JP7245127B2 - 地絡保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道信号設備等を地絡から保護するための地絡保護装置、例えば、直流電化区間における鉄道信号設備を対象とした地絡保護装置に関するものである。

図１３は、鉄道信号設備を示す概略の構成図である。
鉄道信号設備では、例えば、敷設されたレール１の沿線に沿って、電柱２が立設されている。電柱２の上部には、支持材３が取り付けられ、この支持材３に、碍子４を介してトロリ線又はき電線（トロリ線・き電線）５が懸架されている。レール１及びトロリ線・き電線５は、変電所６内のき電電源７に接続されている。レール１には、このレール１を切り換える付帯機器としての転てつ器８が設けられている。転てつ器８は、信号ケーブル９を介して信号設備（例えば、信号機器室１０）から送られてくる制御信号により、レール１を切り換えるようになっている。信号機器室１０の建屋の内には、電源装置及び制御装置等の信号機器が設置されている。信号機器室１０内の信号機器には、接地電極により大地１１に接地されているものがある。

従来、鉄道信号設備では、雷撃、飛来物、鳥、蛇、倒木等により大地１１に電気が漏れる地絡事故が発生することがある。地絡事故が発生した場合、地絡電流が、例えば、図１３に示すようなステップ（１）～（５）で、信号機器室１０に流入し、この信号機器室１０内の信号機器が焼損する、という問題が発生している。

地絡事故の例を説明すると、ステップ（１）において、トロリ線・き電線５から碍子４を介して支持材３へ地絡が発生する。地絡が発生すると、ステップ（２）において、矢印方向の地絡電流ｉが、電柱２を介して大地１１へ流出し、レール１の電位が上昇する。レール１の電位が上昇すると、ステップ（３）において、レール１に直結した転てつ器８の筐体と転てつ器回線との間、及び、信号機器室１０内の信号機器と信号機器室１０の接地回路・建屋との間で絶縁破壊が生じる。絶縁破壊が生じると、ステップ（４）において、地絡電流ｉが、信号機器室１０の接地回路・建屋→信号機器室１０内の信号機器→転てつ器８→レール１→変電所６、の経路で流れる。これにより、ステップ（５）において、信号機器室１０内の信号機器が焼損する。
このような問題を解消するために、従来、例えば、図１４のような地絡保護システムが知られている。

図１４は、従来の交流電化区間用の地絡保護システムを示す概略の構成図である。
この地絡保護システムは、レール１の付帯機器（例えば、転てつ器８）に接続された信号機器室１０内の信号機器１０ｂを、き電回路の地絡時に保護する交流電化区間用の地絡保護装置２０を備えている。地絡保護装置２０により保護される電源装置及び制御機器等の信号機器１０ｂは、信号機器室１０の建屋１０ａ内に、絶縁材１５を介して設置されている。信号機器１０ｂは、レール１の転てつ器８に対して制御信号等の信号の送受信を行い、その転てつ器８を制御してレール１を切り換えさせるものである。

信号機器１０ｂは、耐雷トランス１２の２次巻線１２ｂに接続されている。耐雷トランス１２の１次巻線１２ａは、信号機器１０ｂの駆動電力を入力するための電源線１３に接続されている。１次巻線１２ａと２次巻線１２ｂとの間には、静電シールド１２ｃが設けられ、この静電シールド１２ｃが、大地１１と接地（例えば、接地抵抗値が１０Ω以下のＡ種接地１４）されている。更に、信号機器１０ｂは、制御線等の信号ケーブル９を介して、転てつ器８に接続されている。転てつ器８は、筐体を有し、この筐体内に電気部品が収容されている。

地絡保護装置２０は、大地１１にＡ種接地１４される接地側端子２１と、レール１側に接続されるレール側端子２２と、を有している。レール側端子２２は、レール１側の例えばインピーダンスボンド中性点１６に接続されている。インピーダンスボンドは、レール１の絶縁箇所に設置され、き道回路電流を遮断し、電車電流を流す機能を有している。接地側端子２１とレール側端子２２との間には、開閉器（例えば、電磁接触器）２３が接続されている。電磁接触器２３は、投入信号により閉じ（閉路し）、開放信号により開く（遮断する）機能を有している。
地絡保護装置２０は、接地側端子２１とレール側端子２２との間に一定以上の電位差が発生した時に電磁接触器２３が閉じ、地絡電流ｉを、インピーダンスボンド中性点１６を経由してレール１側へ放電する装置である。このような地絡保護装置２０を備えた地絡保護システムは、例えば、以下のステップ（１）～（５）で動作する。

