JP4055189B2

JP4055189B2 - 発電プラント用の非常用電動機用電源設備

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Publication number: JP4055189B2
Application number: JP2003027051A
Authority: JP
Inventors: 政司杉山; 幸弘片山; 俊也守田; 弘久里見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP2004242397A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラント用の非常用電動機用電源設備に係り、特に、全交流電源喪失時及び外部電源喪失時の非常用ディーゼル発電機起動までの間に運転を要求される発電プラントにおける非常用電動機の電源設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の原子力発電所の所内電源設備の概略を図６に示す。プラント通常運転時、原子炉３３で発生した蒸気を主タービン２９に送ることにより発電機８を回転させ、発電する。発電機８で発生した電力は、発電機負荷開閉器７を介して主変圧器９で昇圧された後、主変圧器用遮断器１０を介して外部に送電される。一方、発電機負荷開閉器７を介して所内変圧器６で降圧された後に、常用高圧母線５、非常用高圧母線４、更に降圧変圧器３で降圧された後に非常用低圧母線受電遮断器２、非常用低圧母線１を介して各々の母線に接続されている所内負荷に給電する。
一方、発電機８の停止時は、発電機負荷開閉器７を開放することにより、外部電源系より主変圧器用遮断器１０、主変圧器９を介して前記と同様に各々の所内負荷に給電する。
また、系統事故発生等に伴い、発電機８、外部電源とも給電能力を失う外部電源喪失事象時には、非常用高圧母線４に接続される非常用ディーゼル発電設備１１が始動し、この時に運転が必要となる所内負荷に給電を行う。更に外部電源喪失時における非常用ディーゼル発電設備１１の起動失敗等の重畳事象が発生した場合は、発電プラントは全交流電源喪失となるので、直流電源設備２４の蓄電池１５より運転が必要となる負荷に給電される。
直流電源設備２４は、蓄電池１５以外に直流電源設備用受電遮断器１２、充電器１３、直流母線１４、蓄電池用遮断器１６、蓄電池出力用電流計１７及び直流負荷等から構成されている。直流電源設備２４は、プラント通常運転時は非常用低圧母線１より給電されており、充電器１３は交流電源を直流電源に変換し、蓄電池１５を浮動充電すると共に、直流母線１４を介してプラント通常運転時に直流電源を必要とする制御機器に電源を供給する。このとき、蓄電池１５の入出力電流は、蓄電池１５の出力側にある蓄電池出力用電流計１７により常時監視されている。
直流電源設備２４に接続される負荷の代表的なものとして、発電機非常用油ポンプ２５、及び原子力発電所においては原子炉隔離時冷却設備（ＲＣＩＣ）のＲＣＩＣポンプ用電動弁３８等がある。
従来、非常用油ポンプ２５等及び原子力発電所における原子炉隔離時冷却設備のＲＣＩＣポンプ用電動弁３８等に使用される駆動電動機は、直流電源に接続されるため直流電動機３５を使用している。直流電動機３５は、蓄電池放電電流を制限することを目的に始動抵抗器３２を備えている。始動抵抗器３２は３ないしは４つの抵抗タップを備えており、直流電動機３５の回路に直列に挿入して直流電動機３５に印加される電圧を始動抵抗器３２で分圧させることにより、直流電動機３５の始動電流を制限する。始動抵抗器３２の最大抵抗値は、直流電動機３５の始動時に流れる電流を定格電流の３倍程度（最大出力電流値）に抑制する様に値を選定している。始動抵抗器３２が最大抵抗抵抗値において直流電動機３５の電流が定格電流まで下がると、始動抵抗器３２のタップを下げて始動抵抗器３２の抵抗値を順次小さくする。以後この動作を繰り返し、始動抵抗器３２の抵抗値が０になると、直流電動機３５に全電圧が印加されることとなる。
一方、直流電動機３５は、下記（１）式で示されるように、端子電圧により回転速度が変化する。
Ｎ＝ｋ×Ｅ／Φ＝ｋ×（Ｖ−ＲａＩａ）／Φ （１）
ここで、Ｎ：回転速度、Ｅ：逆起電圧、Ｖ：端子電圧、Φ：各極の磁束
Ｒａ：電機子抵抗、Ｉａ：電気子電流、ｋ：比例定数
