JP5574888B2 - 交流き電線過負荷保護装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、交流式電気鉄道に用いられる交流き電線過負荷保護装置に関する。

一般に、交流式電気鉄道の受変電システムは、交流き電母線から電車線となる交流き電線を通して列車に必要電力を給電しているが、交流き電線に何らかの事故，例えば地絡事故などが発生した場合、き電用変電所や列車の搭載機器を保護するため、列車の負荷と区別して交流き電線を確実に遮断する必要がある。

そこで、従来、種々の事故等によって発生する交流き電線の過負荷から保護するために、交流き電母線から交流き電線に連係する連係線にディジタル型保護継電器を接続し、交流き電線に流れる過電流を検出して交流遮断器を遮断している。

実開平０２−８８４２５号公報

ところで、従来の一般的なディジタル型保護継電器は、交流き電線に流入する電流を計測し、その計測電流値と予め設定された整定値とを比較し、計測電流値が整定値以上となったとき、交流き電線に流れる電流が過電流であると検出し、交流遮断器へトリップ指令を出力する構成である。

しかし、交流き電線に流れる電流は、周囲温度の変化、列車のパンタグラフの接触に伴う交流き電線の摩耗等に伴い、交流き電線のインピーダンスが変化し、同一の負荷状態であっても交流き電線に流れる電流値が変化する。

その結果、列車に所要の電力を給電する受変電システムでは、交流き電線の過負荷時に安定に保護動作を遂行することが難しい問題がある。

そこで、本交流き電線過負荷保護装置は、交流き電線に流れる電流から尤度をもって過電流を確実に判断し、交流き電線の過負荷時に安定に保護動作を実行することにある。

実施形態によれば、列車に電力を給電する交流き電線の過負荷保護を行う交流き電線過負荷保護装置は、アナログ／ディジタル変換手段と、電流加算手段と、平均電流算出手段と、尤度平均演算手段と、過電流検出手段と、トリップ出力手段とを備える。アナログ／ディジタル変換手段は、前記交流き電線に流れるアナログ電流をディジタル電流に変換する。電流加算手段は、このアナログ／ディジタル変換手段で変換されたディジタル電流を第1の所定時間にわたって加算する。平均電流算出手段は、この加算された加算電流から前記第1の所定時間の平均電流を算出し、第２の所定時間にわたって順次当該平均電流を繰り返し算出して記憶する。尤度平均演算手段は、前記第２の所定時間にわたって記憶された平均電流から前記交流き電線の現在から過去のインピーダンス変化を考慮した尤度平均電流を演算する手段であって、前記平均電流算出手段によって前記第２の所定時間にわたって繰り返し算出された平均電流を、周囲温度の変化に伴うインピーダンス変化を考慮して二乗平均する二乗平均演算を行う。過電流検出手段は、この尤度平均演算手段で得られた尤度をもった平均電流が予め定める整定値以上となったとき、前記交流き電線に流れる電流が過電流であると検出する。トリップ出力手段は、この過電流検出手段から出力される過電流検出信号に基づき、交流遮断器に対してトリップ指令を出力する。

実施形態１に係る交流き電線過負荷保護装置を示す構成図。 一定間隔Δｔ１ごとのサンプリング電流ＩＦを所定時間ｔ１にわたって加算する図１に示す電流加算手段を説明する図。 所定時間ｔ１ごとの平均電流を所定時間ｔ２にわたって順次算出して記憶する図１に示す平均電流算出手段を説明する図。 実施形態２に係る交流き電線過負荷保護装置を示す構成図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る交流き電線過負荷保護装置を示す構成図である。

交流式電気鉄道の受変電システムは、交流き電母線１１に連係線１２を介して電車線となる交流き電線１３が接続されている。１４は列車である。

連係線１２には交流遮断器１７が設置され、交流き電線１３に過電流が流れたとき、交流遮断器１７を遮断してき電線１３等を保護するために、当該連係線１２に変流器１８を介してディジタル型保護継電器２０が接続される。

