JPH04146826A - 電気鉄道用直流静止型き電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半一導体コンバータにより得られた直流電力
を、き電用直流半導体遮断器を介して電気車に供給する
電気鉄道用直流静止型き電システムに関する。

（従来の技術） 従来の電気鉄道用直流静止型き電システムにおいては、
単に交流を直流に変換する機能しかない、すなわち電圧
調整機能のないダイオードコンバータによって直流電力
を得ると共に、過負荷ないし事故電流を遮断するために
機械式直流遮断器を備える方式のものか大半であった。

ところか、近年の半導体技術の進歩には目覚ましいもの
があり、電気鉄道の分野においても各種システムに相当
数用いられてきている。たとえば、電気鉄道における直
流変電所においても、大容量の光ゲート式サイリスタの
採用によりシンプルな構成を実現している。

これらの半導体装置は電気車の自動運転性能の向上や、
ピーク電力の抑制、電力回生率の向上、遮断性能の飛躍
的向上、保守の省力化などを期待して導入されたもので
あり、実際上、その効果も徐々に出てきている状況にあ
る。しかし、以上のような効果を十分に期待することが
でき、また、将来性のある電力供給システムであるとの
認識に立つことかできるとしても、現実にはなかなか普
及せず、広く一般的に使用されるようになるには程遠い
感がある。普及を阻害している最大要因は製品コストが
かなり高く、従来品との間に相当の開きがあることであ
る。

一方、これまでの技術仕様面から見ると、定格仕様の決
め方および保護方式の考え方などの面に、もっと追及し
ていく要素が大いにあるものと考えられる。これまでは
、どちらかと言うと、従来使用されてきたダイオードコ
ンバータと機械式直流遮断器の組合せの実績から出て来
る定格仕様の決め方に左右されてきた。また、半導体遮
断器とするための裕度のとり方にも問題か存在している
。

これまでの基本的な考え方では、電圧調整機能を有する
コンバータは定電圧出力運転とするのか基本であり、き
重用ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）遮断器は機
械的な従来型遮断器との互換性を優先させた単なる置換
の思想が強く出ているため、機能的に機械式のものと同
等に取扱っているところに大きな問題がある。き重用Ｇ
ＴＯ遮断器は、機械式遮断器と同様に、電車線側き重負
荷の過電流または事故電流がある一定値に達すると自動
的に遮断動作（引外し動作）が行われるように構成され
ている。

ところが過電流遮断機能はＧＴＯ遮断器にとっては必ず
しも必要とはしないものと考えられる一面がある。すな
わち、き電用遮断器は、その運用上、真の事故時の保護
遮断のみを使命として機能させ、電気車の運転上起こり
つる過負荷に対しては、極力き型供給することが列車ダ
イヤの運行を維持するためにも必要なことである。また
、保護上の観点から見ると、変電所近端の事故時には電
流突進率が大きく、数ミリ秒以内で１０ｋＡ程度になる
場合もあり、この場合には瞬時に遮断設定値に達し、自
動遮断により電車線側の事故拡大を防止する。一方、遠
端事故時には系統インピーダンスにより事故電流は電気
車のピーク電流値より小さい場合が多く、その事故を検
出するために、電流変化分検出型（Δ１検出型）き電線
故障選択装置（ΔＩリレー）を用いたりして遮断器を遮
断動作させている。これらのことを特性曲線として表現
すると第４図に示すようになる。

第４図において、横軸は電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を、
縦軸は電流増加分Δｌを示している。また、特性線４１
は電気車運転電流（き重負荷電流）゛の過負荷限界曲線
を示し、４２は故障選択限界曲線を示し、４３は故障電
流特性曲線を示すものである。

