JP2023529434A - 鉄道架線と鉄道牽引装置の間で発生する電気アークを検出する方法とそれに対応する検出装置 - Google Patents

Abstract

直流電圧（Vline）を運ぶ鉄道架線（12）と、鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入される電流（Ip）を収集する前記鉄道牽引装置（11）のパンタグラフ（11a）との間で発生するアーク（A、Varc）を検出する方法であって、前記パンタグラフ（11a）は入力ローパスフィルタを有し、前記入力ローパスフィルタは、所定の固有振動数（fN）で動作し、前記入力ローパスフィルタの入力部で、前記パンタグラフ（11a）、特に前記パンタグラフシューと基準ノードとの間の電圧（Vp）と、前記鉄道牽引装置（11）により吸収または注入される前記電流（Ip）と受け取り、そして前記入力ローパスフィルタの入力部で、フィルタリングされた電圧（Vdsf）を鉄道牽引装置（11）に供給し、前記方法はさらに、前記パンタグラフ（11a）と前記基準ノードとの間の前記電圧（Vp）と、前記鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入された前記電流（Ip）とを測定し、測定電圧（Vp，out）と測定電流（Ip，out）をそれぞれ取得するステップ（110）と、前記測定された電圧（Vp，out）から、所定の検出周波数（fdet）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出電圧信号（Vbp；Vfilt；VT）を抽出するステップ（120；220；320）と、前記鉄道牽引装置によって吸収又は注入された前記測定電流（Ip，out）から、与えられた固有周波数（fN）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出電流信号（Ibp；Ifilt；IT）を抽出するステップ（130；230；330）と、区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電圧信号（Vbp；Vfilt；VT）の振幅と区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電流信号（Ibp；Ifilt；IT）の振幅とをそれぞれの閾値（thv、thi）と比較するステップ（140；240v、240i；340v、340i）と、前記比較動作（ステップ140）が、前記区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電圧信号（Vbp；Vfilt；VT）の振幅と前記区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電流信号（Ibp；Ifilt；IT）の振幅の両方が、それぞれの閾値（thv、thi）以上であると示すか否かを検証し（ステップ150；250）、検証結果が肯定的な場合は、アーク（A）を検出した信号を発するステップ（160）を有する。【選択図】図３

Description

本明細書は、直流電圧を運ぶ鉄道架線と、鉄道牽引装置によって吸収または注入された電流を集める鉄道牽引装置のパンタグラフと、の間に発生するアークを検出する方法、および対応する検出配置に関する。

一つ以上の実施形態は、エネルギ消費に関連するデータを収集し、それを地上データ収集システムに送信するためのアプリケーションに適用され得る。

電気鉄道システムの大部分において、電力は、架線（OHL）とパンタグラフとの間の摺動接点を介して、電源から牽引装置（機関車又は電気鉄道）に伝達される。パンタグラフは、電車の屋根の上に設置されたサーボ式の集電装置で、接触線に接触帯の力を加え、制御する。数mm角の接触部を介してOHLからパンタグラフのカーボンブレードに伝達される電力が大きい（最大約8MW）ため、集電装置は鉄道の電力系統で最も重要な要素の1つとなっている。

機関車や電気機関車などの鉄道車両が吸収した電流を収集するパンタグラフで検出される電圧と電流の電気量を正確に分析することで、供給システムと車両の両方の機能状態に関する興味深い情報を得ることができる。パンタグラフで発生する電気的事象を検出し、確実にカタログ化する手法は、予知保全に活用することができる。このような事象の1つが、機関車が吸収・注入する電流を集めるパンタグラフが、架線（OHCL）から外れることによって発生するアーク放電現象である。摺動接点の両電極間の剥離を引き起こす原因は、軌道の凹凸、カテナリーの凹凸、高速度、気象条件（雪、氷、霜）などに要約される。アーク事象の数が多くなると、集電板の劣化が早くなり、アーク事象が増加し、電力品質の低下や事故が発生する可能性がある。

そのため、パンタグラフと架線の状態を監視するために、アーク放電をカウントすることが望まれる。このようなツールをデータ収集システムと組み合わせて全車両に広く普及させることで、すべり接触に関わる機器の予知保全に貢献することができる。

特に、将来的には、全ての機関車にアークイベントを検出する装置が搭載され、アークイベントの数を地上データ収集システムに送信できるようになれば、パンタグラフとOHL間の接触品質の予測保守を実施することができる。また、将来的には、ヨーロッパ全域で運行されているすべての機関車が、エネルギ消費に関するデータを収集し、地上データ収集システムに送信することが義務付けられる予定である。この義務は、TSI（Technical Specification for Interoperability）によって課せられている。

