JP2018103838A - き電回路保護システム、事故電流検出方法、電蝕防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのき電保護装置により複数の構造物を対象として、高抵抗地絡による事故電流を検出することができる技術を提供する。【解決手段】 き電回路保護システムは、電車線２１と、レール２２と、構造物２３と、き電保護装置２４と、連係線２５とを備える。連係線２５は電車線２１に沿って設けられ、複数の構造物２３を電気的に接続する。き電保護装置２４は一端が連係線２５に電気的に接続され、他端がレール２２に電気的に接続されている。電車線２１が構造物２３に接触したときに発生する事故電流をレール２２に流す。１つのき電保護装置２４は、複数の構造物２３毎に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明はき電回路システムおよびその使用方法に関する。

一般的なき電回路について説明する。変電所において直流電流が形成され、直流電流はき電線、き電分岐線、トロリー線を介して、電車に供給される。

き電線、き電分岐線や、トロリー線、ちょう架線、ハンガーのような電車線はレールに対応して、支柱（鉄柱やコンクリート柱）やビームのような構造物（支持物）に支持されている。

き電回路の基本的な保護対策として、一定時間毎の電流変化量（ΔＩ）を検出する故障選択リレーを用いて、事故電流（き電回路における事故に応じて生じる電流）と負荷電流（電気車の走行電流）とを判別することによって、直流電気鉄道のき電回路の故障を検出する。事故電流を検出すると、変電所において遮断器が作動する。

事故の一態様として、強風や飛来物に起因して、き電線や電車線が構造物に接触する場合がある。このような地絡が発生すると、事故電流は構造物から大地に流れ、更に大地各所から吸い上げられてレールに流れ、レールを帰回路として変電所に戻る。

このとき、レールと大地の間には高抵抗の接地抵抗が形成される。したがって、高抵抗地絡事故における事故電流は、他の故障の場合と比較して小さく、変電所で検出することが困難である。

例えば、き電電圧１５００Ｖ、接地抵抗１０Ωとすると、事故電流は１５０Ａとなる。一方で、変電所では、２ｋＡ以上でないと検出ができない。

事故電流を検出できず、電流が流れ続けると、構造物の溶損や周辺の大地電位上昇に伴う諸設備の絶縁破壊のおそれがある。

このような不具合に対し、高抵抗地絡事故が発生すると、事故電流を強制的にレールに流す回路を形成するき電保護装置が提案されている（たとえば、特許文献１，２）。

レールの抵抗は構造物の接地抵抗に比べ小さいため、事故電流は大きくなり、変電所での検出が容易となる。

特開昭６４−０７８９４１号公報 特許２６１０９５９号公報

上記のようにき電保護装置は、構造物から大地に流れる事故電流を抑制し、速やかにレールに流すものであるが、接触が発生した構造物がき電保護装置と電気的に接続されていないと動作しない。すなわち、事故電流は、き電保護装置よりも大地に流れやすく、事故電流の検出が困難である（上述）。

上記不具合に対し、き電保護装置の数を増やすことも考えられる。たとえば、全ての構造物を対象にそれぞれき電保護装置を設ける（１の構造物に対し１のき電保護装置）ことにより、解消し得る。

ところで、一般に変電所は５から１０ｋｍ間隔で設けられる。これに対し構造物は５０ｍ程度の間隔で設けられる。

き電保護装置は比較的高価であり、１の構造物に対し１のき電保護装置を設けるのは経済的観点より合理的でない。

本発明は上記課題を解決するものであり、１つのき電保護装置により、複数の構造物を対象として、高抵抗地絡による事故電流を検出する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決する手段の一態様は、き電線と、電車線と、レールと、電車進行方向に複数配設される構造物と、前記き電線または電車線が前記構造物に接触したときに発生する事故電流を前記レールに流すき電保護装置と、を備えるき電回路保護システムであって、前記き電保護装置は、複数の構造物毎に設けられており、前記複数の構造物を電気的に接続する連係線を更に備え、前記き電保護装置は前記連係線と電気的に接続しているき電回路保護システムである。

これにより、どの構造物が接触した場合でも、事故電流は、連係線を介して、き電保護装置に流れ、更に大地からレールに流れ、変電所に戻る。これにより事故電流を検出できる。１つのき電保護装置は、複数の構造物を対象として設けられており、経済的合理性を満たす。

上記き電回路保護システムは、好ましくは、前記構造物と前記連係線との間に、前記構造物側から前記連係線への電流を防止する電流方向規定手段を更に備える。

好ましくは、上記前記電流方向規定手段はダイオードである。

これにより、連係線を設けても、ダイオードが電蝕に係る回路形成を抑制し、電蝕を抑制できる。

上記課題を解決する手段の一態様は、上記き電回路保護システムを用いる事故電流検出方法であって、前記電車線が前記構造物に接触したときに発生する事故電流を前記連係線に流し、前記連係線を介して前記き電保護装置に流し、前記き電保護装置を介してレールに流し、前記レールを介して変電所に流し、前記変電所にて、事故電流を検出する。

