JP5311920B2

JP5311920B2 - 直流高圧接地継電器

Info

Publication number: JP5311920B2
Application number: JP2008209822A
Authority: JP
Inventors: 敬治川原; 圭樹藤澤; 大輔研石; 宏前田; 敏明西川; 正樹長森
Original assignee: West Japan Railway Co
Current assignee: West Japan Railway Co
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: JP2010042784A

Description

本発明は直流高圧接地継電器に関するものであり、詳細には、雷によるインパルスの高電圧が発生した場合にも誤動作することがない高い信頼性を有する直流高圧接地継電器に関する。

従来より、電気鉄道用直流変電所において、直流母線に地絡などの重大故障が発生した場合には、多大な地絡電流が流れることにより変電所機器の焼損などの故障が発生する。そこで、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線（レール）間の電圧を検知し、この電圧が所定の大きさ以上になった場合に、できる限り速やかに変電所を停電させることにより変電所設備への損傷を抑え、変電所を保護するために直流高圧接地継電器を設置することが行われている。

図４は電気鉄道用直流変電所９０の一構成を示す図である。この変電所９０は遮断器９１、トランス９２、整流器９３を介して帰線９４と直流母線９５の間に電力を供給するものである。また、９５ａは直流高速度遮断器、９６は電力ろ波器、９７は変電所９０の地下に埋設された接地マット、９８は接地マット９７の接地抵抗である。直流高圧接地継電器９９は接地マット９７と帰線（レールＲ）との間に設けられ、帰線９４に対して接地マット９７が正極性の電位となる場合に動作し、前記遮断器９１を遮断させるものである。この直流高圧接地継電器９９は帰線９４に対する接地マット９７の電位が例えば５００Ｖ程度の動作電圧以上である場合に、例えば４０ｍｓ程度の所定の動作時間以内に故障検出することができるものである。

このように、地絡故障の発生時に変電所において故障検出を速やかに行い故障電流を遮断するための保護装置を設けることは一般的に行われている。また、特許文献１には配電用変電所において、近隣の変電所での地絡故障が発生した場合にも不要動作（誤動作）することがない地絡保護方式が記載されている。

特開２００５−１９２３０５号公報

しかしながら、従来の電気鉄道用直流変電所９０においては、雷によるインパルスの高電圧が接地マット９７に印加された場合、またはレールＲに接地マット９７に対して負極性のインパルスの高電圧が印加された場合に、直流高圧接地継電器９９がこの外乱によって地絡故障発生を誤検知することがあり、これによって変電所９０の遮断器９１が誤って遮断され、長時間にわたって列車への電力供給が停止するという問題があった。

図３は前記構成の変電所９０において、接地マット９７に雷によって例えば２０ｋＶのインパルス電圧が加わった場合の帰線９４に対する接地マット９７の電位を測定した例を示す図である。図３に仮想線Ｌｐに示すように、接地マット９７に加えたインパルスの高電圧はいずれ減衰するものの、帰線９４と接地マット９７の間の浮遊静電容量に充電された電荷の放電における時定数が大きいため、その減衰が遅くなる。前記測定結果ではインパルス電圧の印加後１７．１ｍｓの間、直流高圧接地継電器９９の動作電圧として例えば５００Ｖ以上の電圧を維持することが分かる。

また、一般的に継電器は印加電圧が高ければ高いほど動作時間は短くなり、個体差はあるもののその動作時間は１５〜２５ｍｓ程度になるので、前記高圧接地継電器９９は動作する範囲に入る。つまり、帰線９４と接地マット９７との間の電位差が直流高圧接地継電器９９の動作時間の間その動作電圧を上回ることになり、この外乱による誤動作が発生し、直流高圧接地継電器９９が誤動作した場合には、変電所９０の状態を全停電の状態にするため、復旧に多くの時間と列車の運行に多大な障害をきたすという問題が起こる。

