JP2005119519A - 電気車の位置・電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気車の位置を正確に検出すると共に、負荷電流を検出する。
【解決手段】電気車の走行位置を検出しようとする部位でトロリー線にエアセクションＤ３，Ｄ４を設ける。エアセクションの両端間を短絡接続する導体に流れる電流を変流器ＣＴ３，ＣＴ４で検出する。位置・電流検出回路ＤＥＴ１，ＤＥＴ２は変流器の検出電流の有無で電気車が当該エアセクション位置に進入したことを検出し、電流値を基に電気車の負荷電流を検出する。
トロリー線には上記エアセクションを設けることなく、トロリー線の吊架線（銅製）に流れる電流を変流器で検出する構成、さらにトロリー線を絶縁物で絶縁し、その位置の吊架線に流れる電流を変流器で検出する構成も含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、新幹線等の電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置に係り、特に、電気車が異電源区間を通過するための電源切替セクションにおける電気車の走行位置・電流検出に関する。

新幹線などの交流電気鉄道では、３相電力系から単相電力を得るのに、３相電圧不平衡を軽減するため、３相−２相変換器としてスコットトランスを用い、二次側に２つの単相（Ｍ座とＴ座）電源を得ている。他の方式として、ウッドブリッジトランスを用い、二次側に２つの単相（Ａ座とＢ座）電源を得ている。

このようなトランスを設けた電気鉄道変電所からトロリー線に電力供給するのに、変電所直下およびき電区分所には異電源突き合わせの切替セクションが設けられる。

この切替セクション構成と新幹線のパンタグラフの関係を図５に示す。切替セクションは車両の最大パンタグラフ間隔以上になる距離にした中セクション（一般には１０００ｍ）の両端にエアセクション部Ｄ１，Ｄ２（一般には５０ｍ）を設け、エアセクション部Ｄ１，Ｄ２の両端と中セクション間に開閉器（切替遮断器）ＳＷ１，ＳＷ２を設けた構成である。なお、両エアセクション部Ｄ１，Ｄ２と中セクションとの突き合わせ部分は互いにオーバーラップした構造にされる。

この構成により、全車両が中セクション範囲内に到達するまでは、開閉器ＳＷ１を閉、開閉器ＳＷ２を開としておくことで開閉器ＳＷ１側の電源から電力を供給し続け、全車両が中セクションを走行中に開閉器ＳＷ１を開、開閉器ＳＷ２を閉に切り替えることで開閉器ＳＷ２側の電源から電力の供給を開始する。これにより、開閉器の切換時に瞬時停電はあるが連続した電力供給を可能にし、新幹線の運転者は、異電源区間の通過を意識することなく、そのままエアセクション部の走行運転ができる。

上記の切替セクション構成において、切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２は、電気車の通過の度に電流を遮断しながら開閉動作を行うため、寿命が短く、定期的な設備点検及び設備更新が必要であり、コスト的に大きな負担となっている。

また、切替遮断器の開閉サージは、投入位相等の条件によっては過大な電圧が発生することもあり、切替遮断器の極間短絡事故も起きている。

以上のような課題を解決する方式として、図６に基本構成を示すように、従来の切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２を省略し、中セクションには電圧と位相を制御した電力を供給できる別電源装置ＰＳを設けた電源設備を提案している（例えば、特許文献１参照）。

この電源設備では、別電源装置ＰＳは電気車が中セクションに進入する前および電気車の全車両が中セクションに進入するまでは「それまで電気車に電力を供給していた電源（Ｍ座電源）」と同等の電圧と位相に合わせた制御をし、電気車が中セクションを抜け出す前および電気車の全車両が中セクションを抜け出すまでは「これから電気車に電力を供給する電源（Ｔ座電源）」と同等の電圧と位相に合わせた制御をする。これら制御には、Ｍ座電源とＴ座電源の電圧／位相を電圧変成器ＰＴで検出し、これを基に制御装置による別電源装置の電圧／位相制御でなされる。

以上のような切替セクション構成において、図５における切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２の開閉制御や図６における別電源装置の電圧／位相制御には、切替セクションに対する電気車の走行位置を検出する必要があり、これには在来線でも多く採用されている位置検出装置を利用できる。

