JP2011164079A

JP2011164079A - 地絡故障検出システム、モノレールの安全運転システムおよびレールが地向に接している電車の安全運転システム

Info

Publication number: JP2011164079A
Application number: JP2010047085A
Authority: JP
Inventors: Nobunao Kinjo; 伸直金城; Eiji Kaneko; 英治金子
Original assignee: University of the Ryukyus NUC
Current assignee: University of the Ryukyus NUC
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構造で経済的安価に高抵抗地絡故障を検出することができる地絡故障検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
直流電気鉄道き電回路において地絡故障検出装置８と演算処理装置１８からなる地絡故障検出システムであって、前記地絡故障検出装置８は対地間電圧に振動を起こさせてコンデンサ接続点電圧とする振動発生用コンデンサ６と、前記コンデンサ接続点電

基づいて故障があったと判定する故障判定手段を備えることを特徴とする地絡故障検出システム。
【選択図】図１

Description

本発明は直流電気鉄道き電回路に発生した地絡故障を検出する地絡故障検出システム、モノレールの安全運転システムおよびレールが地面に接している電車の安全運転システムに関するものである。

従来技術

方法が主として用いられ、直流高速度遮断器の自動選択遮断などで行われている。ここで、き電回路とは、電車に電力を送る回路のことをいう。しかし、これらの方法は検出条件として故障点抵抗が０．５Ω程度であり、高抵抗地絡故障と呼ぶ地絡現象での碍子破損や、飛来物に起因する構造物への地絡故障などに対して、故障電流が運転電流よりも小さくなる為、高抵抗地絡故障をほとんど検出保護することができない。よって、高抵抗地絡故障がいったん発生すると、長時間故障が継続してしまい、レールの締結装置及び信号・通信ケーブルなどの弱電装置の絶縁破壊を引き起こす。また、支持物・高架橋など構造物の溶損も引き起こす。その結果、事故復旧までに多くの時間を要してしまう（非特許文献１参照）。

特許文献１には、地絡した箇所の電圧振動により放電管を用いたトリガ信号を発生させて故障を検出するという方式が開示されている。しかし、この方式では装置が複雑となり、機器の高い信頼度が求められる。更に、連係線を必要とし、特定の保護区間にしか適用できないこともあり、新たな装置整備が必要となるなど、制約条件が多く、また、装置やメンテナンスコストが高くなってしまうという問題点がある。

また、特許文献２には、地絡した場合に変電所の接地マットとレール間においてあらわれる電位差の増加現象と電流の増加現象との時間的な一致性を６４Ｐと呼ばれる装置により検出する方式が開示されている。しかし、この方式では、故障時以外でも通常の運転電流による電位差を検出する場合があり、高抵抗故障の場合の判別問題や接地マットとは別に基準点を設けることが必要となってしまうという問題点がある。
電気学会技術報告第ＩＩ−５４２号、１９９５年５月「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」（発行所：社団法人電気学会、１９９５年５月９日発行、ｐ．５４〜５５）特開２００６−２３４４６１特開２００７−２８２３３７

発明が解決しようとする課題

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は簡単な構造で経済的安価に高抵抗地絡故障を検出することができる地絡故障検出装置を提供することである。

課題を解決するための手段

本発明による地絡故障検出装置は、上記の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段をとった。

本発明の地絡故障検出システムは、直流電気鉄道き電回路において地絡故障検出装置８と演算処理装置１８からなる地絡故障検出システムであって、前記地絡故障検出装置８は対地間電圧に振動を起こさせてコンデンサ接続点電圧とする振動発生用コンデンサ６と、