従来の過電流遮断機能の遮断設定による遮断性能を実現
するためには、ＧＴＯ遮断器としては最高遮断設定値に
相当する電流を瞬間的に流し、また瞬時に遮断させるこ
とになり、その時の電流値によりＧＴＯ素子の並列数か
決定され、かつ装置の大きさも決定されてくる。その場
合、遮断設定値に至る直前までの負荷電流によってＧＴ
Ｏ素子のジャンクション温度が決まってくるので、ＧＴ
Ｏ素子の性能上からくる制約、たとえばＧＴＯ素子のジ
ャンクション温度を１０５℃以下とするための制約が素
子の並列数の決定に寄与することになる。このようなこ
とから従来のＧＴＯ遮断器の定格は、−例を挙げれば、
３ｋＡ連続通電後、６　ｋＡ３０秒通電とし、最後に１
０ｋＡ瞬時通電という通電パターンの仕様に対し、遮断
設定値が８ｋＡであれば実際の電車負荷がたまたまＳｋ
Ａ数秒流れることにより事故ではないのに遮断動作をし
てしまうことになる。その対策として遮断設定値を９ｋ
Ａ〜１０ｋＡに上げることになるが、結局はＧＴＯ遮断
器の最高設定値（−１０に＾）で使用することが容易に
想像できる。つまり、ＧＴＯ遮断器の定格仕様と遮断設
定値との間にはなんら合理的な関係が無いものとなる。

また、電車のピーク負荷が間欠的であり、数秒〜２０秒
程度のものであっても、それを通電でき、ＧＴＯ遮断器
が故障しないとの保証もなんら得られないものとなる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の機械式遮断器と同様の考え方の遮断設定値による
負荷側の保護を行う方式を採用した半導体式遮断器は実
際の負荷が遮断設定値付近の大きさであった場合には遮
断は不要であるのに、実際には自動遮断してしまうケー
スが非常に多く、本来の自己遮断の機会よりも不用意に
正常負荷を遮断し、電気車への安定した電力供給ができ
なくなるおそれがある。

そこで本発明は、遮断器通電能力を限界まで引出すこと
により装置の小型・低廉化を実現しうる電気鉄道用直流
静止型き電システムを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の電気鉄道用直流静止型き電システムは、き電用
直流半導体遮断器を流れる電流を検出する第１の手段と
、第１の手段によって検出された電流に基づいて半導体
遮断器を構成する半導体素子のジャンクシジン温度を演
算する第２の手段と、第１の手段によって検出された電
流が故障電流に相当するものかどうかを判定する第３の
手段と、この第３の手段により故障と判定され、かつ、
第２の手段によって算出されたジャンクション温度が電
流遮断能力のある低温領域にある時、半導体遮断器に引
外し指令を出す第４の手段と、第３の手段により故障と
判定され、かつ、第２の手段によって算出されたジャン
クション温度が低温領域を超えている時は、半導体遮断
器を引外すことなく、コンバータの出力電圧を出力電流
か低減するように調整する第５の手段とを設けたことを
特徴とする。

（作　用） 半導体遮断器を流れる電流の検出値によって故障の判定
を行うと共に、その電流に基づいて半導体遮断器を構成
する半導体素子のジャンクション温度を演算し、故障が
検出され、かつ、算出されたジャンクション温度が電流
遮断能力のある低温領域にある時は半導体遮断器に引外
し指令を出して遮断を行うか、故障と判定されても、ジ
ャンクション温度が低温領域を超えている時は、半導体
遮断器に遮断能力が無いものと判断して引外し指令を発
することなく、コンバータの出力電圧を出力電流が低減
するように調整する。こうすることにより、遮断器の無
用の引外しを回避し、他方ではＧＴＯ遮断器を能力限度
−杯に利用することができる。

（発明の原理） 電気鉄道用直流変電所のき重用遮断器にＧＴＯ遮断器を
適用した場合においてＧＴＯ素子の特性上、電流を自己
遮断できる能力は通常一般的な半導体整流素子と比較し
て、ジャンクション温度（Ｔ、：たとえば約１０５℃）
は低いところで決定コ するか、単に電流を流すだけで自己遮断させなければ通
電電流を余分に流した結果、ジャンクション温度（Ｔ、
；たとえば１２５℃）が高くなっても素子としての通電
能力はまだあるという性質を持っている。

従来のＧＴＯ遮断器では自己遮断能力のある領域を限界
としてジャンクション温度を検出し、たとえば、低温領
域からジャンクション温度Ｔ、がコ 上昇していって遮断限界値Ｔ　またとえば１０５℃ｙ に達したらＧＴＯ遮断器に引外し指令を与えるようにし
ている。

