JP6867863B2 - 電鉄路線用変電所における地絡保護システム及び地絡保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電鉄路線用変電所における地絡保護システム及び地絡保護装置に関し、特に交流変電所の近傍に位置する交流き電線及び電車線の敷設区間における地絡保護に利用して有効な技術に関する。

従来、非電化区間を走行する鉄道車両としてはディーゼルエンジンを搭載したディーゼル車が一般的であったが、近年、電池を動力源とする蓄電池駆動式電車が普及しつつある。一般的な蓄電池駆動式電車は駆動手段が直流電動機であるため、先ず直流電化区間と非電化区間を走行する車両が実用化され、その後、交流電化区間と非電化区間を走行する車両が実用化されている。交流電化区間と非電化区間を走行する車両の場合、交流電流を直流電流に変換する整流器が車両に搭載されているため、例えば非電化区間の終点駅（折返し駅）で蓄電池を充電させたい場合には、終点駅近傍に交流変電所を設けるとともに、交流変電所から充電地点までき電線と帰線を敷設する必要がある。

ところで、一般に、交流変電所においては、地絡が発生した場合、過電流継電器及び距離継電器により地絡を検出して高速遮断器を動作させて地絡電流を遮断することにより、地絡事故から交流変電所を保護している。また、従来の交流変電所における地絡保護に関しては、地絡電流が大きい変電所内外の地絡に対しては過電流継電器により保護を図る一方、変電所から離れた地点でかつ地絡電流が少ない地絡に対しては距離継電器により保護を図っていた。距離継電器は、き電線のインピーダンスの変化を検出して動作するものであるため、変電所から比較的離れた地点における地絡に対して有効であり、変電所の近傍に位置するき電線で発生する地絡を検出して継電器を動作させるのには不向きである。

一方、交流電化区間における地絡保護の機器としては、放電管（ガスアレスタ）を使用した保安器がある。従来の保安器を使用した送電システムにおいては、例えば図４に示すように、き電線がホーム上家に接触して地絡が発生したような場合に保安器が動作し、保安器が動作すると変電所からき電線へ流れる電流が増加するため、過電流継電器により地絡を検出して高速遮断器を動作させて電流を遮断することができ、これにより地絡地点の近傍に設置されている信号機等の鉄道設備機器の焼損事故を防止することができる。なお、このような保安器を用いた地絡保護装置に関する発明としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

特開２０１７−１３５４７号公報

特許文献１に記載されている保安器を用いた地絡保護装置においては、変電所からき電線へ供給される交流電圧が数万ボルトの場合、保安器の放電管の放電電圧は数千ボルトに設定され、それによって図４に示すように、き電線がホーム上家に接触して地絡が発生したような場合に保安器が動作して保護を図ることができる。

しかしながら、図５に示すように、高抵抗で大地に接触して地絡が発生した場合、その地絡は高抵抗地絡（数百Ω）となり、レール・大地間の電位上昇は数百Ｖに達し、それによって数十Ａの地絡電流が流れることが分かった。一方、本発明者らが導入を検討した非電化区間を走行する蓄電池駆動式電車の消費電流は５０Ａ程度あり、上記地絡電流と区別するのが困難である。また、き電線が変電所から近い地点では距離継電器により地絡を検出して継電器を動作させるのが困難である。

そのため、上記のような高抵抗地絡が発生した場合には、放電電圧が数千ボルトである保安器は動作しないため保安器による地絡保護は期待することができないとともに、地絡電流が電車の消費電流と同程度であるため交流変電所の過電流継電器も地絡を検出することができず、地絡電流が流れ続けてしまうという課題があることが明らかになった。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、レール・大地間の電位上昇が数百Ｖである高抵抗地絡が発生した場合にも動作することができる地絡保護装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、高抵抗地絡が発生して地絡保護装置が動作した場合に、変電所側において遮断器を動作させて地絡電流を遮断することができる地絡保護システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明は、
変圧器を備えた変電所からのき電線および帰線電線が敷設され、前記帰線電線の途中にインピーダンスボンドが接続されている電鉄路線用変電所における地絡保護システムにおいて、
前記変電所には、前記変圧器と前記き電線または前記帰線電線との間に接続された遮断器が設けられ、
前記インピーダンスボンドと大地との間には、所定値以上の電圧が印加された際に放電する放電手段および該放電手段が動作したことを検出可能な動作検出手段を有する地絡保護装置が設けられ、
前記地絡保護装置は、前記動作検出手段が前記放電手段の動作を検出したことに応じて検出信号を生成し前記変電所へ検出信号を出力する信号送出手段を備え、
前記変電所が前記検出信号を受信すると前記遮断器が遮断されるように構成され、
前記インピーダンスボンドは、前記変電所と充電ステーションもしくは折返し駅との間に設けられているようにしたものである。

