JP4260779B2

JP4260779B2 - ブースターセクションのアーク抑制システム，方法

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Publication number: JP4260779B2
Application number: JP2005184714A
Authority: JP
Inventors: 浩司安喰; 哲夫兎束
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP2007001463A

Description

本発明は、交流電気鉄道のき電回路におけるブースターセクションにおけるトロリー線とパンタグラフとの間にて発生するアークを抑制するアーク抑制システム，方法に関するものである。

交流電車（電気車２００）を駆動するための交流き電方式としては、単巻変圧器き電方式（以下、ＡＴき電方式）と、本発明が対象とする吸上変圧器き電方式（以下、ＢＴき電方式）とがある。
ＡＴき電方式は、図１０に示すように、単巻変圧器１０３の中性点をレール１００に接続し、一端をトロリー線１０１に接続し、他端をき電線１０２に接続した単相３線式の回路方式である。
ここで、単巻変圧器１０３の巻数比は、任意に設定することができるが、一般に１：１を使用し、き電電圧Ｅを、例えば３０ｋＶ（または２２ｋＶ）とすると、き電用変電所１０４の送出電圧２Ｅを、６０ｋＶ（または４４ｋＶ）としている。

一方、ＢＴき電方式は、図１１に示すように、レール１００から大地への漏れ電流によって、近傍の通信線等に生ずる通信誘導を低減させるため、１次・２次の巻線比が１：１の比率の吸上変圧器１０６（帰電流を吸上げるBooster TransformerすなわちＢＴ）を所定の距離単位（例えば、４ｋｍ）に設けて、レール１００に、トロリー線１０１から電気車２００を介して流れる帰電流を吸上げ、負き電線１０５に流し込む方式である。ここで、隣接するＢＴセクションの中間地点及びき電用変電所の直近にて負き電線１０５とレール１００とを吸上線１１５により接続する。
また、ＢＴき電方式は、ＢＴのトロリ側端子間の短絡を避けるため、トロリー線１０１にブースターセクション１０７を設ける必要がある。ここで、ＢＴき電方式において、ブースターセクションとして代表的な構成は、トロリー線の引き留め箇所の平行部分におけるトロリー線相互の離隔空間を絶縁に用いたものである。

このため、電気車２００がＢＴを通過する際、パンタグラフにて、ブースターセクションの絶縁を一時的に短絡し、再度絶縁状態になる際に、負荷電流の一部を遮断するため、ブースター（ＢＴ）セクションとパンタグラフとの間にアークが発生する。
電気車２００がＢＴセクション１０７を通過する際に、電気車２００のパンタグラフにより、このＢＴセクション１０７の絶縁区間がショートされ、再度絶縁状態になる瞬間にパンタグラフで遮断する電流を遮断電流、また、再度絶縁状態になった瞬間に、ＢＴセクション間に発生する電圧を回復電圧と定義し、発生するアークの規模はこの遮断電流と回復電圧との大きさにより表現される。

遮断電流の発生原理としては、図１２に示すように、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過する際、電気車２００のパンタグラフがＢＴセクション１０７の絶縁区間を短絡すると、トロリー線１０１に介挿された吸上変圧器１０６の１次側の端子間が短絡することとなり、吸い上げ変圧器１０６がレールからの電流吸い上げの機能を失う。
したがって、図１２に示すように、電気車２００に流れる負荷電流はパンタグラフを介して、電流Ｉ1の経路と電流Ｉ2の経路とに、それぞれのインピーダンス比により分流することになる。
図１２に示すように、電気車２００がき電用変電所１０４から遠ざかる方向に走行している場合、パンタグラフにより電流Ｉ1を遮断することになり、この電流Ｉ1が遮断電流である。

また、回復電圧の発生原理としては、図１３に示すように、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過する際に、パンタグラフによりＢＴセクションを短絡し、再び絶縁状態となった瞬間に、負荷電流Ｉの全てが図示する経路で負き電線１０５に流れ、負き電線１０５のインピーダンスにより、それぞれ電圧Ｉ・Ｚ_ＮＦ１と電圧Ｉ・Ｚ_ＮＦ２とが発生する。ここで、Ｚ_ＮＦ１が吸上変圧器１０６と、変電所側の吸上線との間の負き電線インピーダンスであり、Ｚ_ＮＦ２が吸上変圧器１０６と変電所からみてＢＴの遠方側にある吸上線との間の負き電線インピーダンスである。

