JP6105495B2

JP6105495B2 - 直流電源回路

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Publication number: JP6105495B2
Application number: JP2014007405A
Authority: JP
Inventors: 俊也守田; 修平菅原
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: JP2015136264A

Description

本発明は、一つの主母線盤に、地絡検出回路を有する複数の直流電源設備が接続される直流電源回路に関する。

直流電源回路は、蓄電池、交流を直流に変換し蓄電池を浮動充電するとともに、直流負荷に電源を供給する充電器を有する直流電源設備と、直流電源設備からの電源を負荷に給電するための主母線盤等から構成される。

従来、原子力発電所の直流電源回路は、直流電源設備と主母線盤は１：１の構成であったが、近年直流電源設備の強化のため、１つの主母線盤に複数台の直流電源設備を設けることが望まれている。直流電源回路の接地は非接地系であるため、充電器出力側に地絡検出回路を設け、直流電源回路での地絡発生時においては、本地絡検出回路の動作により、警報を発報し、運転員に注意を促すとともに、短絡事故への進展を防ぐものとしている。

地絡検出回路は、正極と負極間に１０ｋΩ程度の抵抗を２組直列接続し、その中間点で中性点を作り、その中性点にリレーと中性点抵抗を設けて常時接地する。地絡が発生した場合に、地絡点から中性点抵抗を介して地絡電流が流れることにより本リレーが動作して、地絡発生を検知する構成となっている。従って、地絡の検出感度は、設置するこれらの抵抗の抵抗値に依存することになる。

従来、原子力発電所の直流電源回路は、１系統において、直流電源設備と主母線盤は１：１の構成であった為、地絡検出回路の設計も特に問題はなかったが、主母線盤に複数台の直流電源設備を設けると、地絡検出回路が増えることにより、地絡時の地絡電流が、各地絡検出回路に分流してしまうため、地絡検出感度が低下する可能性がある。

そこで、特許文献１では、主母線に常時接続される複数台の直流電源設備に備えられた地絡検出回路に、正極から中性点へ向かって流れる方向を順方向とした逆流阻止用素子と、中性点から負極へ向かって流れる方向を順方向とした逆流阻止用素子を設ける構成としている。これにより地絡が発生した場合に健全側直流電源設備の地絡検出回路に地絡電流の回り込みを阻止し、地絡している側の電源の判別を可能としている。

特開２００９−３８９２９号公報

しかしながら特許文献１では、地絡電流の回り込みを防止するための逆流阻止用素子を有する構成であるものの、各地絡検出回路を構成する中性点抵抗は、常時接地状態となっている。従って、地絡電流は、直流電源設備の台数に応じて分流されるため、地絡検出感度の低下を引き起こす可能性は否定できない。

そこで本発明は、複数台の直流電源設備が接続される直流電源回路において、地絡検出感度の低下を防止し得る直流電源回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、蓄電池と充電器から構成される直流電源設備を、主母線に対し複数並列接続し、前記主母線を介して負荷へ前記直電源設備より給電する直流電源回路であって、前記各充電器は、出力側に地絡検出回路と、前記地絡検出回路と接地点間に開閉器を備え、前記複数の直流電源設備が運転状態において、前記複数の充電器の地絡検出回路のうち１つの地絡検出回路のみを前記開閉器を介して接地することを特徴とする。

