JP5876391B2 - 防食設備の遠隔監視システム - Google Patents

Description

本発明は、防食設備である選択排流器の遠隔監視システム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防食設備の一つが選択排流器である。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、カソード防食がなされているものとカソード防食がなされていないものを両方含んでいる。

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は、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に帰流させることで直流迷走電流腐食を防止することができる。図中のＤ１は直流電気鉄道、Ｄ２はトロリー線、Ｄ３は変電所を示している。選択排流器１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から大地に電流が流出するのを抑止している。

選択排流器としては、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、ダイオードのアノード側を防食対象のパイプラインに接続している。選択排流器の破損としては、落雷や浸水などによってダイオードが導通破壊する場合と過電流などによってヒューズが絶縁破壊する場合が考えられる。選択排流器のダイオードに導通破壊が生じると、レールとパイプラインとが同電位になり、選択排流器の接続点上を直流電気鉄道が通過する場合などに電流がレールからパイプラインに流入してパイプラインの腐食が誘発されることになる。また、選択排流器のダイオードに絶縁破壊が生じると、本来レールに電流が吸い上げられる箇所に選択排流器が接続されているので、排流電流が途絶えるとその周辺でパイプラインから大地に流出する電流が増長することになり、パイプラインの腐食リスクが高まることになる。

このような状況を避けるために、選択排流器の異常を監視することはパイプラインの防食管理上重要なことである。しかしながら、選択排流器はレールに接続されることから電鉄用地内に設置されることが多く、電鉄用地内に入って選択排流器を点検するには電鉄管理者への立ち入り許可申請が必要になる。これによって、急な落雷や集中豪雨の発生後に速やかに選択排流器の稼働状態を点検することができない問題がある。

このような問題に対処するために、下記特許文献１においては、選択排流器の異常検知を遠隔監視するシステムを提案している。この従来技術では、パイプラインから選択排流器を介してレールに流れる排流電流をモニタするとともに、排流電流を流す駆動力になるレールとパイプラインとの間の電位差Ｒ／Ｐをモニタし、排流電流のモニタ値と電位差Ｒ／Ｐのモニタ値に基づいて選択排流器の異常を判定し、異常ありの場合にその異常情報を遠隔報知するシステムが示されている。

特開２０１０−２４２１４４号公報

選択排流器はレールとパイプラインとの間の電位差を駆動力とするものでありその稼働自体には電源を必要としないので、選択排流器の設置場所には商用電源が無い場合が多い。このため、前述した選択排流器の異常検知を行うシステムはバッテリー駆動されることになるが、常時、選択排流器の稼働状態をモニタリングしているとバッテリーの寿命が短くなり、バッテリーの交換を頻繁に行うことが必要になる。前述したように選択排流器の設置場所は電鉄用地内であることが多く、頻繁には電鉄用地内に入れないことを考慮すると、バッテリーの寿命を極力長くして、バッテリーの交換を年に１回程度（精密点検時毎）にすることが好ましい。

また、レール漏れ電流が最も発生しやすいのは雨天時であり、選択排流器が設置された場所の近辺である程度以上の雨量が確認された後には選択排流器を流れる排流電流が大きくなる可能性が高い。これに対して、バッテリーの消費量を低く抑えるために選択排流器の稼働状態のモニタリングに制限を加えると、排流電流が大きくなる可能性が高い雨天時の稼働状態の把握を逃してしまう可能性があり、そこで選択排流器に異常があるとパイプラインに生じる重大な腐食リスクを見逃してしまう問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、選択排流器の稼働状態をモニタリングする場合にバッテリーの消費量を極力抑えながら、効率的にパイプラインの腐食リスクを評価することができること、特に、雨天時における選択排流器の稼働状態を適正に把握することができること、など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、本発明による防食施設の遠隔監視システムは、以下の構成を少なくとも具備するものである。

直流電気鉄道のレールと該レールの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と、バッテリーで駆動されて前記選択排流器の稼働状態に係る監視情報を遠隔送信する遠隔監視手段と、前記選択排流器設置箇所近辺の雨量を検出して前記遠隔監視手段に出力する雨量センサとを備え、前記遠隔監視手段は、前記選択排流器の稼働状態を計測する計測手段と、計時した時刻に基づいて前記計測手段によって計測された計測データを抽出し、抽出した前記計測データを演算処理して前記監視情報を出力する演算処理手段と、前記監視情報を遠隔送信する情報送信手段を備え、直流電気鉄道の運行頻度が高い設定時刻間と前記雨量センサが設定閾値を超える雨量を検出した後の設定時刻間を監視時間とし、当該監視時間のみ前記遠隔監視手段を駆動して前記監視情報を出力することを特徴とする防食設備の遠隔監視システム。

