JP7159236B2

JP7159236B2 - 直流電源設備の短絡電流遮断装置

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Publication number: JP7159236B2
Application number: JP2020029137A
Authority: JP
Inventors: 雄治細川; 祐治福田
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2022-10-24
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: JP2021136078A

Description

本発明は、直流電源設備の短絡電流を遮断する短絡電流遮断装置に関する。

原子力発電所等の発電所では、所内の停電が許容できない制御機器や交流電源喪失時にも運転を必要とする機器に直流電源を供給するため、直流電源設備が設置されている。

発電所内で使用される直流電源設備は、交流電源に接続される充電器と、充電器に接続される蓄電池と、直流設備に給電するための直流母線とを備えている。

直流電源設備の短絡事故時の保護は、保護協調の思想に基づいて適切な遮断器が選定・設置されており、短絡事故発生時は下流側から事故除去することで停電範囲を極小化するように事故除去する。

一方、福島事故を受けて原子力発電所には直流電源供給時間の２４時間化（従来８時間）が要求されている。

本要求を実現するためには、既存蓄電池容量の増加が必要であり、関係する発電所では、蓄電池容量の大幅な増設がされている。

蓄電池容量の増加に伴い、短絡事故時における事故点へ流入する短絡電流の増大を招いている。

また、米国ＮＲＣＩｎｆｏｍａｒｉｏｎｎｏｔｉｃｅ２０１７－０６「蓄電池及び充電器の短絡電流による直流配電系での電気故障への影響」にて、充電器盤からの短絡電流についても考慮が必要であることが示されたことから、想定する短絡電流値は、さらに増大する傾向となっている。

一般的に、直流用の配線用遮断器は、４０ｋＡ程度の遮断容量となることから、直流電源設備の構成によっては、遮断容量を超える短絡電流を遮断することができず、事故除去が困難となることが判っている。

直流回路における事故時の電流を遮断する技術として、特許文献１に記載された技術がある。

特許文献１には「順方向の自励式半導体素子と順方向のサイリスタを直列に接続した半導体素子部と、順方向のサイリスタに並列に接続したアレスタと、半導体素子部と直列にキャパシタを並列に接続した半導体遮断機器と、半導体遮断機器と直列に接続した電流抑制リアクトルと、半導体遮断機器と直列に接続した機械接点式断路器または遮断器とを備える直流電流遮断装置」が記載されている。

また、特許文献２には、半導体スイッチに関する記載として「直列に接続された補助直流断路器および高速断路器、半導体スイッチ回路、および非線形抵抗が並列に接続される」と記載されている。

特開２０１６－１０３４２７号公報国際公開ＷＯ２０１５／０１１９４９

上記特許文献１に記載の技術は、送電損失が少なく、小型化を可能とする直流遮断装置であり、蓄電池容量の増加に伴う短絡電流の増大化により生じる問題についての認識が無い。

このため、特許文献１に記載の技術では、上述した短絡電流の増大化に対応することは困難である。

また、特許文献１に記載された技術は、遮断器と並列にアレスタを接続し、短絡時に発生する過電圧にてアレスタを動作させ、故障電流を低減するものである。

しかし、アレスタが動作するまでは短絡電流が流れ続けることから、その間に短絡電流が増加し、機器への損傷の可能性が増加するものと考えられる。また、蓄電池を増設した場合は、再度仕様の検討が必要となる。

また、特許文献１に記載の技術では過電圧を発生させるため、コンデンサを使用するが発電所内の直流電源設備は故障時には数十ｋＡ程度の大電流であるため、その必要容量も過大なものとなると考えられる。

上記特許文献２には、直列接続された半導体スイッチング素子の電圧不均衡を改善し、小型かつ低コストである半導体スイッチ回路が記載されている。

しかしながら、特許文献１と同様に、特許文献２には、蓄電池容量の増加に伴う短絡電流の増大化により生じる問題についての認識が無い。

よって、特許文献２に記載の技術では、上述した短絡電流の増大化に対応することは困難である。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電池容量の増加に伴い短絡電流が増大しても、確実に短絡電流を遮断し、短絡事故を除去可能な直流電源設備の短絡電流遮断装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

