JP4777110B2 - パンタグラフ位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、トロリ線から給電を受けて走行する電気車に用いて好適なパンタグラフ位置検出装置に関する。

従来、電気車のパンタグラフがトロリ線のエアセクション(電気車の電源切り替え)区間を通過した際にパンタグラフを通じて大電流が流れる所謂セクションオーバーを防止する方法として、エアセクション電位差を解消する方法がある（例えば特許文献１、２参照）。
特許文献１は、電気車のエアセクション区間への接近を検知してエアセクションの両端を短絡するようにしたものであり、特許文献２は、電気車がある基準速度以下の車速でエアセクション区間に進入する場合に、エアセクション両側夫々の給電を停止するようにしたものである。

一方、電気車は防護無線等により不特定の位置で停止する場合があるが、エアセクション区間で停止した場合（運転手の意思に無関係に車両が制動されて停止する等）、パンタグラフのトロリ線への接触が不完全であると、トロリ線との間で発生するアーク、もしくは不完全接触に起因するジュール発熱により、トロリ線が断線する事故が発生する虞がある。この事故を回避するために重要な技術として、電気車がエアセクション区間に停止したことを検知する方法、パンタグラフがエアセクション区間にあることを検知する方法が挙げられる。
従来技術として、軌道部に赤外線、レーザ、音波、光電などを利用したセンサにより、エアセクション近傍の電気車を検知する方法がある（例えば、既述した特許文献１、２参照）。

特開平８−２１６７４１号公報 特開２００３−２００７６５号公報

しかしながら、センサを利用して電気車位置を検知する場合、車両編成の違いによりパンタグラフの位置が異なることや、気動車併用の路線等では、実際にパンタグラフがエアセクション区間に無いのに制御装置が作動してしまう問題がある（パンタグラフのない気動車がエアセクション区間に止まってしまった時、車両位置検知のみであると、不要な給電停止をしてしまう場合等がある）。また、設備導入の際には、架線等の電力設備と軌道設備の両方を工事しなくてはならず、現設備の大掛かりな改造になってしまう問題もある。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができ、しかも設備導入を容易、且つ、低コストで行うことができるパンタグラフ位置検出装置を提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。
（１） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出装置は、エアセクション区間にトロリ線の吊架線と平行で且つ離間して配設したワイヤと、前記ワイヤを加振する加振手段と、前記ワイヤが加振されることによる該ワイヤの振動を検出する受振手段と、前記ワイヤの振動周波数の変化を検知することで電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定する判定手段とを備える。

（２） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出装置は、上記（１）に記載のパンタグラフ位置検出装置において、前記判定手段は、前記ワイヤの振動周波数が予め前記ワイヤの長さで決定した最大振動周波数と最小振動周波数の範囲内にある場合、前記電気車のパンタグラフがエアセクション区間内にあると判定する。

（３） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出装置は、エアセクション区間のトロリ線を加振する加振手段と、前記トロリ線が加振されることによる該トロリ線の振動を検出する受振手段と、前記トロリ線の振動周波数の変化を検知することで電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定する判定手段とを備える。

（４） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出装置は、上記（３）に記載のパンタグラフ位置検出装置において、前記判定手段は、前記トロリ線の振動周波数が予めエアセクション区間の長さで決定した最大振動周波数と最小振動周波数の範囲内にある場合、前記電気車のパンタグラフがエアセクション区間内にあると判定する。

（５） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出装置は、上記（１）から（４）のいずれかに記載のパンタグラフ位置検出装置において、前記トロリ線からの誘導による電源を取得して装置動作用の電源を生成する電源生成手段を備える。

（６） 本発明にかかるハンガ構造は、トロリ線を把持し吊架線に支持されるハンガにおいて、エアセクション区間用として通常区間で使用されているものよりも長めに形成され、エアセクション区間のトロリ線を通常区間より下がった状態にする。

（７） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出システムは、上記（１）から（５）のいずれかに記載のパンタグラフ位置検出装置と、上記（６）に記載のハンガ構造とを備える。

（８） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出方法は、エアセクション区間の吊架線と平行で且つ離間させて配設したワイヤを加振すると共に該ワイヤの振動を検出して振動周波数を求め、さらに電気車のパンタグラフが前記トロリ線を介して前記吊架線のハンガを持ち上げることによって前記ハンガが前記ワイヤに接触した際の前記ワイヤの振動周波数変化を検知することで前記エアセクション区間内における前記パンタグラフの位置検出を行う。

