JP2017228454A - 列車無線システム用同軸避雷器、及びそれを備えた列車無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】列車無線システムで用いられる無線中継機の構成要素の全てを雷被害から保護する技術を提供する。【解決手段】本開示による避雷器は、過大電流から保護対象を保護するための避雷器であって、保護対象に入力される信号を伝搬させるための内部導体および外部導体と、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、接地端子と、を備えている。ここで、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、内部導体と外部導体との間で直列に接続されている。また、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子のそれぞれの動作電圧は、内部導体および外部導体を伝搬する信号に含まれる電源の電圧値よりも大きく設定されている。また、第１のスイッチング素子の静電容量は、第２のスイッチング素子の静電容量よりも小さく、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との合成静電容量は、正常時において信号が内部導体および外部導体を減衰上の支障がなく伝搬する静電容量に設定されている。【選択図】図５

Description

本開示は、避雷器、及びそれを備えた列車無線システムに関し、例えば、雷サージ電流等の過大電流から保護対象を保護するための技術に関するものである。

近年では異常気象等の影響により雷被害（雷サージ電流による被害）は増加傾向にあり、無線中継機についても避雷器による雷対策を行う必要性が高まってきている。当該無線中継機は、重畳された無線信号と交流電源とを分離する電力重畳器と、交流電源の電圧値を変換するトランスと、無線信号を増幅する信号増幅器と、交流電源と無線信号を再度重畳する電力重畳器と、を備えるものである。従って、雷対策が行われていない無線中継機では、上記各構成要素が雷サージ電流によって破損してしまうという被害が発生する可能性がある。

例えば、特許文献１には、ＭＯＶ（Metal Oxide Varistor）を用いて交流電源を保護する避雷器が開示されている。

特許第５２７８８４６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術をそのまま無線中継機に適用することはできない。つまり、ＭＯＶは静電容量が大きく、正常時（落雷により雷サージ電流が発生していない状態のとき）でも高周波信号を減衰させてしまうため、高周波信号である無線信号を中継機によって適切に中継することができない。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、列車無線システムで用いられる無線中継機の構成要素の全てを雷被害から保護する技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、本開示による避雷器は、過大電流から保護対象を保護するための避雷器であって、保護対象に入力される信号を伝搬させるための内部導体および外部導体と、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、接地端子と、を備えている。ここで、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、内部導体と外部導体との間で直列に接続されている。また、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子のそれぞれの動作電圧は、内部導体および外部導体を伝搬する信号に含まれる電源の電圧値よりも大きく設定されている。また、第１のスイッチング素子の静電容量は、第２のスイッチング素子の静電容量よりも小さい。さらに、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との合成静電容量は、正常時において入力される信号が内部導体および外部導体を減衰上の支障がなく伝搬する静電容量に設定されている。

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。

本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。

本開示によれば、列車無線システムで用いられる無線中継機の構成要素の全てを雷被害から保護することができるようになる。

列車無線システム１の概略構成例を示す図である。 無線中継機３の内部構成例を示す図である。 本実施形態による避雷器６が設置された無線中継機３周辺の構成例を示す図である。 本実施形態による避雷器６の外観構成を示す図である。 本実施形態による避雷器６の回路構成を示す図である。 本実施形態による避雷器６の動作中における雷サージ電流の放流経路を示す図である。

本開示は、列車無線システムにおける無線中継機を雷サージ電流等の過大電流から保護するための「列車無線システム用同軸避雷器」及び「この避雷器を備えた列車無線システム」に関するものである。当該避雷器では、内部導体と外部導体とが同軸構成となっており、内部導体と外部導体との間において２つのスイッチング素子（例えば、ＭＯＶとＧＤＴ）が直列に接続されている。また、外部導体が接地されている。当該避雷器は、列車無線システムにおける各無線中継機の前段（入力側）と後段（出力側）のそれぞれに挿入される。そして、過大電流が避雷器に流れ込んだ場合、２つのスイッチング素子が動作し、低抵抗状態になるため、過大電流は内部導体から外部導体を伝わり、接地に放流される。このようにすることにより、保護対象である無線中継機を雷被害から保護することが可能となる。なお、以下説明する本実施形態では、避雷器を無線中継機の前段と後段にそれぞれ挿入する形態とした。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

