JP2016107707A

JP2016107707A - 交流き電システム

Info

Publication number: JP2016107707A
Application number: JP2014245013A
Authority: JP
Inventors: 秀夫渡邉; Hideo Watanabe; 吉晴小川; Yoshiharu Ogawa
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-20
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: WO2016088710A1; JP6011602B2

Abstract

【課題】ほぼ同位相で電圧差の生じる電源が突き合わされたき電区分所において、瞬時停電を伴うことなく電源を供給する。
【解決手段】三相‐単相変換変圧器から入力された電圧を降圧する第１第２絶縁トランスＡＴ１、ＡＴ２と、当該降圧された電圧を昇圧する昇圧変圧器ＴＲと、第１第２絶縁トランスＡＴ１、ＡＴ２と昇圧変圧器ＴＲとの間に介挿された第１、第２開閉器Ｓ１、Ｓ２を設ける。電気車１の全てのパンタグラフが入口側エアセクションＤ１を通過するまでは第１開閉器Ｓ１をＯＮ、第２開閉器Ｓ２をＯＦＦとし、電気車１の全てのパンタグラフが入口側エアセクションＤ１通過後第１開閉器Ｓ１をＯＮとしたまま第２開閉器Ｓ２をＯＮとし、その後、第１開閉器Ｓ１をＯＦＦとする。電気車１の全てのパンタグラフが出口側エアセクションＤ２通過後、第２開閉器Ｓ２をＯＦＦし、第１開閉器Ｓ１をＯＮとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、交流き電システムに係り、特に、電気車がほぼ同位相の異電源区間を通過するための電源切替システムに関する。

新幹線などの交流電気車は単相であるため、電力会社から交流電源を三相で受電して三相−単相変換器を利用して交流電気車にき電している。この三相−単相変換器としては、二次側に２つの単相電源（Ｍ座とＴ座）を得るスコットトランスや、二次側に２つの単相電源（Ａ座とＢ座）を得るウッドブリッジトランス等がある。

このため、車両は位相の異なる電源を跨いで走行することとなり、異相短絡を防止するために変電所直下には異電源突き合わせのセクションが設けられている。在来線ではこの異電源突き合わせ箇所にデッドセクションを設け、新幹線では、切替セクションとして中セクションを設けて電源を切り替える方式をとっている。

また、き電区分所においては、ほぼ同位相の電源が突き合わされているが、車両の在線状況によって電圧差がある事や、少しの位相の違いがあるため常時区分しておく必要があり、変電所と同様切り替える方式を取っている。

なお、特許文献１には、中セクションにおいて瞬時停電を起こすことなく電源の位相切替を行うために、タップ切替変圧器を設けたものが記載されている。

特願２０１４−１３１０７９号

しかしながら、特許文献１は位相が９０°異なる変電所への適用を主体としているため、特許文献１の設備をほぼ同位相の電源が突き合わされているき電区分所に適用するには、主回路の切替と制御の切り替えが必要となり、設備的にもコスト的にも負担が大きくなる。

以上示したようなことから、ほぼ同位相で電圧差の生じる電源が突き合わされたき電区分所の中セクションにおいて、コストを低減すると共に、瞬時停電を伴うことなく電源を供給することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、第１三相−単相変換変圧器と第２三相−単相変換変圧器から出力されたほぼ同位相の電源の突き合わせ箇所に、両端に入口側エアセクションと出口側エアセクションを有するき電区分所の中セクションが設けられた交流き電システムであって、前記き電区分所の中セクションは、前記第１三相−単相変換変圧器から出力された電圧を降圧する第１絶縁トランスと、前記第１絶縁トランスと並列接続され、前記第２三相−単相変換変圧器から出力された電圧を降圧する第２絶縁トランスと、前記第１絶縁トランスと前記第２絶縁トランスで降圧された電圧を昇圧して中セクションに出力する昇圧変圧器と、前記第１絶縁トランスの二次巻線と前記昇圧変圧器の一次巻線との間に介挿された第１開閉器と、前記第２絶縁トランスの二次巻線と前記昇圧変圧器の一次巻線との間に介挿された第２開閉器と、前記第１絶縁トランスの二次巻線と前記第１開閉器との間に介挿された第１リアクトルと、前記第２絶縁トランスの二次巻線と前記第２開閉器との間に介挿された第２リアクトルと、を備え、電気車の全てのパンタグラフが前記入口側エアセクションを通過するまでは、前記第１開閉器をＯＮ，前記第２開閉器をＯＦＦとし、電気車の全てのパンタグラフが前記入口側エアセクションに通過後、前記第１開閉器をＯＮとしたまま前記第２開閉器をＯＮとし、その後、前記第１開閉器をＯＦＦとし、電気車の全てのパンタグラフが前記出口側エアセクション通過後、前記第２開閉器をＯＦＦし、前記第１開閉器をＯＮとすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１開閉器，第２開閉器はサイリスタスイッチであることを特徴とする。