直流電源設備の短絡電流遮断装置において、交流電源に接続された充電器と直流電源母線との間に配置される充電器側遮断器と、蓄電池と前記直流電源母線との間に配置される電源側遮断器と、直流電源負荷と前記直流電源母線との間に配置される母線遮断器と、前記直流電源母線の電圧及び電流を検出する検出器と、前記検出器が検出した電圧及び電流から回路インピーダンスを計算し、計算した前記回路インピーダンスを判定して前記充電器側遮断器及び前記電源側遮断器を遮断する判定回路とを備える。

本発明によれば、蓄電池容量の増加に伴い短絡電流が増大しても、確実に短絡電流を遮断し、短絡事故を除去可能な直流電源設備の短絡電流遮断装置を実現することができる。

本発明の実施例１による短絡電流遮断装置が適用された直流電源設備の概略構成図である。判定回路のブロック図である。マグオンリー特性を有する遮断器の動作特性カーブを示すグラフである。本発明の実施例２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参照して説明する。

（実施例１）
〈実施例１の全体構成〉
図１は、本発明の実施例１による短絡電流遮断装置が適用された直流電源設備の概略構成図である。

図１において、交流電源１０１は、発電所内の交流電源である。交流電源１０１に接続される充電器１０２は、内部に整流器を内蔵しており、交流電源１０１を直流電源に変換する。

充電器１０２により直流電源に変換された直流電源側は直流電源母線１０３に接続されている。

発電所の通常運転時は、充電器１０２から出力される直流電源にて直流電源負荷（図１には示さず）への給電と充電器１０２に接続された蓄電池１０４ａ及び１０４ｂを充電する。

直流電源母線１０３には、母線遮断器１１２が接続されている。この母線遮断器１１２を介して、直流電源母線１０３から直流電源負荷に給電が行われる。

交流電源１０１の停止時は、充電器１０２の出力が無くなる為、蓄電池１０４ａ及び１０４ｂから直流電源負荷に電源を給電する。

短絡電流遮断装置は、直流電源母線１０３の電圧と電流の状態を監視するための検出器１０５、１０６、１０７、１０８の指示値から電源至近端短絡と判定し、電源側遮断器１０９、１１０及び充電器側遮断器１１１に遮断命令を与える判定回路２００を備えている。

電源側遮断器１０９は、蓄電池１０４ａと直流電源母線１０３との間に設置され、検出器１０６は、直流電源母線１０３の電流及び電圧を検出する。

また、電源側遮断器１１０は、蓄電池１０４ｂと直流電源母線１０３との間に設置され、検出器１０７は、直流電源母線１０３の電流及び電圧を検出する。

また、充電器側遮断器１１１は、充電器１０２と直流電源母線１０３との間に設置され、検出器１０８は、直流電源母線１０３の電流及び電圧を検出する。

また、検出器１０５は、直流電源母線１０３に接続され、直流電源母線１０３の電圧及び電流を検出する。

判定回路２００は、検出器１０５、１０６、１０７、１０８で検出した電圧と検出器１０６、１０７、１０８で検出した電流から回路インピーダンスを計算し、ある閾値以下となった場合に短絡事故と判定し、各遮断器１０９、１１０、１１１、１１２にトリップ信号を送る。トリップ信号により各遮断器１０９、１１０、１１１、１１２が開放動作して事故除去が達成される。

直流電源母線１０３の交流電源１０１側が遮断器一次側であり、直流電源母線１０３の直流電源負荷に接続される遮断器１１２側が遮断器二次側である。

次に、短絡故障が発生した場合の各ケースについて、短絡電流遮断装置の動作を説明する。

（ケース１）
直流電源母線１０３または遮断器二次側に短絡故障が発生し、その抵抗値（回路インピーダンス）が第１閾値Ｒ０以下の場合、直流電源母線１０３の遮断器１１２では電流遮断が困難なため、電源１０１側の遮断器１０９、１１０、１１１を遮断する。

一台の遮断器１１２の遮断容量は、最大で４０ｋＡ程度であり、抵抗値（回路インピーダンス）が第１閾値Ｒ０以下の場合は、短絡電流が４０ｋＡを超える場合である。よって、一台の遮断器１１２では、電流遮断が困難となるからである。

