JP2012020691A

JP2012020691A - 電気車両

Info

Publication number: JP2012020691A
Application number: JP2010160961A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kanda; 正彦神田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: JP5701527B2

Abstract

【課題】車両に搭載する機器配置を制限することなく、架線からの電力を集電し、降圧することのできる電気車両を提供すること目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、実施形態は、架線１からの電流を集電するパンタグラフ３が天井部外側に取り付けられた車体４と、車体４の天井部外側に設置され、傾斜面１１ａ、１１ｂを有する屋根１１を有している。傾斜面１１ａ、１１ｂに設置されるケーブルヘッド５ａ、５ｂは、車体４内部の機器１５，１６と近傍して設置される。また架線１からパンタグラフ３を介して収集した電力を、機器１５．１６に送電するため、ケーブルヘッド５ａ、５ｂと接続する特高ケーブル６ａ、６ｂとを備えている電気車両。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電気車両に関する。

従来の電気機関車は、20kV、あるいは25kVなどの特別高圧の交流電力を鉄道車両の電力として用いる場合、車両に搭載した変圧器によって、屋上に配置したパンタグラフなどの集電装置で受電した特別高圧を、1500V程度の扱いやすい電圧に降圧する。上記の変圧器と集電装置との間には回路の開閉と事故時の遮断の機能を兼ねた遮断器を設けている。車両の走行用などに用いるための、容量、外形、重量などが小型でない変圧器を、通常、パンタグラフが配置されている車両の車内か床下に配置している。

パンタグラフから遮断器を介して変圧器に至るまでの電線路は、特別高圧に耐えられる充分な絶縁をもった碍子などと銅管などによる露出した導体といった構成か、充分な絶縁をもった、一般に特高ケーブルと呼ばれるケーブルと、ケーブル端末用のケーブルヘッドを用いた構成、あるいはこれらを併用した構成が一般的である。

特開平５-１６７９９号公報

従来の電気機関車においては、車体の屋根を特別高圧が貫通できるように導体を碍管の中に貫通させ、両端に導体接続用の端子を設けた構造であるから、貫通碍子の屋上側だけでなく、車内側も導体の端部と車内側の導体接続用の端子が露出している。端子が露出しているため、特別高圧に対して充分な空間絶縁距離を確保する必要がある。その絶縁距離は、直流に比べ交流の場合に非常に大きく、また、絶縁板などで改善できるものではないため、車両の機器配置を大きく左右している。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために発明されたのもので、車両に搭載する機器配置を制限することなく、架線からの電力を集電し、降圧することのできる電気車両を提供すること目的とする。

上記目的を達成するために、架線からの電流を集電するパンタグラフが天井部外側に取り付けられた車体と、前記車体の前記天井部外側に設置され、傾斜面を有する屋根と、前記傾斜面に設置されるケーブルヘッドと、前記車体内部に、前記ケーブルヘッドに近傍に設置される機器と、前記架線から前記パンタグラフを介して収集した電力を、前記機器に送電するため、前記ケーブルヘッドと接続する特高ケーブルとを備えている電気車両。

第１の実施形態の電気車両の外観図。第1の実施形態の電気車両の第１断面図。第1の実施形態の電気車両の電気的接続図。第1の実施形態の電気車両の第2断面図。従来の貫通碍子が必要とする空間絶縁距離を示す図。第2の実施形態の電気車両の外観図。第2の実施形態の電気車両の電気的接続図。第3の実施形態の電気車両のケーブルヘッドと取付け屋根の関係図。従来の貫通碍子の車両に対する取付け図。

以下に、実施形態の電気車両ついて図を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１から図４を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の電気車両の外観図である。図２は、第1の実施形態の電気車両の第１断面図である。図３は、第1の実施形態の電気車両の電気的接続図である。図４は、第1の実施形態の電気車両の第2断面図である。図５は、従来の貫通碍子が必要とする空間絶縁距離を示す図である。

（構成）
本実施形態の構成について説明する。図１は、車両の外観図である。図１は、架線１、パンタグラフ３、車体４、第１ケーブルヘッド５ａ、第２ケーブルヘッド５ｂ、屋根１１で構成される。図２は、図１の車体４の断面図である。車両限界２、車体４、第１ケーブルヘッド５ａ、第２ケーブルヘッド５ｂ、第１特高ケーブル６a、第２特高ケーブル６ｂ、屋根１１、第１斜面１１ａ、第２斜面１１ｂ、車体台枠１２、特高機器枠１３、変圧器１４、第１の特高機器１６、第２の特高機器１５で構成される。