蓄電池１５は、放電時間とともに電圧が最大値（充電器出力電圧と同等）から放電終止電圧まで低下するため、前記（１）式に従い、蓄電池１５に接続される直流電動機３５はその回転速度が変化することとなる。一方、ポンプ等の負荷は、回転速度の２乗トルク特性負荷であるため、回転速度が変化すると、負荷トルクが変化し、これに伴い必要となる電流も変化する。この結果、事故発生直後等の様な蓄電池放電直後の電圧低下時や放電終止電圧近傍における直流電動機３５の電流と直流電動機サーベイランス試験（プラント通常時に待機している非常用機器の健全性確認試験）等浮動充電中の電圧となる時の直流電動機３５の電流が相違し、直流電動機３５の電気的保護の整定が困難となるとともに、直流電圧が高いサーベイランス試験時等に直流電動機３５が過負荷傾向となるなどの問題があった。
また、直流電動機３５は、誘導電動機３４に比べ、構造が複雑なため、コスト大、保守作業大という問題もあった。
【０００３】
このような課題を解決した公知例としては、例えば特許文献１「発電プラントの非常用電源装置」がある。本公知例は、従来直流電動機を用いていた用途に直流交流逆変換装置（インバータ）と誘導電動機を適用するものである。しかし、本公知例では、蓄電池が放電することによる電圧の低下を補正するために、直流交流逆変換装置（インバータ）の制御が複雑となる。また、発電プラントに適用される直流電源設備は制御用の電源でもある為、蓄電池の電圧を任意に設定することが困難である。一方、直流交流逆変換装置（インバータ）は、その直流−交流変換により入力される直流電圧以上の波高値をもつ交流は作り出せないため、設置された蓄電池の電圧に適合した定格電圧をもつ誘導電動機を適用する必要性から、標準規格の誘導電動機の適用が困難となり、誘導電動機を適用するメリットを活かしにくいといった問題もあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３８３６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高価な直流電動機から安価な誘導電動機に変更すると共に、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）を採用して標準規格の誘導電動機の使用を可能とすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、発電プラントの発電所内の充電器、蓄電池及び直流母線からなる直流電源設備から構成される非常用電動機用電源設備において、
充電器に接続される直流昇圧装置と、直流昇圧装置の出力側の電圧を検出して蓄電池の電圧が低下した場合にも直流昇圧装置の出力電圧が設定値となるように直流昇圧装置の昇圧率を制御する定電圧制御装置と、直流昇圧装置に接続され、直流から交流に変換する一組の逆変換装置とを設け、
一組の逆変換装置に非常用電動機給電用母線を介して複数の非常用誘導電動機を接続し、プラント非常時に一組の逆変換装置から複数の非常用誘導電動機に給電する際、逆変換装置による電圧／周波数一定制御により既に運転している非常用誘導電動機が存在している時に、未だ運転していない他の非常用誘導電動機を始動するに当たって、運転している非常用誘導電動機の周波数を一旦始動周波数まで下げ、改めて他の非常用誘導電動機を始動させ、非常用誘導電動機の始動電流を小さくする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明による発電プラント用の非常用電動機用電源設備の一実施形態を示す。
図１において、通常運転時は、原子炉３３で発生した蒸気を主タービン２９に送ることにより発電機８を回転させ、発電する。発電機８で発生した電力は、発電機負荷開閉器７を介して主変圧器９で昇圧された後、主変圧器用遮断器１０を介して外部に送電される。一方、発電機負荷開閉器７を介して所内変圧器６で降圧された後に、常用高圧母線５、非常用高圧母線４、更に降圧変圧器３で降圧された後に非常用低圧母線受電遮断器２、非常用低圧母線１を介して各々の所内負荷に給電する。
一方、発電機８の停止時は、発電機負荷開閉器７を開放することにより、外部電源系より主変圧器遮断器１０、主変圧器９を介して前記と同様に各々の所内負荷に給電する。
また、系統事故発生等に伴い、発電機８、外部電源とも給電能力を失う外部電源喪失時には、非常用高圧母線４に接続される非常用ディーゼル発電設備１１が始動し、運転が必要となる所内負荷に給電を行う。更に、この外部電源喪失時における非常用ディーゼル発電設備１１の起動失敗等の重畳事象の発生した場合は、全交流電源喪失となり、直流電源設備２４の蓄電池１５より運転が必要である負荷に給電する。
直流電源設備２４は、蓄電池１５以外に直流電源設備用受電遮断器１２、充電器１３、直流母線１４、蓄電池用遮断器１６、蓄電池出力用電流計１７及び直流負荷から構成されている。直流電源設備２４は、プラント通常運転時は非常用低圧母線１より給電されており、充電器１３は、交流電源を直流電源に変換し、蓄電池１５を浮動充電すると共に、直流母線１４を介してプラント通常運転時に直流電源を必要とする制御機器に電源を供給する。このとき、蓄電池１５の入出力電流は、蓄電池１５出力側にある蓄電池出力用電流計１７により常時監視されている。