（ケース２）
母線１０３に短絡故障が発生し、その抵抗値（回路インピーダンス）が第２閾値Ｒ１以上の場合、電源１０１側の遮断器１０９、１１０、１１１が動作しない可能性があるため、短絡電流の大きさに関わらず、電源１０１側の遮断器１０９、１１０、１１１を強制的に遮断する。

なお、本ケース２は図３に示したマグオンリー特性のみを有する遮断器が遮断器１０９、１１０、１１１に適用されている場合に該当する。

マグオンリー特性とは、図３に示すような動作特性カーブ３０１となる特性である。動作特性カーブ３０１の範囲で遮断器が動作する。

マグオンリー特性を有する遮断器の場合は、図３から理解できるように、電源１０１側の遮断器１０９、１１０、１１１が動作しない可能性がある。

（ケース３）
母線１０３に短絡故障が発生し、その抵抗値（回路インピーダンス）が第２閾値Ｒ１未満の場合、または遮断器二次側に短絡故障が発生し、その抵抗値が第１閾値Ｒ０超過であれば、各遮断器１０９、１１０、１１１、１１２の動作範囲となることから特に制御は行わず、各遮断器１０９、１１０、１１１、１１２の動作特性に応じた事故除去を行う。

〈判定回路２００の構成〉
図２は、判定回路２００のブロック図である。なお、判定回路２００は、リレー回路等によって構成されている。

図２において、入力部２０７のＶ１は検出器１０５から出力される電圧を示す信号である。

入力部２０７のＶ２は、蓄電池１０４ａと遮断器１０９との間に取り付けられた検出器１０６から出力される電圧を示す信号である。

また、入力部２０７のＩ２は、検出器１０６から出力される電流を示す信号である。

入力部２０７のＶ３は、蓄電池１０４ｂと遮断器１１０との間に部に取り付けられた検出器１０７から出力される電圧を示す信号である。また、入力部２０７のＩ３は、検出器１０７から出力される電流を示す信号である。

入力部２０７のＶ４は、充電器１０２と遮断器１１１との間に部に取り付けられた検出器１０８から出力される電圧を示す信号である。また、入力部２０７のＩ４、検出器１０８から出力される電流を示す信号である。

回路インピーダンスが次式（１）を満たす場合、つまり、回路インピーダンスが第１閾値Ｒ０以下の場合、論理和回路２０１Ａを介して、遮断器一次側の遮断器１０９、１１０、１１１を遮断する、遮断器１０９トリップ回路２０３、遮断器１１０トリップ回路２０４、遮断器１１１トリップ回路２０５にトリップ信号を送る。
Ｖ１÷（Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）≦Ｒ０・・・（１）

回路インピーダンスが次式（２）、（３）又は（４）を満たす場合、つまり、回路インピーダンスが第２閾値Ｒ１以上の場合、論理和回路２０１Ｂ及び２０１を介して、遮断器一次側の遮断器１０９、１１０、１１１を遮断する、遮断器１０９トリップ回路２０３、遮断器１１０トリップ回路２０４、遮断器１１１トリップ回路２０５にトリップ信号を送る。
Ｖ２÷Ｉ２≧Ｒ１・・・（２）
Ｖ３÷Ｉ３≧Ｒ１・・・（３）
Ｖ４÷Ｉ４≧Ｒ１・・・（４）

ここで、第１閾値Ｒ０は、直流電源母線１０３の電圧を母線遮断器１１２の遮断電流で割って求められるインピーダンス（（直流電源母線１０３の電圧）÷（母線遮断器１１２の遮断電流））である。遮断器１１２の遮断電流の一例は、４０ｋＡである。

また、第２閾値Ｒ１は、直流電源母線１０３の電圧を母線遮断器１１２の動作開始電流で割って求められるインピーダンス（（直流電源母線１０３の電圧）÷（母線遮断器１１２の動作開始電流（マグオンリー特性）））である。

