JP6599802B2 - 直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法 - Google Patents

Description

本発明は直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法に関するものであり、詳細には、直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器との間の接続線での地絡故障が発生したときにそれを検出する直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法に関する。

従来より直流電鉄用変電所において、直流母線の地絡故障が発生した場合にはその多大な地絡電流により変電所機器の焼損等の障害が発生する。そこで、本出願人は鋭意研究により、下記特許文献（特開２０１０−４２７８４号公報）に示すように、変電所の接地マットと帰線間の電圧を検知し、できる限り速やかに変電所を停電し、変電所設備への損傷を抑え、変電所を保護する地絡故障検出方法を実現する直流高圧接地継電器を発明し、実用化されるに至っている。

図６は従来の直流高圧接地継電器の構成を示す図である。図６に示す直流高圧接地継電器９０は、変電所の接地マット９１と帰線９２の間に設置され、その間の電位差を測定する電位差測定部９３を有し、この電位差測定部９３が閾値以上の電圧を検出するときに交流遮断器９５Ａおよび直流高速度遮断器９５に遮断信号を送って直流母線９４への電力供給を遮断させるものである。なお、９６は整流器用変圧器、９７は整流器、９８は接地線、９９は真の大地、９６Ａは整流器用変圧器９６と整流器９７を接続する接続線、９６Ｂはこの接続線９６Ａの遮蔽層、９８Ｒは接続線９６Ａと遮蔽層９６Ｂの間の絶縁抵抗である。

前記構成の直流高圧接地継電器９０を用いた地絡故障検出方法は、接地マット９１と帰線９２の間の電圧を検出する電位差測定部９３を設けて、変電所内での直流母線９４の地絡故障を検出する。つまり、直流母線９４に地絡故障が発生すると、帰線９２に対して接地マット９１が正（＋）極性の電位となるため、電位差測定部９３でこれを検出し、交流遮断器９５Ａに遮断信号を出力する。交流遮断器９５Ａはこの遮断信号によって電力供給を遮断することにより、速やかに変電所を停電し、変電所設備等を保護することができる。

特開２０１０−４２７８４号公報

しかしながら、従来の直流高圧接地継電器９０における地絡故障検出方法では、直流変電所用変電所の整流器９７の２次側電路（直流側）の地絡故障だけでなく、整流器用変圧器９６と整流器９７の間の１次側電路（交流側）の地絡故障によっても動作する特性があり、これらを判別できないという問題があった。

その背景として、直流電鉄用変電所に設けられている直流高圧接地継電器９０では整流器用変圧器９６と整流器９７は変電所機器の配置上、近接して配置されることが多いため、ブスバーやアルミより線等の裸導体で接続されることが多かったが、近年は安全上の理由により裸導体で接続されることは少なくなり、遮蔽層９６Ｂ付ケーブル等により接続されるようになったという状況がある。この為、ケーブルの端末処理の劣化等により雨水等が侵入し、ケーブルが絶縁劣化を起こし、これにより地絡故障につながる場合がある。また、ケーブルのこのような地絡故障は裸導体の場合に比べて目視で発見しにくく、故障点を速やかに見いだすことは困難であった。

このため、直流高圧接地継電器９０が動作した場合に、復旧担当の作業員は整流器９７の２次側の直流回路における地絡故障を重点的に探索するため、整流器９７の１次側電路が地絡故障した場合には前記の状況と重なり故障点の探索・除去や変電所の復電に多くの時間が必要となり、列車の運行に多大な影響を与えるという問題があった。

なお、図７は健全状態での整流器用変圧器９６と整流器９７の間の接続線の遮蔽層が接続された接地線９８に流れる電流の高調波成分を示す図である。送配電線などの一般の３相交流において故障が発生していない健全状態では、３相一括接地されていれば接地線９８にはほとんど電流が流れないが、本箇所は帰線９２と整流器９７のダイオードを介して真の大地と電気的に接続された特殊な接地系となっているため対地電位は正負非対称の歪み波形となる。このため健全状態においても整流器９７の１次側に起因する基本波電流や第５次高調波電流や第７次高調波電流、２次側の整流リップルに起因する第６次高調波電流の整数倍の高調波電流など様々な電流が流れる。加えて、変電所機器および支持金物は近接する電路等からの誘導の影響を受けるため、これによる電流も前記に加えて接地線に流れることになる。