一方、全交流電源喪失時等には、この蓄電池１５から蓄電池用遮断器１６、直流母線１４、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０、非常用電動機給電用母線１９、直流交流逆変換装置（インバータ）１８を介して非常用の負荷である誘導電動機（ＩＭ）３４に電源を供給する。この非常用負荷の代表的なものとして、非常用油ポンプ２５及び原子力発電所においては原子炉隔離時冷却設備（ＲＣＩＣ）のＲＣＩＣポンプ用電動弁３８等がある。
本実施形態では、直流交流逆変換装置（インバータ）１８を採用することにより、原子炉隔離時冷却設備の弁駆動用電動機、非常用油ポンプの駆動電動機として従来適用していた直流電動機（ＤＣＭ）３５に代わり誘導電動機（ＩＭ）３４を適用することができる。さらに、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０を用いることにより、標準規格の誘導電動機（ＩＭ）３４を使用することが可能となる。
【０００８】
ここで、図３を用いて直流電源設備２４の負荷の一つである非常用油ポンプ２５について説明する。
非常用油ポンプ２５は、発電機軸受２１及び主タービン２９の軸受に対する給油を行う。図１においては非常用油ポンプ２５から発電機８への給油の流れを示している。
発電機軸受２１に対する給油について、プラント通常運転時、発電機８の各軸受２１及び主タービン２９の軸受には主油ポンプ２２（タービン軸直結駆動方式）によって油タンク３０より給油するが、主タービン２９の始動停止時には、主油ポンプ２２では吐出圧と油量が不十分となるので、補助油ポンプ２３により発電機軸受２１及び主タービン２９軸受への給油を補助する。また、非常時には、主タービン２９の回転速度が低下することにより、主油ポンプ２２だけでは油量が不十分となる。この時は、交流電動機駆動の補助油ポンプ２３により不足分の油を補給する。また、外部電源喪失により交流電動機駆動の補助油ポンプ２３が起動できない場合、軸受２１の損傷を防ぐため財産保護用として直流電動機駆動の非常用油ポンプ２５を設け、軸受油圧が低下した場合に自動始動させるようにしている。ここで、非常用ディーゼル発電機１１が始動し、補助油ポンプ２３に電源が供給されると、発電機各軸受２１の給油は補助油ポンプ２３が担うことになり、非常用ポンプ２５は停止する。これらの動作の詳細を図４に示した。
【０００９】
また、図２を用いて直流電源設備２４の負荷の一つである原子炉隔離時冷却設備について説明する。
この設備は、原子炉過渡事象時に原子炉３３が主タービン２９と隔離されても、引き続き冷却水を原子炉３３に供給し、燃料の冷却を行うことを目的に設置している。非常時には、直流電源設備２４より非常用の負荷であるＲＣＩＣポンプ用電動弁３８に給電を行う。これにより、原子炉３３の崩壊熱により発生した蒸気によって駆動されるＲＣＩＣタービン２６、サプレッションチェンバ２８より給水するＲＣＩＣポンプ２７及び冷却材の注入を制御するＲＣＩＣポンプ用電動弁３８の制御を行うことが可能となり、交流電源喪失時にも原子炉３３への冷却材注入が可能となっている。
【００１０】
次に、本発明の直流交流逆変換装置（インバータ）１８の制御について、図５を用いて説明する。図５は、図１の非常用電動機用電源設備（抜粋）を構成する機器の電圧波形を示す。
図１において、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０及び直流交流逆変換装置（インバータ）１８に接続される誘導電動機３４は、始動時に定格電流の数倍の電流（始動電流）が流れる。従って、直流交流逆変換装置（インバータ）１８は、誘導電動機３４を始動する際、低電圧／低周波数を誘導電動機３４に入力し、誘導電動機３４の始動電流を極力小さくするとともに、その後、電圧／周波数一定状態にて誘導電動機３４を定格回転速度に昇速させる制御を適用する。これにより、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０及び直流交流逆変換装置（インバータ）１８を駆動する誘導電動機３４に見合った容量とすることができる。
【００１１】
次に、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の制御について、図５を用いて説明する。
蓄電池１５の出力電圧は、図５に示すように、蓄電池の特性により放電直後は充電電圧相当であったものが、放電時間とともに放電終止電圧まで低下する。また、本蓄電池は、図１にあるように他のＤＣ制御負荷等の電源でもあるため、非常用電動機に合わせて任意に電圧を設定することはできない。
