(57)【要約】      （修正有）【課題】高圧電源設備のコストを低減できるようにした、廃炉された原子力発電所の高圧電源設備を提供する。【解決手段】廃炉された原子力発電所の高圧電源設備は、第１の変圧器１０４，１０５と高圧電源系１０６とを接続する受電遮断器２０２と、受電遮断器の一次側に設けられるインピーダンス増加部２０１とを備える。高圧電源系には、第２の変圧器１０９を介して低圧電源系１０８が接続されており、低圧電源系には、原子力発電所の発電に直接関係する装置以外の発電所内の環境維持に関する装置が接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃炉された原子力発電所の高圧電源設備であって、
第１の変圧器と高圧電源系とを接続する受電遮断器と、
前記受電遮断器の一次側に設けられるインピーダンス増加部と、
を備える
廃炉された原子力発電所の高圧電源設備。
【請求項２】
前記高圧電源系には、第２の変圧器を介して低圧電源系が接続されており、
前記低圧電源系には、原子力発電所の発電に直接関係する装置以外の発電所内の環境維持に関する装置が接続されている、
請求項１に記載の廃炉された原子力発電所の高圧電源設備。
【請求項３】
前記インピーダンス増加部は、高圧リアクトルである、
請求項２に記載の廃炉された原子力発電所の高圧電源設備。
【請求項４】
前記インピーダンス増加部と前記受電遮断器の一次側との間には、さらに、前記受電遮断器の一次側の接続先を変更する接続先変更装置が設けられており、
前記第１の変圧器を新たな第１の変圧器に更新する場合には、前記接続先変更装置を操作することにより、前記インピーダンス増加部と前記受電遮断器の一次側との間を切り離し、前記受電遮断器の一次側と前記新たな第１変圧器とを接続させる、
請求項３に記載の廃炉された原子力発電所の高圧電源設備。
【請求項５】
前記受電遮断器は、コンデンサによる蓄電とバネ力とを利用する駆動機構を備えるハイブリッド型高圧遮断器である、
請求項４に記載の廃炉された原子力発電所の高圧電源設備。
【請求項６】
前記受電遮断器の遮断電流は６３ｋＡ未満である、
請求項５に記載の廃炉された原子力発電所の高圧電源設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃炉された原子力発電所の高圧電源設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載のように原子力発電所は、所内電源システムを有する。原子力発電所の所内電源系は、所内変圧器、起動変圧器（予備変圧器）、動力給電系、計装制御給電系統に分類することができる。所内変圧器は、発電機もしくは開閉所からの電圧を、所内へ給電する電圧に降圧する変圧器である。
【０００３】
動力給電系は、高圧電源設備系（６．９ｋＶ系）と低圧電源設備系（４８０Ｖ ｏｒ ４６０Ｖ）に分類される。高圧電源系は、循環水ポンプ、低圧復水ポンプ、高圧復水ポンプ、原子炉給水ポンプ、再循環流量ポンプ等の大容量補機へ給電する。
【０００４】
循環水ポンプとは、原子炉で発生した蒸気を、タービンを介した後に復水器で冷却させるための海水を循環させるポンプである。低圧復水ポンプ、高圧復水ポンプおよび原子炉給水ポンプは、復水器で蒸気から冷却されてもどった復水を、高圧の原子炉内に給水させるポンプである。再循環流量ポンプは、原子炉の出力を調整するために原子炉内の炉水流量を調整し、原子炉の出力を変化させるポンプである。
【０００５】
高圧電源設備系は、上述した大容量補機の起動および運転を条件に、高圧電源設備系（６．９ｋＶ系）と、高圧電源設備系（６．９ｋＶ系）に給電する所内変圧器、起動（予備）変圧器とが設計されている。
【０００６】
近年、老朽化した原子力発電所の廃炉方法が検討されているが、原子力発電所の場合、廃止申請後も、燃料が原子炉、もしくは燃料プールに数年間は存在する。燃料が取出された後も、高濃度放射性物質である炉心等の解体作業が数十年単位で継続される。
【０００７】
燃料が存在している状況と、その後の高濃度放射性物質が存在している状況とにおいては、原子力発電プラントとしては、建屋の負圧維持、環境条件（気温、湿度等）維持のため、燃料冷却系および空調系等の運転が必要であり、これらに付随する設備（冷却水供給、海水熱交等）の運転も継続される。したがって、燃料冷却系や空調系等に関する装置へ給電する電源設備についても維持が必要となる。
