JP6767215B2 - 鉄道車両の地絡検出システム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両において地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムに関する。

鉄道車両では、架線から集電した電力をモータ駆動回路或いは電源回路などの高電圧回路へ供給し、走行用モータおよび様々な電気機器が駆動される。通常、１つの編成には複数の集電部が設けられる。「編成」とは、複数の鉄道車両が連結された構成を指す。一方、複数の集電部は高圧母線（「引通し線」とも呼ばれる）を介して互いに電気的に接続される。これにより、何れかの集電部が架線から離線したときでも編成の一部の機器で停電が生じることを防止でき、また、集電部にスパークが発生することを抑止できる。

鉄道車両においては、非常に稀にではあるが、高圧母線或いは高圧母線に接続された電力線に地絡が生じる恐れがある。地絡が生じると、架線から接地点へ非常に大きな電流が流れ、変電所では、過大な電流が検出されて、速やかに送電が遮断される。そのため、編成への電力供給が断たれる。従って、地絡により、同一架線に接続されている全ての編成への電力供給が停止する。

上記のような地絡が生じた場合には、各編成において、一旦、全ての集電部が架線から切り離される。また、変電所では、自動的に電力が再投入される。そこで、各編成の運転士は、各集電部を順番に１つずつ架線に接続し、再び、地絡が発生するか確認する。運転士は、このような操作を繰り返し行うことで、何れの編成の何れの箇所で地絡が発生したのかを特定することができる。

しかしながら、架線には一編成につき複数の集電部が接続されているため、一回の操作で短絡箇所を見つけるのは困難であった。このため、確認作業の過程で何度も地絡を発生させてしまい、変電所において何度も送電の遮断と電力の再投入とが繰り返されると、変電所の遮断器が焼損するなどの問題が生じる恐れがあった。変電所に問題が波及すると、短時間のうちに通常の運行に復旧することは非常に難しくなる。

また、本発明に関連する先行技術として、特許文献１の段落００４３−００５１には、集電部からの入力電流に基づいて地絡の発生を判定し、母線に流れる電流の向きから編成内の故障点を推定するシステムが示されている。

特開２０１２−２２３０２０号公報

上述したように、地絡の発生箇所を特定するために、何度も地絡を発生させると変電所の機器が損傷するなどのリスクが伴う。従って、鉄道車両で地絡が発生した場合には、変電所が送電を遮断する前に、地絡の発生と地絡の発生箇所とを特定できると好ましい。

しかしながら、鉄道車両で速やかに地絡を検出することには、様々な困難性があった。例えば、変電所では、地絡により過大な電流が流れた場合に速やかに送電の遮断が行われる。しかしながら、地絡発生から変電所が送電を遮断するまでの時間は一定でない。なぜならば、変電所の送電の状態には、１つの架線から１つの編成へのみ送電を行っている状態、１つの架線から複数の編成へ送電を行っている状態、さらに、鉄道車両から回生電力が架線に戻されている状態など、様々な状態がある。よって、地絡により過大な電流が生じた場合でも、送電の状態によって、変電所で過大な電流を検出できる時間は一定しない。従って、鉄道車両で確実に地絡を検出するには、変電所が最も早く送電を遮断する場合の検出時間より早く地絡の発生を判定する必要があり、その分、地絡検出の困難さが増す。

また、鉄道車両で地絡が発生した場合、地絡箇所の遠くに配置された高電圧回路から放電が行われて、高圧母線から架線へ向かう方向に電流が生じることがある。この場合、地絡電流に逆向きの電流が加わることになるため、地絡電流の検出が難しくなる。

また、一般に、鉄道車両では、集電部と架線とが離線および再着線を繰り返すことがあり、離線によって高電圧回路のリアクトルから放電が行われた場合に、再着線時に架線から高電圧回路に大きな突入電流が流れることがある。大きな突入電流は地絡電流の誤判定の要因になり、これによっても地絡検出の困難さが増す。
また、変電所の近くで地絡が生じると地絡電流は非常に急峻に流れるのに対して、変電所の遠くで地絡が生じると架線抵抗によって地絡電流が緩やかになることがある。従って、編成が変電所の近くにある場合と、遠くにある場合とで、地絡電流の流れ方が一様でなく、これにより地絡検出の困難さが増す。