本発明によれば、複数台の直流電源設備が接続される直流電源回路において、地絡検出感度の低下を防止し得る直流電源回路を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る直流電源回路の概略構成図である。図１に示す制御回路１１０Ａの制御動作の説明図である。図１に示す制御回路１１０Ｂの制御動作の説明図である。図１に示す地絡検出回路１０６Ａの概略構成図である。比較例の直流電源回路の概略構成図である。本発明の他の実施例に係る直流電源回路の概略構成図である。本発明の他の実施例に係る直流電源回路の概略構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１に本発明の実施例１による直流電源回路の概略構成図を示す。以下では、一つの主母線盤１１１に２台の直流電源設備を設けた場合を例に説明するが、複数台設けた場合も同様に動作可能である。図１に示されるように、Ａ系統の直流電源設備は、通常時の受電系となる交流電源１０１、交流電源喪失時に主母線盤１１１を介して直流負荷１１２へ電源喪失することなく直流電源を給電するための蓄電池１０２Ａ及び蓄電池１０２Ａを通常時浮動充電しながら主母線盤１１１に直流電源を給電する充電器１０９Ａから構成される。充電器１０９Ａは、入力遮断器１０４Ａ、交流電源を直流電源に変換し直流負荷１１２に給電するとともに蓄電池１０２Ａを浮動充電する整流器１０５Ａ、整流器１０５Ａと主母線盤１１１を接続する出力遮断器１０８Ａ、蓄電池保護用遮断器１０３Ａから構成されている。なお、原子力発電所ではモータコントロールセンタが交流電源１０１に相当する。

蓄電池１０２Ａと充電器１０９Ａから構成されるＡ系統の直流電源設備は、通常非接地系としているため、地絡事故発生時においても設備としては通常運転状態と変化が無い。このため、地絡事故が主母線盤１１１に接続される直流負荷１１２の回路で発生し、その後、他回路で再度地絡事故が発生して短絡事故に移行しないように、運転員に対して、当該設備が地絡事故状態にあることを知らせるため、充電器１０９Ａの出力側に、地絡検出回路１０６Ａを設けている。地絡検出回路１０６Ａは、開閉器１０７Ａを介して接地され、充電器１０９Ａは、整流器１０５Ａ及び出力遮断器１０８Ａからの信号（動作状態）を取り込み開閉器１０７Ａの開閉を制御する制御回路１１０Ａを備えている。

また、同様にＢ系統の直流電源設備は、交流電源１０１、蓄電池１０２Ｂ及び充電器１０９Ｂから構成される。充電器１０９Ｂは、入力遮断器１０４Ｂ、整流器１０５Ｂ、蓄電池保護用遮断器１０３Ｂ、地絡検出回路１０６Ｂ、開閉器１０７Ｂ、制御回路１１０Ｂ及び出力遮断器１０８Ｂより構成されている。

ここで、地絡検出回路１０６Ａの概略構成を図４に示す。地絡検出回路１０６Ａは、正極回路３０１と負極回路間に１０ｋΩ程度の正極側抵抗３０３Ａ、負極側抵抗３０４Ａを２組直列接続し、その中間点で中性点３０５Ａをなし、その中性点３０５Ａにリレー３０６Ａと中性点抵抗３０７Ａを設けることで構成される。そして、地絡検出回路１０６Ａの中性点抵抗３０７Ａは開閉器１０７Ａを介して接地される。このような構成で開閉器１０７Ａが閉状態のとき地絡が発生すると、地絡点から開閉器１０７Ａ及び中性点抵抗３０７Ａを介して地絡電流が流れることによりリレー３０６Ａが動作し地絡発生を検知する。従って、地絡電流は、地絡点の地絡抵抗、中性点抵抗３０７Ａ及び正極抵抗３０３Ａ若しくは負極抵抗３０４Ａの抵抗値に依存した電流値となるため、地絡検出感度は、中性点抵抗３０７Ａ及び正極抵抗３０３Ａ若しくは負極抵抗３０４Ａの抵抗値に依存することになる。なお、地絡検出回路１０６Ｂも同様の構成であるため説明を省略する。

