JP2008504795A5

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Publication number: JP2008504795A5
Application number: JP2007517939A
Authority: JP
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2009-06-25

Description

非接地の直流電力供給システムのための地絡保護リレーシステムおよびその制御方法

本発明は、地絡事故の発生の検知と（地絡事故箇所の検知も行う）、電車用の非接地の直流電力供給システムにおける地絡事故ラインの検知を行う地絡保護リレーシステムに関する。

一般的に、電気鉄道用の電力供給システムは、電車に電力を供給するため鉄道線路に沿って配置される。長い鉄道線路の端部まで規定の電圧を安定して供給するため、変電所装置が一定の間隔で設けられている。変電所装置は交流電力を直流電力に整流し、直流電力分配パネル及びフィーダーを経由して電車に直流電力を供給する。

上記の電気鉄道用の電力供給システムにおいて、通常作動の間に予期しない事故等による地絡事故が発生した時に、様々な装置を保護し、公共の安全を保証するために地絡保護リレーが設置され、よって地絡事故による損害を防ぎ、電力供給を素早く遮断する。

大都市の鉄道用の直流電力供給システムは、電食を防ぐため非接地の方法で作動する。従って、たとえ地絡事故が発生しても地絡電流が流れないため、電流型リレーではなく、電圧型リレーが直流電力供給システム用の地絡保護リレーとして使用される。

電圧型リレーは地絡事故が発生したかどうかのみを検知し、地絡事故が発生した箇所を検知できないという点で問題がある。よって、故障箇所のみならず正常な箇所への電力供給までもが遮断され、状況によって乗客の安全に危険が生じるかもしれないという問題がある。図１の場合、第1の電車の位置に地絡事故が発生すると、全ての変電所Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤのフィーダーブレーカーＢ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、Ｂ_４が遮断され、正常な箇所で作動している第２の電車への電力供給を遮断し、乗客の安全に危険を及ぼす。

記載されていない参照番号ＲＬ１からＲＬ４は従来の地絡保護リレーであり、図２に示すように配置されている。従来の地絡保護リレーは、地面と整流器の陰極幹線の間に抵抗を配置して地絡電流が抵抗を流れることを可能にし、抵抗の両端の電圧を計測し、計測した電圧を予め設定した値と比較して地絡事故の発生を検知し、変電所に設置された電力供給用のフィーダーブレーカーＢ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、Ｂ_４が検知結果に応じて作動し、電力供給を遮断するように構成されている。しかし、従来の地絡保護リレーは、地絡電流が故障箇所の変電所に加え他の変電所に流れるため、故障箇所を判断するのが難しいという問題があった。

特開平２−３１１１２３号公報

従って、本発明は上記の従来技術に発生する問題に留意してなされ、本発明の目的は、地絡保護リレー装置であって、両端部の電圧の差によって異なる抵抗特性を有する限流手段が、地絡保護リレーに、詳しくは、整流器の陰極幹線と地面の間に配置され、その結果限流手段は、通常作動の間、高い抵抗特性を示し、漏電を基準値以下までに制限する一方、地絡事故の発生時点で非常に低い抵抗特性を示し、検知するのに十分な値の地絡電流を限流手段に流すことを可能にする地絡保護リレー装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、地絡保護リレーシステムとその制御方法であって、限流手段を流れる地絡電流の値を計測することにより地絡事故の発生（故障箇所も含む）を検知し、同じ時間内のフィーダーを流れる電流の変化（増加分）と地絡電流の変化を比較することにより故障したフィーダーを検知する地絡保護リレーシステムとその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、地絡電流を計測するために整流器の陰極幹線に接続された限流手段を有し、陰極幹線は限流手段を介して接地された地絡保護リレー装置を提供する。

好ましくは、限流手段は両端部の電圧の差によって異なる抵抗特性を有する装置によって実現され、端部の電圧が低い場合（通常作動状態において）高い抵抗特性を示し、漏電を基準値以下までに制限する一方、端部の電圧が高い場合（地絡事故時）低い抵抗特性を示し、地絡電流の量が限流器により制限されることを防ぐように構成されている。