本発明は、変電所が地絡を検出して送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定と行うことのできる鉄道車両の地絡検出システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、給電用導体に接触して集電を行う複数の集電部と、前記複数の集電部と車両の高電圧回路とを接続する複数の集電電力線と、複数の鉄道車両に渡って敷設されて前記複数の集電電力線と接続される高圧母線とを備える編成に搭載されて地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムにおいて、
前記複数の集電電力線の電流をそれぞれ検出する複数の集電電流計と、
前記高圧母線の電流を複数の箇所でそれぞれ検出する複数の母線電流計と、
前記複数の集電電流計の計測結果に基づいて地絡発生の判定を行う地絡判定部と、
前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計の計測結果に基づいて地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部と、
を備え、
前記地絡判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合、及び、前記複数の集電電流計が検出した電流の変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合のうちいずれかの場合に地絡発生と判定し、
前記位置判定部は、前記地絡判定部が地絡発生と判定した場合に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計が検出した各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定し、さらに、前記複数の集電電流計が検出した電流の向きが全て前記給電用導体に向かう方向である場合に、前記編成外で地絡が発生したと判定することを特徴としている。
また、給電用導体に接触して集電を行う複数の集電部と、前記複数の集電部と車両の高電圧回路とを接続する複数の集電電力線と、複数の鉄道車両に渡って敷設されて前記複数の集電電力線と接続される高圧母線とを備える編成に搭載されて地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムは、
前記複数の集電電力線の電流をそれぞれ検出する複数の集電電流計と、
前記高圧母線の電流を複数の箇所でそれぞれ検出する複数の母線電流計と、
前記複数の集電電流計の計測結果に基づいて地絡発生の判定を行う地絡判定部と、
前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計の計測結果に基づいて地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部と、
を備え、
さらに、各々に前記地絡判定部が搭載される複数の車両側装置と、
前記複数の車両側装置から情報を受信する管理装置と、
を備え、
前記複数の車両側装置の各々は、
１つの筐体に、
前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計のうち同一の鉄道車両に配置される集電電流計および母線電流計と、
前記地絡判定部と、
前記地絡判定部の判定結果の情報を送信する判定結果送信部と、
前記集電電流計と前記母線電流計との電流の向きの情報を送信する向き情報送信部と、
が収容されて構成され、
前記管理装置は、
前記複数の車両側装置から情報を受信する情報受信部と、
前記位置判定部と、
地絡の情報を表示装置へ出力する出力部と、
を備え、
前記地絡判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合、及び、前記複数の集電電流計が検出した電流の変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合のうちいずれかの場合に地絡発生と判定し、
前記位置判定部は、前記地絡判定部が地絡発生と判定した場合に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計が検出した各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定することを特徴としている。

この構成によれば、変電所に近い範囲においては、集電電流計が検出した電流変化率によって非常に速やかに地絡発生を判定できる。特に、変化率閾値を大きな値にして電流計測値のサンプリング期間を短い時間に設定することで、様々な送電状況においても、変電所が送電を遮断するより早く地絡を検出できる。
一方、変電所から遠い範囲では、地絡が生じた場合に地絡電流が緩やかになる。このため、変化率閾値を大きな値に設定すると、地絡発生の判定が難しくなる。しかしながら、上記構成では、集電電流計の電流値に基づく地絡発生の判定も行われる。電流値により地絡を判定する場合、所要時間が長くなるが、変電所から遠い範囲で地絡が生じた場合には、変電所側でも過大な電流が検出されるまでの時間が長くなる。よって、このような場合でも、地絡判定部は、多くの場合において、変電所が送電を遮断するより早く、地絡の発生を判定できる。

また、地絡発生時には、地絡箇所から遠い高電圧回路から放電がなされて、地絡箇所から遠い集電電力線に地絡電流と逆向きの電流が加わることがある。この場合、この集電電力線の電流の検出に基づく地絡発生の判定は難しくなる。しかし、上記構成では、地絡判定部は、複数の集電電流計が検出した電流変化率の少なくとも一つ、或いは、複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つに基づいて地絡発生の判定を行う。よって、地絡箇所に近い集電電力線の電流の検出に基づいて、速やかな地絡発生の判定を行うことができる。
加えて、上記構成によれば、地絡発生と判定された場合に、集電電流計と母線電流計との電流の向きによって地絡の発生箇所を判定できる。
従って、本発明によれば、地絡が発生した場合に、様々な状況においても変電所が送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡箇所の特定とを行うことができる。