図１示すように、架線１はパンタグラフ３と接続され、パンタグラフ３は、車体４の天井部に設置される屋根１１に取り付けられた第２ケーブルヘッド５ｂ及び、第１ケーブルヘッドと接続される。また第２ケーブルヘッド５ｂ、第１ケーブルヘッド５ａは車体４の内部機器へと接続される。本実施形態のケーブルヘッド５は導線の外周に絶縁を施した特高ケーブル６が接続されたものである。

図２を用いてより詳細に説明する。車体４の天井部には第１傾斜面１１aと第２傾斜面１１ｂを有する屋根１１が設置され、底面部には車体台枠１２が設置されている。第１ケーブルヘッド５ａと第１特高ケーブル６ａは接続され、傾斜を持った第１傾斜面１１ａにおいて垂直に取り付けられている。第２ケーブルヘッド５ｂと第２特高ケーブル６ｂは接続され、傾斜を持った第2傾斜面１１ｂにおいて垂直に取り付けられている。また、屋根１１と車体台車枠１２の間には特高機器枠１３が設置されている。特高機器枠１３内では、第１ケーブルヘッド５ａの直下に第１の特高機器１６が配置され、第２ケーブルヘッド５ｂの直下には第２の特高機器１５が配置される。また第１の特高機器１６と第２の特高機器１５の下部には、変圧器１４が配置される。

次に本実施形態の電気的接続について説明する。図３は、第１パンタグラフ３ａ、第２パンタグラフ３ｂ、第１断路器３１ａ、第２断路器３１ｂ、主遮断器３２、変圧器１４で構成される。第１パンタグラフ３ａは、第１断路器３１ａと接続される。第２パンタグラフ３ｂは、第２断路器３１ｂと接続される。第１断路器３１ａと第２断路器３１ｂは接続され、第１断路器３１ａと第２断路器３１ｂの間に主遮断器３２は接続される。主遮断器３２は、アレスタ３３を介して変圧器１４と接続される。また、例えば、アレスタ３３が、図２の第１特高機器１５であり、また主遮断機３２が、図２の第２特高機器１６であり、主遮断器３２は、図２の第１特高機器１５及び第２特高機器１６の奥に設置されているとする。

架線1を通ってくる電力は、パンタグラフ３（３ａ、３ｂ）によって集電され、第１ケーブルヘッド５ａ及び第２ケーブルヘッド５ｂに供給される。電力は、第１ケーブルヘッド５ａから第１特高ケーブル６aを通り、第１断路器３１ａ（第１の特高機器１６）及び主遮断器３２を介して、変圧器１４によって降圧され、車両に搭載されている他機器へ供給される。また、第２ケーブルヘッド５ｂから第２特高ケーブル６ｂを通る電力は、第２断路器３１ｂ（第２の特高機器１５）、および主遮断器３２を介して変圧器１４によって降圧され、車両に搭載されている他機器へ供給される。

図3では、パンタグラフ３が2台、断路器３１が2台、主遮断器３２が１台、変圧器１４が１台として示されているが、主遮断器３２と変圧器１４の個数はこれに限られず、また、パンタグラフ３と変圧器１４が搭載される車両が共通でない場合も、本実施形態の効果を実施することが可能である。また、パンタグラフ3を切り離す必要がなければ、断路器３１も取外しが可能である。

（作用効果）
このような構成の本実施形態は、ケーブルヘッド５は、車内側の絶縁空間を確保する必要がないため、車両限界２から制約を受ける車体４または屋根１１の高さ考慮しながら、自由に傾斜させて配置することが可能である。そのため、屋上側で電圧や環境で決定される空間絶縁距離を確保するとともに、車内側は一切の絶縁距離を確保する必要がないので、特別高圧用の機器の配置上、最も効率よくスペースを活用することが可能である。

例えば、従来の特許第２７８０５２０は、車両の高さ方向の改善のためになされたものであるが、空間絶縁距離自体は、半径200mmから300m程度の、導体端部を中心としたほぼ球体と考えることができ、特別高圧に対して充分な安全性を確保するためには、この絶縁空間を確保する必要がある。図５に示すように、仮に貫通碍子が斜めであっても、さらに水平まで傾斜させたとしても、貫通碍子を用いる以上、車両の内部の特別高圧エリアにおいて、この球体よりも筐体との距離や機器間の距離を小さくすることはできない。

