INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12185

原子力発電所の非常用所内電源系統の外部電源変圧器の一相欠相時の EMTP による応答解析（昨年の続報 ‑1）
Transient evaluation using EMTP at one phase opening of the oﬀsite power transformer ofthe emergency power supply systems for nuclear power plants（This report is a follow-up the last yearʼs.）
嶋田

善夫（Yoshio Shimada）＊1

要約 研究対象の原子力発電所の非常用電源系統は，福島第一原子力発電所事故に見られるよ
うに，非常用炉心冷却系統（ECCS）等に安定した電力を供給し，原子炉の安全を維持するうえで極めて重要な電源である．米国 NRC は，規制文書 BL 2012-01，IN 2012-03 を発行し，外部電
源側が Y 結線，負荷側が Ƌ 結線の変圧器など，ある種の巻線構成や鉄心構成では，外部電源系統に接続された変圧器の一相が，地絡のない欠相故障した場合に，低電圧保護リレーによる検出ができない問題を，電源系統の設計上の新たな脆弱性として検討を開始している．2013 年の INSSJOURNAL の論文は，三相変圧器の種々の巻線構成や鉄心構成の地絡のない電源側一相欠相時の応答および国内代表 PWR プラントの地絡のない電源側一相欠相時の非常用電源系統および安全関連機器の応答に係る安全上の重要な問題点を，
電気過渡応答解析コード（EMTP）によるシミュ
レーションを用いて明確に特定した．
続報として，本論文は以前の結果を簡潔にまとめ，変圧器の一次側において，一相が地絡のない
欠相故障した場合に，一次側および二次側の両方で正常な電圧が維持される原理，および国内
代表 PWR プラントの非常用電源系統および安全関連機器の保護リレーの動作を EMTP によるシ
ミュレーションにより解析した結果を報告する．
キーワード

非常用電源系統，安全関連機器，三相変圧器，欠相，NRC，EMTP，保護リレー

Abstract
The emergency power supply systems of nuclear power plants, as the objects ofthis research, are critical to supplying stable electric power to such systems as the emergency
core cooling system (ECCS), and to maintaining the safety of the nuclear power reactor; thiswas apparent from the accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. The USNRC
issued regulatory documents (BL 2012-01, IN 2012-03), and has commenced to review those
problems which cannot be detected by degraded-voltage protection relays such as new design
vulnerability of the power supply systems that are certain kinds of winding structures and ironcore structures when the one-phase open fault occurs without a ground fault of the transformer
connected to the oﬀsite power supply system, including when the oﬀsite power supply side is awye connection and the load side is a delta connection etc. The report of the INSS JOURNAL
2013 used simulation by the electro-magnetic transients program (EMTP) and obtained ﬁndingsthat clearly speciﬁed the response at the time of the power supply side one-phase open without
ground fault of various winding structures and various iron core structures of the three-phasetransformer and identiﬁed the important issues for the response of emergency power supply
systems and the safety related components of representative domestic PWR plants when the
one-phase open fault occurred without ground fault.
In a continuation of the previous report, this paper summarizes the previous results, and thenpresents the principles by which normal voltages are maintained by both the primary and thesecondary sides when the one-phase open failure without ground fault occurs on the primaryside of the transformer, and the results of the analysis of operations of the protection relays ofthe emergency power systems and the safety related components of representative a domestic
PWR plant by the simulation using EMTP.
Keywords

emergency power supply system, safety rerated components, three phase transformer, open
phase, NRC, EMTP, protection relay＊ 1 （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

186

器の Y 結線および Ƌ 結線の単純な組合せを全て，および YY 結線に Ƌ の安定巻線を加えた場合につい1. 背景および目的
研 究 対 象 の 非 常 用 電 源 系 統 は， 福 島 第 一 原て，電気過渡応答解析コード EMTP（5）を使用した

子 力 発 電 所 事 故 に 見 ら れ る よ う に， 非 常 用 炉

シミュレーションにより，一相が地絡のない欠相（開

心 冷 却 系 統（ECCS） 等 に 安 定 し た 電 力 を 供 給放）した場合の変圧器の応答を明らかにするとともし，原子炉の安全を維持するうえで極めて重要に，低電圧保護リレーによる非常用電源系統の保護

