JP6421238B2 - 電気鉄道におけるケーブルによる給電システム - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システムに関するものであり、特に幹線鉄道の運輸および都市軌道交通の商用周波数の単相牽引給電分野に関する。

単相システムは、構造簡単で、建設コストが低く、運用とメンテナンスされやすいなどのメリットを有しているため、電気鉄道において公共電力網からの商用周波数の単相交流を用いて列車（牽引負荷）に給電することが普通である。単相の牽引負荷を三相公共電力網においてできるだけ平均に分配するために、電気鉄道では相順交代で、相分け、セクション分け給電方式を取る。相分セクションにおける隣接する給電セクションの間では、相分け用絶縁器（neutral section insulator）で分割し、分相とも呼ばれる電気分相を形成する。しかし、これらの分相は、電気鉄道の優位性の発揮を制限することになってしまう。なぜなら、分相は給電のブレークポイントを作り、列車の牽引パワーが継続的に発揮することに影響するばかりでなく、機械的な弱点でもあり、システムの信頼性を影響してしまうからである。

分相は、通常牽引変電所の出口における二つの給電セクションの接続ポイントおよび二つの牽引変電所間のセクションポストに設けている。言い換えれば、通常の場合、各牽引変電所の管轄の範囲内に平均にして二つの分相が存在する。電気を帯びる電化機関車が分相を通る際に、アーク放電によりカテナリサスペンション部品が焼け壊れ、ひいては相間短絡等の事故を招くことを防ぐために、ギアダウンシフトして、補助ユニットを切って、メインブレーカーを落として、列車の慣性でニュートラルセクションを通り過ぎてから、メインブレーカーを上げて、補助ユニットをスイッチオンして、ギアアップシフトして、牽引パワーを回復させることにより分相を通過することを、列車の速度が段々に速くなるに連れ、運転手が手動で行うことができない状況において、分相自動通過技術が開発された。分相自動通過技術は、主に地上スイッチ自動切替分相通過（ground switch auto-switching phase-split）、車載自動分相通過（on-board auto-passing phase-split）、および柱上自動分相通過（on-column auto-switching phase-split）などの種類があるが、スイッチ切替中において列車が電気分相を通過する過渡過程が依然として存在し、大きな操作過電圧または過電流が生じやすく、牽引ネットおよび車載設備が破損などの事故を引き起こし、ひいては自動的に分相を通過する操作の失敗を招き、給電の信頼性と列車の安全運行に影響してしまう。そのため、分相は依然として牽引給電システム全体において最も手薄の一環であり、高速鉄道乃至電気鉄道牽引給電のボトルネックである。

分相の悪影響を根絶する根本的な措置は、分相そのものをなくすことである。研究の結果によれば、同相給電技術により牽引変電所の出口における分相をなくすことができ、新型双方向給電技術によりセクションポストにおける分相をなくすことができる。ここで注意したいのは、牽引変電所で同相給電技術を採用して分相をなくす際負シーケンスを処理必要があり、処理の程度は国家標準に準ずることであり、また、セクションポストで双方向給電を実施するポイントは、それにより生じた均衡電流を下げることであるが、如何なる程度まで下げれば良いかは基準がなく、すなわち、双方向給電の実施が可能か否かはさらなる検討が必要である。従って、一つの線路の長さが確定された場合、給電セクションの長さを如何に最大限に伸ばす、たとえば現在電化鉄路の数十キロミトルの給電セクションを２００キロミトル以上に延長することも、分相を避けるまたは減らす有効な措置である。言い換えれば、牽引変電所で同相給電の実施により出口における分相をなくし、仮に左右二つの給電セクションの長さが路線の長さよりも長い場合、線路上に分相を設置する必要がないが、仮に牽引変電所で同相給電の実施後、左右二つの給電セクションの長さが路線の長さよりも短い場合、線路上に一つの分相を設置する必要がある。もう一つの要因は、地方電力網（provincial power grid）である。たとえば、県を跨いで電力を使用することが許可されない場合、鉄道の県を跨ぐところで分相を設置しなければならない。

給電セクションの長さを最大限に延長することは、たとえばチベット高原のような電力不足地域または電力がない地域の鉄道の電化に役立つ。

本発明は、給電セクションの長さを最大限に延長し、分相を避けるまたは減らし、交通運輸がよりスムーズになるための電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システムを提供する。