このような特徴を有する防食設備の遠隔監視システムは、雨天時以外は直流電気鉄道の運行頻度が高い設定時刻間を監視時間として、この監視時間のみ遠隔監視手段を駆動して監視情報を出力するので、遠隔監視手段を駆動するバッテリーの消費量を必要最小限に抑え且つ効率的にパイプラインの腐食リスクを評価することができる。

また、雨天時には、雨量センサが設定閾値を超える雨量を検出した後の設定時刻を監視時間として、この監視時間に遠隔監視手段を駆動して監視情報を出力するので、排流電流が大きくなる可能性が高い雨天時における選択排流器の稼働状態を適正に把握することができ、選択排流器に異常があった場合に生じるパイプラインの重大な腐食リスクを見逃すことがない。

選択排流器の説明図である。 本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムの構成を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムにおける演算処理手段の動作例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムにおける監視時間設定手段の出力例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムにおける遠隔モニタリングシステムを示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図２は、本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムの構成を説明する説明図である。この防食設備の遠隔監視システムは、選択排流器１、遠隔監視手段２、雨量センサ３を備えている。雨量センサ３は、選択排流器１の設置箇所近辺の雨量を検出して遠隔監視手段２に出力する。

選択排流器１は、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との間に接続されている。選択排流器１のパイプ側端子１Ｐは電線Ｌ１を介してパイプラインＰの接続点Ｐ１に接続されており、選択排流器１のレール側端子１Ｒは電線Ｌ２を介してレールＲに接続されている。選択排流器１は、パイプラインＰからレールＲの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に排流電流制限抵抗１１とシャント抵抗１２が直列に接続されている。排流電流制限抵抗１１は、必要に応じてダイオード１０とシャント抵抗１２の間に接続され、その抵抗値によって排流電流Ｉ_UDDの最大値を制限してパイプラインＰの過防食や他の埋設構造物への直流干渉を抑制するものである。シャント抵抗１２は排流電流Ｉ_UDDを計測するための適正な定格ＩＡ／ｍＶを有する。シャント抵抗１２とレール側端子１Ｒとの間にはノーマル・ブロー・ヒューズ１３が直列接続されている。

このような選択排流器１及びパイプラインＰには遠隔監視手段２が接続されている。遠隔監視手段２は、バッテリー２０で駆動されて、選択排流器１の稼働状態に係る監視情報を遠隔送信するものである。バッテリー２０はバッテリーケース２０Ａ内に収納されている。バッテリー２０としては、その寿命の予測が比較的容易なアルカリ乾電池などを用いることができる。遠隔監視手段２は、計測手段２１、演算処理手段２２、情報送信手段２３、監視時間設定手段２４などを備えている。

計測手段２１は、選択排流器１の稼働状態を計測するものである。選択排流器１の稼働状態は、選択排流器１の排流電流Ｉ_UDD，レールＲとパイプラインＰとの間の電位差であるレール対管電位Ｒ／Ｐ，パイプラインＰの管対地電位（パイプラインＰと周辺土壌Ｓとの電位差）Ｐ／Ｓによって把握することができる。また、管対地電位Ｐ／Ｓの代わりにクーポン電流密度（図示省略）を採用することができる。計測手段２１は、排流電流計測手段２１Ａ，レール対管電位計測手段２１Ｂ，管対地電位計測手段２１Ｃによって構成することができる。

排流電流計測手段２１Ａは、シャント抵抗１２の両端電圧を計測する排流電流計測用電圧計１４の計測電圧Ｖ（ｍＶ）とシャント定格Ｉ（Ａ／ｍＶ）によってＩ_UDD＝ＶＩとして排流電流Ｉ_UDDを計測する。レール対管電位計測手段２１Ｂは、レール側の接続点をシャント抵抗１２のマイナス端子側に接続し、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レール対管電位計測用電圧計１５の計測電圧によってレール対管電位Ｒ／Ｐを計測する。管対地電位計測手段２１Ｃは、パイプラインＰの接続点Ｐ１と照合電極（パーマネント照合電極）Ｅｒとの間に接続した管対地電位計測用電圧計１６の計測電圧によって管対地電位Ｐ／Ｓを計測する。