な 電 源 で あ る． 米 国 NRC で は， 規 制 文 書「NRCの可否を明らかにした．また，国内代表プラントの

BULLETIN 2012-01, DESIGN VULNERABILITY

安全関連の機器に電源を供給する変圧器外電側（入

（1）

お よ び

力側）の地絡のない一相欠相の状況において，安全「NRC INFORMATION NOTICE 2012-03: DESIGN

注入信号が発信し，ECCS など安全関連負荷が順次

VULNERABILITY IN ELECTRIC POWER

起動した場合の変圧器および安全関連負荷の応答

IN ELECTRIC POWER SYSTEM」（2）を発行し，外部電源に接続された変も，EMTP によるシミュレーションにより明らか

圧器の一相が，地絡のない欠相（開放）となった場にした．また，シミュレーション結果を踏まえて，合の設計問題を重要な問題と認識して，事業者に情現時点で考えられる変圧器外電側の地絡のない一相報提供を要求するとともに，新たな設計の脆弱性と欠相に対する対応策を示した．

SYSTEM」

して検討を開始している．

本論文の目的は，2013 年の INSS JOURNAL の論

NRC が新たに認識した電源系統の設計の脆弱性のポイントは，外部電源側が Y 結線，負荷側が Ƌ 結

文の内容で不足していたと思われる内容を補足する

線の変圧器など，ある種の巻線構成や鉄心構成では，① 2013 年の INSS JOURNAL の論文の結果を簡潔

Y 結線側（外部電源側）の一相が地絡のない欠相（開ことであり，以下の項目を報告する．
にまとめる．

放）した場合，外部電源側の変圧器巻線，負荷側の② ある種の巻線構成や鉄心構成は，Y 結線側（外変圧器巻線の両方で，正常な電圧が維持され，低電部電源側）の一相が地絡のない欠相（開放）し圧保護リレーによる保護ができない，また変圧器がた場合，外部電源側の変圧器巻線，負荷側の変負荷に電力を供給した場合も 10％程度の電圧低下

圧器巻線の両方で，正常な電圧が維持される原にとどまり低電圧保護リレーによる保護ができない理を解説する．

などの点である．米国事業者は，コンピュータ解析③ 国内代表 PWR プラントの地絡のない電源側一の実施や「A Practical Guide for Detecting Single-

相欠相時の非常用電源系統および安全関連機器

Phasing on a Three-Phase Power System by Johnの保護リレーの動作検討を EMTP によるシミュ

Horak and Gerald F. Johnson, Basler Electric

レーションにより解析した結果を報告する．

Company」（3）の文献を参照して，上記のような設計問題について，米国 NRC と問題意識を共有している．

2. 2013 年の INSS JOURNAL の論文の結果のまとめ

また，わが国の新規制基準，実用発電用原子炉及びその付属施設の位置，構造及び設備の基準に関す変圧器が無負荷時および負荷時に欠相した場合の「保安電源設備（安全施る規則第 33 条第３項には，電圧応答について設へ電力を供給するための設備をいう．）には，第使用される発電機及び非常用電源設備から発電用原変圧器の Y 結線および Ƌ 結線の単純な組合せを全て，YY 結線に Ƌ の安定巻線を加えた場合，単相変子炉施設の安全性を確保するために必要な装置への圧器を外部で Y 結線および Ƌ 結線した場合，変圧器

電力の供給が停止することがないように，機器の損の鉄心が３脚，５脚の場合，無負荷時および負荷時

一項の電線路，当該発電用原子炉施設において常時壊，故障その他の異常を検知するとともに，その拡の場合について，EMTP を使用したシミュレーショ

大を防止するために必要な措置を講じなければならンにより，一相が地絡のない欠相（開放）をした場ない．」 と規定されており，この規定への適合性に合の変圧器の応答を表１および表２に示す．

ついても検討が必要である．
2013 年の INSS JOURNAL の論文（4） では，変圧INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