本出願人は、前記減衰が遅くなる原因は変電所９０の主回路９１〜９８にそれぞれ存在する対地静電容量などによる浮遊静電容量とその放電回路のインピーダンスの積が大であることにより時定数が大となり、継電器に誤動作を起こさせるような動作電圧・動作時間を保持させているという可能性があることを究明した。

本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、その目的は、落雷によって誤動作することがなく、列車の運行に悪影響を与えることがない直流高圧接地継電器を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明は、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられ、接地マットと帰線の間の電位差によって動作する電位差検出部を有する直流高圧接地継電器であって、落雷によるインパルス電圧の印加によって浮遊静電容量を有する接地マットと帰線の間に充電された電荷を、前記電位差が前記電位差検出部の動作時間内にその動作可能な領域を逸脱するように放電させる、抵抗体を有する放電回路を備えることを特徴とする直流高圧接地継電器を提供する。（請求項１）

前記構成の直流高圧接地継電器によれば、インパルス電圧の印加によって浮遊静電容量を有する接地マットと帰線の間に充電された電荷を、前記電位差が前記電位差検出部の動作時間内にその動作電圧未満となるように放電させる放電回路を備えるので、変電所または変電所近傍への落雷など、外乱によって対地静電容量などによる浮遊静電容量を持っている接地マットと帰線の間に充電された電荷を、放電回路によって速やかにあるレベルの電圧以下に放電させることができる。他方、前記放電回路はインパルス電圧の印加によって充電された電荷を放電させる程度のものであるから、地絡故障発生時における直流母線から接地マットまでのインピーダンスより放電回路のインピーダンスが十分に高くなる。すなわち、直流高圧接地継電器は地絡故障の発生を確実に検出し、外乱による直流高電圧接地継電器の誤動作を防ぎ、列車の運行に対する障害を防止することができる。

インパルス電圧は雷に起因するものであり、例えば２０ｋＶ程度の高電圧のインパルスを想定する。前記放電回路は、前記浮遊静電容量に合わせた抵抗値の抵抗体であることが好ましく、より好ましくは可変抵抗、半固定抵抗など、素子単独で抵抗値を変更できるものである。また、放電回路は前記接地マットと帰線の間に接続されたものであることが好ましい。なお、放電回路は電位差検出部に並列に接続されたものであってもよい。

接地マットと帰線の間の浮遊静電容量を測定する静電容量測定部と、この静電容量測定部によって測定された静電容量に応じて抵抗値を調整可能に構成された放電抵抗とを備える場合（請求項２）には、静電容量測定部が接地マットと帰線の間の浮遊静電容量を測定することにより、変電所の主回路に存在する対地静電容量が支配的な影響を及ぼしている浮遊静電容量の大きさを測定し、その大きさに応じて放電抵抗の抵抗値が調整されるので、いかなる変電所においても最適な放電抵抗値を設定でき、対地静電容量に充電された電荷を速やかに放電させることができる。また、変電所の設備を変更した場合にも、その変化に柔軟かつ迅速に対応することができる。

前記静電容量測定部は例えば交流電圧を印加したときの電流位相の進みを測定して静電容量を測定するものであることが好ましく、また、その静電容量の測定は日ごと、週ごと、月ごと等の長時間をおいて間欠的に行ってもよい。あるいは、変電所への給電状態を監視し、給電を停止している状態から給電を開始する起動時点を検出できる起動検出部を設け、この起動検出部が起動時点を検出した時点で変電所の構成が変わっている可能性があると判断して静電容量測定を行うことにより、必要最小限の動作で最も良い効果を得ることができる。また、放電抵抗は可変抵抗、または、半固定抵抗、または、複数の抵抗素子を選択的に切り換えることにより抵抗値を調整可能とするものであることが好ましい。

電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられ、接地マットと帰線の間の電位差によって動作する電位差検出部を有する直流高圧接地継電器に取り付けられ、インパルス電圧の印加によって浮遊静電容量を有する接地マットと帰線の間に充電された電荷を、前記電位差が前記電位差検出部の動作時間内にその動作電圧未満となるように放電させる放電回路を備えることを特徴とする継電器の誤動作防止回路を既存の直流高圧接地継電器に取り付けることにより、この直流高圧接地継電器はこれが接続される接地マットと帰線の間に存在する浮遊静電容量が大きい場合にも雷による誤動作を防止することができる。