上記のような構成を有する地絡保護システムによれば、レール・大地間の電位上昇が数百Ｖである高抵抗地絡が発生した場合に地絡保護装置の放電手段が動作して地絡電流を変電所まで帰すとともに、放電手段が動作したことを検出して変電所へ知らせ、変電所側において遮断器を動作させて地絡電流を遮断することができる。

本発明の地絡保護システムは、特に変電所と充電ステーションとの距離が１ｋｍ以下（数１００ｍ）である場合に適用すると有効である。変電所と充電ステーションとの距離が数１００ｍである場合に変電所の近傍においてき電線が切れて地絡すると、地絡電流が電車の消費電流と同程度の値であるため、変電所側では地絡電流と電車の消費電流を区別できないが、地絡保護装置の放電手段が動作して地絡電流を流し、その電流を検知して地絡発生を地絡保護装置から変電所へ知らせて遮断器を動作させ地絡電流を遮断することができる。

ここで、望ましくは、前記変電所には、過電流継電器および該過電流継電器からの信号および前記検出信号に基いて前記遮断器を制御する制御手段が設けられ、
前記変電所が前記検出信号を受信すると前記制御手段によって前記遮断器が遮断されるように構成する。
かかる構成によれば、過電流継電器により変電所内部で発生した地絡を検知して遮断器を動作させ地絡電流を遮断することができるとともに、変電所の近傍で発生した地絡を検知して遮断器を動作させ地絡電流を遮断することができる。また、変電所内部で発生する地絡と変電所の近傍で発生する地絡とで、動作させる遮断器を共通化させることができる。つまり、別々に遮断器を設ける必要がない。

また、本出願の他の発明は、
変圧器を備えた変電所からのき電線および帰線電線が敷設されている電鉄路線用変電所における地絡保護システムを構成する地絡保護装置において、
所定値以上の電圧が印加された際に放電する放電手段と、
前記放電手段が動作したことを検出可能な動作検出手段と、
前記動作検出手段が前記放電手段の動作を検出したことに応じて検出信号を生成し前記変電所へ検出信号を出力する信号送出手段と、
を備え、
前記放電手段が放電動作する前記所定値は、前記き電線の電圧値の１／１００程度の電圧値であるように構成したものである。

上記のような構成を有する地絡保護装置によれば、レール・大地間の電位上昇が数百Ｖである高抵抗地絡が発生した場合に地絡保護装置の放電手段が動作して地絡電流を流し、周辺の鉄道設備機器が焼損する事故が発生したり駅の利用者が感電したりするのを回避することができるとともに、放電手段が動作したことを検出して変電所等へ知らせることができる。

また、望ましくは、前記放電手段と並列に設けられたバックアップ用の放電手段を備えるように構成する。
かかる構成によれば、高抵抗地絡が発生した際に放電手段が電流を流すことで故障が生じた後に再度地絡が発生したような場合にも、バックアップ用の放電手段が動作して地絡電流を流すことができき、地絡保護装置の故障を検知することができる。

さらに、望ましくは、前記放電手段と直列に接続されたコイルと並列に設けられた保護用の放電手段を備えるように構成する。
かかる構成によれば、保護用の放電手段を備えることによって、地絡発生の際に、レール電位抑止用の放電手段と直列に接続されているコイル（側路開閉器のコイル）が損傷するのを回避することができる。