望ましくは、前記複数の集電電力線の電圧をそれぞれ検出する複数の電圧計をさらに備え、
前記地絡判定部は、
前記複数の電圧計の検出値が所定の地絡判定用の閾値より大きい場合に、前記電流変化率の条件又は前記電流値の条件が満たされていても、地絡発生と判定しないように構成してもよい。

給電用導体と集電部とは離線および再着線を行うことがあり、離線の時間が或る程度長いと、再着線時に高電圧回路へ突入電流が流れる場合がある。よって、この突入電流を地絡電流と誤判定する恐れが生じる。一方、再着線時には、給電用導体は高い電圧を維持しているが、地絡時には給電用導体は低い電圧になる。従って、上記構成によれば、集電電力線の電圧によって、突入電流による誤判定を排除できるので、精度の高い地絡発生の判定を行うことができる。さらに、突入電流の誤判定を排除できるので、電流変化率を判別する際の電流計測値のサンプリング期間をより短い時間に設定して、より短時間に地絡発生の検出を行うことが可能となる。

また、前記位置判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流の向きが全て前記給電用導体に向かう方向である場合に、前記編成外で地絡が発生したと判定する。
他の鉄道車両又は給電用導体自体に地絡が発生した場合、車両の高電圧回路の放電又は回生電力の放出などによって、集電部から給電用導体へ大きな電流が流れる場合がある。上記の構成によれば、位置判定部により、このような場合を識別できる。

さらに、各々に前記地絡判定部が搭載される複数の車両側装置と、
前記複数の車両側装置から情報を受信する管理装置と、
を備え、
前記複数の車両側装置の各々は、
１つの筐体に、
前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計のうち同一の鉄道車両に配置される集電電流計および母線電流計と、
前記地絡判定部と、
前記地絡判定部の判定結果の情報を送信する判定結果送信部と、
前記集電電流計と前記母線電流計との電流の向きの情報を送信する向き情報送信部と、
が収容されて構成され、
前記管理装置は、
前記複数の車両側装置から情報を受信する情報受信部と、
前記位置判定部と、
地絡の情報を表示装置へ出力する出力部と、
を備える。

このような構成によれば、地絡発生の判定を行う複数の構成要素を複数の車両側装置と管理装置とにまとめることができるので、地絡検出システムの鉄道車両への配置が容易となる。

さらに望ましくは、前記集電電力線と前記高圧母線との遮断、或いは、前記高圧母線の所定の箇所を遮断する複数の断流器ユニットを備え、
前記複数の断流器ユニットは、それぞれ前記複数の車両側装置の前記筐体に収容されていてもよい。

一般に、地絡の発生箇所の判定は、断流器ユニットによって互いに切り離しが可能な複数の電力系統ブロックのうち、何れのブロックで地絡が発生したかを識別できればよい。従って、高圧母線において電流の向きを計測する箇所は、断流器ユニットの周辺に集中できる。そこで、上記の構成によれば、断流器ユニットを車両側装置の筐体に収容することで、地絡箇所判定の機能を損なうことなく、多くの構成要素をユニット化して地絡検出システムの編成への配置を容易にできる。

本発明によれば、変電所が地絡を検出して送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定とを行える鉄道車両の地絡検出システムを提供することができる。

本実施形態の鉄道車両の電力系統を示す構成図である。 図１の制御部の詳細を示す図である。 車両側装置と管理装置とにより実行される地絡検出処理の手順を示すフローチャートである。 制御論理部の地絡発生の判定方法を説明するグラフである。 地絡の発生箇所の第１例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。 地絡の発生箇所の第２例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の鉄道車両の電力系統を示す構成図である。
本実施形態の鉄道車両の地絡検出システムは、１つの編成に搭載されて地絡の発生を検出するシステムである。ここで、「編成」とは、複数の鉄道車両が連結された構成を示す。編成には、架線５０に接触して電力を集電する複数の集電部（例えばパンタグラフ）１と、複数の高電圧回路１３と、集電部１と高電圧回路１３とを結ぶ集電電力線１Ａと、複数の集電部１を結ぶ高圧母線３とが設けられる。架線５０は給電用導体の一例である。