（９） 本発明にかかるパンタグラフ位置検出方法は、エアセクション区間のトロリ線を加振すると共に該トロリ線の振動を検出して振動周波数を求め、さらに電気車のパンタグラフの前記トロリ線への接触による前記トロリ線の振動周波数変化を検知することで前記エアセクション区間内における前記パンタグラフの位置検出を行う。

上記（１）に記載のパンタグラフ位置検出装置では、エアセクション区間に配設したワイヤの振動周波数変化を検知して電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定するので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。また、本発明を構成する手段を容易に且つ低コストで実現できるので、設備導入を容易に且つ低コストで行うことが可能となる。

上記（２）に記載のパンタグラフ位置検出装置では、ワイヤの振動周波数が予めワイヤの長さで決定した最大振動周波数と最小振動周波数の範囲内にあれば、電気車のパンタグラフがエアセクション区間内にあると判定するので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。

上記（３）に記載のパンタグラフ位置検出装置では、エアセクション区間のトロリ線の振動周波数変化を検知して電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定するので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。また、また、本発明を構成する手段を容易に且つ低コストで実現できるので、設備導入を容易に且つ低コストで行うことが可能となる。

上記（４）に記載のパンタグラフ位置検出装置では、トロリ線の振動周波数が予めエアセクション区間の長さで決定した最大振動周波数と最小振動周波数の範囲内にあれば、電気車のパンタグラフがエアセクション区間内にあると判定するので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。

上記（５）に記載のパンタグラフ位置検出装置では、装置の動作電源として、トロリ線からの誘導による電源を取得して生成するので、専用の電源を新たに用意する必要がなく設備工事の省力化及びコスト削減が図れる。

上記（６）に記載のハンガ構造では、通常区間で使用されてものよりも長めになっているので、電気車のパンタグラフがトロリ線を介してハンガを持ち上げた際に、ハンガが容易にワイヤに接触する。これにより、エアセクション区間のパンタグラフの位置検出が確実に行われる。また、既存のハンガを一部改良するだけで実現できるので、コストアップを最小限に抑えることができる。

上記（７）に記載のパンタグラフ位置検出システムでは、上記（１）から（５）のいずれかに記載のパンタグラフ位置検出装置と、上記（６）に記載のハンガ構造とを備えるので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。

上記（８）に記載のパンタグラフ位置検出方法では、エアセクション区間に配設したワイヤの振動周波数変化を検知して電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定するので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。

上記（９）に記載のパンタグラフ位置検出方法ではエアセクション区間のトロリ線の振動周波数変化を検知して電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定するので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態１に係るパンタグラフ位置検出装置を線路側方から見た側面図、図２は本実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置を電気車の進行方向から見た正面図である。

図１において、本実施形態のパンタグラフ位置検出装置は、架線が切り替わるエアセクション区間(距離Ｌ)の吊架線５と平行で、且つ離間して設置された振動ワイヤ(ワイヤ)１と、この振動ワイヤ１を加振すると共に、加振時の振動ワイヤ１の振動周波数を検知する検知ユニット２とを備えて構成される。
振動ワイヤ１は、その長さがエアセクション区間と略同じ長さであり、その一端がエアセクション区間の線路長方向に沿って設置された２本の支柱６の一方に検知ユニット２を介して接続され、他端が他方の支柱６に接続される。

検知ユニット２は、トロリ線７が軌道(図示略)の略中央部に架設されることから、図２に示すように、延長部材３によってエアセクション区間を通過して始端または終端となる吊架線５の直上に配置される。
なお、振動ワイヤ１は一端が検知ユニット２に接続されることから、他端も同様に図示せぬ延長部材３によって吊架線５の直上に来るように配置される。これにより、振動ワイヤ１と吊架線５の位置関係は図３に示すように水平方向に沿って互いに平行となる。

