JP2020093585A - 地絡電流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レール電位上昇により接地からレールに流れる地絡電流を速やかに遮断して、保護対象となる付帯機器内への地絡電流の流入を抑制する。【解決手段】地絡電流遮断装置５０は、レール４とＡ種接地３ａとの間に接続されたレールの付帯機器（例えば、踏切設備）１９が配設されている鉄道沿線において、き電回路の地絡事故が生じた際、踏切設備１９の損傷を防止するものである。地絡電流遮断装置５０は、地絡電流Ｉを遮断するヒューズ５１を有している。ヒューズ５１は、踏切設備１９に設けられた雷サージ保護用の保安器３２とＡ種接地３ａとの間に接続され、地絡事故に起因するレール４の電位上昇により、Ａ種接地３ａから保安器３２を通してレール４に流れる地絡電流Ｉをトリガにして溶断し、地絡電流Ｉを遮断する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道レールの付帯機器の損傷を防止するための地絡電流遮断装置に関するものである。

図１５は、従来の直流き電回路における地絡現象を説明するための地絡電流経路及び電位分布を示す図である。
直流き電回路は、列車に電力を供給する設備である変電所１で生成された直流（ＤＣ）電圧（例えば、１５００Ｖ）のＤＣ電流を、送電線であるき電線と、このき電線に接続されて列車のパンタグラフと接触するトロリ線（以下「トロリ線・き電線」という。）２へ送電し、図示しない列車と大地３に敷設されたレール４とを介して変電所１へ帰還させる回路である。

レール４の近傍の大地３には、電柱５が立設されている。電柱５の上部には、水平方向に支持棒６が取り付けられ、この支持棒６により、碍子７を介してトロリ線・き電線２が吊架されている。又、レール４の近傍の大地３には、駅構造物等の構造物８が設置されている。
変電所１とレール４を含む電車線路とには、例えば、雷撃、飛来物、鳥、ヘビ、倒木等により、地絡事故が発生する。この時、大地３に流出したき電電流が図示しない信号機器に流れ込み、信号機器が焼損することがある。地絡事故は、変電所１において電流の大きさや変化量を監視する現在のシステムでは検知することが困難である。このため、地絡電流は長時間（秒単位、分単位）流れることがあり、被害が大きく拡大する傾向がある。

図１５には、地絡電流経路及び電位分布として、レール対地抵抗Ｒ１、レール電位Ｖ１の上昇、構造物８の地絡抵抗Ｒ２、及び構造物電位Ｖ２の上昇、地絡電流Ｉの流れる様子が、実線矢印及び破線矢印で示されている。
図１５において、例えば、トロリ線・き電線２から碍子７を介して支持棒６へ地絡９が発生した場合、地絡電流Ｉは、その地絡点から電柱５を介して大地３に流出し、大地３からレール４に吸い上がって変電所１に戻る。
この時、構造物電位Ｖ２は正極側に上昇し、レール電位Ｖ１は負極側に上昇する。一般的に、地絡事故でレール電位Ｖ１が上昇すると、レール４の付帯機器である図示しない信号機器に障害が発生することが多い。

図１６は、従来の信号機器（例えば、踏切設備）への地絡電流侵入経路を示す図であり、図１５中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
信号機器の一つである踏切設備１０は、レール４上を走行する列車の位置の情報によって警報の開始及び終了を行うものであり、踏切制御子箱２０、踏切器具箱３０、及び踏切制御回路４０等により構成されている。踏切制御子箱２０は、列車の通過を検知するセンサ（例えば、踏切制御子）２１と、雷サージ電流の侵入からその踏切制御子２１を保護する放流形保安器２２，２３等と、を収容している。踏切器具箱３０は、踏切制御子箱２０にＤＣ電圧を供給する整流器等のＤＣ電源３１と、雷サージ電流の侵入からその踏切器具箱３０に収容される機器（ＤＣ電源３１等）を保護する放流形保安器３２等と、を収容している。更に、踏切制御回路４０は、例えば、踏切器具箱３０内に設けられ、踏切制御子２１等が列車の通過を検知すると、この検知信号に基づき、警報機の鳴動／停止や、遮断機の上げ下げを制御するものである。

例えば、トロリ線・き電線２に地絡９が発生すると（第１ステップＳＰ１）、レール電位Ｖ１が負極性側に上昇する（第２ステップＳＰ２）。レール電位Ｖ１が上昇すると、レール４に接続された踏切制御子箱２０内の保安器２３が放電する（第３ステップＳＰ３）。すると、上昇したレール電位Ｖ１が、踏切器具箱３０に侵入し、この踏切器具箱３０内の保安器３２も放電する（第３ステップＳＰ３）。これにより、大地３から踏切器具箱３０内に地絡電流Ｉの一部が侵入し（第４ステップＳＰ４）、保安器３２、及び踏切制御子箱２０内の保安器２３，２２を介して地絡電流Ｉがレール４に戻るという経路が形成される。この時、地絡電流Ｉの電流値や地絡継続時間によっては、保安器２２，２３，３２の焼損・焼失となり、更に、踏切制御子２１等の損傷に至ることがある。