図１においては、１つの編成を構成する複数の鉄道車両４０、４１、４２を一点鎖線によって区切って示している。１つの編成には、集電部１を有する複数の鉄道車両４０、４１、４２が含まれる。図示は省略するが、１つの編成には、集電部１を有さない鉄道車両が含まれていてもよい。
高電圧回路１３は、例えば走行用モータに電力を変換して出力するＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータ１１、および、鉄道車両の電気装置に電力を変換して出力するＳＩＶ（Static Inverter）１２などである。ＶＶＶＦインバータ１１は、通常、集電部１を有する鉄道車両４０、４１、４２に搭載される。ＳＩＶ１２は、通常、集電部１を有さない鉄道車両に搭載され、隣接した鉄道車両から集電電力線１Ａを介して集電された電力が供給される。図１では、簡略化のためにＳＩＶ１２が集電部１を有する鉄道車両４０、４１、４２に搭載された例を示している。

集電電力線１Ａは、集電部１から高電圧回路１３へ電力を送る。集電電力線１Ａには、異常が発生したときに高電圧回路１３を切り離すことができるように、メインスイッチ（ＭＳ）１５と、高速度遮断器（ＨＢ：High Speed Line Breaker）１６とが設けられている。
高圧母線３は、複数の鉄道車両に渡って敷設され、複数の集電電力線１Ａと接続されている。高圧母線３を介して複数の集電部１が電気的に接続されることで、何れかの集電部１が架線５０から離線したときでも一部の高電圧回路１３が停電するという事態を避けることができる。また、集電部１が架線５０から離線したり再着線したりする際のスパークの発生を抑止できる。

図１の鉄道車両４０、４２のように、編成の始端又は終端であれば、高圧母線３は直接に集電電力線１Ａに接続される。また、図１の鉄道車両４１のように、編成内の中間の鉄道車両であれば、高圧母線３は支線３ａを介して集電電力線１Ａに接続される。

次に、地絡検出システムについて説明する。
本発明の実施形態に係る地絡検出システムは、複数の車両側装置２と、管理装置３０と、モニタ（表示装置）３１とを備える。各車両側装置２は、パンタ点電流計４と、パンタ点電圧計５と、断流器ユニット１０と、１つ又は複数の母線電流計６と、制御部２０とを備える。ここで、パンタ点電流計４は、本発明に係る集電電流計の一例に相当する。パンタ点電圧計５は、本発明に係る電圧計の一例に相当する。各制御部２０は、本発明に係る地絡判定部として機能し、管理装置３０は、本発明に係る位置判定部として機能する。

車両側装置２は、地絡発生の検出と、高圧母線３の切り離しとを行う。車両側装置２は、ユニット化され、１つの筐体に、パンタ点電流計４と、パンタ点電圧計５と、断流器ユニット１０と、母線電流計６と、制御部２０とを収容して構成される。車両側装置２は、集電部１を有する鉄道車両４０、４１、４２に搭載され、例えば鉄道車両の下部に取り付けられる。
パンタ点電流計４は、例えば変流器（ＣＴ：Current Transformer）であり、集電電力線１Ａに流れる電流を検出する。図１、図５、図６においては、パンタ点電流計４を“ＣＴＰ”と記している。
パンタ点電圧計５は、例えば直流計器用変圧器（ＤＣＰＴ：Direct Current Potential Transformer）であり、集電電力線１Ａの電圧を検出する。

母線電流計６は、例えば変流器（ＣＴ：Current Transformer）であり、断流器ユニット１０の周辺で高圧母線３に流れる電流を検出する。図１、図５、図６においては、母線電流計６を“ＣＴＢ”と記している。編成の始端又は終端の鉄道車両４０、４２のように、高圧母線３が直接に集電電力線１Ａに接続される場合には、高圧母線３上に１つの母線電流計６を設ければよい。一方、編成内の中間の鉄道車両４１のように、高圧母線３が支線３ａを介して集電電力線１Ａに接続されている場合、支線３ａ上と、分岐点３ｂを挟んだ高圧母線３上の一方と他方とに３つの母線電流計６が設けられるとよい。

