JP2018185284A - 直流電気鉄道の直流地絡検出システムおよび直流地絡検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のき電変電所からき電線を介して電車に直流電力を供給する直流電気鉄道において、地絡事故区間を正確に判別することができるようにする。
【解決手段】前記各き電変電所のき電区間毎に各々設けられ、レール３７−アース３８間に介挿されてレール−アース間電圧が設定電圧以上となったとき閉合する短絡スイッチ（ＶＬＤ５０）を有し、レール−アース間電圧と、短絡スイッチの閉合後に該短絡スイッチを通過する電流とを含む電気情報を収集するＶＬＤ制御・データ収集装置５１と、前記各ＶＬＤ制御・データ収集装置５１で収集された電気情報に基づいて、前記短絡スイッチ通過電流の電流値、通流時間および通流方向から地絡事故を判別する地絡判別装置６０と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電気鉄道における高抵抗直流地絡事故の検出・事故区間の判別及び自動的な電路遮断による地絡事故の除去を目的とする、直流電気鉄道の直流地絡検出システムおよびその方法に関する。

直流電気鉄道における、従来の直流地絡検出システムの一例を図２１とともに説明する。図２１は、所定間隔で多数設置された直流き電変電所のうち、３つの直流き電変電所２１〜２３（ＳＳ−Ａ〜ＳＳ−Ｃ）を示しており、例えば直流き電変電所２２（ＳＳ−Ｂ）は次のように構成されている。

３０は直流電源であり、図示省略の交流電源の交流電力を変圧器および整流器により直流に変換し、例えば７５０Ｖｄｃの直流電圧を出力する。直流電源３０の正極は、直流母線３１を介してき電線（３２）の下りき電線３２Ｄ、上りき電線３２Ｕに各々接続され、負極はレール（帰線）３７に接続されている。

直流母線３１と各き電線３２Ｄ、３２Ｕを結ぶ電路には、直流高速度遮断器（ＨＳＣＢ）３３（き電遮断器）の主接点３３ａ〜３３ｄおよび電流検出器３４ａ〜３４ｄが各々介挿されている。３６ａ〜３６ｄは電流検出器３４ａ〜３４ｄの各検出電流に基づいて過電流保護演算を行う保護・計測装置である。

レール３７とアース（大地）３８の間には、地絡過電圧継電器６４Ｐ（高抵抗地絡保護継電器）が接続されている。

直流電源３０の正極から出力される直流電力は、直流母線３１および各き電線３２Ｄ，３２Ｕを介して、各き電線下を走行する図示省略の電車（７０）に供給される。

直流き電変電所２１（ＳＳ−Ａ）、２３（ＳＳ−Ｃ）も上記と同様に構成されている。

尚、本明細書では、各変電所の直流母線に接続されるき電線と、き電分岐線を介して前記き電線に接続され、電車の集電装置と接触するトロリー線とを含めて「き電線」と称している。

また、走行用のレールとは別に並行して給電用レールを敷設して構成される第三軌条や、き電線とトロリー線が一体化された剛体架線も本発明における「き電線」と定義する。

上記のように構成された直流電気鉄道において、例えば、直流き電変電所２２のき電区間における下りき電線３２Ｄとアース３８の間で地絡事故（地絡抵抗はＲｇ）が発生する（過程（１１））と、レール３７−アース３８間の電位（Ｖ）が上昇する（過程（１２））。

前記電位上昇が一定レベル以上に達すると地絡過電圧継電器６４Ｐが動作し（過程（１３））、直流き電変電所２２およびそれに隣接する両方面の直流き電変電所２１、２３の各直流高速度遮断器３３をトリップ（開放）する（過程（１４））。

これによって、直流き電変電所２２のき電区間をき電停止とし（過程（１５））、地絡事故を除去していた。

尚、地絡過電圧継電器６４Ｐが従来から直流地絡検出に用いられることは、例えば非特許文献１に記載されている。

最新 電気鉄道工学（改訂版）、電気学会 電気鉄道における教育調査専門委員会編、コロナ社、ｐｐ.１６３、２０１２年３月

鉄道設備は広域であり、多数のき電変電所によって構成されている。このため、図２１に示す従来の直流地絡検出方式では、地絡事故発生時のレール電位上昇により、地絡事故が発生した直流き電変電所２２内の地絡過電圧継電器６４Ｐのみならず、図示省略の多数の直流き電変電所の地絡過電圧継電器６４Ｐが同時に地絡を検出することになり、地絡事故区間外のき電停止も行っていた。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、地絡事故区間を正確に判別することができる直流電気鉄道の直流地絡検出システム、方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システムは、複数のき電変電所からき電線を介して電車に直流電力を供給する直流電気鉄道の直流地絡検出システムであって、
前記各き電変電所のき電区間毎に各々設けられ、レール−アース間に介挿されてレール−アース間電圧が設定電圧以上となったとき閉合する短絡スイッチを有し、レール−アース間電圧と、短絡スイッチの閉合後に該短絡スイッチを通過する電流とを含む電気情報を収集する電圧制限手段と、
前記各電圧制限手段で収集された電気情報に基づいて、前記短絡スイッチ通過電流の電流値、通流時間および通流方向から地絡事故を判別する地絡判別手段と、
を備えたことを特徴としている。

請求項２に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システムは、請求項１において、
前記各電圧制限手段と地絡判別手段間でデータの授受が可能に構成され、
前記電圧制限手段は前記収集された電気情報を地絡判別手段に送出し、前記地絡判別手段は、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップする指令を電圧制限手段に送出し、前記電圧制限手段は、前記トリップ指令によって、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップする機能を有していることを特徴とする。

