INSS JOURNAL Vol. 22 2015 NT-10

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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（一昨年の続報）−米国電力研究所（EPRI）の変圧器の欠相検出方法に係る検証−
Transient evaluation using EMTP at one phase opening with the oﬀsite power transformer
for the emergency power supply systems of nuclear power plants（This report is a follow-up of the report published two years ago.）−Veriﬁcation related to the open-phase detection method of the transformer
by United States Electric Power Research Institute（EPRI）−
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．
2014 年の INSS JOURNAL の論文は，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した．続報として，本論文では，米国電力研究所（EPRI）が開発した変圧器無負荷時の欠相を検出する方法を解説し，EPRI からまだ詳細なデータが公開されていないことから，INSS が EMTP を用いて当該手法の検証を実施した解析結果を報告する．
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，EPRI，中性点

Abstract
The emergency power supply systems of nuclear power plants, as the objects ofthis research, are critical in supplying stable electric power to such systems as the emergency
core cooling system（ECCS）, and in maintaining safety of the nuclear power reactor; this wasapparent in the accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. The USNRC issued
regulatory documents（BL 2012-01, IN 2012-03）, and has commenced evaluations on newly
emerged vulnerability in the design of power supply systems which cannot be detected withdegraded-voltage protection relays, with certain kinds of conﬁguration of coils and iron core
structures, such as when the oﬀsite power supply side is a wye-connection and the load side is adelta-connection etc., when the detection of one-phase open fault with the circuit of a transformer
which is without a ground fault connected to the oﬀsite power supply system. The report inthe INSS JOURNAL 2013 used simulation by the electro-magnetic transients program（EMTP）and clearly described the response at the time of the power supply side one-phase open without
ground fault for various conﬁguration of coils and various iron core structures of the three-phase＊ 1 （株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所

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transformer, and identiﬁed the important issues in the response of emergency power supplysystems and the safety related components of representative domestic PWR plants when theone-phase open fault occurred without ground fault. The report in the INSS JOURNAL 2014
summarizes the previous results, and then presents the principles by which normal voltages aremaintained in both the primary and the secondary sides when the one-phase open failure without
ground fault occurs on the primary side of the transformer, and the results of the simulationsof operations of the protection relays of the emergency power supply systems and the safety
related components of representative a domestic PWR plant with EMTP. In a continuation of theprevious reports, this report explains the method to detect open-phase when the transformer isno-load which United States Electric Power Research Institute（EPRI）
developed. As the detailed
analyses data from EPRI related to the detection method concerned have not been disclosed
oﬃcially yet, in this paper, the quantitative and detailed veriﬁcation results of the method using
EMTP is reported.
Keywords

emergency power supply system, safety related component, three phase transformer, openphase, NRC, EMTP, protection relay, EPRI, neutral point

1. 背景および目的

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研究対象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 では，規制文書「NRC BULLETIN 2012-01,DESIGN VULNERABILITY IN ELECTRIC
POWER SYSTEM」（1） お よ び「NRC INFORMATION NOTICE 2012-03: DESIGN VULNERABILITY IN ELECTRIC POWER SYSTEM」（2）を発行し，外部電源に接続された変圧器の一相が，地絡のない欠相（開放）となった場合の設計問題を重要な問題と認識して，事業者に情報提供を要求するとともに，新たな設計の脆弱性として検討を開始している．
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 結線の変圧器など，ある種の巻線構成や鉄心構成では，Y 結線側（外部電源側）の一相が地絡のない欠相（開放）した場合，外部電源側の変圧器巻線，負荷側の変圧器巻線の両方で，正常な電圧が維持され，低電圧保護リレーによる保護ができない，また変圧器が負荷に電力を供給した場合も 10％程度の電圧低下にとどまり低電圧保護リレーによる保護ができないなどの点である．米国事業者は，コンピュータ解析の実施や「A Practical Guide for Detecting SinglePhasing on a Three-Phase Power System by John
Horak and Gerald F. Johnson, Basler ElectricCompany」（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．