断流器ユニット１０は、高圧母線３と複数の集電電力線１Ａとを遮断するための機器である。断流器ユニット１０は、例えば母線断路器７（ＢＳ：Bus disconnecting Switch）、母線フューズ８（ＢＦ：Bus Fuse）、母線断流器９（Bus Line Breaker）を直列に接続して構成される。
制御部２０は、パンタ点電流計４、パンタ点電圧計５、母線電流計６の出力を受けて、地絡発生の検出と、管理装置３０への各種情報の出力とを行う。制御部２０の詳細は後述する。

管理装置３０は、例えば乗務員室に搭載され、地絡が発生したときに地絡の箇所の検出と、地絡情報の表示制御とを行う。管理装置３０は、複数の車両側装置２と通信線を介して接続された情報受信部を有し、地絡発生と判定された場合に、地絡発生情報と、各電流計の電流方向情報とを受信する。また、管理装置３０は、受信した情報に基づいて地絡の箇所を判定し、地絡に関する表示情報を出力部からモニタ３１へ出力する。
モニタ３１は、例えば乗務員室に搭載され、管理装置３０の出力に基づいて表示出力を行う。

図２は、図１の制御部２０の詳細を示す図である。
制御部２０は、Ａ／Ｄ変換器２１、制御論理部２２、およびインタフェース部２３を備える。ここで、インタフェース部２３は、本発明に係る判定結果送信部および向き情報送信部に相当する。
Ａ／Ｄ変換器２１は、各車両側装置２に含まれるパンタ点電流計４、パンタ点電圧計５、母線電流計６の出力をデジタル値に変換して入力する。制御論理部２２は、パンタ点電流計４が計測した電流の変化率の演算、各電流計（パンタ点電流計４、母線電流計６）の電流方向の演算、パンタ点電流計４とパンタ点電圧計５の出力に基づく地絡発生の判定を行う。

インタフェース部２３は、制御論理部２２から、地絡発生を示す地絡発生信号、パンタ点電流計４が検出した電流の向きを示すパンタ点電流方向、母線電流計６が検出した電流の向きを示す横流方向の各情報を入力し、これらを管理装置３０へ送信する。
また、インタフェース部２３は、制御論理部２２から地絡発生信号を入力した場合に、これをＶＶＶＦインバータ１１にも送信する。地絡発生時、ＶＶＶＦインバータ１１は地絡発生信号に基づいてメインスイッチ１５又は高速度遮断器１６を開放できる。この開放により、地絡発生の影響を受けてＶＶＶＦインバータ１１に不具合が生じることを避けることができる。

＜地絡検出処理＞
次に、地絡検出処理について説明する。図３は、車両側装置と管理装置とにより実行される地絡検出処理の手順を示すフローチャートである。図４は、制御論理部の地絡発生の判定方法を説明するグラフである。

地絡検出処理は、編成の通常の運行中に常に実行される処理である。地絡検出処理が開始されると、各車両側装置２の制御論理部２２は、パンタ点電流計４の出力に基づいて、電流変化率が変化率閾値ΔＩ／Δｔ（図４を参照）を超過するか、或いは、電流値が電流閾値Ｉｔｈ（図４を参照）を超過するか判別する（ステップＳ１）。

ここで、制御論理部２２は、例えば１０ｍｓなど非常に短いサンプリング周期Δｔ（図４を参照）で集電電力線１Ａの電流値を取得する。そして、制御論理部２２は、サンプリング周期Δｔの間に所定の電流増加量ΔＩ（図４を参照）が生じたか否かを演算し、電流変化率の判別を行う。変化率閾値ΔＩ／Δｔは、変電所に近い範囲で地絡が生じたときに生じる急峻な地絡電流を識別可能な値に設定される。また、サンプリング周期Δｔは、地絡発生から変電所が送電を遮断するのにかかる最短時間よりも、短い時間に設定される。電流閾値Ｉｔｈは、通常の運行時に高電圧回路１３に流れる最大の電流値より十分に大きい値に設定される。但し、電流閾値Ｉｔｈは、集電部１の再着線時に生じえる非常に大きな突入電流より小さい値に設定されてもよい。