この発生する電圧は、吸上線箇所１０８を電位基準とした電圧であるため、吸上線箇所１０８のレール電位を無視すると、負き電線１０５の対地電圧となる。
また、吸上線箇所１０８から遠い箇所ほど負き電線１０８における対地電圧が高くなるため、ＢＴセクション１０７の領域で最も高くなり、ＢＴ２次側（負き電線側）端子間にはＩ・（Ｚ_ＮＦ１＋Ｚ_ＮＦ２）の電圧が発生する。
そして、吸上変圧器１０６は１次側と２次側の巻数比が１：１であるため、ＢＴ２次側に発生した電圧はＢＴ１次側（トロリー線側）に誘起され、ＢＴセクション１０７の端子間に発生する電圧、すなわち回復電圧となる。

上述した回復電圧が、アーク電圧に対して高ければ、電気車２００のパンタグラフとＢＴセクション１０７の端子との間に発生したアークは継続し、アークが伸長して回復電圧よりもアーク電圧が高くなるとアークは消弧する。
そして、鉄道における輸送力の増強に伴って、き電系統の負荷電流も増加する傾向にあり、ＢＴセクションを通過する際のアークの発生が問題となってきている。
負荷電流が大きくなるほど、遮断電流と回復電圧が大きくなるので発生するアークも大きくなり、トロリー線の摩耗・溶断、さらには電気車のパンタグラフの消耗と激しい損傷の原因となる。

このため、従来よりアークの発生を防止する機構が、き電回路に設けられている。例えば、図１４に示すＮＦコンデンサ方式は、負き電線１０５にＮＦ（負荷き電）コンデンサ１１０を設けることにより、遮断電流を減少させて、アークの発生を抑制している。
すなわち、負き電線１０５において、吸上変圧器１０６の２次側で、電気車２００の進行方向の端子と吸上線Ｂとの間にＮＦコンデンサ１１０（例えば、１．８〜２．５Ω）を直列に介挿する。
これにより、電気車２００からみると、吸上線１１５Ｂ側の帰電流経路の回路インピーダスが減少するので、吸上線１１５Ｂ側に流れる電流が増加し、吸上線Ａ側に流れる電流が減少、すなわち、吸上線１１５Ａ側に流れる遮断電流が減少するため、アークの発生を抑制することができる。

しかしながら、上述したＮＦコンデンサ方式においては、負荷電流が大きい場合には十分にアーク発生量を抑制することができず、アークの発生の対策として、不十分である。
上述した不具合を解決するため、列車が通過するタイミングを検出し、ＢＴセクションを短絡して、アークの発生を防止するＢＴ短絡方式がある（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、図１５に示すように、超音波センサ３００により列車がＢＴセクションに接近したことを検知し、制御器３０１がサイリスタスイッチ３０２をオン状態として、吸上変圧器１０６の１次側（トロリー線１０１側）の端子を短絡し、電気車２００が通過したことを検出すると、制御器３０１はサイリスタスイッチ３０２をオフ状態とし、ＢＴセクション１０７の端子を開放する。

上述したように、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過する際に、所定の期間において、ＢＴセクション１０７における端子が短絡されているため、遮断電流と回復電圧との双方を減少させることができ、アークの発生を効率的に防止することができる。
特開平０８−２１６７４１号公報

しかしながら、上記特許文献１のアーク抑制システムにおいては、ＢＴセクションの端子を短絡するため、すなわちトロリー線を短絡することになるため、サイリスタスイッチ３０２の絶縁階級は２０号（２００００Ｖ）を必要とし、機器が大型化するとともに高価なものとなる。
さらに、従来のアーク抑制システムは、超音波センサにより、通過物の検出を行っているため、電気車のみでなく、気動車通過に際してもサイリスタスイッチをオン／オフ制御することとなり、不必要なＢＴ短絡が発生する。また、列車全体が通過する間ＢＴが短絡となるので、ＢＴ短絡時間が長くなり、通信誘導に対し悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、従来例のような高価な高い絶縁階級のサイリスタ等のスイッチを用いずに、安価に構成でき、長期間に渡り故障せず、メンテナンスも容易な構成でアークの発生を防止することが可能な故障点標定システム，方法を提供することを目的とする。

本発明のアーク抑制システムは、負き電線に２次側が介挿され、トロリー線に１次側が介挿された吸上変圧器を有するＢＴセクションにおいて、電気車のパンタグラフと、トロリー線との間のアークの発生を防止するアーク抑制システムであり、前記２次側の端子間に設けられたスイッチ素子と、１次側または２次側と磁気結合した電圧測定用巻線と、前記１次側または２次側からの電磁誘導により、前記電圧測定用巻線に発生する誘導起電力を測定し、測定電圧値を出力する電圧測定部と、該測定電圧値に基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフ制御する開閉制御部とを有することを特徴とする。