現在のシステムでは、パンタグラフシュー（OHCLと接触する要素）の状態監視をビデオシステム登録で行っているが、それはビデオカメラの設置が必要であり、取得した画像からアークイベントを特定することが困難であった。

前述の説明に基づいて、先に概説した欠点の1つまたは複数を克服する解決策の必要性が感じられる。

１つ以上の実施形態によれば、そのような目的は、後に続く請求項に具体的に規定される特徴を有する方法を通じて達成される。実施形態は、さらに、関連する検出配置に関する。

特許請求の範囲は、本明細書で提供される開示の技術的教示の不可欠な部分である。

前述したように、本開示は、直流電圧を運ぶ鉄道架線と、鉄道牽引装置によって吸収または注入された電流を収集する鉄道牽引装置のパンタグラフとの間で発生するアークを検出するための方法に関する解決策を提供するもので、
前記パンタグラフは、入力ローパスフィルタを有し 、
前記入力ローパスフィルタは、所定の固有周波数で動作し、
その入力部で、
パンタグラフ、特にパンタグラフシューと基準ノードとの間の電圧と、
前記鉄道牽引装置によって吸収または注入される前記電流とを受け取り、
その出力部で、フィルタリングされた電圧を前記鉄道牽引装置に供給する、ステップを有し、
前記方法は、
前記パンタグラフと前記基準ノードとの間の前記電圧、および鉄道牽引装置によって吸収または注入された前記電流を測定し、それぞれ測定電圧および測定電流を得るステップと、
前記測定電圧から、所定の検出周波数付近に区切られたスペクトル部分を有する抽出電圧信号を抽出するステップと、
前記機関車に吸収された又は注入された前記測定電流から、前記所定の固有振動数付近に区切られたスペクトル部分を有する抽出電流信号を抽出するステップと、
区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電圧信号の振幅と、区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電流信号の振幅とを、それぞれの閾値と比較するステップと、
前記比較動作が、区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電圧信号の振幅と区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電流信号の振幅の両方がそれぞれの閾値を上回っていることを示すかどうかを確認し、確認の結果が肯定的な場合は、アークの検出を合図するステップと、を含む。

変形実施形態において、前記測定された電圧から、所定の検出周波数の付近に区切られたスペクトル部分を有する抽出された電圧信号を抽出することは、前記所定の検出周波数の付近にアナログバターワースフィルタリングまたは特殊共振フィルタリングを実行することを含み、かつ
前記機関車によって吸収または注入された前記測定された電流から、所定の固有周波数の付近に区切られたスペクトル部分を有する抽出された電流信号を抽出することは、前記入力ローパスフィルタの前記固有周波数を中心とする、特に2次のオーダのアナログ通過帯域バターワースフィルタリングを実行することを含み、
前記比較動作は、前記抽出された電圧と前記抽出された電流をそれぞれの閾値比較器によって比較することを含む。

変形実施形態において、前記検出周波数は、1kHzから3kHzの範囲であり、特に前記アナログバターワースフィルタリングの帯域幅は、143Hzであることを特徴とする。

変形実施形態において、前記固有周波数は、15Hzから30Hzの範囲にあり、前記アナログ通過帯域バターワースフィルタリングの帯域幅は、特に、11.2Hzである。

変形実施形態において、前記比較動作は、抽出された電圧部分の比較の出力を遅延させることを含む。

変形実施形態において、前記電圧を測定することは、
前記検出周波数に共振周波数を有するアナログフィルタによって前記測定された電圧をアナログプレフィルタリングし、アナログフィルタリングされた電圧をデジタル的に取得することを含み、
前記電流を測定することは、前記アナログフィルタされた電圧の取得と同期して、測定された電流をデジタル的に取得することを含み、
前記測定された電圧から、所定の検出周波数付近の区切られたスペクトル部分を有する抽出電圧信号を抽出することは、前記測定された電圧、特にアナログフィルタされた電圧の高速フーリエ変換を行い、前記検出周波数に対応するトーンを抽出することを含み、
前記機関車によって吸収又は注入された前記測定された電流から、所定の固有周波数の付近に区切られたスペクトル部分を有する抽出された電流信号を抽出することは、前記測定された電流の高速フーリエ変換を行い、前記固有周波数に対応するトーンを抽出することを含み、

前記電圧のトーンと前記電流のトーンとをそれぞれの単一の閾値と比較することを、含む。

変形実施形態において、前記アナログプレフィルタリングの前記検出周波数は、1kHzから2kHzの範囲にある。

変形実施形態において、前記測定された電圧の前記高速フーリエ変換は、4msから10msの間の範囲の分析時間で実行され、前記測定された電流の前記高速フーリエ変換は、100msから300msの間の範囲の分析時間で実行される。