材料と製造技術の進歩につれて、同軸ケーブルのコストが顕著に下がることは、本願の実施に経済的な基礎を築く。

本発明は、幹線鉄道の運輸および都市軌道交通の商用周波数の単相牽引給電分野において、給電セクションの長さを最大限に延長し、分相を避けるまたは減らし、交通運輸がよりスムーズになる電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システムを提供することを目的とする。

本発明によりその技術的課題を解決するための技術的手段は、次の通りである。

中央牽引変電所と、同軸ケーブルと、牽引変圧器と、カテナリと、レールと、ブレーカーとを有する電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システムであって、
同軸ケーブルが内導体と、内インシュレーターと、外導体と、外インシュレーターとを有し、
牽引変圧器が単相結線であり、
中央牽引変電所が同軸ケーブルに接続され、
同軸ケーブルとカテナリとが平行であり、
牽引変圧器の一次巻線が同軸ケーブルの内導体と外導体との間に並列接続され、牽引変圧器の二次巻線がカテナリとレールとの間に並列接続され、同軸ケーブルの内導体に接続する端とカテナリに接続する端とがドット側端子であり、
牽引変圧器が所定の間隔で同軸ケーブルおよびカテナリに沿って配置され、
電気列車がカテナリとレールとの間で受電する同軸ケーブルによる給電システム。

中央牽引変電所SS以上が電力網により管理され、中央牽引変電所SSおよび同軸ケーブルによる給電システムが鉄道により管理される。

本発明の原理は、以下の通りである。カテナリとレールとの間で運行している電化列車の電力は、主に最も近い牽引変圧器に供給される。牽引変圧器は、同軸ケーブルにより給電される。同軸ケーブルは、中央牽引変電所により公共電力網から電力が取得される。同軸ケーブルの電圧レベルは、カテナリの電圧レベルよりも高く、給電能力がより高く、給電距離がより長くなる。

従来技術と比較すれば、本発明の有益な効果は、以下の通りである。

一．本発明の給電能力および電圧レベルが主に同軸ケーブルに確定されるため、同軸ケーブルおよびカテナリの様々な電圧レベルとのマッチングに好適する。たとえば、電気鉄道は、110ｋV同軸ケーブルおよび27.5ｋVカテナリが選定されても良く、地下鉄やライトレールなどの都市軌道交通は、35ｋV同軸ケーブルおよび1.1〜3.5ｋVカテナリが選定されても良い。

二．本発明における同軸ケーブルが主に給電の役割を果たしており、各セグメントのカテナリはそのセグメントにおける列車の給電の役割を担って、カテナリの平均通電容量が大きく軽減されるため、より細いカテナリ線が使え、カテナリの軽量化および全体品質の向上に役立つ。それとともに、同軸ケーブルによる給電は、レール電位を有効に下げることができ、外部に対する電磁妨害を軽減することができる。

三．本発明に用いる同軸ケーブルは、鉄道ケーブル敷設溝または地下鉄トンネルに沿って取り付けできるため、架空線のように通路におけるスペースを余計に必要とせず、実施されやすい。さらに、架空線と比較すると、同軸ケーブルの給電能力がより強く、給電距離がより長いため、鉄道と公共電力網とのインターフェースを削減することができ、外部電源への投資が節約でき、管理されやすい。

