JP4616214B2

JP4616214B2 - 原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置

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Publication number: JP4616214B2
Application number: JP2006176510A
Authority: JP
Inventors: 泉山田; 篤伏見; 節男有田; 智貴坂田
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP2008008649A

Description

本発明は、原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置に係り、特に、原子力発電プラントの原子炉格納容器内に設置された電磁機器等の制御に好適な原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置に関する。

原子力発電プラントの核計装システムは、核分裂を開始する原子炉の起動状態から全出力までを計測できるようにするために、中性子源領域モニタ，中間領域モニタ，出力領域モニタから構成されている。最近では、中性子源領域モニタ及び中間領域モニタを一体化した起動領域中性子モニタが実用化されている。中性子源領域モニタ，中間領域モニタ、あるいは起動領域中性子モニタは、原子炉に設置される中性子検出器からの非常に微弱な信号、例えばμＡオーダのパルス電流を増幅するために前置増幅器が必要であり、この前置増幅器は耐放射線性の観点から原子炉格納容器外に設置されている。なお、中性子をモニタする核計装システムについては、例えば、特開２００３−１４９３７８号公報に開示されている。

特開２００３−１４９３７８号公報

近年、原子力発電プラントの中性子検出器の検出信号に、従来は見られなかったようなノイズが重畳する現象がしばしば観測されるようになった。中性子検出器の検出信号は、原子炉の状態を反映する極めて重要な信号であり、その信号にノイズが乗ると、原子力発電プラントの適切な制御に支障を及ぼしかねない。

本発明の目的は、発生するノイズを抑制できる原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置を提供することにある。

本発明者らは、中性子検出器の検出信号に含まれるノイズの原因について鋭意検討した。その結果、近年のディジタル化技術の進歩を受けて、機能や性能の向上のために原子力発電プラントにも各種ディジタル装置が導入され、原子力発電プラントの機器環境が変化していること、及び原子炉の制御や保護のために原子炉格納容器内に多数設置されているモータ、ポンプ、電磁弁などの各種電磁機器を運転制御するための駆動信号が、中性子検出信号に重畳しているノイズに関係していることを見出した。

本発明は、核計装システムの中性子検出信号に現れるノイズの発生原因を特定し、対策として、特にプラント内で多く使われる三相電磁機器の駆動の際に電磁ノイズが発生しないようにしたものである。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、原子炉格納容器内に原子炉圧力容器と電磁機器が設置され、前記原子炉圧力容器に挿入された計装管に収納された中性子検出器の出力が信号ケーブルによって前記原子炉格納容器外に設置された前置増幅器に入力されている原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置であって、前記原子炉格納容器外に設置された電源と前記電磁機器との間に敷設され、前記電源から前記電磁機器に電力を供給する動力ケーブルと、前記動力ケーブルの途中に設置され、格納容器外に配置した前記電磁機器に供給される三相電源の電力をオンオフ制御するものであり、各相に備えられた半導体スイッチであるＦＥＴスイッチと、少なくとも線間電圧もしくはスイッチ間電圧を検出する電圧検出手段と、外部からのスイッチオン指令で、前記電圧検出手段によって検出された電圧値を用いて、あらかじめ定めたタイミングであらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、その後、あらかじめ定めた手順で残った一相の半導体スイッチをオンする制御手段と、負荷電流検出手段とを備え、前記電圧検出手段は、線間電圧検出手段とスイッチ間電圧検出手段であり、前記負荷電流検出手段として、２つの負荷電流検出手段とを備え、前記制御手段は、外部からのスイッチオン指令で、前記線間電圧検出手段により検出された線間電圧のゼロクロスタイミングで二相の半導体スイッチをオンし、その後、さらに前記スイッチ間電圧検出手段により検出されたスイッチ間電圧のゼロクロスタイミングで残った一相の半導体スイッチをオンし、外部からのスイッチオフ指令で、前記２つの負荷電流検出手段の内、第一の負荷電流検出手段のゼロクロスタイミングで第一の電流検出相の半導体スイッチをオフし、その後前記２つの負荷電流検出手段の内、第二の負荷電流検出手段のゼロクロスタイミングで残った二相の半導体スイッチをオフようにしたものである。
かかる構成により、発生するノイズを抑制できるものとなる。

