JP2007282337A - 直流電気鉄道の外線地絡回線判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気鉄道において、外線地絡事故が発生した場合に、地絡事故回線を判別することにより、地絡事故個所の探索範囲を限定し、原因個所の発見時間の短縮に役立つ装置を提供する。
【解決手段】電気鉄道変電所に、外線地絡回線判別装置５００を新設する。上記外線地絡回線判別装置に、少なくとも直流地絡過電圧継電器６４Ｐの出力信号と、接地マット２０９及びレール３０４間電位差値を表示するＤＣＰＴ５０４と、き電回線電流値を表示するＤＣＣＴ５０５，５０６を供給し、これらの値及び上記地絡過電圧継電器６４Ｐの出力信号が立ち上がった時点の前後一定時間の上記電圧値および電流値に基づいて、上記直流地絡過電圧継電器６４Ｐが地絡検出信号を出力した時点の、前後一定時間帯において、上記接地マット２０９及びレール３０４間の電位差の増加現象と、き電回線電流の増加現象との、時間的な一致性が検出されたとき、地絡回線表示を出力させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、直流電気鉄道のき電回路の保護技術に係り、き電回路に発生する地絡事故の事故回線を判別する技術分野に属するものである。

図１は、現在の標準的な直流き電回路であるが、自変電所の母線地絡事故を検出するために、直流地絡過電圧継電器（通称「６４Ｐ」）１０８が変電所毎に設けられている。この直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）は、変電所構内に設けられている接地マット１０９とレール３０４の間の電位差を監視し、定められたレベル以上の電位差が生ずると検出動作するもので、検出動作した後は、地絡事故の被害の拡大を防ぐために、交流受電遮断器（図示していない）、全直流遮断器１０４、１０５、並列き電している近隣変電所の直流遮断器２０４を連動開放する仕組みになっている。

直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）が検出する地絡事故としては、主として母線地絡事故と、外線低抵抗地絡事故とがある。また、地絡事故の様相によっては、地絡点に直流電流を供給している変電所の直流地絡過電圧継電器の動作と共に、地絡事故電流を供給していない近隣変電所の直流地絡過電圧継電器が検出動作することがある。これは、地絡事故電流によって大地電位より低下したレール電位が遠方まで波及し、近隣変電所の接地マット電位（多くの場合、大地電位と同じ電位）と低下したレール電位との間の電位差が検出電位を越えることによる。

ところで、直流地絡過電圧継電器が検出動作すると、上に述べた保護連動によって、第一に広範囲にわたってき電停止状態となり運転を阻害し、第二に地絡事故原因を発見・処置するまで、き電の回復が行われないので、き電停止状態が長時間におよび、運転阻害が時間的に長引く。
直流電気鉄道における保護技術調査専門委員会編「直流電気鉄道における保護および保護協調に関する調査」電気学会技術報告第５２５号、電気学会、１９９５年５月発行

本発明が解決しようとする課題は、外線地絡事故が発生した場合に、地絡事故回線を判別することにより、地絡事故個所の探索範囲を限定し、原因個所の発見時間の短縮に役立つ装置を提供することにある。

本発明の装置は、次の（１）乃至（３）の手段で構成される。
（１）直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）が動作した時刻に先立つ一定時間における、次の諸データを読み取る「データ読み取り回路」群。
これらの「データ読み取り回路」群で読み取られるデータ群は：
イ．変電所がπ形き電変電所の場合は、各き電回線の電流データ。
この電流データは、変電所のＤＣＣＴより採取する。
ロ．変電所が図２に示すＴ形き電変電所の場合は、変電所に帰還するレール電流の方面毎のレール電流データ。
この電流データは、レール電流センサより採取する。
ハ．変電所の接地マット電位とレール電位との電位差データ。
この電位差データはＤＣＰＴより採取する。
ニ．直流地絡過電圧継電器の動作出力信号。

（２）地絡事故発生から直流地絡過電圧継電器が動作するまでの一定時間における、上記電流データ及び電圧データを分析し、地絡事故回線を判別する「地絡回線判別回路」。
（３）上記判別回路で判別した結果を人間に伝えるための「表示出力回路」。