表１

187

無負荷時の変圧器一次側の一相欠相時のシミュレーション結果
電源側
相間電圧（pu）

巻線（鉄心）

負荷側
相間電圧（pu）

一相欠相時
低電圧保護の可否

A‑B

B‑C

C‑A

A‑B

B‑C

C‑A

１

１

１

１

１

１

×

Yg‑Ƌ（単相× 3）

１

１

１

１

１

１

×

Ƌ‑Yg（３脚）

0.5

１

0.5

0.87

0.87

０

×

Yg‑Yg（３脚）

１

１

１

１

１

１

×

Yg‑Yg（５脚）

0.8

１

0.7

0.8

１

0.7

×

Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線
（３脚）

１

１

１

１

１

１

×

Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線
（５脚）

１

１

１

１

１

１

×

Yg‑Yg（単相× 3）

0.57

１

0.57

0.57

１

0.57

○

Ƌ‑Ƌ（３脚）

0.72

１

0.27

0.72

１

0.28

×

Yg‑Ƌ（３脚）＊○と×は，線間電圧 70 ％，2/3 のロジックの低電圧保護の可否に基づく．
＊ Yg の添え字 g は，中性点直接接地を示す．
＊ pu（Per Unit）法は，基準値（ここでは定格電圧）に対する比率である．
表２

負荷時（50 ％，力率 0.8）の変圧器一次側の一相欠相時のシミュレーション結果
電源側
相間電圧（pu）

巻線（鉄心）

負荷側
相間電圧（pu）

一相欠相時
低電圧保護の可否

A‑B

B‑C

C‑A

A‑B

B‑C

C‑A

Yg‑Ƌ（３脚）

0.9

１

0.98

0.9

0.9

１

×

Yg‑Yg（３脚）

0.8

１

0.95

0.8

１

0.95

×

Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線
（３脚）

１

１

１

１

１

１

×

Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線
（５脚）

0.9

１

0.98

0.9

１

0.98

×

＊○と×は，線間電圧 70 ％，2/3 のロジックの低電圧保護の可否に基づく．
＊ Yg の添え字 g は，中性点直接接地を示す．
＊ pu（Per Unit）法は，基準値（ここでは定格電圧）に対する比率である．

3. 変圧器の一次側が地絡のない一相欠相（開放）をした場合に電圧が再生される
理由 （6）

図１は，Yg‑Ƌ 変圧器の一次側の A 相が，地絡の無い欠相した場合を示す．一次側の健全な B 相および C 相のコイル WB および WC の電圧は，欠相後も正常な電圧が維持されることから，対応する二次側変圧器の一次側が地絡のない一相欠相（開放）をした場合の電圧が再生される理由は，二次側の Ƌ 巻される．従って，二次側の VWa は，線による場合，および３脚鉄心の磁束による場合がVWa=‑VWc‑VWb

ある．

のコイルの電圧 VWb および VWc も正常な電圧が維持

すなわち，欠相する前の
VWa+VWb+VWc=0（1）Yg‑Ƌ および Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線の場合

（1）
（2）

の関係が，成立する．
従って，二次側の電圧 VWa によって，一次側の A変圧器の結線が外電側 Yg，負荷側 Ƌ および外電
側 Yg，負荷側 Yg ＋ Ƌ の安定巻線で，地絡のない一相コイル WA にも正常な電圧が再生される．
このことから，Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線の場合に相欠相（開放）をした場合は，３脚，５脚，単相変ついても，同様の説明が可能である．

圧器× 3 など鉄心の構成に依存せずに，変圧器の一次側および二次側の電圧が維持される．

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

188

4.