本開示は、直流電圧を運ぶ鉄道架線と、鉄道牽引装置によって吸収又は注入された電流を収集する鉄道牽引装置のパンタグラフとの間で発生するアークを検出するための装置に関する解決策も提供し、
前記パンタグラフは、所定の固有周波数で動作する入力ローパスフィルタを備え、
その入力部で、パンタグラフ、特にパンタグラフシューと基準ノードとの間の電圧と、鉄道牽引装置によって吸収または注入された前記電流を受信し、
その出力部で、フィルタリングされた電圧を鉄道牽引装置に供給し、
前記装置は、前記パンタグラフと前記基準ノードとの間の前記電圧、および前記鉄道牽引装置によって吸収または注入された前記電流を測定し、それぞれ測定電圧および測定電流を得るように構成されたセンサモジュールを備え、
前記装置は、上記の実施形態のいずれかによる方法のステップを実行するように構成される。

特許請求の範囲は、実施形態を参照して本明細書に提供される技術的教示の不可欠な部分である。

1つ以上の実施形態が、非限定的な例としてのみ、添付の図を参照しながら、説明される。

図1は、アークイベントに対する回路説明を提供する概略図である。 図2Aは、アーク事象が存在する場合のパンタグラフにおける電圧および電流の挙動を示す時間図である。 図2Bは、図2Aの図の拡大された時間図である。 図3は、ここで説明する方法の一般的な実施形態を表す流れ図である。 図4は、ここで説明される方法の第1の実施形態を実施する配置の概略図である。 図5は、図4の実施形態の電圧量のタイムダイアグラムである。 図6は、図4の実施形態の電流量のタイムダイアグラムである。 図7は、図4の実施形態の電圧量及び電流量のタイムダイアグラムである。 図8は、ここで説明する方法の第2の実施形態を実装する配置の概略図である。 図9は、図8の実施形態の電圧量のタイムダイアグラムである。 図10は、図8の実施形態の電流量のタイムダイアグラムである。 図11は、図8の実施形態の電圧量および電流量のタイムダイアグラムである。

続く説明では、本説明の実施形態の例の深い理解を提供することを目的として、1つまたは複数の具体的な詳細が例示される。実施形態は、1つ以上の特定の詳細がなくても、または他の方法、構成要素、材料などを用いて得ることができる。他の場合、実施形態の特定の側面が不明瞭にならないように、既知の構造、材料、又は動作は、詳細に図示又は説明されない。

本明細書の枠組みにおける「一実施形態」又は「一実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の構成、構造、又は特性が、少なくとも一つの実施形態に構成されることを示すことを意図している。したがって、本明細書の1つ以上の箇所に存在し得る「一実施形態において」または「一実施形態において」などの表現は、必ずしも1つの同じ実施形態を指すものではない。

さらに、特定のコンフォメーション、構造、または特性は、1つまたは複数の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わされることができる。

本明細書で使用される参考文献は、単に便宜的に提供されるものであり、それゆえ、保護範囲または実施形態の範囲を規定するものでない。

本明細書に併記された図を通して、同様の部品または要素は、同様の参照／数字で示され、対応する説明は、簡潔さのために繰り返されない。

図面は、簡略化された形態であり、正確な縮尺でない。

パンタグラフシューと架線との間の剥離が電流束の存在下で発生すると、電気アークが摺動接点の2つの電極間に発生する。電気アークの物理的な記述は複雑であるが、このような事象は、パンタグラフシューと架空送電線との間に任意のパルス電圧波形を与える任意の電圧発生器として、回路モデルで簡単に記述することができる。より詳細な説明は、G. Crottiらの出版物、「Pantograph-to-OHL Arc: Conducted Effects in DC Railway Supply System」、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、68巻、10号、3861-3870頁、2019年10月に記載されている。

図1は、牽引装置における吸収（正）または牽引装置による電流の発生（負）の間のアーク事象の簡単な回路説明を提供する概略図であり、後者は制動段階中に発生する可能性がある。

したがって、図1には、パンタグラフ11aによって電気供給システム13から供給される直流供給電圧V_lineを運ぶ架線12に結合された牽引装置11、例えば機関車が示されている。

パンタグラフ11aはその性質上、通常は直流供給電圧V_lineを受ける架線12に接触しているが、電圧発生装置は、架線12とパンタグラフ14の間に、上述した理由の1つのためにアーク電圧V_arcを有するアークAの形成を表し、I_pは架線12とパンタグラフ11aの間を流れる電流を示す。

