JP5135279B2 - 選択排流器及び選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、選択排流器及び選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法に関するものである。

直流電気鉄道車両のレール下に埋設された金属パイプラインには、直流電気鉄道車両運行時にレールから大地に流出する電流（レール漏れ電流という）が流入することがあり、流入した電流が金属パイプラインを流れて接地抵抗の低い箇所で流出すると、そこで直流迷走電流腐食が生じることになる。このようなレール漏れ電流の流出による直流迷走電流腐食を防止する方法の一つに選択排流法がある。ここでいう埋設金属パイプラインとは、ガス導管，水道管，通信配線保護管等を含んでおり、ここでは、カソード防食がなされているものを前提にして以下に説明する。

選択排流法は、図１に示すように、埋設金属パイプライン（以下単にパイプラインという）Ｐの管対地電位Ｐ／Ｓ（パイプラインＰと大地Ｓとの電位差）に対してレール対地電位（レールＲと大地Ｓとの電位差）がよりマイナス側の場合に、選択排流器１を介してパイプラインＰとレールＲ（或いはレールから変電所への引込線）とを電気的に接続し、パイプラインＰを流れる電流を直接大地に流出させずに電線を通してレールＲに帰流させる方法である（非特許文献１参照）。図中のＤ１は直流電気鉄道車両、Ｄ２は電車線、Ｄ３は変電所を示している。選択排流法は、変電所Ｄ３の近傍や回生制動車両の制動が頻繁になされる箇所でレールＲに電流が吸い上げられる現象が生じることを利用したもので、このような現象が生じる箇所を選択してパイプラインＰとレールＲを電線で接続し、パイプラインＰからレールＲに向かう電流のみを許容することで、パイプラインＰから大地に電流を流出させないものである。

選択排流器１としては、シリコンダイオードと抵抗とを直列に接続したものが一般に用いられ、シリコンダイオードのアノード側を防食対象のパイプラインＰに接続している。選択排流器１によって発生する排流電流の大きさは、パイプラインＰとレールＲとの間の電位差が起動力となるが、シリコンダイオードと直列に接続される抵抗（排流電流制限抵抗）の大きさによって排流電流の大きさを制限することができる。この抵抗の抵抗値を大きくすることで排流電流を抑制することができ、抵抗値を小さくすることで排流電流が流れやすい状態になる。
電気学会 電食防止研究委員会編「新版 電食・土壌腐食ハンドブック」電気学会発行，昭和５２年５月，ｐ．２３９

パイプラインとレールとの間に選択排流器を接続した場合、選択排流器によって発生する排流電流が大きくなると、パイプラインの接地抵抗が下がることになり、周囲の電流（レール漏れ電流等の迷走電流や防食電流）をパイプラインに呼び寄せやすくなる。これによってパイプラインに多くの電流が流入すると、カソード防食が施されているパイプラインにおいては過防食になりやすい問題があり、また、選択排流器が接続されたパイプラインの近くに他埋設管が存在する場合には、他埋設管に直流干渉による腐食リスクが生じる問題がある。

特にパイプラインが過防食になると、カソード反応の結果生成されるアルカリ（ＯＨ^-）により塗覆装欠陥近傍の塗覆装の接着力が低下することによりもたらされる陰極剥離や、カソード反応の結果生成する原子状水素が鋼内部に侵入して引き起こされる水素応力割れ等の問題が懸念されるので、パイプラインが過防食にならない対策が必要である。

しかしながら、従来の選択排流器では下記式（１）によって排流電流制限抵抗の抵抗値が求められており、抵抗値ｒｊは設定最大排流電流Ｉ_maxを考慮して決められていた。この設定最大排流電流Ｉ_maxは、選択排流器本体の定格（１５０Ａ又は３００Ａ）の例えば６０％とされ、過防食防止という観点で排流電流制限抵抗の抵抗値を求めることがなされていなかった。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものであって、選択排流器の排流電流を適正に制限して防食対象パイプラインの過防食を引き起こさないようにすること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による選択排流器及び選択排流器の排流電流制限抵抗値の決定方法は、以下の各独立請求項に係る構成を少なくとも具備するものである。

