える第１の母線と第２の母線とを連絡する母線連絡回路の試験を行う際に、一次巻線が前記第１の母線に接続され、Ｙ結線され中性点接地された二次巻線が前記母線連絡回路に接続される変圧器と、前記母線連絡回路の試験を行う際に、前記二次巻線から前記母線連絡回路の各相に流れる試験電流を計測する電流センサと、前記電流センサの計測結果に基づいて、前記母線連絡回路における異常状態の有無を判定する判定回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電路の状態を適切に把握できる。

第１実施形態による配電系統のブロック図である。判定回路のブロック図である。第２実施形態による配電系統のブロック図である。

［実施形態の前提］
原子力発電所の電源系統においては、新規制基準の要求にて、独立した別の電源系統から、もしくは別の電源系統へ電源融通することが求められている。そのため、主要な電源系統の間には母線連絡回路を設置することが計画されている。母線連絡回路を使用する際は、現場の状況を考慮した上で、母連回路の使用可否を確認し、回路接続を行うことが一般的である。

しかしながら、災害時には、現場確認すること自体にも大きなリスクを包含し、二次災害の可能性も高まるといった課題がある。また、常時監視システムのようなものも近年開発されているが、使用時に問題ないか否かを判断するためには、実運用で想定する電圧を印加した絶縁耐力試験を行う必要がある。しかし、災害時等にそのような装置を準備することは困難である。また、試験装置が存在したとしても、その容量が大きすぎると、母線連絡回路に故障が発生していた場合、電圧印加と同時に短絡電流が流れることがある。このような短絡電流が流れると、電源側に対し、大きな電圧変動を発生させることになる。これにより、既に電源側に接続されている設備に対して停電などの悪影響を生じさせる可能性がある。

そこで、後述する実施形態においては、上述した問題に鑑み、予め構築した専用の試験回路を用いて電路に試験電圧を印加することで、電路の健全性評価を行うものである。これにより、災害時などにおいて、現場に向かうことなく、絶縁耐力性能を評価し、母線連絡回路の使用上の問題点の有無を評価することができる。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
図１は、第１実施形態による配電系統１０のブロック図である。
図１において、配電系統１０は、母線１０１（第１の母線）と、母線１０２（第２の母線）と、母線連絡回路１０５と、遮断器１０９，１１０と、試験回路１３０，１５０と、判定回路２００と、を備えている。これらのうち試験回路１３０，１５０と、判定回路２００と、を総称して「試験装置１７０」と呼ぶ。

母線１０１，１０２および母線連絡回路１０５は、何れも三相の電路を備えている。また、母線連絡回路１０５は、各相に寄生容量Ｃを有する。母線１０１には、遮断器３２を介して、上位電源３０から電力が供給される。遮断器１０９は、母線連絡回路１０５と母線１０１との間を開閉する。同様に、遮断器１１０は、母線連絡回路１０５と母線１０２との間を開閉する。

試験回路１３０は、遮断器１３２，１３８と、変圧器１３４と、電流センサ１３６と、を備えている。変圧器１３４は、一次巻線１３４ａと、二次巻線１３４ｂと、を備えている。ここで、二次巻線１３４ｂはＹ結線であってその中性点は接地されている。遮断器１３２は、一次巻線１３４ａと母線１０１との間を開閉する。遮断器１３８は、二次巻線１３４ｂと母線連絡回路１０５との間を開閉する。二次巻線１３４ｂにおける各相をＡ相、Ｂ相、Ｃ相（図示略）と呼び、母線連絡回路１０５の試験時に母線連絡回路１０５に流れる各相の電流を試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃと呼ぶ。電流センサ１３６は、これら試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの電流値を計測する。