ディジタル型保護継電器２０は、Ａ／Ｄ変換手段２１、電流加算手段２２、平均電流算出手段２３、電流記憶手段２４、尤度平均演算手段２５、過電流検出手段２６及びトリップ出力回路２７を含む構成である。

Ａ／Ｄ変換手段２１は、交流き電線１３，ひいては連係線１２に流れる電流をディジタル電流に変換する。電流加算手段２２は、Ａ／Ｄ変換手段２１で変換されたディジタル電流を一定間隔ごとにサンプリングし、予め定める一定時間にわたって加算する機能を有する。

平均電流算出手段２３は、電流加算手段２２で加算された加算電流から一定時間ｔ１の平均電流を算出し、一定時間ｔ２（ｔ１の整数倍）にわたって順次当該平均電流を繰り返し算出し（図２，図３参照）、電流記憶手段２４に記憶する。

尤度平均演算手段２５は、一定時間ｔ２にわたって記憶された平均電流から前記交流き電線の現在から過去のインピーダンス変化を考慮した尤度平均電流を演算するものであって、例えば二乗平均演算手段２５ａが用いられる。二乗平均演算手段２５ａは、電流記憶手段２４に記憶された前記交流き電線の現在から過去のインピーダンス変化に伴って変化する平均電流について、二乗して平均を求める機能をもっている。

ここで、交流き電線１３の平均電流を二乗平均する理由は、温度変化（例えば温度上昇）に対して、交流き電線１３におけるインピーダンスの変化が二乗またはそれにほぼ近い値で小さくなるように変化し、それに伴って電流が流れ易い状態（電流増）となるので、そのインピーダンスの変化を考慮して平均電流を二乗して平均化することにより、尤度をもたせて電流の変化（過電流）を判断することにある。

過電流検出手段２６は、二乗平均演算手段２５ａで得られた尤度平均電流と予め設定される整定値とを比較し、交流き電線１３に過電流が流れていると検出したとき、過電流検出信号をトリップ出力回路２７に送出する。

トリップ出力回路２７は、過電流検出信号を受けて、交流遮断器１７に対してトリップ指令を送出する。

次に、以上のように構成された交流き電線過負荷保護装置の作用について、図２及び図３を参照して説明する。

先ず、交流き電母線１１から交流き電線１３に連係する連係線１２に設置される変流器１８から、交流き電線１３に流れる電流を取り込んでＡ／Ｄ変換手段２１に導入する。ここで、Ａ／Ｄ変換手段２１は、変流器１８から入力されるアナログ電流をディジタル交流き電線電流ＩＦに変換し、電流加算手段２２へ出力する。

電流加算手段２２は、図２に示すように一定間隔（交流き電線電流サンプリング間隔）Δｔ１ごとにディジタル交流き電線電流ＩＦをサンプリングし、一定時間（交流き電線電流加算時間）ｔ１にわたって繰り返し、以下の演算式によって加算電流Ｉａｄｄを算出する。例えばΔｔ１＝１０ｍｓ、一定時間ｔ１＝１ｓとすると、１００回分のサンプリングデータ（交流き電線電流ＩＦ）を加算することにより、加算電流Ｉａｄｄを求める。

上式において、ｎ：今現在の時刻、ｎ−ｔ１：今現在の時刻ｎからｔ１時間分過去に遡った時刻を意味する。

電流加算手段２２で求められた加算電流Ｉａｄｄは平均電流算出手段２３に送られる。平均電流算出手段２３は、加算電流Ｉａｄｄから次式に基づいて一定時間ｔ１の平均電流Ｉａｖｇｔ１を算出する。

Ｉａｖｇｔ１＝Ｉａｄｄ／（ｔ１／Δｔ１） ………（２）
上式において、ｔ１／Δｔ１：一定時間ｔ１間のデータ個数（サンプリングデータ個数）、Ｉａｖｇｔ１は、Δｔ１＝１０ｍｓ、一定時間ｔ１＝１ｓとしたとき、１ｓ（１秒）間の平均電流である。