【０００８】
一方、原子力発電プラントの寿命は４０年、もしくは６０年であるのに対して、所内電源系に適用される電気設備の期待寿命は一般に２０年程度であること、および、廃炉後も所内電源系は必要であることから、原子力発電プラントが廃炉になった以降も電源設備の更新（リプレース）が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−２１３９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これまで原子力発電所において、研究炉や国内初号機等といった、出力の小さい原子力発電プラントについてのみ廃炉が決定されてきたため、電源設備系の更新に対するコスト削減要求等はあまり大きくなかった。
【００１１】
しかし今後はいわゆる福島事故以降に施行された新たな規制に合致するために必要なコストと残りの運転期間との兼ね合いから比較的出力の大きい商業炉の廃炉も行われていくと見込まれている。出力の大きい商業炉では、運転中の場合と廃炉決定後の場合とで、特に動力負荷の運転パターンが大きく異なるため、高圧電源設備に対する要求仕様も異なる。さらに、コスト低減要求も強まると考えられる。
【００１２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、高圧電源設備のコストを低減できるようにした、廃炉された原子力発電所の高圧電源設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく、本発明の一つの観点では、廃炉された原子力発電所の高圧電源設備であって、第１の変圧器と高圧電源系とを接続する受電遮断器と、受電遮断器の一次側に設けられるインピーダンス増加部と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、受電遮断器の一次側にインピーダンス増加部を設けることにより、短絡電流を抑制することができ、この結果、当該受電遮断器の定格遮断電流値を小さくでき、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】プラントの商業運転時における原子力発電所の所内電源構成図である。
【図２】プラントの廃炉後における原子力発電所の所内電源構成図である。
【図３】高圧電源系における電動機始動時の電圧降下を示す説明図。
【図４】高圧電源系における短絡事故時の電流の流入経路を示す説明図。
【図５】主要変圧器（所内変圧器、起動変圧器）の短絡インピーダンスの評価図。
【図６】高圧電源盤を示し、（ａ）はプラント商業運転時の高圧電源盤を、（ｂ）は本実施例を適用した高圧電源盤を、それぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。原子力発電所において、所内変圧器および起動（予備）変圧器等は、メンテナンスをすることにより、所内電源設備よりも寿命を長くすることができ、かつ変圧器のリプレースコストも高いため、更新（リプレース）は４０年以上とするケースが多い。
【００１７】
従って、変圧器の仕様を変えられないことから、廃炉決定後においても、プラント運転時と同様の高圧電源設備（高圧電源盤）を設置する必要がある。しかし、原子力発電所向けの高圧電源設備は、遮断器の短絡電流仕様が高く、かつ動作責務要求も厳しい。このため、遮断器も大型かつ直流電磁駆動であることが求められる。したがって、廃炉決定後においても、大容量の直流電源設備も準備する必要がある。
【００１８】
一方、一般産業では、駆動方式としてコンデンサとばねを利用し、遮断器の駆動電流を大幅に低減し、かつ小型のハイブリッド型高圧遮断器が流通している。しかし、一般のハイブリッド型高圧遮断器には、原子力発電所通常運転時に要求される短絡電流仕様のものは存在せず、運転中の原子力発電所に適用するのは困難である。
【００１９】
そこで、本実施形態では、高圧電源設備に高圧リアクトルを組み合わせ、事故時の短絡電流を高圧リアクトルで限流させることにより、既存の所内変圧器および起動（予備）変圧器と組み合わせることができる高圧電源設備を提案する。本実施形態による廃炉された原子力発電所の高圧電源設備によれば、原子力発電所専用の直流電磁駆動型遮断器に代えて、一般産業界で使用されているハイブリッド型高圧遮断器を用いることができるため、リプレース時のコストを削減することができる。また、ハイブリッド型高圧遮断器を用いることにより、大容量の直流電源設備等の付帯設備も不要となり、メンテナンス性も向上する。