＜列車無線システムの概略構成＞
図１は、列車無線システム１の概略構成例を示す図である。図１においては、新幹線を例としているが、その他、在来の列車についても適用可能である。

列車無線システム１は新幹線５と基地局（基地局の上流には、例えばデータサーバやクライアント装置が接続されるようにしても良い）２との間でＬＣＸ（漏洩同軸ケーブル：Leaky Coaxial cable）を用いて通信を行うシステムであり、アンテナ機能を有する漏洩同軸ケーブルであるＬＣＸ４を用いて当該通信が実現される。列車無線システム１は、一例として、無線信号を出力する基地局２と、ＬＣＸ４に接続され、一定の距離を隔てて配置される複数の無線中継機３と、を備えている。漏洩同軸ケーブルであるＬＣＸ４は新幹線５のレールに沿って設置されているため、新幹線５は、適宜、ＬＣＸ４から無線信号を取得し、かつＬＣＸ４に情報を送信することができるようになっている。なお、新幹線５には、移動局装置（例えば、無線通信機）等が搭載されている。

複数の無線中継機３が一定距離間隔で配置されるのは、無線信号はＬＣＸ４を介して伝送される間に減衰してしまうため、減衰した無線信号を各無線中継機３で増幅するためである。

ＬＣＸ４には、上記無線信号（例えば、４００ＭＨｚ帯の高周波信号）と、無線中継機３を駆動するための電源（例えば、４００〜４３０Ｖの交流電源）とが重畳されて生成された重畳信号が伝送される。

当該列車無線システム１においては、例えばデジタル通信方式を用いることにより、従来のアナログシステムと同一周波数帯域内であっても無線回数線を増加させたり、伝送速度を向上させたりすることが可能となっている。

＜無線中継機の内部構成及び雷サージ電流の影響について＞
図２は、無線中継機３の内部構成例を示す図である。無線中継機３は、無線中継機筺体３１内に、２つの電力重畳器３２と、トランス３３と、信号増幅器３４と、を備え、無線中継機筺体３１が地面に設置されて構成される。

信号入力側の電力重畳器３２は、ＬＣＸ４内を伝送されてきた重畳信号を交流電源と無線信号とに分離する。トランス３３は、電力重畳器３２で重畳信号が分離されて得られた交流電源の電圧値を変換（信号増幅器３４の動作電圧まで降圧）し、信号増幅器３４に供給すると共に、信号出力側の電力重畳器３２には分離されて得られた交流電源をそのまま供給する。信号増幅器３４は、信号入力側の電力重畳器３２で分離された無線信号を増幅して出力する。出力側の電力重畳器３２は、信号増幅器３４で増幅された無線信号とトランス３３から供給された交流電源を再度重畳してＬＣＸ４に出力する。

このような構成を備える無線中継機３に雷対策が施されていない場合、雷サージ電流が無線中継機３に侵入する経路は以下の３つが考えられる。
i)無線中継機３の通信ラインに雷サージ電流が流れる。この場合、被害を受ける機器は、電力重畳器３２、及び信号増幅器３４である。
ii)無線中継機３の電源ラインに雷サージ電流が流れる。この場合、被害を受ける機器は、電力重畳器３２、トランス３３、及び信号増幅器３４である。
iii)電力重畳器３２と筐体接地３５との間で絶縁破壊を起こし、電力重畳器３２から筐体接地３５へ雷サージ電流が流れる。この場合、被害を受ける機器は、電力重畳器３２である。

なお、雷の極性は正と負の両方があるため、逆に地面から雷サージ電流が侵入し、ＬＣＸ４に逃げていくケースもある。

以上のような場合、無線中継機３に対して何も雷対策を施していなければ無線中継機３が破損し、交換しなければならない。無線中継機３の交換数及び交換作業は膨大となり、新幹線５の運行業務にも支障が生じ、金銭的被害も非常に大きくなる可能性がある。

