JP2017537847A

JP2017537847A - 電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護システム

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Publication number: JP2017537847A
Application number: JP2017542236A
Authority: JP
Inventors: 群湛李
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: WO2016070492A1; AU2015342634B2; EP3216644B1; CN104325896B; AU2015342634A1; EP3216644A1; EP3216644A4; JP6770965B2; CN104325896A; AU2015342634A8; RU2664621C1

Abstract

本発明は、鉄道の区間に対応し、電気鉄道牽引ネットワークにおける接触線をいくつのセクションに分割し、セクションにて分割器及び開閉手段を増設し、開閉手段がブレーカー、変流器、変圧器及び測定・制御ユニットを含み、ブレーカーが通常にはスイッチオン状態となっており、開閉手段の変圧器の二次側、変流器の二次側、左隣の開閉手段の変流器の二次側、右隣の開閉手段の変流器の二次側が測定・制御ユニットの入力端に接続され、測定・制御ユニットの出力端が当該開閉手段のブレーカーの制御端に接続され、各測定・制御ユニットが伝送ネットワークを介して牽引変電所または指令室に接続される、電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護システムを提供する。本発明は、牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護方法を構成し、集中型保護方法に比べ、そのリアルタイム性が牽引ネットワークのセクション数により影響されない。本発明にかかる関連装置は、投資が少なく、容易に実施され、新ラインの採用に便利であり、旧ラインの改善にも便利である。

Description

本発明は、交流電気鉄道牽引ネットワーク保護技術分野に関し、特に、電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の保護方法及び装置に関する。

電気鉄道の牽引給電システムは、牽引変電所と牽引ネットワークとからなる。直接給電型の牽引ネットワークは、接触線(contact line)、軌道及び地面からなる。牽引ネットワークの給電能力を向上し、給電電圧及びエネルギー損失を低減し、さらに、上り、下りの接触線の相対的な独立性を保持するために、一般的には、複線鉄道牽引ネットワークの端末（セクションポスト）にて、上り、下りの接触線を並列接続する。しかし、上り（または下り）の接触線のある箇所が故障したときに、牽引変電所の上り（または下り）饋電線及びセクションポストがトリッピングすることで、上り（または下り）の接触線の全部を断電させ、これにより、上り（または下り）の接触線における全ての列車の運行を停止させてしまう。列車運行の停止範囲を最大限に縮小するために、出願者は、「複線鉄道端末の並行接続する牽引ネットワークのセクション給電及び状態測定・制御方法」（発明番号：201210486947.9）を提出し、上り（または下り）の接触線をさらにセクション化して、故障が発生したときに、当該セクションのみを取り除き、他の故障していないセクションに対して引続き電力を供給する。これによって、確実性を大きく向上し、列車の運行をよりよく保障することができる。当該方法としては、各セクション情報を、ローカルな測定・制御ユニットを介してデータ同期採集と伝送ネットワークにより牽引変電所または指令室へ送信し、牽引変電所または指令室にて集中的に処理し、牽引ネットワークの故障及びその位置を判断した後、故障を取り除くように操作指令を出す。従来の牽引変電所が整流して電力システムにアクセスし、異相給電を採用しているため、その牽引ネットワークが互いに連通されず、セクションの数が小さく、当該方法は、便利、有効である。しかしながら、同相給電を実施するときに、牽引ネットワークが連通され、セクションの数が大きく増加し、データ同期採集及び伝送、故障情報集中処理のリアルタイム性が困難となり、実現できないおそれすらあるため、これによって、当該方法の実用性を大きく影響している。そのため、如何に故障を早速かつ正確に発見、隔離、排除し、リアルタイム性がセクションの数により影響されず、故障していないセクションの正常な給電を最大限に確保することは、本願が解決しようとする課題である。

本発明は、従来技術の欠点を克服して、牽引ネットワークの故障及びその位置を早速かつ正確に判断し、故障を迅速に隔離、排除し、故障及び影響範囲を最大限に縮小し、給電の確実性を向上し、列車の安全、定刻通りに運行することを保障する電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護方法を提供することを目的としており、このような分散型保護方法のリアルタイム性が牽引ネットワークセクションの数により影響されず、電気鉄道同相給電システムの普及、応用にキーテクノロジーを提供する。