図７は、従来の電気車の走行位置検出装置をレール上から見た図で示す。左右のレールＬ１，Ｌ２間に、特殊高周波電源ＨＡＣとリレーＲｙを接続しておき、高周波電源ＨＡＣから発生する電圧をレールＬ１，Ｌ２を通してリレーＲｙに印加し、リレーＲｙを動作状態にしておく。そして、電気車がリレーＲｙ位置近辺まで達すると、リレーＲｙの両端が電気車の左右車輪と車軸により短絡され、リレーＲｙが復帰する。このリレーＲｙの動作状態からの復帰により、電気車が検出位置に進入したことをリレーＲｙの出力信号として得る。

他の走行位置検出装置としては、レール間に電磁誘導式リレーを設け、このリレー位置の上部に電気車が位置するか否かの違いによる磁気抵抗の変化で電気車が当該位置に達したか否かを検出する。
特開２００３−２０５７７２

図７に示す位置検出装置では、特殊な高周波電源ＨＡＣを必要とするため、コスト高となる。また、スペース的にも大きなものが必要となる。また、リレーＲｙの動作／復帰は、電気車の車輪と車軸の抵抗値とレールの抵抗値等で変動するため、電気車を「およそ」の位置でしか検出できない。

同様に、電磁誘導式リレーによる位置検出装置では、電気車の車体底部の形状や高さ等の違いに拘わらず位置検出するためには、電気車を「およそ」の位置でしか検出できない。

このため、高速走行になる新幹線の位置検出では、例えば、図５の切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２の開閉制御や図６の別電源装置の電圧／位相制御にタイミングのズレが生じる。このタイミングのズレにも、切替セクションの電源切替に正常動作を得るため、電気車の長さに比べて中セクションの距離を十分に大きく取っている。

また、従来の位置検出装置では、位置検出の単機能でしかなく、電流検出機能をもつものでない。このため、例えば、図６の別電源装置をもつ切替セクション構成において、電気車のパンタグラフがエアセクションを通過するときのアークを抑制するために、電気車がエアセクションに進入したときから中セクションに完全に入るまでに、Ｍ座電源から別電源装置に負荷移行制御する場合、Ｍ座電源の電流検出を基にした別電源装置の位相制御が必要となり、電流検出手段を別途に必要とする。同様に、電気車が別電源装置からＴ座電源に進入するときのアーク抑制には、別電源装置の電流検出手段を別途に必要とする。

本発明の目的は、電気車の位置を正確に検出でき、しかも負荷電流を検出できる電気車の位置・電流検出装置を提供することにある。

本発明は、電気車の位置を検出しようとする部位で、トロリー線や補助吊架線に流れる電流の有無や変化を検出することで電気車の位置および負荷電流を検出できるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置であって、
電気車の走行位置を検出しようとする部位で、トロリー線に設けたエアセクションと、
前記エアセクションの両端間を短絡接続する導体と、
前記導体に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出される電流の有無で電気車が当該エアセクション位置に進入したことを検出し、前記電流検出器で検出される電流値を基に電気車の負荷電流を検出する位置・電流検出回路とを備えたことを特徴とする。

（２）トロリー線本体と、このトロリー線本体を導電性の低いハンガで吊り、トロリー線本体の一定間隔長さ位置で導電性の高い接続線で接続される導電性の高い補助吊架線と、この補助吊架線を導電性の低いドロッパで吊る吊架線とで構成されるトロリー線を備え、このトロリー線から集電して走行する電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置であって、
電気車の走行位置を検出しようとする部位で、前記補助吊架線に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出される電流値の変化で電気車が当該補助吊架線位置に進入したことを検出し、前記電流検出器で検出される電流値を基に電気車の負荷電流を検出する位置・電流検出回路とを備えたことを特徴とする。

（３）トロリー線本体と、このトロリー線本体を導電性の低いハンガで吊り、トロリー線本体の一定間隔長さ位置で導電性の高い接続線で接続される導電性の高い補助吊架線と、この補助吊架線を導電性の低いドロッパで吊る吊架線とで構成されるトロリー線を備え、このトロリー線から集電して走行する電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置であって、
電気車の走行位置を検出しようとする部位で、前記トロリー線本体に設けられて当該トロリー線本体を絶縁する絶縁物と
前記絶縁物が設けられた部位で、前記補助吊架線に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出される電流値の変化で電気車が当該補助吊架線位置に進入したことを検出し、前記電流検出器で検出される電流値を基に電気車の負荷電流を検出する位置・電流検出回路とを備えたことを特徴とする。

（４）前記絶縁物は、トロリー線の長さ方向の幅が電気車のパンタグラフの幅よりも狭い構成にしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、電気車の位置を検出しようとする部位で、トロリー線や補助吊架線に流れる電流の有無や変化を検出することで電気車の位置および負荷電流を検出するため、電気車の位置を正確に検出できる。しかも、負荷電流検出ができるため、別電源装置を設けた切替セクションでの負荷移行制御等に有効利用できる。