電気車に電力を供給するトロリ線７はハンガ８を介して吊架線５に吊られる。本発明ではエアセクション区間のハンガ８には、通常区間で使用されているものよりも長いものを使用し、トロリ線７がエアセクション区間のみ通常区間より下がった状態にする。すなわち、エアセクション区間でパンタグラフがトロリ線７と接触した場合に、通常よりも下がっているトロリ線７がパンタグラフにより上方に押し上げられ、さらにハンガ８が吊架線５より上部に押し上げられて振動ワイヤ１と接触する構造を採っている。パンタグラフがエアセクション区間に無い場合は振動ワイヤ１とハンガ８は接触することがない。
なお、トロリ線７は、支柱６間の鉄構ビーム９に結合した振れ止め金具１１に支持されて、横ゆれ防止が図られている。
また、トロリ線７とハンガ８の接続構造は、公知技術であり、例えば特開２００４−３２２７３６号公報や特開平８−３３４４２１号公報に開示されている。

図５は検知ユニット２の概略構成を示すブロック図である。
同図において、検知ユニット２は、圧電素子、磁歪素子及び動電コイル等の加振デバイス２１と、発振器２２と、圧電素子、磁歪素子及び動電コイル等の受信デバイス２３と、ＭＰＵ(Micro Processing Unit)２４と、誘導電源装置２５とを備えて構成される。

加振デバイス２１は、振動ワイヤ１に振動を与える。発振器２２は、加振デバイス２１を駆動する信号を発生する。受信デバイス２３は、振動ワイヤ１の振動を検出する。受信デバイス２３の検出信号はＭＰＵ２４に入力される。ＭＰＵ２４は、受信デバイス２３の検出信号に対しＦＦＴ(Fast Fourier Transform)処理等を行って周波数を演算し、該周波数が所定の周波数範囲(振動ワイヤ１の長さで決まる最大振動周波数と最小振動周波数の範囲)にある場合は、電気車のパンタグラフがエアセクション区間内にあると判定し、外部の制御装置１０に対して作動指令を発報する。制御装置１０は、ＭＰＵ２４から作動指令を受けることでエアセクション電位差を解消する制御を行う。例えば、一方のトロリ線７には給電が行われ、他方のトロリ線７には給電が行われてない場合、一方のトロリ線７への給電を停止する制御を行う。

誘導電源装置２５は、トロリ線７からの誘導を利用してユニット各部を動作させる電源を生成するものであり、図６のブロック図に示すように、エアギャップ付コイル２５１と、このエアギャップ付コイル２５１に誘導した電圧を直流に変換する整流器２５２と、この整流器２５２の直流出力を充電用の電圧に変換するチャージ用インバータ２５３と、このチャージ用インバータ２５３で充電される充電用キャパシタ２５４と、この充電用キャパシタ２５４に蓄積された電荷から一定の電圧を生成しユニット各部に供給する定電圧回路２５５とを備えている。なお、エアギャップ付コイル２５１は検知ユニット２と一体であっても別体であっても構わない。

次に、上記構成のパンタグラフ位置検出装置の動作を説明する。
まず、検知ユニット２で、強制的に振動ワイヤ１を加振させるとともに、振動ワイヤ１の振動を検出する状態にする。

図７は、エアセクション区間内にパンタグラフ３０が停止した状態を示す図である。この図に示す状態でパンタグラフ３０が停止した場合、図８に示すように、ハンガ８はパンタグラフ３０がトロリ線７を上方に押し上げることで上昇し、吊架線５より上方に移動して振動ワイヤ１に接触する。このとき、ハンガ８が接触した場所から振動ワイヤ１の起点までのワイヤ節の長さをＬ１とし、またパンタグラフ３０が無くハンガ８が振動ワイヤ１に接触していない場合のエアセクション区間でのワイヤ節の長さをＬとすると、振動ワイヤ１の振動周波数の関係はＬ１＞Ｌとなる。

次いで、図９に示す状態でパンタグラフ３０が停止した場合、パンタグラフ３０がトロリ線７を上方に押し上げることでハンガ８が上昇し、吊架線５より上方に移動することで振動ワイヤ１に接触する。この場合、図７ではパンタグラフ３０がちょうどハンガ８の真下にあってハンガ８を押し上げている状態であるが、図９のようにパンタグラフ３０が隣接するハンガ間にある場合でもトロリ線７の下げ量を調整してハンガ８が必ず振動ワイヤ１に接触する状態にしてあれば、パンタグラフ３０がハンガ間にある場合でも検知可能である。このときハンガ８が接触した場所から振動ワイヤ１の起点までのワイヤ節の長さをＬ２とすると、図７のパンタグラフ３０の位置と比較した場合、振動ワイヤ１の振動周波数の関係はＬ１＜Ｌ２となる。

