INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑11173

原子力発電所の直流電源系統の短絡事故時のEMTP による応答解析
Transient evaluation using EMTP at short-circuit accident of direct current power supply
systems for nuclear power plants
嶋田善夫（Yoshio Shimada）＊1

徳久聡（Satoshi Tokuhisa）＊2

要約
原子力発電所の直流電源系統は，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 Information Notice（IN）2017-06「蓄電池及び充電器の短絡電流による直流電源系での電気故障への影響」を発行し，設計上の新たな脆弱性として検討を開始している．本研究では，この問題に関し，NRC 報告書 NUREG/CR-7229 に記載された実験結果について，電気過渡応答解析コード（EMTP）によるシミュレーションを行い，応答に関する知見を得た．
キーワード

直流電源系統，NRC，EMTP

Abstract
The DC power supply systems of nuclear power plants for the object of thisresearch are critical to supply stable electric power to such systems as the emergency corecooling system（ECCS）, and to maintain the safety of the nuclear power reactor; this was fromthe accident at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant. USNRC issued regulatory documents（IN2017-06 “Battery and Battery Charger Short-circuit Current Contributions to a Fault on theDirect Current Distribution System”）, and has commenced to review the problem. This researchused simulation by the electro-magnetic transients program（EMTP）and obtained ﬁndings thatclearly speciﬁed the response for the experimental results described in NRC Report NUREG /CR-7229, regarding this problem.
Keywords

DC power supply system, NRC, EMTP

1. 背景および目的して提唱した．なお，規制文書発行の元となった事
象は，2011 年９月 25 日，Palisades 発電所にて発生研究対象の直流電源系統は，福島第一原子力発したものであり，同発電所においては，125V 直流電所事故に見られるように，非常用炉心冷却系統分電盤内の作業中に，保守作業員が当該盤内の母線（ECCS）等に安定した電力を供給し，原子炉の安を短絡させ，直流電源系の片系列が喪失したことに全を維持するうえで極めて重要な電源である．米国

より，ECCS 起動，主蒸気隔離，補助給水起動等がNRC で は，規 制 文書「INFORMATION NOTICE発生し，運転員に複雑な対応を要求する事態となっ（IN）2017-06 蓄電池及び充電器の短絡電流によるた．NRC は，当該事象に対して，特別検査チーム直流電源系での電気故障への影響」を発行し，充電を派遣するとともに，IN2013-17（2）を発行して，原器と蓄電池が並列接続している場合の充電器からの子力事業者に注意喚起を行った．NRC は，当該事初期の短絡電流が，IEEE 946-2004「発電システム

象のうち，充電器がトリップして，片系列の直流電用の DC 補助電源システムの設計に対する IEEE の源系が喪失した原因が未解明であったことから，充推奨例」（1）に記載されている定格電流の 150％に制電器および蓄電池の短絡実験を実施し，その結果を限されず，定格電流の 700％流れることを新知見と「直流配電系の故障に寄与するNUREG/CR-7229（3）＊ 1 元（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ 2 （株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所

現 関西電力（株）

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑ 11174

蓄電池および充電器の短絡電流を評価するための試を EMTP によりシミュレーションするために作成

験」として 2017 年２月付で公開した．当該の実験した充電器／蓄電池の等価回路図（6）である．また，結果は，新知見として充電器からの短絡電流が，従各回路素子の説明を，以下の１〜 16 に記載した．

来考えられていたものより，はるかに大きいことを１：充電器の電圧（26.94V，NUREG/CR-7229 から読み取った．
）示していた．この新知見により，NRC は，2017 年
９月 26 日付で IN2017-06 を発行し，原子力事業者に２：充電器の過電流抑制用の非線形抵抗器（当該抵対して，「現状の短絡電流計算や保護協調設計をレ抗の電流−電圧特性を図２に示す．当該充電器ビューすべきである」として，注意喚起した．

は，最大電流を 110A に抑制する垂下特性を有しており，当該電流値に抑制できるように電流

原子力安全システム研究所では，ECCS などの安−電圧特性を設定した．
）

全関連負荷が順次起動した場合の非常用ディーゼル発電機の電圧・周波数の過渡応答解析（4）や，外部

３および４：充電器本体からの電流制限回路の応答

電源の電圧変動が ECCS などの安全関連負荷に与え時間が長いことによる初期短絡電流の（5）る影響解析について，EMTP （Electro-Magnetic

寄与分をコンデンサーと抵抗によりTransients Program：電磁過渡解析プログラム）モデル化した．
（３の大容量コンデンで検証を行った実績がある．今回は，NRC の研究サー（5.5F（ファラッド），初期電圧報告書 NUREG/CR-7229 に記載された実験結果につ（26.94V），４の抵抗（0.026 Ω））