［請求項１］直流電気鉄道のレールと該レール下に埋設された埋設金属パイプラインとの間に接続された選択排流器であって、前記埋設金属パイプラインから前記レールに向かう方向を順方向とするダイオードと該ダイオードに直列接続される排流電流制限抵抗を備え、前記排流電流制限抵抗は、前記埋設金属パイプラインの近傍に設置されたプローブに流入するプローブ流入直流電流密度と前記選択排流器の排流電流との正相関から、前記プローブ流入直流電流密度の過防食防止基準値に対応する排流電流値を求め、該排流電流値が前記選択排流器の設置現場で上限となるように定めた抵抗値ｒ１を有することを特徴とする選択排流器。

［請求項３］直流電気鉄道のレールと該レール下に埋設された埋設金属パイプラインとの間に接続された選択排流器の排流電流制限抵抗値を決定する方法であって、前記選択排流器は前記埋設金属パイプラインから前記レールに向かう方向を順方向とするダイオードと該ダイオードに直列接続される排流電流制限抵抗を備え、前記埋設金属パイプラインの近傍に設置されたプローブに流入するプローブ流入直流電流密度と前記選択排流器の排流電流との正相関から、前記プローブ流入直流電流密度の過防食防止基準値に対応する排流電流値を求め、該排流電流値が前記選択排流器の設置現場で上限となるように、前記排流電流制限抵抗の抵抗値ｒ１を定めることを特徴とする選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法。

このように特定された選択排流器或いは選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法によると、選択排流器の排流電流を適正に制限して防食対象パイプラインの過防食を引き起こさないようにすることができる。

選択排流法の説明図である。 本発明の実施形態に係る選択排流器及び選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る排流電流制限抵抗値決定方法における計測演算処理工程を示した説明図である。 （Ｉ_UDD ^max，Ｉ_DC ^max）と（｜Ｒ／Ｐ｜^max，Ｉ_DC ^max）の座標から得られるＩ_UDD−Ｉ_DC正相関図（同図（ａ））と｜Ｒ／Ｐ｜−Ｉ_DC正相関図（同図（ｂ））である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る選択排流器及び選択排流器の排流電流制限抵抗値の決定方法を示す説明図である。直流電気鉄道Ｄ１のレールＲとレールＲの下に埋設されたパイプラインＰとの間に選択排流器１が接続されている（１Ｒ：レール側端子、１Ｐ：パイプ側端子）。選択排流器１は、パイプラインＰの管対地電位Ｐ／Ｓ（パイプラインＰと大地Ｓとの電位差）に対してレール対地電位（レールＲと大地Ｓとの電位差）がよりマイナス側の場合に、その差を駆動力としてパイプラインＰを流れる電流を直接大地に流出させずに電線を通してレールＲに帰流させるものである。

選択排流器１の具体的な構成例を示すと、パイプ側端子１ＰとパイプラインＰとの接続点Ｐ１間は電線Ｌ１で接続され、レール側端子１ＲとレールＲ間は電線Ｌ２で接続されている。選択排流器１はパイプラインＰからレールＲに向けた方向を順方向とするダイオード１０を備え、そのダイオード１０にシャント抵抗１１が直列接続されている。ダイオード１０にはコンデンサ１２とバリスタ１３が並列接続されて高電圧（サージ）からダイオード１０を保護している。また、排流電流制限抵抗１４がダイオード１０とシャント抵抗１１の間に挿入されてダイオード１０に直列接続されている。また、シャント抵抗１１よりレールＲ側に速断ヒューズ１５が直列接続されている。速断ヒューズ１５をシャント抵抗１１とレール側端子１Ｒとの間に設置することで、速断ヒューズ１５が過電流によって溶断した場合には、排流電流Ｉ_UDDがゼロになり、レール対管電位Ｒ／Ｐもゼロになる。この速断ヒューズ１５を設けることで、過電流が後述するＲ／Ｐ計測用電圧計２１Ａに流れ込まないので、電圧計の故障を誘起しない。

このような選択排流器１に対しては、２つの計測手段を組み込んでいる。一つは、シャント抵抗１１の両端電圧を計測するＩ_UDD計測用電圧計２０Ａであり、もう一つは、レール側の接続点をシャント抵抗１１のマイナス端子側に接続すると共にパイプ側の接続点をダイオード１０よりパイプ側に接続したＲ／Ｐ計測用電圧計２１Ａである。

Ｉ_UDD計測用電圧計２０Ａで計測された電圧をシャント抵抗で除した値がパイプラインＰからレールＲに向けて流れる排流電流Ｉ_UDDである。また、Ｒ／Ｐ計測用電圧計２１Ａで計測される電圧がレール対管電位Ｒ／Ｐ（パイプラインＰに対するレールＲの電位差）である。排流電流Ｉ_UDDがパイプラインＰからレールＲに向けて流れている状態ではレール対管電位Ｒ／Ｐはマイナスの値を示すことになる。