本発明によれば、ほぼ同位相で電圧差の生じるき電区分所の中セクションにおいて、コストを低減すると共に、瞬時停電を伴うことなく電源を供給することが可能となる。

実施形態における交流き電システムを示す概略図。実施形態における三相−単相変換変圧器を示す概略図。実施形態におけるき電区分所の中セクションを示す概略図。

本願発明は、ほぼ同位相の電源が突き合わされたき電区分所の中セクションにおいて、瞬時停電を伴うことなく電源を供給する新たな交流き電システムを提案するものである。

以下、本発明に係る交流き電システムの実施形態を図１〜３に基づいて詳述する。

［実施形態］
図１は、本実施形態における交流き電システムを示す概略図である。図１に示すように、本実施形態における交流き電システムは、第１，第２三相−単相変換変圧器２ａ，２ｂと、第１，第２三相−単相変換変圧器２ａ，２ｂの異相の電圧が突き合わされた変電所の中セクション４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと第１，第２三相−単相変換変圧器２ａ，２ｂのほぼ同相の電圧が突き合わされたき電区分所の中セクション４ｅ，４ｆと、第１，第２三相−単相変換変圧器２ａ，２ｂと各中セクション４ａ〜４ｆとの間に設けられた遮断機３ａ〜３ｈを有する。

図２は、本実施形態における第１，第２三相−単相変換変圧器２ａ，２ｂを示す概略図である。図２では、第１，第２三相−単相変換変圧器２ａ，２ｂの一例としてスコット変圧器を示している。図２に示すように、スコット変圧器２ａの二次側にはＭ座とＴ座があり、このＭ座とＴ座は位相が９０°異なる。この二次側のＭ座，Ｔ座からはトロリ線Ｔ，フィーダ線Ｆがそれぞれ引き出されている。

図１に示すように、変電所の中セクション４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、Ｔ座のトロリ線Ｔと、Ｍ座のトロリ線Ｔが突き合わされている。位相の異なるＴ座とＭ座の電源が突き合わされた中セクションは本願発明と直接関係ないため、ここでの説明は省略する。

き電区分所における中セクション４ｅ，４ｆは、第１三相−単相変換変圧器２ａのＴ座と第２三相−単相変換変圧器２ｂのＴ座のほぼ同位相の電圧が突き合わされている。

図３は、Ｔ座とＴ座の電源が突き合わされたき電区分所の中セクションを示す概略説明図である。なお、図３ではＴ座とＴ座の電源が突き合わされたき電区分所を示しているが、Ｍ座とＭ座の電源が突き合わされたき電区分所も同様である。

図３に示すように、き電区分所の中セクション４ｅ，４ｆにおいて、第１三相−単相変換変圧器２ａの二次巻線から引き出されたＴ座のトロリ線Ｔ，フィーダ線Ｆの末端には、第１絶縁トランスＡＴ１の１次巻線が接続される。また、第２三相−単相変換変圧器２ｂの二次巻線から引き出されたＴ座のトロリ線Ｔ，フィーダ線Ｆの末端には、第２絶縁トランスＡＴ２の１次巻線が接続される。第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２には、それぞれ二次巻線が設けられ、この第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２により、例えば、３００００Ｖ程度の電圧から６０００Ｖ程度の電圧に降圧される。