国内代表 PWR プラントの地絡のな
い電源側一相欠相時の非常用電源系
統および安全関連機器の保護リレーの動作2013 年の INSS JOURNAL の論文（4） では，国内代表プラントの安全関連の機器に電源を供給する変圧器外電側（入力側）の一相欠相のある状況におい図１

Yg‑Ƌ 変圧器の一相欠相て，安全注入信号が発信し，ECCS など安全関連負荷が順次起動した場合の変圧器および安全関連負荷（2）Yg‑Yg（３脚）の場合の応答をシミュレーションした結果，以下のことが分かった．

変圧器の結線が外電側 Yg，負荷側 Yg で，地絡

① 全負荷投入後の電圧の不平衡は，10％程度でのない一相欠相（開放）をした場合は，３脚鉄心のある．一方，電流については，誘導電動機負場合にのみ，変圧器の一次側および二次側の電圧が荷が，電圧の 10％程度の低下にかかわらず不維持される．

平衡が 30％程度と大きくなる．さらに，誘導Yg‑Yg（３脚）変圧器の一次側の A 相が，地絡の無い欠相した場合，図２のように健全な B 相およ

電動機負荷単独では，電流の不平衡が 50％程度に拡大する．

び C 相の磁束φb およびφc は，欠相した A 相の鉄心② 不平衡により発生する変圧器の中性点電流が，を通過して戻る．従って，欠相した A 相の磁束φa は，保護リレーの設定値を超えた場合，変圧器がφa ＝ ‑ φb‑ φc（3）すなわち，欠相する前の
φa+ φb+ φc ＝０

トリップする可能性が有る．
③ 一定の回転数（すなわち軸動力）を維持しよ（4）が成立している．
これは，A 相鉄心には，欠相の前後で全く同じ磁うとする結果，健全な２相の電流が増加するため，保護リレーの設定値を超えた場合，過負荷トリップする可能性が有る．

束が流れていることを意味しており，A 相の一次側④ 誘導電動機負荷の起動時間および回転数は正および二次側のコイル電圧 VA，Va は，欠相前後で常に維持されるが，電動機の発生トルクが変化なく正常な電圧が再生されることを示してい120Hz の相対的に大きい振幅で振動することる．

から，大きな騒音や振動が発生するものと推定される．
⑤ 結論として，変圧器外電側（入力側）の地絡のない一相欠相を単一故障として仮定（単一故障基準）した場合の LOCA などの事故時にECCS など安全関連機器へおよぼす影響が明らかとなった．
本論文では，①低電圧保護リレーおよびそれ以外の保護リレーが変圧器外電側の一相欠相により動作する可能性，②主要な負荷（ECCS 負荷，海水ポンプ，
機器冷却水ポンプなど）が過負荷トリップする可能
図２

Yg‑Yg（３脚鉄心）の変圧器性について，シミュレーション結果に基づいて定量的に評価した．図３は，シミュレーションの単線結線図である．

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

図３（1）シミュレーションの条件：

189

単線結線図

変圧器の周波数⇒ 60Hz

変圧器の結線⇒外電側 Y，負荷側 Y ＋Ƌ の安定巻線

変圧器のモデル⇒ EMTP の変圧器の鉄心⇒５脚

負荷⇒ 50％負荷（19MVA（力率 0.8））

変圧器の容量⇒ 38MVA

ハイブリッド変圧器＋安全注入信号による変圧器の一次電圧⇒ 515kV
変圧器の二次電圧⇒ 6.9kV
変圧器の一次中性点接地⇒直接接地
変圧器の二次中性点接地⇒抵抗接地（105.5 Ω）

起動負荷
欠相⇒ 0.5 秒で A 相が欠相

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12190（2）低電圧保護リレーおよびそれ以外の保護リレー

リレー（27）による保護はできない．

が，動作する可能性の評価（b）比率差動保護リレー（87）の動作可能性評価
図４は，国内代表 PWR プラントの変圧器外電側の一相欠相により動作する可能性が有る低電圧保護

図６は，全負荷投入完了時の外電側の各相電流をリレー（27），比率差動保護リレー（87），過電流保示し，欠相の A 相電流は０（A），健全な２相の電護リレー（51），中性点過電流保護リレー（51G），