論理和回路２０１Ａには、遅延回路２０２及び遮断器二次側の遮断器１１２をトリップする遮断器１１２トリップ回路２０６が接続されている。

これは、遮断器一次側の遮断器１０９、１１０、１１１をトリップした後に遮断器二次側の遮断器１１２をトリップするための構成である。遮断器一次側の遮断器１０９、１１０、１１１をトリップした後に、遮断器１０９、１１０、１１１のいずれかが、何らかの原因でオンとなった場合であっても、遮断器二次側の遮断器１１２をオフと設定しておくことにより、確実に短絡事故から機器を保護することができる。

上記構成及び動作を通して、直流電源母線１０３の遮断器二次側における短絡発生時に、遮断器１１２の遮断電流を超える電流が流れるケースや、直流電源母線１０３の遮断器一次側における短絡発生時に個々の遮断器１０９、１１０、１１１の遮断電流が小さく遮断器一次側の遮断器が動作しないケースにおいても短絡事故を確実に除去可能となる。

また、短絡事故発生時に、下流側（遮断器二次側）の遮断器１１２で短絡電流を遮断することが困難と想定される場合には、先に上流側（遮断器一次側）の遮断器１０９、１１０、１１１から開放することで事故除去が可能となる。

下流側の遮断器１１２の遮断容量を超過する場合や上流側遮断器１０９、１１０、１１１の特性上、遮断器による事故電流遮断が困難な場合に、強制的に上流の遮断器から開放することにより、いかなる構成でも短絡事故除去が可能である。

本発明の実施例１によれば、蓄電池容量の増加に伴い短絡電流が増大しても、確実に短絡電流を遮断し、短絡事故を除去可能な直流電源設備の短絡電流遮断装置を実現することができる。

上記実施例１において、判定回路２００はリレー回路等によって構成したが、判定回路２００は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを有するものを適用してもよい。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。

図４は、実施例２の概略構成図である。実施例２は、電源融通を行う場合の例に適用した例である。

なお、実施例１と同等な構成部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図４の例においては、図１に示した蓄電池１０４ａ、検出器１０６、遮断器１０９が省略されているが、これら蓄電池１０４ａ、検出器１０６、遮断器１０９を備える構成であっても、実施例２を適用することは可能である。

上述した実施例１は、図１に示したように、単一系統のみを想定したが、図４に示すように、電源融通を実施する場合、母線１０３の連絡回路の母線連絡遮断器４０１、４０２、４０３、４０４、４０５が同特性となることから、保護協調が困難となることがある。

遮断器１１２には直流電源負荷５０１が接続され、母線連絡遮断器４０２には直流電源負荷５０２が接続され、母線連絡遮断器４０５には直流電源負荷５０３が接続されている。

このような場合においても、事故時の電流は回路インピーダンス（抵抗値（＝距離））に比例することから、各母線連絡遮断器４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の開放条件として、自系統から遠方に位置する系統ほど動作する抵抗値を大きく設定する。

そして、その抵抗値以下となった遮断器を動作させることで、電源融通回路においても保護協調を図ることが可能となり、停電範囲を極小化することが可能となる。

実施例１において説明したケース１、ケース２、ケース３については、実施例２においても同様な動作となるので、説明は省略する。

（ケース４）
短絡事故点４０６に短絡故障が発生し、その抵抗値（回路インピーダンス）が第３閾値Ｒ２以下の場合、判定回路２００にて母線連絡遮断器４０１を開放して遮断し、事故除去し、自系統の直流電源負荷に給電する。

（ケース５）
短絡事故点４０７に短絡故障が発生し、その抵抗値（回路インピーダンス）が第４閾値Ｒ３以下の場合、判定回路２００にて母線連絡遮断器４０４を開放して遮断し、事故除去し、自系統および融通回路の直流電源負荷に給電する。

ここで、第３閾値Ｒ２、第４閾値Ｒ３は、第１閾値Ｒ０と直流電源母線１０３のケーブル長（直流電源母線の長さ）から計算した抵抗値（回路インピーダンス）との和で各々求められる抵抗値（回路インピーダンス）である。