図1においても、これは架線12とパンタグラフ11aとの結合の等価回路で表されており、入力フィルタ15がパンタグラフ14の入力段を表している。図示のように直流電源電圧V_lineは、アーク電圧V_arcを表す等価電圧発生器によって入力フィルタ15の入力端子から分離された端子に結合される。したがって、入力フィルタ15の入力電圧であるパンタグラフ電圧V_pは、V_line-V_arcとなり、アークがないときの直流電源電圧V_lineに相当する。フィルタ15の入力ノードにおけるパンタグラフ電流I_pは、架線12に対して吸収または注入される電流である。

図1に示すように、パンタグラフ電圧V_pは、パンタグラフ11aと基準ノード、例えば接地基準との間に形成される。通常、基準ノードは、パンタグラフ電圧V_pまたはDC供給電圧V_lineに対して、ゼロ電圧またはより低い電位である。実施形態では、基準ノードは、レールによって表すことができる。

入力フィルタ15は、牽引装置11、すなわち機関車のローパス入力段フィルタであり、DC機関車において一般的に存在するものである。このフィルタは、アークによって引き起こされる電気伝導効果を理解する上で重要な役割を果たす。これは、図1では、直列インダクタLifと出力コンデンサC_ifが並列に配置されたLCフィルタとして図式化されている。直列インダクタL_ifと基準ノードである出力コンデンサCifの端子には、牽引装置12の電気モータに供給するためのフィルタリングされた直流電圧V_dsfが形成される。図1に示すように、したがってまた、フィルタリングされた直流電圧V_dsfは、パンタグラフ電圧V_pとして、基準ノード、例えば接地基準に参照される。より一般的には、パンタグラフ電圧V_pが形成される入力ノードを含む入力フィルタ15の全ての電位は、前述のように接地基準であり得る、または実施形態ではレールによって表される、そのような基準ノードに言及される。レールは、必ずしもゼロ電圧でなくてもよく、V_line、V_p、V_dsfのノードに対して低い電位であればよい。

図2Aは、機関車11が電流を吸収しているときに検出されたアークイベントAが存在する場合のパンタグラフにおける電圧V_pおよび電流I_pの挙動を示す時間図である。

図2Bは、図2Aの図のアークAの時間領域の拡大図であり、同じ電気量を示している。

電気アークAは、牽引装置11が電流を吸収している場合はパンタグラフ電圧V_pの電圧ディップを、牽引装置11が架線12に電流を注入している場合はうねりを誘発する。このような速い変動は、2次ローパスフィルタ15に振動を誘発し、パンタグラフ電流I_pに反映される。

図2Aに示すような波形は、例えば、Crotti, G.; Giordano, D.; Signorino, D.; Femine, A. Delle; Gallo, D.; Landi, C.; Luiso, M.; Biancucci, A.; Donadio, L.: "Monitoring Energy and Power Quality On Board Train" に記載される。Proceedings of 2019 IEEE 10th International Workshop on Applied Measurements for Power Systems (AMPS), Aachen (Germany), September 25-27, 2019.］。

ここで説明する解決策は、アークによって生じる伝導電気効果を利用するものであり、一般的には、方法の実施形態100を示す図3のフロー図に示すように、パンタグラフ11aと基準ノードとの間のパンタグラフ電圧V_pと、鉄道牽引装置11によって吸収又は注入された電流I_pとを測定して、測定された電圧V_p,outおよび測定された電流I_p,outをそれぞれ取得し（ステップ110）、
測定電圧V_p,outから、所定の検出周波数f_detの周りに区切られたスペクトル部分V_bpを有する抽出電圧信号、すなわち、例えばバンドパスフィルタリング後のような、所与の検出周波数f_detの周囲の限定された周波数範囲または帯域にわたるスペクトルを有する信号を抽出し(ステップ120）、
機関車によって吸収又は注入された前記測定電流I_p，outから、入力フィルタの所定の固有周波数f_N周辺の区切られたスペクトル部分I_bpを有する抽出電流信号抽出し（ステップ130）、
区切られたスペクトル部分V_bpを有する前記抽出された電圧信号の振幅と区切られたスペクトル部分I_bpを有する前記抽出された電流信号の振幅とをそれぞれの閾値、電圧閾値t_hv又は電流閾値t_hvと比較し（ステップ140）、
前記比較演算140が、区切られたスペクトル部分V_bpを有する抽出された電圧信号の振幅と区切られたスペクトル部分I_bpを有する抽出された電流信号の振幅の両方がそれぞれの閾値t_hv、t_hvを超えていることを示すかどうかを検証し（ステップ150）、
超える場合は、アークAの検出ADが信号で通知される（ステップ160）。