本発明のアーク抑制システムは、前記開閉制御部が、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定値が閾値以下であることを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする。

本発明のアーク抑制システムは、前記吸上変圧器の１次側または２次側のいずれかに設けられ、吸上変圧器に流れる負荷電流を測定し、測定電流値として出力する電流測定部を有し、前記開閉制御部が前記測定電流値と測定電圧値とに基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフ制御することを特徴とする。

本発明のアーク抑制システムは、前記開閉制御部が、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定電圧値が閾値以下であることを検出し、かつ前記測定電流値と設定された閾値とを比較し、測定電流値が所定の閾値を超えたことを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする。

本発明のアーク抑制方法は、負き電線に２次側が介挿され、トロリー線に１次側が介挿された吸上変圧器を有するＢＴセクションにおいて、電気車のパンタグラフと、トロリー線との間のアークの発生を防止するアーク抑制方法であり、前記１次側または２次側からの電磁誘導により、前記１次側または２次側と磁気結合した電圧測定用巻線に発生する誘導起電力を測定し、測定電圧値を出力する電圧測定過程と、該測定電圧値に基づいて、前記２次側の端子間に設けられたスイッチ素子をオン／オフ制御する開閉制御過程とを有する。

本発明のアーク抑制方法は、前記開閉制御過程において、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定値が閾値以下であることを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする。

本発明のアーク抑制方法は、前記吸上変圧器の１次側または２次側のいずれかに設けられた電流測定部により、吸上変圧器に流れる負荷電流を測定して、測定電流値として出力する過程を有し、前記開閉制御過程において、前記測定電流値と測定電圧値とに基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフ制御することを特徴とする。

本発明のアーク抑制方法は、前記開閉制御過程において、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定電圧値が閾値以下であることを検出し、かつ前記測定電流値と設定された閾値とを比較し、測定電流値が所定の閾値を超えたことを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、電気車が通過するタイミングを電気的に検出し、吸上変圧器の２次側にスイッチ素子設けて、２次側の端子を短絡制御してアーク抑制の処理を行うので、短絡制御する負き電線の電圧（例えば、対地３０００Ｖ）がトロリー線の電圧（例えば、対地２００００Ｖ）に比較して低いため、従来例のような高価な高い絶縁階級のサイリスタ等のスイッチ素子を用いずに、アーク抑制システムを安価に構成することができる。
また、本発明によれば、上述したように、スイッチ素子対地間に印加される電圧が低いため、スイッチ素子を頻繁にオン／オフ制御しても、長期間に渡り故障することなく、介挿された負き電線の電圧が低いため、スイッチ素子の交換等のメンテナンスも容易とする構成を実現することができる。

さらに、本発明によれば、電気車のパンタグラフが吸上トランスの１次側の端子を短絡させた状態（電圧測定用巻線による電圧値の測定）と、ＢＴセクションを電気車が通過した状態（吸上変圧器の１次または２次側に流れる電流値の測定）とを検出して、上記スイッチ素子のオン／オフ（開閉）制御するため、確実に電気車がＢＴセクションを通過するタイミングのみオン状態とすることができ、ＢＴ短絡時間を最低限とすることでＢＴ短絡が通信誘導に与える影響を回避することができる。
また、本発明は、電気車に流れる負荷電流により、電気車の通過を電気的に検知するため、従来のアーク抑制システムのように、気動車または電気車の動力車でない編成車両が通過しても、開閉器の開閉制御を行ってしまうことを防止できる。