請求項３に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システムは、請求項２において、前記地絡判別手段は、地絡事故有りと判別した事故区間近傍のき電区間のき電遮断器をトリップする指令も電圧制限手段に送出し、前記電圧制限手段は、前記トリップ指令によって、前記事故区間近傍のき電区間のき電遮断器をトリップする機能を有していることを特徴とする。

請求項４に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、複数のき電変電所からき電線を介して電車に直流電力を供給する直流電気鉄道の直流地絡検出方法であって、
前記各き電変電所のき電区間毎に各々設けられ、レール−アース間に介挿されてレール−アース間電圧が設定電圧以上となったとき閉合する短絡スイッチを有した電圧制限手段を備え、
前記各電圧制限手段が、レール−アース間電圧と、短絡スイッチの閉合後に該短絡スイッチを通過する電流とを含む電気情報を収集する情報収集ステップと、
地絡判別手段が、前記各電圧制限手段で収集された電気情報に基づいて、前記短絡スイッチ通過電流の電流値、通流時間および通流方向から地絡事故を判別する地絡判別ステップと、
を備えたことを特徴としている。

請求項５に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、請求項４において、
前記各電圧制限手段と地絡判別手段間でデータの授受が可能に構成され、
前記電圧制限手段が、前記収集された電気情報を地絡判別手段に送出するステップと、
前記地絡判別手段が、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップする指令を電圧制限手段に送出するステップと、
前記電圧制限手段が、前記トリップ指令によって、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップするステップと、
を備えたことを特徴としている。

請求項６に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、請求項４又は５において、
前記地絡判別ステップは、隣接する２つのき電変電所の各き電区間に設けられた電圧制限手段で収集された前記短絡スイッチの通過電流値が設定値以上であり、且つ短絡スイッチの通過電流の通流時間が設定時間以上であるとき地絡事故であると判定することを特徴としている。

請求項７に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、請求項４又は５において、
前記地絡判別ステップは、１つのき電変電所のき電区間に設けられた電圧制限手段で収集された前記短絡スイッチの通過電流値が設定値以上であり、且つ短絡スイッチの通過電流の通流時間が設定時間以上であるとき地絡事故であると判定することを特徴としている。

請求項８に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、請求項４ないし７のいずれか１項において、前記地絡判別ステップは、前記電圧制限手段で収集された短絡スイッチの通過電流の通流方向が、大地からレールに向かう方向であるとき、地絡事故であると判定することを特徴としている。

請求項９に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、請求項４ないし８のいずれか１項において、
前記地絡判別ステップは、複数のき電区間における、電車負荷の有無状況および電圧制限手段の短絡スイッチの閉合、開放の状況を含む状況を、地絡事故判別の判断基準として判別を行うことを特徴とする。

請求項１０に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法は、請求項４ないし９のいずれか１項において、
地絡判別閾値設定手段が、電車による大容量移動負荷の影響を考慮した地絡事故のシミュレーションを実施して、地絡事故の判別の閾値を設定するステップを備えたことを特徴としている。

請求項１１に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システムは、請求項１において、
前記地絡判別手段は、前記収集されたレール−アース間検出電圧を一定時間単位で移動平均演算し、該演算された移動平均電圧が閾値を超えたときに地絡有りと判別することを特徴としている。

請求項１２に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システムは、請求項１１において、
前記閾値は、定常時の最大移動平均電圧に裕度を加算した値に設定されていることを特徴とする。

請求項１３に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システムは、請求項１１又は１２において、
前記地絡判別手段は、前記各き電変電所のき電区間を、無負荷状態でき電加圧したときに、前記電圧制限手段で収集された各き電区間における短絡スイッチの通過電流の分布に基づいて地絡事故区間を特定することを特徴としている。

（１）請求項１〜１３に記載の発明によれば、直流電気鉄道において、地絡事故区間を正確に判別することができる。
（２）請求項２、５に記載の発明によれば、地絡事故有りと判別された事故区間のき電遮断器をトリップして、事故区間の電路遮断を行うことができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、地絡事故有りと判別された事故区間近傍のき電区間のき電遮断器をトリップして、その区間の電路遮断を行うことができる。
（４）請求項６に記載の発明によれば、隣接する２つのき電変電所の間の地点で地絡事故が発生した場合に、確実に地絡事故有りと判別することができる。
（５）請求項７に記載の発明によれば、１つのき電変電所のき電区間で地絡事故が発生した場合に、確実に地絡事故有りと判別することができる。
（６）請求項８に記載の発明によれば、電車負荷の変動等によりレール電圧が上昇したことにより電圧制限手段の短絡スイッチが閉合された場合に、地絡事故の誤判別を防ぐことができる。
（７）請求項９に記載の発明によれば、地絡事故判別の判断基準によって、より正確に地絡事故区間を判別することができる。
（８）請求項１０に記載の発明によれば、電車による大容量移動負荷の影響を受けることなく、より正確に地絡事故区間を判別することができる。
（９）請求項１１〜１３に記載の発明によれば、移動平均電圧値に基づいて地絡の有無を判別しているので、電車による大容量移動負荷の影響を受けることなく、高抵抗地絡事象を判別することができる。

直流電気鉄道設備における絶縁劣化等で生じる微地絡発生は、き電回路の保護領域に至らず一般的には潜在化しやすい現象である。本発明の移動平均電圧方式を用いることにより、絶縁劣化等で生じる保護領域に至らない微地絡現象を把握することができる。