「保安電源設備（安全施る規則第 33 条第３項には，設へ電力を供給するための設備をいう．）には，第一項の電線路，当該発電用原子炉施設において常時使用される発電機及び非常用電源設備から発電用原子炉施設の安全性を確保するために必要な装置への電力の供給が停止することがないように，機器の損壊，故障その他の異常を検知するとともに，その拡大を防止するために必要な措置を講じなければならない．」 と規定されており，この規定への適合性についても検討が必要である．
2013 年の INSS JOURNAL の論文（4） では，①変圧器の 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て，電気過渡応答解析コード EMTP（5）を使用したシミュレーションにより，一相が地絡のない欠相（開放）した場合の変圧器の応答を明らかにするとともに，低電圧保護リレーによる非常用電源系統の保護の可否を明らかにした，②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）の地絡のない一相欠相の状況において，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の応答も，EMTP によるシミュレーションにより明らかにした，③シミュレーション結果を踏まえて，現時点で考えられる変圧器外電側の地絡のない一相欠相に対する対応策を示した．
さらに，2014 年の INSS JOURNAL の論文（6）では，① 2013 年の INSS JOURNAL の論文の結果を簡潔にまとめた，②ある種の巻線構成や鉄心構成は，Y 結線側（外部電源側）の一相が地絡のない欠相（開放）INSS JOURNAL Vol. 22 2015 NT-10

した場合，外部電源側の変圧器巻線，負荷側の変圧器巻線の両方で，正常な電圧が維持される原理を解説した，③国内代表 PWR プラントの地絡のない電155

2. 米国電力研究所（EPRI）の変圧器の一次側欠相の検出方法の概要

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検討を EMTP によるシミュレーションにより解析した結果を報告した．

この章では，変圧器の中性点から電流を注入し，その電流の変化によって，無負荷時，軽負荷時，重本論文では，① EPRI が開発した変圧器の中性点負荷時を問わずに欠相を検出する手法を EPRI が開から電流を注入することにより，検出の極めて困難発し，注目されていることから，その概要を EPRIな変圧器無負荷時の欠相を検出する方法が，国内外の報告書（7）の記載内容に基づいて紹介する．

で注目されていることから，その内容を解説すると

図１は，欠相の無い正常な系統の変圧器が運転しともに，② EPRI から詳細な解析データが，まだ公ている状態で，変圧器の中性点から注入した電流の表されていないことから，INSS が EMTP を用いて流れを示す．

解析した当該手法の定量的な検証結果を報告する．

図２は，１相が欠相した系統の変圧器が運転している状態で，変圧器の中性点から注入した電流の流図１

欠相の無い正常な系統において，変圧器が運転している状態で，変圧器の中性点から注入した電流の流れ

図２

１相が欠相した系統において，変圧器が運転している状態で，変圧器の中性点から注入した電流の流れ

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156れを示す．

変圧器の周波数：60Hz

EPRI の手法は，欠相時の変圧器の中性点から見変圧器のモデル：EMTP のハイブリッド変た系統の零相インピーダンスが増加することを，中圧器性点から注入した電流の減少によって検出するもの

負荷：無負荷，50％負荷（19MVA（力率 0.8）），である．

100％負荷（38MVA（力率 0.8））
欠相：0.5 秒で A 相が欠相

図３は，EPRI が実施した無負荷の変圧器の欠相

変圧器中性点から注入する電流：0.01A 〜前後の中性点に注入した電流変化を，測定した実験

1000A結果である．図から，欠相前の中性点注入電流は，変圧器中性点から注入する周波数：10Hz 〜528mA（周波数：89.29Hz，注入電圧 369mV）であ1020Hz