（本発明完成に至る検討事項）
１．外線地絡事故について：
（１）外線地絡事故の様相
外線地絡事故が発生し、変電所に設けられている直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）が地絡検出動作した場合の様相を以下に説明する。図３は、架線が構造物等に接触したという典型的な外線地絡事故の概念図である。地絡事故点４０１を通り、大地３０５に流入した事故電流は、レールに還流し、最後には整流器２０１または１０１の一（マイナス）極に還る。この時、大地からレールへの電流によってレール電位が大地電位（０Ｖ）より低下する。
地絡過電圧継電器（１０８、２０８）のインピーダンスは、接地マット（１０９、２０９）の接地抵抗値に比べて充分大きいので、変電所の接地マットの電位は、大地電位のレベルにとどまり、レール電位の低下が一定レベルを越えると、変電所の地絡過電圧継電器は地絡事故検出動作をする。

（２）地絡事故時の様相の特徴：
イ．レール電位の低下が、地絡事故点をはさむ両側の変電所で生ずる時、このレール電位はさらに隣の区間にも伝播し、地絡事故が生じていない区間の変電所の地絡過電圧継電器の地絡検出動作を惹起する。
ロ．また、地絡事故の発生と電車負荷の存在とが競合することがありうる。

２．外線地絡事故回線判別装置の要件：
上記の理由により、外線地絡事故回線判別装置は、次の機能を持つ必要がある。
（１）地絡過電圧継電器が地絡検出動作した時にだけ回線判別動作をすること。
（２）自己変電所と隣接変電所との間の区間に地絡事故が発生したか発生していないかの判断ができること。
（３）自己変電所と隣接変電所との間に地絡事故がありと判断したとき、事故回線の判断（πき電変電所の場合）、事故方面の判断（Ｔき電変電所の場合）ができること。
（４）上記の（２）と（３）との判断は、自己変電所と隣接変電所との間の列車負荷の有無に係わらず判別できること。

３．本発明の原理：
本発明の原理は、前記外線地絡事故の様相とその特徴とを踏まえてこれらを活用したものである。
（１）電車運転中において、変電所の接地マットとレールとの間の電位差は、±１００Ｖを超えない。（図４参照）
（２）地絡過電圧継電器が動作するほどの外線地絡事故においては、変電所の接地マットとレールとの間の電位差（Ｖ６４）は、５００Ｖオーダーのものになる。
したがって、変電所の接地マットとレールとの間の電位差（Ｖ６４）を見れば、電車負荷の有無に係らず、変電所のき電回線（１０５，２０４）のき電電流における地絡事故電流の混在時間帯を特定できる。（図５の（ｉ）参照）

（３）地絡回線事故には、地絡事故電流が流れる。地絡過電圧継電器動作を伴うほどの地絡事故においては、電車運転電流に相当するオーダーの地絡事故電流が流れ、電車運転電流に重畳される。したがって、地絡事故の前後の電流の様相を見れば、電車運転中であっても、地絡事故相当の事故電流の混在を発見できる。
電車負荷の増大による回線電流増大なのか、地絡事故電流の上積みによる回線電流増大なのかは、接地マットとレールとの間の電位差の増大時点と、き電電流増大時点との一致性をもって判別できる。（図５の（iv）参照）
（４）変電所の接地マットとレールとの間の電位（Ｖ６４）の挙動において、地絡事故電流混在時間帯が確定していても、その変電所の、どのき電回線においても地絡事故事流の上積み現象が見られない場合は、その変電所の両側区間においては外線地絡事故は存在しないと判断できる。（図５の（Ｖ）参照）
この場合は、自己変電所での母線地絡事故が発生しているかも知れないし、発生していないかも知れないが、自己変電所の担当区間での「外線」地絡事故は発生していないと判断できる。

（５）以上のとおり、地絡過電圧継電器の動作信号の発生の前後における、１）接地マットとレールとの間の電位差の推移と、２）回線毎のき電電流の推移との比較において、両者の増減の時間的一致性を判断することによって、外線地絡事故回線の判断ができる、と言うのが、本発明の原理である。具体的にどのように判断するかは、後述の実施例を参照されたい。

