(57)【要約】【課題】各蓄電設備の放電特性に応じて給電対象負荷を切替え、短時間給電負荷と長時間給電負荷とに直流電源を効率的に給電できる原子力発電所の直流電源システムを得る。【解決手段】直流駆動負荷給電用蓄電設備として、放電特性の異なる複数の蓄電設備２、５と、給電元切替設備７から構成され、放電時間に応じて給電元蓄電設備７を切替えるように構成し、商用交流電源喪失後、短時間のある一定期間は、短時間放電特性が優れた蓄電設備５より給電し、給電設備切替後、長時間のある一定期間は、長時間放電特性とに優れた蓄電設備２から給電させるようにした直流電源システム。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続された充電設備を介して充電される蓄電設備から得られる直流出力を原子力発電所の直流負荷に供給する直流電源システムにおいて、
前記蓄電設備は短時間放電特性が優れた急速放電用蓄電設備とこの急速放電用蓄電設備より長時間放電特性が優れた蓄電設備で構成し、これらの蓄電設備の切替を行う給電元切替設備を備え、前記交流電源の喪失後、短時間の所定期間は、前記給電元切替設備により前記急速放電用蓄電設備から前記直流負荷に給電し、この給電設備切替後、長時間の所定期間は、前記給電元切替設備により前記長時間放電特性が優れた蓄電設備から前記直流負荷に給電させるようにしたことを特徴とする原子力発電所の直流電源システム。
【請求項２】
交流電源に接続された充電設備を介して充電される蓄電設備から得られる直流出力を原子力発電所の直流負荷に供給する直流電源システムにおいて、
前記蓄電設備は短時間放電特性が優れた急速放電用蓄電設備とこの急速放電用蓄電設備より長時間放電特性が優れた蓄電設備で構成し、前記急速放電用蓄電設備の出力電圧を、短時間の所定期間は、前記長時間放電特性が優れた蓄電設備の出力電圧より常に高めに制御する電圧制御設備とを備えたことを特徴とする原子力発電所の直流電源システム。
【請求項３】
交流電源に接続された充電設備を介して充電される蓄電設備から得られる直流出力を原子力発電所の直流負荷に供給する直流電源システムにおいて、
前記蓄電設備は短時間放電特性が優れた急速放電用蓄電設備とこの急速放電用蓄電設備より長時間放電特性が優れた蓄電設備で構成し、前記急速放電用蓄電設備の充電電圧を、前記長時間放電特性が優れた蓄電設備の充電電圧より常に高めに充電する充電電圧制御設備とを備えたことを特徴とする原子力発電所の直流電源システム。
【請求項４】
交流電源に接続された充電設備を介して充電される蓄電設備から得られる直流出力を原子力発電所の直流負荷に供給する直流電源システムにおいて、
前記蓄電設備は短時間放電特性が優れた急速放電用蓄電設備とこの急速放電用蓄電設備より長時間放電特性が優れた蓄電設備で構成し、前記急速放電用蓄電設備の充電電圧を、前記長時間放電特性が優れた蓄電設備の充電電圧より高めに充電する充電電圧制御設備と、前記急速放電用蓄電設備の充電及び放電電圧と、前記長時間放電特性が優れた蓄電設備の充電及び放電電圧が等しくなったとき給電元切替タイミング信号を出力する電圧監視設備と、前記電圧監視設備から給電元切替タイミング信号が出力されたとき前記急速放電用蓄電設備から前記長時間放電特性が優れた蓄電設備に切替える設備を備えたことを特徴とする原子力発電所の直流電源システム。
【請求項５】
交流電源に接続された充電設備を介して充電される蓄電設備から得られる直流出力を原子力発電所の直流負荷に供給する直流電源システムにおいて、