図4を参照すると、そこにはよりアナログ指向であるここで説明する方法の第1の実施形態を表す検出配置200が示されている。

図4に模式的に示すように、パンタグラフ11aと基準ノードとの間のパンタグラフ電圧V_pおよび鉄道牽引装置11によって吸収または注入された電流I_pを測定し、測定電圧V_p，outおよび測定電流I_p，outをそれぞれ得るステップ110は、複合電流電圧変換器11bによって実施される。好ましくは、そのような複合電流電圧変換器11bは、図4を参照して以下に示す測定チェーンの下流のフィルタ、例えばフィルタ220、230の帯域と適合する、例えば帯域幅が広いか等しい周波数範囲で動作する。変換器11bに対応するセンサモジュールは、別個の電圧センサ及び電流センサによっても具現化され得る。

このような測定電圧V_p，outから、所定の検出周波数f_detの周りに区切られたスペクトル部分Vfiltを有する抽出電圧信号V_bpを抽出するステップ120は、任意の、すなわち所定の、検出周波数f_detを中心とする通過帯域2次バターワースフィルタ220によるフィルタリングにより具現化される。実施形態における検出周波数f_detの値は、1kHz～3kHzの範囲で選択することができ、帯域幅は、例えば143Hzであってもよい。これは例示的な値であり、ピークを高揚させるために十分に狭い帯域幅を有する必要性と、そのような帯域幅の狭さに伴って増加する回路のコストとのバランスをとるために選択された、帯域幅の異なる値が可能である。

本実施形態におけるスペクトル部分V_bpが区切られた抽出電圧信号は、フィルタリングされたアナログ電圧V_filtによって表される。

機関車が吸収又は注入した前記測定電流I_p，outから、入力フィルタの所定の固有周波数f_N付近の区切りスペクトル部分I_bpを有する抽出電流信号を抽出するステップ130は、機関車11の入力段のローパスフィルタ15の固有周波数f_Nを中心とした通過帯域2次バターワースフィルタ230によるフィルタリングによって具現化されている。固有周波数f_Nの値は、機関車の入力フィルタ段15の共振周波数、例えば、通過帯域2次バターワースフィルタ230を形成するLC共振回路の共振周波数に依存する。実施形態における固有振動数f_Nの値は、15Hz～30Hzの範囲で選択することができ、帯域幅は、例えば、11.2Hzであってもよい。フィルタ220の帯域幅の値に関する同じ考慮事項がここでも適用される。区切られたスペクトル部分I_bpを有する抽出された電流信号は、この場合、フィルタリングされた電流I_filtによって具現化される。

区切られたスペクトル部分V_filtを有する当該抽出された電圧信号の振幅と区切られたスペクトル部分I_filtを有する当該抽出された電流信号の振幅とをそれぞれの閾値t_hv，t_hiで比較140を行うために、次に、それぞれのフィルタリングされた信号V_filt，I_filtは、特に正と負の閾値、それぞれ＋t_hv，-t_hvと＋t_hi，-t_hiとの間で作動して、それぞれ閾値比較器240v，240iによって処理される。フィルタリングされた信号V_filt、I_filtが閾値より高い場合、電圧についてはt_hv、電流についてはthi、それぞれの閾値比較器240v、240iの出力信号t_{hv_out}、t_{hi_out}は論理1であり、そうでなければ論理0である。閾値t_hv,t_hiの変動幅は、以下の表1にまとめられている。

電圧比較器240vの出力信号t_hv＿outは、時間遅延器245の遅延ブロックにおいて遅延D、図示の例では遅延Dは5msであり、遅延出力信号t_hv＿out＿Dを供給する。遅延Dの値は、フィルタ220、230によって導入された異なる時間遅延を補償するように選択される。

比較器240v、240iからの出力信号t_hv＿out＿D、t_hi＿outは、比較動作140が、区切られたスペクトル部分V_filtを有する抽出電圧信号の振幅と区切られたスペクトル部分V_filtを有する抽出電流信号の振幅が共にそれぞれの閾値t_hv、t_hiを上回ることを示す場合、検証150を具現するAND論理ゲート250へ送信される。

AND論理ゲート250の出力信号は、出力信号t_hv＿out，t_hi＿outの両方が1である場合、すなわちそれぞれの閾値t_hv，t_hiを上回っている場合にのみ、1に等しいフラグADとなる。これは、検証ステップ150に対する肯定的または積極的な回答を表し、したがって、アークの検出がステップ160で信号化される。そうでなければ、フラグADは、出力信号t_{hv_out}，t_{hi_out}のいずれか一方がゼロ、すなわちそれぞれの閾値t_hv，t_hi未満であれば、アークが発生しないことを意味するゼロである。

図5には、測定電圧V_p,out、フィルタリング電圧V_filt、及び遅延出力信号t_{hv_out_D}が、時間tの関数として示されている。また、遅延出力信号t_{hv_out_D}の遅延Dも、閾値を超える以前の発振を基準にして示されている。このような遅延Dは、もちろん、アークAによって決定される次の発振にも存在する。

