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1 * ** 広瀬善久 *** 奥長靖久 1. はじめに 2. 電源装置の概要 平成 21 年春に就役した砕氷艦 しらせ ( 以下 本艦 という.) は, 旧 しらせ とは異り本格的な高圧 (6.6kV) システムの電源装置を搭載した艦船であり, その主要構成品である高圧配電盤には, さまざまな安全対策が考慮されている. また, 電源装置の監視制御機能の中核を担う電源監視制御装置 ( 以下 電監制装置 という.) は, 省力化などを目的としたさまざまな自動又は半自動制御機能や監視機能が装備されている. 本稿では主として本艦の高圧配電盤と電監制装置の役割や特徴について解説を行うものとする. 本艦の高圧配電盤及び電監制装置の解説を行う前に, 電源装置の構成及び運用法について簡単に説明を行うものとする. 2.1 構成本艦の電源装置は, 図 1の電源装置電路系統図に示す4 機の主発電機 (AC6600V 7 400KW) と2 機の補助発電機 (AC450V 1 200KW) 及びそれぞれ2 台の艦内用変圧器, 高圧配電盤, 低圧主給電盤, 補助発電機盤のほか電監制装置から構成されている. また, これら電源装置の主要構成品である高圧配電盤, 低圧主給電盤, 及び機側電源監視制御盤は, 火災等の被害に対する抗たん性を考慮し,1 号と2 号の配電盤室に分散配置されている. 図 1 電源装置電路系統図 * 原稿受付平成 21 年 11 月 24 日 ** 寺崎電気産業 ( 株 )( 大阪市阿倍野区阪南 ) *** 寺崎電気産業 ( 株 )( 大阪市阿倍野区阪南 ) Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 64

2 運用法電源装置の運用については, 図 2の電源装置の簡略系統図と表 1の電源装置の規定運転区分により実行される. なお, 規定運転区分とは, 主発電機, 補助発電機, 真空遮断器 ( 以下 VCB という.) 及び気中遮断器 ( 以下 ACB という.) の状態により, あらかじめ定められた運用規定に沿って実行されるものであり, 次の運転区分がある. 1) 全通 任意の主発電機 1 台を単独運転し, 艦内負荷へ給電する. 2) 全通 任意の主発電機 2 台を並行運転し, 艦内負荷へ給電する. 3) 全通 主発電機 4 台を並行運転し, 艦内負荷へ給電する. 4) 補発全通 1 2 補助発電機 2 台を並行運転し, 艦内負荷へ給電する. 5) 補発全通 任意の補助発電機 1 台を単独運転し, 艦内負荷へ給電する. 備考 : 上記 内は, 次の主発電機の号機を示し, 内は補助発電機の号機を示す. 1) 1:1 号主発電機,2:2 号主発電機,3: 3 号主発電機, 4:4 号主発電機 2) 1:1 号補助発電機, 2:2 号補助発電機 1 号高圧配電盤 1 号低圧主給電盤 1 号補助発電機盤 1 号主発電機 1 号艦内用変圧器 1 号補助発電機 1G 1G TR1 TRF1 1AGF 1AG 1AG 2 号主発電機 2G 2G HVSBT1 LVSBT1 2 号低圧主給電盤 3 号主発電機 2 号高圧配電盤 SC SC 3G 3G HVSBT2 LVSBT2 2 号補助発電機盤 4 号主発電機 2 号艦内用変圧器 2 号補助発電機 4G 4G TR2 TRF2 2AGF 2AG 2AG 図 2 電源装置の簡略系統図 表 1 電源装置の規定運転区分 Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 65