前記蓄電設備は短時間放電特性が優れた急速放電用蓄電設備と長時間放電特性が優れた蓄電設備で構成し、前記直流負荷を構成する複数の直流負荷機器を短時間運転負荷及び長時間運転負荷とに分割するシステム分割設備と、前記システム分割設備により分割された短時間運転負荷に、前記急速放電用蓄電設備からの直流出力を供給し、且つ前記システム分割設備により分割された長時間運転負荷に、前記長時間放電特性が優れた蓄電設備からの直流出力を供給する設備と、を備えたことを特徴とする原子力発電所の直流電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電所の直流駆動負荷に対して、直流電源を必要時間給電する複数の蓄電設備を備えた原子力発電所の直流電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力発電所の直流駆動負荷に対し直流電源を供給するための電源システムとして、蓄電設備が広く採用されており、以下このうちの第１の従来例、第２の従来例、第３の従来例について説明する。始めに、第１の従来例について、図９を参照して説明する。本直流電源システムは、商用交流電源からの電力を整流して直流に変換し給電するとともに蓄電設備２の充電もあわせて行う充電設備１と、直流駆動負荷給電に際し必要な放電容量を持った蓄電設備２と、蓄電設備２を系統から切り離すしゃ断設備３と、各直流駆動負荷に電源を分割する配電設備４から構成されている。なお、図９に記載していないが、実際のシステムでは計測、制御、保護設備等のその他の様々な設備も含まれていることは言うまでもない。
【０００３】
通常時、直流駆動負荷は商用交流電源から充電設備１及び配電設備４を通して給電されるとともに、蓄電設備２は充電設備１により充電されている。商用交流電源が何らかの理由で喪失した場合、蓄電設備２から直流駆動負荷に対し給電が行われる。しゃ断設備３は常時閉路（Ｃｌｏｓｅ）となっているが、過電流等何らかの要因を検出した場合、蓄電設備２の保護を目的に系統から切り離しを行うため開路（Ｏｐｅｎ）となる。また、原子力発電所のシステム多重化構成に従い、直流駆動負荷の中には属する区分が決まっているものもあり、直流電源システムもそれに応じ、各区分別に構成されている。
【０００４】
次に、第２の従来例について説明する。従来の沸騰水型原子炉においては、何等かの原因により外部電源が喪失し、且つ非常用ディーゼル発電機による給電にも失敗するような全交流電源喪失事故が発生した場合においても、原子炉施設の安全確保のために必要な機器へ直流電源設備例えば蓄電池からの給電を行い、機器を作動・制御することにより、プラントを安定な状態に保つことができるように構成されているものがある。
【０００５】
このような構成のものにおいても、長期間の全交流電源喪失が発生し、炉心が損傷されるような事故に到った場合においても、原子炉を確実に急速減圧することができ、水素ガスの発生を低減して格納容器の過圧負荷を低減することができる沸騰水型原子炉の開発が望まれている。この要望を満足するため、全交流電源喪失事故時に少なくとも原子炉隔離時冷却系に電力を供給するための第１の蓄電池と、全交流電源喪失事故時に自動減圧系に電力を供給するための第２の蓄電池と、前記第１の蓄電池及び第２の蓄電池を充電するための充電器と、全交流電源喪失事故時に前記第１の蓄電池と前記第２の蓄電池を電気的に遮断するための遮断器とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
さらに、第３の従来例について説明する。従来、沸騰水型原子力発電所に設置されている蓄電池の設備容量は、安全負荷の運転に必要とする容量以上の大きな設備が選定されている。このため、充電器盤の大型と共に、広い設置場所の確保と保守が大規模となる問題があった。さらに、原子力発電所の運転状況の監視に伴い、プラント非常時に運転員による蓄電池電源から直流負荷の切り分けが実施されなかった場合、或いは、直流負荷の切り分け操作が遅れた場合には、設計時間以内で蓄電池電源が枯渇してしまう可能性が生ずる支障があった。このような問題点を解決するため、直流電力を直流負荷に配分する直流主母線盤において、非安全系負荷と安全系負荷、さらに安全系負荷を運転時間別に回路を分別すると共に、プラント非常時に非安全系負荷と、安全系負荷の運転時間別の選択遮断により直流電源の確保と適切な容量設定を容易とする原子力発電所の直流電源システムが公開されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平２−２３８３９６号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】特開平１０−１１１３９６号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の第１の従来の直流電源システムにおける蓄電設備２として、原子力発電所向けの特徴として比較的長時間例えば１時間の連続放電が必要とされることから、長時間にわたり放電特性の優れた鉛蓄電池が使用されることが多い。