上記の振動ワイヤ１の振動周波数は弦の振動の関係より、下記式（１）で表すことができる。
ｆ＝(Ｔ／ρ)^１／２／２Ｌ …（１）
ここで、ｆ：振動周波数、Ｔ：ワイヤ張力、ρ：綿密度、Ｌ：ワイヤ節長さをそれぞれ示す。
上記の計算式のように、振動ワイヤ１の振動周波数を検知すれば、どの箇所のハンガ８が振動ワイヤ１に接触しているかを検知することができ、パンタグラフ３０がエアセクション区間にあるか、強いては凡その位置を検知することができる。

検知ユニット２の動作は、上述したように加振デバイス２１により常時振動ワイヤ１を加振しておき、受振デバイス２３にて振動ワイヤ１の振動を電気信号に換え、それをＭＰＵ２４によりＦＦＴ処理等を行って周波数を演算し、所定の周波数範囲にある場合にはパンタグラフ３０がエアセクション区間内にあると判定し、制御装置１０に作動指定を発報してエアセクション電位差を解消させる。

このように本実施の形態のパンタグラフ位置検出装置によれば、エアセクション区間の吊架線５と平行で、且つ離間させて配設した振動ワイヤ１を検知ユニット２で加振すると同時に振動ワイヤ１の振動を検出して振動周波数を求め、さらにパンタグラフ３０のトロリ線７の接触位置により振動ワイヤ１の振動周波数の変化を検知するようにしたので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。したがって、車両編成の違いによりパンタグラフの位置が異なる場合や、気動車併用の区間等での、実際にパンタグラフがエアセクション区間に無いのに制御装置が作動してしまうといった問題を解消できる。

また、本装置を導入する際には、振動ワイヤ１と検知ユニット２とを設ける共に、吊架線５のハンガ８を通常のものよりも長いものに交換するだけで済むので、現設備の改造を容易に行うことができ、コストアップを最小限に抑えることができる。

また、検知ユニット２の動作電源をトロリ線７からの誘導を利用して生成するようにしたので、専用の電源を新たに用意する必要がなく設備工事の省力化及びコスト削減が図れる。

なお、本実施の形態のパンタグラフ位置検出装置と吊架線５のハンガ８とは、パンタグラフ位置検出システムを構成する。

図１０は、本発明の第２実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置を線路側方から見た側面図である。図１１は本実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置の平面図である。なお、これらの図において前述した図１及び図４と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。

本実施形態は、振動ワイヤ１を用いず、検知ユニット２でトロリ線７を直接振動させるようにしたものである。特にトロリ線７を直接振動させるので、振動がエアセクション区間を超えて非エアセクション区間のトロリ線７に伝わらないよう、振動を吸収する振動インシュレータ４０を設けている。
パンタグラフのトロリ線７への接触位置から振動インシュレータ４０の支点部までの距離の変化で振動周波数が変化するので、この振動周波数を検知ユニット２で検出する。この検出方法は上述した第１実施形態と同様である。
パンタグラフがエアセクション区間に無い場合のエアセクション区間におけるトロリ線７の振動距離はＬである。なお、トロリ線７はパンタグラフ３０が摺動するため、振動インシュレータ４０と検知ユニット２をトロリ線７の上部に設置し、パンタグラフと干渉しないようにする。

次に、上記構成のパンタグラフ位置検出装置の動作を説明する。
まず、検知ユニット２で強制的に振動ワイヤ１を加振させるとともに、振動ワイヤ１の振動を検出する状態にする。

図１２は、エアセクション区間内にパンタグラフ３０が停止した状態を示す図である。この図に示す場合は、振動距離はＬｘになり、振動周波数は式（２）で表すことができる。
ｆ＝(Ｔ／ρ)^１／２／２Ｌｘ …（２）
ここで、ｆ：振動周波数、Ｔ：トロリ線張力、ρ：トロリ線綿密度、Ｌｘ：振動距離を示す。