ステップ（１）において、地絡によりレール電位が上昇すると、ステップ（２）において、地絡保護装置２０の接地側端子２１とレール側端子２２との間に、電位差が発生する。すると、ステップ（３）において、地絡保護装置２０の電磁接触器２３が閉じ、ステップ（４）において、地絡電流ｉが、Ａ種接地１４・建屋１０ａ→地絡保護装置２０→インピーダンスボンド中接点１６→レール１、の経路で流れる。そのため、ステップ（５）において、レール１に直結した転てつ器８の筐体と転てつ器回線の間や、信号機器１０ｂと信号機器室１０の建屋１０ａとの間等の電位差が等電位化（縮小）され、信号機器１０ｂが安全に保護される。

図１５は、特許文献１に記載された従来の交流電化区間用の地絡保護装置２０を示す構成図である。
交流電化区間用の地絡保護装置２０は、接地側端子２１とレール側端子２２との間に接続された電磁接触器２３を有している。電磁接触器２３には、放電管２４が並列に接続されている。更に、電磁接触器２３に対して直列に、電流計測用の変流器（以下「ＣＴ」という。）２５が設けられている。ＣＴ２５の端子間には、第１過電流リレー２６及び第２過電流リレー２７が直列に接続されている。第１過電流リレー２６は、地絡電流ｉの消滅を検知すると、電磁接触器２３を開くための開放信号Ｓ２６を出力するものである。又、第２過電流リレー２７は、地絡電流ｉの発生を検知すると、電磁接触器２３を閉じるための投入信号Ｓ２７を出力するものである。

この地絡保護装置２０では、以下のステップ（ａ）～（ｇ）により動作する。
地絡発生により、ステップ（ａ）において、Ａ種接地１４とインピーダンスボンド中性点１６との間（即ち、地絡保護装置２０の接地側端子２１及びレール側端子２２間）に電位差が発生する。すると、ステップ（ｂ）において、放電管２４が放電し、地絡電流ｉが、矢印Ｘ１方向に、Ａ種接地１４→接地側端子２１→放電管２４→ＣＴ２５→レール側端子２２→インピーダンスボンド中性点１６、の経路で流れる。地絡電流ｉが流れると、ステップ（ｃ）において、過電流リレー２７が地絡電流ｉの発生を検知・動作して電磁接触器２３へ投入信号Ｓ２７を出力する。ステップ（ｄ）において、投入信号Ｓ２７により、電磁接触器２３が閉じる。電磁接触器２３が閉じると、ステップ（ｅ）において、地絡電流ｉが、矢印Ｘ２方向に、Ａ種接地１４→接地側端子２１→電磁接触器２３→ＣＴ２５→レール側端子２２→インピーダンスボンド中性点１６、の経路で流れる。その後、ステップ（ｆ）において、地絡が解消されて地絡電流ｉが消滅すると、過電流リレー２６が地絡電流ｉの消滅を検知・動作して、電磁接触器２３へ開放信号Ｓ２６を出力する。これにより、ステップ（ｇ）において、電磁接触器２３が開き、元の状態に復帰する。

特許第６５０２７６３号公報

鉄道技術研究報告、渡辺・持永著「レール電位とその抑制対策」鉄道技術研究所、Ｎｏ．１０９０（電気編第２０２号）、１９７８年９月 電気鉄道ハンドブック「７．６ 帰線と誘導障害」コロナ社、ｐ．５５７、２００７年２月

しかしながら、従来の交流電化区間用の地絡保護装置２０では、例えば、以下の（ｉ）、（ｉｉ）のように、直流電化区間における鉄道信号設備での使用が困難、といった課題が存在する。
（ｉ） 直流電化区間の場合、通常のき電電流（電車電流）と比較して検知目標の地絡電流ｉが小さい。
しかし、そのような小さい地絡電流ｉを十分な信頼性をもって検出するのに適したＣＴ製品が存在しない（サイズが大き過ぎる、検出精度が不十分等）。
そのため、地絡電流ｉの発生を十分な信頼性をもって正確に検出できず、電磁接触器２３の投入を適切に行うことができない。この場合、放電管２４に地絡電流ｉが流れ続けることになるため、放電管２４の焼損等が発生する恐れがある。
（ｉｉ） 直流電化区間の場合、地絡時のレール電位上昇（地絡電圧）が交流電化区間と比較して小さい。
そのため、地絡が発生したとしても、地絡電圧が放電管２４の放電開始電圧に達しない場合がある。このような場合は、放電管２４が放電せず、地絡保護装置２０が動作しなくなってしまうため、信号機器１０ｂを保護できなくなってしまう。この対策として、放電開始電圧が低い放電管２４を使用すると、地絡以外（例えば、通常の電車電流によるレール電位上昇及びその高調波）でも放電してしまい、地絡保護装置２０が不要動作してしまう恐れがある。