本発明の構成としては、ＢＴき電方式を用いて、ＢＴセクションを電気車が通過した際に、ＢＴセクションとパンタグラフとの間で発生するアークを、ＢＴセクションにおける吸上変圧器の低電圧側に接続されている２次側の端子を、電気車の通過を電気的に検知して短絡することにより、上記アークの発生を抑制するシステムとされている。
すなわち、本願発明は、負き電線に２次側が介挿され、トロリー線に１次側が介挿された吸上変圧器を有するＢＴセクションにおいて、電気車のパンタグラフと、トロリー線との間のアークの発生を防止するアーク抑制システムであって、吸上変圧器の２次側の端子間に設けられたスイッチ素子（開閉器）と、吸上変圧器の１次側または２次側と磁気結合した電圧測定用巻線と、吸上変圧器の１次側または２次側からの電磁誘導により、電圧測定用巻線に発生する誘導起電力を測定し、測定電圧値を出力する電圧測定部と、測定電圧値に基づいて、スイッチ素子のオン／オフ制御する開閉制御装置とを有している。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態によるアーク抑制システムを図面を参照して説明する。図１は交流き電方式におけるＢＴき電方式の系統構成例に対し、上記一実施形態のアーク抑制システムを用いた概念図である。
この図において、ＢＴき電方式は、すでに従来例でも述べたように、図におけるき電用変電所（または電鉄用変電所，交流変電所とも言う）１０４が、内部のき電用変圧器により受電する三相電圧を適切な単相電圧（例えば、交流２２ｋＶ）に変換・降圧し、トロリー線１０１に供給し、電気車２００を介してレール１００に流れ込む交流の負荷電流を、吸上線を介してレール１００から負き電線１０５に吸上変圧器１０６の吸上げ効果により吸い上げ、負き電線１０５を電流帰路として、き電用変電所１０４に戻る方式である。
第１の実施形態の構成は、開閉制御装置１，電圧測定部２，開閉器３及び電圧測定用巻線４とを有している。
また、ここで、開閉器３は、サイリスタ，ＶＣＢ（真空遮断器）などが用いられる。

次に、図２を用いて第１の実施形態のＢＴき電回路に対する接続を説明する。図２は本発明の第１の実施形態によるアーク抑制システムの構成例を示すブロック図である。この図２に示すように、ＢＴセクション１０７において、トロリー線１０１は所定の間隔に絶縁するため、隔離空間を有した状態で一旦分離されており（端子Ｃ及び端子Ｄ間に、トロリー線１０１の配線が存在しない、この部分がＢＴセクションとなる）、各ＢＴセクションで隔離空間を有して分離されたトロリー線１０１は、吸上変圧器１０６の１次側が介挿されて電気的に接続されている。

また、吸上変圧器１０６の２次側はＢＴセクション１０７において、負き電線１０５に介挿され、１次側はＢＴセクション１０７において、トロリー電線１０１に介挿されている。ここで、図２のＡ及びＢは負き電線１０５に介挿する際の接続に用いる、吸上変圧器１０６の２次側の端子を示し、Ｃ及びＤはトロリー線１０１に介挿する際の接続に用いる、吸上変圧器１０６の１次側の端子を示している。

電圧測定部２は、吸上変圧器１０６の２次側の端子Ａと端子Ｂの間に生じる端子間電圧を、電圧測定用巻線４により測定し、所定の時間範囲（例えば、数ｍ秒）内の測定結果として測定電圧値を出力する。
開閉器３は、吸上変圧器１０６の２次側の端子Ａと端子Ｂとの間に介挿されている。
開閉制御装置１は、上記電圧測定部２から測定電圧値を入力し、この測定電圧値が予め設定された閾値電圧以下である場合に上記開閉器３をオン状態とし、閾値電圧を超える場合に開閉器３をオフ状態とする。

本発明のアーク抑制システムにおいては、ＢＴセクション１０７がパンタグラフにて短絡されたときに、上記開閉器３が２次側の端子（端子Ａ及びＢ）間を短絡することにより、吸上変圧器１０６の端子Ａ及びＢ間を短絡するため、従来例に示したＩ・（Ｚ_ＮＦ１＋Ｚ_ＮＦ２）の電圧値を有する回復電圧が生成されることがなく、アークの発生は大きく抑制される。
したがって、本発明のアーク抑制システムによれば、ＢＴセクションを電気車２００が通過する際、パンタグラフでＢＴを短絡し、電車の進行に伴い再度絶縁状態となる瞬間に、従来例にて発生していたＢＴセクションとパンタグラフ間のアークの発生を抑制することができる。

ここで、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過する際、電気車２００のパンタグラフがトロリ線１０１の離隔空間で構成されるＢＴセクション１０７をパンタグラフが短絡した場合、吸上変圧器１０６の２次側の端子Ａ及び端子Ｂとの端子間電圧、すなわち、上記測定電圧値はほぼ「０」となり、電気車２００がＢＴセクションに存在する場合と、トロリー線１０１が電気車２００に電力を供給していない場合、すなわち、近傍に電気車２００が全く存在しない場合とが検出される。
上記閾値電圧は、実際に電圧測定部２により電圧値の測定を行い、ノイズ等を考慮して、電気車２００が通過して短絡したときに測定される電圧の例えば２倍（その区間の走行に対応して適時調整する）に設定する。
また、開閉制御装置１は、測定電圧値が「０」となることを検出して開閉器３をオン状態とするようにしてもよい。