上記課題を解決する手段の一態様は、上記き電回路保護システムにおける電蝕抑制方法であって、前記電流方向規定手段が、レール対地電圧による電流が前記構造物側から前記連係線へ流れることを防止し、回路が形成されることを抑制する。

本発明によれば、１つのき電保護装置により複数の構造物を対象として、高抵抗地絡による事故電流を検出することができる。その結果、経済的合理性を満たす。

第１実施形態に係るき電回路保護システムの構成を示す図である。 き電保護装置の回路図の一例である。 第１実施形態に係るき電回路保護システムの動作を示す図である。 従来例に係るき電回路保護システムの構成および動作（比較例１）を示す図である。 従来例に係るき電回路保護システムの構成および動作（比較例２）を示す図である。 第１実施形態における電蝕に係る検討ついての説明図である。 第２実施形態に係るき電回路保護システムの構成および動作を示す図である。

＜第１実施形態＞
〜システム構成〜
図１は第１実施形態に係るき電回路保護システムの構成を示す図である。

き電回路保護システムは、き電線（図示省略）と、電車線２１と、レール２２と、構造物２３と、き電保護装置２４と、連係線２５とを備える。

き電線や電車線２１とレール２２とは電車進行方向にそれぞれ上下に延設される。構造物２３は電車進行方向に所定間隔で複数配設されている。

き電線や、トロリー線、ちょう架線、ハンガーのような電車線２１は、支柱やビームのような構造物２３に支持されている。なお、き電線（き電分岐線含む）との接触でも、電車線２１との接触と同様に地絡するため、以下、同様に扱う（き電線への言及を省略する）。

連係線２５は電車線２１に沿って設けられ、分岐線を介して、複数の構造物２３を電気的に接続する。連係線２５には、例えば、６０ＳＱの銅より線（導体抵抗０．３Ω／ｋｍ程度）を用いる。

き電保護装置２４は一端が連係線２５に電気的に接続され、他端がレール２２に電気的に接続されている。電車線２１が構造物２３に接触したときに発生する事故電流をレール２２に流す。１つのき電保護装置２４は、複数の構造物２３毎に設けられている。

〜き電保護装置〜
図２はき電保護装置２４の回路図の一例である。

き電保護装置は、リード１，２と放電管３，４、分圧抵抗５，６、サージアブソーバ用抵抗７とパルス発生用コンデンサ８と、パルス発生用放電管９と、トランス１０と放電管１１とコンデンサ１２と抵抗１３とから構成される。

リード１は連係線２５を介して構造物２３側に接続されている。リード２はインピーダンスボンドを介してレール２２側に接続されている。

リード１，２間には、直列接続回路３，４、直列接続回路５，６、直列接続回路７，８がそれぞれ互いに並列に接続されている。直列接続回路３，４では放電管３，４が直列接続されている。直列接続回路５，６では分圧抵抗５，６が直列接続されている。直列接続回路７，８ではサージアブソーバ用抵抗７とパルス発生用コンデンサ８が直列接続されている。

パルス発生用コンデンサ８には、パルス発生用放電管９とトランス１０の１次側との直列接続回路が並列接続されている。

トランス１０の２次側には、分圧抵抗６、主回路とのディカップリング用放電管１１及びコンデンサ１２をそれぞれ直列接続することによって閉回路が構成されている。ディカップリング用コンデンサ１２には抵抗１３が並列接続されている。

放電管３，４の直列接続点Ｐと分圧抵抗５，６の直列接続点Ｑとの間は相互に接続されている。

リード１、２間に電圧が印加されると、パルス発生用コンデンサ８への充電が行われ、このコンデンサ８の端子電圧が、パルス発生用放電管９の放電開始電圧に達すると、トランス１０への入力がなされ、トランス１０の２次側では、トリガ電圧が出力される。

このトリガ電圧は、負の電位であり、これにより放電管３，４の直列接続点Ｐの電位が低下し、この結果、放電管３の放電が行われ、これに引続いて放電管４の放電が行われることになり、リード１とリード２とを短絡させるべく装置が動作することになる。

一方、サージ電圧、つまり高い電圧が短時間内に作用する場合には、パルス発生用コンデンサ８への充電が充分には行われず、そのためパルス発生用コンデンサ８の端子電圧がさほど上昇しないために装置動作は防止される。

以上のように、サージ電圧による誤動作を防止しつつ、事故発生時の短絡動作を確実に行うことができる。

〜システム動作〜
図３は第１実施形態に係るき電回路保護システムの動作を示す図である。図１の構成図に事故電流の流れを矢印で追加する。

電車線２１が構造物２３に接触すると、事故電流は構造物２３から連係線２５に流れる。すなわち、大地への流れは抑制される。

事故電流は、連係線２５を介して、き電保護装置２４に流れ、更にレールに流れ、変電所（図示省略）に戻る。

このとき、形成される回路は低抵抗であり、変電所にて事故電流を検出できる。事故電流を検出すると、変電所において遮断機（図示省略）が作動する。

なお、変電所は図示左右の両方にあり、実機においては両方の変電所にて事故電流を検出しているが、上記のとおり、説明を簡略化している。

〜効果〜
従来例と比較することにより、第１実施形態の効果について説明する。

図４，５は従来例に係るき電回路保護システムの構成および動作を示す図である。

従来例に係るき電回路保護システムは、電車線２１と、レール２２と、構造物２３と、き電保護装置２４とを備える。すなわち、連係線２５がない。

き電保護装置２４と電気的に接続されている構造物２３Ａと電車線２１とが接触した場合、き電保護装置２４が作動し、事故電流を強制的にレールに流す。一方、大地への流れは抑制される。これにより、事故電流を検出できる（図４参照、比較例１）。

