JP2007001560A

JP2007001560A - 交流電気鉄道の異座電源切替設備

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Publication number: JP2007001560A
Application number: JP2005281171A
Authority: JP
Inventors: Hideo Watanabe; 秀夫渡邉
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP4396606B2

Abstract

【課題】半導体電力変換器や切替遮断器を不要にしてセクションを走行する列車への電力供給を可能にし、さらに列車に瞬時停電を起こすことなく、セクション通過時のアーク発生も抑制できる。
【解決手段】エアセクションＤ１，Ｄ２の中間に第３のエアセクションＤ３を設けて中セクションを区間ａ１，ａ２に分離する。Ｍ、Ｔ座電源から可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの主巻線を介して区間ａ１，ａ２を常時加圧しておき、列車が区間ａ１、ａ２に進入するときには可飽和リアクトルの制御巻線電流を制御して、主巻線に流れる負荷電流を制御し、列車が区間ａ１、ａ２を抜け出すときには可飽和リアクトルによって負荷電流を絞っておくことでアーク発生を抑制する。
トランス結合した短絡電流抑制用リアクトルＬは、列車がエアセクションＤ３を跨ぐときのＭ座とＴ座電源の短絡電流を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電気鉄道の異座電源切替設備に係り、特に列車が異座電源区間を走行するときにき電線への電力供給を切り替えるための中セクション構成と異座電源の切換制御に関する。

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相変換器としての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）電源を得る方式と、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）電源を得る方式がある。

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場合、変電所直下およびき電区分所には異座電源突き合わせの中セクションが設けられる。

この中セクションの構成を図１１に示す。列車の先頭側車両と後尾側車両のパンタグラフ間をブス引き通し（ケーブル）で接続しており、列車の最大パンタグラフ間隔以上になる距離（一般に１０００ｍ）を有して設けられる区分装置として、例えばエアセクションＤ１，Ｄ２の間を中セクションとし、エアセクション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、スコットトランスＳＴから２つの単相（Ｍ座とＴ座）電源を供給する構成としている。

この構成により、全列車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（Ｍ座）から電力を供給し続け、全列車が中セクションに入りきったことを検出したときに、開閉器ＳＷ１を開、開閉器ＳＷ２を閉と切り替えることで開閉器ＳＷ２側の電源（Ｔ座）から電力の供給を開始し、全列車が中セクションから完全に出たことを検出したときに開閉器ＳＷ１、ＳＷ２を元の状態に戻す。この繰り返しにより、開閉器ＳＷ１、ＳＷ２の切換時に瞬時停電（２００〜３００ｍｓ）は発生するが、き電線への電力供給の切替えを可能にし、運転者は、異座電源区間の通過を意識することなく、力行したまま走行運転ができる。

上記の中セクションの構成では、開閉器ＳＷ１，ＳＷ２は、列車の通過の度に開閉動作が行われ、しかも過大な開閉サージが発生して遮断器の極間短絡事故が多くなるなどしてその寿命が短くなる。このため、定期的な設備点検及び設備更新を必要として、ランニングコストが大きくなる。

また、列車側では、セクション通過の度に瞬時停電が発生するため、その都度、変圧器などの列車搭載機器に突入電流が流れ、ストレスが生ずる。この突入電流を抑制する構成や突入電流に耐えるような列車設備も必要となり、コストアップの要因となる。

また、突入電流と事故電流の判別を行なうために、き電の保護システムが複雑になる。

これら課題を解消できる方式として、切替遮断器ＳＷ１，ＳＷ２に代えて、中セクションに別電源を設け、列車の走行位置に応じて別電源の出力位相をＭ座電源からＴ座電源に移相制御する方式がある（例えば、特許文献１参照）。

この方式を図１２に示す。別電源Ｇは、列車がエアセクションＤ１に進入する前にＭ座と同じ位相に制御して中セクションを加圧しておく。この状態で列車がエアセクションＤ１に進入を始めたときに、別電源ＧとＭ座電源の両方から電力供給を始める。全列車が中セクションに進入したときには別電源Ｇから全電力を供給する。列車がエアセクションＤ２に進入を始める前に、別電源ＧはＴ座電源と同じ位相に移相制御しながら列車に電力を供給し続ける。この状態で列車がエアセクションＤ２に進入を始めたときに、別電源ＧとＴ座電源の両方から電力を供給する。全列車がエアセクションＤ２を抜けたときには別電源Ｇは元のＭ座電源と同じ位相に戻し、次の列車の進入に備える。
特開２００３−２０５７７２号公報

前記の別電源方式は、開閉器ＳＷ１，ＳＷ２が不要となり、これらの短周期の設備点検及び設備更新が不要となるし、列車側ではセクション通過に際して瞬時停電も発生しない。

しかし、別電源Ｇは、列車が中セクションを通過中に、その位相をＭ座電源からＴ座電源に合わせる移相制御を必要とするため、その実用化にはインバータ装置などの半導体電力変換器が必須となる。この場合の半導体電力変換器は、列車に高電圧、大電流を供給可能とするため、多数の電力用半導体素子を直並列接続した主回路構成になり、高価な設備になるし、信頼性が問題となる。