特開２０１７−１３５４７号公報

従来の図１６に示す踏切設備１０では、過電圧対策として、Ａ種接地に接続された放流形保安器２２２３，３２により、等電位化及び対地電圧抑制を行っている。但し、保護対象は雷サージであり、地絡電流Ｉは考慮していない。このため、地絡電流Ｉの大きさや地絡継続時間によっては、保安器２２，２３，３２に流れる電流量が大きくなり、この保安器２２，２３，３２が焼失し、保安器焼失部で発生するアーク熱による踏切制御子箱２０及び踏切器具箱３０内の電気回路の損傷、或いは保安器焼失による電気回路への過電圧印加による損傷が生じる。
これを防止する装置として、例えば、特許文献１に記載された地絡保護装置が知られている。

図１７は、特許文献１に記載された従来の地絡保護装置１５の原理を説明するための構成図である。
レール４と大地３との間に、保護対象となる信号機器１４が設けられている。信号機器１４を地絡電流Ｉから保護するために、この信号機器１４に対して並列に、地絡保護装置１５が接続されている。地絡保護装置１５は、レール電位Ｖ１の上昇により、大地３との間に発生する電圧を動作トリガとし、大地３とレール４との間を短絡させ、地絡電流Ｉを大地３からレール４へ直接放流することで、信号機器１４を保護している。
従来の地絡保護装置１５では、地絡電流Ｉを信号機器１４内に流入させないので、保護性能は高い。しかしながら、装置の構成が複雑且つ大型になってしまうため、製造・設置コストがかさんでしまうという課題がある。

本発明の地絡電流遮断装置は、レールと接地との間に接続された前記レールの付帯機器が配設されている鉄道沿線において、き電回路の地絡事故が生じた際、前記付帯機器の損傷を防止するための地絡電流遮断装置であって、前記付帯機器に設けられた雷サージ保護用の保安器と前記接地との間に接続され、前記地絡事故に起因する前記レールの電位上昇により、前記接地から前記保安器を通して前記レールに流れる地絡電流をトリガにして溶断し、前記地絡電流を遮断するヒューズを有する、ことを特徴とする。
例えば、前記ヒューズは、このヒューズの溶断時に流れる電流量が保安器の電流耐量以下となる特性を有している。又、前記ヒューズは、保安器に流れる雷サージ電流では溶断しない特性を有している。
前記付帯機器は、踏切設備等を含む、接地から絶縁された信号機器である。

本発明の地絡電流遮断装置によれば、レール電位上昇により接地からレールに流れる地絡電流をトリガにヒューズが溶断し、接地とレールとの間を絶縁し、地絡電流を速やかに遮断することで、保護対象となる付帯機器内への地絡電流の流入を最小限に抑制している。この地絡電流遮断装置では、主要な部品がヒューズのみであるため、装置の構成が単純且つ小型であり、製造・設置コストを抑えることができる。

本発明の実施例１における信号機器への地絡電流侵入経路を遮断する地絡電流遮断装置を示す図 本発明の地絡保護の原理図 図１中の地絡電流遮断装置５０のヒューズ５１に流れるレール４上の雷サージ電流Ｉｓの電流経路を示す図 地絡時の図１の等価回路を示す図 地絡模擬試験回路を示す図 図５の地絡模擬試験回路における地絡模擬試験波形の代表的な図 図５の地絡模擬試験回路における動作時間特性を示す図 図５の地絡模擬試験回路における遮断時間特性を示す図 図５の地絡模擬試験回路においてヒューズ５１に流れた通電電流量（Ａ・ｓ）を示す図 本実施例１の雷インパルス電流通電試験回路を示す図 図１０の雷インパルス電流通電試験結果を示す図 図１の踏切設備１９の概略を示す構成図 図１２中の地絡電流遮断装置５０の構成例を示す構造図 図１３の地絡電流遮断装置５０の配線構造を示す模式図 従来の直流き電回路における地絡現象を説明するための図 従来の信号機器（例えば、踏切設備）への地絡電流侵入経路を示す図 従来の地絡保護装置１５の原理を説明するための構成図

図２は、本発明を実施するための好ましい形態を説明するための、本発明の地絡保護の原理図である。この図２では、従来の踏切設備への地絡電流侵入経路を示す図１６中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本発明の地絡保護の原理は、大地３とレール４との間に接続された信号機器（例えば、踏切設備）１９を、地絡電流Ｉから保護するために、踏切設備１９と大地３との間に地絡電流遮断装置５０を設け、その地絡電流Ｉを遮断するようにしたことである。地絡電流遮断装置５０は、地絡電流Ｉで溶断するヒューズ５１等を有している。

本発明の地絡電流遮断装置５０は、レール電位Ｖ１の上昇により、図２中の破線矢印で示すように、大地３からレール４に流れる地絡電流Ｉをトリガにして、その地絡電流遮断装置５０内のヒューズ５１を溶断させて、大地３とレール４との間を絶縁し、その地絡電流Ｉを速やかに遮断することで、踏切設備１９内への地絡電流Ｉの流入を最小限に抑制している。
本発明の地絡遮断装置５０は、主要な部品がヒューズ５１のみであるため、装置の構成が単純且つ小型であり、製造・設置コストを抑えることができる。特に、本発明の地絡保護は、保護対象となる信号機器が大地３から絶縁されていることが前提であるため、絶縁状態の確認が可能である踏切設備等の小規模な設備の保護に適している。