演算処理手段２２は、自身が備える計時手段（タイマー）が計時した時刻に基づいて計測手段２１が計測した計測データを抽出し、抽出した計測データを演算処理した監視情報を出力する。出力される監視情報は、排流電流Ｉ_UDD，レール対管電位Ｒ／Ｐ，管対地電位Ｐ／Ｓ（又はクーポン電流密度）それぞれの１ユニットにおける平均値であり、また、排流電流Ｉ_UDD，レール対管電位Ｒ／Ｐ，管対地電位Ｐ／Ｓ（又はクーポン電流密度）それぞれの１ユニットにおける最大値及び最小値を更に加えることができる。演算処理手段２２は、監視時間設定手段２４によって設定された監視時間のみ駆動して監視情報を情報送信手段２３に出力する。情報送信手段２３は、演算処理手段２２から出力された監視情報を後述するセンターサーバーなどに遠隔送信する。

図３は、本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムにおける演算処理手段の動作例を示した説明図である。監視時間設定手段２４によって設定される監視時間は、設定された１ユニットに分割され、演算処理手段２２は設定された１ユニット毎に１組の監視情報を出力するための演算処理を行う。ここでは、監視情報を排流電流Ｉ_UDD，レール対管電位Ｒ／Ｐ，管対地電位Ｐ／Ｓそれぞれの１ユニットにおける平均値，最大値，最小値とし、１ユニットを１時間として説明するが、出力する監視情報は、排流電流Ｉ_UDD，レール対管電位Ｒ／Ｐ，管対地電位Ｐ／Ｓそれぞれの１ユニットにおける平均値のみであってもよい。

監視時間の１ユニットは、複数のサブユニットに分割される（図３においてはサブユニットを「サブＵ」と表記する。）。ここでは、１サブユニットを５ｓとし、１時間の１ユニットが７２０個のサブユニットから構成されている。各サブユニットには、計測データを抽出し演算処理する時間とバッテリー駆動される遠隔監視手段２を休止する時間が設けられている。ここでは、５ｓのサブユニットの初めの１ｓ間に遠隔監視手段２をウェイクアップする時間と計測データを抽出する時間（データ抽出時間）を設け、最初の１ｓ間で演算処理手段２２からの信号によって遠隔監視手段２の機能をオン状態にしている。そして、その後の４ｓ間でアナログのアンプ電源オフ・データ演算処理・データファイル保存の後、遠隔監視手段２の機能をスリープ状態（休止状態）にしている。

具体的には、サブユニットの初めの１ｓ間のうちの初めの９００ｍｓをウェイクアップ時間としており、その後の１００ｍｓをデータ抽出時間にしている。データ抽出時間では、排流電流Ｉ_UDD，レール対管電位Ｒ／Ｐ，管対地電位Ｐ／Ｓの計測データをそれぞれ０．１ｍｓ間隔でデータ抽出し、その後抽出した計測データを演算処理する。したがって、１サブユニットでは１０００個の計測データが抽出され、それらを演算処理して１サブユニット毎に排流電流Ｉ_UDD，レール対管電位Ｒ／Ｐ，管対地電位Ｐ／Ｓそれぞれの平均値，最大値，最小値が求められる。

監視情報となる１ユニットにおける平均値は、１ユニット内のサブユニット毎に求められる平均値の総和をサブユニット数（７２０）で除した値である。１ユニットにおける最大値は、１ユニット内のサブユニット毎に求められる最大値を順次比較して得られる最大値である。１ユニットにおける最小値は、１ユニット内のサブユニット毎に求められる最小値を順次比較して得られる最小値である。また、１ユニットにおける平均値，最大値，最小値は、最後のサブユニット（７２０番目のサブユニット）におけるオン時間１ｓ後直ちに求められる。

前述したサブユニット内における時間割り当ての例で、サブユニットの開始から９００ｍｓ間のウェイクアップ時間は、情報送信手段２３を備える遠隔監視手段２をスリープ状態からオン状態にする際に通信モードの立ち上げに必要となる時間であり、データ抽出時間をその後の１００ｍｓのみに限定してその後の４ｓ間でアナログのアンプ電源オフ・データ演算処理・データファイル保存後、遠隔監視手段２の機能をスリープ状態にするので、バッテリー２０の消費を極力少なくすることが可能になる。