【００２０】
すなわち本実施形態によれば、廃炉時に高圧電源設備のみを更新する場合において、コスト低減、メンテナンスの簡略化、高圧電源盤の遮断器の駆動用直流電源設備等の付帯設備の簡素化を実現することができる。
【実施例１】
【００２１】
図１〜図６を用いて第１実施例を説明する。図１は、プラント商業運転時における原子力発電所の所内電源構成図を示す。
【００２２】
原子力発電所内の所内電源系統は、発電機１０１から発生した電力を主変圧器１０２および開閉所１０３を経由して系統側へ給電する回路と、所内変圧器１０４を介して所内負荷へ給電する回路と、起動変圧器１０５を備える。起動変圧器１０５は、発電機停止時や、発電機１０１または主変圧器１０２等の主回路事故時等により、所内変圧器１０４からの給電が停止した場合に、系統側から開閉所１０３を介して直接給電するための変圧器である。所内変圧器１０４および起動変圧器１０５は、「第１の変圧器」の例である。
【００２３】
所内変圧器１０４および起動変圧器１０５は、各々発電機１０１および開閉所１０３側の電圧を、高圧電源系（メタルクラッドスイッチギア：Ｍ／Ｃ）１０６の定格電圧６．９ｋＶに降圧するために設置している。各変圧器１０４，１０５は、高圧遮断器２０２Ａを介して高圧電源系１０６に接続されている。さらに、所内変圧器１０４および起動変圧器１０５は、高圧電源系１０６で短絡事故が発生した場合に、短絡電流を高圧電源系に適用する遮断器１１０の遮断電流以下に制限する仕様（％インピーダンス）を有している。
【００２４】
高圧電源系１０６には、タービンを介した後に復水器（いずれも不図示）で冷却する循環水ポンプと、復水を高圧の原子炉内へ給水する低圧復水ポンプおよび高圧復水ポンプと、原子炉給水ポンプと、再循環流量ポンプ等の大容量補機１０７とが接続されている。再循環流量ポンプは、原子炉（不図示）の出力を調整するため原子炉内の炉水流量を調整し、原子炉の出力を変化させるポンプである。
【００２５】
低圧電源系（パワーセンタ：Ｐ／Ｃ、モータコントロールセンタ：ＭＣＣ）１０８は、遮断器１１０と動力変圧器１０９を介して、高圧電源系１０６に接続されている。低圧電源系１０８は、大容量補機１０７以外の補機に給電するためのもので、「第２の変圧器」の例である動力変圧器１０９により低電圧（４８０Ｖ ｏｒ ４６０Ｖ）に降圧された電源が供給される。
【００２６】
高圧電源系１０６に接続される低圧復水ポンプ、高圧復水ポンプ、原子炉給水ポンプ、循環水ポンプ等の大容量補機１０７は、１０００ｋＷ〜７０００ｋＷ級の容量がある。これらのポンプの駆動電動機は誘導電動機であるため、ポンプ始動時には定格電流に対して約６倍から７倍の始動電流が流れる。一方、始動時の入力電圧の降下にも制限があり、一般に始動可能最低電圧は定格電圧の約８０％程度となる。
【００２７】
この始動電流による影響について、図３（ａ）を元に説明する。電動機始動時の始動電流は、所内変圧器１０４または起動変圧器１０５を介して、発電機１０１または開閉所１０３側から給電されるため、各変圧器１０４，１０５の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１に依存して電圧降下の大きさが変化する。
【００２８】
所内変圧器１０４、起動変圧器１０５の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１は、大容量電動機始動時の始動電流Ｉｓｔ１  ３０２で電動機の始動可能最低電圧を満足できる設計（％Ｚ  ３０１を適切に設定）としなければならない。
【００２９】
一方、高圧電源系１０６で短絡事故が発生した場合には、他回路に影響を与えない（運転継続できる）よう速やかに短絡電流Ｉｓを遮断する必要がある。図４（ａ）にその概略図を示す。
【００３０】
短絡電流Ｉｓ１  ４０１は、各変圧器側の流入電流ＩｓＬ１  ４０２と電動機のモータコントリビューションＩｓｍ１  ４０３との和である。電動機のモータコントリビューションＩｓｍ１  ４０３は、高圧電源系１０６に接続される電動機の容量の総和（総容量）に依存する。各変圧器からの流入電流ＩｓＬ１は、変圧器の短絡インピーダンス（％Ｚ）で制限されることになり、高圧電源系１０６で適用される遮断器１１０の遮断電流以下に抑えるように設計する必要がある。