（実施例１の構成）
図１は、図２の地絡保護の原理を実現するための本発明の実施例１における信号機器への地絡電流侵入経路を遮断する地絡電流遮断装置を示す図である。この図１では、従来の踏切設備への地絡電流侵入経路を示す図１６中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例１における保護対象となる信号機器は、例えば、従来の図１６と同様に、踏切設備１９である。踏切設備１９は、従来と同様に、レール４上を走行する列車の位置の情報によって警報の開始及び終了を行うものであり、踏切制御子箱２０、踏切器具箱３０、及び踏切制御回路４０等により構成されている。

踏切制御子箱２０は、列車の通過を検知するセンサ（例えば、踏切制御子）２１と、雷サージ電流の侵入からその踏切制御子２１を保護する２つの保安器２２，２３等と、を収容している。踏切制御子２１は、レール４に接続されて、このレール４上にある列車の存在等を検知するものであり、例えば、レール４に電気信号を流して電気回路を構成した軌道回路により構成されている。２つの保安器２２，２３は、直列に接続され、この直列回路が踏切制御子２１に対して並列に接続されている。各保安器２２，２３は、例えば、避雷管、バリスタ等の放流形の保安器により構成され、異常電圧である雷サージ電圧に対し回路インピーダンスを下げて、踏切制御子２１に加わる雷サージ電圧を抑制するものである。

踏切制御子箱２０の図示しない接地線用配線端子と接地（例えば、Ａ種接地）３ａとの間には、踏切器具箱３０が接続されている。踏切器具箱３０には、踏切制御子箱２０に例えばＤＣ電圧を供給するためのＤＣ電源３１、及び保安器３２等が収容されている。ＤＣ電源３１は、交流（ＡＣ）電圧をＤＣ電圧に整流する整流器等で構成されている。保安器３２は、ＤＣ電源３１と踏切器具箱３０の図示しない接地線用配線端子との間に接続され、例えば、放流形の保安器により構成され、異常電圧である雷サージ電圧に対し回路インピーダンスを下げて、踏切器具箱３０内の回路に加わる雷サージ電圧を抑制するものである。

踏切制御回路４０は、例えば、踏切器具箱３０内に設けられ、踏切制御子箱２０及び踏切器具箱３０等を制御し、踏切制御子２１等が列車の通過を検知すると、この検知信号に基づき、警報機の鳴動／停止や、遮断機の上げ下げを制御するものである。
踏切器具箱３０内の保安器３２の接地側端子と、Ａ種接地３ａと、の間には、地絡電流遮断装置５０が直列に接続されている。地絡電流遮断装置５０は、主回路にヒューズ５１を用いており、地絡事故に起因するレール４の電位上昇により、Ａ種接地３ａから保安器３２，２３，２２を通してレール４に流れる地絡電流Ｉをトリガにしてヒューズ５１が溶断し、その地絡電流Ｉを遮断するものである。ヒューズ５１の特性としては、直流１５００Ｖ、４Ａ〜８Ａ（好ましくは直流１５００Ｖ、５Ａ）の特性を有している。

（地絡電流遮断装置５０の動作）
例えば、トロリ線・き電線２に地絡９が発生すると（第１ステップＳＰ１）、レール４のレール電位Ｖ１が負極性側に上昇する（第２ステップＳＰ２）。レール電位Ｖ１が上昇すると、レール４に接続された踏切制御子箱２０内の保安器２２，２３が放電する（第３ステップＳＰ３）。すると、上昇したレール電位Ｖ１が、踏切器具箱３０に侵入し、この踏切器具箱３０内の保安器３２も放電する（第３ステップＳＰ３）。これにより、Ａ種接地３ａから踏切器具箱３０内に地絡電流Ｉの一部が侵入し（第４ステップＳＰ４）、保安器３２、及び踏切制御子箱２０内の保安器２３，２２を介して地絡電流Ｉがレール４に戻るという経路が形成される。この時、地絡電流Ｉの電流値や地絡継続時間によっては、保安器２２，２３，３２の焼損・焼失となり、更に、踏切制御子２１等の損傷に至る恐れがある。これを防止するために、本実施例１では、地絡電流遮断装置５０を設けている。
レール４と踏切器具箱３０側のＡ種接地３ａとの間に発生する電位差に起因してＡ種接地３ａから地絡電流Ｉの一部が流入するので（第４ステップＳＰ４）、その地絡電流Ｉの一部により、地絡電流遮断装置５０内のヒューズ５１が溶断する。そのため、地絡電流遮断装置５０より、Ａ種接地３ａに流れる地絡電流Ｉの一部が速やかに遮断される（第５ステップＳＰ５）。その結果、踏切設備１９への地絡電流Ｉの侵入が最小限に抑制され、踏切設備１９の損傷を防止できる。

（地絡電流遮断装置のヒューズに求められる性能）
地絡電流遮断装置５０のヒューズ５１に求められる性能として、以下の（Ａ）回路電圧、（Ｂ）保安器との協調、及び、（Ｃ）雷サージ保護との協調、の点が重要になる。