請求項１記載の発明は、地絡電流の発生によって所定箇所の電位が変動した場合、前記所定箇所側と接地側との間に接続された保護対象機器を、前記地絡電流から保護する地絡保護装置において、前記接地側の第１端子と、前記所定箇所側の第２端子と、前記第１端子と前記第２端子との間に接続され、第１投入信号又は第２投入信号により閉じて前記第１端子及び前記第２端子間を短絡することにより前記第１端子及び前記第２端子間に前記地絡電流を流し、開放信号により開いて前記地絡電流を遮断する開閉器と、前記第１端子及び前記第２端子間に直列に接続された放電管及び抵抗を有し、前記第１端子及び前記第２端子間に発生する地絡電圧が所定電圧以上の時に、前記放電管が放電して前記地絡電流が前記抵抗に流れる直列回路と、前記地絡電流により前記抵抗の端子間に発生する電圧から、前記所定電圧以上の前記地絡電圧を検知して前記第１投入信号を出力する第１検知手段と、前記直列回路に対して並列に接続され、前記第１端子及び前記第２端子間に発生する前記地絡電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路により分圧された電圧の大きさと電圧が発生している時間とから、前記所定電圧未満の前記地絡電圧を検知して第２投入信号を出力する第２検知手段と、前記開閉器を流れる前記地絡電流が所定電流以下の時に、前記地絡電流の消滅を検知して前記開放信号を前記開閉器へ出力する第３検知手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の地絡保護装置において、前記所定箇所は、直流電化区間におけるき電回路の帰線として使用されるレールであり、前記保護対象機器は、前記レールの付帯機器に対して電源供給及び制御信号の送受信を行う信号機器である、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の地絡保護装置において、前記分圧回路は、前記地絡電圧を降圧する第１分圧抵抗と、前記第１分圧抵抗に対して直列に接続された第２分圧抵抗と、を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の地絡保護装置において、前記第１検知手段は、前記地絡電圧を検知して前記第１投入信号を出力する第１電圧検知リレーにより構成され、前記第２検知手段は、前記第２分圧抵抗の端子間電圧の大きさを検知する第２電圧検知リレーと、前記第２分圧抵抗の端子間電圧が発生している時間を計測する第１タイマと、の１組又は複数組により構成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の地絡保護装置において、前記開閉器は、電磁接触器により構成され、前記第３検知手段は、前記電磁接触器を流れる前記地絡電流を検出する変流器と、前記変流器により検出された検出電流の大きさを検知する第３電圧検知リレーと、前記検出電流の発生している時間を計測する第２タイマと、により構成されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の地絡保護装置において、前記第１電圧検知リレー及び前記第１タイマには、それぞれの動作状態を外部に出力する信号用リレーがそれぞれ接続されている、ことを特徴とする。

本発明の地絡保護装置によれば、抵抗及び分圧回路と第１及び第２検知手段とを使用し、地絡電流発生時に抵抗及び分圧回路の端子間に発生する電圧を第１及び第２検知手段で検出する構成にしている。そのため、従来のようなＣＴを使わずに、地絡電流の発生を的確に検出できる。
更に、２種類の第１及び第２地絡検知手段を設けているので、検出可能となる地絡電圧の幅が広がり、従来の地絡保護装置のような不動作や不要動作を防止しつつ、地絡を幅広く検出できる。従って、例えば、直流電化区間における鉄道信号設備において、本発明の地絡保護装置を用いた地絡保護が可能になる。

本発明の実施例１における直流電化区間用の地絡保護装置を示す概略の構成図 地絡電圧が放電管の放電開始電圧以上である地絡が発生した場合の図１の動作説明図 地絡電圧が放電管の放電開始電圧未満である地絡が発生した場合の図１の動作説明図 レール電位実測結果を示す図 レール電位波形例（Ｋ駅構内、電車力行時）を示す図 レール電位波形例（Ｔ駅構内、電車回生時）を示す図 レール電位の１日の変化の例（Ｋ駅構内）を示す図 レール電位の１日の変化の例（Ｔ駅構内）を示す図 直流電化区間のレール電位上昇の様子を示す図 レール電位計算結果（電車走行時）を示す図 レールの直流抵抗を示す図 直流区間レールの対地コンダクタンス概略値を示す図 鉄道信号設備を示す概略の構成図 従来の交流電化区間用の地絡保護システムを示す概略の構成図 従来の交流電化区間用の地絡保護装置を示す構成図

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における直流電化区間用の地絡保護装置３０を示す概略の構成図である。
直流電化区間用の地絡保護装置３０は、従来の図１４に示す交流電化区間用の地絡保護システムと同様の、直流電化区間用の地絡保護システムに設けられ、地絡電流ｉの発生によって所定箇所（例えば、直流電化区間におけるき電回路の帰線として使用されるレール１）の電位が変動した場合、そのレール側と接地側との間に接続された保護対象機器（例えば、レール１の付帯機器に対して電源供給及び制御信号の送受信を行う信号機器室１０内の信号機器１０ｂ）を、その地絡電流ｉから保護する装置である。