また、半導体電力変換器は、その堅実な運転および機能維持には、過電圧や過電流から保護する保護回路も含めた高価な制御装置を必要とするし、保守点検項目も多数になって長時間の保守点検作業が必要となる。

本発明の目的は、半導体電力変換器や開閉器ＳＷ１、ＳＷ２を不要にしてセクションを走行する列車への力行電力供給を可能にし、さらに列車に瞬時停電を起こすことなく、セクション通過時のアーク発生も抑制でき、かつ高価な別電源を必要としない交流電気鉄道の異座電源切替設備を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、基本的には、異座電源から可飽和リアクトルを介して中セクションを常時加圧しておき、列車が中セクションに進入するときには可飽和リアクトルの制御によって列車の力行に必要な負荷電流を供給し、列車が中セクションを抜け出すときには可飽和リアクトルの制御によって負荷電流を絞っておくことでアーク発生を抑制するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、
第１と第２の区分装置間に構成され、その中間部位に第３の区分装置を設けて、前記第１と第３の区分装置間の第１の中セクション区間と、前記第２と第３の区分装置間の第２の中セクション区間に分離した２分割構成とし、
２巻線をトランス結合した短絡電流抑制用リアクトルの両巻線の一端をそれぞれ第１と第２の中セクション区間に分離接続し、該両巻線の他端を第１と第２の可飽和リアクトルを介して異座電源の各座にそれぞれ接続することで、前記第１と第２の中セクション区間を常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が異座電源の一方から第１の中セクション区間に進入してきたときは、第１の可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始し、列車が第２の中セクション区間に進入してきたとき、第２の可飽和リアクトルを介して第１の中セクション区間と異なる座の電源で負荷電流の供給を開始すると共に、前記短絡電流抑制用リアクトルによって異座電源間の電流を抑制する手段を備えたことを特徴とする。

（２）異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、
第１と第２の区分装置間に構成され、その中間部位に第３の区分装置を設けて、前記第１と第３の区分装置間の第１の中セクション区間と、前記第２と第３の区分装置間の第２の中セクション区間に分離した２分割構成とし、
第１と第２の中セクション区間に、第１と第２の可飽和リアクトルを介して異座電源の各座にそれぞれ接続することで、第１と第２の中セクション区間を常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が第１の異座電源側から第１の中セクション区間に進入したときに、第１の可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始し、列車が第２の中セクション区間に進入してきたときは第２の可飽和リアクトルを介して第１の中セクション区間と異なる座の電源で負荷電流の供給を開始する手段を備えたことを特徴とする。

（３）前記第１と第２の可飽和リアクトルの制御装置は、
列車が第１の中セクション区間に進入する前には第１の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間に進入したとき、または完全に進入したときには第１の可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、第１の可飽和リアクトルが負荷電流の供給を開始しかつ負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に進入する前には第２の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に進入したときには第２の可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、第２の可飽和リアクトルが負荷電流の供給を開始すると共に、第１の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして負荷電流の供給を絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間を抜け出たときには第１の可飽和リアクトルの直流電流をさらに小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に完全に進入したときには第２の可飽和リアクトルの直流電流を更に大きくし、第２の可飽和リアクトルが負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が第２の中セクション区間を抜け出たときには第２の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
のうち少なくとも１つ以上の制御手段を備えたことを特徴とする。

（４）異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、
第１と第２の区分装置間に構成され、その中間部位に第３の区分装置を設けて、前記第１と第３の区分装置間の第１の中セクション区間と、前記第２と第３の区分装置間の第２の中セクション区間に分離した２分割構成とし、
列車が進入してくる第１の中セクション区間は可飽和リアクトルを介して異座電源の一方に接続して常時加圧しておき、列車が異座電源の他方に抜け出す第２の中セクション区間は異座電源の他方に直接接続して常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が異座電源の一方から第１の中セクション区間に進入してきたときに前記可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始し、列車が第２の中セクション区間に進入してきたとき、異座電源の他方からも負荷電流の供給を開始する手段を備えたことを特徴とする。

（５）前記可飽和リアクトルの制御装置は、
列車が第１の中セクション区間に進入する前には前記可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間に進入したとき、または完全に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、負荷電流の供給を開始しかつ負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を小さくして負荷電流の供給を絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間を抜け出たときには前記可飽和リアクトルの直流電流をさらに小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
のうち少なくとも１つ以上の制御手段を備えたことを特徴とする。

（６）異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、第１と第２の区分装置間に構成される区間で、列車が進入してくる側の異座電源の一方に可飽和リアクトルを介して接続し常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が異座電源の一方から前記中セクション区間に進入してきたときに前記可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始する異座電源の切換手段を備えたことを特徴とする。

（７）前記可飽和リアクトルの制御装置は、
列車が異座電源の一方の座から中セクション区間に進入する前には可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が前記中セクション区間に進入したとき、または完全に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、負荷電流の供給を開始しかつ負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が前記中セクション区間と異なる異座電源区間に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を小さくして負荷電流の供給を絞る制御手段と、
列車が中セクション区間を抜け出たときには前記可飽和リアクトルの直流電流をさらに小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
のうち少なくとも１つ以上の制御手段を備えたことを特徴とする。