本発明は、その技術課題を解決するために、下記の技術的解決手段を採用し、
鉄道の区間に対応し、電気鉄道牽引ネットワークにおける接触線をいくつのセクションFDに分割し、セクションにて接触線分割器FDQ及び開閉手段KBを増設し、開閉手段KBがブレーカーDL、変流器LH、変圧器YH及び測定・制御ユニットCKを含み、ブレーカーDL及びそれと直列接続された変流器LHが接触線分割器FDQに架け渡して接続され、分割器FDQが接触線に直列接続されることで、列車が途切れずに通電しながら通過させ、ブレーカーDLが通常にはスイッチオン状態となっており、変圧器YHが接触線Tに並列接続され、各開閉手段内において、変流器のタイプが同じであり、変化率が同じであり、変圧器のタイプが同じであり、変化率が同じであるという構成及び関係をしている電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護システムであって、
開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側、変流器LH_kの二次側、左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側、及び右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側が、測定・制御ユニットCK_kの入力端に接続され、測定・制御ユニットCK_kの出力端が当該開閉手段KB_kのブレーカーDL_kの制御端に接続され、
各測定・制御ユニットは、伝送ネットワークを介して牽引変電所または指令室に接続され、
開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定した電流差の絶対値が縦方向差分電流I_zであり、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側とにより測定した電流差の絶対値が縦方向差分電流I_yであり、
前記測定・制御ユニットCK_kは、
縦方向差分電流I_z≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合に、開閉手段KB_kと、左隣の開閉手段 KB_k-1との間のセクションFD_kにおける接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持し、
縦方向差分電流I_y≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合に、開閉手段KB_kと、右隣の開閉手段KB_k+1との間のセクションFD_k+1における接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持している、ように制御することを特徴とする。

電気鉄道牽引ネットワークにおける接触線セクションが鉄道の区間（10km程度）に対応する。本発明の作動原理は、接触線電圧U_T≧所定値U_dzの場合、列車Lが作動し、そうでない場合、列車Lが作動しない。接触線電圧U_T＜所定値U_dzにより、列車が作動しなくなる場合、接触線の短絡は、電流の唯一の通り道となる。これによって、低電圧（接触線電圧U_T＜所定値U_dz）起動を構成した各セクションの接触線縦方向差分電流保護方法により、故障を判断し、ブレーカーによりスイッチオフして、故障を隔離するものである。具体的には、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定された電流差の絶対値が縦方向差分電流I_zであり、縦方向差分電流I_z≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、測定・制御ユニットCK_kは、開閉手段KB_kと左隣の開閉手段KB_k-1との間のセクションFD_kにおける接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段K_BkのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持する。開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側とにより測定された電流差の絶対値が縦方向差分電流I_yであり、縦方向差分電流I_y≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、測定・制御ユニットCK_kは、開閉手段KB_kと右隣の開閉手段KB_k+1との間のセクションFD_k+1における接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段K_BkのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持する。

接触線電圧所定値U_dzは、列車電力システムの技術パラメータにより決定されている。定格電圧が25Kvである電気鉄道に運行している列車にとって、その接触線の電圧所定値U_dzは、一般的に17kV〜19kVにある。

縦方向差分電流の設定値の選択は、接触線の無負荷時の地面に対する静電容量の影響、変成器のタイプ、測定誤差などの要因を考慮する必要があり、一般的に小さいである。

従来技術に比べて、本発明の有益な効果としては、下記の通りであり、
一、本発明は、様々な故障を早速かつ正確に発見し、区別し、隔離でき、継電器保護の選択性、速応性、及び感度が向上し、また、故障していないセクションが引続き給電/運行することを確保し、停電範囲を最大限に低減し、故障影響の拡大化を回避し、牽引ネットワークによる給電の確実性をさらに向上することができる。

二、本発明は、牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護方法に属して、集中型保護方法に比べて、そのリアルタイム性が牽引ネットワークのセクションの数により影響されない。

三、本発明にかかる関連装置は、投資が少なく、容易に実施され、新ラインの採用に便利であり、旧ラインの改善にも便利である。

以下で、図面及び具体的な実施形態を組み合わせて、本発明を更に記述する。

本発明の実施例による接触線のセクション供電及び開閉手段の構造を示す図である。本発明の実施例による開閉手段の測定・制御ユニットの構造を示す図である。本発明の実施例による複線鉄道給電接触線の各セクション及び開閉手段の応用を示す図である。本発明の実施例による動作フローチャートである。

図1に、本発明の1つの実施形態が示され、具体的には、鉄道の区間（10km程度）に対応し、電気鉄道牽引ネットワークにおける接触線をいくつのセクションFDに分割し、セクションにて接触線分割器FDQ及び開閉手段KBを増設し、開閉手段KBがブレーカーDL、変流器LH、変圧器YH及び測定・制御ユニットCKを含み、ブレーカーDL及びそれと直列接続された変流器LHが接触線分割器FDQに架け渡して接続され、分割器FDQが接触線に直列接続されることで、列車が途切れずに通電しながら通過させ、ブレーカーDLが通常にはスイッチオン状態となっており、変圧器YHが接触線Tに並列接続され、各変流器のタイプが同じであり、変化率が同じであり、各変圧器のタイプが同じであり、変化率が同じである。