ここで、図１に示す本実施例の直流電源回路の比較例を説明する。図５に比較例の直流電源回路を示す。図５では、２台の直流電源設備、Ａ系統の直流電源設備及びＢ系統の直流電源設備が一つの主母線盤１１１に接続され、Ａ系及びＢ系の直流電源設備が並列運転している場合の例を示している。比較例では、図１に示す本実施例における開閉器１０７Ａ、１０７Ｂ、制御回路１１０Ａ及び１１０Ｂを備えておらず、その他の構成は図１に示す構成と同様である。すなわち、比較例では、地絡検出回路１０６Ａの中性点抵抗３０７Ａは常時接地される構成となっている。この場合、地絡検出回路１０６Ａ及び１０６Ｂは、それぞれ充電器１０９Ａ、１０９Ｂに内蔵され、どちらの地絡検出回路も検出状態にある。ここで、直流負荷１１２で地絡４０１が発生した場合、地絡電流は、常時接地された二つの地絡検出回路１０６Ａ及び１０６Ｂへ分流し、それぞれ分流後の地絡電流４０２及び４０３が流れる。そのため、直流電源設備１台運転時と比較して、地絡検出回路１０６Ａ及び１０６Ｂを流れる地絡電流は小さくなる。従って、例えば、地絡状態が完全地絡ではなく、不完全地絡のようなケースの場合では、地絡検出回路１０６Ａを流れる分流後の地絡電流４０２は、地絡検出回路１０６Ａのリレ−３０６Ａの動作領域に至らず、地絡を検出できないケースが発生し得ることになる。同様に、地絡検出回路１０６Ｂのリレー３０６Ｂにおいても地絡検出できないこととなる。これは、一つの主母線盤１１１に接続される直流電源設備の並列数が増加するほどその感度が低下することになる。

ここで図１に戻り、本実施例の地絡検出回路１０６Ａでは、上述のとおり、中性点３０５Ａに設置したリレー３０６Ａ、中性点抵抗３０７Ａと接地点間に開閉器１０７Ａ及び制御回路１１０Ａを設け、充電器１０９Ａの運用状態に応じて開閉器１０７Ａを開閉制御することにより、地絡電流の分流による地絡検出感度の低下を防止可能なインターロック機能が実現される。

このインターロック機能を実現するＡ系、Ｂ系それぞれの充電器１０９Ａ、１０９Ｂに設けられた制御回路１１０Ａ、１１０Ｂの制御動作について説明する。以下では、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの優先度がＢ系統の地絡検出回路１０６Ｂの優先度よりも高く設定された場合を想定し説明する。

図２に図１に示す制御回路１１０Ａの制御動作の説明図を示す。制御回路１１０Ａは、充電器１０９Ａの出力遮断器１０８Ａの開閉状態及び充電器１０９Ａの運転状態に基づき開閉器１０７Ａを制御する。具体的には、充電器１０９Ａの運転状態２０２と出力遮断器１０８Ａの閉信号２０１をＡＮＤ回路２０９に入力し、ＡＮＤ回路２０９による出力が“１”のとき、すなわち、充電器１０９Ａが運転状態にあり、且つ、出力遮断器１０８Ａが閉状態であることが検出されると、開閉器１０７Ａを閉状態とする制御信号を出力する。ＡＮＤ回路２０９からの出力が“０”の場合、ＮＯＴ回路２０８により開閉器１０７Ａを開状態とする制御信号が選択され、開閉器１０７Ａへ出力される。本実施例においては、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの優先度が高く設定されているため、図２において、開閉器１０７Ａへ閉状態とする制御信号が出力され、地絡検出回路１０６Ａのリレー３０６Ａは、中性点抵抗３０７Ａ及び開閉器１０７Ａを介して接地され、運用開始状態となる。

また、Ｂ系統の制御回路１１０Ｂの制御動作を図３に示す。制御回路１１０Ｂは、出力遮断器１０８Ｂの閉信号２０４と充電器１０９Ｂの運転状態２０５のＡＮＤ条件を判定するＡＮＤ回路２０９、ＡＮＤ回路２０９の出力を所定時間（例えば、数ｓｅｃ）遅延し出力するタイマ２０７、タイマ２０７からの出力と開閉器１０７Ａの開信号２０３（Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａが非運用状態）とのＡＮＤ条件を判定するＡＮＤ回路２０９を有する。また、制御回路１１０Ｂは、ＡＮＤ回路の出力が“０”の場合、ＮＯＴ回路２０８の出力と開閉器１０７Ａの閉信号２０６（Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａが運用状態）とのＯＲ条件を判定するＯＲ回路２１０を有している。本実施例では、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａが運転状態にあることから、ＯＲ回路２１０の出力により開閉器１０７Ｂを開状態する制御信号が選択され、開閉器１０７Ｂへ出力される。これにより、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａが運用状態にあるとき、Ｂ系統の地絡検出回路１０６Ｂは非運用状態（非接地）となり、インターロック機能が実現される。