本発明に係る地絡保護装置によれば、レール・大地間の電位上昇が数百Ｖである高抵抗地絡が発生した場合にも動作することができる。また、本発明に係る地絡保護システムによれば、高抵抗地絡が発生して地絡保護装置が動作した場合に、変電所側において遮断器を動作させて地絡電流を遮断することができるという効果がある。

本発明に係る地絡保護システムの一実施形態の構成を示す概略構成図である。 実施形態の地絡保護システムを構成する地絡保護装置の構成例を示す回路構成図である。 （Ａ）は実施形態の地絡保護システムを構成する地絡保護装置の第１の変形例を示す回路構成図、（Ｂ）は第２の変形例を示す回路構成図である。 従来の保安器を用いた地絡保護システムにおいて、き電線がホーム上家に接触して地絡が発生した状態を示す説明図である。 従来の保安器を用いた地絡保護システムにおいて、き電線が変電所から近い地点において、高抵抗で大地に接触して地絡が発生した状態を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る地絡保護システムおよび地絡保護装置の一実施形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る地絡保護システムの一実施形態の構成を示す概略構成図、図２は図１の地絡保護システムを構成する地絡保護装置の構成例を示す回路構成図である。

本実施形態に係る地絡保護システムが適用されるのは、電鉄路線用変電所の近傍に位置する交流き電線及び電車線敷設区間であり、整流器を備えた蓄電池駆動式電車の蓄電池を、停車中に、交流き電線およびパンタグラフを介して供給される交流電圧で充電する充電ステーション（例えば非電化区間の折返し駅）である。また、充電ステーションから数１００ｍ程度離れたエリアに交流変電所が設けられる。

図１において、符号１０が付されているのは交流変電所、符号２０が付されているのは充電ステーションとしての折返し駅であり、交流変電所１０と折返し駅２０との間に、き電線３１と帰線電線３２、電車線３７が電化柱３６に吊架された状態で敷設されている。また、図１において、一点鎖線は、地絡が発生した時の地絡電流の流れを示している。
図１に示すように、交流変電所１０には、交流き電電源としての変圧器１１と、変圧器１１とき電線３１との間に設けられた遮断器１２と、当該交流変電所において地絡が発生した場合にこれを検出する過電流継電器１３と、過電流継電器１３からの信号および後述の地絡保護装置３５からの信号に応じて遮断器１２を動作させる制御部１４と、を有する。また、図示しないが、交流変電所１０には避雷器及び変電所内用保安器が設けられる。

また、図１に示すように、折返し駅２０には、蓄電池駆動式電車が走行するレール３３が設けられ、該レール３３の端部にはレール３３と帰線電線３２とを電気的に接続し帰線の一部を構成する吸上線３２ａが設けられ、吸上線３２ａとレール３３との間に軌道回路の電気信号を遮断し帰線電流を通過させるインピーダンスボンド（ＺＢ）３４が設けられている。さらに、帰線の一部を構成する吸上線３２ａとインピーダンスボンド３４との変電所側接続点と大地ＧＮＤとの間には、地絡が発生した場合に動作するとともに地絡の発生を交流変電所１０へ知らせる信号を送信する機能を有する地絡保護装置３５が設けられている。

地絡保護装置３５は、後に詳しく説明するが、図５に示すように、変電所に近い箇所においてき電線が断線して地絡（高抵抗地絡）が発生した際にも動作してレール・大地間電位の上昇を抑制できるように、放電電圧が比較的低く設定されている。そして、地絡保護装置３５において放電が発生すると、地絡保護装置３５が地絡の発生を交流変電所１０へ知らせる信号を送信する。交流変電所１０においては、地絡発生信号を受信すると制御部１４が遮断器１２を遮断動作させて、き電線３１への交流電流の送出を停止させ、地絡電流が流れなくなるように構成されている。制御部１４は、過電流継電器１３からの信号と地絡保護装置３５からの信号論理和をとる論理ゲート回路であっても良い。

このように、図１の地絡保護システムにおいては、地絡保護装置３５が動作することで、高抵抗地絡が発生した際にレール電位の上昇を抑止するとともに地絡が継続してしまうのを回避することができる。その結果、周辺の信号機等の鉄道設備機器が地絡の影響を受けて焼損したり、レール・大地間電位が上昇してホーム上の乗客が地絡電流で感電したりする事故が発生するのを防止することができる。