図6には、測定電流I_p,out、フィルタリング電流I_filt及び電流出力信号t_{hi_out}が、時間tの関数として示されている。

図7は、測定電圧V_p,outと測定電流I_p,outを時間tの関数として同じグラフに重ね合わせ、その結果のフラグADを示したものである。フラグADが1になったとき、アークが検出されたことになる。

図8を参照すると、ここで説明した方法の第2の実施形態が示されており、これはよりデジタル指向である。

図8に概略的に示すように、パンタグラフ11aと基準ノードとの間のパンタグラフ電圧Vpおよび鉄道牽引装置11によって吸収または注入された電流I_pを測定し、測定電圧V_p，outおよび測定電流I_p，outをそれぞれ得るステップ110は、複合電流電圧変換器11bによって実施される。

測定電圧V_p,outに関しては、しかし、ステップ120の前に、基本的にローパスバンドフィルタであるアナログフィルタ312によるプレフィルタも行われる。この周波数応答は、低周波数でフラットであり、所定の検出周波数f_det（この実施形態では好ましくは［1÷2］kHzの範囲内）で共振しているので、速い過渡のみがフィルタを利用する。実際のアークイベントに対するフィルタ312の電圧に対するフィルタ応答は、図9に報告されており、これは、以下でよりよく説明する比較器340vの出力t_hv＿outに加えて、アナログフィルタ312によって出力されたアナログフィルタされた電圧V_pfの検出周波数f_detにおける測定電圧V_p，out、および振幅V_pf＠f_detの時間ダイアグラムを示す。したがって、実質的に電圧の測定ステップ110は、前記検出周波数に共振周波数を有するアナログフィルタ312による測定電圧のこのようなアナログ事前フィルタリングに続いて、アナログ-デジタル電圧変換モジュール314vによって前記アナログフィルタリング電圧V_pfのデジタル取得が行われ、デジタル測定電圧V_p，dが生成される。

また、それぞれのアナログ-デジタル電流変換モジュール314iで前記電圧測定信号と同期して測定電流I_p,outを取得し、デジタル測定電流I_p,dを生成する。

次に、このようなデジタル測定電圧V_p,dから、上流側特殊フィルタ312の共振周波数f_detの検出のためのFFTブロック320において高速フーリエ変換（FFT）を適用して、所定の検出周波数f_detの周りに区切りスペクトル部分V_bp（この場合、トーンVT）を有する抽出電圧信号を抽出するステップに供される。

同様に、デジタル測定された電流I_p,dは、図11に示すように、機関車11の入力段のローパスフィルタ15の固有周波数f_Nを検出するためのFFTブロック330においてFFTが施され、抽出部分として、電流トーンIT_tが抽出される。

そして、トーンVT，ITは、それぞれの閾値比較器340v，340iにおいて、それぞれの閾値t_hv，t_hiと比較される。トーンVT、ITの振幅が閾値より高い場合、電圧信号についてはt_hv、電流信号についてはt_hi、それぞれの比較器340v、340iの出力信号t_{hv_out}、t_{hi_out}は1それ以外は0である。 図10は、電流比較器340i出力t_{hi_out}とともに15Hzでの測定電流とトーンITの時間関数として示している。

またこの場合、比較器340v、340iからの出力信号t_hv＿out、t_hi＿outは、比較演算140が、抽出された電圧スペクトル部分、この場合電圧トーンVT、および抽出された電流スペクトル部分、この場合電流トーンITの両方の振幅がそれぞれの閾値t_hv、t_hiを上回っていることを示していれば検証150を具体的に示すAND論理ゲート250に送信される。

AND論理ゲート250の出力信号は、出力信号t_hv＿out，t_hi＿outの両方が1、すなわちそれぞれの閾値t_hv，t_hiを上回っている場合にのみ、1に等しいフラグADとなる。これは、検証ステップ150に対する肯定的または積極的な答えを表し、したがって、アークの検出がステップ160で信号化される。そうでなければ、フラグADは、出力信号t_hv＿out，t_hi＿outのいずれか一方がゼロであれば、すなわちそれぞれの閾値t_hv，t_hi以下であれば、図11の図に示すように、時間tの関数として同じグラフに重ね合わせた測定電圧V_p，outと測定電流I_p，out、およびその結果のフラグADを示して、アークは発生しないことを意味するゼロである。フラグADが1になったとき、アークが検出されたことになる。