一方、直流交流逆変換装置（インバータ）１８は、交直流変換の特性により入力される直流電圧以上の波高値を持つ交流電圧に変換することはできない。従って、放電終止電圧にあわせて出力電圧（非常用電動機の入力電圧）を決定しなければならない。
そこで、本実施形態では、直流交流逆変換装置（インバータ）１８の入力側に直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０を設ける。また、蓄電池電圧の低下を補償することを目的に、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の出力側にて電圧を検知し、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の出力電圧を制御する定電圧制御装置（ＡＶＲ）３６を設置する。定電圧制御装置（ＡＶＲ）３６は、常時直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の出力電圧と設定値（直流交流逆変換装置１８入力電圧）との差分を検知することにより、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の昇圧率を制御することになる。従って、蓄電池電圧が低下した場合にも、直流交流逆変換装置（インバータ）１８の入力電圧は常時一定に保つことが可能となる。
また、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の昇圧率は、蓄電池１５の放電終止電圧と接続される非常電動機の定格電圧より設定する。即ち、蓄電池１５の充電電圧が２６０Ｖ、放電終止電圧が２２０Ｖ、非常用電動機の定格電圧として２００Ｖの電動機を適用するとすれば、下式より、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０の昇圧率は、１．１倍（放電直後）〜１．３倍（放電終止電圧）となる。
＜放電直後＞
インバータ出力可能実効値：（２６０Ｖ／√２）＝１８４Ｖ
⇒（２００Ｖ／１８４Ｖ）≒１．１
よって、約１．１倍にて定格電圧２００Ｖに対応可能
＜放電終止電圧時点＞
インバータ出力可能実効値：（２２０Ｖ／√２）＝１５６Ｖ
⇒（２００Ｖ／１５６Ｖ）≒１．３
よって、約１．３倍にて定格電圧２００Ｖに対応可能
【００１２】
図７は、本発明の他の実施形態を示す。
本実施形態は、図１に対して一組の直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０、直流交流逆変換装置（インバータ）１８によって複数の誘導電動機３４、３４’を運転、制御するものである。
これにより、図１の構成に対し、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０、直流交流逆変換装置（インバータ）１８の台数を少なくすることができる。
しかしながら、誘導電動機３４は、起動時、定格電流の数倍（５〜７倍）の始動電流が流れることから、直流交流逆変換装置（インバータ）１８にて誘導電動機３４を起動する場合、前述した様に、低電圧／低周波数で起動し、その後、電圧／周波数一定にて昇速していく必要があるが、接続される誘導電動機３４の起動タイミンク゛が異なる場合、直流交流逆変換装置（インバータ）１８の制御が複雑になる。即ち、直流交流逆変換装置（インバータ）１８の制御によって一台の誘導電動機３４を起動する場合は、低周波数（数Ｈｚ：始動周波数）から電圧／周波数一定制御により、誘導電動機３４の始動電流を抑えることができるが、誘導電動機３４が運転している時に、他の誘導電動機３４’を始動する為に、誘導電動機３４’の誘導電動機受電遮断器３７を投入すると、誘導電動機３４’には定格電圧が印加され、定格電流の数倍の始動電流が流れ、接続線の電圧低下による他の運転している誘導電動機３４への影響、もしくは、直流交流逆変換装置（インバータ）１８が過電流状態となり、トリップする事象が発生する可能性がある。
この為、運転している誘導電動機３４の周波数を一旦始動周波数まで下げ、改めて誘導電動機３４’の誘導電動機受電遮断器３７を投入し、誘導電動機３４’を始動させる必要がある。
以上の説明の様に、いずれにしても、本実施形態の場合は、接続される負荷（誘導電動機３４、３４’）の運転条件（起動／停止等）が同一の場合が望ましい。
【００１３】
図８は、本発明の他の実施形態を示す。
本実施形態は、図１および図７に示す直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０に代えて直流交流逆変換装置１８の出力側に昇圧変圧器３１を用いた。