（２）上記目的を達成するために、本発明は、原子炉格納容器内に原子炉圧力容器と電磁機器が設置され、前記原子炉圧力容器に挿入された計装管に収納された中性子検出器の出力が信号ケーブルによって前記原子炉格納容器外に設置された前置増幅器に入力されている原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置であって、前記原子炉格納容器外に設置された電源と前記電磁機器との間に敷設され、前記電源から前記電磁機器に電力を供給する動力ケーブルと、前記動力ケーブルの途中に設置され、格納容器外に配置した前記電磁機器に供給される三相電源の電力をオンオフ制御するものであり、各相に備えられた半導体スイッチであるＦＥＴスイッチと、少なくとも線間電圧もしくはスイッチ間電圧を検出する電圧検出手段と、外部からのスイッチオン指令で、前記電圧検出手段によって検出された電圧値を用いて、あらかじめ定めたタイミングであらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、その後、あらかじめ定めた手順で残った一相の半導体スイッチをオンする制御手段と、負荷電流検出手段とを備え、前記電圧検出手段は、線間電圧検出手段であり、前記制御手段は、外部からのスイッチオン指令で、前記線間電圧検出手段により検出された線間電圧のゼロクロスタイミングで検出した二相の半導体スイッチをオンし、その後、さらにタイマにて電源周波数の９０°位相に相当する時間待って、残った一相の半導体スイッチをオンし、外部からのスイッチオフ指令で、前記負荷電流検出手段によって検出された負荷電流のゼロクロスタイミングで電流検出相の半導体スイッチをオフし、その後タイマにて電源周波数の９０°位相に相当する時間待って、残った二相の半導体スイッチをオフするようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記線間電圧検出手段は、二相にまたがって備えられ、前記負荷電流検出手段は、他の相に備えるようにしたものである。

（４）上記目的を達成するために、本発明は、原子炉格納容器内に原子炉圧力容器と電磁機器が設置され、前記原子炉圧力容器に挿入された計装管に収納された中性子検出器の出力が信号ケーブルによって前記原子炉格納容器外に設置された前置増幅器に入力されている原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置であって、前記原子炉格納容器外に設置された電源と前記電磁機器との間に敷設され、前記電源から前記電磁機器に電力を供給する動力ケーブルと、前記動力ケーブルの途中に設置され、格納容器外に配置した前記電磁機器に供給される三相電源の電力をオンオフ制御するものであり、各相に備えられた半導体スイッチであるＦＥＴスイッチと、スイッチ間電圧を検出する電圧検出手段と、外部からのスイッチオン指令で、前記電圧検出手段によって検出された電圧値を用いて、あらかじめ定めたタイミングであらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、その後、あらかじめ定めた手順で残った一相の半導体スイッチをオンする制御手段と、負荷電流検出手段とを備え、前記電圧検出手段は、スイッチ間電圧検出手段であり、前記制御手段は、外部からのスイッチオン指令で、前記スイッチ間電圧検出手段によって検出されたスイッチ間電圧値のゼロクロスタイミングでタイマを動作させて電源周波数の位相換算で９０°位相に相当する時間待ってあらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、次のスイッチ間電圧のゼロクロスで残った一相の半導体スイッチをオンし、外部からのスイッチオフ指令で、前記負荷電流検出手段によって検出された負荷電流のゼロクロスタイミングで電流検出相の半導体スイッチをオフし、その後タイマにて電源周波数の９０°位相に相当する時間待って、残った二相の半導体スイッチをオフするようにしたものである。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記電圧検出手段と前記負荷電流検出手段は、同じ相に備えられるものである。

本発明によれば、発生するノイズを抑制できるものとなる。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電磁機器の制御装置を適用した原子力発電プラントの全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置を適用した原子力発電プラントの全体構成を示すシステム構成図である。