【００３１】
以上のように、変圧器の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１は、上限値（電圧降下より決定される）５０１と、下限値（遮断器の短絡電流値）５０２とから決定される。この内容を図示すると、図５のようになる。
【００３２】
図５に示すように、変圧器容量に依存して、短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１の下限値５０２は上昇する。上限値５０１は、下限値５０２ほどの上昇率ではないため、変圧器容量がある容量以上になると、上限値と下限値とが逆転することになり、変圧器を選定できないことになる。すなわち、変圧器の台数を増やす等の措置が必要になる。
【００３３】
原子力発電所では、上述したように大容量負荷の補機１０７が多いため、所内変圧器１０４および起動変圧器１０５の容量も大きくなる。このため、高圧電源系１０６の遮断器１１０には、遮断電流４０ｋＡもしくは６３ｋＡとコスト的に高価な仕様のものを適用し、所内変圧器１０４の台数を１台もしくは２台構成とする場合が多い。
【００３４】
なお、起動変圧器１０５は、上記以外の選定条件もあるため、一概に容量と短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１のみで決定するわけではないが、仕様選定上の重要なファクターとなっている。
【００３５】
また、開放している遮断器を速やかに投入する必要もあり得るため、原子力発電所には、直流電磁駆動（ＭＡ）型の遮断器１１０が用いられる。直流電磁駆動型の遮断器１１０は、大容量（投入電流：約９０Ａ程度）の直流電源を必要とする。
【００３６】
以上のような状況であるため、遮断器１１０のコストは高く、かつ付帯設備である直流電源系等も大容量のものが必要である。しかし、上述の通り、原子力プラントが廃炉になると、発電に寄与している補機１０７の運転は不要となり、燃料の管理、冷却、建屋の換気空調等の発電に直接関係しない設備１０８の運転維持が重要となる。すなわち、発電所の環境維持に関する低圧電源系１０８の装置群の安定した運転継続が重要となる。
【００３７】
廃炉後も、燃料の取出し、放射能の除染、解体等を含めると、廃炉作業は数十年のオーダとなるため、高圧電源系１０６を含めた所内電源系の維持は重要である。一方で、上述したように大容量の補機１０７は運転しないことから、高圧電源系１０６に遮断電流４０ｋＡもしくは６３ｋＡの高価な仕様の遮断器１１０を適用する必要はなく、よりメンテナンスのしやすいコストメリットもある遮断電流が２０ｋＡ級もしくはそれより小さい遮断器１１０を適用していくことが重要である。現在、駆動機構にコンデンサの蓄電とばねを複合したハイブリッド型と呼ばれる遮断器が存在する。ハイブリッド型高圧遮断器を用いる場合、付帯設備である直流電源もＭＡタイプと比較して小容量ですむ。
【００３８】
しかしながら、このような遮断器電流の小さいハイブリッド型高圧遮断器を原子力発電所の高圧電源系１０６に適用するには、所内変圧器１０４および起動変圧器１０５の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１を変更する必要がある。これはすなわち、ハイブリッド型高圧遮断器を用いる場合、これらの変圧器１０４，１０５も一緒に更新する必要があることを意味する。
【００３９】
しかし、変圧器は電源盤等と比較して一般的に寿命も長く、メンテナンスで残り寿命の診断等もできることと、変圧器の更新には大きなコストもかかることとから、変圧器の更新時期と高圧電源盤の更新時期とは協調しない場合が多いと考えられる。
【００４０】
そこで、本実施例に係る所内電源構成図を図２に示す。図２は、廃炉された原子力発電所の所内電源構成を示す。図２と図１との大きな違いは、高圧電源系の受電遮断器２０２の一次側に、「インピーダンス増加部」としての高圧リアクトル２０１を追加していることにある。高圧リアクトル２０１は、無効電流に対しては電流を抑制する働きをするが、有効電流に対しては、特に影響はしない。
【００４１】
図４（ｂ）に、本実施例に係る高圧電源系１０６において、短絡事故が発生した場合の電流の流れ４０３，４０４を示す。上述したように系統側から流れ込む短絡電流４０４は、変圧器の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１に依存する。