図１の地絡保護システムを構成する地絡保護装置３５は、図２に示すように、接地側端子５１とレール側端子５２との間に接続され端子間に印加された過電圧によって放電して電流を大地へ流してレール側端子５２の電位上昇を抑止するための放電管（ガスアレスタ）５３と、接地側端子５１とレール側端子５２との間に上記放電管５３と並列に接続された側路開閉器５４と、上記放電管５３を通してレール側端子５２へ流れる電流を検知するカレントトランスなどからなる地絡電流検知器５５と、を有する。側路開閉器５４は、直列形態のコイルＭ１，Ｍ２と、該コイルＭ１，Ｍ２の接続ノードとレール側端子５２との間に接続されたスイッチＳＷとを有し、放電管５３はコイルＭ１，Ｍ２および抵抗Ｒ１と直列形態となるように、端子５１−端子５２間に接続されている。

また、本実施例の地絡保護装置３５は、地絡電流検知器５５により所定値以上の電流が流れたことを検出した場合に動作する動作検出回路５６と、動作検出回路５６からの信号によって接点がオン、オフされる電磁リレー５７とを有する。動作検出回路５６は過電流継電器などにより構成することができる。また、動作検出回路５６には、地絡電流の検知回数を計数するカウンタ回路を内蔵させるようにしても良い。
なお、本実施例の地絡保護装置３５においては、動作検出回路５６および電磁リレー５７が一般のＡＣ１００Ｖの商用電源によって動作するように構成されている。

従来の保安器は、変電所からき電線へ供給される交流電圧が２２０００ボルトの場合、保安器に内蔵されている放電管の放電電圧は、き電線へ供給される交流電圧の約１０分の１の２５００ボルト程度に設定されている。これによって、従来の保安器を用いた地絡保護システムにおいては、例えば図４に示すように、き電線がホーム上家に接触して地絡が発生したような場合に保安器が動作（放電管が放電）して保護を図ることができるように構成されていた。

これに対し、本実施例の地絡保護装置３５を構成する放電管５３は、変電所からき電線へ供給される交流電圧が２２０００ボルトの場合であっても、放電電圧が２００〜３００ボルト程度となるように設定されている。より詳しく説明すると、本発明者らが行なった検討では、図５のような箇所（変電所近傍）で地絡が発生した場合に想定される地絡抵抗は４５６Ωで、地絡電流としてはおよそ４７Ａが想定された。そこで、放電管５３の放電電圧を例えば２００〜３００ボルトに設定することとした。これにより、レール・大地間の電位上昇が数百Ｖである高抵抗地絡が発生した場合に、地絡保護装置が動作して保護を図ることができる。なお、上記放電電圧の２００〜３００ボルトは、従来の保安器の放電管の放電電圧の１０分の１程度である。

地絡保護装置３５を構成する電磁リレー５７は、動作検出回路５６からの信号によってオン、オフされる接点を有しており、接点がオンされると生成される信号は、交流変電所１０の制御部１４へ送出され、遮断器１２を動作させる。これにより、交流変電所１０からき電線３１への交流電流の送出が停止され、地絡電流が流れなくなる。

上記のように、本実施例の地絡保護システムにおいては、交流変電所の近傍でのき電線の断線による地絡のようなレール・大地間の電位上昇が数百Ｖである高抵抗地絡が発生した場合に、地絡保護装置が動作して地絡電流を流して断線箇所で地絡電流が流れるのを回避するとともに、地絡発生を交流変電所へ知らせて、交流変電所側において遮断器を動作させて地絡電流を遮断することができる。

次に、上記実施例の地絡保護装置３５の変形例について説明する。
第１の変形例は、図３（Ａ）に示すように、放電管５３と並例に、放電管５３と放電電圧がほぼ同一であるバックアップ用の放電管５３ｂを設けるとともに、該放電管５３ｂと直列に電流検知器（カレントトランス）５５ｂを設けたものである。放電管５３ｂの一方の端子を放電管５３と電流検知器５５との接続ノードに接続して、電流検知器５５ｂを省略するようにしても良い。