前述したように、本発明によれば、外乱によって対地静電容量などによる浮遊静電容量を持っている接地マットと帰線の間に充電された電荷を、放電回路によって速やかにあるレベルの電圧以下に放電させることができるので、電位差検出部が外乱の影響を受けて誤動作することがない。従って、雷が発生した場合に変電所の遮断器を不必要に切り離すことが無く、それだけ信頼性が高くなる。
接地マットと帰線の間の浮遊静電容量を測定して放電回路の抵抗値を調整する場合には、変電所の構成が変わった場合にも放電回路の抵抗値の大きさを適宜自動調整することができる。

次に、本発明の直流高圧接地継電器の具体的な構成を示す実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１〜図２は本発明の実施形態に係る直流高圧接地継電器１の構成を説明する図であり、図１は直流高圧接地継電器１を設ける電気鉄道用直流変電所２およびその周辺回路の構成を示し、図２は第１実施形態に係る直流高圧接地継電器１の回路構成を示す。

図１に示すように、電気鉄道用直流変電所２（以下、単に変電所２という）は、電源部３として変電所２への給電を遮断可能に構成された遮断器３ａと、例えば２２ｋＶの送電電圧を１．２ｋＶに降圧するトランス３ｂと、交直変換を行う整流器３ｃとを備え、帰線４と直流母線５との間に直流電圧を給電するものである。６は母線５に交流を流さないように交流成分をカットする電力ろ波器、７は変電所２の地下に埋設された接地マット、８は接地マット７の接地抵抗である。

前記帰線４はインピーダンスボンドＲａを介して均等にレールＲに接続されており、各レールＲと大地Ｅとの間にはレール漏れ抵抗Ｒｂが存在する。なお、母線５は図外の直流高速度遮断器を介してトロリー線に接続されて電気鉄道車両に電力を供給するものである。

前記電力ろ波器６は例えばコンデンサ６ａとコイル６ｂとからなり、コンデンサ６ａは前記接地マット７を介して接地されたコンデンサケース６ｃによって覆われている。接地マット７は変電所２の下に埋設された導電体からなるメッシュであり、これによって大地Ｅに対する接地抵抗８が１Ω以下となるようにしている。

Ｃ１は変電所２の電力ろ波器６を構成するコンデンサ６ａとコンデンサケース６ｃの間にある静電容量（コンデンサケース６ｃが接地されているので対地静電容量）を表わし、Ｃ２は帰線４の対地静電容量を表わす。前記コンデンサ６ａと帰線４に存在する対地静電容量Ｃ１，Ｃ２は接地マット７と帰線４の間の浮遊静電容量Ｃの支配的な部分を占めているが、その他の部分（例えばコイル６ｂ、レールＲ、母線５）を含めて帰線４から接地マット７の間に形成された変電所２の主回路４〜７の対地静電容量Ｃ１，Ｃ２…の総和が接地マット７と帰線４の間の浮遊静電容量Ｃに影響する。

図２に示すように、前記直流高圧接地継電器１は電位差検出部１０と、電位差検出部１０によって所定の電位差が検出されたときに前記遮断器３ａを遮断させるための遮断信号Ｂｋを出力する判定出力部１１とを備える。また、電位差検出部１０は帰線４から接地マット７の間にかかる電圧を分圧する分圧回路１０ａと、帰線４から接地マット７を順方向として電位差検出部１０に並列に接続された整流器１０ｂとを備える。

また、本発明の直流高圧接地継電器１は、帰線４と接地マット７の間にその間の浮遊静電容量Ｃを測定する静電容量測定部１４と、これに並列接続された放電回路１５と、この放電回路１５の抵抗値を調整する放電抵抗調整部１６とを備える。これらの前記静電容量測定部１４、放電回路１５、放電抵抗調整部１６は直流高圧接地継電器１の誤動作防止回路１ａである。