Ｉ_UDD計測用電圧計２０Ａで計測された電圧は、排流電流計測手段２０に入力され排流電流Ｉ_UDDに変換される。Ｒ／Ｐ計測用電圧計２１Ａは、排流電流を流す駆動力の有無を判断するための電位差を計測するものであるから、シャント抵抗１１の電圧降下を計測値に含めるように、シャント抵抗１１のマイナス端子側にレール側の接続点を設けている。Ｒ／Ｐ計測用電圧計２１Ａで計測された電圧はレール対管電位計測手段２１に入力されて、その絶対値｜Ｒ／Ｐ｜が出力される。排流電流Ｉ_UDDとレール対地電位Ｒ／Ｐとの関係は、Ｉ_UDD＝（Ｒ／Ｐ）／（ｒ０＋ｒ１）となる。ここで、ｒ０は後述するようにレールの接地抵抗ｒ０１とパイプラインの接地抵抗ｒ０２と配流星の導体抵抗ｒ０３の和である。ｒ１は排流電流制限抵抗の抵抗値である。

一方、パイプラインＰの近傍にはパイプラインＰの塗覆装欠陥を模擬したプローブ３０が設置され、パイプラインＰと電線Ｌ３の一端が接続点Ｐ２で接続され、電線Ｌ３の他端にプローブ３０が接続されている。電線Ｌ３に挿入されたプローブ電流計３１によってプローブ流入電流が計測される。計測されたプローブ流入電流は、プローブ電流密度計測手段３２で演算処理されてプローブ流入直流電流密度Ｉ_DCが出力される。

前述した排流電流計測手段２０とレール対管電位計測手段２１とプローブ電流密度計測手段３２からの出力が演算処理手段４０に入力され、演算処理手段４０の演算処理によって前述した排流電流制限抵抗１４の抵抗値を決定する。

図３は、排流電流計測手段２０，レール対管電位計測手段２１，プローブ電流密度計測手段３２，演算処理手段４０による計測演算処理工程を示した説明図である。計測は、排流電流制限抵抗１４が無い状態で行われ、好ましくは過防食発生リスクを厳しめに評価するためにレール漏れ電流の発生しやすい雨天時に例えば２４時間行う。Ｉ_UDD計測用電圧計２０Ａ，Ｒ／Ｐ計測用電圧計２１Ａ，プローブ電流計３１からのサンプリングは０．１ｍｓｅｃ毎に同時に行われ、２０ｍｓｅｃの単位計測区間での２００個のサンプリング値を平均化処理してＩ_UDD，｜Ｒ／Ｐ｜，Ｉ_DCが求められる。

２０ｍｓｅｃの単位計測区間毎に１組の（Ｉ_UDD，｜Ｒ／Ｐ｜，Ｉ_DC）が求められるので、例えば１０ｓｅｃの１基本計測区間では５００組の（Ｉ_UDD，｜Ｒ／Ｐ｜，Ｉ_DC）が求められることになり、この５００組の中の最大値を抽出して、１基本計測区間毎に１つの（Ｉ_UDD ^max，｜Ｒ／Ｐ｜^max，Ｉ_DC ^max）を求める。また、排流電流Ｉ_UDDとプローブ流入直流電流密度Ｉ_DCの相関、或いはレール対管電位Ｒ／Ｐとプローブ流入直流電流密度Ｉ_DCの相関を求めるために、１基本計測区間毎に（Ｉ_UDD ^max，Ｉ_DC ^max）と（｜Ｒ／Ｐ｜^max，Ｉ_DC ^max）の座標を一つずつ得る。

この過程を繰り返し、例えば２４時間の計測時間では１基本計測区間が８６４０個有るので、（Ｉ_UDD ^max，Ｉ_DC ^max）と（｜Ｒ／Ｐ｜^max，Ｉ_DC ^max）の座標がそれぞれ８６４０点得られることになる。更には、８６４０個の（Ｉ_UDD ^max，｜Ｒ／Ｐ｜^max）から平均値（（Ｉ_UDD ^max）^ave，（｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave）を求める。