このデジタル・アプローチでは、ブロック340v、340iでFFT変換が計算される選択時間間隔が、研究されたトーンの検出に関連する場合があります。動作条件は通常、定常状態から非常に離れているので、定常状態の良好な近似を有するために、FFT演算のための時間間隔は、可能な限り小さく選択されるべきである。これに加えて、良好なスペクトル分解能も必要であり、したがって、トーンを検出するための十分な解析時間が必要である。このため、上流側の特殊フィルタの共振周波数の検出は、解析時間が［4～10］ms、機関車入力段のローパスフィルタの固有周波数の検出は、［100～300］msの範囲が好ましいとされる。

フィルタリングされた電圧・電流信号に適用される閾値の選択は、電気アーク検出装置が動作する鉄道システムの種類に明らかに関連している。その値は、以下の表 2 にまとめられている。

このソリューションでは、すでに設置されている電圧・電流変換器以外に、機関車の屋根に他の装置を設置することなく、パンタグラフと架空連絡線の両方の状態を監視するためにアーク事象をカウントすることが可能である。

これにより、データ収集システムに関連するすべての機関車に本ソリューションを実装する手配を広く普及させることができ、その結果、滑走接触に関連するデバイスの予測保守、特にパンタグラフとOHL間の接触の質の予測保守に貴重な貢献をもたらすことができる。

また、ここで説明するソリューションでは、エネルギ消費に関するデータを収集し、相互運用性技術仕様TSIで定められているような地上のデータ収集システムに送信することができる。エネルギ課金のために配置された機関車と地上との通信システムは、各機関車のアークイベントの収集のために使用することができる。このようなバグデータを管理する適切なアルゴリズムは、パンタグラフやOHCLに問題が発生する可能性を把握するために使用することができる。実際、ある区間を走行するすべての機関車が異常な数のアークイベントを検出した場合、その問題はOHCLに起因している可能性が最も高い。逆に、ある機関車がいくつかの区間で異常な数のイベントを記録した場合、その問題はパンタグラフに関連していることを意味する。

本明細書に添付された図を通して例示された様々な個々の実施オプションは、必ずしも図に例示された同じ組み合わせで採用されることを意図していないことが他に理解されよう。したがって、1つまたは複数の実施形態は、添付の図に例示された組み合わせに関して、これらの（さもなければ必須ではない）オプションを個別に、および／または異なる組み合わせで採用することができる。

基礎となる原理を損なうことなく、詳細および実施形態は、保護の範囲を逸脱することなく、例としてのみ記載されてきたことに関して、著しくも変化してもよい。保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (9)