流は増加し，位相も変化する．図７は，全負荷投入

中性点過電圧保護リレー（64E）の系統図である．

完了時の負荷側の各相電流を示し，誘導電動機負荷の影響で，電流と電圧の比例関係が成立しない，す（a）低電圧保護リレー（27）の動作可能性評価

なわち電流の不平衡は，電圧の不平衡より大きくなる．

図５は，全負荷投入完了時点の各相の相間電圧

外電側各相の電流実効値および位相角は，A 相である．各相の電圧実効値および位相角は，A‑Bの基本波：0A ∠ 90.0°，第二高調波：0A ∠ 90.0°，相の基本波：5,756V ∠ ‑57.3°，第二高調波：172.9V

B 相 の 基 本 波 50.5A ∠ ‑85.3 °， 第 二 高 調 波：1.3A∠ -28.1 °，B‑C 相 の 基 本 波 6,587V ∠ ‑176.3 °，第二∠ ‑80.0°，C 相の基本波：56.4A ∠ ‑164.2°，第二高

高調波：339.9V ∠ ‑161.2°，C‑A 相の基本波：6,304V

調波：2.919A ∠ ‑155.6°
である．

∠ 56.7°，第二高調波：255.2V ∠ 48.5°である．また，

負荷側各相の電流実効値および位相角は，A 相の低電圧保護リレーの動作電圧は，4,800V（72.7％）

基本波：2,045A ∠ 52.8°，第二高調波：86.3A ∠ 45.79°，

である．

B 相 の 基 本 波 2,620 ∠ ‑53.6 °， 第 二 高 調 波：83.0A

従って，6.6kV 母線の低電圧保護リレー（27）は，一相欠相のある状況，かつシミュレーションの負荷∠ ‑23.2°，C 相の基本波：2,831A ∠ 170.3°，第二高
調波：139.5A ∠ ‑167.9°
である．

条件において不動作である．すなわち，低電圧保護

図４

国内代表 PWR プラントの保護リレーの単線結線図

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

191

10.0
[kV]
7.5
5.0
2.5
0.0
-2.5
-5.0
-7.5
-10.0
79.90

79.92

79.94

79.96

79.98

[s]

80.00

[s]

80.00

(file o4-simu7_real_data_kansai1_atpdraw57_with_load_open_phase_2013.5.9.pl4; x-var t)
v:LV_XB-v:LV_XA v:LV_XC-v:LV_XB v:LV_XA-v:LV_XC

図５

変圧器負荷側（出力側）の相間電圧 （全負荷投入完了時）

100.00
[A]
69.60

39.21

8.81

-21.58-51.98-82.37-112.77
79.80

79.84

79.88

79.92

79.96

(file o4-simu7_real_data_kansai1_atpdraw57_with_load_open_phase_2013.5.9.pl4; x-var t)
c:X1702A-HV_XA c:X1702B-HV_XB c:X1702C-HV_XC

図６

変圧器外電側（入力側）の相電流 （全負荷投入完了時）

この結果を線間電流に変換する．

400/5 ＝ 73.6A，5.51 × 5000/5 ＝ 5,510A で あ る． 最a：一次（外電）側

b：二次（負荷）側

小動作値は，50％である．

ac 相 56.4A ∠ 15.8°

ac 相 4,188.0A ∠ 16.0°

ba 相 50.5A ∠ ‑85.3° ba 相 3,750.2A ∠ ‑85.1°

上記の結果から％換算値に変換する．

cb 相 68.0A ∠ 149.1° cb 相 5,056.1A ∠ 149.3°

a：一次（外電）側
ac 相 56.4A/73.6A=76.6％∠ 15.8°

また，比率差動保護リレー（87）の基準電流値

ba 相 50.5A/73.6A=68.6％∠ ‑85.3°（タップ値）を CT 一次側の電流値に換算した値は，cb 相 68.0A/73.6A=92.4％∠ 149.1°

一次（外電）側，二次（負荷）側それぞれ 0.92A ×

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

192

5000
[A]
3750
2500
1250
0
-1250
-2500
-3750
-5000
79.85

79.88

79.90

79.93

79.95

79.98

[s]

80.00

(file o4-simu7_real_data_kansai1_atpdraw57_with_load_open_phase_2013.5.9.pl4; x-var t)
c:LV_XA -G1A c:LV_XB -G1B c:LV_XC -G1C