図４は、前述ように求めた（Ｉ_UDD ^max，Ｉ_DC ^max）と（｜Ｒ／Ｐ｜^max，Ｉ_DC ^max）の座標から得られるＩ_UDD−Ｉ_DC正相関図（同図（ａ））と｜Ｒ／Ｐ｜−Ｉ_DC正相関図（同図（ｂ））である。排流電流Ｉ_UDD ^maxとプローブ流入直流電流密度Ｉ_DC ^max、或いはレール対管電位｜Ｒ／Ｐ｜^maxとプローブ流入直流電流密度Ｉ_DC ^maxは、高い相関係数の正相関を示す。これを利用して、プローブ流入直流電流密度Ｉ_DCの過防食防止基準に対応する排流電流Ｉ_UDD ^maxとレール対管電位｜Ｒ／Ｐ｜^maxを求める。プローブ流入直流電流密度Ｉ_DCの過防食防止基準は、例えば、特開２００６−１４５４９２号公報に示されているように、４０Ａ／ｍ²であることが知られている。この値をＩ_UDD−Ｉ_DC正相関図（同図（ａ））と｜Ｒ／Ｐ｜−Ｉ_DC正相関図（同図（ｂ））に代入して、プローブ流入直流電流密度Ｉ_DCの過防食防止基準に対応した排流電流Ｉ_UDD ^maxとレール対管電位｜Ｒ／Ｐ｜^maxである、Ｉ_UDD ^maxL，｜Ｒ／Ｐ｜^maxLを求める。

以下に、演算処理手段４０による排流電流制限抵抗１４の抵抗値決定工程を説明する。演算処理手段４０は、前述した排流電流値Ｉ_UDD ^maxLが選択排流器１の設置現場で上限となるように、排流電流制限抵抗１４の抵抗値ｒ１を定める。

先ず、選択排流器１の排流電流制限抵抗１４が無い場合、前述したＩ_UDD ^maxと｜Ｒ／Ｐ｜^maxの関係は下記式（２）のようになる。

（２）式に計測時間平均値（Ｉ_UDD ^max）^ave，（｜Ｒ／Ｐ｜^max）^aveを代入すると、ｒ０＝（｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave）／（Ｉ_UDD ^max）^ave …（３）を得る。

そして、選択排流器１の排流電流制限抵抗値ｒ１と前述したＩ_UDD ^maxL，｜Ｒ／Ｐ｜^maxLとの関係は、Ｉ_UDD＝（Ｒ／Ｐ）／（ｒ０＋ｒ１）の関係が成り立つので、下記式（４）のようになる。

式（５）の演算処理によって求めた排流電流制限抵抗値ｒ１は、排流電流の増大によって防食対象のパイプラインＰが過防食を起こさないように排流電流を抑制することができる抵抗値である。また、排流電流制限抵抗値ｒ１で排流電流を制限する場合、レール対地電位Ｒ／Ｐが小さいときに、排流電流Ｉ_UDDが流れなくなってしまうと、そもそも選択排流器を設置する目的から外れてしまうので、ここでのｒ０は式（５）に示すように、｜Ｒ／Ｐ｜^maxとＩ_UDD ^maxを平均化処理した（｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave，（Ｉ_UDD ^max）^aveによって求めており、排流電流Ｉ_UDDが過剰に制限されないようにしている。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る選択排流器１及び選択排流器１の排流電流制限抵抗値の決定方法によると、レール漏れ電流がパイプラインＰに流入した場合の排流機能を十分に得ることができ、しかも、パイプラインＰが過防食にならない設定が可能になる。また、このように求めた排流電流制限抵抗値は従来の定格から求められる抵抗値より大きくなるので、排流電流を低めに抑えることができ、過剰な排流電流をレールＲに戻さないことに加えて、他埋設管への直流干渉の問題も同時に解消することができる。

１：選択排流器，
１０：ダイオード，１１：シャント抵抗，１２：コンデンサ，
１３：バリスタ，１４：排流電流制限抵抗，１５：速断ヒューズ，
２０：排流電流計測手段，２０Ａ：Ｉ_UDD計測用電圧計，
２１：レール対管電位計測手段，２１Ａ：Ｒ／Ｐ計測用電圧計，
３０：プローブ，３１：プローブ電流計，３２：プローブ電流密度計測手段，
４０：演算処理手段，
Ｐ：埋設金属パイプライン（パイプライン），Ｒ：レール

Claims (4)