図2に、本発明の実施例による開閉手段の測定・制御ユニットの構造を示す図である。開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側、変流器LH_kの二次側、左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側、及び右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側が、測定・制御ユニットCK_kの入力端に接続され、測定・制御ユニットCK_kの出力端が当該開閉手段KB_kのブレーカーDL_kの制御端に接続される。各測定・制御ユニットが、伝送ネットワークを介して牽引変電所または指令室に接続される。

図3に、本発明の実施例による複線鉄道給電接触線の各セクション及び開閉手段の応用を示す図である。図2に対応し、上り開閉手段KB₁₁の変圧器YH₁₁の二次側、変流器LH₁₁の二次側、左隣の開閉手段（牽引変電所SS）の変流器の二次側、及び右隣の開閉手段KB₁₂の変流器LH₁₂の二次側が測定・制御ユニットCK₁₁の入力端に接続される。上り開閉手段KB₁₂の変圧器YH₁₂の二次側、変流器LH₁₂の二次側、左隣の開閉手段KB₁₁の変流器LH₁₁の二次側、及び右隣の開閉手段（セクションポストSP）の変流器の二次側が、測定・制御ユニットCK₁₂の入力端に接続される。セクションFD₁₂に短絡故障が発生した場合、すなわち図3に示された位置で、開閉手段KB₁₁の変圧器YH₁₁の二次側により測定された接触線電圧UT₁₁＜所定値U_dz、かつ縦方向差分電流I_y≧縦方向差分電流設定値I_dzの場合、開閉手段KB₁₁の測定・制御ユニットCK₁₁は、ブレーカーDL₁₁がスイッチオフするようその制御端を駆動し、また、開閉手段KB₁₂の変圧器YH₁₂の二次側により測定された接触線電圧UT₁₂＜所定値U_dz、かつ縦方向差分電流I_z≧縦方向差分電流設定値I_dzの場合、開閉手段KB₁₂の測定・制御ユニットCK₁₂は、ブレーカーDL₁₂がスイッチオフするようその制御端を制御することで、セクションFD₁₂における接触線の短絡故障を取り除き、故障していないセクションFD₁₁、セクションFD₁₃は、それぞれ開閉手段KB₁₁の左隣の開閉手段（牽引変電所SS）、開閉手段KB₁₂の右隣の開閉手段（セクションポストSP）によって引続き供電され、運行する。Lが列車であり、I_Lがその電流であり、I_Tkが開閉手段K_Bkの変流器L_Hkの二次側により測定された接触線電流である。

図4には、本発明の実施例による動作フローチャートが示される。本発明の動作原理に基いて、接触線電圧U_T≧所定値U_dzの場合、列車Lが動作し、そうでない場合、列車Lが動作しない。接触線電圧U_T＜所定値U_dzにより列車が動作しなくなる場合、接触線の短絡は、電流の唯一の通り道となり、これによって、低電圧（接触線電圧U_T＜所定値U_dz）起動を構成した各セクションの接触線縦方向差分電流保護方法により、故障を判断し、ブレーカーによりスイッチオフして、故障を隔離するものである。具体的には、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定された電流差の絶対値が縦方向差分電流I_zであり、縦方向差分電流I_z≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、測定・制御ユニットCK_kは、開閉手段KB_kと左隣の開閉手段KB_k-1との間のセクションFD_kにおける接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段K_BkのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持する。開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側とにより測定された電流差の絶対値が縦方向差分電流I_yであり、縦方向差分電流I_y≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YHkの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、測定・制御ユニットCK_kは、開閉手段KB_kと右隣の開閉手段KB_k+1との間のセクションFD_k+1における接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段K_BkのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがなおもスイッチオン状態を保持している。

例えば、図2、3、4を組み合わせて、列車L電力システムの技術パラメータにより、接触線電圧所定値U_dz=18kV、つまり、接触線電圧U_T≧18kVの場合、列車Lが動作し、そうでない場合、列車Lが動作しない。牽引ネットワークパラメータ、変流器のタイプ及び測定誤差範囲により、縦方向差分電流I_yの設定値I_dz=0.8Aである。既知のとおり、開閉手段KB₁₁の変圧器YH₁₁の二次側により測定された接触線電圧U_T11＜U_dz=18kV、かつ縦方向差分電流I_y=｜I_T11-I_T12｜≧I_dz=0.8Aの場合、開閉手段KB₁₁の測定・制御ユニットCK₁₁は、ブレーカーDL₁₁がスイッチオフするようその制御端を駆動する。また、開閉手段KB₁₂の変圧器YH₁₂の二次側により測定された接触線電圧U_T12＜U_dz=18kV、かつ縦方向差分電流I_z=｜I_T11-I_T12｜≧I_dz=0.8Aの場合、開閉手段KB₁₂の測定・制御ユニットCK12は、ブレーカーDL₁₂がスイッチオフするようその制御端を駆動することで、セクションFD₁₂における接触線の短絡故障を取り除き、故障していないセクションFD₁₁やセクションFD₁₃は、それぞれ開閉手段KB₁₁の左隣の開閉手段（牽引変電所SS）、開閉手段KB₁₂の右隣の開閉手段（セクションポストSP）により引続き給電され、運行する。