そこで、本開示の実施形態で提案するように、各無線中継機３の入力側及び出力側にそれぞれ避雷器を設置し、雷サージ電流の侵入を防ぐようにしている。

＜避雷器を設置した無線中継機＞
図３は、本実施形態による避雷器６が設置された無線中継機３周辺の構成例を示す図である。無線中継機３の構成及び動作については上述したのでここでは省略する。

図３に示されるように、本実施形態による避雷器６は、無線中継機３の信号入力側と信号出力側のそれぞれに設置（挿入）される。避雷器６が無線中継機３に取り付けられた場合、ＬＣＸ４に落雷したことにより発生する雷サージ電流の無線中継機３への侵入は、当該避雷器６によってブロックされ、避雷器６を介して接地に放流される。

このように、雷サージ電流の無線中継機３への侵入を防止することができるので、無線中継機３の全ての構成要素を雷被害から保護することができるようになる。なお、雷サージ電流が接地に放流される場合、無線中継機３による重畳信号（無線信号＋交流電源）の受信も同時にブロックされることになるが、ブロックされる期間は非常に短い（例えば、１ｍｓ程度）ため、列車運行上問題になるレベルではない。

＜避雷器の外観構成＞
図４は、本実施形態による避雷器６の外観構成を示す図である。ただし、一部は内部の構成が示されている。

避雷器６は、内部導体６１と、外部導体６２と、内部導体６１と外部導体６２との間に直列に配置されたＧＤＴ（Gas Discharge Tube）６３及びＭＯＶ（Metal Oxide Varistor）６４と、アース端子６５と、を備えている。

電源系統に設置する避雷器の回路にはＭＯＶを使用することが一般的であるため、列車無線システム１のＬＣＸ４に設置する避雷器６についてもＭＯＶ６４を使用している。しかしながら、ＬＣＸ４には、交流電源だけでなく高周波の無線信号も重畳されている。ＭＯＶ６４は静電容量が大きく（一般的には１００００ｐＦ前後）、高周波信号を大きく減衰させてしまうため、ＭＯＶ単体の回路では高周波信号である無線信号を通すことが出来ない。そこで、本開示の実施形態では、静電容量の小さいＧＤＴ（例えば１０ｐＦ以下のもの）６３をＭＯＶ６４と直列に接続（接続の順番は問わない）し、全体の静電容量を下げる（例えば５ｐＦ以下程度）ことで、無線信号も通せるようにしている。

ＬＣＸ４と無線中継機３との間には、図示しないが中継用同軸ケーブルが介在している。中継用同軸ケーブルの一方（ＬＣＸ４側）の端部および他方（無線中継機３側）の端部にはそれぞれ接続用のコネクタが設けられており、避雷器６を取り付ける際には、避雷器６の同軸ケーブル取付部を中継用同軸ケーブルの他方の端部に接続し、避雷器６の無線中継機取付部を無線中継機３の同軸ケーブル取付部に接続する。
このように避雷器６は容易に取付が可能な構成となっている。

なお、本実施形態では、ＧＤＴ６３とＭＯＶ６４を用いているが、ＧＤＴ６３やＭＯＶ６４と同様な性質を有する素子であれば適用可能である。以下にそれぞれの特徴について示す。
（１）ＭＯＶの特徴
（i）動作電圧以上の電圧が掛かると急激に電気抵抗が低くなる性質を有するスイッチング素子であること
（ii）動作電圧がＡＣ４３０Ｖ以上であること
（iii）続流防止のため、動作後に一定電圧となる特性を有すること
（iv）大きな雷サージ電流に耐え得ること
（２）ＧＤＴの特徴
（i）動作電圧以上の電圧が掛かると放電するスイッチング素子であること
（ii）動作電圧がＡＣ４３０Ｖ以上であること
（iii）動作後に低抵抗（低電圧）に移行する特性を有すること
（iv）大きな雷サージ電流に耐え得ること
（v）端子間静電容量が非常に小さく高周波信号を減衰上の支障がなく伝搬させることができること