ここではデータ抽出時間を１００ｍｓに限定しており、サブユニットの最後のデータ抽出から次のサブユニットのデータ抽出開始まで４．９ｓの間隔があるが、この設定で直流電気鉄道の通過タイミングを逃さずデータ抽出することが可能である。直流電気鉄道車両の長さを２０ｍ、車両編成を１５両（電車の総長さ３００ｍ）として、時速８０ｋｍで走行している場合を考えると、ある地点を通過するのに１３．５ｓを要することになる。したがって、前述した４．９ｓの間隔が設定されている場合にも十分に電車通過のタイミング逃すこと無くデータ抽出することができる。また、データ抽出間隔である０．１ｍｓは、電車の通過現象を詳細に把握するのに十分な間隔である。

図４は、本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムにおける監視時間設定手段の出力例を示した説明図である。遠隔監視手段２における監視時間設定手段２４は、直流電気鉄道の運行頻度が高い設定時刻間と雨量センサ３が設定閾値を超える雨量を検出した後の設定時刻間を監視時間として設定する。そして、遠隔監視手段２は、監視時間設定手段２４が設定した監視時間のみ駆動して前述した監視情報を出力する。

図４に示した例では、朝のラッシュアワーを含む時間帯であり、直流電気鉄道の運行本数が多く選択排流器１が１日のうちで最も稼働する６時から１０時の時刻間を平常時監視時間として設定している。ここでは平常時監視時間を４時間に設定しているが、電車の運行状況などに応じて適時の時間を設定することができる。

また、図４に示した例では、雨量センサ３が設定された閾値を超える雨量を検出した後の４時間を雨天時監視時間として設定している。雨量センサ３は、１時間単位の検出雨量を出力する。監視時間設定手段２４は、雨量センサ３から出力された検出雨量を設定された閾値と比較して、これが閾値を超えた場合にその後の４時間を雨天時監視時間として設定する。

監視時間設定手段２４は、図４（ａ）に示すように、平常時監視時間が設定される時刻間と雨天時監視時間が設定される時刻間が異なる場合には、それぞれの時間を監視時間とする。また、図４（ｂ）に示すように、平常時監視時間と雨天時監視時間が重なる場合には、監視時間設定手段２４は、雨量センサ３の検出雨量が設定閾値を超えた時点で雨天時監視時間を優先的に設定する。これによって、合計監視時間は平常時監視時間の開始から雨天時監視時間の終了までとなる。

雨量センサ３は、無電源で稼働し、検出雨量を出力するためのバッテリー消費量は僅かであるから、２４時間常時稼働させている。しかしながら、監視時間設定手段２４は、直流電気鉄道の運行が無いか運転本数が少なく選択排流器の稼働率が低い時刻間（例えば、午前０時から６時までの間）には、雨量センサ３の検出雨量が設定閾値を超えた場合であっても雨天時監視時間を設定しない。

このように、本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムは、雨天時以外は直流電気鉄道の運行頻度が高い設定時刻間を平常時監視時間として、この監視時間のみ遠隔監視手段２を駆動して監視情報を出力するので、遠隔監視手段２を駆動するバッテリー２０の消費量を必要最小限に抑え且つ効率的にパイプラインの腐食リスクを評価することができる。また、雨天時には、雨量センサが設定閾値を超える雨量を検出した後の設定時刻を雨天時監視時間として、この監視時間に遠隔監視手段２を駆動して監視情報を出力するので、排流電流が大きくなる可能性が高い雨天時における選択排流器１の稼働状態を適正に把握することができ、選択排流器１に異常があった場合に生じるパイプラインＰの重大な腐食リスクを見逃すことがない。

図５は、本発明の実施形態に係る防食設備の遠隔監視システムにおける遠隔モニタリングシステムを示した説明図である。遠隔監視手段２の情報送信手段２３から送信される監視情報は、無線データ通信網４Ａを備える中継器４に無線通信され、中継器４からセンターサーバー５に専用回線６を介して送信される。そして、センターサーバー５にインターネットを介してアクセス可能な情報端末７によって監視情報がモニタリングできるようになっている。