この地絡保護装置３０は、接地（例えば、Ａ種接地１４）側の第１端子（例えば、接地側端子）３１と、所定箇所（例えば、直流電化区間のレール１のインピーダンスボンド中性点１６）側の第２端子（例えば、レール側端子）３２と、を有している。
接地側端子３１とレール側端子３２との間には、開閉器（例えば、電磁接触器）３３が接続されている。電磁接触器３３は、第１投入信号Ｓ４３又は第２投入信号Ｓ５３，Ｓ５４により閉じて接地側端子３１及びレール側端子３２間を短絡することにより、その接地側端子３１及びレール側端子３２間に地絡電流ｉを流し、開放信号Ｓ６２により開いてその地絡電流ｉを遮断する機能を有している。更に、接地側端子３１とレール側端子３２との間には、第１地絡検出回路４０と第２地絡検出回路５０とが並列に接続されている。

第１地絡検出回路４０は、アレスタである放電管４１と抵抗４２との直列回路を有し、接地側端子３１及びレール側端子３２間に発生する地絡電圧が所定電圧（例えば、放電管４１の放電開始電圧）以上である地絡を検出する回路であり、地絡が発生した際に放電管４１が放電して地絡電流が抵抗４２に流れる。放電管４１の放電開始電圧は、地絡以外で不要放電しないよう、通常のレール電位よりも高い値（例えば、ＤＣ３００Ｖ以上）に設定されている。抵抗４２の端子間には、第１検知手段（例えば、電圧検知リレー）４３が並列に接続されている。電圧検知リレー４３は、地絡電流により抵抗４２の端子間に発生する電圧から、放電管４１の放電開始電圧以上の地絡電圧を検知して第１投入信号Ｓ４３を出力し、電磁接触器３３を閉じる（投入する）ものである。

第２地絡検出回路５０は、地絡電圧が放電管４１の放電開始電圧未満である地絡を検出する回路であり、放電管４１及び抵抗４２の直列回路に対して並列に接続された分圧回路と、第２検知手段と、を有している。前記分圧回路は、接地側端子３１及びレール側端子３２間に発生する地絡電圧を分圧する回路であり、例えば、第１分圧抵抗５１及び第２分圧抵抗５２の直列回路により構成されている。前記第２検知手段は、分圧抵抗５１，５２により分圧された負極性電圧の大きさと負極性電圧が発生している時間とから、放電管４１の放電開始電圧未満の地絡電圧を検知し、第２投入信号Ｓ５３又はＳ５４を出力して電磁接触器３３を閉じる回路であり、例えば、１つ又は複数の電圧検知リレー５３，５４と、１つ又は複数のタイマ５５，５６と、により構成されている。電圧検知リレー５３，５４は、分圧抵抗５１，５２により分圧された負極性電圧の大きさを検知するものである。タイマ５５，５６は、その分圧抵抗５１，５２により分圧された負極性電圧が発生している時間を計測するものである。

第２地絡検出回路５０では、分圧抵抗５２の端子間に発生する「負極性の電圧の大きさ」と「負極性の電圧が発生している時間」を、電圧検知リレー５３，５４及びタイマ５５，５６で監視しており、予め設定された電圧検知リレー５３又は５４の動作基準値（例えば、電圧検知リレー５３：２００Ｖ・１０秒、電圧検知リレー５４：１００Ｖ・２０秒）以上の電圧・時間が発生していることを検出した時、地絡が発生していると判断して電圧検知リレー５３又は５４が動作して、電磁接触器３３へ第２投入信号Ｓ５３又はＳ５４を出力する機能を有している。
分圧抵抗５１は、電圧検知リレー５３，５４に許容値以上の電圧が掛からないよう、分圧抵抗５２の端子間電圧を制限してその電圧検知リレー５３，５４を保護する目的で設けられている。
本実施例１の回路構成では、電圧検知リレー５３，５４の動作基準値の設定を、例えば、電圧検知リレー５３を２００Ｖ・１０秒、電圧検知リレー５４を１００Ｖ・２０秒とした場合、以下の２つのパターン（Ｐ１）、（Ｐ２）のいずれか一方が発生した時に、地絡が発生していると判断する構成になっている。

なお、パターン（Ｐ１）、（Ｐ２）の数や内容を変更するために、電圧検知リレー５３，５４及びタイマ５５，５６の数を増減しても良いし、電圧検知リレー５３，５４の動作基準値を変更しても良い。

パターン（Ｐ１）；２００Ｖ以上～放電管４１の放電開始電圧未満の電圧が１０秒以上発生した場合。
パターン（Ｐ２）；１００Ｖ以上～２００Ｖ（電圧検知リレー５３の動作基準電圧）未満の電圧が２０秒以上発生した場合。