中性子検出器３Ａ，３Ｂは、原子炉圧力容器１内に挿入された計装管２Ａ，２Ｂに収納されている。中性子検出器３Ａ，３Ｂには、中性子源領域モニタ、中間領域モニタ、起動領域中性子モニタ用の３種類があり、原子炉内の熱中性子による電離作用によって微弱電流を発生させる。この微弱電流信号は、原子炉格納容器５の外に設置した前置増幅器８Ａ，８Ｂにより増幅され、原子炉出力信号が得られる。中性子検出器３Ａ，３Ｂと前置増幅器８Ａ，８Ｂ間は、同軸ケーブル（検出器ケーブル）４Ａ，４Ｂによって接続される。計装管２Ａ，２Ｂの下端にはコネクタ４１Ａ，４１Ｂが取り付けられており、保守時等には同軸ケーブル４Ａ，４Ｂが取り外し可能となっている。同軸ケーブル４Ａ，４Ｂは、原子炉格納容器５を貫通するケーブルペネトレーション６Ａ，６Ｂ、すなわち、原子炉格納容器５の内外にケーブルを通すための原子炉格納容器５の貫通孔を通り、原子炉建屋９内に設置される前置増幅器８Ａ，８Ｂに接続される。これら同軸ケーブル４Ａ，４Ｂは、厚鋼電線管７Ａ，７Ｂ内を敷設されており、前置増幅器８Ａ，８Ｂの出力信号は、厚鋼電線管７Ａ，７Ｂ内に設置されている同軸ケーブル（図示していない）により制御建屋１０内の中性子監視装置１１Ａ，１１Ｂに入力される。

原子炉格納容器５内には、原子炉の制御や保護ための三相電磁機器２０が多数設置されており、これら電磁機器２０は、動力ケーブル１３を介して三相交流電源１９からの電力供給によって駆動される。三相電磁機器２０としては、モータ，ポンプ，電磁弁，電動弁等がある。動力ケーブル１３はケーブルペネトレーション６Ｃを通り、三相電源スイッチ装置３０に接続されている。図では、動力ケーブル１３は厚鋼電線管７Ｃ内に敷設されているが、必ずこのようになっている訳ではなく、厚鋼電線管７Ｃより金属部分が薄い可撓電線管内に敷設されたり、厚鋼電線管７Ｃがなかったりする。逆に、動力ケーブルが全て厚鋼電線管７Ｃや可撓電線管に入っている場合もある。

制御建屋１０内の操作盤１８上の操作スイッチ１７によって与えられる駆動指令によって、三相電源スイッチ装置３０がオン・オフして、電源１９から電磁機器２０への電源供給が制御される。三相電源スイッチ装置３０は、原子炉建屋９内に設置される場合も、制御建屋１０内に設置される場合もある。

本実施形態では、三相電源スイッチ装置３０をオン・オフして、電源１９から電磁機器２０への電源供給を制御する点に特徴がある。三相電源スイッチ装置３０の具体的構成については、図２を用いて後述する。

ここで、本発明者らが解明したノイズ発生の仕組みについて簡単に説明する。従来の原子力プラントでは、三相電源スイッチ装置３０に代えて、一般には、リレーやコンタクタからなるスイッチ装置が用いられている。

前述のように、近年、ディジタル化技術が進歩し、原子力プラントにも各種ディジタル装置が導入され、プラントの機能や性能の向上が図られている。このディジタル装置は、装置自体や装置に接続されているケーブルから電磁ノイズを放射する。原子力プラントに多数のディジタル装置が設置されるようになってきているために、電磁ノイズのバックグランドレベルが高くなってきている。このために、検出器ケーブル４Ａ，４Ｂに誘導されるバックグランドノイズのレベルも上がり、このような環境下において動力ケーブル１３から放射される電磁ノイズが検出器ケーブル４Ａ，４Ｂに誘導されるために、中性子監視装置１１Ａ，１１Ｂの指示変動の可能性がより高くなってきていることが、本発明者らの検討により判明した。原子炉格納容器内に設置されている動力ケーブル１３を介してポンプ等の電磁機器を駆動する構成は従来と変わらず、従来は、電磁機器の駆動信号によって中性子検出器の検出信号にノイズが発生するということはなかった。原子力発電プラントのディジタル化を進めたことによって電磁ノイズのバックグランドレベルが高くなったために、原子炉格納容器内の動力ケーブルあるいはポンプ等の電磁機器から放射される微弱な電磁ノイズが中性子検出信号に変動を生じさせるようになったのである。

ここで、電磁機器に交流電圧を印加するために、開閉素子であるコンタクタがオンするときあるいはオフする時に、接点の機械的なチャタリングにより、オン・オフをわずかな時間であるが繰り返し、ノイズ電流が発生する。この現象は、開閉素子にリレーを用いた場合も同様である。このノイズ電流は動力ケーブル１３を伝達し、このノイズ電流により、原子炉格納容器５内で動力ケーブル１３から電磁ノイズが空間に放射される。このノイズ電流の周波数は、コンタクタ部分の配線のインダクタンスや抵抗、コンタクタ接点間の浮遊容量などで決まる高周波の電磁ノイズであり、実測した結果、１００ＫＨｚ前後から数十ＭＨｚ程度であった。動力ケーブル１３が全て厚鋼電線管７Ｃ内に敷設されていても、電磁機器のフレームから高周波の電磁ノイズが空間に放射される。電磁機器が特にポンプやモータである場合には、巻き線とフレーム間の浮遊容量を介して上記の高周波電磁ノイズがフレームから放射される。