【０００８】
鉛蓄電池の容量選定においては、電池工業会規格である「据置蓄電池の容量算出法（ＳＢＡ  Ｓ  ０６０１）」が一般的に使用されている。それによると、蓄電池容量は蓄電池の特性及び放電時間によって定められる定数と、その放電時間中の放電電流値の積に比例する。また、放電電流が時間とともに減少する場合には、放電電流の変化毎に必要容量を算出し、その最大の容量を蓄電池容量に選定するとある。
【０００９】
例として、沸騰水型原子力発電所の、区分I、区分II、区分IIIの３区分に独立して設けられる非常用機器冷却系における区分Iに属する負荷の運転パターンを図１０に示す。これによると、負荷運転パターンは、短時間例えば２秒（２ｓ）ではあるが、大電流例えば５５０（Ａ）を必要とする負荷（短時間給電負荷）と、小電流例えば１０１（Ａ）では有るが長時間例えば８時間（８ｈ）の給電を必要とする負荷（長時間給電負荷）とに大きく分類される。
【００１０】
これは、区分Iには原子炉隔離時冷却系（ＲＣＩＣ）が含まれるが、ＲＣＩＣには直流電源で駆動されるポンプ、弁等が多数存在するためである。ＲＣＩＣ弁をパターンＡ、ＲＣＩＣポンプをパターンＢ、その他短時間給電負荷をパターンＣ、その他長時間給電負荷をパターンＤとおき、各々の給電必要時間及び電流値の典型的なパターンを図１０に示している。
【００１１】
ここで、鉛蓄電池の放電特性の例を図１１に示すが、鉛蓄電池は分オーダ、時間オーダといった比較的長時間例えば１時間（１ｈ）に対する放電特性には優れているが、短時間（〜１分程度）放電に対しては放電特性定数の向上が見られないことがわかる。従って、図１０に示すような、短時間給電負荷を多く抱える、区分Iの蓄電設備は、短時間容量によって蓄電設備容量が選定される。このため、図１０の負荷パターンＡ〜Ｄに対しては過剰な容量選定をする必要が有り、結果的に鉛蓄電池の放電特性を最大限に生かせるようなシステム構成とはなっていないといえる。
【００１２】
前述した第２の従来例は、蓄電池は放電特性に応じて給電対象負荷を切替えるものではなく、第１の蓄電池は全交流電源喪失事故時に原子炉の隔離時冷却系に電力を供給するためのものであり、第２の蓄電池は全交流電源喪失事故時に自動減圧系に電力を供給するものであり、遮断器は全交流電源喪失事故時に前記第１の蓄電池と前記第２の蓄電池を電気的に遮断するものである。
【００１３】
さらに、前述した第３の従来例は、安全系負荷の運転時間別に回路を分別すると共に、プラント非常時に非安全系負荷と、安全系負荷の運転時間別の選択遮断を行い、これにより直流電源の確保と適切な容量設定が可能となるものである。
【００１４】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、従来の直流電源システムに比較し、蓄電設備全体の容量低減を目的とし、短時間給電負荷と長時間給電負荷とが混在する直流駆動負荷に対して蓄電設備からの電力を効率的に給電できる原子力発電所の直流電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、交流電源に接続された充電設備を介して充電される蓄電設備から得られる直流出力を原子力発電所の直流負荷に供給する直流電源システムにおいて、