また、試験回路１５０は、遮断器１５２，１５８と、変圧器１５４と、を備えている。変圧器１５４は、一次巻線１５４ａと、二次巻線１５４ｂと、を備え、変圧器１３４と同様に構成されている。ここで、二次巻線１５４ｂはＹ結線であってその中性点は接地されている。遮断器１５２は、一次巻線１５４ａと母線１０１との間を開閉する。遮断器１５８は、二次巻線１５４ｂと母線連絡回路１０５との間を開閉する。

判定回路２００は、電流センサ１３６の計測結果に基づいて、母線連絡回路１０５が正常であるか否かを判定する。なお、図示の例では、母線１０１から母線１０２への電源融通を想定しているため、試験回路１５０には、電流センサ１３６に相当するものは設けられていない。但し、試験回路１５０にも電流センサ１３６と同様の電流センサを設けてもよい。

母線１０１に所定の通常使用電圧（常規電圧）が印加され、遮断器１３２，１３８が閉状態になると、変圧器１３４の二次巻線１３４ｂは、母線連絡回路１０５に対して、試験電圧Ｖtest［Ｖ］の相電圧を印加する。変圧器１３４，１５４の変圧器容量は、何れも、寄生容量Ｃ［Ｆ］を充放電する際に出力される電力相当にすることが好ましい。すなわち、試験電圧Ｖtestの角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］とすると、変圧器１３４，１５４の容量は、「ω・Ｃ・Ｖtest²［ＶＡ］」にすることが好ましい。

但し、正確にその容量を有する変圧器は、一般的には市販されていないことが多いため、変圧器１３４，１５４の容量は、「Ｋ・ω・Ｃ・Ｖtest² ［ＶＡ］」にするとよい。ここで、定数Ｋは、例えば「１．０～１００．０」の範囲の任意の値であって、その範囲内でなるべく小さいことが好ましい。なお、以下の記述において、「Ｘ～Ｙ」は、「Ｘ以上、Ｙ以下」の意味である。また、定数Ｋは、「１．０～１０．０」の範囲であれば一層好ましく、「１．０～２．０」の範囲であればさらに好ましい。その理由は、母線連絡回路１０５に短絡が生じた事態を想定すると、定数Ｋが小さいほど、母線１０１，１０２から変圧器１３４に流れる試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを抑制できるためである。

通常運転時において、遮断器１０９，１１０は何れも開放されており、試験回路１３０，１５０における遮断器１３２，１３８，１５２，１５８も開放されている。母線連絡回路１０５を試験する場合には、試験回路１３０の遮断器１３２，１３８および試験回路１５０の遮断器１５８を閉じる。これにより、変圧器１３４を介して、母線連絡回路１０５に試験電圧Ｖtestが印加される。なお、試験回路１５０側の遮断器１５２は、試験回路１５０の切り離しのために設けたものであるため、開放状態のままでよい。

母線連絡回路１０５に印加される試験電圧Ｖtestは、電圧階級毎の絶縁耐力試験電圧にすることが好ましい。例えば、母線１０１，１０２および母線連絡回路１０５の通常使用電圧（常規電圧）が６．６[ｋＶ]であれば、試験電圧Ｖtestは、それよりも高い１０[ｋＶ]程度にすることが好ましい。但し、母線連絡回路１０５の健全性を確認できるのであれば試験電圧Ｖtestは通常使用電圧（常規電圧）であってもよい。

母線連絡回路１０５が正常である場合（短絡等が生じていない場合）、変圧器１３４を介して母線連絡回路１０５に試験電圧Ｖtestが印加されると、母線連絡回路１０５には、寄生容量Ｃの充放電電流に相当する試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃが流れる。なお、母線連絡回路１０５を介して、変圧器１５４の二次巻線１５４ｂにも励磁電流が流れるが、この励磁電流は充分に小さいので無視できる。