（８）新幹線の異座電源突き合わせセクション、変電所または「き電」区分所を、前記中セクションの主回路構成および可飽和リアクトルの制御装置で構成したことを特徴とする。

（９）在来線の変電所または「き電」区分所を、前記中セクションの主回路構成および可飽和リアクトルの制御装置で構成したことを特徴とする。

（１０）前記異座電源から前記中セクションまたは中セクション区間に流れる電流を検出する変流器を設け、前記制御装置は、該変流器の検出電流により、列車の走行部位を検知および前記可飽和リアクトルの負荷電流を制御することを特徴とする。

（１１）列車進入側の異座電源と前記第１の可飽和リアクトルとの間に直列に、該第１の可飽和リアクトルの主巻線がもつリアクタンス分を補償するコンデンサを介挿させた構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。

（１）従来の異座電源切替設備で最もランニングコストがかかり、システムの信頼性上最もネックとなっていた切替遮断器が不要となる。

（２）切替遮断器の開閉に伴う瞬時停電が無くなることから、車載機器の突入電流抑制や突入電流耐量の対策が不要となり、コストダウンが可能となる。

（３）従来の切替遮断器を用いたシステムは突入電流と事故電流の判別が困難で、保護連動や保護システムが複雑となっていたが、それらの簡略化が可能となる。

（４）主回路は全て静止機器で構成されており、別電源方式等に比べて、装置の信頼性、保守性、コスト的において優れる。

（５）列車が無停電でセクションを通過できることから、乗りごこちが向上する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す中セクションの主回路構成図で、区分装置としてエアセクションを用いた例で説明をする。中セクションは、第１のエアセクションＤ１と第２のエアセクションＤ２で構成する従来の１区間（例えば、１０００ｍ）の中間部位に、第３のエアセクションＤ３を増設することで、第１と第３のエアセクションＤ１，Ｄ３間の第１の中セクション区間ａ１と、第２と第３のエアセクションＤ２，Ｄ３間の第２の中セクション区間ａ２に分離した、分割形中セクション構造とする。

短絡電流抑制用リアクトルＬは、鉄心に２巻線Ｌ１，Ｌ２を巻回したトランス構造にしてＭ座電源とＴ座電源を結合可能にする。リアクトルＬの巻線Ｌ１はその一端に可飽和リアクトルＣＭの主巻線を直列に介挿してＭ座電源に接続し、他端を区間ａ１に接続する。リアクトルＬの巻線Ｌ２はその一端に可飽和リアクトルＣＴの主巻線を直列に介挿して区間ａ２に接続し、他端をＴ座電源に接続する。変流器ＤＭ、ＤＴは、区間ａ１、ａ２に流れる負荷電流を検出する。図示省略する異座電源切替制御装置は、変流器ＤＭ、ＤＴによる電流検出値の変化を基に、列車が区間ａ１，ａ２に進入したことなど、中セクション区間での列車位置を検知し、この検知によって可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの制御巻線の直流電流を制御することで負荷電流制御を行う。

以上までの主回路構成と制御装置により、通常時は、区間ａ１はＭ座電源によって加圧され、区間ａ２はＴ座電源によって加圧される。そして、列車が区間ａ１を走行するときには進入前と同じ座のＭ座電源から可飽和リアクトルＣＭで制御した負荷電流を供給し、列車がエアセクションＤ３を跨いで走行するとき（電源位相の異なるトロリー線をパンタグラフで短絡して走行するとき）にはリアクトルＬの両巻線によってＭ座電源とＴ座電源間の電流を抑制しながら可飽和リアクトルＣＭとＣＴで制御した負荷電流を供給し、区間ａ２に進入してきたときにはＴ座電源から可飽和リアクトルＣＴで制御した負荷電流を供給する。

可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴは、制御巻線に供給する直流電流の大きさによって正負極性に交互で飽和に至る点弧角を制御でき、これによって主巻線に流す電流を制御することができ、また点弧角０°では最大電流、または１８０°では電流零にすることができる。これら可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの電流制御には、変流器ＤＭ、ＤＴで検出する負荷電流を基にして制御巻線に供給する電流で制御する。

以上の構成により、本実施形態では、列車が区間ａ１，ａ２を走行するときに、短絡電流抑制用リアクトルＬにより異座電源間の短絡電流を抑えながら、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴにより列車に負荷電流を供給することでセクションの力行運転を可能にする。また、構成上ではリアクトルＬと可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴという静止機器で構成することにより、主回路をインバータなどの半導体電力変換器で構成する従来装置の場合に比べて、システム全体の信頼性を著しく高めると共に、制御装置の簡単化および低コスト化を可能にし、さらに保守点検を簡易にする。

以下、列車が中セクションに進入してそこから異座電源側に抜け出すまでの各走行部位における制御手順を、図２を参照して詳細に説明する。

（Ｓ１）列車が中セクションに入る前には、二つに分割された中セクション区間ａ１及びａ２は、それぞれの本線側の座電源に合わせた電源のみに接続され、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴ及び短絡電流抑制用リアクトルＬを介して常時加圧される。