図７

変圧器負荷側（出力側）の相電流 （全負荷投入完了時）

b：二次（負荷）側

従って，外電側過電流保護リレー（51）は，一相ac 相 4,188.0A/5510A=76.0％∠ 16.0°

欠相のある状況，かつシミュレーションの負荷条件

ba 相 3,750.2A/5510A=68.1％∠ ‑85.1°

において不動作である．すなわち，外電側過電流保cb 相 5,056.1A/5510A=91.8％ = ∠ ‑149.3°

護リレー（51）による保護はできない．

a：一次（外電）側の％換算値 -b: 二次（負荷）側の％（d）負荷側過電流保護リレー（51）の換算値の値

動作可能性評価

ac 相：76.6％ ‑76.0％＝ 0.6％
ba 相：68.6％ ‑68.1％＝ 0.5％

負荷側各相の電流実効値および位相角は，A 相のcb 相：92.4％ ‑91.8％＝ 0.6％

基本波：2,045A ∠ 52.8°，第二高調波：86.3A ∠ 45.8°，
B 相 の 基 本 波 2,620 ∠ ‑53.6 °， 第 二 高 調 波：83.0A

従って，上記の値は，最小動作値の 50％より小∠ ‑23.2°，C 相の基本波：2,831A ∠ 170.3°
，第二高

さいため，
一相欠相のある状況，
かつシミュレーショ

調波：139.5A ∠ ‑167.9°である．また，負荷側過電ンの負荷条件において比率差動保護リレー（87）は流保護リレー（51）の動作電流は，0.7A × 2,000/5

不動作である．すなわち，
比率差動保護リレー（87）× 515/6.9 ＝ 20,899A である．

による保護はできない．

従って，負荷側過電流保護リレー（51）は，一相欠相のある状況，かつシミュレーションの負荷条件（c）外電側過電流保護リレー（51）の動作可能性評価
外電側各相の電流実効値および位相角は，A 相の基本波：0A ∠ 90.0°，第二高調波：0A ∠ 90.0°，において不動作である．すなわち，負荷側過電流保護リレー（51）による保護はできない．
（e）外電側中性点過電流保護リレー（51G）の動作可能性評価

B 相 の 基 本 波 50.5A ∠ ‑85.3 °， 第 二 高 調 波：1.3A∠ ‑80.0°，C 相の基本波：56.4A ∠ ‑164.2°，第二高

図８は，全負荷投入完了時の外電側の中性点電流

調波：2.9A ∠ ‑155.6°である．また，外電側過電流である．外電側の中性点電流の実効値および位相保護リレー（51）の動作電流は，2.0A × 2,000/5 ＝

角は，基本波：82.6A ∠ ‑127.4°，第二高調波：3.5A

800A である．

∠ ‑134.7°である．また，外電側中性点過電流保護

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

193

150
[A]
100

50

0

-50

-100

-150
0

10

20

30

40

50

60

(file o4-simu7_real_data_kansai1_atpdraw57_with_load_open_phase_2013.5.9.pl4; x-var t)

図８

70

[s]

80

c:XX1704-

変圧器外電側（入力側）の中性点電流

リレー（51G）の動作電流は，0.5A × 600/5 ＝ 60A，

図９は，全負荷投入完了時の負荷側の中性点電流

第二高調波ロック値は，10％である．

である．負荷側の中性点電流の実効値および位相角

従って，外電側中性点過電流保護リレー（51G）は，は，基本波：1.241A ∠ 141.5°，第二高調波：0.05A

一相欠相のある状況，かつシミュレーションの負荷∠ 171.1°である．また，負荷側中性点過電圧保護リ条件において動作する．すなわち，外電側中性点過レー（64E）の動作電圧は，30V である．この動作

電流保護リレー（51G）による保護はできる．

電圧の時に，中性点に流れる電流は，30V/0.08 Ω
× 190/6,900 ＝ 10.3A である．

（f）負荷側中性点過電圧保護リレー（64E）

従って，負荷側中性点過電圧保護リレー（64E）は，の動作可能性評価

一相欠相のある状況，かつシミュレーションの負荷

1.5
[A]
1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5
0

10

20

30

40

50

60

(file o4-simu7_real_data_kansai1_atpdraw57_with_load_open_phase_2013.5.9.pl4; x-var t)