上述のように、電流センサ１３６は、母線連絡回路１０５に流れる試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの電流値を計測する。判定回路２００は、これらの電流値が正常であるか否かを判定し、その結果をユーザに報知する。ユーザは、判定回路２００からの報知に基づいて、この電流値に異常が無いことを確認すると、遮断器１３２，１５８を開放することにより、試験回路１３０を母線１０１および母線連絡回路１０５から切り離す。その後、ユーザが、遮断器１０９，１１０を閉じると、母線連絡回路１０５を介して、母線１０１，１０２が接続される。また、電流センサ１３６によって計測された何れかの電流値が異常である場合には、判定回路２００は、その旨を警報等でユーザに報知する。これにより、ユーザは、母線連絡回路１０５が使用できない旨を認識できる。

図２は、判定回路２００のブロック図である。
図２において、判定回路２００は、短絡・地絡判定部２１０と、断線判定部２２０と、ＯＲ回路２３０と、を備えている。短絡・地絡判定部２１０は、比較回路２１１，２１２，２１３と、ＯＲ回路２１４と、を備えている。比較回路２１１は、試験電流Ｉａが閾値Ｔｈ１（＝ω・Ｃ・Ｖtest・α）よりも大きい場合（試験電流Ｉａが大きすぎる場合）には“１”信号、それ以外の場合には“０”信号を出力する。

試験電流Ｉａが大きすぎる場合とは、一般的には、母線連絡回路１０５におけるＡ相と他相との短絡、またはＡ相の地絡が発生した場合である。ここで、係数αは電流の検出精度等に基づく誤動作を防止するために適用する係数であり、「１」よりも若干大きな値にすることが好ましい。例えば、係数αは、「１．００５～２．０００」の範囲にすることが好ましく、「１．００５～１．０５０」の範囲にするとさらに好ましく、「１．００５～１．０１５」の範囲にすると一層好ましい。

同様に、比較回路２１２，２１３は、それぞれ、試験電流Ｉｂ，Ｉｃが閾値Ｔｈ１よりも大きい場合には“１”信号、それ以外の場合には“０”信号を出力する。ＯＲ回路２１４は、比較回路２１１，２１２，２１３の出力信号の論理和を出力する。従って、ＯＲ回路２１４は、試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの何れかが閾値Ｔｈ１よりも大きい場合、すなわち母線連絡回路１０５の何れかの箇所で短絡または地絡が生じた場合には“１”信号、それ以外の場合には“０”信号を出力する。

断線判定部２２０は、比較回路２２１，２２２，２２３と、ＯＲ回路２２４と、を備えている。比較回路２２１は、試験電流Ｉａが閾値Ｔｈ２（＝ω・Ｃ・Ｖtest・β）よりも小さい場合（試験電流Ｉａが小さすぎる場合）には“１”信号、それ以外の場合には“０”信号を出力する。

試験電流Ｉａが小さすぎる場合とは、一般的には、母線連絡回路１０５におけるＡ相に断線が発生した場合である。ここで、係数βも、上述の係数αと同様に、電流の検出精度等に基づく誤動作を防止するために適用する係数であり、「１」よりも若干小さな値にすることが好ましい。例えば、係数αは、「０．７００～０．９９５」の範囲にすることが好ましく、「０．９５０～０．９９５」の範囲にするとさらに好ましく、「０．９８５～０．９９５」の範囲にすると一層好ましい。

同様に、比較回路２２２，２２３は、それぞれ、試験電流Ｉｂ，Ｉｃが閾値Ｔｈ２よりも小さい場合には“１”信号、それ以外の場合には“０”信号を出力する。ＯＲ回路２２４は、比較回路２２１，２２２，２２３の出力信号の論理和を出力する。従って、ＯＲ回路２２４は、試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの何れかが閾値Ｔｈ２よりも小さい場合、すなわち母線連絡回路１０５の何れかの箇所で断線が生じた場合には“１”信号、それ以外の場合には“０”信号を出力する。