これに対し、検出器ケーブル４Ａ，４Ｂは全てが厚鋼電線管７Ａ，７Ｂ内に入っている訳でなく、保守時等にコネクタ４１Ａ，４１Ｂのところで検出器ケーブル４Ａ，４Ｂを取り外し可能とするため等の理由により、原子炉圧力容器１の下部では検出器ケーブル４Ａ，４Ｂは同軸ケーブルのままとなっている。このために、動力ケーブル１３やポンプ１２のフレームから放射される電磁ノイズが検出器ケーブル４Ａ，４Ｂに誘導されることになる。前置増幅器８Ａ，８ＢはμＡオーダのパルス電流を増幅するが、その増幅度は１０００倍から１万倍と非常に高く、かつ周波数範囲が数百ＫＨｚから数十ＭＨｚまであり、高利得かつ広帯域になっている。検出器ケーブル４Ａ，４Ｂに誘導された電磁ノイズの周波数が１００ＫＨｚ前後から数十ＭＨｚ程度であるために、この電磁ノイズを前置増幅器で増幅し、中性子監視装置１１Ａ，１１Ｂに入力させてしまうことになる。この結果、中性子監視装置１１Ａ，１１Ｂはポンプ１２の駆動時や停止時に指示変動を発生する可能性があることが分かった。

電磁ノイズの誘導は、コモンモードノイズが主体であるが、検出器ケーブル４Ａ，４Ｂの芯線とシールド線への誘導影響の差によるノーマルモードのノイズも存在する。コモンモードノイズの抑制として、特開平７−８４０８８号公報に示すように、前置増幅器８Ａ，８Ｂの入力段にコモンモードチョークコイルを設置することが検討されているが、この方法では、コモンモードノイズを抑制することは可能であるが、発生ノイズが大きい場合核計装への影響を完全に除去できるほどの効果があるかどうかはケースバイケースで違ってくる。また、ノーマルモードのノイズは抑制できない。

それに対して、本実施形態の原子力発電プラントでは、三相電源スイッチ装置３０の開閉素子にＭＯＳＦＥＴを用い、三相電源スイッチ装置３０は原子炉建屋９内に設置している。三相電源スイッチ装置３０は、開閉素子に半導体素子を用いて電磁機器（例えばポンプ，モータ，電動弁，電磁弁など）の駆動（オン，オフの切替）を行うようにすることで、開閉素子のオンあるいはオフの切替時に発生するノイズ電流を従来の機械式接点構造をもつリレーやコンタクタより飛躍的に低減させ、原子炉格納容器５内の電磁機器の動力ケーブル１３を伝達するノイズ電流による放射電磁ノイズによって核計装の検出器ケーブル４Ａ，４Ｂへのノイズ誘導を十分に抑制できる。さらに、開閉素子の開閉タイミングを制御することで、さらに、ノイズの発生を抑制している。

次に、図２〜図６を用いて、本実施形態による電磁機器の制御装置の回路構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図３〜図６は、本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。

三相電源スイッチ装置３０は、三相のそれぞれを開閉する半導体スイッチとして、ＭＯＳＦＥＴ３１ｕ，３１ｖ，３１ｗを備えている。ＭＯＳＦＥＴ３１ｕ，３１ｖ，３１ｗのオンオフは、制御回路３４ａによって制御される。さらに、電圧のゼロクロス検出回路として、線間電圧ゼロクロス検出回路３２ｕｖと、スイッチ間電圧ゼロクロス回路３２ｗを備え、電流ゼロクロス検出回路としては、Ｕ相に設けた電流ゼロクロス検出回路３３ｕと、Ｖ相に設けた電流ゼロクロス検出回路３３ｖを備えている。制御回路３４ａは、４つのゼロクロス検出回路の検出結果を基に、３つのＭＯＳＦＥＴスイッチ３１ｕ、３１ｖ，３１ｗのオン・オフタイミングを制御する。