＜避雷器の内部回路構成＞
図５は、本実施形態による避雷器６の回路構成を示す図である。避雷器６は、内部導体６１と、外部導体６２と、ＧＤＴ６３と、ＭＯＶ６４と、を備えている。ＧＤＴ６３とＭＯＶ６４とは、内部導体６１と外部導体６２との間で直列回路を構成している。内部導体６１は、ＬＣＸ４及び無線中継機３と接続される。また、外部導体６２は、接地（アース端子６５を介して）されている。

避雷器６が動作していないとき、つまり雷サージ電流が流入していないとき（正常時）には、重畳信号に含まれる交流電源の電圧値（例えば、ＡＣ４００Ｖ）がＧＤＴ６３およびＭＯＶ６４のそれぞれの動作電圧よりも小さい。このため、ＧＤＴ６３及びＭＯＶ６４は動作せず、ＬＣＸ４で伝送されてきた重畳信号（無線信号＋交流電源）は、そのまま避雷器を通過し、無線中継機３に入力される。

また、ＧＤＴ６３とＭＯＶ６４との合成静電容量は、避雷器６が動作していないとき（正常時）において、無線信号（例えば、４００ＭＨｚ帯の高周波信号）が避雷器６の内部導体６１及び外部導体６２を減衰上の支障がなく伝搬するような値に設定される必要がある。

＜避雷器動作中の雷サージ電流の放流経路＞
図６は、避雷器６の動作中における雷サージ電流の放流経路を示す図である。ＬＣＸ４を伝搬してきた雷サージ電流は、避雷器６の内部導体６１にそのまま侵入する。雷サージ電流が発生した場合、掛かる電圧は例えば１５００Ｖ以上となる（ＧＤＴ６３とＭＯＶ６４の動作電圧の合計値以上となる）ため、ＧＤＴ６３とＭＯＶ６４のスイッチがＯＮとなる。両素子のスイッチがＯＮとなると低抵抗状態となるため、素子側に雷サージ電流が流れやすくなる。ＧＤＴ６３及びＭＯＶ６４を通過した雷サージ電流は、外部導体６２を伝わり、外部導体６２から接地（アース端子６５を介して）に逃げていくことになる。雷電圧は、そもそもＬＣＸ４と地面（大地）との間に掛かるものであるため、地面に逃げていく性質を有している。よって、地面に対してスイッチングすれば、雷サージ電流は自然と地面に流れていくものである。

そして、避雷器６は、雷サージ電流の放流後、ＧＤＴ６３とＭＯＶ６４のスイッチがＯＦＦになる（高抵抗状態に戻る）ため、自己復帰することとなる。

＜まとめ＞
本開示の実施形態による避雷器６は、無線中継機に入力される重畳信号を伝搬させるための内部導体６１および外部導体６２と、第１のスイッチング素子（例えばＧＤＴ６３）と、第２のスイッチング素子（例えば、ＭＯＶ６４）と、接地端子（アース端子６５）と、を備えている。ここで、内部導体６１と外部導体６２とは同軸で構成され、避雷器６の内部導体６１には中継用同軸ケーブルを介して漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ４）の内部導体が接続され、避雷器６の外部導体６２には中継用同軸ケーブルを介してＬＣＸ４の外部導体が接続される。また、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、避雷器６の内部導体６１と外部導体６２との間で直列に接続されている。さらに、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子のそれぞれの動作電圧は、避雷器６の内部導体６１および外部導体６２を伝搬する重畳信号に含まれる電源の電圧値よりも大きく規定されている。また、第１のスイッチング素子の静電容量は、第２のスイッチング素子の静電容量よりも小さい。そして、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との合成静電容量は、正常時において重畳信号が内部導体および外部導体を減衰上の支障がなく伝搬するような静電容量に設定されている。この第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との合成静電容量は５ｐＦ以下が好ましいが、あくまで例示であって、重畳信号が内部導体および外部導体を減衰上の支障がなく伝搬するような静電容量であればよい。このような構成を備える避雷器６では、過大電圧（雷サージ電圧）が印加されると、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子がＯＮとなり、低抵抗状態となる。そして、雷サージ電流が、内部導体６１から第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を経由し、外部導体６２に伝わり、接地端子から地面に放流される。このようにすることにより、無線中継機３内に雷サージを侵入させないため、無線中継機３内の全構成要素（全機器）について雷対策を施すことが可能となる。また、避雷器６は同軸コネクタで構成されているので着脱が容易であり、施工（メンテナンス、交換を含む）の手間を低減できる。さらに、列車無線システムにおいて、避雷器６を設置することが必要な箇所は、無線中継機３の導入出口（入力側及び出力側）のみで済むため、無線中継機３内のスペースを圧迫しないという効果も期待できる。