いて，EMTP によるコンピュータシミュレーショ

５：逆流防止用の整流器ンにて応答の知見を得ることにより，実験結果の再６：平滑用のコイル（0.5mH，NUREG/CR-7229 に現および検証を行った．

記載がないため，実験結果が再現できる値を独自に選定した．
）

2. シミュレーションについて

７および８：平滑用のコンデンサーと内部抵抗（７の コ ン デ ン サ ー（23,000μF， 初 期 電NUREG-CR-7229 の記載されている，①蓄電池単圧（26.94V）， ８ の 抵 抗（0.001 Ω ）），独の短絡実験結果，② SCR（サイリスター）型充

NUREG/CR-7229 に記載がないため，電器単独の短絡実験結果，③蓄電池と SCR 型充電実験結果が再現できる値を独自に選定

器並列時の短絡実験結果について，下記に示すシした．
）

ミュレーション回路図を用い EMTP のシミュレー

９：逆流防止用の整流器ションを行い，実験結果とシミュレーション結果の10：初期負荷の抵抗（1.3255 Ω，初期負荷電流が，比較を行った．

NUREG/CR-7229 に記載の 20A となるように抵抗値を選択した．
）

結果と考察は以下の通りである．

11：充電器側を短絡，開放するためのスイッチ（1）シミュレーションの回路図について

12 および 13：短絡回路の抵抗とコイル（12 の抵抗

シミュレーションの回路図を図１に示す．当該（0.0007762 Ω ），13 の コ イ ル（0.028

回路図は NUREG/CR-7229 に記載された実験結果

mH，NUREG/CR-7229 の値を採用）
142569UI

11121015138

図１：充電器および蓄電池の短絡実験の EMTP によるシミュレーション回路図

UIU(0)

7+4U(0)3+1+UI+R(i)16INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑11175

14：蓄電池側を短絡，開放するためのスイッチ

ション結果を図４に示す．さらに，図３，４の15：蓄電池の無負荷時の電圧（24.78V，NUREG/

短絡直後の 0.1 秒間の結果をそれぞれ，図５，６CR-7229 の値を採用）に示す．短絡時の最大電流については，実験

16：蓄電池の内部抵抗（0.001092 Ω，NUREG/CR-結果（電流値：13,520A）とシミュレーション7229 の値を採用）結果（電流値：13,255A）がほぼ一致した．実験結果の短絡電流が短絡後に徐々に減少して回路図中の非線形抵抗２の電流−電圧特性曲線をいく原因は，短絡させた回路の発熱により抵

図２に示す．

抗値が増加したためである．シミュレーション回路は，発熱による抵抗値の増加をモデル25化していないので，当該の電流減少は見られ20なかった．

15（b）SCR（サイリスター）型充電器単独の短絡実10験と EMTP のシミュレーション結果の比較

5U [V]NUREG/CR-7229 に 記 載 さ れ て い る SCR 型-5充電器を単独で短絡させた場合の実験結果を-10

図７に示す．また，SCR 型充電器を単独で短-15絡させた場合のシミュレーション結果を図８-20に示す．短絡時の平滑コンデンサーからの放電および充電器本体からの電流制限回路の応-25-100-80-60-40-2020406080

答時間が長いことによる短絡電流の応答につ100I [A]図２

いては，実験結果とシミュレーション結果が図１の回路図中の非線形抵抗２の電流−電圧特性曲線ほぼ一致した．
図７，８の短絡直後の 0.5 秒間の結果をそれ（2）NUREG/CR-7229の実験結果と EMTP のシミュ

ぞれ図９，10 に示す．外観の応答はよく再現

レーション結果の比較しているが，細部の応答（周波数の高い振動）（a）蓄電池単独の短絡実験と EMTP のシミュレーはシミュレーションで再現されなかった．な

ション結果の比較

お，その原因は特定できなかった．

NUREG/CR-7229 に記載されている米国蓄電池メーカ３社の蓄電池を単独で短絡させた場（c）蓄電池（米国メーカ３社）と SCR 型充電器合の実験結果を図３に示す．また，C&D 社の並 列 時 の 短 絡 実 験 と EMTP の シ ミ ュ レ ー

蓄電池を単独で短絡させた場合のシミュレー

ション結果の比較
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図３

実験結果（３社の蓄電池）（NUREG/CR-7229 より抜粋）

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図４

シミュレーション結果（C&D 社のみ）

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図５ 実験結果（３社の蓄電池）（図３の短絡直後の 0.1 秒間）（NUREG/CR-7229 より抜粋）

図６

シミュレーション結果（C&D 社のみ）
（図４の短絡直後の 0.1 秒間）

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図７ 実験結果（SCR 型充電器）（NUREG/CR-7229 より抜粋）

図８

シミュレーション結果（SCR 型充電器）

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図９ 実験結果（SCR 型充電器）（図７の短絡直後の 0.5 秒間）（NUREG/CR-7229 より抜粋）