以上のようにして平均電流算出手段２３は、所定時間ｔ１の交流き電線平均電流Ｉａｖｇｔ１を求めて順次電流記憶手段２４に記憶する。すなわち、平均電流算出手段２３は、図３に示すように、一定時間ｔ１ごとに任意の時間ｔ２まで繰り返し交流き電線平均電流Ｉａｖｇｔ１（＝Ｉａｖｇｔ１１，Ｉａｖｇｔ１２，…，Ｉａｖｇｔ１ｎ）を算出し、電流記憶手段２４に順次記憶していく。

次に、二乗平均演算手段２５ａは、電流記憶手段２４に記憶された現在から過去の任意時間ｔ２まで記憶された交流き電線平均電流値Ｉａｖｇｔ１（＝Ｉａｖｇｔ１１，Ｉａｖｇｔ１２，…，Ｉａｖｇｔ１ｎ）をそれぞれ二乗し加算して平均電流を演算する。

すなわち、二乗平均演算手段２５ａは、現在から過去の任意時間ｔ２分のデータ個数（データ個数ｘ＝ｔ２／ｔ１）を取得し、以下の演算式によって二乗電流平均値Ｉａｖｇｔ２を求める。各交流き電線平均電流Ｉａｖｇｔ１１，Ｉａｖｇｔ１２，…，Ｉａｖｇｔ１ｎをそれぞれ２乗して加算｛（Ｉａｖｇｔ１１）²＋（Ｉａｖｇｔ１２）²＋…＋（Ｉａｖｇｔ１ｎ）²｝した後、データ個数ｘで割って平均を求める。

但し、ｎ：今現在の時刻、ｎ−ｔ２：今現在の時刻ｎからｔ２時間分過去に遡った時刻、ｘ＝ｔ２／ｔ１：データ個数、ｔ２：二乗（尤度）平均演算適用時間を意味する。

しかる後、過電流検出手段２６は、二乗平均演算手段２５ａで求めた二乗電流平均値Ｉａｖｇｔ２と予め設定された整定値Ｉｓｅｔを比較し、二乗電流平均値Ｉａｖｇｔ２が整定値Ｉｓｅｔ以上（Ｉａｖｇｔ２≧Ｉｓｅｔ）となったとき、交流き電線１３に流れる電流が過電流であると検出し、過電流検出信号をトリップ出力回路２７に送出する。

従って、この実施の形態では、次のような条件が成立したとき、交流き電線１３が事故等によって過負荷状態と判断し、過電流検出信号をトリップ出力回路２７に送出する。

但し、上式において、ｎ：今現在の時刻、ｔ１：交流き電線電流加算時間、ｔ２：二乗（尤度）平均演算適用時間、Δｔ１：交流き電線電流サンプリング間隔である。

トリップ出力回路２７は、過電流検出手段２６から過電流検出信号を受けると、トリップ指令を出力し、交流遮断器１７を遮断する。

従って、以上のような実施形態によれば、次のような効果を奏する。

従来の過負荷保護装置であれば、交流き電線に流れるディジタル電流は、周囲温度の変化や交流き電線の摩耗等によるインピーダンスの変化に伴って変化したとき、予め定めた整定値を瞬時に超えたり、下がったりするので、過電流の発生と正常範囲内電流の復帰とを繰り返す，いわゆるハンチング現象が生じ、交流き電線の過電流保護の安定性に乏しいものである。

これに対して、本実施の形態では、交流き電線電流加算時間ｔ１ごとの平均電流を所定時間ｔ２にわたって二乗平均して過去分を記憶して覚えているので、僅かなインピーダンスの変化によって過電流発生と復帰とを繰り返すことなくなり、ある程度の尤度をもってき電線１３に流れる電流が過電流か否かを判断することができ、交流き電線の過負荷時に安定、かつ確実に保護動作を実行することができる。

（実施形態２）
図４は実施形態２に係る交流き電線過負荷保護装置を示す構成図である。

実施形態２は、図１に示す過電流検出手段２６の出力側にオンディレイタイマ３０を設けたものであって、その他の構成は図１と同様であるので、同一部分には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