屋上側についても同様であり、たとえば、300mmの空間絶縁距離を確保する必要がある場合で、碍子の車体屋根への取付面から碍子先端までの長さが420mm（３００×√２）である場合、垂直に直立している状態から４５度までは、碍子を傾けることで、車両限界で高さを制限されている中での車体、あるいは屋根の高さを高くすることができる効果が得られるが、さらに４５度以上傾けても、碍子先端の屋根上面からの高さを300ｍｍよりも短縮することはできないので、車体、屋根の高さ方向の改善の効果はない。

さらに、貫通碍子の屋根側の長さ、車内側の長さと電車線電圧と、塩害や汚損条件などの環境条件などから、貫通碍子を傾斜させた場合の最適値（空間絶縁距離の最小値）はひとつだけ決まるものであるが、その傾斜角での使用で問題ない製品であることを確認できなければ実際の車両に不安なく採用することができず、碍子の設計条件とは異なる使用条件で使うためには、充分な試験・検証が必要となってしまい、コスト、工程の面で大きな制約であった。

以上より本実施形態の効果として、車両に搭載する機器配置を制限することなく、架線からの電力を集電し、降圧することのできる電気車両を提供することができる。

また、図４は、図２の特高機器枠１３を設けず、第１の特高機器１６及び第２の特高機器１５とは異なる他機器を車体４に配置した例である。図３に示すように、本実施形態の構成によれば、特高機器枠１３のような、特別な高圧なエリアに限らず、通常の点検通路の上や、機器の上部に第２ヘッドケーブル５ｂ及び第２特高ケーブル６ｂを用いて、配置することも可能である。

また、これまでの各実施形態において、20kVや25kVなどの特別高圧であって電圧が高く、その効果が大きい交流車両を対象に説明したが、1500Vなどの直流車両であっても、同様に構成可能であることはもちろんである。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図６は、第2の実施形態の電気車両の第１回路図である。図７は、第2の実施形態の電気車両の第２回路図である。図８は、第2の実施形態の電気車両の第３回路図である。尚、図１乃至５と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

（構成）
図６は、パンタグラフとパンタグラフの間を特高ケーブルで接続した外観図である。

図６は、架線１、パンタグラフ３、車体４、第１ケーブルヘッド５ａ、第２ケーブルヘッド５ｂ、第３ケーブルヘッド５ｃ、第４ケーブルヘッド５ｄ、第３特高ケーブル６ｃ、第１取外し用屋根１８ａ、第２取外し用屋根１８ｂ、第１渡り導体１９ａで構成される。

架線１とパンタグラフ３は接続され、パンタグラフ３と第２ケーブルヘッド５ｂは接続される。また、第２ケーブルヘッド５ｂは車体４内の機器と接続される。パンタグラフ３とは別のパンタグラフと第４ケーブルヘッド５ｄは接続される。第４ケーブルヘッド５ｄと第３ケーブルヘッド５ｃは、第３特高ケーブル６ｃで接続される。第３特高ケーブル６ｃは、車体４から取り外しが可能な取り外し屋根１８ｂの内部に配線されている。第３ケーブルヘッド５ｃは、渡り導体１９を介して第１ケーブルヘッド５ａと接続される。第１ケーブルヘッド５ａは、車体４内に搭載される他機器へと接続される。

図７は、第１パンタグラフ３ａ、第２パンタグラフ３ｂ、第１ケーブルヘッド、５ａ、第２ケーブルヘッド５ｂ、第３ケーブルヘッド５ｃ、第４ケーブルヘッド５ｄ、第１特高ケーブル６ａ、第２特高ケーブル６ｂ、第３特高ケーブル６ｃ、第５ケーブルヘッド８ａ、第６ケーブルヘッド８ｂ、主遮断器３２、変圧器１４で構成される。

架線１を通ってくる電力は、第１パンタグラフ３ａと第１パンタグラフ３aとは別の車両に搭載されている第２パンタグラフ３ｂによって集電される。第１パンタグラフ３ａから集電された電力は、第２ケーブルヘッド５ｂへと供給され、車両内に設置されている第２ケーブルヘッド６ｂと第６ケーブルヘッド８ｂを通り、通常投入されている第１断路器３１及び主遮断器３２を介して、変圧器１４で降圧される。降圧された電力は車両内で電力を必要とする他機器の電源として供給される。

また、第２パンタグラフ３ｂから集電された電力は、第４ケーブルヘッド５ｄから、取外し屋根１８ｂ内に配線されている第３特高ケーブル６ｃ、第３ケーブルヘッド５ｃ、第１ケーブルヘッド５ａを通り、車体４内に設置されている第１特高ケーブル、第５ケーブルヘッドを通り、通常は投入状態にある第２断路器３１ｂ及び主遮断器３２を介して変圧器１４で降圧される。降圧された電力は、車両内に搭載されている電源を必要とする他機器へと供給される。