特に、補助吊架線に電流検出器を設ける場合には、既存のトロリー線構成をほとんど変更せずに安価な簡単な方法で検出でき、切り替えセクション等の設備に経済的に適用することができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す位置検出装置を示し、切替セクションに別電源装置を設けた図６の構成に適用した場合である。

図１が図６と異なる部分を説明する。Ｍ座電源のトロリー線にはエアセクション部Ｄ１，Ｄ２（互いにオーバラップしている）と同等のエアセクションＤ３を設け、中セクションにはエアセクション部Ｄ１，Ｄ２と同等のエアセクションＤ４を設け、これらエアセクションＤ３，Ｄ４にはそれぞれ両端を短絡する導体を一次巻線とする貫通型の変流器ＣＴ３，ＣＴ４を設ける。

位置・電流検出回路ＤＥＴ１は、変流器ＣＴ３の検出電流を電圧信号に変換し、電流の有無で当該エアセクションＤ３位置に電気車のパンタグラフが達したことの位置検出の判定信号を得る。また、位置・電流検出回路ＤＥＴ１は、電流の値で当該エアセクションＤ３位置からエアセクションＤ１さらには中セクションの間を走行する電気車の負荷電流検出信号を得る。

同様に、位置・電流検出回路ＤＥＴ２は、変流器ＣＴ４の検出電流を電圧信号に変換し、電流の有無で当該エアセクションＤ４位置に電気車のパンタグラフが達したことの位置検出の判定信号を得ると共に、電流の値で中セクションさらにはエアセクションＤ２以降の間を走行する電気車の負荷電流検出信号を得る。

ここで、新幹線等の電気車には各種のパンタグラフ構成があるが、基本的には図２に示す３種類に分類することができる。

・『１パンタグラフ方式』電気車のパンタグラフを一個で構成（図２のａ）。

・『パンタグラフが複数で、この間を接続した方式』電気車のパンタグラフが複数で構成され、それらの間が電気車の内部でケーブルにより接続される（図２のｂ）。

・『パンタグラフが複数で、この間を非接続にした方式』電気車のパンタグラフが複数で構成され、それらの間が接続されていない（図２のｃ）。

これらパンタグラフ構成の違いにより、変流器ＣＴ３、ＣＴ４で検出される電流値および電流検出可能範囲は、図２中にそれぞれ示すように変化する。

図２の（ａ）のパンタグラフ構成では、変流器ＣＴ３では電気車のパンタグラフがＤ３位置を越えたときから全負荷電流が検出され、Ｄ１を越えたときに電流零になり、変流器ＣＴ４では電気車のパンタグラフがＤ４位置を越えたときから全負荷電流が検出され、Ｄ２を越えたときに電流零になる。

また、図２の（ｂ）のパンタグラフ構成では、変流器ＣＴ３では先頭のパンタグラフがＤ３位置を越えたときからほぼ半分の負荷電流が検出され、Ｄ１を越えたときに電流零になり、後方のパンタグラフがＤ３位置を越えたときからほぼ半分の負荷電流が検出され、Ｄ１を越えたときに電流零になる。変流器ＣＴ４では先頭のパンタグラフがＤ４位置を越えたときからほぼ半分の負荷電流が検出され、Ｄ１を越えたときに電流零になり、後方のパンタグラフがＤ３位置を越えたときからほぼ半分の負荷電流が検出され、Ｄ１を越えたときに電流零になる。

また、図２の（ｃ）のパンタグラフ構成では、図２の（ｂ）のパンタグラフ構成と同様の電流変化になるが、パンタグラフが３つ以上になる場合はＤ３，Ｄ４の前後に位置する現在のパンタグラフ個数の違いで段階的に変化する。

以上のことから、位置・電流検出回路ＤＥＴ１，ＤＥＴ２は、パンタグラフ構成の違いにより検出される電流値および電流パターンには違いがあるが、いずれの場合にも電気車の先頭パンタグラフがエアセクションＤ３，Ｄ４位置に達したことをそれぞれ正確に検出できる。

また、位置・電流検出回路ＤＥＴ１，ＤＥＴ２には、負荷電流が検出できるため、例えば、別電源装置ＰＳが負荷移行制御機能をもつ場合の位相制御に利用することができる。

（実施形態２）
上記の実施形態１では、トロリー線にエアセクションＤ３，Ｄ４を設けて変流器ＣＴ３，ＣＴ４で検出するため、電気車の位置および電流を正確に測定できるが、トロリー線は電気車のパンタグラフと接触して電力を電気車に供給するため、パンタグラフとの接触強度等を確保する必要がある。