3 214 記事 : 記号の意味は次のとおり. : 運転 又は 入 を示す. : 並行運転 を示す. * : 自動起動待機 に設定可能を示す. - : 停止 又は 切 を示す. 3. 配電盤及び監視制御盤の種類と役割 本艦に装備されている電源装置の配電盤には, 定格電圧が異なる2 種類の配電盤があり, 母線電圧が6. 6kVの高圧配電盤と母線電圧 450Vの低圧主給電盤及び補助発電機盤がある. また, 監視制御盤は, 電源装置の監視制御機能の中核を担う電監制装置が装備されている. 以下にそれぞれの配電盤, 監視制御盤の役割等について解説を行うものとする. 3.1 高圧配電盤本艦の高圧配電盤は, 多くの商船で使用実績のある, 舶用向け高圧配電盤をベースに, さまざまな安全対策に関する特殊要件が考えられている. 2) 機械的インターロック次の機械的インターロックが装備されている. 高圧配電盤扉の開放は, 主回路が無電圧であるときにのみ可能となる. 高圧配電盤扉の開放は, 専用キーのみ可能 ( キーインターロック ) となる. 高圧配電盤のVCB 及び接地開閉器 ( アーシングスイッチ ) は, そのVCBが 開, 接地開閉器が 開 ( 主回路が接地 ) のときに限り,VCBの引出し 挿入ができる. 高圧配電盤のVCBを引出さない限り, 接地開閉器を投入することはできない. 3) 高圧配電盤の構成及び役割高圧配電盤は, 第 1 配電盤室に装備されている1 号高圧配電盤と第 2 配電盤室に装備されている2 号高圧配電盤があり, それぞれの高圧配電盤の構成及び役割は以下のとおりとなっている. 図 4に 1 号高圧配電盤, 図 5に2 号高圧配電盤の概観を示す 高圧配電盤の安全対策に関する特殊要件 1) メタルクラッド形構造高圧配電盤の断面構造は, 遮断器区画, 主母線区画, ケーブル区画, 低電圧区画の4 区画に分割され, 内部アーク短絡事故時の影響を考慮し, 金属板の仕切りとしている. また, 内部短絡時に発生するアークを放出するため, 盤天井部に内部圧力放出弁 ( プレッシャレリーフフラップ ) を装備している. 図 3に高圧配電盤の発電機盤の断面構造図を示す. 図 4 1 号高圧配電盤概観 図 5 2 号高圧配電盤概観 図 3 高圧配電盤発電機盤断面構造図 Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 66

4 号高圧配電盤 1 号高圧配電盤は, 以下の 1)~8) に示す8つの盤で構成されている. 1)1 号主発電機盤発電機用 VCBによる1 号主発電機の保護と6. 6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 電監制装置の主要構成品である発電機自動化装置 ( 以下 GAC という.) の同期投入回路で使用する電圧, 周波数信号を出力している. 図 6に1 号主発電機盤の概略電源回路を示す. 図 6 1 号主発電機盤の概略電源回路主要機器として1 号主発電機用 VCB(1G-V CB), 保護継電器 ( 以下 PRR という.), 計器用変流器 ( 以下 CT という.) 及び計器用変圧器 ( 以下 PT という.) などが装備されている. 図 7に主発電機盤の主要機器の装備状態を示す. 2)2 号主発電機盤発電機用 VCBによる2 号主発電機の保護と6. 6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として2 号主発電機用 VCB(2G),PRR, CT 及びPTなどが装備されている. 3)1 号推進用電動機盤給電用 VCBによる1 号推進用電動機の保護と 1 号初期充電盤への6.6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として1 号推進電動機用 VCB (1M),PRR 及びCTなどが装備されている. 4)2 号推進用電動機盤給電用 VCBによる2 号推進用電動機の保護と 2 号初期充電盤への6.6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として2 号推進電動機用 VCB (2M),PRR 及びCTなどが装備されている. 5) 高圧主母線連絡盤給電用 VCBによる2 号高圧配電盤との母線連絡用 6.6kV 給電回路の保護と開閉の機能を有し, 主要機器として主母線連結用 VCB(HVSBT1 ),PRR 及びCTなどが装備されている. 6) 接地形計器用変圧器盤接地形計器用変圧器 ( 以下 GPT という ) を装備し 高圧母線地絡時の警報を行う他 接地灯回路及び電監制装置の制御及び監視で使用する有効電力 無効電力 電圧 電流 周波数などのアナログ信号 (4~20mA) を出力している 主要機器としてGPT PTや電力 電圧 周波数などの各種変換器が装備されている 図 8に接地形計器用変圧器盤の正面扉を開いた状態の主要機器の装備状態を示す. なお,GPTは, 高圧の主母線区画に装備されているため, 人体が容易に触れないようにパネルでセパレートされている. 図 7 主発電機盤盤内機器記事 : 保護継電器 (PRR) PRRは, 長限時, 短限時, 投入時瞬時 逆電力等の過電流保護機能がある. 発電機自動化装置 (GAC) 主発電機や補助発電機の同期投入, 負荷移行 解列及び負荷分担等の制御処理を行う専用ユニットのことをいう. 図 8 接地形計器用変圧器盤扉開放状態 Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 67