前記放電抵抗調整部１６は静電容量測定部１４によって測定された浮遊静電容量Ｃの測定値Ｄに合わせて放電回路１５の抵抗値を調整するものであり、より詳細には、落雷などの外乱によってインパルスの高電圧（例えば２０ｋＶなど）が印加されたときに接地マット７と帰線４の間に充電された電荷を、帰線４から接地マット７までの電位差が前記電位差検出部１０の動作時間内にその動作電圧未満となるように放電させることができる程度の大きさになるように、前記放電回路１５の抵抗値を調整（Ｓｅｔ）するものである。

本実施形態における分圧回路１０ａは例えば抵抗分圧回路であり、電位差検出部１０および判定出力部１１は例えば一つの電磁リレーのコイルと接点である。また、前記静電容量測定部１４は例えば帰線４と接地マット７の間に交流電圧を印加し、このときの印加電圧に対して流れる交流電流の位相の進みを測定して帰線４と接地マット７間の静電容量を測定するものである。さらに、前記放電回路１５は可変抵抗であり、前記放電抵抗調整部１６は可変抵抗１５の大きさの調整（Ｓｅｔ）を機械的に行う図外のアクチュエータを備えるものである。すなわち、本実施形態では、直流高圧接地継電器１の各部の構成を簡素にすることにより、直流高圧接地継電器１の製造コストを削減できる。

前記電位差検出部１０は落雷によって大地Ｅにインパルスの高電圧（インパルス電圧）が印加されたときにこれに耐えることができるものであれば、分圧回路１０ａを省略することが可能であり、この場合には電位差検出部１０は帰線４と接地マット７の間に直接接続される。なお、本実施形態の電位差検出部１０は、帰線４に対して接地マット７が正極性の電位となる場合に動作し、基本的に帰線４に対する接地マット７の電位が例えば５００Ｖ程度の動作電圧以上である場合に、例えば４０ｍｓ程度の動作時間以内に故障発生を検出して判定出力部１１に前記遮断信号Ｂｋを出力させるものである。これによって、前記遮断器３ａが遮断されるので故障電流が流れることによる被害を最小限に抑えることができる。

一方、前記対地Ｅに落雷などの外乱に起因するインパルス電圧が印加される場合には、電位差検出部１０（本実施形態の場合には分圧回路１０ａを含む）には２０ｋＶ程度の高電圧がかかることがある。そして、一般的に継電器は印加電圧が高ければ高いほど動作時間は短くなる。つまり、直流高圧接地継電器１にインパルス電圧が印加された場合には、電位差検出部１０が通常の故障電圧を検知した場合に比べて早く動作し、その動作時間が１５〜２５ｍｓになることがある。

前記放電回路１５は前記インパルス電圧の印加に伴って帰線４と接地マット７の間に充電された電荷を速やかにあるレベル電圧以下に放電させるものであるから、電位差検出部１０の動作可能領域（その動作時間と動作電圧）を脱することができるものである。

図３は本発明の直流高圧接地継電器１と従来の直流高圧接地継電器９９の放電特性（実測値）を比較して示す。図３において実線Ｌに示すように、本発明の直流高圧接地継電器１は２０ｋＶのインパルス電圧が印加された場合にも、このインパルス電圧の印加によって接地マット７と帰線４の間に充電された電荷を放電回路１５によって速やかに放電することができ、帰線４と接地マット７の間の電位差が電位差検出回路１１の動作時間１５〜２５ｍｓ内にその動作電圧５００Ｖ未満となる。

より具体的には図３の実測値では、電位差検出部１０の動作電圧５００Ｖ以上の電圧を維持できる時間が従来の場合は１７．１ｍｓであるのに対して、本実施形態の場合は７．５ｍｓと半分以下の維持時間となっている。つまり、実施形態の直流高圧接地継電器１では大地Ｅにインパルス電圧を印加した場合にも帰線４と接地マット７の間の電位差が電位差検出回路１１の動作可能な領域を逸脱しているので直流高圧接地継電器１が動作することはない。