直流電気鉄道において、従来設置されている直流地絡過電圧継電器が地絡事故により動作した時に、本発明の「外線地絡回線判別装置」は、外線地絡「事故発生」だけでなく、外線地絡「事故回線」を「特定する判別」をも行うので、外線地絡事故発生時の地絡事故個所の探索範囲を限定し、原因個所の発見のための出動人員の削減と、発見時間の短縮とが可能となり、電車運行阻害時間を短縮できると言う、格別な効果がある。

［実施例１］
（１）本発明の装置の全体的な構成
（イ）データ読み取り回路（５０１）、
（ロ）外線地絡回線判別回路（５０２）、
（ハ）表示・出力回路（５０３）、
（ニ）電圧・電流センサとしてのＤＣＰＴ、ＤＣＣＴ（５０４、５０５、５０６）で構成される。
本装置は変電所毎に１組が設置される。
図６はπ形き電変電所での装置構成の実施例を示し、図７はＴ形き電変電所での装置構成の実施例を示す。

（２）データ読み取り回路（５０１）は
（イ）地絡過電圧継電器動作出力信号（５０９）、
（ロ）接地マット・レール間電位差値、
（ハ）き電回線のき電電流値、
を入力とする。

ロとハは１〜数ｍｓ間隔でサンプリングしディジタルデータとして記憶する。記憶データは、イの信号の立ち上がり点の前後１０００ｍｓ程度のデータとする。ロ、ハのデータが揃ったところで、次の回線判別を行う。

（３）外線地絡回路判別回路
上記のロのデータの立ち上がり点とハのデータの立ち上がり点の時間的一致および立ち上がり電流増の大小を見て、外線地絡回線を判別する。地絡事故回線を判別したら、それを次の表示・出力回路へ出力する。

（４）表示・出力回路
装置表示としては、地絡事故回線表示（地絡事故該当回線なしを含む）を行わせる。
本発明の請求項に含めてはいないが本発明を核とした実施システムとしては、以下の、情報集中システムは当然の事として実施される。この場合、中央への表示としては、地絡事故回線表示（地絡事故該当回線なしを含む）および地絡事故時の電圧・電流データの伝送を行う。中央では、地絡過電圧継電器が動作した全変電所の地絡回線表示および電圧・電流データを総合判断して、地絡点探索対象区間・回線を最終決定する。

（５）判別動作例
例えば、地絡事故が図６の事故点４０１に発生したとする。その発生時刻が図５のｔ１時刻であり、直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）２０８にかかる接地マットとレール間電位差Ｖ６４が図５（ｉ）に示す如く上昇したものと想定する。

この場合、直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）２０８は、接地マットとレール間の電位差Ｖ６４が、その検出設定値Ｖ_ｐ（図５参照）を越える時刻ｔ２（図５）において地絡事故を検出し、その状態が地絡判定時間Ｔ_ｐ（図５）継続した時刻ｔ３（図５）において、検出出力（図５の（ii））を、直流地絡過電圧継電器出力信号５０９（図５及び図６参照）として出力する。この検出信号５０９は、前述（［０００２］）の如く、関係する遮断器を開放する（図６に図示）。関係遮断器が開放されると、地絡事故電流はなくなり、図５（ｉ）に示す如く、接地マットとレール間電位差Ｖ６４は、０電位にかえる。

図５の（iii）、（iv）、（ｖ）は、上述の図６図示の地絡事故において、レール上の電車負荷の所在パタン３種について、き電回線電流の挙動を表現したものである。
（iii）のパタンは、地絡事故時に当該回線に電車負荷が無いケースに当り、図６図示の「電車１」３３０が存在しないか存在しているが負荷電流をとっていないかしているケースに当る。
（iv）のパタンは、当該回線に電車負荷が存在するケースに当り、図６の「電車１」が力行中に、Ｆ_１回線に地絡事故４０１が発生した例に当る。
（ｖ）は、地絡事故発生時に、注目の回線の電流に、地絡事故に対応した電流変動が見られないケースで、図６図示の「電車２」が力行中の場合に当る。

（iii）及び（iv）のパタンは、前述の［００１８］で延べた判断論理にもとづくと、外線地絡事故が「有」で、地絡事故回線はＦ_１回線である、と判断できる事例であり、（ｖ）のパタンはＦ_２回線区間には「地絡事故がない」と判断できる事例である。
（ｖ）の場合の判断を詳しく言えば、「Ｆ_２回線区間には外線地絡事故はないが、自変電所の母線地絡事故かＦ_２回線以外の区間で外線地絡事故がありうる」と判断される。