5 216 7)1 号艦内用変圧器盤艦内負荷用電源として供給する目的で, 給電用 V CBによる艦内用変圧器の保護と 6.6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として艦内用変圧器 VCB(TR1),PRR 及びCT などが装備されている. 8) 融雪用散水装置電動機盤給電用 VCBによる氷海航行時に使用する融雪散水装置電動機給電回路の保護と6.6kVの開閉の機能を有し, 主要機器として融雪散水装置電動機用 VCB(BW),PRR 及びCTなどが装備されている 号高圧配電盤 2 号高圧配電盤には,1 号高圧配電盤に装備されている融雪用散水装置電動機盤はないが, その他は1 号高圧配電盤と同様に, 以下の 9)~15) に示す7つの盤で構成されている. 9)3 号主発電機盤発電機用 VCBによる3 号主発電機の保護と6. 6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 電監制装置の主要構成品であるGACの同期投入回路で使用する電圧, 周波数信号を出力している. 主要機器として3 号主発電機用 VCB(3G-V CB),PRR,CT 及びPTなどが装備されている. 10)4 号主発電機盤発電機用 VCBによる4 号主発電機の保護と6. 6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として4 号主発電機用 VCB(4G),PRR, CT 及びPTなどが装備されている. 11)3 号推進用電動機盤給電用 VCBによる3 号推進用電動機の保護と 3 号初期充電盤への6.6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として3 号推進電動機用 VCB (3M),PRR 及びCTなどが装備されている. 12)4 号推進用電動機盤給電用 VCBによる4 号推進用電動機の保護と 4 号初期充電盤への6.6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として4 号推進電動機用 VCB (4M),PRR 及びCTなどが装備されている. 13) 高圧主母線連絡盤給電用 VCBによる1 号高圧配電盤との母線連絡用 6.6kV 給電回路の保護と開閉の機能を有し, 主要機器として主母線連結用 VCB(HVSBT2 ),PRR 及びCTなどが装備されている. 14) 接地形計器用変圧器盤 GPTを装備し, 高圧母線地絡時の警報を行う他, 接地灯回路, 電監制装置の制御及び監視で使用する有効電力, 無効電力, 電圧, 電流, 周波数などのアナログ信号 (4~20mA) を出力している. 主要機器としてGPT,PTや電力 電圧 周波数などの各種変換器が装備されている. 15)2 号艦内用変圧器盤艦内負荷用電源として供給する目的で, 給電用 V CBによる艦内用変圧器の保護と6.6kV 給電回路の開閉の機能を有し, 主要機器として艦内用変圧器 VCB(TR2),PRR 及びCTなどが装備されている. 3.2 低圧主給電盤低圧主給電盤は, 艦内負荷用としてのAC450V 電源を1 号,2 号の補助発電機盤から受電し, また,1 号又は2 号の高圧配電盤から艦内用変圧器を介して受電している. 低圧主給電盤は, 艦内用変圧器盤, 主母線給電盤, 低圧主母線連絡盤及び動力給電盤から構成され,AC Bによる450V 給電回路の保護と配線用遮断器 ( 以下 MCCB という.) により艦内の負荷電路間の保護協調 ( 選択遮断協調 ) を行っている. なお, 低圧主給電盤は, 第 1 配電盤室に装備されている1 号低圧主給電盤と第 2 配電盤室に装備されている2 号低圧主給電盤がある. 図 9に 1 号低圧主給電盤, 図 10に2 号低圧主給電盤の概観を示す. 図 9 1 号低圧主給電盤概観 図 10 2 号低圧主給電盤概観記事 : 選択遮断協調選択遮断協調とは, 上位のMCCBから下位に複数のMCCBが接続した場合, 負荷側の一部で短絡事故がおきても, 下位のMCCBが遮断 ( トリップ ) するだけで, 上位のMCCBはトリップせず, 他の回路へ事故の影響を及ぼさない上位 MCCBと下位 MCCB の組合せを言う. Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 68