このとき、異座電源切替制御装置は、可飽和リアクトルＣＭの制御巻線には小さな制御電流を流しておき、列車のパンタグラフがエアセクションＤ１を渡り始めた時に、区間ａ１側からも負荷電流を供給でき、かつ変流器ＤＭによる負荷電流検出で列車の進入を予め検知できるようにしておく。同様に、可飽和リアクトルＣＴの制御巻線には小さな制御電流を流しておき、列車のパンタグラフがエアセクションＤ３を渡り始めた時に、区間ａ２側からも負荷電流を供給でき、かつ変流器ＤＴによる負荷電流検出で列車の進入を予め検知できるようにしておく。

（Ｓ２）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ１に進入したとき、変流器ＤＭは負荷電流を検出し、この検出で制御装置は可飽和リアクトルＣＭの制御巻線電流を増加させ、主巻線に流れる負荷電流を徐々に最大化することで可飽和リアクトルＣＭを短絡状態までに制御し、最終的には列車が必要とする全ての負荷電流を区間ａ１側から供給できるようにする。

（Ｓ３）列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ１を抜けるとき、可飽和リアクトルＣＭは短絡状態となっていることから、パンタグラフは同相電源のエアセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくエアセクションＤ１を抜ける。

（Ｓ４）列車が区間ａ１に入りきっている間、制御装置は可飽和リアクトルＣＭを短絡状態に制御しておく。

（Ｓ５）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ３に進入したとき、Ｔ座電源側からも少しの負荷電流が供給され始めると同時に、列車の前後のパンタグラフとブス引き通し（ケーブル）を介してＭ座電源とＴ座電源は短絡状態となる。

このとき、リアクトルＬのトランス結合作用により、パンタグラフを介して流れる短絡電流は抑制されるほか、制御装置が可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの制御巻線電流を制御（負荷電流の絞り制御）することで、事故に繋がるような過大な短絡電流が流れるのを防止する。ただし、列車に対する負荷電流は、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの両方の主巻線を通して供給される。

（Ｓ６）Ｓ５の状態になると可飽和リアクトルＣＴの主巻線にも負荷電流が流れ始めることから、列車の先頭のパンタグラフが区間ａ２に進入したことを変流器ＤＴの検出電流から検知できる。これにより、制御装置は可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流を増加させ、主巻線を短絡状態に移行させ、Ｔ座電源側からも負荷電流の供給を開始および電流を増加させる。これに並行して、制御装置は可飽和リアクトルＣＭの主巻線に流れる負荷電流を絞ることで、Ｍ座電源側から列車に供給される電流を、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る。これにより、列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ３を抜けるときに発生するアークを極小化する。

（Ｓ７）列車が区間ａ２に完全に入っている間、可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流は最大化しているので、主巻線は短絡状態を継続して必要な負荷電流を供給する。このとき、Ｍ座電源とＴ座電源との短絡状態は解消されている。そして、可飽和リアクトルＣＭは制御巻線電流を減少させ、主巻線に流れる負荷電流を絞り、変流器ＤＭで検出可能な状態に戻しておく。

（Ｓ８）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ２を越えたとき、列車にはＴ座電源からも負荷電流が供給され始め、変流器ＤＴが検出電流の低下を検出し、この検出によって、制御装置は可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流を減少させていき、主巻線に流れる負荷電流の絞り制御を開始する。

（Ｓ９）列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ２を抜けるとき、制御装置は可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流をさらに小さくして、主巻線に流れる負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る。これにより、パンタグラフは同相電源のエアセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくエアセクションＤ２を抜ける。

（Ｓ１０）列車が完全にＴ座電源側に抜けたとき、列車にはＴ座電源から負荷電流の全てを供給されて走行することになる。このとき、可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流を減少させ、主巻線に流れる負荷電流を絞り、変流器ＤＴが検知可能な状態に維持しておくことにより、区間ａ１側からの次の列車の進入に備える。

以上の動作手順を繰り返すことにより、列車は中セクションを力行したまま、しかも無停電で通過することが出来る。

（実施形態２）
図３は、本実施形態を示す中セクションの主回路構成図である。同図が図１と異なる部分は、短絡電流抑制用リアクトルＬを除き、区間ａ１にはＭ座電源から可飽和リアクトルＣＭのみを通して加圧しておき、区間ａ２にはＴ座電源から可飽和リアクトルＣＴのみを通して加圧しておく点にある。

以下、列車が中セクションに進入してそこから異座電源側に抜け出すまでの各走行部位における制御手順を、図４を参照して詳細に説明する。

（Ｓ１）列車が中セクションに入る前には、二つに分割された中セクション区間ａ１及びａ２は、それぞれの本線側の座電源に合わせた電源のみに接続され、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴを介して常時加圧される。

このとき、異座電源切替制御装置（図示省略）は、可飽和リアクトルＣＭの制御巻線には小さな制御電流を流しておき、列車のパンタグラフがエアセクションＤ１を渡り始めた時に、区間ａ１側からも負荷電流を供給でき、かつ変流器ＤＭによる負荷電流検出で列車の進入を予め検知できるようにしておく。同様に、可飽和リアクトルＣＴの制御巻線には小さな制御電流を流しておき、列車のパンタグラフがエアセクションＤ３を渡り始めた時に、区間ａ２側からも負荷電流を供給でき、かつ変流器ＤＴによる負荷電流検出で列車の進入を予め検知できるようにしておく。

