JP5033510B2

JP5033510B2 - 原子力発電プラント

Info

Publication number: JP5033510B2
Application number: JP2007165893A
Authority: JP
Inventors: 篤伏見; 泉山田; 節男有田; 智貴坂田; 弘久里見; 一郎下田
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-06-25
Also published as: JP2009002881A

Description

本発明は、原子力発電プラントに関する。

近年、原子力発電プラントでは、運転効率向上のために動力機器のインバータ電源化が進められ、信頼性向上のため無停電電源装置も多数導入されるようになっている。このような電源装置は、スイッチングと平滑化により所望の振幅、周波数の電圧を生成して、負荷に供給している。特に、最近のスイッチング素子は、効率向上のために、非常に早い立上り、立下り時間でスイッチングすることができ、スイッチングで生じる電磁ノイズは振幅が大きくなり、周波数が高くなる傾向がある。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子では、スイッチング時間が数百ナノ秒程度まで短くなっており、ＭＨｚオーダーの高周波ノイズが発生する。

一方で、原子力発電プラントは、内部に種々の微弱信号計測系が設置されており、例えば、中性子計装システムは、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、出力領域モニタ用の３種類の中性子検出器が設置され、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用いられている。中性子源領域モニタ、及び中間領域モニタ、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を扱っている。特に、原子炉内の出力を監視する核計装システムのうち停止時及び起動時に使用する中性子源領域モニタは、１μＡ以下の微弱信号を扱っているため、高周波ノイズの影響を受けやすい。このような核計装システムは、原子炉安全保護系に指示値を出力するため、万一、ノイズの影響を受けた場合、誤警報や誤スクラムの可能性がある。

特許文献１には、電磁機器の駆動時に電源オン・オフで生じるスイッチングノイズを発生させないように開閉素子リレーの動作タイミングを制御し、ノイズを抑制する電磁機器制御装置が開示され、この技術により、原子力プラント内に設置された核計装システムへのノイズの影響が防止される。また、特許文献２には、中性子計装システムに使用される中性子検出器と前置増幅器との間に接続される同軸ケーブルをフェライトコアに巻回して、ノイズ対策を行った技術が開示されている。
特開２００７−３４０３号公報特開２００７−７８４９６号公報

特許文献１に示された発生ノイズ抑制方法は、交流電源のスイッチングタイミングを制御することによって、発生ノイズを低減するものであり、コンバータで変換した直流電力を高速にスイッチングして所定電圧、所定周波数の交流電力を生成するインバータ電源には使用することができない。
インバータ電源等をスイッチングしたときに発生する高周波ノイズは、通常、ラインフィルタを設置することにより抑制されている。しかし、このようなラインフィルタを設置した場合にも高周波ノイズがすべて除去できるわけではなく、高周波ノイズの一部分は、動力ケーブルを伝搬して電動機などの負荷に到達し、負荷から浮遊容量を経由して建屋接地幹線に漏洩する。漏洩したノイズ電流は、最終的には接地線（専用戻り線）を介してインバータに戻るが、戻るまでの過程において、他の系統に電磁誘導を引き起こし、電磁ノイズが発生する。また、建屋接地幹線などに電流が漏れる場合、必ず同一電流がコモンモード電流として動力ケーブルに流れており、このコモンモード電流が他系統への電磁誘導などを生じる可能性がある。

そこで、本発明は、電源装置が発生し、動力ケーブルを介して伝達する電磁ノイズを低減することができる原子力発電プラントを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の原子力発電プラントは、原子炉格納容器の内部に設置された電動機と、前記原子炉格納容器の外部に設置された電源装置と、前記原子炉格納容器の貫通口を貫通して前記電動機と前記電源装置とを接続する動力ケーブルと、前記貫通口を貫通して、前記動力ケーブルの芯線に近接して敷設され、前記電動機の筐体と前記電源装置の接地端子とを接続する戻り線とを備えた原子力発電プラントにおいて、前記戻り線は、前記動力ケーブルの芯線と双方のコモンモード電流を阻止するコモンモードチョークが前記電源装置側に設けられており、前記接地端子、及び前記戻り線は、コモンモードチョークを介さずに直接的に接地され、又はインダクタを介して建屋接地幹線に接地されていることを特徴とする。