更に、本実施例１の地絡保護装置３０では、電磁接触器３３を流れる地絡電流ｉが所定電流以下の時に、その地絡電流ｉの消滅を検知して開放信号Ｓ６２を電磁接触器３３へ出力する第３検知手段が設けられている。前記第３検知手段は、例えば、電磁接触器３３を流れる地絡電流ｉを検出するＣＴ６１と、このＣＴ６１により検出された検出電流の大きさを検知する第３電圧検知リレー６２と、その検出電流の発生している時間を計測する第２タイマ６３と、により構成されている。
電圧検知リレー４３，５３，５４，６２は、例えば、メカニカルリレーである有接点リレー、或いは、ＭＯＳＦＥＴリレー、ソリッドステート・リレー等の無接点リレーにより構成されている。

第１電圧検知リレー４３及び第１タイマ５５，５６には、例えば、地絡保護装置３０の動作状態遠隔監視及び停電監視を目的として、それぞれの動作状態を外部に出力する信号用リレー４４，５７，５８がそれぞれ接続されている。例えば、信号用リレー４４は、３００Ｖ以上即時動作で応答し、信号用リレー５７は、２００Ｖ以上１０秒経過時に応答し、信号用リレー５８は、１００Ｖ以上２０秒経過時に応答し、それぞれ無電圧接点の外部出力信号を出力し、それぞれの条件出力と停電監視を可能にしている。

（実施例１の動作）
図２は、地絡電圧が放電管の放電開始電圧以上である地絡が発生した場合の図１の動作説明図、及び、図３は、地絡電圧が放電管の放電開始電圧未満である地絡が発生した場合の図１の動作説明図である。

（Ａ） 地絡電圧が放電管の放電開始電圧以上である地絡が発生した場合の図２の動作説明
図２では、以下のステップ（ａ）～（ｇ）の動作が行われる。
ステップ（ａ）において、地絡によりＡ種接地１４とインピーダンスボンド中性点１６との間（即ち、地絡保護装置３０の接地側端子３１及びレール側端子３２間）に電位差が発生する。電位差が発生すると、ステップ（ｂ）において、放電管４１が放電し、地絡電流ｉが矢印Ｙ１方向に、Ａ種接地１４→接地側端子３１→抵抗４２→放電管４１→レール側端子３２→インピーダンスボンド中性点１６、の経路で流れる。矢印Ｙ１方向に地絡電流ｉが流れると、ステップ（ｃ）において、抵抗４２の端子間に発生した電圧を、電圧検知リレー４３が検知・動作して、電磁接触器３３へ投入信号Ｓ４３を出力する。
ステップ（ｄ）において、電磁接触器３３が閉じ、ステップ（ｅ）において、地絡電流ｉが矢印Ｙ２方向に、Ａ種接地１４→接地側端子３１→ＣＴ６１→電磁接触器３３→レール側端子３２→インピーダンスボンド中性点１６、の経路で流れる。更に、インピーダンスボンド中性点１６へ流れた地絡電流ｉは、図１４に示すレール１へ流れる。これにより、レール１に直結した転てつ器８の筐体と転てつ器回線の間や、信号機器１０ｂと信号機器室１０の建屋１０ａとの間等の電位差が等電位化（縮小）され、信号機器１０ｂが安全に保護される。

ステップ（ｅ）後のステップ（ｆ）において、地絡が解消され、矢印Ｙ２方向の地絡電流ｉが予め設定された停止電流以下（例えば、１５Ａ以下、３秒継続）である場合、電圧検知リレー６２が電流消滅を検知して、電磁接触器３３へ開放信号Ｓ６２を出力する。ステップ（ｇ）において、電磁接触器３３が開放され、元の開状態に復帰する。
前記電圧検知リレー４３及びタイマ５５，５６の動作状態は、信号用リレー４４，５７，５８の接点により外部へ出力される。そのため、外部装置により、地絡保護装置３０の動作状態の遠隔監視及び停電監視が可能になる。

（Ｂ） 地絡電圧が放電管の放電開始電圧未満である地絡が発生した場合の図３の動作説明
図３では、以下のステップ（ａ）～（ｇ）の動作が行われる。
ステップ（ａ）において、地絡によりＡ種接地１４とインピーダンスボンド中性点１６との間（即ち、地絡保護装置３０の接地側端子３１及びレール側端子３２間）に電位差が発生する。電位差が発生すると、ステップ（ｂ）において、地絡電流ｉが矢印Ｙ３方向に、Ａ種接地１４→接地側端子３１→分圧抵抗５２→分圧抵抗５１→レール側端子３２→インピーダンスボンド中性点１６、の経路で流れる。矢印Ｙ３方向に地絡電流ｉが流れると、ステップ（ｃ）において、分圧抵抗５２に発生した負極性電圧・時間が、予め設定された電圧検知リレー５３の動作基準値以上（例えば、２００Ｖ・１０秒）である場合、その電圧検知リレー５３が動作して、電磁接触器３３へ投入信号Ｓ５３を出力する。これに対して、分圧抵抗５２に発生した負極性電圧・時間が、予め設定された電圧検知リレー５４の動作基準値以上（例えば、１００Ｖ・２０秒）である場合、その電圧検知リレー５４が動作して、電磁接触器３３へ投入信号Ｓ５４を出力する。