り，欠相後の中性点電流は，バックグラウンドノイズレベルの 80mA（周波数 :25kHz，注入電圧は図から直接読み取れないが，左図と比較して変化は無い

図４は，EMTP による解析を行うために使用した単線結線図である．と思われる）に低下したことが読み取れる．
中性点から電流注入用の電源

3. INSS が実施した変圧器の一次側欠相前後の中性点注入電流の解析結果
電力計

外部電源

INSS は，代表国内 PWR プラントで実際に使用している変圧器を対象として，当該変圧器の中性点か模擬負荷
変圧器

ら注入する電流および周波数を変化させ，変圧器一遮断器送電線次側の欠相前後の電流変化を，EMTP により解析した．
（1）シミュレーションの条件
変圧器の結線：外電側 Y，負荷側 Y ＋Δの安定巻線

図４

変圧器一次側の欠相前後の中性点から注入した電流の解析に使用した単線結線図

変圧器の鉄心：５脚
変圧器の容量：38MVA（2）解析結果変圧器の一次電圧：515kV

図５は，変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な状変圧器の二次電圧：6.9kV態の時の，中性点の電流波形である．図６は，図５変圧器の一次中性点接地：直接接地の波形をフーリエ変換したものであり，外部電源変圧器の二次中性点接地：抵抗接地（105.5 Ω）

周波数の 60Hz，およびその高調波 120Hz，180Hz，

図３

欠相前後の変圧器中性点に注入した電流変化の測定結果

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240Hz の成分の電流が大きい．中でも，180Hz の成分が大きい．なお，フーリエ変換した図６の縦軸は，



電流の実効値であり，横軸は，5Hz を基本波とした高調波を示す．すなわち，横軸の 12 は 5Hz × 12 ＝

60Hz，横軸の 24 は 5Hz × 24 ＝ 120Hz，横軸の 36 は

5Hz × 36 ＝ 180Hz の周波数を示す．フーリエ変換の図の横軸と縦軸の説明は，図８，図 10，図 12 についても図６と同様である．

0.5

157>$@

>V@ILOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO[YDUW  F;;;;

[A]0.4

図７0.30.2

変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な状態の時に，変圧器の中性点に 1A，10Hz の電流を注入した中性点の電流波形

0.10& V3ORW;<)RXULHUFKDUW V &RS\LQJGDWH

0.0)LOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO
9DULDEOHF;;,QLWLDO7LPH)LQDO7LPH

-0.1
>$@-0.2

+䡌
-0.3
0.85

0.88

0.91

0.94

(ﬁle Exa̲16̲YDY̲EMTR̲60Hz̲2014.10.6̲EPRI̲0%.pl4; x-var t)

図５0.97[s]

1.00

c:XX0006-XX0013



変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な状態の中性点の電流波形



0& V3ORW;<)RXULHUFKDUW V &RS\LQJGDWH)LOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO
9DULDEOHF;;,QLWLDO7LPH)LQDO7LPH>$@+䡌

+䡌
+䡌図８KDUPRQLFRUGHU



図７の波形をフーリエ変換

+䡌流が突出して大きく，300Hz の電流が少しある．

+䡌

図 11 は，変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な+䡌状態の時に，変圧器の中性点に 1A，10Hz の電流+䡌 +䡌を注入した状態に加えて，0.5 秒で２相欠相させた

中性点の電流波形である．図 12 は，図 11 の欠相後

図６


KDUPRQLFRUGHU

図５の波形をフーリエ変換の波形をフーリエ変換したものであり，注入した
10Hz の電流は極めて小さくなり，外部電源の 60Hzの電流が突出して大きく，その高調波の 180Hz，図７は，変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な状300Hz の電流も比較的大きい．

態の時に，変圧器の中性点に 1A，10Hz の電流を注

図 13 は，変圧器が欠相の無い正常な状態の時に，入した中性点の電流波形である．図８は，図７の波変圧器の負荷，変圧器の中性点に注入する電流値，形をフーリエ変換したものであり，注入した 10Hzおよび変圧器の中性点に注入する電流の周波数をその 1A の電流以外に，外部電源周波数の 60Hz，およれぞれ変化させた場合に，変圧器の１相欠相またはびその高調波 120Hz，180Hz の電流成分が大きい．