これによれば、動力ケーブルに流れるノイズ電流が、外部の空間に電磁誘導をもたらし、例えば、微弱信号計測系、建屋接地幹線等に電磁ノイズを発生させる一方で、戻り線が動力ケーブルの芯線に近接して配置され、また、戻り線と動力ケーブルとの双方が同一の貫通口に通されることにより、外部に電磁誘導をもたらすノイズ電流が打ち消され、外部に影響する電磁ノイズを低減することができる。また、動力ケーブルの芯線及び戻り線に共通のコモンモードチョークを挿入することにより、浮遊容量を介して流れるコモンモード電流が低減され、電磁ノイズをさらに低減することができる。

本発明によれば、電源装置が発生し、動力ケーブルを介して伝達する電磁ノイズを低減することができる。

以下に、コモンモードチョークを使用した第１実施形態と、電源装置の接地線にインダクタを挿入した第２実施形態とについて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態である原子力発電プラントの構成図であり、コモンモードチョークを用いて電源装置が発生するノイズの影響を低減した実施形態である。
原子力発電プラント１００は、原子炉建屋９の屋内に原子炉格納容器５、前置増幅器８、電線管７、及び専用戻り線（戻り線）１４が設置され、原子炉建屋９の屋外の一角に中性子監視装置１０、電源装置１７、出力フィルタ１６、コモンモードチョーク２１、中性点接地線１９、及び電源装置接地線２０が設置され、原子炉格納容器５の内部には、原子炉圧力容器１と、計装管２、中性子検出器３、及び検出器ケーブル４と、電動機１１、電動機１１の筐体である電動機筐体１２及び動力ケーブル１３と、が備えられている。

中性子検出器３は、原子炉圧力容器１内に挿入された計装管２に収納されている。中性子検出器３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が発生する。

原子炉圧力容器１の内部に挿入された計装管２に中性子検出器３が収納され、中性子検出器３からは、中性子入射数に応じた電離電流が発生する。この電離電流は検出器ケーブル４を介して伝送される。検出器ケーブル４は、電線管７に収容され核計装用の孔である貫通部（ケーブルペネトレーション）６を貫通して前置増幅器８に接続されており、中性子検出器３が生成した電離電流が原子炉格納容器５と原子炉建屋９の壁面との間に設置した前置増幅器８により増幅される。増幅された信号は中性子監視装置１０により原子炉出力に換算される。

一方、原子炉格納容器５の内部には、原子炉の制御や保護ための電動機１１、図示しないポンプや電磁弁などの各種電磁機器が多数設置されており、これら電磁機器は、交流電源や直流電源の供給によって駆動される。

電源装置１７は、動力ケーブル１３、専用戻り線１４、出力フィルタ１６、及びコモンモードチョーク２１を介して、電動機１１を駆動している。ここで、専用戻り線１４は、動力ケーブル１３に密着して併設されており、動力ケーブル１３と共に、貫通口１５を貫通している。この専用戻り線１４は、原子炉建屋接地幹線１８へ漏洩するノイズ電流を低減して、原子炉微弱信号計測系（中性子核計装系）への電磁障害を抑制する。なお、電動機１１は、電動機筐体１２に収容されている。なお、貫通部６と貫通口１５との位置は比較的接近している。

また、動力ケーブル１３の内部に中心軸に対して対称となるよう芯線と平行に、専用戻り線１４を複数本敷設した一体型ケーブル、又は、専用戻り線１４を動力ケーブル内部に芯線を取り囲むように形成した円筒状の導体シールドとした一体型ケーブルを使用し、ケーブルの平衡度を増して電磁ノイズのさらなる低減を図ることもできる。

出力フィルタ１６は、図２に回路図を示したものであり、三相のコモンモードチョークと、３組のコンデンサＣＦ及び抵抗器ＲＦの直列回路とが備えられ、電源装置１７から供給される三相交流電力が三相のコモンモードチョーク及び動力ケーブル１３を介して電動機１１側に出力されると共に、電源装置１７で発生する高周波ノイズが、中性点接地線１９を介して建屋接地幹線１８に流れるように構成されている。なお、コモンモードチョークは、各相の芯線を、トロイダル形の磁性体コアに貫通させ、又は同一方向に巻回することにより構成することができる。