ステップ（ｄ）において、電磁接触器３３が閉じ、ステップ（ｅ）において、地絡電流ｉが矢印Ｙ２方向に、Ａ種接地１４→接地側端子３１→ＣＴ６１→電磁接触器３３→レール側端子３２→インピーダンスボンド中性点１６、の経路で流れる。更に、インピーダンスボンド中性点１６へ流れた地絡電流ｉは、図１４に示すレール１へ流れる。これにより、レール１に直結した転てつ器８の筐体と転てつ器回線の間や、信号機器１０ｂと信号機器室１０の建屋１０ａとの間等の電位差が等電位化（縮小）され、信号機器１０ｂが安全に保護される。
ステップ（ｅ）後のステップ（ｆ）において、地絡が解消され、矢印Ｙ２方向の地絡電流ｉが、予め設定された停止電流以下（例えば、１５Ａ以下、３秒継続）である場合、電圧検知リレー６２が電流消滅を検知して、電磁接触器３３へ開放信号Ｓ６２を出力する。ステップ（ｇ）において、電磁接触器３３が開放され、元の開状態に復帰する。
前記（Ａ）と同様に、前記電圧検知リレー４３及びタイマ５５，５６の動作状態は、信号用リレー４４，５７，５８の接点により外部へ出力される。そのため、外部装置により、地絡保護装置３０の動作状態の遠隔監視及び停電監視が可能になる。

（従来と比べた実施例１の優位点）
本実施例１が従来に比べて優れている点を明らかにするために、以下の（Ｉ）～（ＩＩＩ）にて考察する。

（Ｉ） 従来の交流電化区間用の地絡保護装置２０と実施例１の直流電化区間用の地絡保護装置３０との相違点
（Ｉａ） 地絡電流検知構成の変更
従来の図１５の交流電化区間用の地絡保護装置２０と、本実施例１の図１の直流電化区間用の地絡保護装置３０とは、共に、図１４の地絡保護システムにおいて、地絡電圧（レール１から信号機器室Ａ種接地・建屋１０ａ間）が所定の電圧を超えると、放電管２４，４１が放電し、地絡保護装置２０，３０内の主回路に地絡電流ｉが流れる。次に、主回路に流れる地絡電流ｉを検知して、放電管２４，４１に対して並列接続された電磁接触器２３，３３を投入する。この地絡電流検知機器として、従来の交流用ではＣＴ２５を使用している。しかし、既製品の直流用ＣＴで地絡保護装置に適した製品がないので、実施例１の直流用の地絡保護装置３０では、主回路に抵抗４２（例えば、０．１Ω）を挿入し、この端子間に発生する電圧を直流用の電圧検知リレー４３で検出している。
（Ｉｂ） 地絡電圧検知機能の追加
交流電車線のき電電圧は２２ｋＶと高いため、地絡電圧（レール１から信号機器室Ａ種接地１４・建屋１０ａ間）は確実に放電管２４，４１の放電開始電圧に到達する。これに対し、直流き電電圧はＤＣ１５００Ｖと低いため、地絡電圧が放電管２４，４１の放電開始電圧（ＤＣ３００Ｖを想定）に達せず、地絡保護装置２０，３０が動作しない可能性がある。この対策として、本実施例１の直流電化区間用の地絡保護装置３０では、電圧検知リレー５３，５４を設け、ＤＣ３００Ｖに達しない場合でも、地絡を検出し、電磁接触器３３を動作させて地絡電流ｉをバイパスさせている。
例えば、電圧検知リレー５３の整定値は－２００Ｖ・１０秒、電圧検知リレー５４の整定値は－１００Ｖ・２０秒とする。なお、整定値をマイナスとしたのは、地絡電圧は信号機器室Ａ種接地１４・建屋１０ａを基準としてマイナスになるためである。