本実施形態は、直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）２０を用いることなく、誘導電動機３４が必要とする電圧まで昇圧することができる。
しかし、前述した様に、蓄電池１５は、放電直後から放電終止の間で放電電圧が変化するため、この変化分を直流交流逆変換装置（インバータ）１８で吸収する必要がある。即ち、放電終止電圧の時に、直流交流逆変換装置（インバータ）１８の定格電圧が出力できる様、放電直後の電圧時には直流交流逆変換装置（インバータ）１８の出力を絞る制御方式とする。また、前述した様に、誘導電動機３４は低周波数／低電圧で始動しなければ、大きな始動電流が流れてしまうが、低周波数領域で昇圧変圧器３１を適用すると、昇圧変圧器３１が飽和してしまい、直流交流逆変換装置（インバータ）１８を介して変圧器過大な励磁電流が流れてしまう。これを防ぐには、より飽和しにくい（鉄芯断面の大きな）昇圧変圧器３１を使用しなければならない等の問題がある。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高価で、且つメンテナンスが困難な直流電動機の使用に代えて、安価で、且つメンテナンスが容易な誘導電動機を使用することができ、さらには、標準規格の誘導電動機を使用することができる。
また、従来必要であった蓄電池の容量低減のための始動抵抗器の設置が不要となり、電源設備としての経済的効果の向上を図ることができる。
また、直流交流逆変換装置（インバータ）のＶ／ｆ一定制御の適用により、電動機始動時の電流を小さくすることが可能となり、結果として蓄電池の容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電プラント用の非常用電動機用電源設備の一実施形態
【図２】原子炉隔離時冷却系の系統構成図
【図３】発電機の系統構成図
【図４】タービン油ポンプの運転シーケンス図
【図５】本発明の非常用電動機用電源設備（抜粋）を構成する機器の電圧波形図
【図６】従来の原子力発電所非常用電動機用電源設備
【図７】本発明の他の実施形態
【図８】本発明の他の実施形態
【符号の説明】
１…非常用低圧母線、２…非常用低圧母線受電遮断器、３…降圧変圧器、４…非常用高圧母線、５…常用高圧母線、６…所内変圧器、７…発電機負荷開閉器、８…発電機、９…主変圧器、１０…主変圧器用遮断器、１１…非常用ディーゼル発電設備、１２…直流電源設備用受電遮断器、１３…充電器、１４…直流母線、１５…蓄電池、１６…蓄電池用遮断器、１７…蓄電池出力用電流計、１８…直流交流逆変換装置（インバータ）、１９…非常用電動機給電用母線、２０…直流昇圧装置（チョッパ昇圧装置）、２１…発電機軸受、２２…主油ポンプ、２３…補助油ポンプ、２４…直流電源設備、２５…非常用油ポンプ、２６…ＲＣＩＣタービン、２７…ＲＣＩＣポンプ、２８…サプレッションチャンバ、２９…主タービン、３０…油タンク、３１…昇圧変圧器、３２…始動抵抗器、３３…原子炉、３４…誘導電動機、３５…直流電動機、３６…定電圧制御装置（ＡＶＲ）、３７…誘導電動機受電遮断器、３８…ＲＣＩＣポンプ用電動弁

Claims

発電プラントにおける発電所内の所内補機に給電する高圧交流母線と、前記高圧母線に接続され、プラント外部電源喪失時に交流電源を供給する非常用ディーゼル発電機と、前記高圧交流母線より降圧変圧器を介して接続される低圧交流母線と、前記低圧母線に接続され、充電器、蓄電池及び直流母線からなる直流電源設備から構成される発電所所内電源システムにおいて、
前記充電器に接続される直流昇圧装置と、該直流昇圧装置の出力側の電圧を検出して前記蓄電池の電圧が低下した場合にも前記直流昇圧装置の出力電圧が設定値となるように前記直流昇圧装置の昇圧率を制御する定電圧制御装置と、前記直流昇圧装置に接続され、直流から交流に変換する一組の逆変換装置とを設け、
前記一組の逆変換装置に非常用電動機給電用母線を介して複数の前記非常用誘導電動機を接続し、プラント非常時に前記一組の逆変換装置から複数の前記非常用誘導電動機に給電する際、前記逆変換装置による電圧／周波数一定制御により既に運転している前記非常用誘導電動機が存在している時に、未だ運転していない他の前記非常用誘導電動機を始動するに当たって、前記運転している非常用誘導電動機の周波数を一旦始動周波数まで下げ、改めて前記他の非常用誘導電動機を始動させ、前記非常用誘導電動機の始動電流を小さくすることを特徴とする発電プラント用の非常用電動機用電源設備。
請求項１において、前記直流昇圧装置と前記逆変換装置との組み合わせにより、前記逆変換装置から給電される前記非常用誘導電動機が要求する電圧を出力し、前記非常用誘導電動機として標準規格の誘導電動機を用いることを特徴とする発電プラント用の非常用電動機用電源設備。