本発明の実施例１による直流地絡検出システムの全体構成図。 本発明の実施例１による直流地絡検出システムの要部の処理を示す説明図。 本発明の実施例１における、電車負荷に流れる電流経路の一例を説明する、直流地絡検出システムの簡略構成図。 本発明の実施例１における、電車負荷に流れる電流経路の他の例を説明する、直流地絡検出システムの簡略構成図。 本発明の実施例１における、電車負荷および電圧制限装置の短絡スイッチに流れる電流経路の一例を説明する、直流地絡検出システムの簡略構成図。 本発明の実施例１における無負荷時の事故電流の経路を説明する、直流地絡検出システムの簡略構成図。 本発明の実施例１における電車負荷時に流れる事故電流経路の一例を説明する、直流地絡検出システムの簡略構成図。 本発明の実施例１における電車負荷時に流れる事故電流経路の他の例を説明する、直流地絡検出システムの簡略構成図。 本発明の実施例１における、地絡事故のシミュレーション実施時の試験条件を示す説明図。 本発明の実施例１による地絡事故のシミュレーション結果を表し、シミュレーション開始後のレール−大地間の電位上昇を示す説明図。 本発明の実施例１による地絡事故のシミュレーション結果を表し、各直流き電変電所における電圧制限装置の短絡スイッチの開放、閉合状態の説明図。 本発明の実施例１による地絡事故のシミュレーション結果を表し、地絡事故電流の波形図。 本発明の実施例１による地絡事故のシミュレーション結果を表し、隣接する２つの直流き電変電所における電圧制限装置の短絡スイッチの通過電流の波形図。 本発明の実施例１による地絡事故のシミュレーション結果を表し、判別した地絡事故区間のき電遮断器をトリップする様子を示す説明図。 本発明の実施例１による地絡事故のシミュレーション結果を表し、判別した地絡事故区間の近傍の直流き電変電所のき電遮断器をトリップする様子を示す説明図。 本発明の実施例２による直流地絡検出システムの全体構成図。 本発明の実施例２による移動平均電圧（５分間）の計算例を示す説明図。 定常時における電車移動負荷によるレール−アース間電圧と移動平均電圧（５分間）の波形図。 電車移動負荷中における高抵抗地絡事故によるレール−アース間電圧と移動平均電圧（５分間）の波形図。 同一路線の１５変電所におけるレール電圧の最大・最小値および移動平均（５分間）最大値の例を示す説明図。 従来の直流地絡検出システムの一例を示す全体構成図。 従来における直流ケーブルの絶縁劣化の検出方式の一例を示す説明図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本実施例１による直流地絡検出システムを示し、図２１と同一部分は同一符号をもって示し、その説明は省略する。図１において、複数のき電変電所（図１の例では２１〜２３）毎に各々電圧制限装置（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ；以下ＶＬＤと称することもある）５０およびＶＬＤ制御・データ収集装置５１が設けられ、全変電所群を監視制御する地絡判別装置６０を備えている。

電圧制限装置５０はレール３７−アース３８間に介挿された短絡スイッチを有し、レール−アース間電位が閾値以上のとき、ＶＬＤ制御・データ収集装置５１によって自動投入される（閉合される）。

５２は電圧制限装置５０の短絡スイッチを通過する電流を検出する電流検出器、５３は電流検出器５２の電流検出値をＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）としてＶＬＤ制御・データ収集装置５１に入力する電流変換器、５４はレール３７−アース３８間の電圧（電圧制限装置５０の短絡スイッチの両端電圧）を検出してレール−アース間電圧（Ｖｖｌｄ）としてＶＬＤ制御・データ収集装置５１に入力する電圧変換器である。

ＶＬＤ制御・データ収集装置５１は、電流変換器５３からのＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）と電圧変換器５４からのレール−アース間電圧（Ｖｖｌｄ）を計測し（収集し）、当該ＶＬＤ５０の投入（短絡スイッチの閉合）、開放を制御する機能、地絡判別装置６０との間で前記ＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）、レール−アース間電圧（Ｖｖｌｄ）等の電気情報を含む各種情報を送受信する機能、後述する地絡判別装置６０からのトリップ指令を受けて、地絡事故有りと判別された事故区間のき電遮断器をトリップする機能等を有している。

地絡判別装置６０は、ＶＬＤ制御・データ収集装置５１から送信されてきた電気情報に基づいて、ＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）の電流値、通流時間、通流方向等から地絡事故・区間を判別する機能や、地絡事故有りと判別された事故区間のき電遮断器（およびその近傍のき電区間のき電遮断器）をトリップさせるトリップ指令を、ＶＬＤ制御・データ収集装置５１に送出する機能等を有している。

３５ａ〜３５ｄは、電流検出器３４ａ〜３４ｄの各検出電流を保護・計測装置３６ａ〜３６ｄに入力するための電流変換器である。

尚、本実施例１ではＶＬＤ５０、電流検出器５２、電流変換器５３、電圧変換器５４およびＶＬＤ制御・データ収集装置５１によって、本発明の電圧制限手段を構成している。

また本実施例１では、地絡判別装置６０によって本発明の地絡判別手段を構成している。

ここで、電圧制限装置５０（ＶＬＤ）の動作閾値について述べる。

ＶＬＤは、“人体がレールに接触した場合の接触許容電圧を規定した規格ＩＥＣ６２１２８−１／ＥＮ５０１２２−１”に基づいて設置されている。接触許容電圧は、１２０ＶＤＣの場合は連続、１５０ＶＤＣでは３００秒以内及び３００ＶＤＣ時は０．６秒以内と規定されている。