出用フィルタ７とを備え、前記演算処理装置１８は前記地絡故障検出装置８から出力され

を要旨とする。

また、本発明の地絡故障検出システムにおいて、前記故障判定手段は前記フィルタ出力

障があったと判定することを特徴とすることもできる。

また、本発明の地絡故障検出システムにおいて、前記演算処理装置１８は最大フィルタ

記第一テーブルに照合して故障距離を特定することを特徴とすることもできる。

また、本発明の地絡故障検出システムにおいて、前記演算処理装置１８は、少なくとも２か所の変電所における最大フィルタ出力電圧比と故障距離とを対応付けた第二テーブル

演算した最大フィルタ出力電圧比を前記第二テーブルに照合して故障距離を特定することを特徴とすることもできる。

また、本発明のモノレールの安全運転システムにおいて、上記地絡故障検出システムのいずれかを有することを特徴とすることもできる。

また、本発明のレールが地面に接している電車の安全運転システムにおいて、上記地絡故障検出システムのいずれかを有することを特徴とすることもできる。

発明の効果

本発明の地絡故障検出装置８は、コンデンサと抵抗、計側機器だけという簡単な構造であり経済的に安価なものである。この地絡故障検出装置８を既存の回路に加えることによ

障を検出することができる。したがって、地絡故障検出装置８を用いれば、これまでは連係線などを必要として高コストであった高抵抗地絡故障の検知を経済的安価に実現することができる。さらに、従来は約０．１ｍＳであった故障の検出速度を、本発明では０．０１ｍＳにまで早めることもできる。

次に本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
ここで、対地間電圧とは変電所出口のき電点と地面との電位差のことをいう。コンデンサ接続点電圧とはコンデンサ接続点１９における電圧をいい、故障時の対地間電圧に振動

本発明の地路故障検出システムは、地絡故障検出装置８と演算処理装置１８からなる。図１は本発明の地絡故障検出装置８をモノレールの安全運転システムに適用した際の説明図である。地絡故障検出装置８は、振動発生用コンデンサ６、検出電圧取出用フィルタ７、フィルタ出力電圧計測用電圧計９からなる。変電所１６内の直流正極母線４から接続ケーブルを介して直流正極き電線２に、直流負極母線５から接続ケーブルを介して直流負極き電線３に接続されている。また、地絡故障検出装置８は直流正極母線４と直流正極き電線２の間に配置される。地絡故障検出装置８は対地に対して振動発生用コンデンサ６が接続

ンデンサ６に並列に接続される。フィルタ出力電圧計測用電圧計９は検出電圧取出用フィ

Ｖは外部の故障判定装置１８へ出力される。演算処理装置１８は図９に示すように最大フ

１８の故障判定手段が第一テーブルを用いて故障が起きたかどうかの故障判定を行う。具

は図５に示すように最大フィルタ出力電圧比と故障距離とを対応付けた第二テーブルをも備え、演算処理装置１８の故障点標定手段が第二テーブルを用いて故障距離を特定する故障点標定を行う。具体的には、演算処理装置１８の電圧比演算手段が地絡故障検出装置８

点標定手段が演算された最大フィルタ出力電圧比を第二テーブルに照合して故障距離を特定する。
次に、コンデンサ接続点１９は直流正極き電線２と接続線１７との交点である。通信手段２０は、あるき電区分内に存在するそれぞれの変電所における各演算処理装置１８を通信ケーブルなどで接続し、各演算処理装置１８内部で故障判定又は故障点標定を行う。本発明では演算処理装置１８自身で故障判定又は故障点標定を行ったが、通信手段２０が図示していない別の装置に各演算処理装置１８で得られたデータを送信し、故障判定及び故障点標定を行わせることもできる。なお、軌道桁１はき電線を支持するための土台である。また、電流が直流正極母線４から接続線１７を介して直流正極き電線２へ伝わり、その後電車を通して、直流負極き電線３から接続線１７を介して直流負極母線５へ伝わる。

振動発生用コンデンサ６は、下記式（１）および（２）により定める容量にすることができる。

これにより、通常の運転に支障を及ぼさず、且つ、微細な故障による異常を見逃すこともなくなる。通常振動発生用コンデンサ６の容量は好ましくは０．０５μＦ、更に好ましくは０．１〜０．０５μＦである。