２相欠相による注入した中性点電流の変化を示す．

図９は，変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な状

この図から，変圧器無負荷時は，周波数に依存せず態の時に，変圧器の中性点に 1A，10Hz の電流を注欠相前後の注入電流の変化により，欠相の検出が可入した状態に加えて，0.5 秒で１相欠相させた中性能である．一方，変圧器 50 または 100％負荷時は，点の電流波形である．図 10 は，図９の欠相後の波周波数が高くなるにつれて欠相前後の注入電流の変形をフーリエ変換したものであり，注入した 10Hz化が小さくなり，欠相の検出が困難となる．の電流は極めて小さくなり，外部電源の 60Hz の電

表１から表３は，上記の図 13 の基になる解析結INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 10158

>$@>$@>V@ILOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO[YDUW  F;;;;

図９

>V@

ILOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO[YDUW  F;;;;

変圧器が無負荷時に欠相の無い正常な状態の時に，変圧器の中性点に 1A，10Hz の電流を注入した状態に加えて，0.5 秒で１相欠相させた中性点の電流
波形

図 11

変圧器が無負荷で欠相の無い正常な状態の時に，変圧器の中性点に 1A，10Hz の電流を注入した状態に加えて，0.5 秒で２相欠相させた中性点の電流
波形

0& V3ORW;<)RXULHUFKDUW V &RS\LQJGDWH0& V3ORW;<)RXULHUFKDUW V &RS\LQJGDWH)LOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO
9DULDEOHF;;,QLWLDO7LPH)LQDO7LPH)LOH([DBB<'<B(075B+]BB(35,BSO
9DULDEOHF;;,QLWLDO7LPH)LQDO7LPH>$@
>$@+䡌+䡌+䡌図 10KDUPRQLFRUGHU+䡌+䡌図９の波形をフーリエ変換

図 12KDUPRQLFRUGHU

図 11 の波形をフーリエ変換

果の詳細データであり，総数は 342 事例である．表がある（小さすぎる電流値は，バックグラウンドの中の赤枠の範囲は，①欠相後の注入電流の減少幅電流に埋没し，大きすぎる電流値は，印加する電圧が大きく欠相の検出に使える，かつ②電流を注入が大きくなりすぎることから，1A 〜 10A が最適とするために必要な電圧が，変圧器の定格電圧 500kV考えられる）と比較して妥当な電圧範囲（すなわち 100kV 未満）の２つの条件に合致する．

図 14 は，表１から表３の中で，緑で着色した注入電流・周波数の最適と思われる範囲をグラフで表

その中で，緑で着色した範囲は，①欠相後の注入示した．その結果，変圧器の負荷条件に関わらず，電流の減少幅が十分に大きく，変圧器の負荷によら注入した電流が，欠相後には大幅に減少し，欠相をず（無負荷〜 100％負荷）欠相の検出が可能，かつ検出できることが確認できた．

②電流を注入するために必要な電圧は，出来るだけ低くして（数千 V 以下），欠相検出装置の製作費用はできるだけ低コスト，かつ③ノイズによる誤検出を防止するため，出来るだけ大きい電流（1A 以上）を流したい，以上の３つの条件に合致する範囲である．
図 13 および表１，２，３から以下のことがわかった，①中性点から注入する電流の周波数は，低い周波数のほうがよい（理由は，印加する電圧が低くできることであり，10Hz 〜 30Hz 程度が最適と考えられる），②中性点から注入する電流値は適切な範囲

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図 13159

変圧器が欠相の無い正常な状態の時に，変圧器の負荷，変圧器の中性点に注入する電流値，および変圧器の中性点に注入する電流の周波数をそれぞれ変化させた場合に，変圧器の１相欠相または２相欠相による注入した中性点電流の変化