再び、図１に戻り、出力フィルタ１６の中性点接地線１９と、電源装置１７の接地線と、専用戻り線１４とは、電源装置接地線２０を介して、建屋接地幹線１８に接地されている。コモンモードチョーク２１は、動力ケーブル１３のすべての芯線と専用戻り線１４との双方をトロイダル形の磁性体コアに貫通させ、又は同一方向に巻回することにより簡単に構成することができる。また、コモンモードチョーク２１は、専用戻り線１４を介さずに電源装置１７に帰還する高周波電流成分、すなわち、コモンモード電流成分に対して大きなインピーダンスを付加し、浮遊容量Ｃを介して建屋接地幹線１８等に漏洩するノイズ電流（コモンモード電流）を低減している。

専用戻り線１４及びコモンモードチョーク２１によって、建屋接地幹線１８に流れるノイズ電流を抑制することで、建屋接地幹線１８を介したノイズ電流の廻り込みによる中性子検出信号への影響を抑制することができる。また、高周波ノイズ電流を専用戻り線１４に最大限帰還させることにより、動力ケーブル１３及び専用戻り線１４に流れるノイズ電流が効率よく打ち消し合い、電磁ノイズの発生をさらに抑制することができる。また、電磁ノイズを抑制するために、専用戻り線１４を動力ケーブル１３の内部に円筒状の導体シールドとして形成し、又は芯線を取り囲むように配置した複数本の導体線として形成することにより、動力ケーブル１３と専用戻り線１４とによる電磁誘導の相殺効率を高めることが可能である。

図３（ａ）は、原子力発電プラント１００（図１）の電動機１１の配電系統の簡略な回路モデルである。三相交流電源は、インバータにより構成される電源装置１７の高周波ノイズ成分のみを、立上り時間／立下り時間０．２マイクロ秒、周期（１／５００ｋＨｚ）のスパイク状電圧で模擬したものである。また、電動機１１は、抵抗器及びコイルの直列回路でモデル化された三相コイルがＹ結線され、中性点で接続されている。また、電動機１１の中性点と電動機筐体１２との間の浮遊容量を１０ｎＦとし、電動機筐体１２と建屋接地幹線１８との間の浮遊容量を０．１ｎＦとし、建屋接地幹線１８のインダクタンスを１０μＨとしている。

電源装置１７で発生したノイズは、出力フィルタ１６のコンデンサＣＦ及び抵抗器ＲＦの直列回路を介して一部が建屋接地幹線１８から電源装置１７に戻るが、残りのノイズ成分は動力ケーブル１３の芯線を伝搬して電動機１１の本体に達する。平衡した三相正弦波であれば、電動機１１の中性点電位は常に０Ｖとなるが、高周波ノイズなど不平衡電圧成分がある場合には中性点の電位は０Ｖにはならず、高周波ノイズ電流が浮遊容量Ｃを介して電動機筐体１２から建屋接地幹線１８へ漏れ出す。

漏れ出たノイズ電流は、出力フィルタ１６の定数や浮遊容量Ｃなどで変化するが、図３（ｂ）の電流波形に示すように、コンデンサＣＦ及び抵抗器ＲＦの直列回路と建屋接地幹線１８とに流れる電流の和である全ノイズ電流約１Ａに対して、建屋接地幹線１８に流れる接地線電流約１００ｍＡが漏れている。なお、これらのノイズ電流の周期は２μＳである。

ここで、図４（ａ）のように、電動機筐体１２に専用戻り線１４を敷設した場合、図４（ｂ）に示すように、専用戻り線１４を介して電源装置接地線２０に帰還する帰還電流が生じ、建屋接地幹線１８に漏れ出すノイズ電流が減少している。

同様に、電動機１１の中性点に専用戻り線１４を接続した場合も、図４（ａ）の場合に比べて専用戻り線１４と建屋接地幹線１８との間の浮遊容量Ｃが変わるだけで、同様のメカニズムにより建屋接地幹線１８へ漏れ出すノイズ電流が減少する。