前記蓄電設備は短時間放電特性が優れた急速放電用蓄電設備とこの急速放電用蓄電設備より長時間放電特性が優れた蓄電設備で構成し、これらの蓄電設備の切替を行う給電元切替設備を備え、前記交流電源の喪失後、短時間の所定期間は、前記給電元切替設備により前記急速放電用蓄電設備から前記直流負荷に給電し、この給電設備切替後、長時間の所定期間は、前記給電元切替設備により前記長時間放電特性が優れた蓄電設備から前記直流負荷に給電させるようにしたことを特徴とする原子力発電所の直流電源システムである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の原子力発電所の直流電源システムにおいては、従来システムに比較し、蓄電設備全体の容量低減を目的とし、原子力発電所の特徴である、短時間給電負荷と長時間給電負荷とが混在する直流駆動負荷に対し、効率的に直流電源を給電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
第１の実施形態は、図１に示すように、図９に示す従来例と異なる点は、新たに、急速放電用蓄電設備５と、急速放電用しゃ断設備６と、給電元切替設備７を追加したものである。直流駆動負荷給電用蓄電設備として、長時間放電特性が優れた蓄電設備２及び短時間放電特性が優れた蓄電設備（急速放電用蓄電設備）５で構成し、これらに対応して設けられるしゃ断設備３、６と、給電元切替設備７から構成され、蓄電設備２、５の放電時間に応じて給電元切替設備７を切替えるように構成したものである。
【００１９】
ここで、追加する蓄電設備５は交流電源例えば商用交流電源が喪失後、短時間のある一定期間例えば１分未満でもその時間に応じて放電特性が変化するため、時間と電流値に応じた蓄電池容量選定が可能である。これに対して、従来の直流電源システムに備えている蓄電設備２（鉛蓄電池）は、前述の図１１に示すように例えば１分以内の放電特性が一定、すなわち同一電流を数秒間放電しても、１分間放電しても、蓄電池容量は同じということを意味する。
【００２０】
このように放電特性の異なる蓄電設備２、５を設け、商用交流電源が喪失すると蓄電設備放電開始後１分以内は給電元切替設備７の、急速放電用蓄電設備５側を閉路、蓄電設備２側を開路とし、急速放電用蓄電設備５より配電設備４を介して直流駆動負荷に給電する。１分時点で給電元切替設備７の状態を切替え、以降は蓄電設備２より配電設備４を介して直流駆動負荷に給電する。尚、通常時は充電設備１を介して蓄電設備２及び５は充電されている。
【００２１】
第１の実施の形態によれば、図１０に示す運転負荷パターンに対し給電を行う場合、１分以内の運転負荷に対しては、蓄電設備２を利用する場合、（５５０＋２０２＋１５４＋３０１）＝約１２００Ａの放電電流を１分間連続して流すのと同じだけの蓄電池容量が必要であったが、急速放電に優れた蓄電設備５を利用する場合は、約１２００Ａが２秒間、その後３秒間は約６７０Ａ、その後１０秒間は約５２０Ａ、その後４５秒間は約４００Ａとなる。単純に電流値×時間の積で比較すると、［（１２００×２）＋（６７０×３）＋（５２０×１０）＋（４００×４５）／（１２００×６０）］＝０．４となり、この結果約６割の低減効果が得られる。
【００２２】
ここで、これら運転負荷パターンから蓄電設備必要容量を算出する場合、蓄電設備２、５の特性及び放電時間によって定められる定数（図２及び図１１の縦軸の値）を考慮する必要が有るが、適切な定数の蓄電設備２、５を採用することにより、蓄電設備２、５の容量の低減が可能であることがわかる。区分毎に直流駆動負荷の構成の異なる区分間でも、区分IのＲＣＩＣのような特異な給電パターンに対する専用蓄電設備を設け、区分Iのそれ以外の直流駆動負荷に対しては、他の区分と給電パターンと類似することから、同一の蓄電設備設計が可能となり、信頼性及び経済性効果向上が見込める。
【００２３】
第２の実施の形態は、図３に示すように図９の従来の直流電源システムに、急速放電用蓄電設備５と、急速放電用しゃ断設備６とを追加すると共に、蓄電設備５の下流でしゃ断設備６の間に、チョッパ等から構成される電圧制御設備８を新たに追加したものである。
【００２４】
電圧制御設備８は、短時間放電特性が優れた蓄電設備５の出力電圧を、図４に示すように短時間のある一定期間例えば１分、長時間放電特性が優れた蓄電設備２の出力電圧に対して常に高めに制御するためのものである。