（ＩＩ） 電車電流によるレール電位
レール電位は通常の電車電流によっても上昇するため、本実施例１の地絡保護装置３０内の放電管４１の放電開始電圧は、通常のレール電位よりも高い値とし、不要放電が起きないようにしなければならない。又、本実施例１の地絡保護装置３０における主たる地絡電圧検知は、地絡故障発生時にレール１が負極性側に電位上昇する現象を基本原理としているため、適正な動作電圧を設定するには、レール電位の変化の様相を把握する必要がある。そこで、以下の（ＩＩａ）、（ＩＩｂ）にてレール電位の実測、及び理論計算を行った。
（ＩＩａ） 実測値
図４は、レール電位実測結果を示す図である。
図４では、例えば、Ｋ駅（１５両編成の幹線電車が走行する線区）と、Ｔ駅（１０両編成の通勤型電車が走行する線区）とにおいて、測定日１日目（水）～１２日目（火）までの１２日間のレール電位の実測結果が示されている。
図４から分かるように、測定期間内に得られた正極側の最大値は１５０Ｖ（波高値）で、負極側の最大値は１１８Ｖ（波高値）であった。代表的波形を図５及び図６に、１日間の変化の例を図７及び図８に示す。
図５はレール電位波形例（Ｋ駅構内、電車力行時）を示す図、図６はレール電位波形例（Ｔ駅構内、電車回生時）を示す図、図７はレール電位の１日の変化の例（Ｋ駅構内）を示す図、及び、図８はレール電位の１日の変化の例（Ｔ駅構内）を示す図である。
負極側の電圧波高値は１００Ｖを超えることがあったが、図７及び図８から分かるように、実効値的には１００Ｖに達しておらず、その持続時間も５秒程度以下であった。
（ＩＩｂ） 理論計算
（ＩＩｂ１） レール電位計算方法
図９は、直流電化区間のレール電位上昇の様子を示す図である。
図９において、２箇所の変電所６－１，６－２間に、レール１及びトロリ線・き電線５が設けられている。各変電所６－１，６－２内には、き電電源７－１，７－２がそれぞれ設けられている。レール１上を電車１７が走行している。
直流電化区間では、隣接する変電所６－１，６－２内のき電電源７－１，７－２を結んだ並列き電方式となっている。この場合は、電車１７が変電所６－１と変電所６－２の中間点を走行している時に、最もレール電位が高くなる。レール電位の最大値Ｖｍは、次式（１）で表すことができ、レール電位の最低値Ｖｐは、次式（２）で表すことができる。

（ＩＩｂ２） レール電位計算結果
図１０は、レール電位計算結果（電車走行時）を示す図である。５０ｋｇレール、負荷電流３０００Ａにおいて、横軸はレール対地コンダクタンス（Ｓ／ｋｍ）、及び縦軸はレール電位（Ｖ）である。
図１１は、レールの直流抵抗を示す図である。更に、図１２は、直流区間レールの対地コンダクタンス概略値を示す図である。
図１０において、レールの直流抵抗は、図１１の値を用いた。レール１の対地コンダクタンスは、０．０１～１．０Ｓ／ｋｍとした。
図１０から分かるように、電車電流によるレール電位は変電所間隔が長くなるほど高く、又、レール対地コンダクタンスが小さくなるほど高くなる。レール対地コンダクタンスが最も低いのは、晴天時のスラブ軌道で、０．０２Ｓ／ｋｍ以下である。この時でも、変電所間隔２０ｋｍ、負荷電流３０００Ａという厳しい条件におけるレール電位計算結果は、２５０Ｖ程度となった。なお、変電所間隔は、都市圏の幹線で５ｋｍ程度、亜幹線で１０ｋｍ程度である。又、負荷電流３０００Ａは、１５両編成の幹線電車における始動時最大電流に相当する。よって、通常のレール電位は、図１０より、１５０Ｖ以下と考えられ、Ｋ構内及びＴ駅構内における実測結果と符合する。

（ＩＩＩ） 適正な地絡検出電圧の考え方
（ＩＩＩａ） 放電管４１の直流放電開始電圧
現地における実測での最大値は１５０Ｖ（波高値）であった。又、変電所間隔１０ｋｍ、電車電流３０００Ａという通常の条件での計算値は、１５０Ｖ以下であり、変電所間隔２０ｋｍという厳しい条件での計算値は２５０Ｖであった。よって、放電管４１の直流放電開始電圧を３００Ｖとすれば、電車電流に起因するレール電位によって不要放電する恐れは極めて低いと考えられる。
（ＩＩＩｂ） 電圧検知リレー５３，５４の整定値
直流電化区間電車線路における地絡故障の場合は、条件によってはレール電位上昇が放電管４１の放電開始電圧（ＤＣ３００Ｖを想定）に達しない可能性がある。その対策として、電圧検知リレー５３，５４を設け、レール１に所定の負極性電圧が発生したら地絡と判断し、電磁接触器３３を投入する。実測結果では、電車運転時の負極性電圧の最大値は１１８Ｖであったが、その持続時間は５秒程度以下であった。従って、例えば、電圧検知リレー５３の整定値を－２００Ｖ・１０秒、電圧検知リレー５４の整定値を－１００Ｖ・２０秒とすれば、電車電流に起因するレール電位によって不要動作する恐れは極めて低いと考えられる。一方、高抵抗地絡故障の場合は、変電所７－１，７－２での故障検知ができないため、地絡状態が分単位で持続することがあるので、それを電圧検知リレー５３，５４で検知できる。