第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２の二次巻線の一端にはそれぞれリアクトルＬ１，Ｌ２を接続する。このリアクトルＬ１，Ｌ２の他端にはそれぞれ第１，第２開閉器（本実施形態では、サイリスタスイッチ：以下、サイリスタスイッチと称する）Ｓ１，Ｓ２の一端を接続し、この第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の他端同士を接続する。また、第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２の二次巻線の他端同士を接続する。

第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の共通接続点には昇圧変圧器ＴＲ（例えばオートトランス）の一次巻線の一端が接続され、第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２の他端同士の共通接続点には昇圧変圧器ＴＲの一次巻線の他端が接続される。

昇圧変圧器ＴＲの二次巻線における一端はトロリ線Ｔに接続され、昇圧変圧器ＴＲの二次巻線における他端はレール線Ｒに接続される。この昇圧変圧器ＴＲにより、例えば、６０００Ｖ程度の電圧が３００００Ｖ程度に昇圧される。トロリ線Ｔにおける中セクション（一般的には１０００ｍ程度）の両端には第１，第２エアセクションＤ１，Ｄ２（一般的には５０ｍ程度）が設けられる。

図３の左側のＴ座と右側のＴ座は基本的にはほぼ位相が合っているが、電気車１の在線状況によっては電圧差（２０００Ｖ〜３０００Ｖ程度）が生じている。

そのため、従来の交流き電システムの場合、この間を電気車１が力行のまま通過すると、パンタグラフで両座間の短絡が起こることによりアークが発生する。この状況が繰り返すことは、交流き電システムとして許容できないため、き電区分所の中セクションをパンタグラフが通過する時には同位相，同電圧とすることが必要となる。

本実施形態の交流き電システムにおける第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の動作を説明する。なお、本実施形態では、電気車１が中セクションに進入，通過したことを検出する手段（例えば、軌道回路等）があるものとする。

まず、電気車１が中セクションに進入するまでは、第１サイリスタスイッチＳ１をＯＮ、第２サイリスタスイッチＳ２をＯＦＦとする。

電気車１の全てのパンタグラフが第１エアセクションＤ１を通過したら、第１サイリスタスイッチＳ１をＯＮとしたまま、第２サイリスタスイッチＳ２をＯＮとする。その後、第１サイリスタスイッチＳ１をＯＦＦにする。すなわち、第１，第２サイリスタスイッチＳ１とＳ２の両方がＯＮとなる時間がある。ここで、第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の両方がＯＮとなっている時間は、瞬時停電を回避でき、かつ、矯落電流が流れる時間を考慮してできるだけ短い時間が好ましい。本実施形態では、第２サイリスタスイッチＳ２をＯＮにしてから第１サイリスタスイッチＳ１をＯＦＦにするまでの時間（すなわち、サイリスタスイッチＳ１とＳ２が両方ＯＮとなっている時間）を数ｍｓ〜数十ｍｓとしている。

その後、電気車１が第２エアセクションＤ２を通過後、第２サイリスタスイッチＳ２をＯＦＦ、第１サイリスタスイッチＳ１をＯＮし、次の電気車１が中セクションに進入するまで待機する。

以上示したように、本実施形態における交流き電システムによれば、中セクションに電気車１が入りきった状態において第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２を瞬時的に両方ＯＮにすることにより、中セクション通過時における電気車１の瞬時停電を抑制することが可能となる。また、中セクション通過時における電気車１の瞬時停電を抑制することにより、車両の中セクション通過時の瞬時停電対策システムが不要となる。

また、第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２を瞬時的に両方ＯＮ状態にすることにより、電気車１のパンタグラフは位相差，電圧差のない状態での中セクション通過が可能となる。そのため、中セクション通過時の加速度変化が無くなり乗り心地が向上する。また、乗り心地の向上対策が不要となる。

また、第１絶縁トランスＡＴ１に入力される電圧と第２絶縁トランスＡＴ２に入力される電圧に位相差がある場合や電圧差が大きい場合には、第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２を瞬時的にＯＮ状態にすることにより、大きな矯絡電流が生じる恐れがある。本実施形態では、第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２と第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２の二次巻線との間にそれぞれ第１，第２リアクトルＬ１，Ｌ２を設けているため、第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２を瞬時的に両方ＯＮ状態にすることにより生じる矯絡電流を抑制することが可能となる。