更に、本発明は上記の地絡保護リレー装置を使用した地絡保護リレーシステムを提供する。そのシステムは、地絡電流を計測するために整流器の陰極幹線に接続された限流手段を備え、陰極幹線は限流手段を通して接地されており、更にそのシステムは、陰極幹線と地面の間に配置された限流手段を流れる地絡電流を計測する電流計測手段と、各変電所から延伸する左右、上下のトラックフィーダーを流れる電流を計測するフィーダー電流計測手段とを備える。更にそのシステムは、地絡事故の発生及び故障箇所を検知するため、限流手段を流れ、かつ電流計測手段により計測される地絡電流と、リレーの時間‐電流特性との比較を行い、故障しているラインを検知するため、限流手段を流れ、かつ電流計測手段により計測される地絡電流と、フィーダーを流れ、かつフィーダー電流計測手段により計測される電流との比較を行い、対応するブレーカーに遮断制御信号を出力する制御手段を備える。

好ましくは、制御手段は、電流計測手段で計測された地絡電流と設定電流値との比較を行って地絡事故の発生を判断し、電流計測手段で計測された地絡電流の変化又は波形と、フィーダーを流れ、かつフィーダー電流計測手段により計測される電流の変化又は波形の比較を予め設定した時間行って故障しているラインを検知し、所定の遅延時間後に故障しているラインに対応するブレーカーに遮断制御信号を出力するよう作動する。

上述のとおり、本発明は地絡保護リレーシステムを提供し、そのシステムは故障箇所又は故障ラインを検知するためにフィードバック回路を流れる電流を計測するセンサと、故障検知信号を隣接する変電所と交換する装置を必要としない。

さらに、本発明は、故障した電車の線路を再閉路プロセスにおいて検知していた従来のリレーと異なり、リレーシステムが地絡事故の検知及び故障した電車の線路の検知を同時に行うことが可能であるという利点があり、その結果、本発明では故障した電車の線路のブレーカーのみが遮断され、電力供給システムの信頼性が高まる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

故障箇所の検知（地絡事故の発生の検知）
故障箇所の検知は、変電所の限流手段を通って変電所に流れる電流値を計測することにより行われる。すなわち、故障箇所の外部に配置された変電所に比べ、故障箇所に配置された変電所には常に高い地絡電流が流れている。図３は、電力供給システムの概略図であり、回路分析を単純にするため故障箇所の左側に配置されたシステムのみを示している。図３は、故障箇所に近い変電所Ｂに流れる地絡電流Ｉ_ｂは、相対的に故障箇所から遠い変電所Ａに流れる地絡電流Ｉ_ａより常に高いことを示している。この場合、負荷電流は限流手段を流れないため、負荷電流は省かれている。

図３に示すように、電力供給システムのループ方程式は以下の［数１］及び［数２］として成立する。

ここにおいて、Ｒ_ｓは電源抵抗であり、Ｒ_ａ及びＲ_ｂはフィーダーの抵抗要素であり、Ｉ_ａ及びＩ_ｂはループ電流である。負荷電流は限流手段を流れないため、負荷電流は省かれる。

［数２］を［数１］から減ずると、減算の結果は以下の［数３］のようになる。［数３］をもう一度減ずると、以下の［数４］が得られる。

上記の通り、地絡電流Ｉ_ｂは常に地絡電流Ｉ_ａより高く、それにより故障箇所に近い変電所Ｂに流れる地絡電流Ｉ_ｂは常に、相対的に故障箇所より遠い変電所Ａに流れる地絡電流Ｉ_ａより高いことが証明される。

さらに、図４はリレーの遅延時間要素の特性を示す。変電所Ｂの右側に地絡事故が発生すると、変電所Ａでは常に変電所Ｂの地絡電流より低い地絡電流が流れ、すなわち、Ｉ_ａ＜Ｉ_ｂとなり、その結果、変電所Ｂのリレーは常に変電所Ａのリレーより早期に作動し、地絡電流を遮断する。

図４において、ｔ_ａ１＞ｔ_ｂ１が満たされれば、ｔ_ａ２＞ｔ_ｂ２が満たされる。さらに、変電所Ｂのリレーが故障により正常に作動できない場合は、変電所Ａのリレーは時間遅延の後作動し、バックアップブレーカーの機能を果たす。従って、故障箇所（地絡事故の発生）は限流手段を流れる電流の量により判断される。

故障ラインの検知
左右、上下の線路のフィーダー中、どのフィーダーが地絡事故発生の故障電車線路であるかという判断は、故障箇所の変電所により、地絡電流の変化又は波形とそれぞれのフィーダーを流れる電流の変化又は波形とを比較して行われる。

図５は簡略化した電力供給システムを示す、地絡電流を計算するための等価回路の回路図である。この場合、Ｒ_ｓは電源の抵抗要素であり、Ｒ_１はフィーダーの抵抗要素であり、Ｌ_ｓは電源のインダクタンス要素であり、Ｌ_１はフィーダーのインダクタンス要素である。