（Ａ） 回路電圧
ヒューズ５１が電流を遮断した直後にヒューズ端子間に発生する電圧（回復電圧）は、レール４と大地３との間のレール対地抵抗Ｒ１や、トロリ線・き電線２と大地３との間の地絡抵抗Ｒ２によって異なる。但し、き電電源電圧は直流１５００Ｖであることから、回復電圧が直流１５００Ｖを超えることはない。そのため、ヒューズ５１は、直流１５００Ｖ回路用のヒューズを用いることが望ましい。

（Ｂ） 保安器との協調
踏切制御子箱２０、踏切器具箱３０、及び踏切制御回路４０等により構成される踏切設備１９の損傷は、地絡電流Ｉの一部による保安器２２，２３，３２の焼損・焼失により発生する。地絡電流遮断装置５０としてヒューズ５１を用いた場合には、ヒューズ５１により地絡電流Ｉの一部が完全に遮断されるまで、踏切設備１９内の保安器２２，２３，３２に電流が流れる。そのため、地絡事故９の発生により、ヒューズ５１に電流が流れ始めてから電流が完全に遮断されるまでの電流量（電流・時間積）は、保安器２２，２３，３２が焼損に至らないレベルとしなければならない。踏切設備１９に使用されている保安器２２，２３，３２の電流耐量は、一般的にインパルス電流１０／２００μｓ・８００Ａ通電で３００回である。これを電流量に換算すると２４Ａ・ｓとなる。従って、ヒューズ溶断時に流れる電流量が２４Ａ・ｓ以下であれば保安器２２，２３，３２が焼損することは無く、保安器２２，２３，３２との協調がとれる。
つまり、ヒューズ５１に地絡電流Ｉの一部が流れ始めてから地絡電流Ｉの一部が完全に遮断されるまでの間に流れる電流量により、保安器２２，２３，３２が焼損してしまうことを防ぐために、保安器２２，２３，３２とのヒューズ５１の協調として、ヒューズ溶断時に流れる電流量が保安器２２，２３，３２の電流耐量以下となるヒューズ５１を選定することが必要である。

（Ｃ） 雷サージ保護との協調
図３は、図１中の地絡電流遮断装置５０のヒューズ５１に流れるレール４上の雷サージ電流Ｉｓの電流経路を示す図である。
踏切設備１９内の保安器２２，２３，３２の目的は、雷サージ保護であり、保安器接地線には雷サージ電流Ｉｓが流れる。そのため、Ａ種接地３ａに挿入される地絡電流遮断装置５０のヒューズ５１は、雷サージ電流Ｉｓで溶断してはならない。踏切設備１９は、レール４に直結しているので、このレール４から侵入するサージ電圧が最も厳しい。レール４に発生する雷サージ電圧の最大値は、１０ｋＶ程度と推測され、レール４のサージインピーダンスは、５０Ω〜１００Ωという実測例がある。このことから、レール１本当たりに流れる雷サージ電流Ｉｓは、２００Ａ程度と推測され、左右２本のレール４に流れる雷サージ電流Ｉｓは、４００Ａ程度と思われる。その半分程度が踏切設備１９側に分流したとすると、踏切設備１９側のＡ種接地３ａ（ヒューズ挿入箇所）に流れる雷サージ電流Ｉｓは、図３中の矢印で示すように２００Ａ程度になる。従って、余裕を見て３００Ａの雷サージ電流Ｉｓで溶断しないヒューズ５１であれば、雷サージ保護との協調がとれる。
つまり、保安器２２，２３，３２による雷サージ保護動作（即ち、雷サージ電流Ｉｓを、Ａ種接地３ａを介して大地３へ放流する動作）に支障が出ないようにするために、雷サージ保護とのヒューズ５１の協調は、雷サージ電流Ｉｓでは溶断しない（即ち、地絡電流Ｉに対してのみ溶断する）ヒューズ５１を選定することが必要である。

（地絡模擬試験によるヒューズ遮断特性確認）
ヒューズ５１による遮断性能確認及び保安器２２，２３，３２との協調確認を目的として、直流１５００Ｖ電源を用いた地絡模擬試験回路において、以下の項目（１）〜（３）についてヒューズ溶断試験を実施した。

（１） 地絡時の等価回路
図４は、地絡時の図１の等価回路を示す図である。
例えば、変電所１のＤＣ出力電圧を１５００Ｖ、内部抵抗を０．０４５Ω、トロリ線・き電線２の単線片送りの抵抗Ｒ０を０．０４０９Ω／ｋｍ、インダクタンスＬを１ｍＨ／ｋｍ、レール対地抵抗Ｒ１を５Ω〜５０Ω以上（１ｋｍ当たり）、地絡抵抗Ｒ２を０．１Ω〜１０Ω以上、及び踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３を１０Ωと仮定した。
図４の等価回路において、地絡９の点から大地３に流出した地絡電流Ｉがレール４に戻る回路は、レール対地抵抗Ｒ１を経由する回路と、踏切設備１９を経由する回路と、の並列回路として表される。踏切設備１９を経由する回路は、踏切制御子箱２０、踏切器具箱３０、ヒューズ５１、及び踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３（１０Ω）の直列回路により構成されている。