このとき、制御装置は、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの制御巻線電流を制御（負荷電流の絞り制御）することで、Ｍ座電源とＴ座電源間の短絡状態にも事故に繋がるような過大な短絡電流が流れるのを防止する。ただし、列車に対する負荷電流は、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの両方の主巻線を通して供給される。

（Ｓ６）Ｓ５の状態になると、可飽和リアクトルＣＴの主巻線にも負荷電流が流れ始めることから、列車の先頭のパンタグラフが区間ａ２に進入したことを変流器ＤＴの検出電流から検知できる。これにより、制御装置は可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流を増加させ、主巻線を短絡状態に移行させ、Ｔ座電源側からも負荷電流の供給を開始および電流を増加させる。これに並行して、制御装置は可飽和リアクトルＣＭの主巻線に流れる負荷電流を絞ることで、Ｍ座電源側から列車に供給される負荷電流を、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る。これにより、列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ３を抜けるときに発生するアークを極小化する。

（Ｓ７）列車が区間ａ２に完全に入っている間、可飽和リアクトルＣＴの制御巻線電流は最大化しているので、主巻線は短絡状態を継続して必要な負荷電流を供給する。このとき、Ｍ座電源とＴ座電源との短絡状態は解消されている。そして、可飽和リアクトルＣＭは制御巻線電流を絞り、変流器ＤＭが検知可能な状態に戻しておく。

さらに、本実施形態では、実施形態１に比べて、電流抑制用リアクトルを省いた簡略化構成になり、中セクションのコストダウンが可能となる。

（実施形態３）
図５は、本実施形態を示す中セクションの主回路構成図である。同図が図３と異なる部分は、Ｔ座電源側の可飽和リアクトルＣＴを除き、区間ａ２にはＴ座電源から直接に加圧しておく点にある。

本実施形態は、列車が一方向にのみ走行すること、つまりＭ座電源側から進入してＴ座電源側に抜けることを前提にする。図示では、列車が進入する電源側の中セクション区間ａ１のみに可飽和リアクトルＣＭを設けることで、アークを引くことなく、また、異座電源の短絡電流を負荷電流程度に抑制してセクション通過を可能にする。なお、列車を逆方向に走行させる場合は、大きな負荷を取る高速走行ではアークを引くが、低速走行とすることでアークを低減させることができる。

以下、列車が中セクションに進入してそこから異座電源側に抜け出すまでの各走行部位における制御手順を、図６を参照して詳細に説明する。

（Ｓ１）列車が中セクションに入る前には、二つに分割された中セクション区間ａ１及びａ２は、それぞれの本線側の座電源に合わせた電源のみに接続され、区間ａ１は可飽和リアクトルＣＭを介して常時加圧され、区間ａ２はＴ座電源から直接に加圧される。

このとき、異座電源切替制御装置（図示省略）は、可飽和リアクトルＣＭの制御巻線には小さな制御電流を流しておき、列車のパンタグラフがエアセクションＤ１を渡り始めた時に、区間ａ１側からも負荷電流を供給でき、かつ変流器ＤＭによる負荷電流検出で列車の進入を予め検知できるようにしておく。

（Ｓ３）列車の最後尾のパンタグラフがセクションＤ１を抜けるとき、可飽和リアクトルＣＭは短絡状態となっていることから、パンタグラフは同相電源のエアセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくエアセクションＤ１を抜ける。

（Ｓ５）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ３に進入したとき、Ｔ座電源側からも負荷電流が供給され始めると同時に、列車の前後のパンタグラフとブス引き通し（ケーブル）を介してＭ座電源とＴ座電源は短絡状態となる。

このとき発生する短絡電流は変流器ＤＭで検出され、制御装置が可飽和リアクトルＣＭの制御巻線電流を制御（負荷電流の絞り制御）することで、Ｍ座電源とＴ座電源間の短絡状態にも事故に繋がるような過大な短絡電流が流れるのを防止する。ただし、列車に対する負荷電流の大部分はＴ座電源から供給される。

（Ｓ６）Ｓ５の状態になると、変流器ＤＴに負荷電流が流れ始め、列車の先頭のパンタグラフが区間ａ２に進入したことを変流器ＤＴの検出電流から検知できる。これにより、制御装置は可飽和リアクトルＣＭの制御巻線電流を減少させ、主巻線に流れる負荷電流を最低値まで絞り、列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ３を抜けるときに発生するアークを極小化する。

（Ｓ７）列車が区間ａ２に完全に入っている間、必要な負荷電流をＴ座電源から供給する。このとき、Ｍ座電源とＴ座電源との短絡状態は解消されている。そして、可飽和リアクトルＣＭは制御巻線電流を減少させ、負荷電流を絞り、変流器ＤＭが検知可能な状態に戻しておく。

（Ｓ８）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ２を越えるとき、列車にはＴ座電源からの電力供給状態にあり、パンタグラフは同相電源のエアセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくエアセクションＤ２を抜ける。