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、直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器の間の接続線で地絡故障が発生した場合と直流母線での地絡故障を切り分ける方法を提供し、故障点の探索を容易とし、変電所の復電を速やかに実施させ、列車の運行への影響を最小限に抑えることができる直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を提供することにある。

前記課題を解決するため、第１発明は、直流母線とレール等の帰線の間に直流電力を供給する直流電鉄用変電所において、この直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流を測定し、この電流の商用周波数に対する高調波成分の内、第３次高調波成分を抽出し、この第３次高調波成分の大きさの変化によって、直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器との間の接続線における地絡故障を検出することを特徴とする直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を提供する。（請求項１）

一般的に直流高圧接地継電器は直流電鉄用変電所において、整流器の２次側電路（直流側）の地絡故障の保護を目的とするものであるが、整流器用変圧器と整流器の間の整流器の１次側電路（交流側）の地絡故障によっても動作する。

図８は、図６に示す整流器の１次側電路（交流側）で地絡故障が発生した場合に流れる電流の流れを示す図である。図８に示されるように、整流器９７の１次側電路（交流側）で地絡故障が発生した場合には、地絡抵抗９８Ｒ’および接地線９８を通って接地マット９１、さらに接地抵抗９１Ｒと真の大地９９、レール漏れ抵抗９２Ｒとレール、そして、帰線９２、整流器９７に戻る電流の回路が構成される。この為、整流器９７の各整流素子の方向から接地マット９１が正（＋）極性の電位となるので整流器の交流側電路の地絡故障であっても直流高圧接地継電器９０が動作する特性がある。

図９は、図８における整流器用変圧器９６と整流器９７の間の接続線の遮蔽層が接続された接地線９８に流れる電流の周波数分析の結果を示すものであり、この結果から接地線９８に流れる電流には商用周波数の電流(基本波電流)の他に第３次高調波成分の電流や整流器９７の整流作用に付随する高調波電流等が流れることが分かる。そして、図７と比較すると明らかなように、第３次高調波電流は整流器の１次側で地絡故障がなければ、ほとんど存在しない電流である。

第１発明の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法は第３次高調波成分に着目し、この第３次高調波成分を指標として、整流器の１次側電路（交流側）の地絡故障を検出することに利用するものであり、これによって整流器の１次側の地絡故障を高精度に判別することができる。

整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流を計測し、この電流の第３次高調波成分の大きさの変化（閾値を超えて大きくなる）によって、整流器用変圧器と整流器との間の接続線における地絡故障を検出することができる。また、直流高圧接地継電器が動作した場合の原因が整流器の直流側にあるのか、交流側（すなわち、整流器用変圧器と整流器の間の接続線）にあるのかが判別できることにより、故障点探索時間を短縮し、変電所の復電を速やかに行い、列車の運行への影響を低減することができる。また、第１発明の地絡故障検出方法により整流器用変圧器と整流器の間の接続線の地絡故障を検知した場合に、整流器用変圧器の１次側の交流遮断器のみを遮断させ、かつ直流高圧接地継電器よりも早く遮断信号を発信するように連動を構成することで、同故障発生時の停電範囲を必要最小限にするとともに変電所の鎖錠を防止することができるため列車運行への影響を最小限に留めることができる。

第２発明は、直流母線とレール等の帰線の間に直流電力を供給する直流電鉄用変電所において、この直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流を測定し、この電流の商用周波数に対する高調波成分を解析し、少なくとも一つの高調波成分の前記接地線に流れる電流の実効値に対する含有率の変化によって、直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器との間の接続線における地絡故障を検出することを特徴とする直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を提供する。（請求項２）

第２発明は地絡故障時に整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流の高調波成分の含有率に着目し、この高調波成分の含有率の変化を指標として、整流器の１次側電路（交流側）の地絡故障を検出することに利用するものであり、これによって整流器の１次側電路の地絡故障を高精度に判別することができる。