（２） 試験回路
図５は、図４の等価回路を踏まえて構成した地絡模擬試験回路を示す図である。
図５では、トロリ線・き電線２からレール４への短絡時の地絡電流Ｉの模擬値（電源電流Ｉ０）が１０ｋＡ又は３０ｋＡとなる条件で、レール対地抵抗Ｒ１の模擬値を５Ωとし、電源電流Ｉ０をヒューズ５１とレール対地抵抗Ｒ１の模擬とに分流する回路構成になっている。
即ち、出力１５ＭＶＡの発電機６１で発生させたＡＣ６６００Ｖを、遮断器６２を介して、変圧器６３にてＡＣ１２００Ｖに降圧し、整流器６４にてＤＣの電源電流Ｉ０と電源電圧Ｖ０を生成する。電源電流Ｉ０は、直流高速度遮断器６５、投入器６６、及び、トロリ線・き電線２の抵抗Ｒ０（０．１５Ω又は０．０５Ω）及びインダクタンスＬ（２０ｍＨ又は０ｍＨ）の直列回路を経由し、踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３の模擬（１０Ω，５Ω，２Ω，１Ω）及びヒューズ５１（定格３Ａ，５Ａ，１０Ａ，２０Ａ、ヒューズ端子間電圧Ｖｆ）の直列回路を流れるヒューズ電流Ｉｆと、レール対地抵抗Ｒ１の模擬（５Ω）を流れる電流Ｉｌと、に分流するように構成されている。

（３） 試験結果
図６は、図５の地絡模擬試験回路における地絡模擬試験波形の代表的な図である。
図６は、例えば、ヒューズ５１の定格電流を５Ａ、トロリ線・き電線２とレール４との間の短絡電流を１０ｋＡ、踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３を１０Ω、レール対地抵抗Ｒ１を５Ω、及び、トロリ線・き電線２のインダクタンスＬを２０ｍＨとした場合の波形図である。この図６の横軸は時間（ｍｓ）、縦軸は電流（Ａ）及び電圧（Ｖ）であり、電源電流Ｉ０、ヒューズ端子間電圧Ｖｆ、及びヒューズ電流Ｉｆの波形が示されている。

図７は、図５の地絡模擬試験回路における動作時間特性を示す図であり、横軸が踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３（Ω）、及び縦軸がヒューズ５１の動作時間（ｍｓ）である。図７では、インダクタンスＬ（２０ｍＨ）及びレール対地抵抗Ｒ１（５Ω）の場合の各種定格３Ａ，５Ａ，１０Ａ，２０Ａを有するヒューズ５１の動作時間が測定点として示されている。

図８は、図５の地絡模擬試験回路における遮断時間特性を示す図であり、横軸が踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３（Ω）、及び縦軸がヒューズ５１が溶断する遮断時間（ｍｓ）である。図８では、インダクタンスＬ＝２０ｍＨ及びレール対地抵抗Ｒ１＝５Ωの場合の各種定格３Ａ，５Ａ，１０Ａ，２０Ａを有するヒューズ５１の遮断時間が測定点として示されている。

図９は、図５の地絡模擬試験回路においてヒューズ５１に流れる通電電流量（即ち、保安器３２に流れる通電電流量）（Ａ・ｓ）を示す図であり、横軸が踏切器具箱Ａ種接地抵抗Ｒ３（Ω）、及び縦軸が通電電流量（Ａ・ｓ）である。図９では、インダクタンスＬ（２０ｍＨ）及びレール対地抵抗Ｒ１（５Ω）の場合の各種定格３Ａ，５Ａ，１０Ａ，２０Ａを有するヒューズ５１の通電電流量（Ａ・ｓ）が測定点として示されている。

図６の試番では、定格５Ａのヒューズ５１を用いている。地絡発生と同時にヒューズ５１に電流が流れ始め、その動作時間８．１ｍｓ後にヒューズ５１は溶断し、ヒューズ端子間電圧Ｖｆが発生している。その後、ヒューズ電流Ｉｆは減衰し、通電後の遮断時間９０．０ｍｓでヒューズ５１が遮断されている。この時のヒューズ通電電流量ＩＦは２．９Ａ・ｓであった。又、一般的にヒューズ溶断時には過大なサージ電圧が発生することがあるが、本試験では、過大なサージ電圧発生は認められず、図６においても１０００Ｖ程度であった。
以下、（３．１）ヒューズ５１の遮断特性と、（３．２）ヒューズ５１の通電電流量（保安器との協調）と、について説明する。

（３．１） ヒューズ５１の遮断特性
図７及び図８を見ると、定格５Ａのヒューズ５１を用いた場合には、地絡発生後１０ｍｓ以内でヒューズ５１は動作し、１００ｍｓ以内で遮断している。これらの試験結果より、Ａ種接地３ａから流入する地絡電流Ｉは、定格５Ａのヒューズ５１で確実に遮断できることが確認できた。

（３．２） ヒューズ５１の通電電流量（保安器との協調）
図９に示すように、定格５Ａのヒューズ５１におけるヒューズ通電電流量ＩＦの最大値は、２．９０Ａ・ｓであった。踏切設備１９に使用されている保安器２２，２３，３２の電流耐量は、前記（Ｂ）の保安器との協調で述べたように、インパルス電流で規定（１０／２００μｓ・８００Ａ・３００回）されているが、これを電流量に換算すると２４Ａ・ｓになる。そのため、本実施例１のようなヒューズ方式の地絡電流遮断装置５０を適用した場合、保安器２２，２３，３２に流れる電流量は、保安器２２，２３，３２の電流耐量の１２％程度であることから、保安器２２，２３，３２の焼損は発生しないと考えられる。