また、第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２により、一次巻線側と二次巻線側とを絶縁しているため、第１三相−単相変換変圧器２ａと第２三相−単相変換変圧器２ｂ間に流れる循環電流を防止することが可能となる。

さらに、第１，第２絶縁トランスＡＴ１，ＡＴ２により降圧しているため、第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の耐圧を低く（第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の直列数を低減）することができる。

また、第１，第２リアクトルＬ１，Ｌ２により第１，第２サイリスタスイッチＳ１，Ｓ２の開閉による過大な突入電流が抑制されるため、車載機器を始め突入電流対策機器が不要となる。また、突入電流が抑制されるため、き電保護システムの簡素化が可能となる
第１，第２開閉器Ｓ１，Ｓ２にＶＣＢ等を用いた切替遮断機を適用することも可能であるが、列車の本数が多い東海道新幹線等では１．５年から２年での第１，第２開閉器Ｓ１，Ｓ２の交換が必要となり、コストアップの要因となる。列車本数の多い路線においては本実施形態のように、第１，第２開閉器Ｓ１，Ｓ２としてサイリスタスイッチＳ１，Ｓ２を適用することで、交換頻度が減少し、コストダウンを図ることが可能となる。

また、切替遮断器方式における極間単絡事故が無くなり、システムの信頼性が向上する。

また、特許文献１のように、タップ切替変圧器を用いた位相変換装置と比較して、コストを低減することが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、図２では、スコット変圧器を示したが、その他の三相−単相変換器であってもよい。

１…電気車
２ａ，２ｂ…三相−単相変換変圧器（スコット変圧器）
３ａ〜３ｈ…遮断機
４ａ〜４ｄ…変電所の中セクション
４ｅ，４ｆ…き電区分所
ＡＴ１，ＡＴ２…第１，第２絶縁トランス（オートトランス）
Ｌ１，Ｌ２…第１，第２リアクトル
Ｓ１，Ｓ２…第１，第２開閉器（サイリスタスイッチ）
ＴＲ…昇圧変圧器
Ｄ１，Ｄ２…第１，第２エアセクション

Claims

第１三相−単相変換変圧器と第２三相−単相変換変圧器から出力されたほぼ同位相の電源の突き合わせ箇所に、両端に入口側エアセクションと出口側エアセクションを有するき電区分所の中セクションが設けられた交流き電システムであって、
前記き電区分所の中セクションは、
前記第１三相−単相変換変圧器から出力された電圧を降圧する第１絶縁トランスと、
前記第１絶縁トランスと並列接続され、前記第２三相−単相変換変圧器から出力された電圧を降圧する第２絶縁トランスと、
前記第１絶縁トランスと前記第２絶縁トランスで降圧された電圧を昇圧して中セクションに出力する昇圧変圧器と、
前記第１絶縁トランスの二次巻線と前記昇圧変圧器の一次巻線との間に介挿された第１開閉器と、
前記第２絶縁トランスの二次巻線と前記昇圧変圧器の一次巻線との間に介挿された第２開閉器と、
前記第１絶縁トランスの二次巻線と前記第１開閉器との間に介挿された第１リアクトルと、
前記第２絶縁トランスの二次巻線と前記第２開閉器との間に介挿された第２リアクトルと、
を備え、
電気車の全てのパンタグラフが前記入口側エアセクションを通過するまでは、前記第１開閉器をＯＮ，前記第２開閉器をＯＦＦとし、
電気車の全てのパンタグラフが前記入口側エアセクションに通過後、前記第１開閉器をＯＮとしたまま前記第２開閉器をＯＮとし、その後、前記第１開閉器をＯＦＦとし、
電気車の全てのパンタグラフが前記出口側エアセクション通過後、前記第２開閉器をＯＦＦし、前記第１開閉器をＯＮとすることを特徴とする交流き電システム。
前記第１開閉器，第２開閉器はサイリスタスイッチであることを特徴とする請求項１記載の交流き電システム。