次に、図１，図２及び図３を用いて、本発明の第１の実施形態の動作を説明する。図３は、ＢＴき電回路における各部の電圧値または電流値の時間変化を示す波形図である。
図３において、ＢＴ電圧は電圧測定部２が測定した測定電圧値を示し、ＢＴ電流は吸上変圧器１０６Ｂに流れる電流を示している。
時刻ｔ0〜時刻ｔ1において、電気車２００がＢＴセクション１０７Ａと、ＢＴセクション１０７Ｂとの間を走行しているため、ＢＴセクション１０７Ｂにおいて短絡は起こっておらず、吸上変圧器１０６Ｂの端子Ａ及び端子Ｂとの端子間電圧（ＢＴ電圧）は、主として吸上変圧器１０６Ｂと吸上変圧器１０６Ｂに隣接する変電所側の吸上線間の負き電線１０５に負荷電流が流れることによる、負き電線での電圧降下に起因している。
また、き電変電所１０４からみて、ＢＴセクション１０７Ｂよりも遠方に電気車２００が存在する場合、ＢＴセクション１０７Ｂに接続される負荷き電線１０５には負荷電流が流れるため、吸上変圧器１０６Ｂの端子Ａ及びＢ間の端子間電圧には所定の電圧、すなわち閾値電圧を超える電圧値が生じている。

次に、時刻ｔ1において、電気車２００のパンタグラフが吸上変圧器１０６Ｂの１次側の端子Ｃ及びＤを短絡する（ＢＴセクション１０７Ｂの短絡）と、ＢＴ電圧は、短絡されたために電圧測定用巻線４に電圧が誘起されず、ほぼ「０」となり、電圧測定部２はこのＢＴ電圧を電圧測定値として出力する。
そして、開閉制御装置１は、入力される測定電圧値が閾値電圧以下であることを検出し、開閉器３を閉じてオン状態とする。
このとき、開閉制御装置１は、所定の時間（例えば、１００ｍ秒）経過後に、時刻ｔ2において開閉器３がオン状態となるように制御する。
この所定の時間は、電気車２００のパンタグラフが吸上変圧器１０６Ｂの端子Ｃ及びＤを短絡している時間に対応して、適時設定するものとする。

次に、時刻ｔ3において、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過、すなわち、電気車２００のパンタグラフがＢＴセクション１０７を開放すると、このＢＴセクション１０７に対応した吸上変圧器１０６の負荷電流の吸上区間に入ることとなる。
このとき、開閉制御装置１は、時刻ｔ2において開閉器３をオン状態としてから、内部のタイマで時刻の計数を開始している。
そして、開閉制御装置１は、予め設定された所定の時間が経過した後に、開閉器３を開いてオフ状態とする。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態によるアーク抑制システムを図面を参照して説明する。図４は交流き電方式におけるＢＴき電方式の系統構成例に対し、上記第２の実施形態のアーク抑制システムを用いた概念図である。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、吸上変圧器１０６Ｂの１次側または２次側に流れるＢＴ電流をブッシングＣＴにより測定して、測定結果として測定電流値を出力する電流測定部５を設けた点である。他の第１の実施形態と同様な構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
また、第２の実施形態による開閉制御装置１は、測定電圧値と測定電流値とにより、開閉器３の開閉制御を行う。

次に、図５を用いて第２の実施形態のＢＴき電回路に対する接続を説明する。図５は本発明の第２の実施形態によるアーク抑制システムの構成例を示すブロック図である。この図５に示すように、第１の実施形態と同様に、ＢＴセクション１０７において、トロリー線１０１を所定の間隔に絶縁するため、気中離隔距離を有した状態で一旦分離されており、分離された各々のトロリー線は、吸上変圧器１０６の１次側端子に接続されている。
また、吸上変圧器１０６の２次側はＢＴセクション１０７において、負き電線１０５に介挿され、１次側はＢＴセクション１０７において、トロリー電線１０１に介挿されている。ここで、図５のＡ及びＢは負き電線１０５に介挿する際の接続に用いる、吸上変圧器１０６の２次側の端子を示し、Ｃ及びＤはトロリー線１０１に介挿する際の接続に用いる、吸上変圧器１０６の１次側の端子を示している。