図９変圧器負荷側（出力側）の中性点電流

c:XX1705-

70

[s]

80

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12194

条件において不動作である．すなわち，負荷側中性（h）ECCS 関 連 負 荷， 海 水 ポ ン プ， 機 器 冷 却 水

点過電圧保護リレー（64E）による保護はできない．

ポンプなど主要な安全関連負荷の過負荷保護（g）（a）〜（f）のまとめ

可能性評価

リレー（49），過電流リレー（51，50）の動作

表３は，低電圧保護リレー（27），比率差動保護図 10 は，一相欠相した状況において，高圧注入

リレー（87），過電流保護リレー（51），中性点過電ポンプ運転中の各相電流を示す．各相の電流実効値

流保護リレー（51G），
中性点過電圧保護リレー（64E）

および位相角は，A 相の基本波：79.3A ∠ ‑120.1°，の動作 / 不動作の評価結果をまとめた．

第二高調波：3.1A ∠ ‑128.2°，B 相の基本波 154.6A

結果は，外電側中性点過電流保護リレー（51G）
のみ動作である．
表３

27，
87，
51，51G，64E の動作 / 不動作の評価結果

保護リレー∠ 135.8°，第二高調波：5.6A ∠ 167.5°，C 相の基本
波：155.5A ∠ ‑14.5°，第二高調波：7.5A ∠ 9.5°であ

動作値

動作 / 不動作

低電圧保護リレー（27）4,800V（72.7％）

不動作

比率差動保護リレー（87）

50%

不動作

外電側過電流保護リレー
（51）

800A

不動作

負荷側過電流保護リレー（51）

20,899A

不動作

外電側中性点過電流保護
リレー
（51G）

60A

動作

負荷側中性点過電圧保護
リレー
（64E）

30V

不動作

る．高圧注入ポンプの過負荷保護リレー（49），過電流保護リレー（51，50）の動作電流は，それぞれ
159.5A，217.5A，2000A である．
従って，
高圧注入ポンプの過負荷保護リレー（49），
過電流保護リレー（51，50）は，一相欠相のある状況，
かつシミュレーションの負荷条件において不動作である．
表４は，主要な安全関連負荷の過負荷保護リレー（49），過電流保護リレー（51，50）の動作 / 不動作の評価結果を示す．なお，過負荷保護リレー（49）
は，警報のみであり，トリップ保護はない．過電流保護
リレー（51，50）は，トリップ保護を行う．その結果，海水ポンプ，原子炉補機冷却水ポンプ，電動補助給水ポンプの 49 リレーが動作することがわかった．それ以外の保護リレーは，不動作であった．

300
[A]
200

100

0

-100

-200

-300
79.89079.91279.93479.956(file o4-simu7_real_data_kansai1_atpdraw57_with_load_open_phase_2013.5.9.pl4; x-var t)