次に、図５（ａ）は、電動機１１の筐体に接続した専用戻り線１４と動力ケーブル１３の芯線との間にコモンモードチョーク２１を挿入した場合の回路モデルである。この場合は、コモンモードチョーク２１の存在により、専用戻り線１４を帰還せずに建屋接地幹線１８へ漏れ出す成分に対するインピーダンスが大きくなるため、図５（ｂ）に示すように、更に専用戻り線１４を帰還する電流成分が増加し、建屋接地幹線１８に漏れ出す電流成分が減少する。

以上説明したように本実施形態によれば、動力ケーブル１３と電源装置１７との間に出力フィルタ１６を備えることにより、電源装置１７が発生する高周波ノイズが出力フィルタ１６によって抑制され、動力ケーブル１３から建屋接地幹線１８に流れる漏洩電流を低減することができる。また、専用戻り線１４を備え、この専用戻り線１４と動力ケーブル１３の芯線との双方にコモンモードチョーク２１を挿入することで建屋接地幹線１８への漏洩電流をさらに低減することができる。建屋接地幹線１８へ漏洩するノイズ電流が低減することにより、建屋接地幹線１８に接続されている原子炉微弱信号計測系への電磁障害を抑制することができる。

また、専用戻り線１４が動力ケーブル１３の芯線に近接して配置されることにより、動力ケーブル１３に流れるノイズ電流と専用戻り線１４に戻るノイズ電流とが打ち消され、外部に影響する電磁誘導が低減し、原子炉微弱信号計測系又は建屋接地幹線１８に誘導される誘導ノイズが低減される。また、原子炉微弱信号計測系と動力ケーブル１３とが近接して並走しやすい格納容器の貫通部６と貫通口１５とでは、専用戻り線１４と動力ケーブル１３とを同一の貫通口１５に通すことで、電磁ノイズによる誘導を抑制することができる。なお、電動機１１の本体又は電動機筐体１２が、建屋接地幹線１８や構造材に導通しないことにより、建屋接地幹線１８への漏洩電流が減少し、専用戻り線１４への還流が増大し、ノイズ電流の打ち消し効率が高まる。

更に、専用戻り線１４と動力ケーブル１３の芯線との間にコモンモードチョーク２１を敷設することで、動力ケーブル１３の芯線と専用戻り線１４でキャンセルしない電流成分、すなわち、動力ケーブル芯線から出て専用戻りラインを戻らずに建屋接地幹線１８などに漏洩する電流成分に対して大きなインピーダンスが加わるため、インピーダンスの小さい専用戻り線１４へ帰還する電流が増大する。一方、建屋接地幹線１８などへ漏洩する電流成分を小さくできる。

（第２実施形態）
図６に示す原子力発電プラント１１０は、第１実施形態の構成からコモンモードチョーク２１を削除し、電源装置接地線２０と建屋接地幹線１８との間にインダクタ２２を挿入したものである。
このインダクタ２２は、専用戻り線１４を介さずに電源装置１７に帰還する高周波電流成分、すなわちコモンモード成分に対して大きなインピーダンスを付加し、建屋接地幹線１８等に漏洩する漏洩電流を低減している。なお、インダクタ２２は、トロイダル形の磁性体コアに電源装置接地線２０を貫通し、又は巻回することで簡単に構成できる。

このように、第１実施形態と同様、建屋接地幹線１８などへの漏洩電流を抑制することで、接地を介した漏洩電流の廻り込みによる中性子検出信号への影響を抑制することができる。また、高周波ノイズ電流を最大限専用戻り線１４に帰還させることにより、電磁ノイズの発生を抑制することができる。
同様に、電源装置１７及び出力フィルタ１６の接地端子と専用戻り線１４との接続部にインダクタ２２を挿入することにより、専用戻り線１４を帰還せずに建屋接地幹線１８を介して電源装置１７及び出力フィルタ１６の接地線から帰還する電流成分を制限することができ、建屋接地幹線１８などへの漏洩電流が低減する。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、出力フィルタ１６を電源装置１７側に設置したが、電動機１１側に設置することもできる。これによれば、出力フィルタ１６内部のコンデンサＣＦと抵抗器ＲＦの直列回路に流れる電流が建屋接地幹線１８を介して流れることになるが、電動機１１と専用戻り線１４との間の浮遊容量を介して帰還するノイズ電流自体は打ち消される。
（２）動力ケーブル１３の芯線に近接して専用戻り線１４を設けることには、動力ケーブル１３と専用戻り線１４とを併設するだけでなく、動力ケーブル１３の内部に専用戻り線１４を設けることも含まれる。