6 補助発電機盤補助発電機盤は, 発電機用 A CBによる発電機の保護と450V 給電回路の開閉の機能, 各種操作スイッチによる補助発電機の操作, 例えば調速電動機 ( 以下 ガバナ という.) の上昇 / 下降操作, 自動電圧調整器 ( 以下 AVR という.) の増 / 減操作,ACBの投入/ 遮断などの操作が単独で実行できる. また, 補助発電機の自動起動待機回路や艦内負荷の優先遮断回路等の自動制御機能が, 組み込まれている. 図 11に1 号 (2 号 ) 補助発電機盤の概観を示す. 健全側発電機の過負荷を回避させる制御をいう. なお, ブレーカに電圧引き外しコイルが組み込まれてあり, これに電圧を印加することによりブレーカの引き外しができる. 3.4 電監制装置電監制装置は, 主発電機, 主機, 主発電機補機, 補助発電機, 補助発電機用原動機, 補助発電機補機等の以下に示す監視, 操作及び制御を実行する. (1) 並行運転中の発電機の異常検出 解列制御 (2) 任意の補助発電機の自動起動設定 (3) 発電機の運転区分変更及び系統操作 (4) 発電機の電気量 ( 電圧 周波数など ), プロセスデータ ( 圧力 温度など ) 及び系統状態の監視 図 11 1(2) 号補助発電機盤概観記事 : ガバナ制御原動機の回転数を一定に保つ目的のために, 原動機の燃料の流量を調整する制御のことであり, 具体的には原動機負荷が軽くなると回転数が速くなるため燃料弁を絞ることで回転数を下げ, 逆に原動機負荷が重くなると回転数が遅くなるため燃料弁を開くことで回転数を上げる制御を行っている. なお, 一般的にガバナには機械式ガバナと電子式ガバナの2 種類がある. AVR 制御並行運転中の発電機の内部に発生する電圧 ( 起電力 ) の差が生じると, その不均等量に応じた無効循環電流 ( 以下 横流 という.) が流れ, 並行運転中の発電機実容量の合計が下がってしまう. 従って,AVRでその横流を抑制する目的に, 無効電力制御 ( 横流補償 ) を行っている. 電監制装置は, 表 2に示す盤で構成され, また, 装置の信頼性の向上を図るために, さまざまな冗長性が考えられている. 表 2 電監制装置の構成 監視処理装置の冗長性監視処理装置は, 電子機器盤内に2 台装備し, その2 台は常時運転状態で, 1 台は常用機, もう1 台が補用機 ( バックアップ機 ) として使用し,1 台故障時においても監視機能の継続を図っている. 図 12に電子機器盤内に装備の監視処理装置を示す. 自動起動運転中の発電機用 ACBが何らかの原因でトリップし, 母線電圧が無電圧になった場合, 待機中の発電機を自動起動させ, その発電機の電圧確立後にACB を母線に自動投入させる制御をいう. 優先遮断並行運転中の複数発電機のうち, 一台の発電機用 A CBがトリップすると負荷が瞬時に健全側の発電機に移行することによって, 健全側発電機が過負荷状態となることを防ぐ目的でACBトリップと同時に重要度の低い負荷のブレーカを引き外し艦内負荷を低減させ, 図 12 電子機器盤記事 : 監視処理装置電監制装置全体の監視機能を実行する専用ユニットのことをいう. Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 69