ＶＬＤ投入（短絡スイッチの閉合）によりレール電位低下を行って人体の安全を確保する機能が要求されているので、ＶＬＤ動作に関する閾値はこれを満足する範囲の設定となる。

本発明では、このＶＬＤ機能を利用して地絡事故と事故区間の判別を行うものである。

次に、上記のように構成された直流地絡検出システムの動作を、図１および図１の要部処理を示す図２とともに説明する。

例えば直流き電変電所２２のき電区間における下りき電線３２Ｄとアース３８の間で地絡事故（地絡抵抗はＲｇ）が発生する（過程（１））と、直流き電においてレールは非接地であるためアース電位がレール電位より高くなって、レール３７−アース３８間の電位（Ｖ）が上昇する（過程（２））。

レール−アース間電圧（Ｖｖｌｄ）がＶＬＤ制御の閾値以上になると、ＶＬＤ制御・データ収集装置５１は、ＶＬＤ５０を自動投入させ（過程（３））、電流変換器５３、電圧変換器５４を介して収集したＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）およびレール−アース間電圧（Ｖｖｌｄ）の電気情報を地絡判別装置６０に送信する（過程（４））。

地絡判別装置６０は、受信した前記電気情報に基づいて地絡判別処理を行い、判別した事故区間のき電変電所のき電遮断器に対してトリップ指令を送出する（過程（５））。

前記トリップ指令を受信したＶＬＤ制御・データ収集装置５１は、地絡事故有りと判別された事故区間のき電変電所のき電遮断器をトリップさせる（過程（６））（具体的には、現地配電盤及び連絡遮断装置を介して該当する事故区間のＨＳＣＢ群（直流高速度遮断器３３）に対してトリップ指令を送出してトリップする）。

このトリップ指令により地絡事故区間がき電停止となり（過程（７））、地絡事故が除去される。

尚、前記連絡遮断装置とは、き電回路の短絡・地絡等の重故障が発生したとき、隣接変電所間において相互にき電遮断器開放信号を伝搬する装置であり、き電区間の電路遮断に使用される。

前記地絡判別装置６０が行う地絡判別処理は、ＶＬＤ５０（の短絡スイッチ）の通過電流値とその通流時間から、例えば次の３つの検出方式を実行する。
（１）検出方式１
隣接する２つのき電変電所の中間点において地絡事故が発生した場合、事故電流は当該２つのき電変電所に分流する。そこで当該２変電所に、例えば３００Ａ以上のＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）が例えば３０秒以上継続して流れた場合に地絡事故有りと判断する。
（２）検出方式２
１つのき電変電所近傍において地絡事故が発生した場合、事故電流は当該変電所に集中して流れる。そこで単一変電所において、例えば５００Ａ以上のＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）が例えば３０秒以上継続して流れた場合に地絡事故有りと判断する。
（３）検出方式３
（２）と同様に、単一変電所において、例えば２００Ａ以上のＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）が例えば６０秒以上継続して流れた場合に地絡事故有りと判断する。
（４）ＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）の極性と各種状況について
前記（１）〜（３）の検出方式は、地絡事故時に、大地（アース３８）からレール（３７）へ流れる電流方向（この電流方向を＋極性とする）に限定する。

すなわち、レール−アース間電圧（Ｖｖｌｄ）が閾値を超えたことによりＶＬＤ５０が投入されると、電車は移動負荷であるためＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）は双方向の極性（＋と−）が生じるが、地絡の場合はアース３８側からレール３７への電流方向（＋極性）となるため、地絡であると判断することができる。

図３〜図８に、き電設備に流れる電流の経路例を示す。図３〜図８は図１のき電設備を簡略化した構成図であり、４つのき電変電所ＳＳ−１〜ＳＳ−４の例を示し、き電線は１本のき電線３２で表し、電流経路に関する要素のみを図示している。

図３は、電車７０がき電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間のき電線３２下を走行しており、４つの変電所のき電区間毎に設けられたＶＬＤ５０−１〜５０−４は全て開放状態にある。

このためき電変電所ＳＳ−２からは、図示破線の矢印に示すように、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→直流電源３０の負極のループで電流が流れ、き電変電所ＳＳ−３からも同様のループで電流が流れる。

図３の場合、全てのＶＬＤ５０−１〜５０−４が開放状態にあるためＶＬＤ通過電流Ｉｖｌｄ≒０Ａである。

図４は、電車７０がき電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間のき電線３２下を走行しており、き電変電所ＳＳ−３側のＶＬＤ５０−３のみが閉合状態にある。

このため、き電変電所ＳＳ−２からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→直流電源３０の負極のループで電流が流れ、き電変電所ＳＳ−３からも同様のループで電流が流れる。

図４の場合、ＶＬＤ５０−３が閉合されているものの、隣接するＶＬＤ５０−２が開放状態にあるため電流の通流経路は形成されず、ＶＬＤ通過電流Ｉｖｌｄ≒０Ａである。

したがってＶＬＤ５０−３の閉合は、単なる負荷による電位上昇などの理由で閉合されたものであり、地絡事故有りとは判定されない。

図５は、電車７０がき電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間のき電線３２下を走行しており、全てのき電変電所ＳＳ−１〜ＳＳ−４側のＶＬＤ５０−１〜５０−４が閉合状態にある。

このため、き電変電所ＳＳ−２からは、図示破線の矢印に示すように、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→直流電源３０の負極のループで電流が流れる。

またき電変電所ＳＳ−３からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→ＶＬＤ５０−２→アース３８→ＶＬＤ５０−３→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流と、電車７０を通った後、レール３７→直流電源３０の負極へ分流する電流とが流れる。