電圧測定部２は、吸上変圧器１０６の２次側の端子Ａ及び端子Ｂ間に生じる端子間電圧を、電圧測定用巻線４により測定し、所定の時間範囲（例えば、数ｍ秒）内の測定結果として測定電圧値を出力する。
電流測定部５は、ＢＴ電流を、吸上変圧器１０６の１次側または２次側、例えば図４においては１次側にて、ブッシングＣＴ６により測定して、所定の時間範囲（例えば、数ｍ秒）内の測定結果として測定電流値を出力する。
開閉器３は、第１の実施形態と同様に、吸上変圧器１０６の２次側の端子Ａと端子Ｂとの間に介挿されている。

開閉制御装置１は、上記電圧測定部２から測定電圧値を入力し、また電流測定部５から測定電流値を入力し、入力される測定電圧値及び測定電流値各々を、予め設定された閾値電圧または閾値電流と比較して、この比較結果により開閉器３の開閉制御を行う。
すなわち、開閉制御装置１は、測定電圧値が第１の実施形態と同様に閾値電圧以下であり、かつ測定電流値が第１の閾値電流を超えている場合のみ、開閉装置を閉じてオン状態とする。
一方、開閉制御装置１は、開閉器３がオン状態でかつ電流増加量が第２の閾値を超えた場合、開閉器３を開けてオフ状態とする。

閾値電圧については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略し、第１及び第２の閾値電流について説明する。
ここで、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過する際、トロリー線１０１の隔離空間を、電気車２００のパンタグラフが短絡した場合、上記測定電流は負荷電流の１部が流れるため、所定の電流を閾値電流として設定していれば電気車２００の通過を検知することができる。

そして、図１２に示すように、電気車２００がＢＴセクション１０７の吸上変圧器１０６の端子Ｃ及びＤを短絡すると、端子Ｃおよび端子Ｄに負荷電流の１部の電流Ｉ2が流れる。
実際の測定結果からその区間における電流Ｉ2を求め、例えば、この数値の０.３倍を第１の閾値電流とする。
また、図７に示すように、ＢＴセクション１０７を電気車２００が通過すると、電気車２００は変電所１０４からみると、ＢＴ１０６の遠方に位置するため、トロリー線１０１を介して、電流が電気車２００に供給される。この電流はすべて吸上変圧器１０６の１次巻線に流れる。これに応じて吸上変圧器１０６の２次巻線にも全負荷電流に相当する電流が流れるので、ＢＴ電流は１次側および２次側とも増加する。
したがって、第２の電流閾値は、ＢＴ電流の増加分として、実際に測定した電気車２００に流れる負荷電流の例えば５割の数値を設定することにより、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過したことを検知することができる。

次に、図３，図４及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態の動作を説明する。図８は、図３の時刻に対応したＢＴき電回路における各部の電圧値，電流値及び制御信号の時間変化を示すタイミングチャートである。
時刻ｔ0〜時刻ｔ1において、電気車２００はＢＴセクション１０７Ａと、ＢＴセクション１０７Ｂとの間を走行しているため、ＢＴセクション１０７Ｂの短絡は起こっておらず、吸上変圧器１０６の端子Ａと端子Ｂの端子間電圧であるＢＴ電圧は、主として吸上変圧器１０６Ｂを挟む両側の吸上線位置におけるレール１００のレール電位の差に起因している。また、電気車２００がＢＴセクション１０７Ｂの吸上変圧器１０６Ｂの対象区間に存在しないため、ＢＴ電流も流れていない。
このとき、開閉制御装置１は、入力される測定電圧値が閾値電圧を超えており、測定電流値が第１の閾値電流以下であるため、開閉器３を開いてオフ状態としている。

次に、時刻ｔ1において、電気車２００のパンタグラフが吸上変圧器１０６Ｂの１次側の端子Ｃと端子Ｄを短絡すると、ＢＴ電圧は、短絡されたために電圧測定用巻線４に電圧が誘起されず、ほぼ「０」となり、電圧測定部２はこのＢＴ電圧を電圧測定値として出力する。
また、電気車２００のパンタグラフが吸上変圧器１０６の端子Ｃと端子Ｄを短絡することにより、端子Ｄを介して上記パンタグラフに負荷電流の一部が流れるため、ＢＴ電流が第１の閾値電流を超える所定の電流値にて流れる。
このとき、電流測定値５は、ＢＴ電流の測定値である電流測定値を開閉制御装置１へ出力する。