ＯＲ回路２３０は、ＯＲ回路２１４，２２４の出力信号の論理和を警報信号ＳＪとして出力する。従って、警報信号ＳＪは、母線連絡回路１０５の何れかの箇所で、短絡、地絡または断線が生じた場合に“１”になり、それ以外の場合に“０”になる。これにより、警報信号ＳＪが“１”である場合にブザー（図示略）から警報音を出力する、警告灯（図示略）を点灯させる等の方法により、母線連絡回路１０５に何らかの異常が存在することをユーザに報知できる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態による配電系統２０のブロック図である。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図３において、配電系統２０は、第１実施形態の配電系統１０（図１参照）と同様に、母線１０１，１０２と、母線連絡回路１０５と、遮断器１０９，１１０と、試験回路１３０，１５０と、判定回路２００と、を備えている。

さらに、配電系統２０においては、遮断器１７２と、該遮断器１７２を介して母線１０２に接続されたコネクタ１７４と、を備えている。コネクタ１７４には、必要に応じて、非常用電源装置３０１が接続される。この非常用電源装置３０１は、例えば、小規模な可搬電源装置である。また、本実施形態においては、変圧器１５４の二次巻線１５４ｂに電流センサ１５６が接続されている。電流センサ１５６は、電流センサ１３６と同様に、二次巻線１５４ｂから母線連絡回路１０５に流れる各相の試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを計測する。

本実施形態においては、上位電源３０から母線１０１への電力供給が遮断された場合に、母線１０２に非常用電源装置３０１を接続し、母線１０２から母線連絡回路１０５を介して、母線１０１に電力を供給することができる。この電力供給を行う前に、試験回路１３０について述べたものと同様に、試験回路１５０および判定回路２００を用いて、母線連絡回路１０５が正常であるか否かを試験することができる。

［実施形態の効果］
以上のように上述の実施形態によれば、試験装置１７０は、共に三相の電路を備える第１の母線（１０１）と第２の母線（１０２）とを連絡する母線連絡回路１０５の試験を行う際に、一次巻線１３４ａが第１の母線（１０１）に接続され、Ｙ結線され中性点接地された二次巻線１３４ｂが母線連絡回路１０５に接続される変圧器１３４と、母線連絡回路１０５の試験を行う際に、二次巻線１３４ｂから母線連絡回路１０５の各相に流れる試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを計測する電流センサ１３６と、電流センサ１３６の計測結果に基づいて、母線連絡回路１０５における異常状態の有無を判定する判定回路２００と、を備える。

このように、母線連絡回路１０５に接続される二次巻線１３４ｂが、Ｙ結線され中性点が接地されているため、母線連絡回路１０５の何れかの相に短絡または地絡が生じた場合、試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃに有意な変化が現れる。これにより、電路の状態を適切に把握できる。

また、母線連絡回路１０５は各相に寄生容量Ｃを有するものであり、判定回路２００は、電流センサ１３６の計測結果と、寄生容量Ｃに対応する閾値（Ｔｈ１，Ｔｈ２）との比較結果に基づいて、母線連絡回路１０５に、短絡、地絡または断線である異常状態の有無を判定すると一層好ましい。これにより、電流センサ１３６の計測結果と、閾値（Ｔｈ１，Ｔｈ２）とを比較する簡単な回路構成で、母線連絡回路１０５における様々な異常状態を検出できる。

また、変圧器１３４の容量は、母線連絡回路１０５の試験を行う際に二次巻線１３４ｂから出力される相電圧をＶtest［Ｖ］とし、相電圧の角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］とし、各相の寄生容量ＣをＣ［Ｆ］とし、１．０～１００．０の定数をＫとしたとき、Ｋ・ω・Ｃ・Ｖtest²［ＶＡ］であると一層好ましい。