制御論理部２２は、条件を満たすまでステップＳ１の判別処理を繰り返す。鉄道車両の通常の運行時には、ステップＳ１の判別結果は否となる。一方、地絡発生時或いは高電圧回路１３に非常に大きな突入電流が生じた場合に、ステップＳ１の判別結果は肯定となる。

ステップＳ１の判別結果が肯定となると、制御論理部２２は、パンタ点電圧計５の出力を地絡判定用の電圧閾値と比較して、集電部１の電圧がゼロ（具体的にはゼロに近い地絡電圧）であるか否かを判定する（ステップＳ２）。地絡発生時には架線電圧は非常に低くなるため、ステップＳ２の判定結果は肯定となるが、突入電流の発生時には架線電圧は高いままなので、ステップＳ２の判定結果は否となる。
ステップＳ２の判定結果が否の場合、制御論理部２２は、ステップＳ１の条件判定に拘らずに、地絡の誤検出であるとしてデータを破棄し（ステップＳ３）、処理をステップＳ１に戻す。

一方、ステップＳ２の判定結果が肯定の場合、制御論理部２２は、地絡発生と判定し（ステップＳ４）、地絡発生信号と各電流計の電流方向の情報とをインタフェース部２３を介して管理装置３０へ送信する（ステップＳ５）。
管理装置３０は、地絡発生信号を受信すると、全ての車両側装置２から各電流方向の情報を集約する（ステップＳ６）。次に、管理装置３０は、これらの情報に基づいて、全ての集電電力線１Ａの電流方向が全て架線５０へ向かう方向であるか否かを判別する（ステップＳ７）。

図５は、地絡の発生箇所の第１例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。図６は、地絡の発生箇所の第２例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。
図５に示すように、高圧母線３の一部に地絡点Ｘ１が生じると、各パンタ点電流計４および各母線電流計６が検出する電流の向きは、図中の矢印により示される向きになる。この場合、集電電力線１Ａの電流方向は少なくとも１つは高圧母線に向かう方向になる。
一方、図６に示すように、架線５０自体に地絡点Ｘ２が生じると、高電圧回路１３又は高圧母線３のインピーダンスと架線５０のインピーダンスとの関係により、集電電力線１Ａの電流方向が全て架線５０に向かう方向になる。別の編成で地絡が生じた場合にも同様になる。

従って、ステップＳ７の判別結果が否であれは、管理装置は編成内で地絡が発生したと判断して、ステップＳ８へ処理を移行する。一方、ステップＳ７の判別結果が肯定であれば、管理装置３０は編成外で地絡が発生したと判断して、ステップＳ１１に処理を移行する。

ステップＳ８に処理を移行すると、先ず、管理装置３０は、編成内で地絡が発生したことをモニタ３１に表示出力する（ステップＳ８）。次に、管理装置３０は、各電流計（パンタ点電流計４と母線電流計６）が検出した電流方向をモニタ３１に表示出力する（ステップＳ９）。これにより、乗務員は、高圧母線３又は集電電力線１Ａのどの箇所で地絡が発生したか認識できる。地絡の発生箇所は、詳細な地絡点を示すものである必要はなく、複数の断流器ユニット１０によって切り離し可能な複数の電力系統ブロックの何れかを識別できればよい。

なお、ＶＶＶＦインバータ１１又はＳＩＶ１２の故障により高電圧回路１３内で地絡が発生した場合には、ＶＶＶＦインバータ１１又はＳＩＶ１２から故障の情報が乗務員室へ送られて乗務員に通知される。従って、ここでは、主に高圧母線３と集電電力線１Ａとが含まれる電力系統ブロックで生じる地絡を識別できればよい。

続いて、管理装置３０は、編成内の各電流計（パンタ点電流計４と母線電流計６）が検出した電流方向の情報に基づいて地絡発生箇所を判定する。図５に示すように、地絡点Ｘ１の周辺では、地絡点Ｘ１へ向かう方向に電流が流れるため、管理装置３０は収集した電流方向の情報に基づいて、地絡の発生箇所を判定できる。そして、地絡の発生箇所を含んだ電力系統ブロックを切り離すための断流器ユニット１０に開放指令を出力する（ステップＳ１０）。これにより、続いて集電部１を架線５０に着線させても、地絡の発生が防止される。そして、管理装置３０および制御部２０は地絡検出処理を終了する。

