JP2011152810A - 車両の位置検出と運転状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気鉄道における車両の位置検出と、車両の運転状態を精度よく検出する装置が要望されている。
【解決手段】き電線とトロリ線を有する変電所間のき電区間にき電分岐装置を配設したき電回路において、き電分岐装置に流れる電流を検出する電流検出器を設ける。検出電流を入力して、特定するき電分岐装置近傍での車両存在の有無と車両の運転状態を検出する論理判断部を設ける。論理判断部での運転状態検出は、回生、力行、惰行、再力行、及び短絡のうち、少なくとも1つ以上の車両の運転状態を検出可能とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、き電線からの電力供給により走行する車両の位置検出と運転状態検出装置に関するものである。

き電線から電力供給を受けながらレール上を走行する電気車両（以下車両という）の位置検出装置としては、特許文献１の図8、図９、及びその説明として段落０００２，０００３に記載されているような閉電路式軌道回路を用いるものが知られている。この方式は、車両が在線するときの車輪と車軸を介して流れる電流の有無を軌道リレーにより検出することで位置検出を行っている。
また、車両に電力を供給するき電線に、基本波周波数の非整数倍の高調波の電圧または電流を注入し、ＦＦＴやＤＦＴにて注入次数の電圧または電流データを求め、インピーダンスの変化により供給点から車両までの距離を演算により求めることも特許文献２によって知られている。

さらに、走行中の車両の運転状態を判断するものとして特許文献３が公知となっている。特許文献３は、き電区間における勾配、駅位置などの線路条件を記憶し、軌道回路から在線位置を検出すると共に、線路条件から車両の運転状態を判断して変電所の出力電圧を制御している。

特開平１１−２２７６０７号 特開２００１−３０１６２１号 特開平１１−９１４１４号

特許文献１、２での車両の位置情報は、レールを車輪が短絡することにより一定区間内の車両の有無を検出している。したがって、車両の位置は特定できるものの、車両が力行状態か回生状態か、或いは惰行状態か等の運転状態については検知することできない。
また、特許文献３は、車両の運転状態の判別を可能としているが、しかし、その方法は予め記憶された線路条件から判断しているため、実際の車両の運転状態と一致しているとは限らず、正確な運転状態を把握できていない。

なお、負荷状態を見て変電所電圧を制御する場合、電圧降下が最も大きくなる位置は負荷点であるパンタグラフ部分で、変電所電圧と車両までの距離、き電線抵抗、及び電流によりパンタグラフ点電圧は最も低下している。このため、変電所電圧を制御して電圧降下対策を実行しても、当該変電所が関与するき電区間の電圧制御であって、パンタグラフ点の電圧制御とはなっていない。
変電所一定電圧制御、ラッシュ時間帯の整流器運転台数の増加のように変電所の電圧制御では、パンタグラフ点の電圧降下対策とはなっていない。

運転状態を知る方法としてトロリ線に電流検出器を設け、この電流検出器によって検出された電流により運転状態を検知することが考えられるが、その場合、車両走行の妨げとなるため電流検出器の設置はできない。また、セクション等を設けてトロリ線を切り離して電流検出器を挿入する方法もあるが、セクションの設置が高価となり、セクションが故障原因となることから、多数の設置は出来ないなどの問題がある。

そこで、本発明が目的とするとこは、特定位置での車両の有無検出と運転状態の検出装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、き電線とトロリ線を有する変電所間のき電区間であって、前記き電線とトロリ線を接続するき電分岐装置を配設した電気鉄道のき電回路において、
前記き電分岐装置に流れる電流を検出する電流検出器を設け、前記電流検出器の検出電流によりき電分岐装置前後区間の車両の有無と車両の運転状態を検出する論理判断部を設けたことを特徴とする。

本発明の請求項１における論理判断部は、論理判断部での状態検出を、回生、力行、惰行、再力行、及び短絡のうち、少なくとも1つ以上の車両の運転状態であることを特徴とする。

本発明の請求項１又は２における論理判断部は、検出された電流の流れる向きがトロリ線からき電線で回生状態と判断する回生判断手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項１又は２における論理判断部は、検出された電流の流れる向きがトロリ線からき電線であると共に、電圧の大きさで回生状態と判断する回生判断手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項１又は２における論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で、電流値の絶対値が一定値以下であるとき惰行状態と判断する惰行判断手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項１又は２における論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で電流値の絶対値が一定範囲で、且つ検出電流の立ち上がりが一定値以上で再力行時より小さく、立ち上がり後に電車の最大電流以下のときに力行と判断する力行判断手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項１又は２における論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で電流値の絶対値が一定範囲で、且つ検出電流の立ち上がりが力行時より大きく、立ち上がり後に車両最大電流以下のときに再力行と判断する再力行判断手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項１又は２における論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で、且つ検出電流の立ち上がりが再力行時より大きく、電流の絶対値が車両の最大電流値以上のときに短絡と判断する短絡判断手段を有することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、き電分岐装置を流れる検出電流に基づいて運転状態を判断する論理判断部を設けたことで、車両の位置判別と、車両の力行、回生、再力行等の運転状態の検出を可能としたものである。したがって、き電分岐装置の電流検出のために、トロリ線に検出器を設ける必要はなく、セクション等によりトロリ線を分断して運転状態を検出することもなく、容易に車両の位置判別と運転状態の検出が可能となるものである。また、検出される運転状態は、走行中の車両近傍でのき電分岐装置の電流値に基づくため（負荷点であるパンタグラフ部分）、変電所における電圧制御が高精度に実行できるなどの効果を奏するものである。