外線地絡回線の判断に供される電圧・電流データは、図５に示す「ｔ３前Ｔ_Ｆ ｍｓ」前から「ｔ３後Ｔ_Ｒ ｍｓ」間に採取したデータが用いられる。実施例としては、おおむねＴ_Ｆ＝１０００ｍｓ、Ｔ_Ｒ＝１０００ｍｓ、合計Ｔ＝２０００ｍｓ程度とする（［００１７］）。サンプリング間隔は、およそ１〜数ｍｓ間隔とする（［００１７］参照）。

図６に図示した本発明に係る外線地絡回線判別装置５００の概略的な構成を図８のブロック図で示す。ＤＣＰＴ５０４の出力（Ｖ６４）、ＤＣＣＴ５０５の出力（ｉＦ_１）およびＤＣＣ５０５の出力（ｉＦ_２）は、本装置５００のデータ読み取り回路５０１のＡ／Ｄコンバータで、１〜数ｍｓ間隔でサンプリングされ（［００１７］参照）、最新の入力データの一時保存メモリ５１０に貯えられる。この一時保存メモリは、１サンプリング毎に、最新データが注入され、Ｔ_Ｆ＋Ｔ_Ｒ時間前のデータが排出される。

直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）２０８が地絡事故を検出し、検出出力５０９を出力すると、本装置はこれを入力し、図８図示のデジタル入力回路（ＤＩ）で取り込み、図８図示の立上り遅延回路５１１により、最新入力データ一時保存メモリ５１０への書き込みを中止し、メモリ５１１の記憶内容を入力データ固定保存メモリ５１２へ転送する命令信号を発生する。こうすることにより、入力データ固定保存メモリ５１２には、検出信号５０９がｔ３時刻（図５）に立上った時点から前Ｔ_Ｆ ｍｓ分のデータと後Ｔ_Ｒ ｍｓ分のデータ合計Ｔｍｓ分のデータが保存される。

この固定保存メモリに保存されたデータを用いて、本発明の地絡回線判別回路５０２は、図８図示の論理判断により、（イ）Ｆ_１回線に外線地絡事故有り、（ロ）Ｆ_２回線に外線地絡事故有り、（ハ）Ｆ_１回線、Ｆ_２回線ともに外線地絡事故無し、の判断をする。

判断は、図８に示す如く、き電回線単位に行われ、例えば、Ｆ_１回線について説明すると、電圧データＶ６４と電流データｉＦ_１とを比較し、（イ）両者の立上り時刻がほぼ（装置誤差の範囲内で）一致しているかどうかの判断（図８の５１３）を行い、さらに（ロ）立上り時刻での電流データの立上り増分が、決められた整定値（図８では１０００Ａの例を図示）より大きいか小さいかの判断（図８の５１４）をする。

Ｆ_１回線とＦ_２回線についてのこれらの判断は、Ｆ_１回線、Ｆ_２回線いずれも外線地絡事故無し、の判断５１５を誘導でき、これらの判断の結果は本発明の表示・出力回路５０３にわたされ、図８図示の各表示灯５１６を点灯する。

図８には、６４Ｐ動作表示灯も設ける例を図示している。また、実施システムでは導入されることになる中央への伝送機能５１７を点線で例示しておいた（［００１９］参照）。

［実施例２］
Ｔ形き電変電所への適用
Ｔ形き電変電所への適用構成は、図７に示す形とする。
すなわち、変電所から供給する、き電電流の方面別の電流値は、図７に示すとおり、レール電流センサ（５０７、５０８）を設けることにより取得する情報を、同様に処理することにより、本発明を適用できる。

［実施例３］
複線・複々線区間への適用
以上の説明および説明のための図（図１、図２、図３、図６、図７）は、説明の簡潔化の目的ですべて単線鉄道を例に説明しているが、本発明の外線地絡回線判別装置は、複線又は複々線の鉄道にも同様に適用できるものである。