160

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表１ 変圧器無負荷時に変圧器の中性点に注入する電流値，および変圧器の中性点に注入する電流の周波数をそれぞれ変化させた場合に，変圧器の１相欠相または２相欠相による注入した中性点電流の変化

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表２161

変圧器 50％負荷時に変圧器の中性点に注入する電流値，および変圧器の中性点に注入する電流の周波数をそれぞれ変化させた場合に，変圧器の１相欠相または２相欠相による注入した中性点電流の変化

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表３ 変圧器 100％負荷時に変圧器の中性点に注入する電流値，および変圧器の中性点に注入する電流の周波数をそれぞれ変化させた場合に，変圧器の１相欠相または２相欠相による注入した中性点電流の変化

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図 14163

変圧器欠相検出の最適と考えられる中性点注入電流の変化

4. まとめ5. 当該手法の実機適用に当たっての懸案事項① EPRI が開発した変圧器中性点から電流を注入することにより，変圧器の一次側欠相を検出する方法の概要を解説した．
② INSS は，EPRI が 開 発 し た 手 法 を， 代

① 世界に類例のない新規に考案された装置であり，電気設備技術基準等の基準適合性の検討が必要である．

表国内 PWR で使用されている変圧器の② 発電所側の変圧器から注入した電流は，

EMTP によるシミュレーションにより，送電系統を通して変電所側の変圧器から定量的に検証した．その結果，（a）変圧流出するので，送電部門との調整 / 連携が器の負荷によらず，１相欠相あるいは２必要である．

相欠相の検出は可能である，（b）変圧器③ 通常の電源周波数（60Hz）とは異なる周の中性点から注入する電流の周波数は，波数の電流を注入するので，発電所側の印加電圧を低く抑えられる 10 〜 30Hz 程

変圧器，送電系統，変電所側の変圧器な度が適切である，（c）注入する電流の大どを包括的に EMTP でシミュレーション

きさは，バックグラウンドノイズの電流して，共振などの異常現象が発生しないに埋没せず，かつ印加電圧が大きくなりことの検証が必要である．

すぎない 1A 〜 10A 程度が適切であり，そ④ 欠相後に注入電流が，１桁〜２桁と大幅の範囲の一点の電流，周波数の注入によに低下する原理について，EPRI の報告書

り欠相が検出できる．の内容だけでは，説明できていない．
（す③ 本解析結果は一事例であり，変圧器個別なわち，EPRI の報告書では，三脚変圧器に解析して，適切な注入電流，周波数をについてのみ説明しており，３台の単相検討する必要がある．

変圧器を外部で結線した変圧器（鉄心にINSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 10164

よる磁気的な結合がない場合）についても注入電流が，１桁〜２桁大幅に低下するが，その原理が未解明である．
）

参照文献（1） N R C B U L L E T I N 2 0 1 2 - 0 1 , D E S I G N
VULNERABILITY IN ELECTRIC POWER
SYSTEM.に よ る 応 答 解 析（ 昨 年 の 続 報 -1」, INSSJOURNAL, Vol.21, P185（2014）．
（7） W, Johnson, “Interim Report: EPRI Open-（2） NRC INFORMATION NOTICE 2012-03,

Phase Detection Method, “EPRI, 2014.

DESIGN VULNERABILITY IN ELECTRIC
POWER SYSTEM.
（3） A Practical Guide for Detecting SinglePhasing on a Three-Phase Power System byJohn Horak and Gerald F. Johnson, Basler
Electric Company.
（4） 嶋田 善夫 ,「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」, INSS JOURNAL, Vol.20,P204（2013）．
（5） Mayer, W.S., et al Editors “EMTP RuleBook” Portland, Oregon, Revised 1992.
Bonneville Power Administration, System
Engineering, 1980.
（6） 嶋田 善夫 ,「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

付録

欠相時の零相インピーダンスの変化に係る EPRI の報告書の説明図