中継器４の交換機／ルーター４Ｂとセンターサーバー５のルーター５Ａは専用回線６によって接続されている。センターサーバー５は、端末管理サーバー５Ｂ、データベースサーバー５Ｃ、アプリケーションサーバー５Ｄなどを備えている。端末管理サーバー５Ｂは、センターサーバー５にアクセス可能な情報端末７を管理する機能を有する。データベースサーバー５Ｃは、遠隔送信された監視情報をデータベース化する機能を有する。アプリケーションサーバー５Ｄは情報端末７に監視情報をモニタリングするためのアプリケーションソフトを提供する機能を有する。このような遠隔モニタリングシステムによって、遠隔監視手段２によって送信された監視情報を遠隔地でモニタリングすることができる。これによって、選択排流器１の稼働状態を遠隔地からリアルタイムに把握することが可能になる。

１：選択排流器，１０：ダイオード，１１：排流電流制限抵抗，
１２：シャント抵抗，１３：ノーマル・ブロー・ヒューズ，
１４：排流電流計測用電圧計，
１５：レール対管電位計測用電圧計，１６：管対地電位計測用電圧計，
２：遠隔監視手段，２０：バッテリー，２０Ａ：バッテリーケース，
２１：計測手段，２１Ａ：排流電流計測手段，
２１Ｂ：レール対管電位計測手段，２１Ｃ：管対地電位計測手段，
２２：演算処理手段，２３：情報送信手段，２４：監視時間設定手段，
３：雨量センサ，
４：中継器，４Ａ：無線データ通信網，４Ｂ：交換機／ルーター，
５：センターサーバー，５Ａ：ルーター，５Ｂ：端末管理サーバー，
５Ｃ：データベースサーバー，５Ｄ：アプリケーションサーバー，
７：情報端末，
Ｐ：パイプライン，Ｒ：レール，Ｄ１：直流電気鉄道，Ｄ２：トロリー線，
Ｄ３：変電所，Ｓ：大地，Ｌ１，Ｌ２：電線

Claims (7)

1. 直流電気鉄道のレールと該レールの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と、
   バッテリーで駆動されて前記選択排流器の稼働状態に係る監視情報を遠隔送信する遠隔監視手段と、
   前記選択排流器設置箇所近辺の雨量を検出して前記遠隔監視手段に出力する雨量センサとを備え、
   前記遠隔監視手段は、
   前記選択排流器の稼働状態を計測する計測手段と、
   計時した時刻に基づいて前記計測手段によって計測された計測データを抽出し、抽出した前記計測データを演算処理して前記監視情報を出力する演算処理手段と、
   前記監視情報を遠隔送信する情報送信手段を備え、
   直流電気鉄道の運行頻度が高い設定時刻間と前記雨量センサが設定閾値を超える雨量を検出した後の設定時刻間を監視時間とし、当該監視時間のみ前記遠隔監視手段を駆動して前記監視情報を出力することを特徴とする防食設備の遠隔監視システム。
2. 前記計測手段は、前記選択排流器の排流電流と、前記レールと前記埋設金属パイプラインとの間の電位差であるレール対管電位と、前記埋設金属パイプラインの管対地電位又はクーポン電流密度とを前記稼働状態として計測することを特徴とする請求項１に記載された防食設備の遠隔監視システム。
3. 前記監視時間は、１ユニット毎に分割され、
   前記監視情報は、前記排流電流，前記レール対管電位，前記管対地電位又は前記クーポン電流密度それぞれの１ユニットにおける平均値であることを特徴とする請求項２に記載された防食設備の遠隔監視システム。
4. 前記監視情報は、前記排流電流，前記レール対管電位，前記管対地電位又は前記クーポン電流密度それぞれの１ユニットにおける最大値及び最小値を更に加えることを特徴とする請求項３に記載された防食設備の遠隔監視システム。
5. 前記監視時間は、前記監視情報を出力する１ユニットを複数のサブユニットに分割し、各サブユニットには前記計測データを抽出する時間と抽出された前記計測データを演算処理した後前記遠隔監視手段を休止する時間が設定されていることを特徴とする請求項１に記載された防食設備の遠隔監視システム。
6. 前記サブユニットを５ｓとし、当該サブユニットの初めの１ｓ間の中に前記遠隔監視手段をウェイクアップする時間と前記計測データを抽出する時間を設け、その後の４ｓ間に前記計測データを演算処理した後前記遠隔監視手段を休止する時間を設けることを特徴とする請求項５に記載された防食設備の遠隔監視システム。
7. 前記計測データを抽出する時間は、０．１ｍｓのデータ抽出間隔で１００ｍｓ間とすることを特徴とする請求項６に記載された防食設備の遠隔監視システム。

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