（雷インパルス電流通電試験）
前記（Ｃ）の雷サージ保護との協調で述べたように、保安器２２，２３，３２の目的は、雷サージ保護であることから、Ａ種接地３ａには２００Ａ程度の雷サージ電流が流れる。そのため、Ａ種接地３ａに接続するための地絡電流遮断装置５０に用いるヒューズ５１は、雷サージ電流Ｉｓで溶断しないことが求められる。その確認のため、ヒューズ５１に対して雷インパルス電流通電試験を実施した。その（ａ）試験回路、及び（ｂ）試験結果は、以下の通りである。

（ａ） 試験回路
図１０は、本実施例１の雷インパルス電流通電試験回路を示す図である。
インパルス発生器７１で発生するインパルスの電流波形は、保安器２２，２３，３２の電流耐量で規定されている１０／２００μｓとした。このインパルス電流を供試器のヒューズ５１に加え、電流計（例えば、変流器（ＣＴ））７２で計測してオシロスコープ７３で表示する。
（ｂ） 試験結果
図１１は、図１０の雷インパルス電流通電試験結果を示す図である。図１１では、横軸を電流（Ａ）、縦軸を通電・溶断状態とし、定格３Ａ，５Ａ，１０Ａのヒューズ５１におけるヒューズ溶断の有無が示されている。
定格５Ａのヒューズ５１では、５００Ａ・１００回通電でも溶断は生じなかった。前記（Ｃ）の雷サージ保護との協調で述べたように、Ａ種接地３ａに流れる雷サージ電流Ｉｓは、２００Ａ程度と推測されるので、定格５Ａのヒューズ５１を使用すれば、雷サージ電流Ｉｓで溶断することはない。

（適正なヒューズの選択）
前記（Ｂ）の保安器との協調で述べたように、地絡電流遮断装置５０に用いるヒューズ５１に求められる性能は、地絡電流遮断時にヒューズ５１に流れる電流量で保安器２２，２３，３２が焼損しないこと、且つ、Ａ種接地３ａに流れる雷サージ電流Ｉｓで溶断しないことである。この条件に対し、定格５Ａのヒューズ５１を用いた場合は、地絡電流Ｉの電流量は保安器電流耐量の１２％程度あり、Ａ種接地３ａに流れる雷サージ電流Ｉｓの２倍以上の雷インパルス電流でも溶断しない。従って、地絡電流遮断装置５０に用いるヒューズ５１としては、定格ＤＣ１５００Ｖ、４Ａ〜８Ａ（好ましくは５Ａ）のヒューズが良い。

（実施例１の効果）
本実施例１の地絡電流遮断装置５０によれば、レール電位Ｖ１の上昇によりＡ種接地３ａからレール４に流れる地絡電流Ｉをトリガにヒューズ５１が溶断し、Ａ種接地３ａとレール４との間を絶縁し、地絡電流Ｉを速やかに遮断することで、保護対象となる踏切設備１９内への地絡電流Ｉの流入を最小限に抑制している。この地絡電流遮断装置５０では、主要な部品が、定格ＤＣ１５００Ｖ、４Ａ〜８Ａ（好ましくは５Ａ）のヒューズ５１のみであるため、装置の構成が単純且つ小型であり、製造・設置コストを抑えることができる。

（実施例２の構成）
図１２は、図１の踏切設備１９の概略を示す構成図である。
レール４には、踏切８０が設置されている。踏切８０には、図示しない踏切警報機、遮断機等が設けられている。踏切８０の列車進入側には、始動点側の踏切制御子箱２０−１が設置され、列車退出側には、終止点側の踏切制御子箱２０−２が設置されている。踏切８０の列車進入側には、更に、無遮断防止のために踏切制御子２１−１のバックアップとして列車を検知するトランスポンダ等のバックアップ（以下「Ｂｕ」という。）地上子８１が設置され、このＢｕ地上子８１が踏切制御子箱２０−１に接続されている。２つの踏切制御子箱２０−１，２０−２は、踏切器具箱３０に接続されている。

始動点側の踏切制御子箱２０−１は、レール４に設置されて踏切８０に接近した列車を検知する踏切制御子２１−１と、この踏切制御子２１−１のレール４側に接続された２つの保安器２２−１ａ，２２−１ｂと、踏切制御子２１−１の踏切器具箱３０側に接続された２つの保安器２３−１ａ，２３−１ｂと、を有している。保安器２２−１ａ，２２−１ｂと保安器２３−１ａ，２３−１ｂとは直列に接続され、この直列回路が、踏切制御子２１−１の入出力端子に対して並列に接続されている。更に、踏切制御子２１−１と保安器２３−１ａとの間には、Ｂｕ故障送信器２４が接続されている。Ｂｕ故障送信器２４は、Ｂｕ地上子８１の検知信号に基づき、踏切制御子２１−１の故障状態を踏切器具箱３０へ送信するものである。