三相電源スイッチ装置３０は、開閉素子のオンあるいはオフの切替時のノイズ電流を原理的に発生させないようにしたものであり、電磁機器に印加する交流電圧がゼロ点をクロスした時にＭＯＳＦＥＴ３１ｕ，３１ｖ，３１ｗをオン状態にし、交流電流がゼロクロスしたときに、三相電源をオフするように構成している。但し、オン・オフのタイミングは三相同時に実施するのではなく、後述するように分けて実施する。

図３は、三相電源の線間電圧の各相の波形を示している。Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは各線間の電圧波形である。図からわかるように、３線とも同時に電圧がゼロクロスするタイミングは存在しないので、電流の急変を伴わないように電源オンするには何らかの工夫が必要となることがわかる。

図４〜図６は、図２の三相電源スイッチ装置３０の動作を説明するための図であり、回路シミュレータで計算した結果である。電源周波数が５０Ｈｚの場合であり、他の周波数でも、スイッチングの絶対時刻は変わるが、考え方は同様である。なお、この計算結果は抵抗負荷の場合である。電源オン時は印加電圧の位相が重要であり、印加電圧の位相は負荷によらないものである。オフ時は電流位相をモニタしてスイッチタイミングを決める物であるが、各相の負荷は同じインピーダンスと考えられるので、相間の電流の位相差は抵抗負荷の場合と同じである。つまり、負荷がインダクタンスからなる電磁機器の場合もシュミレーション結果を利用できる。

図４は、線間電圧ゼロクロス検出回路３２ｕｖの電圧検出波形Ｖｕと、スイッチ間電圧ゼロクロス回路３２ｗの検出波形Ｖｓｗｗを示している。図５は、このときの各相の電流波形ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを示したものである。

制御回路３４ａは、線間電圧ゼロクロス検出回路３２ｕｖによって検出された線間電圧Ｖｕのゼロクロス点（約１８．４ｍｓ）で、Ｕ，Ｖ相のスイッチ３１ｕ，３１ｖをオンする。これにより、電流ｉｕ，ｉｖが電流ゼロから流れ始めて、ほぼ正弦波状に変化して、急峻な電流変化が生じていないことがわかる。

次に、制御回路３４ａは、スイッチ間電圧ゼロクロス回路３２ｗによって検出されたスイッチ間電圧Ｖｓｗｗがゼロクロスする時刻（約２３．４ｍｓ）で、オンしていない相のスイッチ３１ｗをオンさせる。これにより、電流ｉｗが正弦波状にゼロから変化して、電流の急変が生じていないことがわかる。

以上のように、初めに、Ｕ，Ｖ相の２線間の電圧がゼロのタイミングでオンしたため、２線間の印加電圧に応じて流れる電流もゼロから正弦波状に変化して急峻な電流変化が生じない。次に、残された相のスイッチ間の電圧がゼロのときにスイッチオンしたため、このときも急峻な電流変化なしで正弦波状に電流が増えている。つまり、図２の回路構成で急峻な電流変化を伴わない、すなわち三相電源オンでノイズがほとんど発生しないスイッチングができる。

電流ゼロクロス検出回路としては、Ｕ相に設けた電流ゼロクロス検出回路３３ｕと、Ｖ相に設けた電流ゼロクロス検出回路３３ｖを備えている。制御回路３４ａは、４つのゼロクロス検出回路の検出結果を基に、３つのＭＯＳＦＥＴスイッチ３１ｕ、３１ｖ，３１ｗのオン・オフタイミングを制御する。

図６は電源オフの説明のための電流波形を示している。各相の電流をそれぞれｉｕ，ｉｖ，ｉｗとしている。

制御回路３４ａは、電流ゼロクロス検出回路３３ｕによって検出されたＵ相電流がゼロクロスする時刻（３０ｍｓ）で、Ｕ相のスイッチ３１ｕをオフする。また、制御回路３４ａは、電流ゼロクロス検出回路３３ｖによって検出されたＶ相電流がゼロクロスする時刻（３５ｍｓ）で、Ｖ，Ｗ相のスイッチ３１ｖ，３１ｗをオフしている。電流がゼロのタイミングでスイッチオフしたことで急峻な電流変化は生じていないことがわかる。

なお、図２において、線間電圧ゼロクロス検出回路３２ｕｖと、スイッチ間電圧ゼロクロス回路３２ｗは、電圧トランスとコンパレータで実現可能であり、相電流ゼロクロス検出器３３ｕ，３３ｖはカレントプローブとコンパレータで実現可能であり、制御回路３４ａは、操作スイッチ１７の開閉指令と、ゼロクロス検出タイミングとのＡＮＤをとる論理回路で実現可能である。半導体スイッチＭＯＳＦＥＴ３１ｕ，３１ｖ，３１ｗには図示していないが、保護のためのボルテージサプレッションダイオードを接続してある。