本発明の実施形態を示す構成図。 き電回路の等価回路図。 き電回路の等価回路図。

図１は、本発明の実施例を示す構成図で、１はき電線、２はちょう架線、３はトロリ線、４はレールで、これらは図示省略された変電所に接続されている。５は車両、６はき電分岐装置で、例えば、２５０ｍの距離ｌを有して等間隔に配設され、このき電分岐装置６によりき電線１とトロリ線３間を接続し、車両５が通過したときに当該き電分岐装置に電流が流れる。７は電流検出器で任意のき電分岐装置６に設置され、車両５が通過して車輪と車軸を介してき電線１→き電分岐装置６→レール４の閉ループが形成されたときに流れる電流を検出し、論理判断部８に入力して車両の有無、及び運転状態を判断する。運転状態としては、回生、力行、惰行、再力行、及び短絡の全部、若しくは任意の複数運転状態を把握する。

直流き電方式では、ちょう架線２とトロリ線３だけでは電流容量の不足や電圧降下を救済することが難しいため、一般的にき電線が設けられている。
き電線１とトロリ線３は２５０ｍ毎にき電分岐装置６で接続されているとする。
き電線１とトロリ線３の太さは線路により種々あるが、一例を表１に示す。

き電線抵抗はトロリ線抵抗の１／３程度であり、殆んどの電流は、き電線→車両が在線する区間の前後にあるき電分岐装置→トロリ線→車両のパンタグラフ→車両→レールのルートで流れる。

図２はＡ変電所ＡＳ／ＳとＢ変電所ＢＳ／Ｓ間のき電回路の等価回路を示したものである。
Ｒ１１〜Ｒ１ｍ：き電線抵抗＝０．０５６（Ω／ｋｍ）×０．２５（ｋｍ）
Ｒ２１〜Ｒ２ｍ：トロリ線、ちょう架線抵抗＝０．１４５（Ω／ｋｍ）×
０．２５（ｋｍ）
Ｒｔ１，Ｒｔ２：レール抵抗
Ｒ１ｎ ：車両在線区間のき電線抵抗
Ｉｂ ：き電分岐装置を流れる電流
図２において、車両５が在線する区間を除いては、Ｒ１１×Ｒ２２＝Ｒ１２×Ｒ２１が成立し、ブリッジ回路となる。したがって、車両５が在線する区間のき電分岐装置６を除き電流は流れないことから、図２の等価回路は図３で表すことができる。
本発明では、電流検出器を設けたき電分岐装置６に流れる電流を検出することで、当該き電分岐装置の前後区間での車両の有無判別を行うと共に、検出電流による力行、回生、再力行等の車両の運転状態を検出するものである。

以下に、車両の有無、及び運転状態が検知できる理由について説明する。
前述したように、車両が存在する区間以外のき電分岐装置６には電流は流れないことから、この特定のき電分岐装置の電流を検出することで、そのき電分岐装置の前後に車両が存在することが判断できる。
また、電力回生が可能なＶＶＶＦインバータ駆動による車両の場合、検出電流は次のように分析することができる。
（１）検出電流がトロリ線からき電線にながれた場合：車両は回生状態である。
（２）検出電流がき電線からトロリ線に流れ、電流の絶対値が一定以下の場合：惰行状態である。
（３）検出電流がき電線からトロリ線に流れ、電流の絶対値の立ち上がり（ｄｉ／ｄｔ）が力行時より大きく、立ち上がり後に車両最大電流以下で、電流値が一定範囲の場合：再力行である。
（４）検出電流がき電線からトロリ線に流れ、電流の絶対値の立ち上がり（ｄｉ／ｄｔ）が一定値以上の一定範囲で、立ち上がり後に車両の最大電流以下で、電流値が一定範囲の場合：力行である。
（５）検出電流がき電線からトロリ線に流れ、電流の立ち上がり（ｄｉ／ｄｔ）が再力行時より大きく、電流の絶対値が車両最大電流以上の場合：短絡等の異常電流である。