一方、ステップＳ１１に処理を移行すると、先ず、管理装置３０は、編成外で地絡が発生したことをモニタ３１に表示出力する（ステップＳ１１）。次に、管理装置３０は、編成内の各電流計（パンタ点電流計４と母線電流計６）が検出した電流方向をモニタ３１に表示出力する（ステップＳ１２）。これにより、乗務員は、編成外で地絡が発生し、編成内にその電流が流れたことを認識できる。そして、管理装置３０および制御部２０は地絡検出処理を終了する。

以上のように、本実施形態の鉄道車両の地絡検出システムによれば、車両側装置２の制御論理部２２は、パンタ点電流計４が検出した電流の変化率（短い所定時間Δｔにおける電流増加量ΔＩ）に基づいて地絡発生の判定を行う。従って、変電所から遠くない範囲において非常に速やかに地絡発生を判定できる。特に、変化率閾値の時間Δｔを非常に短い時間に設定することで、様々な送電状況においても、変電所が送電を遮断するより早く地絡を検出できる。

一方、変電所から遠い範囲では、地絡が生じた場合に地絡電流が緩やかになる。このため、変化率閾値の時間Δｔを非常に短い時間に設定すると、変電所から遠い範囲で地絡発生の判定が難しくなる。しかしながら、本実施形態では、パンタ点電流計４が検出した電流の電流値に基づく地絡発生の判定も行われる。電流値により地絡を判定する場合、所要時間が長くなるが、変電所から遠い範囲で地絡が生じた場合には、変電所側でも過大な電流が検出されるまでの時間がそれ以上に長くなる。これらのことから、車両側装置２の制御論理部２２は、多くの場合、変電所が送電を遮断するより早く、地絡の発生を判定できる。

ところで、地絡発生時には、高電圧回路のリアクトルから放電がなされて、車両内の地絡箇所から離れた集電電力線１Ａに地絡電流と逆向きの電流が加わることがある。よって、この集電電力線１Ａの電流の検出からは地絡発生の判定が難しくなる。しかし、本実施形態では、複数の車両側装置２の何れかでパンタ点電流計４の検出値が条件を満たせば、地絡発生の検出を行うことができる。従って、上記のような放電があっても、速やかな地絡発生の判定を行うことができる。

また、集電部１と架線５０とは離線および再着線を行うことがあり、再着線時に高電圧回路１３へ突入電流が流れる場合がある。よって、この突入電流を地絡電流と誤判定する恐れが生じる。しかし、本実施形態では、集電電力線１Ａの電圧がゼロになっているか確認されて、地絡発生の判定が行わせるので、突入電流による誤判定を排除して、精度の高い地絡発生の判定を行うことができる。
また、地絡電流と突入電流とを集電電力線の電圧によって識別できるので、地絡発生の判定用の変化率閾値をより短い時間の閾値に設定して、より短時間に地絡発生の検出を行うことが可能となる。
また、本実施形態では、地絡発生と判定された場合に、パンタ点電流計４と母線電流計６との電流の向きにより地絡の発生箇所を判定することもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、地絡判定用の変化率閾値を一定の値とした例を示したが、変電所から編成までの距離に応じて変化率閾値を変化させる構成としてもよい。例えば、変電所に近い場合には、変化率閾値を大きな値とし、変電所から遠い場合には、変化率閾値を小さな値に変更することで、変電所の遠くでも変化率閾値に基づく地絡発生の判定が可能となる。一番近くの変電所までの距離は、編成の位置情報と、予め記憶された変電所の位置情報と、路線の経路情報とから容易に求めることができる。