以上のように、本実施形態においては、三相電源オンの場合、電圧ゼロクロス点を検出して始めに２相をオンし、残った一相を次にオンする。三相電源オフの場合、電流ゼロクロス点を検出して始めに１相をオフし、残った二相を次にオフする。このように、２ステップでオン・オフしている点に特徴がある。

本実施形態によれば、三相電磁機器の駆動をオン・オフ制御する開閉素子の動作タイミングを電流急変が生じないように制御することで、高周波ノイズの発生を大幅に抑制できるために、核計装システムへのノイズ影響を十分に抑制し、指示変動の発生可能性を低減できる。したがって、原子力発電プラントにおいては、原子炉の中性子レベルを正確に計測することができる。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態による電磁機器の制御装置の回路構成について説明する。なお、本実施形態による電磁機器の制御装置を適用した原子力発電プラントの全体構成は、図１に示したものと同様である。
図７は、本発明の第２の実施形態による電磁機器の制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

三相電源スイッチ装置３０Ａは、図２の構成との違いは、ゼロクロス検出回路として、電圧用ゼロクロス検出回路３２ｕｖ、電流用ゼロクロス検出回路３３ｗそれぞれ１個とした点である。

操作スイッチ１７で三相電源オンとなった場合、制御回路３４ｂは、線間電圧のゼロクロス検出回路３２ｕｖで電圧ゼロクロスを検出し、Ｕ，Ｖ相のスイッチ３１ｕ，３１ｖをオンし、そのあと制御回路３４ｂは、内蔵のタイマにて電源周波数の位相９０°相当の時間（電源周波数５０Ｈｚで５ｍｓ、６０Ｈｚで４．１７ｍｓ）待って、Ｗ相のスイッチ３１ｗをオンする。回路シミュレーションを通じて、２相のスイッチオンのあと、９０°すなわち５０Ｈｚでは５ｍｓ後に電流の急変を伴わないスイッチタイミングが生じることを確認している。

操作スイッチ１７で三相電源オフとなった場合、制御回路３４ｂは、相電流のゼロクロス検出回路３３ｗで電流ゼロクロスを検出し、Ｗ相のスイッチ３１ｗをオフし、そのあと制御回路３４ｂは、内蔵のタイマにて電源周波数の位相９０°相当の時間（電源周波数５０Ｈｚで５ｍｓ、６０Ｈｚで４．１７ｍｓ）待って、Ｕ，Ｖ相のスイッチ３１ｕ，３１ｖをオフする。タイマで２番目のスイッチングのタイミングを決められることは、図６の波形からも明らかである。

以上説明したように、電源オン・オフの最初のスイッチ操作をゼロクロス検出器の検出結果を参照し、２番目のスイッチングはタイマで決めることができる。このようにすれば、検出回路の簡単化が可能である。この場合、制御回路３４ｂにはタイマを内臓させる必要があるが、特に回路が複雑になるわけではない。

なお、図７では、線間電圧をＵ，Ｖ相で、電流をＷ相で検出しているが、機能だけを考えるのであれば、Ｕ，Ｖ相で電圧を、Ｕ相で電流検出をしても良い。図７の電圧検出相と電流検出相を分けているのは、制御回路でスイッチ３１ｕ，３１ｖを電源オンでもオフでも同時にオン・オフできるようにするためである。制御回路から見ると、３１ｕ，３１ｖのグループと、３１ｗとスイッチは２つとして扱えるようになり、制御回路が簡単化できる。

本実施形態によれば、三相電磁機器の駆動をオン・オフ制御する開閉素子の動作タイミングを電流急変が生じないように制御することで、高周波ノイズの発生を大幅に抑制できるために、核計装システムへのノイズ影響を十分に抑制し、指示変動の発生可能性を低減できる。したがって、原子力発電プラントにおいては、原子炉の中性子レベルを正確に計測することができる。また、制御回路を簡単化できる。

次に、図８〜図１０を用いて、本発明の第３の実施形態による電磁機器の制御装置の回路構成について説明する。なお、本実施形態による電磁機器の制御装置を適用した原子力発電プラントの全体構成は、図１に示したものと同様である。