【００４２】
主要変圧器（所内変圧器１０４、起動変圧器１０５）のような大容量変圧器の場合、抵抗／リアクトル（Ｒ／Ｘ）が０．１程度であり、ほぼリアクトル成分となるため、短絡電流Ｉｓもほぼ無効電流となる。したがって、高圧リアクトル２０１を用いることで、短絡電流Ｉｓを変圧器の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１と高圧リアクトル２０１とにより制限することができる。高圧リアクトル２０１のリアクトル値を適切に選定することで、高圧電源盤に２０ｋＡ級の遮断器２０２を適用することが可能となる。
【００４３】
一方で、図３（ｂ）に示すように、高圧電源系１０６に高圧リアクトル２０１を挿入することで、電動機始動時の電圧降下が大きくなる。これは、電動機始動時の電流が大きく、かつ無効電流分が多く含まれていることによる。上述したように、廃炉後は大容量負荷の補機（電動機）１０７の運転は不要になるため、電圧降下の点では、高圧リアクトル２０１を追加しても特に問題はない。
【００４４】
これまでの結果を再度、変圧器の短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１の上限値（電圧降下より決定される）と下限値（遮断器の短絡電流値）の図で説明する。図５にその内容を示す。
【００４５】
仮に高圧電源盤に２０ｋＡ級の遮断器２０２を適用すると、短絡電流の制限（点線５０３）により選定できる変圧器短絡インピーダンス（％Ｚ）３０１の範囲が狭くなるため、結果的に変圧器を更新するしか方法が無い。
【００４６】
これに対し本実施例では、受電遮断器２０２の一次側に高圧リアクトル２０１を設け、受電遮断器２０２と変圧器１０４，１０５とを高圧リアクトル２０１を介して電気的に接続するため、高圧リアクトル２０１により短絡電流を軽減でき、変圧器１０４，１０５を更新すること無く高圧電源盤に２０ｋＡ級の遮断器２０２を適用できる。
【００４７】
また、配置上の課題として、負荷に給電するケーブルを流用するため、高圧電源系１０６の盤サイズを変更しないようにすることが求められる場合もある。
【００４８】
図６に高圧電源盤の概略外形図を示す。図６の上側が本実施例を適用する前の、比較例としての高圧電源盤を示す。この高圧電源盤では、図１に示した通り、６３ｋＡ級の受電遮断器２０２Ａが用いられている。
【００４９】
図６の下側は、本実施例に係る高圧電源盤を示す。上述の通り、廃炉後では大容量負荷が不要となるため、本実施例では、受電遮断器２０２の一次側に高圧リアクトル２０１を配置し、受電遮断器２０２の設置位置をできるだけ変えないようにして高圧電源盤を構成することができる。
【００５０】
さらに、本実施例では、廃炉後に変圧器１０４，１０５をより小型な変圧器へ更新することも考慮し、高圧リアクトル２０１の二次側に「接続先変更装置」としての切り離し装置２０１１を設置する。変圧器の更新時には、新たな変圧器の仕様を２０ｋＡ級の受電遮断器２０２を適用できるものにする。さらに、切り離し装置２０１１にて高圧リアクトル２０１を受電遮断器２０２の一次側から切り離し、高圧電源系１０６の電源盤の受電遮断器２０２に新たな変圧器の出力を直接接続する。このように、高圧リアクトル２０１を切り離すことができるように構成することで、高圧電源系１０６の電源盤を図６下側に示す構成から変えずに対応することができ、使い勝手が向上する。
【００５１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されず、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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０１：発電機、１０２：主変圧器、１０３：開閉所、１０４：所内変圧器、１０５：起動変圧器、１０６：高圧電源系、１０７：大容量負荷の補機、１０８：低圧電源系、１１０：遮断器、２０１：高圧リアクトル、２０２，２０２Ａ：受電遮断器、２０１１：切り離し装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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