7 多目的表示装置の冗長性多目的表示装置は, 電監制盤に2 台装備し, その2 台を常用機として使用し,1 台故障時においても監視機能の継続を図っている. 図 13,14に電監制盤に装備の多目的表示装置を示す. 図 13 電監制盤正面 図 15 電監制装置の概略伝送路 1) 制御機能の種類と分担表 3に電監制装置の制御機能の種類と分担要領について示す. 表 3 制御機能の種類及び分担 図 14 電監制盤裏面記事 : 多目的表示装置電監制装置の監視画面の表示や操作を実行するための機器のことで, 表示器 (LCD), 操作器 ( タッチパネル ) 及び制御器 ( 画像ユニット ) で構成されている 伝送路の冗長性電監制装置の伝送路は, 図 15で示すとおり各盤間を結ぶ信号や各種データは, 制御系においては, 二重化された専用の伝送路で結ばれ, また, 監視系においては, 他装置と共有の艦内ネットワークの伝送路によって連接され, 伝送路の単一故障により, システム全体の停止が発生しないよう構築されている. 図 15に電監制装置の概略伝送路を示す. 記事 : GACで行う同期投入, 負荷移行 解列等の制御に関する主要目は以下のとおりとなっている. 同期投入 動作可能最大周波数差 : ±10% 投入可能周波数差限界 : 0.15 ~ 0.4 Hzの範囲で可調整 投入可能電圧差限界 : 2 ~ 10 % の範囲で可調整 投入可能位相差限界 : ±10 ~ ±20 の範囲で可調整 遮断器の投入時間 : 0.05 ~ 0.30 秒の範囲で可調整 負荷移行 解列 発電機切離し残留有効電力: 発電機単機容量の 10% 以下 発電機切離し残留無効電力: 発電機単機容量の 10% 以下 負荷分担 有効電力不平衡: 発電機単機容量の 5% 以下 無効電力不平衡: 発電機単機容量の 5% 以下 Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 70

8 219 2) 操作対象主発電機 (1G,2G,3G,4G) の操作は, 1G 2Gは1 号機側電監制盤,3G 4Gは2 号機側電監制盤で行い, また補助発電機 (1AG,2 AG) の操作は, それぞれの補助発電機盤で行える他,1 号及び2 号のどちらの機側電監制盤でも可能である. 盤 LCDによる電源系統画面を示す. また, 電監制盤への切替えは,1G,2G,1A G 及び2AGは,1 号機側電監制盤で行い,3G, 4G,1AG 及び2AGは,2 号機側電監制盤で行う. 図 16に主発電機及び補助発電機の操作位置切替えの階層を示す. 図 16 操作位置切替え 監視機能 電監制装置の監視場所は,1 号配電盤室に装備されている1 号機側電監制盤と2 号 に装備されている電監制盤の3 箇所があり, その監視 配電盤室に装備されている2 号機側電監制盤及び操縦 対象となる発電機及び主要構成品は, 表 4に示すとお 室 表 4 監視場所とその対象発電機及び主要構成品りとなっている. 1 号及び2 号の機側電監制盤は, 照光式模擬母線を盤面の監視部全体に配置し, 模擬母線色も色分けを行い, 更なる視認性の向上を図り, 対象発電機と母線系統の給電状態が直感的に把握できるようになっている. また, 電監制盤は, 盤監視部全体に配置した高解像度の大型 LCDの採用により, 従来では表現が困難であった発電機 6 台を含む電源系統全体の給電状態の監視が可能となり, 更なる視認性の向上が図られている. 図 17に1 号機側電監制盤の概観, 図 18に電監制 Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 71

9 220 図 17 1 号機側電監制盤概観 図 18 電源系統画面 4. おわりに 本稿では 主として砕氷艦 しらせ の高圧の役割や特徴について紹介を致しましたが 今後は電気設備の更なる高機能 高性能化や多機能化と艦内電力量の増大が予想され 高圧システムを搭載した電源装置が主流となって行くことが考えられます 従って 本艦で得た経験や技術を次期艦艇への第一ステップとし 更なる技術と品質の向上に努めたいと考えております 著者紹介 広瀬善久 1962 年生. 寺崎電気産業 海洋技術部 1986 年関西大学工学部卒 艦艇設計に従事 奥長靖久 1952 年生. 寺崎電気産業 海洋技術部 1971 年大阪府立藤井寺工業卒 艦艇設計に従事 Journal of the JIME Vol. 45,No.2(2010) 72

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