これら全てのＶＬＤ５０−１〜５０−４の通過電流の大きさ、時間及び極性を測定・比較することにより、正確な地絡事故区間の判別が行える。すなわち、図５の場合、ＶＬＤ５０−２の通過電流極性が「−」であるため負荷電流とみなすことができ、またＶＬＤ５０−３の通過電流極性は「＋」であるが通流電流値は地絡電流のような大電流ではなく地絡事故有りと誤判定することはない。

図６は、電車７０が走行していない無負荷時にき電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間のき電線３２で地絡事故が発生した場合を表し、全てのき電変電所ＳＳ−１〜ＳＳ−４側のＶＬＤ５０−１〜５０−４が閉合状態にある。

このため、き電変電所ＳＳ−２からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→図示地絡点→アース３８→ＶＬＤ５０−２→レール３７→直流電源３０の負極のループで電流が流れ、き電変電所ＳＳ−３からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→図示地絡点→アース３８→ＶＬＤ５０−３→レール３７→直流電源３０の負極のループで電流が流れる。

これら全てのＶＬＤ５０−１〜５０−４の通過電流の大きさ、時間及び極性を測定・比較することにより、正確な地絡事故区間の判別が行える。すなわち、図６の場合、隣接するＶＬＤ５０−２とＶＬＤ５０−３の通過電流極性がともに「＋」であり、地絡電流のため通過電流値が閾値以上となり、図２で述べた検出方式１に該当し、き電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間の区間で地絡事故有りと判別することができる。

図７は、電車７０がき電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間のき電線３２下を走行中に、該区間で地絡事故が発生した場合を表し、全てのき電変電所ＳＳ−１〜ＳＳ−４側のＶＬＤ５０−１〜５０−４が閉合状態にある。

このため、き電変電所ＳＳ−２からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流と、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→図示地絡点→アース３８→ＶＬＤ５０−２→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流とが流れる。

またき電変電所ＳＳ−３からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→図示地絡点→アース３８→ＶＬＤ５０−３→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流と、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流とが流れる。

尚、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→ＶＬＤ５０−２→アース３８→ＶＬＤ５０−３→レール３７→直流電源３０の負極のループでは、ＶＬＤ５０−２においてアース３８からレール３７方向に流れる地絡電流の方が大きいため電流は流れない。

これら全てのＶＬＤ５０−１〜５０−４の通過電流の大きさ、時間及び極性を測定・比較することにより、正確な地絡事故区間の判別が行える。すなわち、図７の場合、隣接するＶＬＤ５０−２とＶＬＤ５０−３の通過電流極性がともに「＋」であり、地絡電流のため通過電流値が閾値以上となり、図２で述べた検出方式１に該当し、き電変電所ＳＳ−２とＳＳ−３の間の区間で地絡事故有りと判別することができる。

図８は、き電変電所ＳＳ−３がタイポストＴＰ（電圧降下対策のため上り下りき電線を直流高速度遮断器を介して接続した設備）で構成され、電車７０が、タイポストＴＰ側のき電線３２下を走行中にき電変電所ＳＳ−２近傍のき電線３２で地絡事故が発生した場合を表し、全てのき電変電所ＳＳ−１〜ＳＳ−４側のＶＬＤ５０−１〜５０−４が閉合状態にある。

このため、き電変電所ＳＳ−２からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→図示地絡点→アース３８→ＶＬＤ５０−２→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流と、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→電車７０→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流とが流れる。

またき電変電所ＳＳ−４からは、直流電源３０の正極→直流母線３１→き電線３２→タイポストＴＰ→き電線３２→図示地絡点→ＶＬＤ５０−４→レール３７→直流電源３０の負極のループの電流と、タイポストＴＰから分流して電車７０→ＶＬＤ５０−３→アース３８→ＶＬＤ５０−４→レール３７→直流電源３０の負極に流れる電流と、電車７０から分流してレール３７→直流電源３０の負極に流れる電流とが流れる。

これら全てのＶＬＤ５０−１〜５０−４の通過電流の大きさ、時間及び極性を測定・比較することにより、正確な地絡事故区間の判別が行える。すなわち、図８の場合、ＶＬＤ５０−２の通過電流極性は「＋」、ＶＬＤ５０−３の通過電流極性は「−」、ＶＬＤ５０−４の通過電流極性は「＋」であり、隣接する２つのＶＬＤの通過電流極性が「＋」どうしではないため、図２で述べた検出方式１では地絡事故有りと判定することができない。

しかし、１つのき電変電所ＳＳ−２側のＶＬＤ５０−２の通過電流値が閾値以上となり、且つ電流極性が「＋」であるため、図２で述べた検出方式２又は３によって地絡事故有りと判定することができる。

図３〜図８のように、ＶＬＤ５０の通過電流極性および通過電流の大きさに基づいて地絡事故を判定しているので、地絡事故の誤判定を防ぐことができる。

また図３〜図８のように、事故点が２つの隣接するき電変電所の中間位置であるか、１つのき電変電所の近傍であるか、電車負荷の有無、ＶＬＤ５０の閉合、開放の状態等、多くの状況を判断基準としているので、より正確に地絡事故区間を判別することができる。
（５）ＶＬＤ５０の動作頻度の低減および地絡判別の閾値設定について
地絡検出を確実に行うためには、整定値を小さく設定してＶＬＤ５０の動作頻度を低減させる必要がある。ただし、規格ＩＥＣ６２１２８−１／ＥＮ５０１２２−１を満足する閾値とする。例えばＶＬＤの最小整定値を１００ＶＤＣ・３秒継続とし、路線全体で１日数度の開閉動作に限定する。