また、上記実施形態では、給電用導体として架線を示したが、給電用導体は第三の軌条により構成される場合もある。また、上記実施形態では、車両側装置２が制御部２０を含む構成例を示したが、制御部２０は管理装置３０と一体的にして乗務員室に設けてもよい。また、上記実施形態では、高圧母線と集電電力線との間に断流器ユニットを配置した例を示したが、高圧母線の途中に断流器ユニットを備えてもよい。その他、断流器ユニットは上記の構成例に限られず、電力線の遮断を行える構成であれば１つの回路素子から構成されてもよく、さらに電流計と電圧計の具体的な構成など、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 集電部
１Ａ 集電電力線
２ 車両側装置
３ 高圧母線
４ パンタ点電流計（集電電流計）
５ パンタ点電圧計（電圧計）
６ 母線電流計
１０ 断流器ユニット
１１ ＶＶＶＦインバータ
１２ ＳＩＶ
１３ 高電圧回路
２０ 制御部（地絡判定部）
２１ Ａ／Ｄ変換器
２２ 制御論理部
２３ インタフェース部（判定結果送信部、情報送信部）
３０ 管理装置（位置判定部）
３１ モニタ

Claims (4)

1. 給電用導体に接触して集電を行う複数の集電部と、前記複数の集電部と車両の高電圧回路とを接続する複数の集電電力線と、複数の鉄道車両に渡って敷設されて前記複数の集電電力線と接続される高圧母線とを備える編成に搭載されて地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムにおいて、
   前記複数の集電電力線の電流をそれぞれ検出する複数の集電電流計と、
   前記高圧母線の電流を複数の箇所でそれぞれ検出する複数の母線電流計と、
   前記複数の集電電流計の計測結果に基づいて地絡発生の判定を行う地絡判定部と、
   前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計の計測結果に基づいて地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部と、
   を備え、
   前記地絡判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合、及び、前記複数の集電電流計が検出した電流の変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合のうちいずれかの場合に地絡発生と判定し、
   前記位置判定部は、前記地絡判定部が地絡発生と判定した場合に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計が検出した各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定し、さらに、前記複数の集電電流計が検出した電流の向きが全て前記給電用導体に向かう方向である場合に、前記編成外で地絡が発生したと判定することを特徴とする鉄道車両の地絡検出システム。
2. 給電用導体に接触して集電を行う複数の集電部と、前記複数の集電部と車両の高電圧回路とを接続する複数の集電電力線と、複数の鉄道車両に渡って敷設されて前記複数の集電電力線と接続される高圧母線とを備える編成に搭載されて地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムにおいて、
   前記複数の集電電力線の電流をそれぞれ検出する複数の集電電流計と、
   前記高圧母線の電流を複数の箇所でそれぞれ検出する複数の母線電流計と、
   前記複数の集電電流計の計測結果に基づいて地絡発生の判定を行う地絡判定部と、
   前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計の計測結果に基づいて地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部と、
   を備え、
   さらに、各々に前記地絡判定部が搭載される複数の車両側装置と、
   前記複数の車両側装置から情報を受信する管理装置と、
   を備え、
   前記複数の車両側装置の各々は、
   １つの筐体に、
   前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計のうち同一の鉄道車両に配置される集電電流計および母線電流計と、
   前記地絡判定部と、
   前記地絡判定部の判定結果の情報を送信する判定結果送信部と、
   前記集電電流計と前記母線電流計との電流の向きの情報を送信する向き情報送信部と、
   が収容されて構成され、
   前記管理装置は、
   前記複数の車両側装置から情報を受信する情報受信部と、
   前記位置判定部と、
   地絡の情報を表示装置へ出力する出力部と、
   を備え、
   前記地絡判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合、及び、前記複数の集電電流計が検出した電流の変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合のうちいずれかの場合に地絡発生と判定し、
   前記位置判定部は、前記地絡判定部が地絡発生と判定した場合に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計が検出した各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定することを特徴とする鉄道車両の地絡検出システム。
3. 前記集電電力線と前記高圧母線との遮断、或いは、前記高圧母線の所定の箇所を遮断する複数の断流器ユニットを備え、
   前記複数の断流器ユニットは、それぞれ前記複数の車両側装置の前記筐体に収容されていることを特徴とする請求項２記載の鉄道車両の地絡検出システム。
4. 前記複数の集電電力線の電圧をそれぞれ検出する複数の電圧計をさらに備え、
   前記地絡判定部は、
   前記複数の電圧計の検出値が所定の地絡判定用の閾値より大きい場合に、前記電流変化率の条件又は前記電流値の条件が満たされていても、地絡発生と判定しないことを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道車両の地絡検出システム。

Images