図 1079.978[s] 80.000

u2:IPA u2:IPB u2:IPC

高圧注入ポンプ運転中の電流 （一相欠相時）

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 12

表４

195

主要な安全関連負荷の過負荷保護リレー（49），過電流リレー（51，50）の動作 / 不動作の評価結果
変流
比

4 9 の
動作値
/時 間

5 1 の
動作値
/時 間

5 0 の
動作値
/時 間

Ａ相の
電 流
∠位相

105A 150/5

115.5A/48S

157.5A
/10S

1650A
/瞬時

65.5A
122.3A
124.8A∠‑122.1° ∠134.8° ∠‑14.5°

高圧注入ポンプ 145A 250/5

159.5A/48S

217.5A/12S

余熱除去ポンプ 42A

75/5

46.2A
/48S

格納容器
スプレイポンプ

95A

150/5

原子炉補機
冷却水ポンプ

39A

電動補助
給水ポンプ

68A

機

器

海水ポンプ

定格
電流

4 9 の
動 作/
不動作

5 1 の
動 作/
不動作

5 0 の
動 作/
不動作

動作

不動作

不動作

2000A
/瞬時

79.3A
154.6A
155.5A
不動作∠‑120.1° ∠135.8° ∠‑14.5°

不動作

不動作

63A
/12S

675A
/瞬時

11.2A
35.1A
36.8A
不動作
∠‑131.2° ∠138.9° ∠‑23.5°

不動作

不動作

104.5A/48S

153.6A
/12S

1350A
/瞬時

50.8A
104.1A
102.8A
不動作∠‑115.3° ∠139.1° ∠‑12.4°

不動作

不動作

60/5

42.9A
/48S

59.4A
/12S

480A
/瞬時

26.7A
43.1A
46.4A
∠‑130.2° ∠129.4° ∠‑16.1°

動作

不動作

不動作

100/5

74.8A
/48S

102A
/12S

1100A
/瞬時

43.7A
82.9A
84.5A
∠‑119.5° ∠137.4° ∠‑12.3°

動作

不動作

不動作

5. まとめ

Ｂ相の
電 流
∠位相

Ｃ相の
電 流
∠位相

果，海水ポンプ，原子炉補機冷却水ポンプ，電動補助給水ポンプの 49 リレーのみ動作すること① 変圧器の Y および Ƌ 結線の単純な組合せを全て，および Y‑Y 結線に Ƌ の安定巻線を加えた場合をがわかった．

シミュレーションで確認した．その結果，外電側（入力）Y，負荷側（出力）Ƌ（３脚，５脚，

参照文献

単相変圧器× 3）の場合，外電側（入力）Y，負（1） N R C B U L L E T I N 2 0 1 2 - 0 1 , D E S I G N

荷側（出力）Y（３脚）の場合および外電側 Y，
負荷側 Y ＋ Ƌ の安定巻線（３脚，５脚）の場合

VULNERABILITY IN ELECTRIC POWER

は，
電圧の変化による地絡のない一相開放（欠相）（2） NRC INFORMATION NOTICE 2012-03,を検出することはできないことがわかった．
② Yg‑Ƌ，Yg‑Yg ＋ Ƌ の安定巻線および Yg‑Yg（３DESIGN VULNERABILITY IN ELECTRIC脚）変圧器の一次側が地絡のない一相欠相（開放）（3） A Practical Guide for Detecting Single-をした場合に電圧が再生される理論的根拠を示

Phasing on a Three-Phase Power System by

した．

John Horak and Gerald F. Johnson, Basler③ 国内代表プラントの安全関連の機器に電源を供

SYSTEM.

POWER SYSTEM.

Electric Company.

給する変圧器外電側（入力側）の地絡のない一（4） 嶋田 善夫 ,「原子力発電所の非常用所内電源

相欠相の状況において，安全注入信号が発信し，系統の外部電源変圧器の一相欠相時の EMTP

ECCS など安全関連負荷が順次起動した場合のによる応答解析」, INSS JOURNAL, Vol.20,

変圧器および安全関連負荷の応答をシミュレー

P204（2013）．

ションした．その結果に基づいて，動作する可（5） Meyer, W.S., et al Editors “EMTP Rule

能性が有る低電圧保護リレー（27），比率差動保Book” Portland, Oregon, Revised 1992.

護リレー（87），過電流保護リレー（51），中性

Bonneville Power Administration, System

点過電流保護リレー（51G），中性点過電圧保護

Engineering, 1980.

リレー（64E）の動作 / 不動作を定量的に評価し（6） Amir Norouzi, “Open Phase Conditions

た．その結果，変圧器一次側の中性点過電流保in Transformers Analysis and Protection

護リレー（51G）のみ動作することがわかった．

Algorithm,” GE Digital Energy Markham,④ また，国内代表プラントの ECCS 関連負荷，海水ポンプ，機器冷却水ポンプなど安全関連負荷の過負荷保護リレー（49），過電流リレー（51，50）の動作 / 不動作を定量的に評価した．その結ON, 2013.