直流電気鉄道において地絡事故が発生した時に、本発明の「外線地絡回線判別装置」は、外線地絡事故発生時の地絡事故個所の探索範囲を限定し、原因個所の発見のための出動人員の削減と、発見時間の短縮とが可能となり、電車運行阻害時間を短縮できるので、鉄道運輸産業上、サービス向上のための利用価値が高い。

π形き電変電所における標準的な直流き電回路（単線区間の例）と直流地絡過電圧継電器である。 Ｔ形き電変電所における標準的な直流き電回路（単線区間の例）の説明図である。 外線地絡事故の説明図である。 電車正常走行中のき電電流および接地マット・レール間電位差の挙動の説明図である。 外線地絡事故時のき電電流および接地マット・レール間電位差の挙動の説明図である。 本発明の装置構成１（π形き電変電所・単線の実施例１）を例示する図である。 本発明の装置構成２（Ｔ形き電変電所・単線の実施例２）を例示する図である。 本発明の外線地絡回線判別装置（図６の５００）のブロック図である。

符号の説明

１００，２００ 直流変電所（π形き電変電所）
Ｔ１００ 直流変電所（Ｔ形き電変電所）
１０１，２０１，Ｔ０１ 整流器
１０２，２０２，Ｔ０２ 直流母線
１０３，２０３，Ｔ０３ マイナス線
１０４，１０５，２０４，２０５，Ｔ０４ 直流遮断器
１０６，１０７，２０６，２０７，Ｔ０６ 過電流継電器（５０Ｆ）
１０８，２０８，Ｔ０８ 直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）
１０９，２０９，Ｔ０９ 接地マット
１１０，２１０，Ｔ１０ 接地マットの接地抵抗
３０１，３０２ 架線
３０３ 電気車
３０４ レール
３０５ 大地
３０６，３０８ レール漏れ抵抗
４０１ 外線地絡事故
４０２ 外線地絡事故点の構造物
４０３ 外線地絡の接地抵抗
５００ 外線地絡回線判別装置
５０１ データ読み取り回路
５０２ 地絡回線判別回路
５０３ 表示・出力回路
５０４ ＤＣＰＴ
５０５，５０６ ＤＣＣＴ
５０７，５０８ レール電流センサ
５０９ 直流地絡過電圧継電器出力信号
５１０ 最新の入力データの一時保存メモリ
５１１ 立上り遅延回路
５１２ 入力データ固定保存メモリ
５１３ 電圧と電流の立上り時刻の一致判断
５１４ 電流の立上り増分の判断
５１５ 全回線外線地絡事故なし判断
５１６ 表示灯
５１７ 中央への伝送回路

Claims (2)

1. 直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）の出力信号と、変電所の接地マット（１０９，２０９）及びレール（３０４）間の電位差値を表示するＤＣＰＴ（５０４）と、き電線電流値を表示するＤＣＣＴ（５０５，５０６）と、これらの値及び上記地絡過電圧継電器（６４Ｐ）の出力信号が立ち上がった時点の前後一定時間の上記電圧値並びに上記電流値を記憶するデータ読み取り回路（５０１）と、上記読み取り回路（５０１）に記憶されたデータに基づいて上記直流地絡過電圧継電器（６４Ｐ）が地絡検出信号を出力した時点の、前後一定時間帯において、上記接地マット（１０９、２０９）及びレール（３０４）間の電位差の増加現象と、き電電流の増加現象との、時間的な一致性が検出されたとき、地絡事故回線を電車負荷（３０３）の有無にかかわりなく検出する判断論理手段（５０２内に内蔵されたソフト等）を含みもつ地絡回線判別回路（５０２）と、上記地絡回線判別回路の出力に基づいて地絡表示を出力する回路（５０３）とを含むことを特徴とする、直流電気鉄道の外線地絡回線判別装置。
2. 上記地絡回線判別装置において、Ｔ形き電変電所においては、方面毎のき電電流を取得する手段として、レール電流センサ（５０７，５０８）を上記Ｔ形き電変電所のマイナス線（Ｔ０３）と近傍のレールとの接続点の起点側と終点側の位置でレール直近に設置し、その出力を上記データ読み取り回路（５０１）に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の直流電気鉄道の外線地絡回線判別装置。

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