（Ｓ９）列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ２を抜けるとき、Ｓ９と同様に、列車にはＴ座電源からの電力供給状態にあり、パンタグラフは同相電源のセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくエアセクションＤ２を抜ける。

さらに、本実施形態では、実施形態２に比べて、可飽和リアクトルＣＴを省いた簡略化構成になり、中セクションの一層のコストダウンが可能となる。

（実施形態４）
新幹線の「き電」区分所では、通常は異なる電源の同相同士を突き合わせているため、突き合せ電源の位相はほぼ合っている。しかし、「き電」系統の運用によっては、「き電」区分所で位相が９０度異なることがあるため、変電所と同様の中セクションが設備されている。

本実施形態は、上記の中セクションが設備された「き電」区分所に、前記の実施形態１〜３のいずれかを適用することにより、中セクションを常時加圧したまま、列車が力行のまま通過を可能とするものである。

「き電」区分所に適用した電源構成例を図７に要部構成で示す。同図は、実施形態２の方式を適用した場合を示し、「き電」区分所を分割形中セクション構成とし、区間ａ１には変電所Ａ側の電源（Ｍ座電源とする）との間に可飽和リアクトルＣＭの主巻線を介して接続し、またそれを通して流れる電流を検出するための変流器ＤＭを設ける。同様に、区間ａ２には変電所Ｂ側の電源（Ｔ座電源とする）との間に可飽和リアクトルＣＴの主巻線を介して接続し、またそれを通して流れる電流を検出するための変流器ＤＴを設ける。両可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの主巻線に流れる負荷電流制御は実施形態２の方式と同様になる。

（実施形態５）
在来線の変電所は、碍子やＦＲＰなどの絶縁材をセクションインシュレータとしたデッドセクションにより異座電源が突き合わされており、列車は異座電源の突き合わせ箇所の走行にはノッチオフで通過している。

本実施形態は、従来から同相の電源間にのみ使用されてきたセクションインシュレータを使用して、異座電源の突き合わせ箇所をセクション構成し、前記の実施形態１〜３のいずれかを適用することにより、中セクションを常時加圧したまま、列車が力行のまま通過を可能とするものである。

図８の（ａ）は、実施形態２の方式を適用した場合を示し、在来線の変電所構成として、Ｍ座電源とＴ座電源との間に、３つのセクションインシュレータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を直列に介挿させ、区間ａ１にはＭ座電源との間に可飽和リアクトルＣＭを設けると共に変流器ＤＭで負荷電流を検出可能にし、区間ａ２にはＴ座電源との間に可飽和リアクトルＣＴを設けると共に変流器ＤＴで負荷電流を検出可能にする。
両可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの主巻線に流れる負荷電流制御は実施形態２の方式と同様になる。同図の（ｂ）は、セクションインシュレータの例を示す。

（実施形態６）
図９は、本実施形態を示す中セクションの主回路構成図である。本実施形態は、従前の１区間約１０００ｍの中セクション構成において、開閉器ＳＷ１、ＳＷ２を省いた構成を前提とし、中セクションにはＭ座電源から可飽和リアクトルＣＭの主巻線を介して常時加圧でき、中セクションに流れる負荷電流を変流器ＤＭで検出可能にした構成とする。

以下、列車がＭ座電源から中セクションに進入してそこからＴ座電源側に抜け出すまでの各走行部位における制御手順を、図１０を参照して詳細に説明する。

（Ｓ１）中セクションは、列車が進入してくる側のＭ座電源に、可飽和リアクトルＣＭの主巻線を介して常時加圧されている。

このとき、異座電源切替制御装置（図示省略）は、可飽和リアクトルＣＭの制御巻線には小さな制御電流を流しておき、列車のパンタグラフがエアセクションＤ１を渡り始めた時に、中セクション側からも負荷電流を供給できる状態にしておく。

（Ｓ２）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ１に進入したとき、変流器ＤＭは負荷電流を検出し、この検出で制御装置は可飽和リアクトルＣＭの制御巻線電流を増加させ、主巻線に流れる負荷電流を徐々に最大化することで可飽和リアクトルＣＭを短絡状態までに制御し、最終的には列車が必要とする全ての負荷電流を中セクション側から供給できるようにする。

（Ｓ３）列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ１を抜けるとき、可飽和リアクトルＣＭは短絡状態となっていることから、パンタグラフは同相電源のエアセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくセクションＤ１を抜ける。

（Ｓ４）列車が中セクションに入りきっている間、制御装置は可飽和リアクトルＣＭを短絡状態に制御しておく。

（Ｓ５）列車の先頭のパンタグラフがエアセクションＤ２に進入したとき、Ｔ座電源側からも負荷電流が供給され始めると同時に、列車の前後のパンタグラフとブス引き通し（ケーブル）を介してＭ座電源とＴ座電源は短絡状態となる。

このとき、変流器ＤＭは、Ｍ座電源とＴ座電源の混触電流を検出する。この電流検出により、制御装置が可飽和リアクトルＣＭの制御巻線電流を制御（負荷電流の絞り制御）することで、Ｍ座電源とＴ座電源間の短絡状態にも事故に繋がるような過大な短絡電流は流れない。ただし、列車に対する負荷電流は継続して供給される。