（１）〜（５）の分析結果に基づき、例えば、運転する車両が１０両編成の直流１５００Ｖ系の場合を考えると、車両最大電流＝４０００Ａ、補機電流＝３００Ａ、短絡等の異常電流の最小立ち上がり（ｄｉ／ｄｔ）＝１００００Ａ／ｓ、力行時の電流立ち上がり（ｄｉ／ｄｔ）＝２００Ａ／ｓ程度である。したがって、（１）〜（５）の分析結果を具体的な数値で示すと次のようになる。
ただし、路線や運行される車両により数値は異なり、また、変電所と電流検出したき電分岐装置の位置により補機電流、車両電流最大値、車両電流立ち上がり（ｄｉ／ｄｔ）は異なるため、下記数値は一例となる。なお、数値例では、き電線からトロリ線への電流の向きを正としている。
（１）’電流＜０ ：回生
（２）’０＜電流＜５００Ａ ：惰行状態
（補機電流が３００Ａであることから整定値は５００Ａとする。）
（３）’５００Ａ＜電流＜４５００Ａ以下で、且つ５００Ａ／ｓ＜ｄｉ／ｄｔ＜１００００Ａ／ｓ ：再力行
（４）’５００Ａ＜電流＜４５００Ａ以下で、且つ５０Ａ／ｓ＜ｄｉ／ｄｔ＜５００Ａ／ｓ ：力行
（５）’４５００Ａ＜電流で、且つ１００００Ａ／ｓ＜ｄｉ／ｄｔ ：短絡電流
なお、上り線、下り線間に設けられたタイポストに回生電力貯蔵装置が設置された場合で、回生が発生した場合の電流方向は上記した（１）の状態とはならない場合がある。例えば、下り線走行中の車両に回生が発生した場合、走行車両近傍のき電分岐装置６に流れる電流は、タイポストには上り線からの電流が流れると同時に、下り線き電線→き電分岐装置→トロリ線→当該回生発生車→回生電力貯蔵装置のルートで電流が流れ、その際、電流検出器７の配設された下り線のき電分岐装置６に流れる電流は正方向となり、確実に（１）’での電流＜０の判別が出来ない場合がある。そのようなシステムでは、き電線１とトロリ線３間（回生電力貯蔵装置の正負両端間）に電圧検出器を設け、回生によって電圧が一定値以上となったことを検出して回生発生と判別する。

以上のことから、論理判断部８は、（１）’〜（５）’の各状態の判断手段を備えることで、車両の位置判別と、車両の力行、回生、再力行等の運転状態の検出が可能となる。したがって、き電分岐装置の電流検出のために、トロリ線に検出器を設ける必要はなく、セクション等によりトロリ線を分断して運転状態を検出することもなく、容易に車両の位置判別と運転状態の検出が可能となるものである。

１… き電線
２… ちょう架線
３… トロリ線
４… レール
５… 車両
６… き電分岐装置
７… 電流検出器
８… 論理判断部

Claims (8)

1. き電線とトロリ線を有する変電所間のき電区間であって、前記き電線とトロリ線を接続するき電分岐装置を配設した電気鉄道のき電回路において、
   前記き電分岐装置に流れる電流を検出する電流検出器を設け、前記電流検出器の検出電流によりき電分岐装置前後区間の車両の有無と車両の運転状態を検出する論理判断部を設けたことを特徴とする車両の位置検出と運転状態検出装置。
2. 前記論理判断部での状態検出を、回生、力行、惰行、再力行、及び短絡のうち、少なくとも1つ以上の車両の運転状態であることを特徴とする請求項１記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
3. 前記論理判断部は、検出された電流の流れる向きがトロリ線からき電線で回生状態と判断する回生判断手段を有することを特徴とする請求項1又は２記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
4. 前記論理判断部は、検出された電流の流れる向きがトロリ線からき電線であると共に、電圧の大きさで回生状態と判断する回生判断手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
5. 前記論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で、電流値の絶対値が一定値以下であるとき惰行状態と判断する惰行判断手段を有することを特徴とする請求項1又は２記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
6. 前記論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で電流値の絶対値が一定範囲で、且つ検出電流の立ち上がりが一定値以上で再力行時より小さく、立ち上がり後に電車の最大電流以下のときに力行と判断する力行判断手段を有することを特徴とする請求項1又は２記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
7. 前記論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で電流値の絶対値が一定範囲で、且つ検出電流の立ち上がりが力行時より大きく、立ち上がり後に車両最大電流以下のときに再力行と判断する再力行判断手段を有することを特徴とする請求項1又は２記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
8. 前記論理判断部は、検出された電流の流れる向きがき電線からトロリ線で、且つ検出電流の立ち上がりが再力行時より大きく、電流の絶対値が車両の最大電流値以上のときに短絡と判断する短絡判断手段を有することを特徴とする請求項1又は２記載の車両の位置検出と運転状態検出装置。
   
   

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