さらに、縦方向差分電流I_zは、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定された電流差の絶対値であり、縦方向差分電流I_yは、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側とにより測定された電流差の絶対値であるため、隣接する開閉手段における変流器の二次側により測定された電流の大きさにより、故障の性質を判定でき、故障位置に対する測距ができる。例えば、縦方向差分電流I_z≧設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定された電流がいずれも0（またはタイプ、測定などの誤差を考慮したうえのある指定値、以下同じである）よりも大きい場合、開閉手段KB_kと左隣の開閉手段KB_k-1から見れば、セクションFD_kにおける接触線に短絡故障が発生したと判断できる。開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定された電流のうちの一方が0よりも大きく、他方が0であると、0よりも大きい一方から見たセクションFD_kにおける接触線に短絡故障が発生し、0である他方に、断線故障が発生した。また、0よりも大きい短絡電流と変圧器YH_kの二次側により測定された接触線短絡電圧とに基いて、短絡抵抗を算出することができ、さらに、短絡故障の具体的な位置を換算することができる。また、規程及び実際の要求に応じて、測定・制御ユニットは、ブレーカーがスイッチオフするように駆動した後に、過渡故障による影響を解消するよう再びスイッチオフするべきである。

以上の短絡、断線及び及ブレーカートリップ情報はいずれもそれぞれの測定・制御ユニットによって伝送ネットワークを介して近傍の牽引変電所へ、または、指令室へ直接的に警報信号を発するものである。場所及びコストを節約するために、実際の実施において、測定・制御ユニットCK_kは、既存のマイクロコンピュータ保護装置または測定・制御装置を介してソフトウェアを交換することにより実現できる。また、変圧器及び変流器の二次側の断線による保護の誤作動を防止するよう措置を取らなければならない。

Claims

鉄道の区間に対応し、電気鉄道牽引ネットワークにおける接触線をいくつのセクションFDに分割し、セクションにて接触線分割器FDQ及び開閉手段KBを増設し、開閉手段KBがブレーカーDL、変流器LH、変圧器YH及び測定・制御ユニットCKを含み、ブレーカーDL及びそれと直列接続された変流器LHが接触線分割器FDQに架け渡して接続され、分割器FDQが接触線に直列接続されることで、列車が途切れずに通電しながら通過させ、ブレーカーDLが通常にはスイッチオン状態となっており、変圧器YHが接触線Tに並列接続され、各開閉手段内において、変流器のタイプが同じであり、変化率が同じであり、変圧器のタイプが同じであり、変化率が同じであるという構成及び関係をしている電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護システムであって、
開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次巻線の二次側、変流器LH_kの二次側、左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側、及び右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側が、測定・制御ユニットCK_kの入力端に接続され、測定・制御ユニットCK_kの出力端が当該開閉手段KB_kのブレーカーDL_kの制御端に接続され、
各測定・制御ユニットは、伝送ネットワークを介して牽引変電所または指令室に接続され、
開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と左隣の開閉手段KB_k-1の変流器LH_k-1の二次側とにより測定した電流差の絶対値が縦方向差分電流I_zであり、開閉手段KB_kの変流器LH_kの二次側と右隣の開閉手段KB_k+1の変流器LH_k+1の二次側とにより測定した電流差の絶対値が縦方向差分電流I_yであり、
前記測定・制御ユニットCK_kは、縦方向差分電流I_z≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、開閉手段KB_kと左隣の開閉手段KB_k-1との間のセクションFD_kにおける接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持し、
縦方向差分電流I_y≧縦方向差分電流設定値I_dz、かつ開閉手段KB_kの変圧器YH_kの二次側により測定された接触線電圧U_Tk＜所定値U_dzの場合、開閉手段KB_kと右隣の開閉手段KB_k+1との間のセクションFD_k+1における接触線に短絡故障が発生したと判定し、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオフするようその制御端を駆動し、そうでない場合、開閉手段KB_kのブレーカーDL_kがスイッチオン状態を保持している、ように制御することを特徴とする電気鉄道牽引ネットワークのセクション給電の分散型保護システム。