1. 直流電気鉄道のレールと該レール下に埋設された埋設金属パイプラインとの間に接続された選択排流器であって、
   前記埋設金属パイプラインから前記レールに向かう方向を順方向とするダイオードと該ダイオードに直列接続される排流電流制限抵抗を備え、
   前記排流電流制限抵抗は、前記埋設金属パイプラインの近傍に設置されたプローブに流入するプローブ流入直流電流密度と前記選択排流器の排流電流との正相関から、前記プローブ流入直流電流密度の過防食防止基準値に対応する排流電流値を求め、該排流電流値が前記選択排流器の設置現場で上限となるように定めた抵抗値ｒ１を有することを特徴とする選択排流器。
2. 前記抵抗値ｒ１は、下記式（ａ）で求められることを特徴とする請求項１記載の選択排流器。
   
   ｒ１＝（｜Ｒ／Ｐ｜^maxL／Ｉ_UDD ^maxL）−ｒ０ …… （ａ）
   ｒ０＝（｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave／（Ｉ_UDD ^max）^ave
   ｜Ｒ／Ｐ｜^maxL：プローブ流入直流電流密度の基本計測区間最大値とレール対管電
   位Ｒ／Ｐの絶対値の基本計測区間最大値との正相関から、プローブ
   流入直流電流密度の基本計測区間最大値が過防食防止基準値（４０
   Ａ／ｍ²）であることに対応するレール対管電位Ｒ／Ｐの絶対値の
   基本計測区間最大値
   Ｉ_UDD ^maxL ：プローブ流入直流電流密度の基本計測区間最大値と排流電流Ｉ_UDDの
   基本計測区間最大値との正相関から、プローブ流入直流電流密度の基本
   計測区間最大値が過防食防止基準値（４０Ａ／ｍ²）であることに対応
   する排流電流Ｉ_UDDの基本計測区間最大値
   （｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave：排流電流制限抵抗の抵抗値をゼロとした場合におけるレー
   ル対管電位Ｒ／Ｐの絶対値の基本計測区間最大値の計測時間
   平均値
   （Ｉ_UDD ^max）^ave ：排流電流制限抵抗の抵抗値をゼロとした場合における排流電
   流Ｉ_UDDの基本計測区間最大値の計測時間平均値
   
3. 直流電気鉄道のレールと該レール下に埋設された埋設金属パイプラインとの間に接続された選択排流器の排流電流制限抵抗値を決定する方法であって、
   前記選択排流器は前記埋設金属パイプラインから前記レールに向かう方向を順方向とするダイオードと該ダイオードに直列接続される排流電流制限抵抗を備え、
   前記埋設金属パイプラインの近傍に設置されたプローブに流入するプローブ流入直流電流密度と前記選択排流器の排流電流との正相関から、前記プローブ流入直流電流密度の過防食防止基準値に対応する排流電流値を求め、該排流電流値が前記選択排流器の設置現場で上限となるように、前記排流電流制限抵抗の抵抗値ｒ１を定めることを特徴とする選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法。
4. 前記抵抗値ｒ１は、下記式（ａ）で求められることを特徴とする請求項３記載の選択排流器の排流電流制限抵抗値決定方法。
   
   ｒ１＝（｜Ｒ／Ｐ｜^maxL／Ｉ_UDD ^maxL）−ｒ０ …… （ａ）
   ｒ０＝（｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave／（Ｉ_UDD ^max）^ave
   ｜Ｒ／Ｐ｜^maxL：プローブ流入直流電流密度の基本計測区間最大値とレール対管電
   位Ｒ／Ｐの絶対値の基本計測区間最大値との正相関から、プローブ
   流入直流電流密度の基本計測区間最大値が過防食防止基準値（４０
   Ａ／ｍ²）であることに対応するレール対管電位Ｒ／Ｐの絶対値の
   基本計測区間最大値
   Ｉ_UDD ^maxL ：プローブ流入直流電流密度の基本計測区間最大値と排流電流Ｉ_UDDの
   基本計測区間最大値との正相関から、プローブ流入直流電流密度の基本
   計測区間最大値が過防食防止基準値（４０Ａ／ｍ²）であることに対応
   する排流電流Ｉ_UDDの基本計測区間最大値
   （｜Ｒ／Ｐ｜^max）^ave：排流電流制限抵抗の抵抗値をゼロとした場合におけるレー
   ル対管電位Ｒ／Ｐの絶対値の基本計測区間最大値の計測時間
   平均値
   （Ｉ_UDD ^max）^ave ：排流電流制限抵抗の抵抗値をゼロとした場合における排流電
   流Ｉ_UDDの基本計測区間最大値の計測時間平均値

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