これに対して、本発明においては従来の温度検出回路に
負荷状態判定回路を付設し、遮断器に流れる電流が電気
車による負荷電流範囲内であれば引外し設定値のいかん
にかかわらず、ＧＴＯ素子のジャンクション温度Ｔｊが
通電限界値Ｔｔｕ以下、たとえば、Ｔ、＜Ｔ　　−１２
５℃　の時は通電を継　　　ｔｕ 続し、また、従来の引外し設定値を超えたとしても引外
しを行わないで電流が低減するように電圧調整を行う。

このようにしてＧＴＯ遮断器の通電容量の増大を図る。

さらに、ＧＴＯ遮断器に流れる電流か故障電流に相当す
る場合は、たとえば、Ｔ、≦Ｔ　　−１０５℃　であれ
ば、従来と同様に直Ｊ　　　　　Ｓｙ ちに引外しを行い、また、Ｔ、　＞Ｔ　　−１０５℃Ｊ
　　　　　　ＳＹ であれば、引外しを行わず、コンバータにより出力電圧
を調整し、電流を低減させてジャンクション温度Ｔ、が
、Ｔ、≦Ｔ　　−１０５℃　となったとコＪＳｙ ころで引外しを行う。

このようにして、ＧＴＯ遮断器の実質上の容量増大を達
成することができる。

（実施例） 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明による電気鉄道用直流静止型き電システ
ムの一構成例を示すものである。。

第１図のき電システムにおいては、変圧器１を介して受
電された交流電圧が電圧調整機能を持ったコンバータ２
により直流電圧に変換され、その正出力端子が正極母線
３に接続されている。正極母線３から、き重用ＧＴＯ遮
断器４を介して直流き電線５に直流電圧が印加される。

ＧＴＯ遮断器４は逆並列接続の一対のＧＴＯ（ゲートタ
ーンオフ・サイリスタ）からなっている。直流き電線５
からパンタグラフ６を介して電気車７に直流電力が供給
される。コンバータ２の出力電圧は電圧調整用制御装置
８によって制御され、ＧＴＯ遮断器４は遮断器制御装置
９によって制御される。電気車７の帰路導線はレール１
０によって形成される。

ＧＴＯ遮断器４の順電流および逆電流がそれぞれ電流検
出器１１．１２および波形整形回路１３．１４を介して
検出され、ジャンクション温度検出回路１５に導かれる
。電流検出器１１．１２は、たとえばホール素子型電流
検出器として構成される。電流検出器１１および波形整
形回路１３によりＧＴＯ遮断器３を流れる順電流が検出
され、電流検出器１２および波形整形回路１４によりＧ
ＴＯ遮断器３を流れる逆電流が検出され、それぞれの電
流値に基づきジャンクション温度検出回路１５において
ＧＴＯ素子のジャンクション温度Ｔ、が推定され、この
ジャンクション温度Ｔ、か負荷状態判定回路１８に導か
れコ る。

ジャンクション温度検出回路１５は、第２図に示すよう
に、電流検出器１１および波形整形回路１３（共に順方
向用のもののみを代表的に示している）によって得られ
た電流検出信号をディジタル信号に変換し、そのディジ
タル化された電流検出信号に基づいて、予め設定された
ＧＴＯ素子の電流−電力損失テーブル１５ａからその検
出電流に対応する電力損失を求め、それを温度演算部１
５ｂに送出する。温度演算部＋５ｂでは、損失テーブル
１５ａによって求められた電力損失に基づいてＧＴＯ素
子の温度上昇値を求め、その温度上昇値をその時の周囲
温度に加えてＧＴＯ素子の推定ジャンクション温度Ｔ、
を演算する。このようにして求められたジャンクション
温度Ｔ、が負荷状態判定回路１８に導かれる。

他方、電流検出器１６によりＧＴＯ遮断器４を流れる電
流か検出され、その検出電流値に基づいて故障選択装置
１７により故障判別が行われ、その判別結果は負荷状態
判定回路１８に送出される。