なお、地絡故障が発生した場合には、大地Ｅに大電流が流れるため前記放電回路１５による放電の影響はほとんど全くなく、放電回路１５の存在が直流高圧接地継電器１の正常動作に悪影響を与えることはない。

また、本実施形態の場合、静電容量測定部１４が各々の変電所２で変電所の主回路と接地間の対地静電容量に起因する浮遊静電容量Ｃの大きさを測定し、放電抵抗調整部１６が前記測定された浮遊静電容量Ｃの大きさに応じて、放電に最適な放電回路１５の抵抗値を調整するように構成されているので、放電回路１５の抵抗値は最適値に調整される。つまり、本実施形態の直流高圧接地継電器１はこれを接地する変電所２の環境に合わせて放電回路１５の抵抗値を調整するので、変電所２の構成に影響されることなく設置することができる。

なお、前記静電容量測定部１４による浮遊静電容量Ｃの測定および放電抵抗調整部１６による放電回路１５の抵抗値の調整は、変電所２の主回路３〜８の構成が変更されない限り行う必要がない。このため、放電回路１５の抵抗値の調整間隔は日毎、週毎、月毎といった間欠的なもので十分である。あるいは母線５に対する給電が開始される起動時点を検出できる起動検出部を設け、この起動検出部が起動時点を検出したときに静電容量測定部１４による浮遊静電容量Ｃの測定および放電抵抗調整部１６による放電回路１５の抵抗値調整を行ってもよい。

また、本実施形態の放電回路１５は可変抵抗であるから抵抗値を無段階で調整することが可能であるが、本発明の放電回路１５は大きさの異なる複数の抵抗をスイッチ切り換えによって接続して、段階的に抵抗値を調整できるものであってもよい。

加えて、前記静電容量測定部１４、放電回路１５、放電抵抗調整部１６など（場合によっては前記起動検出部を含む）からなる誤動作防止回路１ａは既存の直流高圧接地継電器に取付け可能に構成されたものであってもよい。この場合には、既存の直流高圧接地継電器を交換する必要がないので取付けが容易となる利点がある。

さらに、変電所２の構成は頻繁に変更されるものではないことを考慮に入れて、静電容量測定部１４および放電抵抗調整部１６を省略し、固定的な抵抗値を有する放電回路１５を形成してもよい。これによって、直流高圧接地継電器１または誤動作防止回路１ａの構成を極めて簡素にすることができるので、その製造コストを削減できる。

なお、前記放電回路１５は抵抗に限られるものではなく、例えば、地絡故障発生時に直流高圧接地継電器１に印加される電圧および電位差検出部１０の動作電圧よりも高く、落雷時におけるインパルス電圧よりも十分に低い閾値電圧で動作するサージアブソーバと組み合わせたものであってもよい。

本発明の直流高圧接地継電器を取り付ける変電所の構成を示す図である。前記直流高圧接地継電器の構成を示す図である。直流高圧接地継電器の動作を説明する図である。従来の変電所の構成を示す図である。

１直流高圧接地継電器
１ａ継電器の誤動作防止回路
２電気鉄道用直流変電所
４帰線
７接地マット
１０電位差検出部
１４静電容量測定部
１５放電回路
１６放電抵抗調整部
Ｃ浮遊静電容量

Claims

電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられ、接地マットと帰線の間の電位差によって動作する電位差検出部を有する直流高圧接地継電器であって、落雷によるインパルス電圧の印加によって浮遊静電容量を有する接地マットと帰線の間に充電された電荷を、前記電位差が前記電位差検出部の動作時間内にその動作可能な領域を逸脱するように放電させる、抵抗体を有する放電回路を備えることを特徴とする直流高圧接地継電器。
接地マットと帰線の間の浮遊静電容量を測定する静電容量測定部と、この静電容量測定部によって測定された静電容量に応じて抵抗値を調整可能に構成された放電抵抗とを備える請求項１に記載の直流高圧接地継電器。