四．本発明の技術は、信頼度が高く、実施されやすい。

本発明の実施例の構造模式図

次に、図面と具体的な実施形態とを関連付けて本発明についてさらに詳細に説明する。

図１に示されるように、本発明の実施形態は、中央牽引変電所SSと、同軸ケーブルと、牽引変圧器TTと、カテナリTと、レールRと、ブレーカーとを有する電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システムであって、同軸ケーブルが内導体ICと、内インシュレーターと、外導体OCと、外インシュレーターとを有し、牽引変圧器が単相結線であり、中央牽引変電所SSがブレーカーGにより、ブレーカーG₁を介して左の給電セクションの同軸ケーブルに接続され、ブレーカーG₂を介して右の給電セクションの同軸ケーブルに接続され、同軸ケーブルとカテナリとが平行であり、牽引変圧器TT_iの一次巻線が同軸ケーブルの内導体ICと外導体OCとの間に並列接続され、ブレーカーW_iが設置され、牽引変圧器の二次巻線がカテナリTとレールRとの間に並列接続され、同軸ケーブルの内導体に接続する端とカテナリに接続する端とがドット側端子（dotted terminal）であり、＊で表記され、牽引変圧器TT_iおよびカテナリの故障対応と点検とがされやすくするように、電気セグメントS_iと、ブレーカーK_iと、左ブレーカーK_i1と、右ブレーカーK_i2とが設置され、左ブレーカーK_i1と右ブレーカーK_i2とが電気セグメントS_iを跨いで設置され、列車が電気を遮断せずに電気セグメントS_iを通過することができ、牽引変圧器TT_iが所定の間隔で同軸ケーブルおよびカテナリに沿って配置され、隣接する牽引変圧器により同軸ケーブル内導体とカテナリとが並列接続され、かつ同軸ケーブル外導体とレールとが並列接続され、電気列車LCがカテナリTとレールRとの間で受電する。牽引変圧器TT_iの間隔が一般的に２０キロメートル以上である。牽引変圧器TT_i（i=1,2,．．．nであり、nは一つの給電セクションにおける牽引変圧器の数である。）の間隔が２０キロメートルを超える場合に、故障対応と点検とがされやすくするように、区間においてセクションポストを設置して、区画分けしても良い。

中央牽引変電所SS以上が電力網により管理され、中央牽引変電所SSおよび同軸ケーブルによる給電システムが鉄道により管理される。

本発明の原理は、以下の通りである。カテナリTとレールRとの間で運行している電化列車LCの電力は、主に最も近い牽引変圧器に供給される。牽引変圧器は、同軸ケーブルにより給電される。同軸ケーブルは、中央牽引変電所により公共電力網ABCから電力が取得される。

電気鉄道は、中央牽引変電所SSの引込み線ABCが220ｋV公共電力網を外部電源として選定でき、それとともにマッチングするよう110ｋV同軸ケーブルおよび27.5ｋVカテナリが選定されても良く、地下鉄やライトレールなどの都市軌道交通は、中央牽引変電所SSの引込み線ABCが110ｋVまたは220ｋV公共電力網を外部電源として選定でき、それとともにマッチングするよう35ｋV同軸ケーブルおよび1.1〜3.5ｋVカテナリが選定されても良い。給電の信頼性を高めるために、同軸ケーブル100％予備形式を取っても良く、または、二つの同軸ケーブルが並列接続され、故障対応または点検時のみ、片方を退出させかまたは片方における一部分のみを退出させるかことが考えられる。

Claims (4)

1. 中央牽引変電所と、同軸ケーブルと、牽引変圧器と、カテナリと、レールと、ブレーカーとを有し、中央牽引変電所が電力網から入力される電力に対して周波数変換を行わず降圧だけを行う電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システムであって、
   同軸ケーブルが内導体と、内インシュレーターと、外導体と、外インシュレーターとを有し、
   牽引変圧器が単相結線であり、
   中央牽引変電所が同軸ケーブルに接続され、
   同軸ケーブルとカテナリとが平行であり、
   牽引変圧器の一次巻線が同軸ケーブルの内導体と外導体との間に並列接続され、
   牽引変圧器の二次巻線がカテナリとレールとの間に並列接続され、同軸ケーブルの内導体に接続する端とカテナリに接続する端とがドット側端子であり、
   牽引変圧器が所定の間隔で同軸ケーブルおよびカテナリに沿って配置され、
   電気列車がカテナリとレールとの間で受電することを特徴とする同軸ケーブルによる給電システム。
2. 同軸ケーブルの電圧レベルがカテナリの電圧レベルよりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システム。
3. カテナリTにおいて、電気セグメントS_iと、ブレーカーK_iと、左ブレーカーK_i1と、右ブレーカーK_i2とが設置され、左ブレーカーK_i1と右ブレーカーK_i2とが電気セグメントS_iを跨いで設置されることを特徴とする、請求項１に記載の電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システム。
4. 牽引変圧器TT_i（i=1,2,．．．n、nは一つの給電セクションにおける牽引変圧器の数である。）の間隔が２０キロメートル以上であり、
   牽引変圧器TT_iの間隔が２０キロメートルを超える場合に、故障対応と点検とがされやすくするように、区間においてセクションポストを設置して、区画分けすることを特徴とする、請求項１に記載の電気鉄道における同軸ケーブルによる給電システム。
   

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