但し、Ａ系統の直流電源設備が何らかの理由で停止した場合は、開閉器１０７Ａが開放し、ＡＮＤ回路２０９の出力により開閉器１０７Ｂを閉状態とする制御信号が選択され、開閉器１０７Ｂへ出力される。これにより、Ｂ系統の地絡検出回路１０７Ｂのリレー３０６Ｂは中性点抵抗３０７Ｂ及び開閉器１０７Ｂを介して接地され、運用開始状態に切り替わる。

以上のように、いかなる状況においても、Ａ系及びＢ系の地絡検出回路１０６Ａ及び１０６Ｂのうち何れか一方のみが接地状態となるため、仮に、図５に示すように直流負荷１１２で地絡４０１が発生した場合、地絡電流は分流されることなく、運用状態にある１つの地絡検出回路に流れ地絡検出感度の低下を防止することができる。

なお、本実施例においては、制御回路１１０Ｂ内にＡＮＤ回路２０９の出力を所定時間遅延させるためのタイマ２０７を設ける構成を例に説明したが、Ａ系及びＢ系の直流電源設備が並列運転状態にあれば、必ずしもタイマ２０７を設けなくてもよい。

また、本実施例では、２系統の直流電源設備を主母線盤に接続する場合を説明したが、これに限らず、３系統以上複数台の直流電源設備を主母線盤に接続する構成としても同様に地絡検出感度の低下を防止することができる。この場合、例えば、各系統の制御回路の構成を図３に示す構成とし、予め各系統毎に優先度を割り付け、各系統の制御回路が他の系統の優先度も含めて図示しない記憶部に格納するよう構成すればよい。

本実施例によれば、複数台の直流電源設備が１つの主母線盤に接続される直流電源回路において、１つの地絡検出回路のみが接地される状態とでき、地絡電流の分流による地絡検出感度の低下を防止できる直流電源回路を実現できる。

図６に本発明の実施例２による直流電源回路の概略構成図を示す。図１と同一の構成要素に同一の符号を付している。実施例１では、各直流電源設備に設けられた制御回路により、各充電器の運転状態及び出力遮断器の開閉状態に基づき、１つの地絡検出回路のみを運用状態とするよう、各開閉器の開閉を自動で行う構成とした。これに対し、本実施例では、地絡検出回路の接地又は非接地状態を手動にて設定可能な地絡検出回路切り離し回路を設けた点が異なる。以下では、実施例１と同様に、Ａ系及びＢ系２つの直流電源設備を並列に主母線盤に接続する場合を例に説明するが、これに限られず、３系統以上複数台接続する場合にも適用できる。

図６に示されるように、本実施例の直流電源回路は、図１に示す開閉器１０７Ａ及び１０７Ｂに替えて、それぞれ、地絡検出回路切り離し回路５０１Ａ及び５０１Ｂを備えている。また、制御回路１１０Ａ及び１１０Ｂは同様の構成であるため、以下では、制御回路１１０Ａについて説明する。