１ 列車無線システム
２ 基地局
３ 無線中継機
４ ＬＣＸ
５ 新幹線
６ 避雷器
３１ 無線中継機筐体
３２ 電力重畳器
３３ トランス
３４ 信号増幅器
３５ 筐体接地
６１ 内部導体
６２ 外部導体
６３ ＧＤＴ
６４ ＭＯＶ
６５ アース端子

Claims (5)

1. 過大電流から保護対象を保護するための避雷器であって、
   前記保護対象に入力される信号を伝搬させるための内部導体および外部導体と、
   第１のスイッチング素子と、
   第２のスイッチング素子と、
   接地端子と、を備え、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とは、前記内部導体と前記外部導体との間で直列に接続されており、
   前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のそれぞれの動作電圧は、前記内部導体および外部導体を伝搬する前記信号に含まれる電源の電圧値よりも大きく、
   前記第１のスイッチング素子の静電容量は、前記第２のスイッチング素子の静電容量よりも小さく、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との合成静電容量は、正常時において前記信号が前記内部導体および前記外部導体を減衰上の支障がなく伝搬する静電容量に設定されている、避雷器。
2. 請求項１において、
   前記第１のスイッチング素子は、ＧＤＴであり、
   前記第２のスイッチング素子は、ＭＯＶである、避雷器。
3. 請求項１又は２において、
   前記保護対象は、無線中継機であり、
   前記内部導体と前記外部導体とは同軸で構成されている、避雷器。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記過大電流が侵入すると、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子がＯＮとなり、低抵抗状態となって、前記過大電流が、前記内部導体から前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を経由し、前記外部導体に伝わり、前記接地端子から地面に放流される、避雷器。
5. 無線信号を列車との間で通信するための列車無線システムであって、
   複数の無線中継機と、
   各無線中継機の入力側と出力側のそれぞれに配置された、複数の避雷器と、
   前記複数の避雷器に接続される漏洩同軸ケーブルと、
   交流電源と無線信号とを重畳して生成される重畳信号を前記漏洩同軸ケーブルに入出力する基地局と、を備え、
   前記重畳信号に含まれる前記無線信号が、前記漏洩同軸ケーブルと列車との間で通信され、
   前記避雷器は、過大電流から前記無線中継機を保護するために配置され、
   前記無線中継機に入力される信号を伝搬させるための内部導体および外部導体と、
   第１のスイッチング素子と、
   第２のスイッチング素子と、
   接地端子と、を備え、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とは、前記内部導体と前記外部導体との間で直列に接続されており、
   前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のそれぞれの動作電圧は、前記内部導体および外部導体を伝搬する前記信号に含まれる電源の電圧値よりも大きく、
   前記第１のスイッチング素子の静電容量は、前記第２のスイッチング素子の静電容量よりも小さく、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との合成静電容量は、正常時において前記信号が前記内部導体および前記外部導体を減衰上の支障がなく伝搬する静電容量に設定されている、列車無線システム。

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