一方で、き電保護装置２４と電気的に接続されていない構造物２３Ｂと電車線２１とが接触した場合、き電保護装置２４は動作せず、事故電流は大地へ流れやすい。その結果、事故電流を検出できないおそれがある（図５参照、比較例２）。

すなわち、従来例では、構造物がき電保護装置２４と電気的に接続されているか否かにより、事故を検出できたり、できなかったりする。

これに対し、第１実施形態では、連係線２５が事故電流をき電保護装置２４に導くため、どの構造物が接触した場合でも、き電保護装置２４が動作する。

したがって、１つのき電保護装置により、複数の構造物を対象として、高抵抗地絡による事故電流を検出する。たとえば、１つのき電保護装置により、２０の構造物を対象する。

第１実施形態は、１の構造物に対し１のき電保護装置を設けるに比べ、経済的合理性を満たす。

＜第２実施形態＞
〜検討〜
第１実施形態は、経済的合理性を満たしつつ、高抵抗地絡による事故電流を検出することができる。しかし、更に検討を進めた結果、電蝕のおそれがあることがわかった。

図６は第１実施形態における電蝕に係る検討についての説明図である。

き電回路においては、一般にレールを帰回路として用いているため、負荷電流とレールの抵抗及び漏れ抵抗により、レール対地電圧が発生する。レールに沿って、正領域と負領域が形成される。

第１実施形態において連係線２５を追加したことにより、大地と、構造物２３Ａと、連係線２５と、構造物２３Ｂとにより、回路が形成されるおそれがある。

短期的には問題は発生しないが、この状態が長期的に継続すると、電蝕による悪影響が発生するおそれがある。たとえば、接地装置がなくなる現象が発生する。

〜構成・動作・効果〜
図７は第２実施形態に係るき電回路保護システムの構成および動作を示す図である。

第２実施形態では、構造物２３と連係線２５との間の分岐線に、構造物２３側から連係線２５への電流を防止するダイオード２６が設けられている。ダイオード２６は電流を一定方向にしか流さない作用を持つ。

ダイオード２６の電流方向規定作用により、大地と、構造物２３Ａと、連係線２５と、構造物２３Ｂとによる回路は形成されず、電蝕が発生するおそれはない。

たとえば、レール対地電圧の正領域が５００V以上でなければ、構造物２３側から連係線２５へ電流は流れない。

なお、ダイオード２６は、き電保護装置２４に比べて廉価（たとえば、１／５程度）である。したがって、１の構造物２３に対し１のダイオード２６を設けても、経済的影響は限定的である。

これにより、経済的合理性を満たしつつ高抵抗地絡による事故電流を検出するとともに、電蝕発生を抑制できる。

以上、本願発明を実施形態に基づいて説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されず、技術思想の範囲で種々の変形が可能である。

１，２ リード
３，４ 放電管
５，６ 分圧抵抗
７ サージアブソーバ用抵抗
８ パルス発生用コンデンサ
９ パルス発生用放電管
１０ トランス
１１ 放電管
１２ コンデンサ
１３ 抵抗
２１ 電車線
２２ レール
２３ 構造物
２４ き電保護装置
２５ 連係線
２６ ダイオード

Claims (5)

1. き電線と、
   電車線と、
   レールと、
   電車進行方向に複数配設される構造物と、
   前記き電線または電車線が前記構造物に接触したときに発生する事故電流を前記レールに流すき電保護装置と、
   を備えるき電回路保護システムであって、
   前記き電保護装置は、複数の構造物毎に設けられており、
   前記複数の構造物を電気的に接続する連係線を更に備え、
   前記き電保護装置は前記連係線と電気的に接続している
   き電回路保護システム。
2. 前記構造物と前記連係線との間に、前記構造物側から前記連係線への電流を防止する電流方向規定手段
   を更に備える請求項１記載のき電回路保護システム。
3. 前記電流方向規定手段はダイオードである
   請求項３記載のき電回路保護システム。
4. 請求項１記載のき電回路保護システムを用い、
   前記き電線または電車線が前記構造物に接触したときに発生する事故電流を前記連係線に流し、
   前記連係線を介して前記き電保護装置に流し、
   前記き電保護装置を介してレールに流し、
   前記レールを介して変電所に流し、
   前記変電所にて、事故電流を検出する
   事故電流検出方法。
5. 請求項２記載のき電回路保護システムを用い、
   前記電流方向規定手段が、レール対地電圧による電流が前記構造物側から前記連係線へ流れることを防止し、
   回路が形成されることを抑制する
   電蝕抑制方法。