図 10

シミュレーション結果（SCR 型充電器）（図８の短絡直後の 0.5 秒間）

NUREG/CR-7229 に記載されている蓄電池の結果をそれぞれ，図 13，14 に示す．それぞ（米国メーカ３社）と SCR 型充電器並列時の充れを比較した結果，外観の応答はほぼ再現さ

電器の短絡電流の実験結果を図 11 に示す．同れたが，細部の応答（周波数の高い振動）は

図には比較対象として充電器単独の実験結果シミュレーションで再現されなかった．なお，が記載されている．C&D 社の蓄電池と SCR 型

その原因は特定されなかった．

充電器並列時の短絡電流および比較対象とし

また，実験結果は，3.5 秒以降に蓄電池の充た充電器単独のシミュレーション結果を図 12電が再開しているが，シミュレーションでは，に示す．また，図 11，12 の短絡直後の 0.5 秒間再現されなかった．その原因は，実験では充INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑11177

1000[A]

電流︵︶

A800

SCR型充電器単独

600

蓄電池とSCR型充電器並列400200

図 11 実験結果（蓄電池（３社）と SCR 型充電器並列）（NUREG/CR-7229 より抜粋）

00

図 121234[s]5シミュレーション結果（C&D 社の蓄電池と SCR 型充電器並列）1000[A]

電流︵︶

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SCR型充電器単独

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蓄電池とSCR型充電器並列400200

図 13

実験結果（蓄電池（３社）と SCR 型充電器並列）（図 11 の短絡直後の 0.5 秒間）（NUREG/CR-7229 より抜粋）

電器と蓄電池を常時並列しているが，シミュレーションでは短絡させている時間間隔のみ

01.0

図 14

1.1

1.2

1.3

1.4

[s]

1.5

シミュレーション結果（C&D 社の蓄電池と SCR 型充電器並列）（図 12 の短絡直後の 0.5 秒間）

並列接続しているためである．充電器と蓄電比較したところ，短絡時の最大電流については，池が並列した場合に，充電器からの短絡電流実験結果とシミュレーション結果がほぼ一致すが低下する応答は，シミュレーションによっる結果となった．しかし，短絡回路の発熱によてほぼ再現された．充電器と蓄電池が並列しり，短絡電流が漸減する現象は，シミュレーショた場合に，充電器からの短絡電流が低下する

ンでは再現されなかった

原因は，蓄電池からの 10,000A を超える短絡電＊ NUREG/CR-7229 に記載されている SCR 型充電流により，図１の回路図中の短絡回路路の抵器単独の短絡実験と EMTP のシミュレーション抗とコイル（12，13）の電圧が上昇し，充電結果を比較したところ，実験結果とシミュレー器からの短絡電流は減少するためである．

ション結果がほぼ一致する結果となった．しか3. まとめし，外観の応答はほぼ再現されたが，細部の応答はシミュレーションで再現されなかった．
＊ EMTP のシミュレーション結果を比較したとこ

NUREG-CR-7229 の記載されている，①蓄電池単ろ，外観の応答はほぼ再現できているものの，独の短絡実験結果，② SCR（サイリスター）型充細部の応答は再現されなかった．また，実験結電器単独の短絡実験結果，③蓄電池と SCR 型充電

果では，3.5 秒以降に蓄電池の充電が再開してい器並列時の短絡実験結果について，シミュレーショるが，シミュレーションでは再現されなかった．

ン回路図を用い EMTP のシミュレーションを行い，充電器と蓄電池が並列した場合に充電器からの実験結果とシミュレーション結果の比較を行った．

短絡電流が低下する応答は，シミュレーション＊ NUREG/CR-7229 に記載されている蓄電池単独のによってほぼ再現された．

短絡実験と EMTP のシミュレ ーション結果を

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参照文献（1） IEEE ,IEEE 946-2004 - IEEE Recommended
Practice for the Design of DC Auxiliary
Power Systems for Generating Systems.
（2） N R C I N F O R M A T I O N N O T I C E 2 0 1 3 17: SIGNIFICANT PLANT TRANSIENT
INDUCED BY SAFETY-RELATEDDIRECT CURRENT BUS MAINTENANCE
AT POWER.
（3） NRC NUREG/CR-7229 "Testing to Evaluate
Battery and Battery Charger Short Circuit
Current Contributions to a Fault on the DC
Distribution System.
（4） 嶋田 善夫 ,「非常用ディーゼル発電機のコンピュータシミュレーションによる過渡性能評価」, INSS JOURNAL, Vol.19, P221（2012）．
（5） Meyer, W.S., et al Editors "EMTP Rule
Book" Portland, Oregon, Revised 1992.
Bonneville Power Administration, System
Engineering, 1980.
（6） MAXIME BERGER “FIRST EMTP-RVBENCHMARK FOR OFF-LINE
SIMULATION OF RAPID TRANSITTRAIN DC AUXILIARY SYSTEMS,DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL DÉCEMBRE 2015.