本実施形態では、エアセクションＤ３，Ｄ４を設けることなく、電気車の位置および電流検出ができるようにしたものであり、以下、詳細に説明する。

図３は、新幹線で現在も適用されているトロリー線の要部構成を示す。トロリー線は、レール上でそれと平行して空中敷設され、その構成は電気車のパンタグラフと接触させるためのトロリー線本体ＴＬと、このトロリー線本体ＴＬをレールと平行になるようハンガＷ２で吊る補助吊架線ＰＬと、更に補助吊架線ＰＬをドロッパＷ１で吊る吊架線ＰＰＬが設けられる。また、補助吊架線ＰＬとトロリー線本体ＴＬ間は、接続線ＬＷで接続される。この接続線ＬＷは、トロリー線上で一定距離毎に間隔をもたせた位置で設けられる。

なお、トロリー線本体ＴＬは、すず入り銅合金線（ＧＴ−Ｓｎ）、鉄−アルミニウム合金線（ＴＡ）、鋼芯入り硬銅線（ＧＲ−ＣＳ，ＧＴ−ＣＳＤ，ＧＴ−ＣＳＤ−Ｐ）など、導電性と硬度を高めた材質のものが使用される。また、補助吊架線ＰＬおよび吊架線ＰＰＬは、亜鉛メッキ鋼より線、硬銅より線など、ある程度の導電性をもつが機械的強度と弾性を高めた材質のものが使用される。また、接続線ＬＷは、軟銅より線など、導電性の高い材質のものが使用される。また、ドロッパＷ１およびハンガＷ２は、軟鉄など、導電性が低く、機械的強度を高めた材質のものが使用される。

以上のトロリー線構成において、電気車はそのパンタグラフが、トロリー線本体ＴＬに接触しながら走行するが、トロリー線を構成する各線が上記の異なる材質になることから、電気車の負荷電流は大部分がトロリー線本体ＴＬに流れ、一部が補助吊架線ＰＬに分流して流れ、吊架線ＰＰＬには僅かに流れる。また、トロリー線本体ＴＬは電気車のパンタグラフと直接接触するため、電流を検出するためのＣＴを直接取り付けることができず、実施形態１ではエアセクションＤ３，Ｄ４を設けている。

本実施形態では、補助吊架線ＰＬには、電気車の位置を検出しようとする部位で、補助吊架線ＰＬを一次側とする貫通型の変流器ＣＴを設け、この変流器ＣＴの検出電流を基に、図１と同様の位置・電流検出回路との組み合わせによって、電気車位置および負荷電流を検出する。

この構成によれば、補助吊架線ＰＬは電気車のパンタグラフと直接接しないため、ＣＴの絶縁方法に注意さえすれば、現在のトロリー線構成を殆ど変えることなく電流を検出できる。

但し、電気車電流はトロリー線本体ＴＬと補助吊架線ＰＬに分流して流れているため、補助吊架線ＰＬからの電流検出は、電流の一部しか検出できない。さらに、補助吊架線ＰＬとトロリー線本体ＴＬに流れる電流の分流比は、これらのインピーダンスの分流比で流れる。しかし、この電流分流比はこれら線の直流抵抗分や交流分のインダクタンスで決まり、しかも電線太さ等の条件で決まるため、ほぼ一定比率で電流が流れるため、この電流変化で電気車の位置を検出でき、また電流値で負荷電流を検出することができる。

また、本実施形態における変流器ＣＴをセクション切り替え箇所に取り付ければ、電気車のパンタグラフ構成の違いで変流器ＣＴの検出電流に差異があるが、変流器ＣＴの出力電流変化から電気車が当該位置に進入してきたことを検出でき、電気車の位置検出回路にも適用することができる。さらに、前記の別電源装置における負荷移行制御のための電流検出信号として利用できる。

（実施形態３）
図４の（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の要部構成を示す。同図の（ａ）が図３と異なる部分は、トロリー線本体ＴＬの一部に幅の狭い絶縁物ＩＮＳを設け、この絶縁物ＩＮＳでトロリー線本体ＴＬの両端の絶縁を得る構成とし、補助吊架線ＰＬには絶縁物ＩＮＳが設けられる位置に貫通型の変流器ＣＴを取付けた点にある。