本発明の第１実施形態である原子力発電プラントの構成図である。出力フィルタの回路図である。建屋接地幹線へのノイズ電流について説明するための図である。専用戻り線により漏洩電流を抑制する方法について説明するための図である。コモンモードチョークの設置により漏洩電流を抑制する方法について説明するための図である。本発明の第２実施形態である原子力発電プラントの構成図である。

符号の説明

１原子炉圧力容器
２計装管
３中性子検出器
４検出器ケーブル
５原子炉格納容器
６貫通部
７電線管
８前置増幅器
９原子炉建屋
１０中性子監視装置
１１電動機
１２電動機筐体（電動機の筐体）
１３動力ケーブル
１４専用戻り線（戻り線）
１５貫通口
１６出力フィルタ
１７電源装置
１８建屋接地幹線
１９中性点接地線
２０電源装置接地線
２１コモンモードチョーク
２２インダクタ
１００，１１０原子力発電プラント

Claims

原子炉格納容器の内部に設置された電動機と、前記原子炉格納容器の外部に設置された電源装置と、前記原子炉格納容器の貫通口を貫通して前記電動機と前記電源装置とを接続する動力ケーブルと、
前記貫通口を貫通して、前記動力ケーブルの芯線に近接して敷設され、前記電動機の筐体と前記電源装置の接地端子とを接続する戻り線とを備えた原子力発電プラントにおいて、
前記戻り線は、前記動力ケーブルの芯線と双方のコモンモード電流を阻止するコモンモードチョークが前記電源装置側に設けられており、
前記接地端子、及び前記戻り線は、コモンモードチョークを介さずに直接的に、又はインダクタを介して建屋接地幹線に接地されていることを特徴とする原子力発電プラント。
前記動力ケーブルは、計装制御信号を伝送する信号ケーブルを貫通する第１の貫通口とは異なる第２の貫通口に貫通し、
前記戻り線は、前記動力ケーブルを貫通するのと同一の第２の貫通口を貫通して、前記動力ケーブルの芯線に近接して敷設されていることを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラント。
前記建屋接地幹線は、前記電動機の筐体に接続された前記戻り線と前記電源装置の接地端子との双方と、前記原子炉格納容器の外部で一点接地され、
前記原子炉格納容器の内部の微弱電気を計測する微弱信号計測系は、前記建屋接地幹線に前記原子炉格納容器の外部で接地されていることを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラント。
前記動力ケーブルと前記電源装置との間に、前記電源装置が発生するノイズ成分を前記建屋接地幹線に流す出力フィルタが挿入されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の原子力発電プラント。
前記電源装置が発生するノイズ成分を前記建屋接地幹線に分流する出力フィルタが前記動力ケーブルと前記電源装置との間に挿入され、
前記コモンモードチョークは、前記戻り線及び前記動力ケーブルと前記出力フィルタとの間に挿入されたことを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラント。
前記コモンモードチョークは、トロイダル形状の磁性体コアに前記戻り線と前記動力ケーブルとの双方を貫通し、又は巻回したものであることを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラント。
前記インダクタは、トロイダル形状の磁性体コアに前記戻り線を貫通し、又は巻回したものであることを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラント。
前記建屋接地幹線と前記原子炉格納容器の建屋構造材とは、互いに絶縁されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の原子力発電プラント。
前記動力ケーブルの芯線と前記戻り線とは、前記動力ケーブルの芯線と、この芯線を取り囲むように形成された円筒状の導体シールドとを備える一体型ケーブルとして形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載の原子力発電プラント。
前記動力ケーブルと前記戻り線とは、前記動力ケーブルの芯線と、この芯線と平行に中心軸に対して対称な位置に配置した複数の導体を前記戻り線として備える一体型ケーブルとして形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の原子力発電プラント。