制御回路１１０Ａは、図２において説明したように、充電器１０９Ａに設けられた出力遮断器１０８Ａの開閉状態及び充電器１０９Ａの運転状態に基づき、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの接地又は非接地を切り替える地絡検出回路切り離し回路５０１Ａを開状態または閉状態のいずれとすべきか判定する。制御回路１１０Ａが設けられた充電器１０９Ａは、図示しない充電器盤内に実装され、地絡検出回路切り離し回路５０１Ａの投入を指示入力可能なスイッチ、例えば、押しボタン式、あるいはレバー式等が充電器盤上に設けられている。また、制御回路１１０Ａによる判定結果である地絡検出回路切り離し回路５０１Ａを「閉状態」あるいは「開状態」のいずれかにすべきかを運転員に促す表示部を図示しない充電器盤に備えている。実施例１と同様に、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの優先度がＢ系統の地絡検出回路１０６Ｂの優先度よりも高く設定されている場合、充電器盤上の表示部には「閉状態」とすべき旨を促す表示がなされ、運転員はこの表示内容を確認し、地絡検出回路切り離し回路５０１Ａの投入をスイッチを介して指示入力することで、地絡検出回路１０６Ａを運用開始状態とできる。

また、同様に、Ｂ系統の制御回路１１０Ｂが設けられた充電器１０９Ｂが実装された充電器盤にも表示部及びスイッチが設けられており、地絡検出回路切り離し回路５０１Ａが投入状態（閉状態）のとき、充電器１０９Ｂが実装された充電器盤の表示部には、地絡検出回路切り離し回路５０１Ｂを「開状態」とすべき旨を促す表示がなされている。制御回路１１０Ａ及び制御回路１１０Ｂによるインターロック機能については、実施例１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施例では、実施例１と比較し運転員による操作が必要となるものの、運転員が直流電源設備の運転状況を把握し確実な操作が可能となる。

また、本実施例においても、複数台の直流電源設備が１つの主母線盤に接続される直流電源回路において、１つの地絡検出回路のみが接地される状態とでき、地絡電流の分流による地絡検出感度の低下を防止できる直流電源回路を実現できる。

図７に本発明の実施例３による直流電源回路の概略構成図を示す。図１と同一の構成要素に同一の符号を付している。実施例１では、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの接地を制御回路１１０Ａにより自動的に開閉器１０７Ａを制御する構成としたが、本実施例では、中央操作室に設置された制御盤６０２により開閉器１０７Ａを制御する構成とした点が異なる。以下では、実施例１と同様にＡ系及びＢ系２つの直流電源設備を並列に主母線盤に接続する場合を例に説明するが、これに限られず、３系統以上複数台接続する場合にも適用できる。

図７に示されるように、本実施例の直流電源回路は、遠隔に配置された中央操作室に設置された制御盤６０２を備え、制御盤６０２は、制御回路１１０Ａ及び制御回路１１０Ｂと通信可能に接続されている。制御回路１１０Ａは、図２において説明したように、充電器１０９Ａに設けられた出力遮断器１０８Ａの開閉状態及び充電器１０９Ａの運転状態に基づき、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの接地又は非接地を切り替える開閉器１０７Ａを開状態または閉状態のいずれとすべきか判定する。制御盤６０２には開閉器１０７Ａ、１０７Ｂの投入を指示入力可能なスイッチ、例えば、押しボタン式、あるいはレバー式等が設けられている。また、制御盤６０２には、制御回路１１０Ａによる判定結果である開閉器１０７Ａを「閉状態」あるいは「開状態」のいずれにすべきかを運転員に促す表示部（図示せず）が設けられている。実施例１と同様に、Ａ系統の地絡検出回路１０６Ａの優先度がＢ系統の地絡検出回路１０６Ｂの優先度よりも高く設定されている場合、制御盤６０２の表示部には、制御回路１１０Ａによる判定結果に対応し「閉状態」とすべき旨を促す表示がなされている。中央操作室に常時待機している運転員はこの表示内容を確認し、開閉器１０７Ａの投入をスイッチを介して指示入力することで、地絡検出回路１０６Ａを運用開始状態とできる。このとき、地絡検出回路１０６Ｂの開閉器１０７Ｂについては、制御回路１１０Ｂの判定結果により「開状態」とすべき旨を促す表示がなされている。制御回路１１０Ａ及び制御回路１１０Ｂによるインターロック機能については、実施例１と同様であるため、ここでは省略する。