（実施例１の効果）
本実施例１の直流電化区間用の地絡保護装置３０によれば、以下の（ａ）～（ｃ）のような効果がある。
（ａ） 従来の図１５に示す地絡電流発生の検出に使用されているＣＴ２５に代えて、抵抗４２，５２と電圧検知リレー４３，５３，５４とを使用し、地絡電流発生時に抵抗４２，５２の端子間に発生する電圧を電圧検知リレー４３，５３，５４で検出する回路構成にしている。そのため、従来のようなＣＴ２５を使わずに、地絡電流の発生を的確に検出できる。
（ｂ） ２種類の第１、第２地絡検出回路４０，５０を設けているので、検出可能となる地絡電圧の幅が広がり、従来の地絡保護装置２０のような不動作や不要動作を防止しつつ、地絡を幅広く検出できるようになる。従って、例えば、直流電化区間における鉄道信号設備において、地絡保護装置３０を用いた地絡保護が可能となる。
（ｃ） 電圧検知リレー４３，５３，５４の動作状態は、信号用リレー４４，５７，５８の接点により外部へ出力される。そのため、外部装置により、地絡保護装置３０の動作状態の遠隔監視及び停電監視が可能になる。

（変形例）
本発明は、上記実施例１に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ｉ）、（ｉｉ）のようなものがある。
（ｉ） 図１の地絡保護装置３０において、地絡検知精度等を向上させるために、他の回路要素を付加しても良い。又、不要であれば、信号用リレー４４，５７，５８を除去して地絡保護装置３０の簡略化と低コスト化を図っても良い。
（ｉｉ） 実施例１の地絡保護装置３０は、直流電化区間における鉄道信号設備以外にも適用が可能である。

１ レール
８ 転てつ器
１０ 信号機器室
１０ａ 建屋
１０ｂ 信号機器
１４ Ａ種接地
１６ インピーダンスボンド中性点
３０ 地絡保護装置
３１ 接地側端子
３２ レール側端子
３３ 電磁接触器（開閉器）
４０ 第１地絡検出回路
４１ 放電管
４２ 抵抗
４３，５３，５４，６２ 電圧検知リレー
５０ 第２地絡検出回路
５１，５２ 分圧抵抗
５５，５６，６３ タイマ
６１ 変流器（ＣＴ）

Claims (6)

1. 地絡電流の発生によって所定箇所の電位が変動した場合、前記所定箇所側と接地側との間に接続された保護対象機器を、前記地絡電流から保護する地絡保護装置において、
   前記接地側の第１端子と、
   前記所定箇所側の第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子との間に接続され、第１投入信号又は第２投入信号により閉じて前記第１端子及び前記第２端子間を短絡することにより前記第１端子及び前記第２端子間に前記地絡電流を流し、開放信号により開いて前記地絡電流を遮断する開閉器と、
   前記第１端子及び前記第２端子間に直列に接続された放電管及び抵抗を有し、前記第１端子及び前記第２端子間に発生する地絡電圧が所定電圧以上の時に、前記放電管が放電して前記地絡電流が前記抵抗に流れる直列回路と、
   前記地絡電流により前記抵抗の端子間に発生する電圧から、前記所定電圧以上の前記地絡電圧を検知して前記第１投入信号を出力する第１検知手段と、
   前記直列回路に対して並列に接続され、前記第１端子及び前記第２端子間に発生する前記地絡電圧を分圧する分圧回路と、
   前記分圧回路により分圧された電圧の大きさと電圧が発生している時間とから、前記所定電圧未満の前記地絡電圧を検知して第２投入信号を出力する第２検知手段と、
   前記開閉器を流れる前記地絡電流が所定電流以下の時に、前記地絡電流の消滅を検知して前記開放信号を前記開閉器へ出力する第３検知手段と、
   を備えることを特徴とする地絡保護装置。
2. 前記所定箇所は、
   直流電化区間におけるき電回路の帰線として使用されるレールであり、
   前記保護対象機器は、
   前記レールの付帯機器に対して電源供給及び制御信号の送受信を行う信号機器である、
   ことを特徴とする請求項１記載の地絡保護装置。
3. 前記分圧回路は、
   前記地絡電圧を降圧する第１分圧抵抗と、
   前記第１分圧抵抗に対して直列に接続された第２分圧抵抗と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２記載の地絡保護装置。
4. 前記第１検知手段は、
   前記地絡電圧を検知して前記第１投入信号を出力する第１電圧検知リレーにより構成され、
   前記第２検知手段は、
   前記第２分圧抵抗の端子間電圧の大きさを検知する第２電圧検知リレーと、前記第２分圧抵抗の端子間電圧が発生している時間を計測する第１タイマと、の１組又は複数組により構成されている、
   ことを特徴とする請求項３記載の地絡保護装置。
5. 前記開閉器は、
   電磁接触器により構成され、
   前記第３検知手段は、
   前記電磁接触器を流れる前記地絡電流を検出する変流器と、
   前記変流器により検出された検出電流の大きさを検知する第３電圧検知リレーと、
   前記検出電流の発生している時間を計測する第２タイマと、
   により構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の地絡保護装置。
6. 前記第１電圧検知リレー及び前記第１タイマには、それぞれの動作状態を外部に出力する信号用リレーがそれぞれ接続されている、
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の地絡保護装置。

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