（作用効果）
従来では、紫外線により特高ケーブルが劣化するため特高ケーブルを交換する必要があり、点検・補修等の保守メンテナンスの労力が大きかった。本実施形態の構成の電気車両は、車両に搭載する機器配置を制限することなく、さらに、車両の屋根の中に特高ケーブルを通すことにより紫外線等により特高ケーブルが劣化することを防止することが可能となる。

また、車内に大形の機器を配置している車両の場合、屋根が取外し式になっているのが一般的であるが、図６のように屋根の分割位置を挟んでケーブルヘッドを配置させることにより、いずれの屋根も単独に、隣接した屋根の影響を受けず屋根の取り外しや機器の取り出しなどを行うことが可能である。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図８は、第3の実施形態の電気車両のケーブルヘッドと取付け屋根の関係図。尚、図１乃至７と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

（構成）
本実施形態の構成について説明する。図８は、ひとつの例として第３ケーブルヘッドを取り上げ、第３ケーブルヘッド５ｃ、第３特高ケーブル６ｃ、取外し屋根
１８ｂ、防水シール部品２４、取付板２５で構成する。

第３特高ケーブルが繋がったＬ型の第３ケーブルヘッド５ｃと、第３ケーブルヘッド５ｃのフランジよりもひと回り大きい貫通穴と塞ぎ板を兼ねた取付板２５は一体化されている。また取付け版２５の外周には、パッキンやOリングなどの防水シール部品２４防水が取り付けられている。取付け版２５は屋根１８ｂにボトル等で固定される。

（作用効果）
例えば、図９に示すように、従来は、取外し屋根４４の外側に電線管４２が電線管押さえ４３によって固定され、設置される。ケーブルヘッド５ｃ及びケーブルヘッド５ｄの特高ケーブル６ｃは、ゴムホース４１ｃ、４１ｄ内を通って、電線管４２内に配置される。このような構成では、両端にケーブルヘッド５がついたまま、特高ケーブル６を交換するためには、電線管を車体４から取外し、特高ケーブル６をケーブルヘッド５から抜き、新しい特高ケーブル６を取り付けた後、電線管を車体４に設置する、という車体上部で行う作業が必要であった。そのため、メンテナンス時の負荷が大きかった。

本実施形態で示す構成においては、屋根１８ｂに対して、一体化された第３ケーブルヘッド５ｃ及び取外し板２５を車両の内側より貫通穴に差し込むことで設置が可能であり、また車両内部で容易にケーブルヘッド５から特高ケーブル６を抜くことができる。そのため、保守メンテナンス等の作業簡易化の向上する。また、塵埃による絶縁破壊の恐れがない作業環境下において、構造、ならびに電気検査まで含めて実施できるので、車両の信頼性の向上に寄与することができる。

１架線
２車両限界
３パンタグラフ
４車体
５ケーブルヘッド
５ａ第１ケーブルヘッド
５ｂ第２ケーブルヘッド
５ｃ第３ケーブルヘッド
５ｄ第４ケーブルヘッド
６特高ケーブル
６ａ第１特高ケーブル
６ｂ第２特高ケーブル
６ｃ第３特高ケーブル
８ａ第５ケーブルヘッド
８ｂ第６ケーブルヘッド
７電線管
１１屋根
１１ａ第１傾斜面
１１ｂ第２傾斜面
１２車体台枠
１３特高機器枠
１４変圧器
１５第１の特高機器
１６第２の特高機器
１７制御装置
１８取外し屋根
１８ａ取外し屋根
１８ｂ取外し屋根
１９渡り導体
２４防水シール部品
２５取付板
３２主遮断機
３３アレスタ

Claims

架線からの電流を集電するパンタグラフが天井部外側に取り付けられた車体と、
前記車体の前記天井部外側に設置され、傾斜面を有する屋根と、
前記傾斜面に設置されるケーブルヘッドと、
前記車体内部に、前記ケーブルヘッドに近傍に設置される機器と、
前記架線から前記パンタグラフを介して収集した電力を、前記機器に送電するため、前記ケーブルヘッドと接続する特高ケーブルと、
を有する電気車両。
前記天井部には車両内の機器の取り下ろしのためなどに用いる取外し屋根があり、
ケーブルヘッドは、双方の向かい合った前記取外し屋根の斜面に取付けられており、前記ケーブルヘッドの先端は、他方の取外し屋根の上には、かからないことを特徴とした請求項１記載の電気車両。
前記ケーブルヘッドは、Ｌ字型を形成しており、外周部に防水材料を有する取付け判が設けられている。