なお、第３閾値及び第４閾値は、電源回路閾値と総称することができる。

実施例２は、実施例１と同様な動作を行うことができる他、電源融通回路においても、保護協調を図ることができ、停電範囲を極小化することができるという効果が得られる。

以上のように、本発明の実施例１および２においては、直流電源母線１０３と直流電源母線１０３の上流側の充電器１０２との間に、遮断器１１１を配置し、直流電源母線１０３と直流電源母線１０３の上流側の蓄電池１０４ａ及び１０４ｂとの間に遮断器１０９及び１１０を配置し、直流電源母線１０３の電圧及び電流を検出する検出器１０５、１０６、１０７、１０８を配置し、判定回路２００により、検出器１０５、１０６、１０７、１０８が検出した電圧及び電流から、回路インピーダンスを算出する。

そして、算出した回路インピーダンスに応じて、直流電源母線１０３の上流側の遮断器１０９、１１０、１１１を遮断するように構成されている。

直流電源母線１０３の上流側の遮断器は複数配置され、短絡事故時に個々の遮断器１０９、１１０、１１１に流れる電流がそれぞれ４０ｋＡとすると、直流電源母線１０３の下流側の遮断器は、遮断器１１２の一つであるため、遮断器１１２に流れる電流は３×４０＝１２０ｋＡとなり、遮断容量を超過し、遮断不能となる。

本発明は、算出した回路インピーダンスにより短絡事故の発生を判定し、短絡電流が分散される、直流電源母線１０３の上流側の複数の遮断器１０９、１１０、１１１を遮断するように構成したので、確実に短絡電流を遮断することができる。

１０１・・・交流電源、１０２・・・充電器盤、１０３・・・直流電源母線、１０４ａ、１０４ｂ・・・蓄電池、１０５、１０６、１０７、１０８・・・検出器、１０９、１１０、１１１、１１２、４０１、４０２、４０３、４０４、４０５・・・遮断器、２００・・・判定回路、２０１Ａ、２０１Ｂ・・・論理和回路、２０２・・・遅延回路、２０３・・・遮断器１０９トリップ回路、２０４・・・遮断器１１０トリップ回路、２０５・・・遮断器１１１トリップ回路、２０６・・・遮断器１１２トリップ回路、２０７・・・入力部、４０６、４０７・・・融通回路の短絡事故点、５０１、５０２、５０３・・・直流電源負荷

Claims

交流電源に接続された充電器と直流電源母線との間に配置される充電器側遮断器と、
蓄電池と前記直流電源母線との間に配置される電源側遮断器と、
直流電源負荷と前記直流電源母線との間に配置される母線遮断器と、
前記直流電源母線の電圧及び電流を検出する検出器と、
前記検出器が検出した電圧及び電流から回路インピーダンスを計算し、計算した前記回路インピーダンスを判定して前記充電器側遮断器及び前記電源側遮断器を遮断する判定回路と、
を備えることを特徴とする直流電源設備の短絡電流遮断装置。
請求項１に記載の直流電源設備の短絡電流遮断装置において、
前記判定回路は、前記回路インピーダンスが、前記直流電源母線の電圧を前記母線遮断器の遮断電流で割った値である第１閾値以下の場合、前記充電器側遮断器及び前記電源側遮断器を遮断することを特徴とする直流電源設備の短絡電流遮断装置。
請求項２に記載の直流電源設備の短絡電流遮断装置において、
前記判定回路は、前記回路インピーダンスが、前記直流電源母線の電圧を、前記母線遮断器の動作開始電流で割った値である第２閾値以上の場合、前記充電器側遮断器及び前記電源側遮断器を遮断することを特徴とする直流電源設備の短絡電流遮断装置。
請求項１に記載の直流電源設備の短絡電流遮断装置において、
前記直流電源母線に接続される母線連絡遮断器を有する電源融通回路を、さらに備え、前記判定回路は、前記回路インピーダンスが、前記直流電源母線の電圧を前記母線遮断器の遮断電流で割った値である第１閾値と前記直流電源母線の長さから計算したインピーダンスとの和である電源回路閾値以下の場合、前記母線連絡遮断器を遮断することを特徴とする直流電源設備の短絡電流遮断装置。
請求項１に記載の直流電源設備の短絡電流遮断装置において、
発電所の直流電源設備に用いられることを特徴とする直流電源設備の短絡電流遮断装置。