そして、開閉制御装置１は、入力される測定電圧値が閾値電圧以下であり、かつ測定電流値が第１の閾値電流を超えたことを検出すると、開閉器３を閉じてオン状態とする。
このとき、開閉制御装置１は、所定の時間（例えば、１００ｍ秒）経過後に、時刻ｔ2において開閉器３がオン状態となるように制御する。
この所定の時間は、電気車２００のパンタグラフが吸上変圧器１０６の端子Ｃと端子Ｄを短絡している時間に対応して、適時設定するものとする。

次に、時刻ｔ3において、電気車２００がＢＴセクション１０７を通過、すなわち、電気車２００のパンタグラフが吸上変圧器１０６Ｂの端子Ｃと端子Ｄ（ＢＴセクション１０７Ｂ）を開放すると、吸上変圧器１０６Ｂの負荷電流の吸上区間に入ることとなる。
このとき、電気車２００は変電所１０４からみてＢＴ１０６Ｂの遠方に位置するので、トロリ線を介して電気車２００に供給される電流は全てＢＴ１０６Ｂの１次側巻線に流れる。したがって、ＢＴ１０６Ｂの２次巻線にも全負荷電流に相当する電流がＢＴ１０６Ｂと開閉器３の間で循環電流として流れる。したがって、電気車２００がＢＴセクション１０７Ｂを短絡しているときと比較して、ＢＴ電流および開閉器電流は大きく増加する。よって第２の閾値を適当な値とすることで、この電流増加量を検知し、電気車がＢＴセクションを通過したことを判断できる。

そして、開閉制御装置１は、開閉器が投入されオン状態にあるときにＢＴ電流増加量が第２の閾値電流を超えていることを検出すると、開閉器３を開いてオフ状態とする。
また、図８に示すように、時刻ｔ4におけるように、ＢＴ電流増加量を第２の閾値電流と比較することなく、開閉制御装置１は、開閉器３をオン状態としてから、またはオフ状態となる状態が検出されてから、内部のタイマで時刻を計数して、予め設定された所定の時間が経過した後に、開閉器３を開いてオフ状態とするように構成してもよい。
さらに、開閉器３をオン状態からオフ状態とする制御を、基本的に、ＢＴ電流増加量の第２の閾値電流と比較することにより行い、これが動作しなかったときの保証として、所定の時刻が経過したことにより、オン状態からオフ状態とする制御を行うようにしてもよい。

第１の実施形態がＢＴセクションの吸上区間に、電気車が存在しないときにも、開閉器をオン状態とする場合があるが、上述した第２の実施形態のアーク抑制システムは、ＢＴ電圧とＢＴ電流との双方の値を閾値と比較して、開閉器の開閉制御を行うため、確実に電気車のパンタグラフが、ＢＴセクションにおける吸上変圧器の１次側（トロリー線に介挿されている）の端子を短絡するタイミングを検知することができ、電気車がＢＴセクションを短絡したときのみ、開閉器をオン状態として、パンタグラフとＢＴセクションとの間のアークの抑制処理を行うことが可能となる。

また、第２の実施形態において、既に設けられているＢＴき電回路に対応させるため、後付によりき電回路に接続することができる構成を、図９に示す。図９は第２の実施形態によるアーク抑制システムの変圧変流ユニットの構成例を示すブロック図である。
各ＢＴセクションにて、電気車の走行方向に対して、吸上変圧器１０６の吸上区間の端子Ｂに接続された負き電線１０５に、端子Ｒ及び端子Ｑにより変圧変流ユニットを介挿する。

上記変圧変流ユニット１０は、すでに述べた電圧測定用巻線４とブッシングＣＴ６とに対応する構成である。変圧変流ユニット１０は、１次側の端子がそれぞれ端子Ａ及び端子Ｂに接続された計器用変圧器９を有しており、端子Ｒと変圧変流ユニット１０との配線に計器用変流器６が設けられている。
そして、電圧測定部２は、上記計器用変圧器９の２次側の端子間に誘起される電圧を測定し、測定結果を測定電圧値として出力する。
また、電流測定部５は、計器用変流器６から入力されるＢＴ電流を、測定電流値として出力する。