このように、変圧器１３４の容量を、寄生容量Ｃを充放電する際の電力に近い値にすることにより、第１の母線（１０１）から見た変圧器１３４のインピーダンスを充分に高くすることができる。これにより、母線連絡回路１０５に短絡故障が発生した場合であっても、第１の母線（１０１）から変圧器１３４を介して母線連絡回路１０５に流れる短絡電流を比較的低い値に抑制することができる。これにより、第１の母線（１０１）における電圧変動が抑制され、仮に、第１の母線（１０１）から給電を受けている装置が存在する場合であっても、その装置が停止する事態を抑制できる。特に、第２実施形態のように、電源容量が小さい非常用電源装置３０１等が接続されるケースにおいても、非常用電源装置３０１等における電圧変動を抑制することができる。

また、判定回路２００は、１．００５～２．０００の範囲の定数をαとしたとき、電流センサ１３６の何れかの相における試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃが、ω・Ｃ・Ｖtest・αよりも大きい場合に、母線連絡回路１０５に異常状態が生じた旨を判定すると一層好ましい。これにより、母線連絡回路１０５に短絡または地絡が生じた場合に、異常状態が生じた旨を判定することができる。

また、判定回路２００は、さらに、０．７００～０．９９５の範囲の定数をβとしたとき、電流センサ１３６の何れかの相における試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃが、ω・Ｃ・Ｖtest・βよりも小さい場合に、母線連絡回路１０５に異常状態が生じた旨を判定すると一層好ましい。これにより、母線連絡回路１０５に断線が生じた場合に、異常状態が生じた旨を判定することができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記各実施形態において、判定回路２００は、母線連絡回路１０５における短絡および地絡を特に区別せず検出したが、短絡および地絡を分離したい場合には、二次巻線１３４ｂ，１５４ｂの中性点から流れる電流、または試験電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの合計電流に基づいて、地絡の有無を検出してもよい。

１０１母線（第１の母線）
１０２母線（第２の母線）
１０５母線連絡回路
１３４変圧器
１３４ａ一次巻線
１３４ｂ二次巻線
１３６電流センサ
１７０試験装置
２００判定回路
Ｃ寄生容量
Ｉａ試験電流
Ｔｈ１閾値
Ｔｈ２閾値
Ｉｂ，Ｉｃ試験電流
Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ試験電流

Claims

共に三相の電路を備える第１の母線と第２の母線とを連絡する母線連絡回路の試験を行う際に、一次巻線が前記第１の母線に接続され、Ｙ結線され中性点接地された二次巻線が前記母線連絡回路に接続される変圧器と、
前記母線連絡回路の試験を行う際に、前記二次巻線から前記母線連絡回路の各相に流れる試験電流を計測する電流センサと、
前記電流センサの計測結果に基づいて、前記母線連絡回路における異常状態の有無を判定する判定回路と、を備える
ことを特徴とする試験装置。
前記母線連絡回路は各相に寄生容量を有するものであり、
前記判定回路は、前記電流センサの計測結果と、前記寄生容量に対応する閾値との比較結果に基づいて、前記母線連絡回路に、短絡、地絡または断線である前記異常状態の有無を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の試験装置。
前記変圧器の容量は、前記母線連絡回路の試験を行う際に前記二次巻線から出力される相電圧をＶtest［Ｖ］とし、前記相電圧の角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］とし、各相の前記寄生容量をＣ［Ｆ］とし、１．０～１００．０の定数をＫとしたとき、Ｋ・ω・Ｃ・Ｖtest²［ＶＡ］である
ことを特徴とする請求項２に記載の試験装置。
前記判定回路は、１．００５～２．０００の範囲の定数をαとしたとき、前記電流センサの何れかの相における前記試験電流が、ω・Ｃ・Ｖtest・αよりも大きい場合に、前記母線連絡回路に前記異常状態が生じた旨を判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の試験装置。
前記判定回路は、さらに、０．７００～０．９９５の範囲の定数をβとしたとき、前記電流センサの何れかの相における前記試験電流が、ω・Ｃ・Ｖtest・βよりも小さい場合に、前記母線連絡回路に前記異常状態が生じた旨を判定する
ことを特徴とする請求項４に記載の試験装置。