図５において、地絡電流は以下の［数５］で表される。

［数５］において、地絡電流は故障した電車線路から地面に流れる地絡電流の値である。変電所の限流手段を通って変電所に流れる地絡電流の値は、［数５］の地絡電流の値より低くなる可能性がある。この理由は、地絡電流はそれぞれの変電所の限流手段に分配されて、限流手段を流れるためである。故障したフィーダーでは、［数５］の地絡電流は負荷電流に加えられて増加するため、故障したフィーダーは限流手段を流れる電流の量とフィーダーを流れる電流の量の比較を行うことにより判断される。

図６は、同じ時間軸の図３の故障したフィーダー及び限流手段の電流の変化を示す。この場合、電流の変化を比べるのに必要なウィンドウｔ_ｗの大きさに注目する必要がある。比較するウィンドウの大きさは［数５］の「ｔ」で表される。すなわち、電流の変化の値は「ｔ」の関数で表される。比較するのに十分な値を有する電流値を得るため、十分な大きさの「ｔ」が必要であり、それは最小の比較ウィンドウのサイズであると考えられる。

例えば、比較するウィンドウｔ_ｗが、時間定数が２０ｍｓのシステムにおいて５ｍｓと設定されれば、電流の変化は、［数５］により、安定した状態において、地絡電流値
Ｅ／Ｒ
の２２％である。この値が地絡事故による電流増加分を計測するのに十分高いかどうかはリレーをセットする際調べる必要がある。

本発明のシステムはこの事実を考慮し、以下の実施例を用いて構成可能である。図７は本発明による地絡保護リレーシステムの地面の構成を示し、図８は地絡保護リレーシステムの電流センサの配置を示すための電車のフィーダーを示し、図９は本発明による地絡保護リレーシステムの構成を示すブロック図である。

本発明による地絡保護リレーシステムは、整流器の陰極幹線及び地面の間に配置された限流手段１０と、限流手段１０を流れる電流を計測する地絡電流センサＩ_ｇと、フィーダーを流れる電流を計測するため各変電所から延伸する左右、上下の線路に設置される電流センサＩ_１〜Ｉ_４と、限流手段１０を流れ、かつ地絡電流センサＩ_ｇに計測される電流値により地絡事故の発生を検知し、地絡電流センサＩ_ｇにより計測される電流の変化又は波形と、フィーダー電流センサＩ_１〜Ｉ_４により計測される電流の変化又は波形とを比較して、故障ラインを検知し、ブレーカーＢ_１〜Ｂ_４の対応するブレーカーに遮断制御信号を出力する制御ユニット２０とを備える。

制御ユニット２０は、地絡電流センサＩ_ｇにより計測される地絡電流を設定電流と比較して、地絡事故の発生を検知する地絡事故発生検知ユニット２１と、地絡電流センサＩ_ｇにより計測される地絡電流の変化又は波形と、フィーダーを流れ、かつフィーダー電流センサＩ_１〜Ｉ_４により計測される電流の変化又は波形とを予め設定した時間比較して、故障ラインを検知する故障ライン検知ユニット２２と、ブレーカーＢ_１〜Ｂ_４のうち、地絡事故の発生しているラインに対応するブレーカーに遮断制御信号を出力するブレーカー制御ユニット２３とを備える。

本発明の地絡保護リレーシステムによれば、各変電所から延伸する左右、上下の線路のフィーダーを流れる電流を計測する電流センサＩ_１〜Ｉ_４が構成される。さらに、限流手段１０を通って各変電所の直流分配パネルの陰極幹線を接地し、限流手段１０を流れる電流を計測する地絡電流センサＩ_ｇが構成される。

上述のように、限流手段１０は通常の作動状態で高い抵抗特性を示し、陰極線路の漏電を基準値以下まで制限し、地絡事故の発生時、すなわち、限流手段１０の端末電圧が高い時には低い抵抗特性を示し、よって地絡電流の量が限流手段１０により制限されることを防ぐ。

限流手段１０の典型的な電圧電圧‐電流特性は図１１に示されている。限流手段１０は、両端の電圧の差により異なる抵抗特性を有するもので、避雷器でもよいし、又は電力半導体素子を使用して構成することも可能である。