図８は、本発明の第２の実施形態による電磁機器の制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。図９，図１０は、本発明の第３の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。

図８に示す三相電源スイッチ装置３０Ｂは、半導体スイッチＭＯＳＦＥＴ３１ｕ，３１ｖ，３１ｗと、スイッチ間電圧ゼロクロス検出回路３２ｕと、Ｕ相電流ゼロクロス検出回路３３ｕと、制御回路３４ｃとを備えている。

図９は、スイッチ間電圧Ｖｓｗｕの波形である。操作スイッチ１７で三相電源オンとなった場合、制御回路３４ｃは、スイッチ間電圧ゼロクロス検出回路３２ｕによって検出されたＶｓｗｕでゼロクロス点が検出されると、さらに、内蔵のタイマにて電源周波数の位相９０°相当の時間（５０Ｈｚの場合５ｍｓ）待って、Ｖ，Ｗ相のスイッチ３１ｖ，３１ｗをオンし、次の電圧ゼロクロスで、Ｕ相のスイッチ３１ｕをオンする。この場合の電流変化は、図１０に示すように、電流の急峻変化がないことが確認できる。

また、操作スイッチ１７で三相電源オフとなった場合、制御回路３４ｃは、相電流のゼロクロス検出回路３３ｕで電流ゼロクロスが検出されると、Ｕ相のスイッチ３１ｕをオフし、そのあと内蔵のタイマにて電源周波数の位相９０°相当の時間（電源周波数５０Ｈｚで５ｍｓ、６０Ｈｚで４．１７ｍｓ）待って、Ｖ，Ｗ相のスイッチ３１ｖ，３１ｗをオフする。

なお、図８の電圧検出相と電流検出相を同じにしているのは、制御回路でスイッチ３１ｖ，３１ｗを電源オンでもオフでも同時にオン・オフできるようにするためである。制御回路から見ると、３１ｖ，３１ｗのグループと、３１ｕとスイッチは２つとして扱えるようになり、制御回路が簡単化できる。

なお、以上の各実施形態において、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ用いているが、他の半導体素子ＩＧＢＴ，トランジスタ，サイリスタなども利用可能であることはもちろんである。サイリスタの場合は、自然転流特性を有するものを使えば、電流ゼロクロス回路が不要になり、さらに簡単化できる。

本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置を適用した原子力発電プラントの全体構成を示すシステム構成図である。本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。本発明の第１の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。本発明の第２の実施形態による電磁機器の制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態による電磁機器の制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。本発明の第３の実施形態による電磁機器の制御装置の動作説明図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器
２Ａ，２Ｂ…計装管
３Ａ，３Ｂ…中性子検出器
４Ａ，４Ｂ…検出器ケーブル
５…原子炉格納容器
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…ケーブルペネトレーション
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ…厚鋼電線管
８Ａ，８Ｂ…前置増幅器
９…原子炉建屋
１１Ａ，１１Ｂ…中性子監視装置
１３…動力ケーブル
１９…三相電源
２０…三相電磁機器
３０…三相電源スイッチ装置
３１…半導体スイッチ
３２…電圧ゼロクロス検出回路
３３…電流ゼロクロス検出回路
３４…制御回路