整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流を計測し、この電流の高調波成分を解析し、少なくとも一つの高調波成分の接地線に流れる電流の実効値に対する含有率の変化によって、整流器用変圧器と整流器の間の接続線における地絡故障が発生していることを検出できる。なお、健全状態では接地線に流れる電流の実効値に対する第３次高調波成分の含有率はきわめて少なく、第６高調波成分の含有率は基本波成分より大きいが、地絡故障が発生すると、第３次高調波成分の含有率が増大し、第６次高調波成分の含有率は減少するので、この含有率の変化を用いて整流器用変圧器と整流器の間の接続線における地絡故障を検知できる。また、第２発明の地絡故障検出方法により整流器用変圧器と整流器の間の接続線の地絡故障を検知した場合に、整流器用変圧器の１次側の交流遮断器のみを遮断させ、かつ直流高圧接地継電器よりも早く遮断信号を発信するように連動を構成することで、同故障発生時の停電範囲を必要最小限にするとともに変電所の鎖錠を防止することができるため列車運行への影響を最小限に留めることができる。

前述したように、第１発明の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法によれば、整流器の１次側電路（交流側）で回路が地絡故障を起こした場合に接地線に流れる地絡電流に特徴的に含まれる第３次高調波成分を用いて地絡故障が整流器の交流側電路において生じたことを高精度に検出することができる。これにより整流器の１次側電路での地絡故障における故障点の探索および除去を容易とし、変電所の復電を速やかに行い、列車の運行への影響を最小限に抑えることができる。

第２発明の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法によれば、整流器の１次側電路（交流側）の地絡故障によって生じる各高調波成分の地絡電流の実効値に対する含有率の変化をとらえて、整流器用変圧器と整流器の間の接続線における地絡故障の発生を、精度良く検出することができるので、整流器の交流側電路での地絡故障における故障点の探索および除去を容易とし、変電所の復電を速やかに行い、列車の運行への影響を最小限に抑えることができる。また、第１発明または第２発明の地絡故障検出方法により整流器用変圧器と整流器の間の接続線の地絡故障を検知した場合に、変電所の配電盤に故障検知情報を伝送することで、変電所の連動に本故障情報を考慮した制御を組み込むことができる。これにより健全部分（例えば、他の整流回路等）に対する復電操作を抑止しないように連動構成を行えば早期の復電を達成することができる。

第１実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を実施する電鉄直流変電所の構成を示す図である。 第１実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を実施する地絡故障検出装置の構成を示す図である。 第１実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を説明する図である。 第２実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を実施する地絡故障検出装置の構成を示す図である。 第２実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を説明する図である。 従来の直流高圧接地継電器が設置される直流電鉄用変電所の構成を示す図である。 健全状態体時に接地線に流れる電流の高調波成分を示す図である。（接地線電流の実効値に対する各高周波成分の含有率を示す。） 直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器間の接続線（交流側）で地絡故障が発生したときの電流の流れを説明する図である。 直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器間の接続線（交流側）で地絡故障が発生したときに接地線に流れる電流の高調波成分を示す図である。（接地線電流の実効値に対する各高調波成分の含有率を示す。）

以下、図１〜図３を用いて、本発明の第１実施形態に係る直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法の具体的な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に示すように、直流高圧接地継電器Ｒは、変電所２の接地マット３と帰線４の間に設けられ、接地マット３と帰線４の間の電位差を測定する電位差測定部５と、測定された電位差を用いて地絡故障を判定する地絡判定出力部６を有するものである。なお、３ｒは接地マット３の接地抵抗、４ｒは帰線４およびレールと真の大地Ｇの間にあるレール漏れ抵抗である。

また、７は整流器用変圧器、７Ａは前記地絡判定出力部６が地絡故障を判定するときに整流器用変圧器７への給電を停止させる交流遮断器、８は整流器、９は整流器用変圧器７と整流器８の間の接続線、１０は接続線９の遮蔽層９ｓが接続された接地線である。なお、前記接続線９は芯線となる導体と、この導体を保護する絶縁物からなる被覆９ｉと、この被覆９ｉの外側を覆うように設けた前記遮蔽層９ｓとこの遮蔽層９ｓを保護する高分子材料からなる外装被覆９ｐを備えるケーブルである。したがって、導体と遮蔽層９ｓの間は被覆９ｉによる大きな絶縁抵抗１０ｒを介して接続されるが、接続線９に地絡故障が発生したときには導体と遮蔽層９ｓの間はより小さい地絡抵抗１０ｒ’によって接続される。