このオンディレイタイマ３０は、過電流検出手段２６で検出された過電流が予め定める所定時間継続したとき、出力をＯＮとする過電流検出信号を出力し、トリップ出力回路２７に送出する。トリップ出力回路２７は、過電流検出信号を受けると、交流遮断器１７に対してトリップ指令を送出する。

なお、過電流検出手段２６の出力側にオンディレイタイマ３０を設けた理由は、過電流の継続性からより過電流の確実性を担保するためのものであって、オンディレイタイマ３０の設定時間を任意に可変設定できるようにしておけば、ユーザの要望を取り入れつつ任意の時間を設定することができる。

従って、実施形態１，２によれば、周囲温度の変化や交流き電線１３の摩耗等により、インピーダンスの変化があっても、現在の電流値のみでなく、現在から過去のインピーダンス変化に伴った電流値の平均値を用いた過電流継電器によって過負荷を検出するので、インピーダンスの変化に対応した交流き電線の過負荷保護を行うことができる。

（その他の実施形態）
（１） 上記各実施の形態では、尤度平均演算手段２５としては、周囲温度の変化に対して、交流き電線１３のインピーダンス変化が二乗またはそれに近い値で変化し、それに伴って交流き電線１３に流れる電流が変化することを想定して二乗平均演算手段２５ａを設けたが、例えば周囲温度の変化によるインピーダンスの変化特性曲線だけでなく、交流き電線１３の摩耗度合いによるインピーダンスの変化特性曲線をも考慮し、これら２つの変化特性を合成した変化特性に近似する尤度平均演算式のもとに、粒度平均演算適用時間ｔ２にわたって平均電流も求め、過電流検出手段２６に送出してもよい。

（２） 本発明はいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、それぞれ一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…交流き電母線、１２…連係線、１３…交流き電線、１４…列車、１７…交流遮断器、２０…ディジタル型保護継電器、２１…Ａ／Ｄ変換手段、２２…電流加算手段、２３…平均電流算出手段、２４…電流記憶手段、２５…尤度平均演算手段、２５ａ…二乗平均演算手段、２６…過電流検出手段、２７…トリップ出力回路、３０…オンディレイタイマ。

Claims (3)

1. 列車に電力を給電する交流き電線の過負荷保護を行う交流き電線過負荷保護装置において、
   前記交流き電線に流れるアナログ電流をディジタル電流に変換するアナログ／ディジタル変換手段と、
   このアナログ／ディジタル変換手段で変換されたディジタル電流を第1の所定時間にわたって加算する電流加算手段と、
   この加算された加算電流から前記第1の所定時間の平均電流を算出し、第２の所定時間にわたって順次当該平均電流を繰り返し算出して記憶する平均電流算出手段と、
   前記第２の所定時間にわたって記憶された平均電流から前記交流き電線の現在から過去のインピーダンス変化を考慮した尤度平均電流を演算する手段であって、前記平均電流算出手段によって前記第２の所定時間にわたって繰り返し算出された平均電流を、周囲温度の変化に伴うインピーダンス変化を考慮して二乗平均する二乗平均演算を行う尤度平均演算手段と、
   この尤度平均演算手段で得られた尤度をもった平均電流が予め定める整定値以上となったとき、前記交流き電線に流れる電流が過電流であると検出する過電流検出手段と、
   この過電流検出手段から出力される過電流検出信号に基づき、交流遮断器に対してトリップ指令を出力するトリップ出力手段と
   を備えた交流き電線過負荷保護装置。
2. 前記電流加算手段は、前記ディジタル電流を一定間隔ごとにサンプリングし、そのサンプリングされた前記ディジタル電流を前記第1の所定時間にわたって加算する請求項１に記載の交流き電線過負荷保護装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の交流き電線過負荷保護装置において、
   前記過電流検出手段で検出された交流き電線に流れる過電流と予め定める整定値とを比較し、当該過電流が当該整定値以上を任意に可変可能に定める設定時間以上継続したときに過電流検出信号を出力するタイマ回路を、さらに具備する交流き電線過負荷保護装置。

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