終点側の踏切制御子箱２０−２は、レール４に設置されて踏切８０を通過した列車を検知する踏切制御子２１−２と、この踏切制御子２１−２のレール４側に接続された保安器２２−２と、踏切制御子２１−２の踏切器具箱３０側に接続された２つの保安器２３−２ａ，２３−２ｂと、を有している。保安器２２−２と保安器２３−２ａ，２３−２ｂとは直列に接続され、この直列回路が、踏切制御子２１−２の入出力端子に対して並列に接続されている。踏切器具箱３０は、ＤＣ電源３１、２つの保安器３２ａ，３２ｂ、及びＢｕ故障受信器３３等を有している。ＤＣ電源３１は、耐雷変圧器（以下「耐雷トランス」という。）３１ａ、整流器３１ｂ、及び電源変換器３１ｃにより構成されている。耐雷トランス３１ａは、外部（入力側）から侵入する異常電圧（雷サージ等）から踏切器具箱内の機器を保護するものであり、この出力側に、整流器３１ｂが接続されている。整流器３１ｂは、耐雷トランス３１ａから出力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流するものであり、この出力側に、保安器３２ｂの２つの端子Ｂ^＋，Ｂ⁻が接続されている。保安器３２ｂの２つの端子Ｌ^＋，Ｌ⁻には、電源変換器３１ｃが接続されている。電源変換器３１ｃは、整流器３１ｂで整流されたＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して踏切制御子２１−１へ供給するものであり、この出力側に、Ｂｕ故障受信器３３を介して保安器３２ａが接続されている。

Ｂｕ地上子８１、踏切制御子箱２０−１内のＢｕ故障送信器２４、及び踏切器具箱３０内のＢｕ故障受信器３３により構成される踏切バックアップ装置故障検知ユニットは、踏切制御子２１−１とＢｕ地上子８１との動作を常時比較監視し、どちらの機器が不具合かを判断して図示しない外部の監視装置へ情報を伝送する機能を有している。
踏切器具箱３０内には、更に、２つのメインリレー３４−１，３４−２と、踏切制御回路４０と、地絡電流遮断装置５０と、が設けられている。一方のメインリレー３４−１は、踏切制御子箱２０−１内の保安器２３−１ｂを介して踏切制御子２１−１に接続され、踏切制御子２１−１が踏切８０に接近した列車を検知すると、オフ状態になって踏切遮断動作を行わせるものである。他方のメインリレー３４−２は、踏切制御子箱２０−２内の保安器２３−２ａを介して踏切制御子２１−２に接続され、踏切制御子２１−２が踏切８０を通過した列車を検知すると、オン状態になって踏切開放動作を行わせるものである。
地絡電流遮断装置５０は、耐雷トランス３１ａ、保安器３２ａ、及び保安器３２ｂの接地端子（即ち、踏切器具箱の接地端子）Ｅ２と、Ａ種接地３ａと、の間に接続されている。

図１３（ａ）、（ｂ）は、図１２中の地絡電流遮断装置５０の構成例を示す構造図であり、同図（ａ）は透視平面図、及び、同図（ｂ）は透視正面図である。
地絡電流遮断装置５０は、上面が開口されたケース５２を有し、その開口箇所に、開閉用の蓋５２ａが取り付けられている。ケース５２内の底面には、絶縁性のヒューズ台５３が固定されている。ヒューズ台５３上には、例えば、内部にヒューズ５１が収容されたヒューズ筒５１Ａが取り付けられている。ヒューズ筒５１Ａ内には、溶断表示器５４の溶断表示棒５５が収容され、内蔵のヒューズ５１が溶断すると、その溶断表示棒５５がヒューズ筒５１Ａの一端から突出する構造になっている。溶断表示棒５５の先端には、溶断表示器５４のスイッチ（例えば、マイクロスイッチ）５６が配設されている。溶断表示棒５５及びマイクロスイッチ５６により、溶断表示器５４が構成されている。

ヒューズ台５３上において、ヒューズ筒５１Ａの両端近傍には、ヒューズ５１の両端電極に接続された１対の配線端子５７ａ，５７ｂが取り付けられている。更に、マイクロスイッチ５６の近傍には、このマイクロスイッチ５６の入出力端子に接続された１対の配線端子５８ａ，５８ｂが取り付けられている。

図１４は、図１３の地絡電流遮断装置５０の配線構造を示す模式図である。
ヒューズ５１の一端に接続された配線端子５７ａは、接地端子Ｅ２に接続されている。ヒューズ５１の他端に接続された配線端子５７ｂは、Ａ種接地３ａに接続されている。マイクロスイッチ５６は、一対の配線端子５８ａ，５８ｂ間に接続された常開接点５６ａを有している。地絡電流Ｉでヒューズ５１が溶断すると、溶断表示棒５５が突出してマイクロスイッチ５６の常開接点５６ａがオンする。これにより、無電源で、ヒューズ動作時に常開接点５６ａの接点信号（即ち、動作信号）を外部の監視装置へ出力する構成になっている。