図２に示すように、本発明の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法に係る地絡故障検出装置１は、前記接地線１０に流れる電流を測定する電流測定部１１と、この電流測定部１１に接続された例えばフィルタ回路からなる第３次高調波抽出部１２と、この第３次高調波抽出部１２に接続された交流側地絡判定出力部１３と、この交流側地絡判定出力部１３が接続された交流側地絡表示部１４とを備え、本実施形態における各部材１２〜１４は一つの地絡故障ユニット１ａ内に形成されている。また、１５は直流母線、１６は直流高速度遮断器である。

図３に示すように、本実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法は、まず前記接地線１０に流れる電流を電流測定部１１によって測定する（ステップＳ１）。なお、電流測定部１１は例えば交流変流器のようなものを用いて形成されることが好ましく、以下のステップＳ２〜が時系列的に実行されるとしても連続的に電流測定するものであることが好ましい。

次に、前記第３次高調波抽出部１２を用いて測定した電流の商用周波数に対する高調波成分の内、第３次高調波成分を抽出する（ステップＳ２）。第３次高調波成分は例えばフィルタ回路などハードウェアを用いて行なうことにより電流の測定と同時にリアルタイムに行なうことができるので好ましいが、電流の測定値を一端デジタル信号に変換して演算処理部に取り込み、この演算処理部によって実行可能なソフトウェア処理によって実現してもよく、この場合、第３次高調波抽出部１２は演算処理部および第３次高調波抽出プログラムからなる。

さらに、交流側地絡判定出力部１３によって第３次高調波成分が閾値を超過するときを検知することにより、第３次高調波成分の大きさの変化によって、変電所２の整流器用変圧器７と整流器８との間の接続線９における地絡故障を検出する（ステップＳ３）、このステップＳ３において、第３次高調波成分が閾値以上でないと判定したときには、前記ステップＳ１に戻って、閾値以上となるまでステップＳ１〜Ｓ３を繰り返す。なお、このステップＳ３の処理も比較器のようなハードウェアを用いて同時に連続的に行なうことが好ましいが、前記演算処理部によって実行可能なソフトウェア処理によって実現してもよく、この場合、交流側地絡判定出力部１３は演算処理部および交流側地絡判定出力プログラムからなる。

前記ステップＳ３において第３次高調波成分が閾値以上であると判定したときには、整流器の１次側（交流側）における地絡故障を交流側地絡表示器１４に表示する（ステップＳ４）。なお、交流側地絡表示器１４は変電所の制御電源が失われた際にも表示内容を保持可能なものであることが好ましい。

上述のように直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を実施することにより、整流器８の１次側（整流器用変圧器７と整流器８の間）において地絡故障が発生したときに、これを表示器１４に表示させることができるので、交流遮断器７Ａならびに直流高速度遮断器１６が遮断した後に、この遮断の原因となる地絡故障の発生位置が整流器８の１次側電路であることを確認できる。

すなわち、前記整流器８の１次側電路で地絡故障が発生した場合、地絡電流が地絡抵抗１０ｒ’および接地線１０を介して接地マット３に流れ、さらに接地抵抗３ｒを介して真の大地Ｇに、そしてレール漏れ抵抗４ｒを介して帰線４、整流器８という回路で地絡電流が流れるため、接地マット３と帰線４の間に接続される電位差測定部５の両端には接地マット３から帰線４までのインピーダンスによって接地マット３が正（＋）極性の電位となって直流高圧接地継電器Ｒが動作するので、交流遮断器７Ａおよび直流高速度遮断器１６が遮断して変電所２の直流母線への給電が停止する。

また、地絡電流には第３次高調波電流が含まれるので、この第３次高調波成分があらかじめ設定された閾値を超過することにより、本発明の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法によって整流器用変圧器と整流器間の電路（交流側）の地絡故障が検出されて、交流側地絡表示部１４に表示される。したがって、復旧を行なう作業者は交流側地絡表示部１４の表示を確認するときに地絡故障が整流器８の１次側（変圧器７と整流器８の間、すなわち交流側）における地絡故障であることを容易に判別できるので、早期復電を達成することができる。