本実施例では、実施例２と比較し、運転員が常時待機する中央操作室にて開閉器１０７Ａ及び１０７Ｂを遠隔にて集中的に制御できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１・・・交流電源、１０２Ａ，１０２Ｂ・・・蓄電池、１０３Ａ，１０３Ｂ・・・蓄電池保護用遮断器、１０４Ａ，１０４Ｂ・・・入力遮断器、１０５Ａ，１０５Ｂ・・・整流器、１０６Ａ，１０６Ｂ・・・地絡検出回路、１０７Ａ，１０７Ｂ・・・開閉器、１０８Ａ，１０８Ｂ・・・出力遮断器、１０９Ａ，１０９Ｂ・・・充電器、１１０Ａ，１１０Ｂ・・・制御回路、１１１・・・主母線盤、１１２・・・直流負荷、２０７・・・タイマ、２０８・・・ＮＯＴ回路、２０９・・・ＡＮＤ回路、２１０・・・ＯＲ回路、３０１・・・正極回路、３０２・・・負極回路、３０３Ａ・・・正極側抵抗、３０４Ａ・・・負極側抵抗、３０５Ａ・・・中性点、３０６Ａ・・・リレー、３０７Ａ・・・中性点抵抗、４０１・・・地絡事故点、４０２，４０３・・・分流後の地絡電流、５０１Ａ，５０１Ｂ・・・地絡検出回路切り離し回路、６０２・・・制御盤

Claims

蓄電池と充電器から構成される直流電源設備を、主母線に対し複数並列接続し、前記主母線を介して負荷へ前記直電源設備より給電する直流電源回路であって、
前記各充電器は、出力側に地絡検出回路と、前記地絡検出回路と接地点間に開閉器を備え、
前記複数の直流電源設備が運転状態において、前記複数の充電器の地絡検出回路のうち１つの地絡検出回路のみを前記開閉器を介して接地することを特徴とする直流電源回路。
請求項１に記載の直流電源回路において、
前記各充電器は、前記地絡検出回路と前記主母線間に出力遮断器と、前記開閉器を制御する制御回路を備え、
前記各制御回路は、少なくとも自己の出力遮断器の開閉状態及び充電器の運転状態並びに他の充電器の前記開閉器の開閉状態に基づき、自己の開閉器の動作を制御することを特徴とする直流電源回路。
請求項１に記載の直流電源回路において、
前記各充電器は、前記地絡検出回路と前記主母線間に出力遮断器と、前記開閉器を制御する制御回路を備え、
前記各制御回路は、少なくとも自己の出力遮断器の開閉状態及び充電器の運転状態並びに他の充電器の前記開閉器の開閉状態に基づき、自己の開閉器を開状態とすべきか又は閉状態とすべきかを表示することを特徴とする直流電源回路。
請求項１に記載の直流電源回路において、
前記各充電器は、前記地絡検出回路と前記主母線間に出力遮断器と、前記開閉器を制御する制御回路を備え、
前記各制御回路と通信可能に設けられた１つの制御盤を設け、
前記各制御回路は、少なくとも自己の出力遮断器の開閉状態及び充電器の運転状態並びに他の充電器の前記開閉器の開閉状態に基づき、自己の開閉器を開状態とすべきか又は閉状態とすべきかを示す判定結果を前記制御盤へ送信し、前記制御盤からの指示入力により１つの充電器の開閉器が閉状態とされることを特徴とする直流電源回路。
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の直流電源回路において、
前記各制御回路は、自己の地絡検出回路及び他の地絡検出回路に予め割り付けられた優先度を保持することを特徴とする直流電源回路。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の直流電源回路において、
前記地絡検出回路は、前記直流電源設備の正極と負極との間に２組の抵抗を直列に接続し、前記２組の抵抗の中間点にリレー及び中性点抵抗を備え、
前記開閉器を介して前記中性点抵抗が接地されることを特徴とする直流電源回路。