上記の構成を有する地絡保護リレーシステムは、以下の作動制御プロセスを実行する。作動制御プロセスは、地絡電流センサＩ_ｇで計測される地絡電流を設定電流Ｉ_ｓｅｔと比較することにより、地絡事故の発生を検知するステップと、地絡電流センサＩ_ｇで計測される地絡電流の変化又は波形と、フィーダーを流れ、かつフィーダー電流センサＩ_１〜Ｉ_４により計測される電流の変化又は波形とを予め設定された時間比較することにより、故障ラインを検知するステップと、地絡事故の発生の検知から所定の遅延時間が経過した後、故障ラインに対応するブレーカーに遮断制御信号を送信するステップとを含む。

本発明のシステムによる故障箇所及び故障ラインの検知を通してブレーカーを制御する作動プロセスを説明する。図１０は、本発明の地絡事故リレーシステムの作動フローを示すフローチャートである。

個々の変電所のフィーダーを流れる電流Ｉ_１〜Ｉ_４と限流手段１０を流れる電流Ｉ_ｇは常に計測されている。限流手段１０を流れる計測された電流Ｉ_ｇは、設定電流Ｉ_ｓｅｔと比較される。限流手段１０を流れる計測された電流Ｉ_ｇが設定電流Ｉ_ｓｅｔより高ければ、地絡事故が発生したと判断される。

地絡事故がこのように発生したと判断されれば、設定時間
Δｔ
はその時点から時間の累積を開始する。

累積時間Ｔ_ｄは、図４に示す遅延時間特性の曲線において規定された設定時間Ｔ_ｓｅｔと比較され、リレーに設定される。設定時間Ｔ_ｓｅｔは遅延時間特性曲線の地絡電流値に対応するよう規定される遅延時間を表す。累積時間Ｔ_ｄが設定時間Ｔ_ｓｅｔより高くなると、遮断信号がブレーカーＢ_１〜Ｂ_４の対応するブレーカーに出力される。この時、遮断信号が出力される前に、故障ライン、すなわち、各変電所から延伸する左右、上下の線路のうちの一つが選択され、遮断信号は故障した電車線路に対応するブレーカー（ブレーカーＢ_１〜Ｂ_４のいずれか）に出力される。

上述の通り、故障した電車線路の検知は、地絡電流Ｉ_ｇの変化又は波形と、各フィーダーを流れる電流Ｉ_１〜Ｉ_４の変化又は波形を、同じ時間内に得られた変化曲線を使用して図６に示すように比較することにより行われる。

本発明のシステムは再閉路動作を必要とせず、再閉路動作を行うかどうかを選択的に決定するための再閉路回路制御ユニットを、制御ユニット２０内に含んでも良い。

上述の通り、本発明は地絡保護リレーシステムであって、故障箇所又は故障ラインを検知するためにフィードバック回路を流れる電流を計測するセンサと、故障検知信号を隣接する変電所と交換する装置とを必要としない地絡保護リレーシステムを提供する。さらに、本発明は、故障した電車の線路を再閉路プロセスにおいて検知していた従来のリレーと異なり、リレーシステムが地絡事故の検知及び故障した電車の線路の検知を同時に行うことが可能であるという利点があり、その結果、本発明では故障した電車の線路のブレーカーのみが遮断され、電力供給システムの信頼性が高まる。

本発明の好適な実施例は例示の目的で開示しているが、添付の請求の範囲に記載された通り、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、様々な修正、追加及び代替が可能であることが当業者に理解されるであろう。

従来の地絡保護リレーにおける地絡電流の流れと問題点を示す図である。従来の地絡保護リレーの設置を示す図である。変電所に流れる地絡電流の変化を示す電力供給装置の概略図である。本発明のシステムにおけるリレー装置の遅延時間要素を示すグラフである。本発明のシステムにおける地絡電流を計算するための等価回路の回路図である。本発明のシステムにおいて故障ラインを検知する方法を説明するための、限流器を流れる電流の変化と、フィーダーを流れる電流の変化を示すグラフである。本発明のシステムにおける地絡保護リレー装置の限流器の地面の構成を示す図である。本発明の地絡保護リレーシステムの電流センサの配置を示すためのフィーダーを示す図である。本発明の地絡保護リレーシステムの構成を示すブロック図である。本発明のシステムの作動のフローを示すフローチャートである。本発明のシステムの限流手段の典型的な電流‐電圧特性を示す図である。

１０・・限流手段、２０・・制御ユニット、２１・・地絡事故発生検知ユニット、２２・・故障ライン検知ユニット、２３・・ブレーカー制御ユニット。