本実施例１では、電車７０による大容量移動負荷の影響を考慮したシミュレーションを行って誤動作しない適正な閾値を選定するようにした。

すなわち、本発明の他の実施形態例として、地絡判別装置６０に設けた地絡判別閾値設定手段によって、電車による大容量移動負荷の影響を考慮した地絡事故のシミュレーションを以下のように実施して、地絡事故の判別の閾値を設定した。

図９は、地絡事故のシミュレーションを行った直流き電の設備の構成例を示している。図９においてＴＥ０１からＴＥ０９およびＲＴＳは所定間隔で設置されるき電変電所を示し、ＥＦ２は発生させた地絡事故の位置を示している。

シミュレーション時の試験条件は、電車走行中であり、き電変電所ＴＥ０４とＴＥ０５の間の中間位置にて、地絡抵抗１Ωで地絡を発生させ、各き電変電所に設けるＶＬＤ（５０）は正常な運用状態（最初は開放状態）とした。

シミュレーション結果を図１０〜図１５に示す。

図１０はシミュレーションを開始し、１０秒後に地絡を発生させ、それによりレール−大地間の電位が上昇し、各ＶＬＤの電圧が電圧閾値３００Ｖ以上となっていることを示している。

図１１は、各ＶＬＤの開放、閉合状態を表している。地絡事故発生時刻において、ＶＬＤ電圧が３００Ｖ以上になったため全ＶＬＤが閉合している。その後、例えばＴＥ０１，ＴＥ０９の各ＶＬＤは、地絡事故位置（ＥＦ２）から遠いため、地絡事故位置に近いＴＥ０４，ＴＥ０５のＶＬＤよりも短い時間で復帰（開放）している。その他のき電変電所側のＶＬＤが閉合している時間は負荷の影響でバラツキがある。

図１２は地絡事故電流の波形を表しており、地絡を発生させてから７１２Ａの事故電流が流れ、３０秒後に地絡事故区間のき電遮断器をトリップさせたため電流値がゼロになったことを示している。

図１３は地絡事故位置に隣接する２つのき電変電所ＴＥ０４とＴＥ０５の各ＶＬＤの通過電流（Ｉｖｌｄ）を表し、電流値は３６８Ａ、４０６Ａとなり、図２で述べた検出方式１の閾値である３００Ａを超え、且つ３０秒を継続していることを示している。

図１４は、前記検出方式１の閾値を満足したため、地絡事故発生の３０秒後にき電変電所ＴＥ０４，ＴＥ０５の各き電遮断器にトリップ信号を送出したことを示している。

図１５は、図１４のようにトリップ信号が送出されたことにより、き電変電所ＴＥ０４，ＴＥ０５から隣接の変電所へ連絡遮断信号が送出されたことを表し、ＴＥ０４からの連絡遮断信号を受信し、関連するき電変電所ＲＴＳ−Ｒの直流高速度遮断器（ＨＳＣＢ）をトリップし、ＴＥ０５からの連絡遮断信号を受信し、関連するき電変電所ＴＥ０６−Ｌの直流高速度遮断器（ＨＳＣＢ）をトリップしたことを示している。

図９〜図１５のようなシミュレーションを行うことにより、地絡判別処理における閾値を、誤動作が生じない適正な閾値に選定することができる。

尚、地絡判別装置６０における地絡事故判別の閾値、例えば検出方式１のＶＬＤ通過電流値３００Ａ、電流継続時間３０秒、検出方式２のＶＬＤ通過電流値５００Ａ、電流継続時間３０秒、検出方式３のＶＬＤ通過電流値２００Ａ、電流継続時間６０秒等は、これらに限らず他の値に設定してもよい。

また、他の実施形態例として、地絡判別後にき電遮断器をトリップした後に、き電回路の再閉路機能を利用することにより、正常区間は再加圧されるが事故区間のみを電路遮断状態とすることができる。

また他の実施形態例として、地絡判別装置６０の各機能を、例えば１：Ｎ形の集中監視装置に備えるように構成してもよい。すなわち、各き電変電所におけるＶＬＤ閉合後のＶＬＤ通過電流を集中監視装置へ送信し、該集中監視装置がＶＬＤ電流群の分布（各ＶＬＤ通過電流の状態）より事故区間を判別し、この装置から該当するき電変電所に対しき電遮断器の開放指令を送出するものである。

以上のように本実施例１によれば、次のような効果が得られる。
（１）地絡時において、ＶＬＤ投入後のＶＬＤ通過電流の大きさ・時間及び極性を測定・比較することにより、より正確な地絡事故区間の判別が可能となる。
（２）また、事故検出された変電所に対するき電遮断器の開放と、連絡遮断装置による隣接変電所のき電遮断器開放によって、事故区間を含む限定された区間の電路遮断が可能である。
（３）さらに、き電回路の再閉路機能を利用すれば、正常区間は再加圧されるが事故区間のみを電路遮断の状態とすることができる。

直流電気鉄道設備における絶縁劣化等で生じる微地絡発生は、き電回路の保護領域に至らず、一般的には潜在化しやすい現象である。本実施例２では、後述する移動平均電圧方式を用いることにより、絶縁劣化等で生じる保護領域に至らない微地絡現象も把握することができるようにした。

まず、従来における直流ケーブルの絶縁劣化の検出方式の一例を図２２とともに説明する。図２２では、き電ケーブル１００の電流を変流器ＣＴにより検出してケーブル絶縁状態監視装置２００により絶縁劣化を監視する構成となっている。