（実施例２の踏切の制御動作）
図１２において、列車が、踏切８０に接近すると、Ｂｕ地上子８１及び踏切制御子２１−１が列車の接近を検知する。踏切制御子２１−１の検知信号により、メインリレー３４−１がオフ状態になり、踏切制御回路４０の制御によって踏切８０の図示しない警報機が鳴動すると共に遮断機が閉まる。
この際、Ｂｕ地上子８１の検知信号が、Ｂｕ故障送信器２４を通してＢｕ故障受信器３３により受信される。Ｂｕ故障受信器３３は、踏切制御子２１−１とバックアップ用のＢｕ地上子８１との動作を常時比較監視し、どちらの機器が不具合かを判断して、図示しない外部の監視装置へ情報を伝送する。
列車が踏切８０を通過すると、踏切制御子２１−２が列車の通過を検知する。これにより、メインリレー３４−２がオン状態になり、踏切制御回路４０の制御によって図示しない警報機が鳴動を停止する共に遮断機が開く。

（実施例２の保安動作）
図１２において、地絡電位上昇による異常電圧が加わった際、保安器３２ａ，２３−１ａ，２２−１ａ及び保安器３２ｂ，２３−２ｂ，２２−２が放電し、図１２の矢印で示す経路（大地３→地絡電流遮断装置５０→「保安器３２ａ→保安器２３−１ａ→２２−１ａ又は保安器３２ｂ→保安器２３−２ｂ→２２−２」→レール４）で地絡電流Ｉが流れる。この経路で地絡電流Ｉが流れると、図１３及び図１４における地絡電流遮断装置５０のヒューズ５１が溶断し、地絡電流を遮断する。この時、地絡電流遮断装置５０のヒューズ筒５１Ａから溶断表示棒５５が突出してマイクロスイッチ５６の常開接点５６ａがオンし、この常開接点５６ａの接点信号（即ち、動作信号）が図示しない外部の監視装置へ出力される。これにより、外部の監視装置では、ヒューズ５１の溶断を検知でき、新ヒューズへの取り替え等の保守が行える。

（実施例２の効果）
本実施例２の地絡電流遮断装置５０によれば、実施例１と同様に、踏切設備１９内の踏切制御子２１−１，２１−２や電源変換器３１ｃ等の機器を、地絡電流Ｉから的確に保護することができる。更に、ヒューズ５１が溶断すると、マイクロスイッチ５６の常開接点５６ａがオンし、この常開接点５６ａの接点信号（即ち、動作信号）が図示しない外部の監視装置へ出力されるので、外部の監視装置では、ヒューズ５１の溶断を検知でき、新ヒューズへの取り替え等の保守を的確に行うことができる。

（実施例１、２の変形例）
本発明は、上記実施例１、２に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ｉ）、（ｉｉ）のようなものがある。
（ｉ） 実施例１、２では、保護対象となるレール４の付帯機器として、踏切設備１９の例を説明したが、Ａ種接地３ａから絶縁された他の信号機器についても、地絡電流遮断装置５０を適用できる。なお、実施例１、２の地絡電流遮断装置５０は、絶縁状態の確認が困難である機器室等の大規模な設備の保護には適していない。
（ｉｉ） 図１３及び図１４の地絡電流遮断装置５０は、図示以外の構成に変更しても良い。

１ 変電所
２ トロリ線・き電線
３ 大地
３ａ Ａ種接地
４ レール
９ 地絡
１９ 踏切設備
２０ 踏切制御子箱
２１，２１−１，２１−２ 踏切制御子
２２，２２−１ａ，２２−１ｂ，２２−２，２３，２３−１ａ，２３−１ｂ，２３−２ａ，２３−２ｂ 保安器
３０ 踏切器具箱
３１ ＤＣ電源
３２，３２ａ，３２ｂ 保安器
４０ 踏切制御回路
５０ 地絡電流遮断装置
５１ ヒューズ
５４ 溶断表示器
５５ 溶断表示棒
５６ マイクロスイッチ

Claims (7)

1. レールと接地との間に接続された前記レールの付帯機器が配設されている鉄道沿線において、き電回路の地絡事故が生じた際、前記付帯機器の損傷を防止するための地絡電流遮断装置であって、
   前記付帯機器に設けられた雷サージ保護用の保安器と前記接地との間に接続され、前記地絡事故に起因する前記レールの電位上昇により、前記接地から前記保安器を通して前記レールに流れる地絡電流をトリガにして溶断し、前記地絡電流を遮断するヒューズを有する、
   ことを特徴とする地絡電流遮断装置。
2. 前記ヒューズは、
   前記ヒューズの溶断時に流れる電流量が前記保安器の電流耐量以下となる特性を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の地絡電流遮断装置。
3. 前記ヒューズは、
   前記保安器に流れる雷サージ電流では溶断しない特性を有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の地絡電流遮断装置。
4. 前記ヒューズの特性としては、
   直流１５００Ｖ、４Ａ〜８Ａの定格を有する、
   ことを特徴とする請求項３記載の地絡電流遮断装置。
5. 前記付帯機器は、
   前記レール上を走行する列車の位置の情報によって警報の開始及び終了を行う踏切設備を含む、前記接地から絶縁された信号機器である、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の地絡電流遮断装置。
6. 前記接地は、
   Ａ種接地である、
   ことを特徴とする請求項５記載の地絡電流遮断装置。
7. 前記ヒューズが溶断した際には、溶断表示器によってヒューズ溶断の動作信号を外部に出力する構成になっている、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の地絡電流遮断装置。

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