他方、整流器８の２次側電路（直流側）が地絡した場合には電流測定部による電流測定値に第３次高調波成分の電流はほとんど存在せず、第３次高調波抽出部１２からの出力がほとんどないので、交流側地絡判定出力部１３が交流側地絡判定を行うこともなく、交流側地絡表示部１４への表示も行われることがない。したがって、復旧担当の作業員は交流側地絡表示部１４の表示がないことから、地絡故障が整流器８の２次側（直流側）で発生したことを確認でき、直流側回路の故障探索に集中することができる。

図４、図５は第２実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を説明する図であり、図４は本発明の第２実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法を実施する地絡故障検出装置２０の構成を示す図、図５は第２実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法の一例を説明する図である。なお、これらの図において、図１〜図３と同じ符号を付した部材は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。

図４に示す地絡故障検出装置２０は電流測定部１１によって測定された電流の高調波成分を解析するＦＦＴ部（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）２１と、このＦＦＴ部２１によって解析された高調波成分の接地線電流の実効値に対する含有率の変化を検知して整流器用変圧器と整流器間の電路（交流側）の地絡故障を判定する交流側地絡判定部２２とを備える。なお、これらの部材２１，２２，１４は地絡判定ユニット２０ａを構成するものであり、その大部分をワンチップマイコンなどの演算処理部によって実現してもよい。この場合、例えばＦＦＴ部２１と交流側地絡判定部２２は演算処理部とこの演算処理部によって実行可能な交流側地絡判定プログラムによって実現される。

図５において、ステップＳ１によって測定された電流は、ＦＦＴなどの周波数解析を実施することにより高調波成分の含有率を明らかにする（ステップＳ５）。なお、本発明はマイコン等を用いたＦＦＴに限定されるものではなく、少なくとも交流側地絡によって飛躍的に増加する第３次高調波成分および／または交流側地絡によって減少する第６次高調波成分を抽出するフィルタ回路などのハードウェアによって形成することも考えられる。

次いで、解析された高調波成分の接地線電流の実効値に対する含有率が、交流側地絡故障を特徴づけるような変化を示すかどうかによって、交流側地絡故障の発生を検出する（ステップＳ６）。なお、このステップＳ６において変化なしと判定した場合は、ステップＳ１に戻って、ステップＳ１，Ｓ５，Ｓ６の処理を繰り返し、変化ありと判定した場合には、次のステップＳ４を実行する。

また、判定基準は種々の変形が考えられるが、例えば、交流側の接続線で地絡故障が起こると接地線電流には基本波成分が最も多くなり、次いで第３次高調波成分が多くなるので、基本波成分と第３次高調波成分の含有率が共に大きくなることを指標とする、または、接地線電流に含まれる整流リップルの割合が相対的に減少するとため、第３次高調波成分、第５次高調波成分の含有率が第６次高調波成分の含有率より大きくなることを指標とする、あるいは高調波電流の含有率の評価を接地線電流の実効値に対する割合ではなく、接地線電流の基本波成分に対する割合でおこなうなどが考えられる。

上述のように、第２実施形態の直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法によっても交流側における地絡故障発生を精度よく判定することができるので、速やかな復電に貢献できる。

１，２０ 直流き電用整流器の地絡故障検出装置
２ 変電所
３ 接地マット
４ 帰線
７ 整流器用変圧器
８ 整流器
９ 接続線
９ｓ 遮蔽層
１０ 接地線
１１ 電流測定部
１２ 第３次高調波抽出部
１４ 交流側地絡表示部

Claims (2)

1. 直流母線とレール等の帰線の間に直流電力を供給する直流電鉄用変電所において、この直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流を測定し、この電流の商用周波数に対する高調波成分の内、第３次高調波成分を抽出し、この第３次高調波成分の大きさの変化によって、直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器との間の接続線における地絡故障を検出することを特徴とする直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法。
2. 直流母線とレール等の帰線の間に直流電力を供給する直流電鉄用変電所において、この直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器の間の接続線の電路支持具あるいは接続線の遮蔽層が接続された接地線に流れる電流を測定し、この電流の商用周波数に対する高調波成分を周波数解析し、少なくとも一つの高調波成分の前記接地線に流れる電流の実効値に対する含有率の変化によって、直流電鉄用変電所の整流器用変圧器と整流器との間の接続線における地絡故障を検出することを特徴とする直流き電用整流器の交流側接続線の地絡故障検出方法。

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