き電ケーブル１００毎の監視となるので、単一の変電所においてもケーブルの条数分の検出回路が必要であり、路線全体では多大な設備とコストを必要とする。また、絶縁劣化は、線路側に点在する絶縁碍子等においても経年劣化により生じうるため、鉄道路線全体のき電回路を網羅しているものではなかった。

図１６は本実施例２による直流地絡検出システムを示し、図１と同一部分は同一符号をもって示している。図１６において図１と異なる点は、地絡判別装置６０に、ＶＬＤ制御・データ収集装置５１から送信されたレール−アース間電圧を一定時間単位で移動平均演算し、該演算された移動平均電圧が閾値を超えたときに地絡有りと判断する機能を設けたことにあり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

図１６の構成において、例えば直流き電変電所２２のき電区間における下りき電線３２Ｄとアース３８の間で絶縁劣化又は地絡が発生する（過程（１））と、直流き電においてレールは非接地であるためアース電位がレール電位より高くなって、レール３７−アース３８間の電位が上昇する（過程（２））。

地絡判別装置６０では、ＶＬＤ制御・データ収集装置５１から送信されるレール電位（Ｖｖｌｄ）を常時監視し（過程（３））、一定時間単位に移動平均を演算し、随時データをトレースし、閾値を超過した場合に地絡有りと判定し警報を発報する（過程（４））。

前記閾値は、例えば（定常時の最大移動平均電圧＋裕度）に設定しておく。

ＶＬＤが無いシステムにおいても、常時、レール電位を計測すれば、本実施例２の移動平均電圧演算方式による高抵抗地絡判別を適用することができる。

前記過程（４）により地絡有りと判定された場合、地絡によって広域にレール電位（Ｖｖｌｄ）が上昇するので、地絡事故区間を特定することは困難であるため、次のアクションを行う必要がある。

まず、例えば営業終了後の無負荷状態及びき電加圧状態において疑わしい区間全体の全ＶＬＤを投入し、ＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）の分布を確認する。地絡電流事故電流は事故区間に集中するので、その現象を確認し事故区間を特定する。

次に、移動平均電圧演算を含め、関連する項目を説明する。

（１）定常時におけるレール電圧波形と移動平均電圧
図１７に移動平均電圧の計算法の例を、図１８に、ある変電所の定常時におけるレール−アース間のレール電位（Ｖｖｌｄ）波形と５分間の移動平均の波形の例を示す。図１８において、実負荷により電位変動は激しく変化しているが、５分間の移動平均電圧は安定した領域で変化する。

（２）高抵抗地絡発生時におけるレール電圧波形と移動平均電圧
図１９に、絶縁劣化等による微地絡発生により２０Ｖの電位上昇が生じた場合のレール電位（Ｖｖｌｄ）波形と５分間の移動平均の波形の例を示す。図１９によれば、移動平均電圧波地絡後ΔＴの間で１４Ｖ→３４Ｖへ徐々に上昇していく傾向が判別できる。

図２０は、同一路線（直流７５０Ｖき電システム）の１５変電所におけるレール電圧の最大・最小値及び移動平均（５分間）最大値の例を比較したものであり、移動平均最大値は最大でも＋２０Ｖ程度であった。

本実施例２では、＋２０Ｖ程度の裕度を確保し、最大移動平均電圧２０Ｖ＋裕度２０Ｖ＝＋４０Ｖを前記地絡判別の閾値としている。

（３）ＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）の極性
上記（１）及び（２）項の検出方式は、地絡時における大地（アース）からレールへ流れる電流方向（＋極性とする）に限定する。ＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）の極性については前記図６と同一となる。その理由は、図６に示すように、ＶＬＤ投入後、無負荷状態における地絡の場合はアース側からレールへの電流方向となるため極性が限定できる。

（４）ＶＬＤの動作頻度の低減
知絡検出を確実に行うためにＶＬＤの動作頻度を低減させる。規格ＩＥＣ６２１２８−１／ＥＮ５０１２２−１を満足する閾値とするが、直流７５０Ｖのき電システムにおいて、レール電位は最大１２０Ｖ超が１日に数度発生と規格では想定されているが、実測ではピーク時間は２秒以下程度のためＶＬＤの閉動作閾値の設定によってＶＬＤの閉動作を大幅に低減できる（ＶＬＤの最小整定値を１２０ＶＤＣ・３秒以上とすれば路線全体で１日数度の開閉動作に限定することが可能である）。

以上のように本実施例２によれば、次のような効果が得られる。

（１）直流電気鉄道設備における絶縁劣化等で生じる微地絡発生は、き電回路の保護領域に至らず、一般的には潜在化しやすい現象である。本発明の移動平均電圧方式を用いることにより、絶縁劣化等で生じる保護領域に至らない微地絡現象が把握できる。

（２）さらに、例えば営業終了後のき電加圧かつ無負荷状態において疑わしい区間全体の全ＶＬＤを投入し、地絡事故電流が事故区間のＶＬＤに集中する特性を利用してＶＬＤ通過電流（Ｉｖｌｄ）の分布を確認することによって、事故区間を特定することができる。

（３）２４時間稼動のシステムであり、事故区間の判別が可能となることにより保守力が向上する。

（４）電車負荷によってレール電位（Ｖｖｌｄ）は変動し、ＶＬＤは閾値に基づいて開閉する。ＶＬＤ閉合によりレール電位は低下するが閉合時間は秒単位であり、また動作頻度も少ないため、分単位設定の移動平均方式はＶＬＤ開閉の影響をほとんど受けない利点がある。