上記のように、地絡保護装置３５に、放電管５３と並列形態のバックアップ用の放電管５３ｂを設けることによって、放電管５３に地絡電流が流れて素子が破損した場合に、破損に気が付かずにシステムを立ち上げてしまい再度地絡が発生したとしても、バックアップ用の放電管５３ｂが動作することで地絡電流が流れ続けてしまうのを回避することができる。放電管５３ｂの放電電圧は放電管５３の放電電圧よりも若干高く設定しても良い。

第２の変形例は、図３（Ｂ）に示すように、コイルＭ２−抵抗Ｒ１と並列に保護用の放電管５３ｐを設けるようにしたものである。また、保護用の放電管５３ｐと並列に、直列形態の抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ２が接続されている。放電管５３ｐを設けることによって、想定よりも大きな地絡電流が流れた際に放電管５３ｐに電流が流れることで側路開閉器５４のコイルＭ２を保護することができる。

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、地絡保護装置３５が、動作検出回路５６によって放電管５３が動作したことを検出すると電磁リレー５７を動作させて電流信号として変電所へ検出信号を送出するように構成されているが、放電管５３が動作したことを知らせる検出信号を無線で送信するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、変圧器１１とき電線３１との間に遮断器１２が接続されたものを示したが、遮断器１２は変圧器１１と帰線電線３２との間に接続されていてもよい。
さらに、上記実施形態では、本発明を交流変電所における地絡保護システムに適用した場合について説明したが、本発明は直流変電所における地絡保護システムにも利用することができる。

１０ 交流変電所
１１ 変圧器
１２ 遮断器
１３ 過電流継電器
１４ 制御部
２０ 充電ステーション（折返し駅）
３１ き電線
３２ 帰線電線
３２ａ 吸上線
３３ レール
３４ インピーダンスボンド
３５ 地絡保護装置
３６ 電化柱
３７ 電車線
５３ 放電管
５４ 側路開閉器
５５ 地絡電流検知器
５６ 動作検出回路
５７ 電磁リレー（信号送出手段）

Claims (5)

1. 変圧器を備えた変電所からのき電線および帰線電線が敷設され、前記帰線電線の途中にインピーダンスボンドが接続されている電鉄路線用変電所における地絡保護システムであって、
   前記変電所には、前記変圧器と前記き電線または前記帰線電線との間に接続された遮断器が設けられ、
   前記インピーダンスボンドと大地との間には、所定値以上の電圧が印加された際に放電する放電手段および該放電手段が動作したことを検出可能な動作検出手段を有する地絡保護装置が設けられ、
   前記地絡保護装置は、前記動作検出手段が前記放電手段の動作を検出したことに応じて検出信号を生成し前記変電所へ検出信号を出力する信号送出手段を備え、
   前記変電所が前記検出信号を受信すると前記遮断器が遮断されるように構成され、
   前記インピーダンスボンドおよび前記地絡保護装置は、前記変電所と充電ステーションもしくは折返し駅との間の帰線電線の途中に設けられていることを特徴とする電鉄路線用変電所における地絡保護システム。
2. 前記変電所には、過電流継電器および該過電流継電器からの信号および前記検出信号に基いて前記遮断器を制御する制御手段が設けられ、
   前記変電所が前記検出信号を受信すると前記制御手段によって前記遮断器が遮断されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電鉄路線用変電所における地絡保護システム。
3. 変圧器を備えた変電所からのき電線および帰線電線が敷設されている電鉄路線用変電所における地絡保護システムを構成する地絡保護装置であって、
   所定値以上の電圧が印加された際に放電する放電手段と、
   前記放電手段が動作したことを検出可能な動作検出手段と、
   前記動作検出手段が前記放電手段の動作を検出したことに応じて検出信号を生成し前記変電所へ検出信号を出力する信号送出手段と、
   を備え、
   前記放電手段が放電動作する前記所定値は、前記き電線の電圧値の１／１００程度の電圧値であることを特徴とする地絡保護装置。
4. 前記放電手段と並列に設けられたバックアップ用の放電手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の地絡保護装置。
5. 前記放電手段と直列に接続されたコイルと並列に設けられた保護用の放電手段を備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の地絡保護装置。

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