Claims

原子炉格納容器内に原子炉圧力容器と電磁機器が設置され、
前記原子炉圧力容器に挿入された計装管に収納された中性子検出器の出力が信号ケーブルによって前記原子炉格納容器外に設置された前置増幅器に入力されている原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置であって、
前記原子炉格納容器外に設置された電源と前記電磁機器との間に敷設され、前記電源から前記電磁機器に電力を供給する動力ケーブルと、
前記動力ケーブルの途中に設置され、格納容器外に配置した前記電磁機器に供給される三相電源の電力をオンオフ制御するものであり、
各相に備えられた半導体スイッチであるＦＥＴスイッチと、
少なくとも線間電圧もしくはスイッチ間電圧を検出する電圧検出手段と、
外部からのスイッチオン指令で、前記電圧検出手段によって検出された電圧値を用いて、あらかじめ定めたタイミングであらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、その後、あらかじめ定めた手順で残った一相の半導体スイッチをオンする制御手段と、
負荷電流検出手段とを備え、
前記電圧検出手段は、線間電圧検出手段とスイッチ間電圧検出手段であり、
前記負荷電流検出手段として、２つの負荷電流検出手段とを備え、
前記制御手段は、外部からのスイッチオン指令で、前記線間電圧検出手段により検出された線間電圧のゼロクロスタイミングで二相の半導体スイッチをオンし、その後、さらに前記スイッチ間電圧検出手段により検出されたスイッチ間電圧のゼロクロスタイミングで残った一相の半導体スイッチをオンし、
外部からのスイッチオフ指令で、前記２つの負荷電流検出手段の内、第一の負荷電流検出手段のゼロクロスタイミングで第一の電流検出相の半導体スイッチをオフし、その後前記２つの負荷電流検出手段の内、第二の負荷電流検出手段のゼロクロスタイミングで残った二相の半導体スイッチをオフすることを特徴とする原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置。
原子炉格納容器内に原子炉圧力容器と電磁機器が設置され、
前記原子炉圧力容器に挿入された計装管に収納された中性子検出器の出力が信号ケーブルによって前記原子炉格納容器外に設置された前置増幅器に入力されている原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置であって、
前記原子炉格納容器外に設置された電源と前記電磁機器との間に敷設され、前記電源から前記電磁機器に電力を供給する動力ケーブルと、
前記動力ケーブルの途中に設置され、格納容器外に配置した前記電磁機器に供給される三相電源の電力をオンオフ制御するものであり、
各相に備えられた半導体スイッチであるＦＥＴスイッチと、
少なくとも線間電圧もしくはスイッチ間電圧を検出する電圧検出手段と、
外部からのスイッチオン指令で、前記電圧検出手段によって検出された電圧値を用いて、あらかじめ定めたタイミングであらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、その後、あらかじめ定めた手順で残った一相の半導体スイッチをオンする制御手段と、
負荷電流検出手段とを備え、
前記電圧検出手段は、線間電圧検出手段であり、
前記制御手段は、外部からのスイッチオン指令で、前記線間電圧検出手段により検出された線間電圧のゼロクロスタイミングで検出した二相の半導体スイッチをオンし、その後、さらにタイマにて電源周波数の９０°位相に相当する時間待って、残った一相の半導体スイッチをオンし、
外部からのスイッチオフ指令で、前記負荷電流検出手段によって検出された負荷電流のゼロクロスタイミングで電流検出相の半導体スイッチをオフし、その後タイマにて電源周波数の９０°位相に相当する時間待って、残った二相の半導体スイッチをオフすることを特徴とする原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置。
請求項２の原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置において、
前記線間電圧検出手段は、二相にまたがって備えられ、
前記負荷電流検出手段は、他の相に備えることを特徴とする原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置。
原子炉格納容器内に原子炉圧力容器と電磁機器が設置され、
前記原子炉圧力容器に挿入された計装管に収納された中性子検出器の出力が信号ケーブルによって前記原子炉格納容器外に設置された前置増幅器に入力されている原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置であって、
前記原子炉格納容器外に設置された電源と前記電磁機器との間に敷設され、前記電源から前記電磁機器に電力を供給する動力ケーブルと、
前記動力ケーブルの途中に設置され、格納容器外に配置した前記電磁機器に供給される三相電源の電力をオンオフ制御するものであり、
各相に備えられた半導体スイッチであるＦＥＴスイッチと、
スイッチ間電圧を検出する電圧検出手段と、
外部からのスイッチオン指令で、前記電圧検出手段によって検出された電圧値を用いて、あらかじめ定めたタイミングであらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、その後、あらかじめ定めた手順で残った一相の半導体スイッチをオンする制御手段と、
負荷電流検出手段とを備え、
前記電圧検出手段は、スイッチ間電圧検出手段であり、
前記制御手段は、外部からのスイッチオン指令で、前記スイッチ間電圧検出手段によって検出されたスイッチ間電圧値のゼロクロスタイミングでタイマを動作させて電源周波数の位相換算で９０°位相に相当する時間待ってあらかじめ定めた二相の半導体スイッチをオンし、次のスイッチ間のゼロクロスで残った一相の半導体スイッチをオンし、
外部からのスイッチオフ指令で、前記負荷電流検出手段によって検出された負荷電流のゼロクロスタイミングで電流検出相の半導体スイッチをオフし、その後タイマにて電源周波数の９０°位相に相当する時間待って、残った二相の半導体スイッチをオフすることを特徴とする原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置。
請求項４の原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置において、
前記電圧検出手段と前記負荷電流検出手段は、同じ相に備えられることを特徴とする原子力発電プラントに用いられる電磁機器の制御装置。