故障時の対地間電圧に振動を引き起こさせたコンデンサ接続点電圧の電圧降下の振動周波数を取り出す装置として、本発明では検出電圧取出用フィルタ７を使用する。検出電圧取出用フィルタ７は、図３に示すように、ローパスフィルタ（ａ）とハイパスフィルタ（ｂ）を組み合わせたバンドフィルタ（ｃ）で構成され、単純なＲＣ回路で構成することで低コスト性で経済的にも優れたものにできる。抵抗Ｒ、コンデンサＣの値についてはき電系統に現れるインバータ車両からのノイズを取り除くように遮断周波数を考慮して検出電圧取出用フィルタの回路を構成する事が必要である。整流器によるリップルの周波数７２０Ｈｚと高々４ｋＨｚとみられるインバータのノイズ周波数よりも高い周波数にするために振

なる。従って、故障シグナル（６０ｋＨｚ）の検出に不要となる振動をカットする為に、ハイパスフィルタ遮断周波数（Ｆ_ＣＨ）を５８．５ｋＨｚに、ローパスフィルタ遮断周波数（Ｆ_ＣＬ）を６６．５ｋＨｚにした。このローパスフィルタを形成する抵抗（Ｒ_Ｌ）及びハイパスフィルタを形成する抵抗（Ｒ_Ｈ）をそれぞれ１ｋΩとすると、

より、ハイパスフィルタを構成する抵抗成分（Ｃ_Ｈ）を２．７２ｎＦに、ローパスフィルタを構成する抵抗成分（Ｃ_Ｌ）を２．３９ｎＦにすることができる。この結果、図７に示されたとおり、き電電圧のリップル成分が取り除かれ、振動成分だけが振動発生用コンデンサ６を通して得られているのがわかる。こうして故障時の振動成分だけ取り出すことによって、通常の運転で発生するリップルノイズやインバータノイズと区別することができる。例えば、リップルノイズは通常７２０〜１４４０Ｈｚであり、又、インバータノイズは通常〜数ｋＨｚである。このバンドパスフィルタによりこれらに起因するノイズをカットして、故障による信号のみを抽出することが可能となる。なお、誤動作を防ぐため、故障と

５Ｖ、更に好ましくは３Ｖである。以上のようにして、検出電圧取出用フィルタ７はコン

用コンデンサ６の付加により対地間電圧に振動が発生し、この振動するコンデンサ接続点

する。演算処理装置１８の故障判定手段は、検出電圧取出用フィルタ７から出力されたフ

に故障があったと判定する。また、演算処理装置１８の電圧比演算手段が地絡故障検出装

故障点標定手段が演算された最大フィルタ出力電圧比を上記第二テーブルに照合して故障距離を特定する。

次に地絡故障検出装置８の動作状態について説明する。まず直流正極き電線２において碍子の破損や飛来物などにより地絡故障が発生すると、故障点において図２のような電圧降下が引き起こされる。（ａ）は故障点の抵抗がほぼない状態（ｂ）は故障点の抵抗がある状態である。この電圧降下によって振動発生用コンデンサ６と故障点の間に過渡現象が起

フィルタ出力電圧計測用電圧計９によって計測することで故障を検出する。発明者は沖縄モノレールを対象とするき電回路にみたてて、解析し研究を行なった。通常コンデンサの容量としては０．０５〜０．１μＦが使用される。振動発生用コンデンサ６の値を０．０５μＦに選定し、シミュレーションを行った結果を図６、図７に示す。図６は比較の為に振動発生用コンデンサ６を付加しない場合の結果である。急峻な電圧変化が起こっているが信号の振動が少なくノイズとの判別ができない。図７は本発明の一実施態様を示すものである。故障はＡ変電所とＢ変電所の間で起こることを想定している。１０はＡ変電所の

用コンデンサ６を用いることにより、図７の波形１２に先ほどの電圧降下に対して十分な

はこの故障時の振動波形のみを振動発生用コンデンサ６を用いて取り出す。図１１にフィ

Ｖｍａｘと故障点における抵抗値である故障抵抗との関係を示す。最大フィルタ出力電圧

ｘは、故障距離が大きくなるにつれて小さくなることが分かる。さらに、図１０に、故障

依存しないことが分かる。したがって、故障抵抗と故障距離に依存している最大フィルタ

で、検出した変電所の近隣に故障点があると判断することができる。さらに、最大フィル

点標定をすることができる。

を検知すれば、その変電所間に故障点があると判断することもできる。図４に示すように、隣り合う二つの変電所間の距離（５．７９２ｋｍ）の中間（２．８９６ｋｍ）に故障点が