【００２５】
交流電源例えば商用交流電源喪失による蓄電設備２、５の放電が開始されると、蓄電設備２、５の電圧は降下していく傾向となる。ここで、放電開始後１分以内は、電圧制御設備８により急速放電用蓄電設備５の電圧を、図４に示す通り一定かつ蓄電設備２より高めとなるよう制御されるので、蓄電設備２及び５が接続されている状態でも電圧差により蓄電設備５より直流駆動負荷に対して給電され、放電開始１分後にしゃ断設備６を開路することにより、蓄電設備２への給電切替が可能となる。給電切替に関する以外は前述の第１の実施の形態と同様である。
【００２６】
第２の実施の形態によれば、前述の第１の実施の形態と比較し、専用の切替設備である給電元切替設備７を設けることなく、給電元切替が可能であり簡素なシステムが実現できる。また、蓄電設備２は常にシステムに接続された状態となっているため、切替操作失敗による直流電源喪失といった事象も想定する必要がなくシステム信頼性向上につながる。
【００２７】
第３の実施の形態は、図５に示すように図９の従来の直流電源システムに、急速放電用蓄電設備５と、急速放電用しゃ断設備６とを追加すると共に、蓄電設備５の下流でしゃ断設備６の間に、チョッパ等から構成される充電電圧制御設備９を新たに追加したものである。
【００２８】
この場合、充電電圧制御設備９は蓄電設備５の充電電圧を、図６に示す通り蓄電設備２の充電電圧より常に高めにかつ１分間後も放電による蓄電設備５の電圧降下が蓄電設備２の充電電圧以上となるように制御するものである。
【００２９】
図５のような構成のものにおいて、通常時に、蓄電設備２及び５は、充電設備１により充電されている。この状態で、交流電源例えば商用交流電源が喪失すると、放電による電圧降下を考慮しても放電開始１分までは電圧差により蓄電設備５より直流駆動負荷に対して給電されることになり、放電開始１分後にしゃ断設備６を開路とすることにより、蓄電設備２への給電切替が可能となる。この結果、図１で示す専用の給電元切替設備７や図３の電圧制御設備８を省くことができ、これによりシステムの簡素化が図れる。
【００３０】
第４の実施の形態は、図７に示すように、図９に示す従来例と異なる点は、新たに、急速放電用蓄電設備５と、急速放電用しゃ断設備６と、充電電圧制御設備９と、電圧監視設備１０を追加したものである。
【００３１】
ここで、追加する蓄電設備５は、前述の実施の形態と同様に、商用交流電源が喪失後、短時間のある一定期間例えば１分未満でもその時間に応じて放電特性が変化するため、時間と電流値に応じた蓄電池容量選定が可能である。
【００３２】
充電電圧制御設備９は蓄電設備５の電圧を、図６に示す通り蓄電設備２より高めにかつ１分間後も放電による蓄電設備５の電圧降下が蓄電設備２の充電電圧以上となるように制御するものである。
【００３３】
また、電圧監視設備１０は、蓄電設備２及び急速放電用蓄電設備５の下流における充電及び放電電圧をそれぞれ計測し、蓄電設備２、５の電圧が等しくなったとき給電元切替タイミング信号を出力し、この給電元切替タイミング信号をしゃ断設備６に対して開路を与えるものである。
【００３４】
このように構成された第４の実施の形態によれば、次のような作用効果が得られる。通常時に、蓄電設備２及び５は、充電設備１により充電されているが、第３の実施の形態と同様に充電電圧制御設備９により、急速放電用蓄電設備５の電圧を、蓄電設備２より高めに充電しておく。ここで商用交流電源が喪失すると、放電開始後しばらくは充電電圧差により急速放電用蓄電設備５より負荷に対して給電されることになるが、電圧監視設備１０が両者の電圧が等しくなったことを検出したタイミングでしゃ断設備６を開路とすることにより、蓄電設備２への給電切替が可能となる。給電切替に関する以外は前述第３の実施の形態と同様である。
【００３５】