上記の構成によれば、電気車が絶縁物ＩＮＳ位置を越えて走行するときには、変流器ＣＴを設けた位置の補助吊架線ＰＬには電気車の負荷電流の殆どが流れるため、実施形態１に比べて電流検出精度および位置検出精度を高めることができる。

また、絶縁物ＩＮＳは、図４の（ｂ）に拡大して示すように、トロリー線の長さ方向の幅ｗを、パンタグラフの幅Ｗよりも狭くするのが好ましい。この構造とすれば、絶縁物ＩＮＳの位置をパンタグラフが通過するときに電流遮断を無くし、アーク発生を無くすことができる。

なお、絶縁物ＩＮＳは、その左右のトロリー線本体の電圧が補助吊架線ＰＬで電気的に接続され、ほぼ同電位であるため、絶縁耐圧上で高価な材料を必要としないし、トロリー線の機械強度を確保できる材質のものを使用した取り付け構造で済む。

以上までの実施形態では、別電源装置を設けた切替セクション構成に適用する場合を示すが、図５に示す切替セクションに適用し、電気車の位置検出信号で切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２を開閉制御して同等の作用効果を得ることができる。また、図７に示す従来の位置検出装置に代えて、在来線の電気車の正確な位置検出に適用できる。

また、電流検出手段として、変流器を使用する場合を示すが、他の電流検出器、例えば、ホール素子型電流検出器に置換できる。

本発明の実施形態１を示す電気車の位置・電流検出装置の要部構成図。 実施形態１におけるパンタグラフ構成と変流器ＣＴ３，ＣＴ４の電流波形図。 本発明の実施形態２を示す電気車の位置・電流検出装置の要部構成図。 本発明の実施形態２を示す電気車の位置・電流検出装置の要部構成図。 新幹線の切替セクション構成図。 中セクションに別電源を使用したときの切替セクションの構成図。 従来の位置検出装置の概略説明図。

符号の説明

Ｄ１、Ｄ２ 切替セクション用のエアセクション
Ｄ３、Ｄ４ 位置・電流検出用のエアセクション
ＣＴ３，ＣＴ４ 変流器
ＤＥＴ１，ＤＥＴ２ 位置・電流検出回路
ＰＳ 別電源装置
ＴＬ トロリー線本体
ＰＬ 補助吊架線
ＣＴ 変流器
ＩＮＳ 絶縁物
ＬＷ 接続線

Claims (4)

1. 電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置であって、
   電気車の走行位置を検出しようとする部位で、トロリー線に設けたエアセクションと、
   前記エアセクションの両端間を短絡接続する導体と、
   前記導体に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出される電流の有無で電気車が当該エアセクション位置に進入したことを検出し、前記電流検出器で検出される電流値を基に電気車の負荷電流を検出する位置・電流検出回路とを備えたことを特徴とする電気車の位置・電流検出装置。
2. トロリー線本体と、このトロリー線本体を導電性の低いハンガで吊り、トロリー線本体の一定間隔長さ位置で導電性の高い接続線で接続される導電性の高い補助吊架線と、この補助吊架線を導電性の低いドロッパで吊る吊架線とで構成されるトロリー線を備え、このトロリー線から集電して走行する電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置であって、
   電気車の走行位置を検出しようとする部位で、前記補助吊架線に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出される電流値の変化で電気車が当該補助吊架線位置に進入したことを検出し、前記電流検出器で検出される電流値を基に電気車の負荷電流を検出する位置・電流検出回路とを備えたことを特徴とする電気車の位置・電流検出装置。
3. トロリー線本体と、このトロリー線本体を導電性の低いハンガで吊り、トロリー線本体の一定間隔長さ位置で導電性の高い接続線で接続される導電性の高い補助吊架線と、この補助吊架線を導電性の低いドロッパで吊る吊架線とで構成されるトロリー線を備え、このトロリー線から集電して走行する電気車の走行位置および負荷電流を検出するための位置・電流検出装置であって、
   電気車の走行位置を検出しようとする部位で、前記トロリー線本体に設けられて当該トロリー線本体を絶縁する絶縁物と
   前記絶縁物が設けられた部位で、前記補助吊架線に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出される電流値の変化で電気車が当該補助吊架線位置に進入したことを検出し、前記電流検出器で検出される電流値を基に電気車の負荷電流を検出する位置・電流検出回路とを備えたことを特徴とする電気車の位置・電流検出装置。
4. 前記絶縁物は、トロリー線の長さ方向の幅が電気車のパンタグラフの幅よりも狭い構成にしたことを特徴とする請求項２または３に記載の電気車の位置・電流検出装置。

Images