比である最大フィルタ出力電圧比は１に近くなる。ここで、最大フィルタ出力電圧比と故障距離との関係を予め対応付けた第二テーブルを利用すれば、検出した最大フィルタ出力電圧比から故障距離を求めて故障点標定をすることができる。測定点を２カ所にすることで、複数の情報からより精確に故障点標定をすることができる。また、測定点を３か所以上にすれば、さらに精確に故障点標定をすることができる。

またモノレールの実施形態を例にしたが一般的なレールが地面に接している直流電気鉄道のき電回路も変電所の構成やシステムは同様であり、本発明の地絡故障検出装置８は適用可能である。この方式をモノレールではなく、一般的なレールが地面に接している電気鉄道き電回路に導入する際には振動発生用コンデンサ６を対地間ではなく図１２のように正き電線２と負き電線３の間に入れることで図１３に示すような、レールが地面から浮いているき電回路のときと同様な効果を得ることができる。故障がＣ変電所とＤ変電所の間

を４２．９ｋＨｚに、ローパスフィルタ遮断周波数（Ｆ_ＣＬ）を４３．６ｋＨｚに、このローパスフィルタを形成する抵抗（Ｒ_Ｌ）及びハイパスフィルタを形成する抵抗（Ｒ_Ｈ）をそれぞれ１ｋΩとすると、

より、ハイパスフィルタを構成する抵抗成分（Ｃ_Ｈ）を３．７１ｎＦに、ローパスフィルタを構成する抵抗成分（Ｃ_Ｌ）を３．６５ｎＦにすることができる。この結果、図７に示されたとおり、き電電圧のリップル部が取り除かれ、振動部分だけが振動発生用コンデンサ６を通して得ることができる。

本発明の実施例の構成を表す図である。故障点における電圧降下を表す図である。振動発生用コンデンサ６の構成を表す図である。

故障距離と最大フィルタ出力電圧比と故障抵抗との関係を表す図である。振動発生用コンデンサ６を付加しない際の対地間電圧を表す図である。

レールが地面に接している際の変形例の概念を表す図である

検出信号の流れを表す図である。

１軌道桁
２直流正極き電線
３直流負極き電線
４直流正極母線
５直流負極母線
６振動発生用コンデンサ
７検出電圧取出用フィルタ
８地絡故障検出装置
９フィルタ出力電圧計測用電圧計

１２振動発生用コンデンサ接続点電圧

１６変電所
１７接続線
１８演算処理装置
１９コンデンサ接続点
２０通信手段

Claims

直流電気鉄道き電回路において地絡故障検出装置８と演算処理装置１８からなる地絡故障検出システムであって、
前記地絡故障検出装置８は対地間電圧に振動を起こさせてコンデンサ接続点電圧とする振動発生用コンデンサ６と、前記コンデンサ接続点電圧の振動成分を抽出してフィルタ出

に基づいて故障があったと判定する故障判定手段を備えることを特徴とする地絡故障検出システム。
請求項１に記載の地絡故障検出システムであって、前記故障判定手段は前記フィルタ出

故障があったと判定することを特徴とする地絡故障検出システム。
請求項１又は２に記載の地絡故障検出システムであって、前記演算処理装置１８は最大

ａｘを前記第一テーブルに照合して故障距離を特定することを特徴とする地絡故障検出システム。
請求項３に記載の地絡故障検出システムであって、前記演算処理装置１８は、少なくとも２か所の変電所における最大フィルタ出力電圧比と故障距離とを対応付けた第二テーブ

て演算した最大フィルタ出力電圧比を前記第二テーブルに照合して故障距離を特定することを特徴とする地絡故障検出システム。
請求項１乃至４のいずれかの地絡故障検出システムを有する、モノレールの安全運転システム。
請求項１乃至４のいずれかの地絡故障検出システムを有する、レールが地面に接している電車の安全運転システム。