1. 直流電圧（V_line）を運ぶ鉄道架線（12）と、鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入される電流（I_p）を収集する前記鉄道牽引装置（11）のパンタグラフ（11a）との間で発生するアーク（A、V_arc）を検出する方法であって、
   前記パンタグラフ（11a）は入力ローパスフィルタを有し、
   前記入力ローパスフィルタは、
   所定の固有振動数（f_N）で動作し、
   前記入力ローパスフィルタの入力部で、前記パンタグラフ（11a）、特にパンタグラフシューと基準ノードとの間の電圧（V_p）と、前記鉄道牽引装置（11）により吸収または注入される前記電流（I_p）と受け取り、そして
   前記入力ローパスフィルタの入力部で、フィルタリングされた電圧（V_dsf）を鉄道牽引装置（11）に供給し、
   前記方法はさらに、
   前記パンタグラフ（11a）と前記基準ノードとの間の前記電圧（V_p）と、前記鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入された前記電流（Ip）とを測定し、測定電圧（V_p，out）と測定電流（I_p，out）をそれぞれ取得するステップ（110）と、
   前記測定された電圧（Vp，out）から、所定の検出周波数（f_det）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出電圧信号（V_bp；V_filt；VT）を抽出するステップ（120；220；320）と、
   前記鉄道牽引装置によって吸収又は注入された前記測定電流（I_p，out）から、与えられた固有周波数（f_N）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出電流信号（I_bp；I_filt；IT）を抽出するステップ（130；230；330）と、
   区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電圧信号（V_bp；V_filt；VT）の振幅と区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電流信号（I_bp；I_filt；IT）の振幅とをそれぞれの閾値（t_hv、t_hi）と比較するステップ（140；240v、240i；340v、340i）と、
   前記比較するステップ（140）が、前記区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電圧信号（V_bp；V_filt；VT）の振幅と前記区切られたスペクトル部分を有する前記抽出された電流信号（I_bp；I_filt；IT）の振幅の両方が、それぞれの閾値（t_hv、t_hi）以上であると示すか否かを検証し（ステップ150；250）、検証結果が肯定的な場合は、アーク（A）を検出した信号を発するステップ（160）を有する、方法。
2. 請求項1に記載の方法であって、
   前記測定された電圧（V_p，out）から、所定の検出周波数（f_det）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出電圧信号（V_bp；V_filt；VT）を抽出するステップ（120；220；320）が、前記所定の検出周波数（f_det）の周りにアナログバターワースフィルタリングまたは特殊共振フィルタリングを実行するステップ（220）を含み、
   前記鉄道牽引装置によって吸収又は注入された前記測定電流（Ip，out）から、前記所与の固有周波数（f_N）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出電流信号（I_bp；I_filt；IT）を抽出するステップ（130；230；330）が、前記入力ローパスフィルタ（15）の前記固有周波数（f_N）を中心とした、特に2次のアナログパスバンドバターワースフィルタリングを行うステップ（320）を含み、
   前記比較するステップ（140；240v、240i；340v、340i）が、前記抽出された電圧（V_filt）及び前記抽出された電流（I_filt）をそれぞれの閾値比較器によって比較するステップ（240v、240i）を含む、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記所定の検出周波数（f_det）は1kHzから3KHzの範囲であり、特に前記アナログバターワースフィルタリング（220）の帯域幅は143Hzである、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、
   前記固有周波数（f_N）は、15Hzから30HzKHzの範囲であり、
   前記アナログ通過帯域バターワースフィルタリングの帯域幅は、特に11.2Hzである、方法。
5. 請求項２に記載の方法であって、
   前記比較するステップ（140）は、前記抽出された電圧部分の比較の出力を遅延させること（245）を含む、方法。
6. 請求項1に記載の方法であって、
   前記電圧を測定するステップ（110）は、前記所定の検出周波数（f_det）において共振周波数を有するアナログフィルタによって前記測定された電圧（V_p，out）をアナログ前フィルタリング（312）してアナログフィルタリング電圧（V_pf）を得た後、前記アナログフィルタリング電圧（V_pf）をデジタル的に取得すること（314v）を含み、
   前記電流を測定するステップ（110）は、前記アナログフィルタされた電圧（V_pf）の取得と同期して、前記測定された電流（I_p，out）をデジタル的に取得すること（314i）を含み、
   前記測定された電圧（V_p,out）から、前記所定の検出周波数（f_det）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出された電圧信号（V_bp；V_filt；VT）を抽出するステップ（120；220；320）は、前記測定された電圧（V_p,out）、特に前記アナログフィルタリング電圧（V_pf）の高速フーリエ変換（320）を行い、前記所定の検出周波数（f_det）に対応するトーン（VT）を抽出することを含み、
   前記鉄道牽引装置によって吸収または注入された前記測定された電流（I_p，out）から、前記所定の固有周波数（f_N）の周りに区切られたスペクトル部分を有する抽出された前記電流信号（I_bp；I_filt；IT）を抽出するステップ（130；230；330）は、前記測定された電流（Ip，out）の高速フーリエ変換を行い、前記固有周波数（f_N）に相当するトーン（IT）を抽出すること（330）と、前記電圧トーン（VT）及び前記電流トーン（IT）をそれぞれの単一の閾値（t_hv、t_hi）と比較すること（340v、340i）を含む、方法。
7. 前記アナログプレフィルタリングの前記所定の検出周波数（f_det）は、1kHZから2kHzの範囲であることを特徴とする請求項6に記載の方法。
8. 前記測定された電圧の前記高速フーリエ変換（314v）は、4msから10msの間の範囲の分析時間で行われ、
   前記測定された電流の前記高速フーリエ変換（324i）は、100msから300msの間の範囲の分析時間で行われる、請求項6に記載の方法。
9. 直流電圧（V_line）を運ぶ鉄道架線（12）と、鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入された電流（I_p）を収集する前記鉄道牽引装置（11）のパンタグラフ（11a）との間に発生するアーク（A、V_arc）を検出する構造（200、300）であって、
   前記パンタグラフ（11a）は、所定の固有周波数（f_N）で動作する入力ローパスフィルタを含み、
   前記入力ローパスフィルタは、前記入力ローパスフィルタの入力部において、前記パンタグラフ（11a）、特にパンタグラフシューと、基準ノードとの間の電圧（V_p）と、前記鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入される前記電流（I_p）とを受け取り、前記入力ローパスフィルタの出力部において、前記鉄道牽引装置（11）にフィルタリングされた電圧（V_dsf）を供給し、
   前記構造（200、300）はさらに、前記パンタグラフ（11a）と前記基準ノードとの間の前記電圧（V_p）および前記鉄道牽引装置（11）によって吸収または注入された前記電流（I_p）を測定（110）し、測定された前記電圧（Vp，out）および前記電流（Ip，out）をそれぞれ得るように構成されたセンサーモジュール（11b）を備え、
   前記構造（200、300）は、請求項1～8のいずれかに記載の方法のステップを実行するように構成された、構造。

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