第４の実施の形態によれば、前述第３の実施の形態と比較し、実際の運転負荷率に見合った負荷電流に応じた蓄電設備５の電圧降下にあわせて給電切替が可能となる。一般的に負荷電流設計値は負荷率１００％として算定しており、実際の負荷電流にあわせた電圧降下は設計パターンより緩やかとなる。従い給電切替タイミングを設計値として選定した１分後に限定することなく、実際の降下電圧に応じたタイミングで給電切替を行うことができ、実用上の稼働率向上につながる。
【００３６】
この結果、時間設定することなく、電圧差により短時間放電特性が優れた蓄電設備５より優先的に給電することができ、蓄電設備５の放電により電圧が降下し、蓄電設備５の電圧以下になったことを検出し、給電設備の切替を行うため、直流駆動負荷の運転負荷率等により放電電流が異なる場合でも、短時間放電特性が優れた蓄電設備の能力を使いきったタイミングで、長時間放電特性が優れた蓄電設備が放電開始するため、設備の稼動率向上が可能となる。
【００３７】
第５の実施の形態は、図８に示すように、図９に示す従来例と異なる点は、直流負荷を構成する複数の直流負荷機器を、長時間運転負荷用配電設備４ａと短時間運転負荷用配電設備４ｂとに分割するシステム分割設備１１と、新たに、急速放電用蓄電設備５と、急速放電用しゃ断設備６を追加したものである。ここで、急速放電用蓄電設備５と、急速放電用しゃ断設備６は、前述の実施形態と同様な機能を有したものである。
【００３８】
システム分割設備１１は、蓄電設備２及び急速放電用蓄電設備５の下流側に設けられ、
しゃ断器等で構成され、交流電源例えば商用交流電源が正常なとき（通常時）に、閉路状態であって、商用交流電源が喪失すると、開路状態となる。
【００３９】
このような構成の第５の実施の形態によれば、次のような作用効果が得られる。交流電源例えば商用交流電源が喪失すると、システム分割設備１１は開路され、長時間運転負荷に対しては、蓄電設備２より長時間運転負荷用配電設備４ａを経由して給電され、短時間運転負荷に対しては、蓄電設備５より短時間運転負荷用配電設備４ｂを経由して給電される。
【００４０】
第５の実施の形態によれば、前述第１の実施の形態と比較し、例えば図１０のパターンＡの負荷を短時間運転負荷用配電設備４ｂに、パターンＢ、Ｃ、Ｄの負荷を長時間運転負荷用配電設備４ａにそれぞれ接続することで、急速放電用蓄電設備５は１５秒程度より短時間給電用に限定でき、蓄電設備２も容量増加につながらない範囲で短時間給電用（図のパターンＢ、Ｃのピーク電流）としても利用でき、更なる蓄電設備容量の低減につながる。また、図１の給電元切替設備７も不要になり、構成の単純なシステム分割設備１１が追加になるだけであり、システム構成の簡素化にもつながる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る原子力発電所の直流電源システムの第１の実施の形態を示す概略構成図。
【図２】図１の急速放電用蓄電設備の放電特性図。
【図３】本発明に係る原子力発電所の直流電源システムの第２の実施の形態を示す概略構成図。
【図４】図３の蓄電設備の放電後の電圧の経過を示す特性図。
【図５】本発明に係る原子力発電所の直流電源システムの第３の実施の形態を示す概略構成図。
【図６】図５の蓄電設備の放電後の電圧の経過を示す特性図。
【図７】本発明に係る原子力発電所の直流電源システムの第４の実施の形態を示す概略構成図。
【図８】本発明に係る原子力発電所の直流電源システムの第５の実施の形態を示す概略構成図。
【図９】従来の原子力発電所の直流電源システムを示す概略構成図。
【図１０】直流駆動負荷に対する給電パターンを示した特性図。
【図１１】図１０の蓄電設備の放電特性図。
【符号の説明】
【００４２】
１…充電設備、２…蓄電設備、３…しゃ断設備、４…配電設備、４ａ…配電設備（長時間運転負荷）、４ｂ…配電設備（短時間運転負荷）、５…蓄電設備（急速放電用）、６…しゃ断設備（急速放電用）、７…給電元切替設備、８…電圧制御設備、９…充電電圧制御設備、１０…電圧監視設備、１１…システム分割設備。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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