（Ｓ６）Ｓ５の状態になると、可飽和リアクトルＣＭの負荷電流が減少し始め、これを変流器ＤＭの検出電流の減少として検出される。これにより、制御装置は可飽和リアクトルＣＭの制御巻線電流を減少させ、主巻線に流れる負荷電流を最低値まで絞り、列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ２を抜けるときに発生するアークを極小化する。

（Ｓ７）列車の最後尾のパンタグラフがエアセクションＤ２を抜けるとき、列車にはＴ座電源からの電力供給状態にあり、パンタグラフは同相電源のエアセクションを通過するときと同様に、アークを引くことなくエアセクションＤ２を抜ける。

さらに、本実施形態では、従前のセクション構成で、開閉器ＳＷ１、ＳＷ２を不要にし、これら開閉器ＳＷ１、ＳＷ２における過大な開閉サージ発生による寿命等の問題も解消される。なお、開閉器ＳＷ１、ＳＷ２は取り除くことなく、バックアップ手段としてそのまま残しておく構成でもよい。

（実施形態７）
前記までの実施形態１〜６において、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴは、その制御巻線の直流電流を制御することで負荷電流制御を行っている。この負荷電流制御において、可飽和リアクトルＣＭ、ＣＴの主巻線に流れる負荷電流を最大化（短絡状態）とすることで列車が必要とする負荷電流の全てを供給しようとする。

ここで、列車進入方向側の可飽和リアクトルＣＭにおいて、それを短絡状態にする制御は、主巻線のインピーダンスを極小化することになるが、主巻線自体がもつリアクタンス分が残る。このため、列車がセクションＤ１を通過して抜ける際に、Ｍ座電源の電圧がセクションａ１側の電圧よりも高くなって、負荷電流の一部はＭ座電源側からも供給され続け、列車がセクションＤ１から抜けるときにアークを引く可能性がある。

本実施形態は、列車が列車進入側のセクションＤ１を通過して抜ける際に発生するアークを抑制する異座電源切替設備を提案するものであり、列車進入側の可飽和リアクトルＣＭと直列にそのリアクタンス分を補償するコンデンサを介挿させた構成とする。

図１３は、前記の図１の構成に本実施形態を適用した主回路構成を示す。図１３が図１と異なる部分は、Ｍ座電源と可飽和リアクトルＣＭとの間に、直列コンデンサＣ_Dを介挿した点にある。

この構成により、パンタグラフから列車負荷に供給する電流を、Ｍ座電源側から可飽和リアクトルＣＭを介したセクションａ１側への移行をスムースに行い、パンタグラフがセクションａ１を通過する際のアークを極小化することができる。

図１４〜図１８は、本実施形態を図３、図５、図７、図８、図９に適用した場合の構成図であり、それぞれ列車進入側の異座電源と可飽和リアクトルＣＭとの間に直列に、可飽和リアクトルの主巻線がもつリアクタンス分を補償するコンデンサＣ_Dを介挿させた構成とし、パンタグラフがセクションａ１を通過する際のアークを極小化する。

本発明の実施形態１を示す中セクションの主回路構成図。実施形態１の制御手順図。本発明の実施形態２を示す中セクションの主回路構成図。実施形態２の制御手順図。本発明の実施形態３を示す中セクションの主回路構成図。実施形態３の制御手順図。本発明の実施形態４を示すき電区分所の主回路構成図。本発明の実施形態５を示す変電所の主回路構成とセクションインシュレータの構成図。本発明の実施形態６を示す中セクションの主回路構成図。実施形態６の制御手順図。交流電気鉄道の切替セクションの主回路構成例。別電源方式の切替セクションの主回路構成例。本発明の実施形態７を示す中セクションの主回路構成図。本発明の実施形態７を示す中セクションの主回路構成図。本発明の実施形態７を示す中セクションの主回路構成図。本発明の実施形態７を示す中セクションの主回路構成図。本発明の実施形態７を示す中セクションの主回路構成図。本発明の実施形態７を示す中セクションの主回路構成図。

符号の説明

ＳＴスコット変圧器
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３エアセクション
ＣＭ、ＣＴ可飽和リアクトル
Ｌ短絡電流抑制用リアクトル
ＤＭ、ＤＴ変流器
Ｃ_D リアクタンス補償用直列コンデンサ