（５）ＶＬＤが装備されている設備であれば、大きな設備投資は不要である。

（６）ＶＬＤが無い設備においても、レール電位が計測できる設備であれば移動平均電圧演算方式による高抵抗地絡判別システムは適用できる。また、事故区間の判別は、無負荷状態において段階的にき電加圧を行い、レール電位上昇する区間、すなわち電流が集中する区間の特定を行えば可能である。

２１〜２３、ＳＳ−Ａ〜ＳＳ−Ｃ、ＳＳ−１〜ＳＳ−４…直流き電変電所
３０…直流電源
３１…直流母線
３２、３２Ｄ、３２Ｕ…き電線
３３…直流高速度遮断器
３３ａ〜３３ｄ…主接点
３４ａ〜３４ｄ、５２…電流検出器
３５ａ〜３５ｄ、５３…電流変換器
３６ａ〜３６ｄ…保護・計測装置
３７…レール
３８…アース
５０、５０−１〜５０−４…電圧制限装置（ＶＬＤ）
５１…ＶＬＤ制御・データ収集装置
５４…電圧変換器
６０…地絡判別装置
６４Ｐ…地絡過電圧継電器
７０…電車

Claims (13)

1. 複数のき電変電所からき電線を介して電車に直流電力を供給する直流電気鉄道の直流地絡検出システムであって、
   前記各き電変電所のき電区間毎に各々設けられ、レール−アース間に介挿されてレール−アース間電圧が設定電圧以上となったとき閉合する短絡スイッチを有し、レール−アース間電圧と、短絡スイッチの閉合後に該短絡スイッチを通過する電流とを含む電気情報を収集する電圧制限手段と、
   前記各電圧制限手段で収集された電気情報に基づいて、前記短絡スイッチ通過電流の電流値、通流時間および通流方向から地絡事故を判別する地絡判別手段と、
   を備えた直流電気鉄道の直流地絡検出システム。
2. 前記各電圧制限手段と地絡判別手段間でデータの授受が可能に構成され、
   前記電圧制限手段は前記収集された電気情報を地絡判別手段に送出し、前記地絡判別手段は、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップする指令を電圧制限手段に送出し、前記電圧制限手段は、前記トリップ指令によって、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップする機能を有している請求項１に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システム。
3. 前記地絡判別手段は、地絡事故有りと判別した事故区間近傍のき電区間のき電遮断器をトリップする指令も電圧制限手段に送出し、前記電圧制限手段は、前記トリップ指令によって、前記事故区間近傍のき電区間のき電遮断器をトリップする機能を有している請求項２に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システム。
4. 複数のき電変電所からき電線を介して電車に直流電力を供給する直流電気鉄道の直流地絡検出方法であって、
   前記各き電変電所のき電区間毎に各々設けられ、レール−アース間に介挿されてレール−アース間電圧が設定電圧以上となったとき閉合する短絡スイッチを有した電圧制限手段を備え、
   前記各電圧制限手段が、レール−アース間電圧と、短絡スイッチの閉合後に該短絡スイッチを通過する電流とを含む電気情報を収集する情報収集ステップと、
   地絡判別手段が、前記各電圧制限手段で収集された電気情報に基づいて、前記短絡スイッチ通過電流の電流値、通流時間および通流方向から地絡事故を判別する地絡判別ステップと、
   を備えた直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
5. 前記各電圧制限手段と地絡判別手段間でデータの授受が可能に構成され、
   前記電圧制限手段が、前記収集された電気情報を地絡判別手段に送出するステップと、
   前記地絡判別手段が、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップする指令を電圧制限手段に送出するステップと、
   前記電圧制限手段が、前記トリップ指令によって、少なくとも地絡事故有りと判別した事故区間のき電遮断器をトリップするステップと、
   を備えた請求項４に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
6. 前記地絡判別ステップは、隣接する２つのき電変電所の各き電区間に設けられた電圧制限手段で収集された前記短絡スイッチの通過電流値が設定値以上であり、且つ短絡スイッチの通過電流の通流時間が設定時間以上であるとき地絡事故であると判定する請求項４又は５に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
7. 前記地絡判別ステップは、１つのき電変電所のき電区間に設けられた電圧制限手段で収集された前記短絡スイッチの通過電流値が設定値以上であり、且つ短絡スイッチの通過電流の通流時間が設定時間以上であるとき地絡事故であると判定する請求項４又は５に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
8. 前記地絡判別ステップは、前記電圧制限手段で収集された短絡スイッチの通過電流の通流方向が、大地からレールに向かう方向であるとき、地絡事故であると判定する請求項４ないし７のいずれか１項に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
9. 前記地絡判別ステップは、複数のき電区間における、電車負荷の有無状況および電圧制限手段の短絡スイッチの閉合、開放の状況を含む状況を、地絡事故判別の判断基準として判別を行う請求項４ないし８のいずれか１項に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
10. 地絡判別閾値設定手段が、電車による大容量移動負荷の影響を考慮した地絡事故のシミュレーションを実施して、地絡事故の判別の閾値を設定するステップを備えた請求項４ないし９のいずれか１項に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出方法。
11. 前記地絡判別手段は、前記収集されたレール−アース間検出電圧を一定時間単位で移動平均演算し、該演算された移動平均電圧が閾値を超えたときに地絡有りと判別する請求項１に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システム。
12. 前記閾値は、定常時の最大移動平均電圧に裕度を加算した値に設定されている請求項１１に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システム。
13. 前記地絡判別手段は、前記各き電変電所のき電区間を、無負荷状態でき電加圧したときに、前記電圧制限手段で収集された各き電区間における短絡スイッチの通過電流の分布に基づいて地絡事故区間を特定する請求項１１又は１２に記載の直流電気鉄道の直流地絡検出システム。

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