本発明の第１の実施形態によるアーク抑制システムを用いたＢＴき電方式のき電回路の構成例を示す概念図である。第１の実施形態による図１のアーク抑制システムの構成例を示すブロック図である。ＢＴセクションの吸上変圧器にて測定される、電気車の位置におけるＢＴ電圧とＢＴ電流との波形を示す波形図である。本発明の第２の実施形態によるアーク抑制システムを用いたＢＴき電方式のき電回路の構成例を示す概念図である。第２の実施形態による図４のアーク抑制システムの構成例を示すブロック図である。パンタグラフがＢＴセクションを短絡し、かつアーク抑制システムの開閉器を投入した際の負荷電流の流れる経路を示す概念図である。アーク抑制システムの開閉器が投入（オン状態）となっており、かつパンタグラフがＢＴセクションを通過した際（直後）の負荷電流の流れる経路を示す概念図である。第２の実施形態によるアーク抑制システムにおける動作を示すタイミングチャートである。第２の実施形態によるアーク抑制システムの変圧変流ユニットを示すブロック図である。交流き電方式（ＡＴき電方式）のき電回路の構成を示す概念図である。交流き電方式（ＢＴき電方式）のき電回路の構成を示す概念図である。パンタグラフがＢＴセクションを短絡した際、パンタグラフを介して流れる遮断電流によるアークの発生を説明する概念図である。パンタグラフによるＢＴセクションの短絡が解消された際、発生する回復電圧によるアークの発生を説明する概念図である。アーク抑制に用いられるＮＦコンデンサ方式によるアークの抑制を説明する概念図である。ンタグラフがＢＴセクションを短絡した際に、吸上変圧器の１次側の端子を短絡することによるアークの抑制を説明する概念図である。

符号の説明

１…開閉制御装置２…電圧測定部
３…開閉器４…電圧測定用巻線
５…電流測定部６…ブッシングＣＴ
９…計器用変圧器１０…変圧変流ユニット
１００…レール１０１…トロリー線
１０４…き電用変電所１０５…負き電線
１０６…吸上変圧器１０７…ＢＴセクション
１０２…き電線１０３…単巻変圧器
１０８…吸上線箇所１１０…ＮＦコンデンサ
１１５…吸上線２００…電気車
３００…センサ制御器３０１…制御器
３０２…超音波センサ

Claims

負き電線に２次側が介挿され、トロリー線に１次側が介挿された吸上変圧器を有するＢＴセクションにおいて、電気車のパンタグラフと、トロリー線との間のアークの発生を防止するアーク抑制システムであり、
前記２次側の端子間に設けられたスイッチ素子と、
１次側または２次側と磁気結合した電圧測定用巻線と、
前記１次側または２次側からの電磁誘導により、前記電圧測定用巻線に発生する誘導起電力を測定し、測定電圧値を出力する電圧測定部と、
該測定電圧値に基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフ制御する開閉制御部と
を有することを特徴とするアーク抑制システム。
前記開閉制御部が、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定値が閾値以下であることを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする請求項１記載のアーク抑制システム。
前記吸上変圧器の１次側または２次側のいずれかに設けられ、吸上変圧器に流れる負荷電流を測定し、測定電流値として出力する電流測定部を有し、
前記開閉制御部が前記測定電流値と測定電圧値とに基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフ制御することを特徴とする請求項１に記載のアーク抑制システム。
前記開閉制御部が、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定電圧値が閾値以下であることを検出し、かつ前記測定電流値と設定された閾値とを比較し、測定電流値が所定の閾値を超えたことを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする請求項３記載のアーク抑制システム。
負き電線に２次側が介挿され、トロリー線に１次側が介挿された吸上変圧器を有するＢＴセクションにおいて、電気車のパンタグラフと、トロリー線との間のアークの発生を防止するアーク抑制方法であり、
前記１次側または２次側からの電磁誘導により、前記１次側または２次側と磁気結合した電圧測定用巻線に発生する誘導起電力を測定し、測定電圧値を出力する電圧測定過程と、
該測定電圧値に基づいて、前記前記２次側の端子間に設けられたスイッチ素子をオン／オフ制御する開閉制御過程と
を有することを特徴とするアーク抑制方法。
前記開閉制御過程において、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定値が閾値以下であることを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする請求項５記載のアーク抑制方法。
前記吸上変圧器の１次側または２次側のいずれかに設けられた電流測定部により、吸上変圧器に流れる負荷電流を測定して、測定電流値として出力する過程を有し、
前記開閉制御過程において、前記測定電流値と測定電圧値とに基づいて、前記スイッチ素子のオン／オフ制御することを特徴とする請求項５に記載のアーク抑制方法。
前記開閉制御過程において、前記測定電圧値と予め設定された閾値とを比較し、測定電圧値が閾値以下であることを検出し、かつ前記測定電流値と設定された閾値とを比較し、測定電流値が所定の閾値を超えたことを検出した場合、スイッチ素子をオン状態とすることを特徴とする請求項７記載のアーク抑制方法。