Claims

異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、
第１と第２の区分装置間に構成され、その中間部位に第３の区分装置を設けて、前記第１と第３の区分装置間の第１の中セクション区間と、前記第２と第３の区分装置間の第２の中セクション区間に分離した２分割構成とし、
２巻線をトランス結合した短絡電流抑制用リアクトルの両巻線の一端をそれぞれ第１と第２の中セクション区間に分離接続し、該両巻線の他端を第１と第２の可飽和リアクトルを介して異座電源の各座にそれぞれ接続することで、前記第１と第２の中セクション区間を常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が異座電源の一方から第１の中セクション区間に進入してきたときは、第１の可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始し、列車が第２の中セクション区間に進入してきたとき、第２の可飽和リアクトルを介して第１の中セクション区間と異なる座の電源で負荷電流の供給を開始すると共に、前記短絡電流抑制用リアクトルによって異座電源間の電流を抑制する手段を備えたことを特徴とする交流電気鉄道の異座電源切替設備。
異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、
第１と第２の区分装置間に構成され、その中間部位に第３の区分装置を設けて、前記第１と第３の区分装置間の第１の中セクション区間と、前記第２と第３の区分装置間の第２の中セクション区間に分離した２分割構成とし、
第１と第２の中セクション区間に、第１と第２の可飽和リアクトルを介して異座電源の各座にそれぞれ接続することで、第１と第２の中セクション区間を常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が第１の異座電源側から第１の中セクション区間に進入したときに、第１の可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始し、列車が第２の中セクション区間に進入してきたときは第２の可飽和リアクトルを介して第１の中セクション区間と異なる座の電源で負荷電流の供給を開始する手段を備えたことを特徴とする交流電気鉄道の異座電源切替設備。
前記第１と第２の可飽和リアクトルの制御装置は、
列車が第１の中セクション区間に進入する前には第１の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間に進入したとき、または完全に進入したときには第１の可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、第１の可飽和リアクトルが負荷電流の供給を開始しかつ負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に進入する前には第２の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に進入したときには第２の可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、第２の可飽和リアクトルが負荷電流の供給を開始すると共に、第１の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして負荷電流の供給を絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間を抜け出たときには第１の可飽和リアクトルの直流電流をさらに小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に完全に進入したときには第２の可飽和リアクトルの直流電流を更に大きくし、第２の可飽和リアクトルが負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が第２の中セクション区間を抜け出たときには第２の可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
のうち少なくとも１つ以上の制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の交流電気鉄道のき電装置。
異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、
第１と第２の区分装置間に構成され、その中間部位に第３の区分装置を設けて、前記第１と第３の区分装置間の第１の中セクション区間と、前記第２と第３の区分装置間の第２の中セクション区間に分離した２分割構成とし、
列車が進入してくる第１の中セクション区間は可飽和リアクトルを介して異座電源の一方に接続して常時加圧しておき、列車が異座電源の他方に抜け出す第２の中セクション区間は異座電源の他方に直接接続して常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が異座電源の一方から第１の中セクション区間に進入してきたときに前記可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始し、列車が第２の中セクション区間に進入してきたとき、異座電源の他方からも負荷電流の供給を開始する手段を備えたことを特徴とする交流電気鉄道の異座電源切替設備。
前記可飽和リアクトルの制御装置は、
列車が第１の中セクション区間に進入する前には前記可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間に進入したとき、または完全に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、負荷電流の供給を開始しかつ負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が第２の中セクション区間に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を小さくして負荷電流の供給を絞る制御手段と、
列車が第１の中セクション区間を抜け出たときには前記可飽和リアクトルの直流電流をさらに小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
のうち少なくとも１つ以上の制御手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の交流電気鉄道の異座電源切替設備。
異座電源の突き合わせ箇所に中セクションを備えた交流電気鉄道の異座電源切替設備において、
前記中セクションは、第１と第２の区分装置間に構成される区間で、列車が進入してくる側の異座電源の一方に可飽和リアクトルを介して接続し常時加圧しておく主回路構成とし、
列車が異座電源の一方から前記中セクション区間に進入してきたときに前記可飽和リアクトルを介して進入前と同じ座の電源で負荷電流の供給を開始する異座電源の切換手段を備えたことを特徴とする交流電気鉄道の異座電源切替設備。
前記可飽和リアクトルの制御装置は、
列車が異座電源の一方の座から中セクション区間に進入する前には可飽和リアクトルの直流電流を小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで絞る制御手段と、
列車が前記中セクション区間に進入したとき、または完全に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を大きくして、負荷電流の供給を開始しかつ負荷電流のすべてを供給する制御手段と、
列車が前記中セクション区間と異なる異座電源区間に進入したときには前記可飽和リアクトルの直流電流を小さくして負荷電流の供給を絞る制御手段と、
列車が中セクション区間を抜け出たときには前記可飽和リアクトルの直流電流をさらに小さくして、負荷電流の供給を検知可能な電流まで再び絞る制御手段と、
のうち少なくとも１つ以上の制御手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の交流電気鉄道の異座電源切替設備。
新幹線の異座電源突き合わせセクション、変電所または「き電」区分所を、前記中セクションの主回路構成および可飽和リアクトルの制御装置で構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の交流電気鉄道の異座電源切替設備。
在来線の変電所または「き電」区分所を、前記中セクションの主回路構成および可飽和リアクトルの制御装置で構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の交流電気鉄道の異座電源切替設備。
前記異座電源から前記中セクションまたは中セクション区間に流れる電流を検出する変流器を設け、前記制御装置は、該変流器の検出電流により、列車の走行部位を検知および前記可飽和リアクトルの負荷電流を制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の交流電気鉄道の異座電源切替設備。
列車進入側の異座電源と前記第１の可飽和リアクトルとの間に直列に、該第１の可飽和リアクトルの主巻線がもつリアクタンス分を補償するコンデンサを介挿させた構成を特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の交流電気鉄道の異座電源切替設備。