パンタグラフ３０が、振動しているトロリ線７を直接押さえるので、連続的に振動周波数が変化する。すなわち、パンタグラフ３０の位置と振動周波数の関係が連続で見られるため、振動周波数からパンタグラフ３０の位置を正確に検出することが可能となる。
検知ユニット２の動作は、加振デバイス２１により常時トロリ線７を加振しておき、受診デバイス２３にてトロリ線７の振動を電気信号に換え、それをＭＰＵ２４によりＦＦＴ処理等を行って周波数を演算し、所定の周波数範囲(エアセクション区間におけるトロリ線７の長さで決まる最大振動周波数と最小振動周波数の範囲)にある場合、パンタグラフ３０がエアセクション区間内にあると判定し、制御装置１０に作動指定を発報してエアセクション電位差を解消させる。
検知ユニット２の電源は図６を用いて説明したようにトロリ線７にエアギャップ付コイル２５１を配置して、エアギャップ付コイル２５１に誘導した電圧を整流器２５２により直流に変換してチャージ用インバータ２５３により充電用キャパシタ２５４に蓄えた電荷を使用する。この方式を採ることで、検知ユニット２に供給する電源を新たに設置する手間を省くことができる。なお、エアギャップ付コイル２５１は検知ユニット２と一体であっても別体であっても構わない。

このように本実施形態のパンタグラフ位置検出装置によれば、エアセクション区間のトロリ線７を加振すると共にトロリ線７の振動を検出して振動周波数を求め、さらにパンタグラフ３０のトロリ線７の接触位置によりトロリ線７の振動周波数の変化を検知するようにしたので、エアセクション区間のパンタグラフの位置を確実に検出することができる。したがって、車両編成の違いによりパンタグラフの位置が異なることや、気動車併用の路線等では、実際にパンタグラフがエアセクション区間に無いのに制御装置が作動してしまう問題を解消できる。

また、本装置を導入する際には、検知ユニット２と、この検知ユニット２による振動がエアセクション区間を超えて伝わらないように振動を吸収する振動インシュレータ４０とを設けるだけで済むので、現設備の改造を容易に行うことができ、コストアップを最小限に抑えることができる。

また、検知ユニット２の動作電源をトロリ線７からの誘導を利用して生成するようにしたので、専用の電源を新たに用意する必要がなく設備工事の省力化及びコスト削減が図れる。

本発明は、エアセクション区間のパンタグラフの位置を正確に検出することができるといった効果を有し、トロリ線から給電を受けて走行する電気車の電力設備への適用が可能である。

本発明の第１実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置を線路側方から見た側面図である。 図１のパンタグラフ位置検出装置を電気車の進行方向から見た正面図である。 パンタグラフ位置検出装置における振動ワイヤと吊架線及びトロリ線の位置関係を示す図である。 図１のパンタグラフ位置検出装置の平面図である。 パンタグラフ位置検出装置の検知ユニットの概略構成を示すブロック図である。 図５の誘導電源装置の概略構成を示すブロック図である。 パンタグラフ位置検出装置の動作を説明するための図である。 パンタグラフ位置検出装置の動作を説明するための図である。 パンタグラフ位置検出装置の動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置を線路側方から見た側面図である。 本発明の第２実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置の平面図である。 本発明の第２実施形態に係るパンタグラフ位置検出装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ 振動ワイヤ
２ 検知ユニット
３ 延長部材
５ 吊架線
６ 支柱
７ トロリ線
８ ハンガ
１０ 制御装置
２１ 加振デバイス
２２ 発振器
２３ 受振デバイス
２４ ＭＰＵ
２５ 誘導電源装置
３０ パンタグラフ
４０ 振動インシュレータ
２５１ エアギャップ付コイル
２５２ 整流器
２５３ チャージ用インバータ
２５４ 充電用キャパシタ
２５５ 定電圧回路

Claims (2)

1. エアセクション区間にトロリ線の吊架線と平行で且つ離間して配設したワイヤと、
   前記ワイヤを加振する加振手段と、
   前記ワイヤが加振されることによる該ワイヤの振動を検出する受振手段と、
   前記ワイヤの振動周波数の変化を検知することで電気車のパンタグラフのエアセクション区間内における有無を判定する判定手段と、を備えるパンタグラフ位置検出装置。
2. 前記判定手段は、前記ワイヤの振動周波数が予め前記ワイヤの長さで決定した最大振動周波数と最小振動周波数の範囲内にある場合、前記電気車のパンタグラフがエアセクション区間内にあると判定する請求項１に記載のパンタグラフ位置検出装置。

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