負荷状態判定回路１８は、ジャンクション温度検出口路
１５によって検出されたジャンクション温度Ｔ、と、故
障選択装置１７からの故障判別結果とに基づいて、ＧＴ
Ｏ遮断器４の引外しを行うべきか、それを行わずにコン
バータ２の出力電圧調整を行うべきか、さらには何もし
ないで現状維持とするかを判定する。いずれにしても負
荷状態判定回路１８は、故障時以外は極力通電を継続さ
せるようにＧＴＯ遮断器４の通電能力および遮断能力の
判定を行う。すなわち、負荷状態判定回路１８は、負荷
電流値からすれば、たとえ過負荷に相当する場合であっ
ても、故障でない限り、ＧＴＯ素子のジャンクション温
度Ｔ、が自己回復性のある通常のミコ 気車の想定される最大負荷電流による温度Ｔ。

コｌ （たとえば、１２５℃）以下であればそのまま通電を継
続し、従来の過負荷引外しは行わない。ジャンクション
温度Ｔ、か温度Ｔ、を超えている場合ｊ　　　　　　　
　　　Ｊｍ は、コンバータ２の出力電圧調整により電流を低減させ
る。また、故障が検出されている場合は、ジャンクショ
ン温度Ｔ、か低い領域、すなわち遮断可能領域（たとえ
ば、１０５℃以下）であればＧＴＯ遮断器４自体による
引外しを行い、ジャンクション温度Ｔ、がその領域を超
えている場合は遮断不能の虞があるので、直ちには引外
しを行わず、コンバータ２の出力電圧調整による電流低
減を行う。コンバータ２による電流低減は、ＧＴＯ遮断
器４に流れる電流として順方向電流が検出されている場
合には直流出力電圧を低下させ、逆方向電流か検出され
ている場合には直流出力電圧を上昇させればよい。この
ようにして電流低減の結果、ジャンクション温度Ｔ、か
遮断可能領域になコ ってはじめて引外しを行う。

次に、第３図のフローチャートを参照して負荷状態判定
回路１８の作用をより詳細に説明する。

負荷状態判定回路１８は数十ミリ秒の周期で第３図に示
す処理をたとえばプログラマブルコントローラなどによ
り実行するものとする。

まず、ジャンクション温度検出回路１５からジャンクシ
ョン温度Ｔ、を、また、故障選択装置１７から故障選択
信号をそれぞれ取込み（ステップ３１）、それに基づい
て故障の有無をチエツクする（ステップ３２）。故障無
しならば、ジャンクション温度Ｔ、が、Ｔ、≦１２５℃
　かどうかがチエツクされＪ　　　　　　　　３団 る（ステップ３３）。Ｔ、≦１２５℃　であれば、そコ
ｍ のまま何もしないで現状維持とする。Ｔ、＞１２５、Ｉ
ｆｌｌ ℃　であれば、出力電圧調整用制御装置８に指令して出
力電流が減少するようにコンバータ２の出力電圧を調整
する（ステップ３５）。ステップ３２で故障有りと判断
された場合は、ジャンクション温度Ｔ、が、Ｔ、５１０
５℃　かどうかがチエツクさＪ　　　　　　　　、＋ｍ れる（ステップ３４）。ここで、Ｔ、５１０５℃　でＩ
ｉ あれば、遮断器制御装置９に引外し指令を送出し、ＧＴ
Ｏ遮断器４を引外す（ステップ３６）。また、Ｔ、＞１
０５℃　であれば、出力電圧調整用制御装置謬 置８に指令して出力電流が減少するようにコンバータ２
の出力電圧を調整する（ステップ３５）。ステップ３３
でＴ、≦１２５℃　という判断結果を得るｌ か、ステップ３５または３６を実行することにより、１
サイクルの処理を終了する。

以上述べたように、単に故障選択装置によって検出され
た故障の有無のみによらずに、負荷電流から推定された
ジャンクション温度の要素を加味することにより、一方
では遮断器の無用の引外しを回避し、他方ではＧＴＯ遮
断器を能力限度−杯に利用することかできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電気車の負荷電流による正常運転中か
あるいは故障電流かの判別を行った上でＧＴＯ遮断器の
能力限界まで通電可能として運転することができる。Ｇ
ＴＯ遮断器は主要素子であるＧＴＯ素子の並列数によっ
てその装置のコストが左右されているので、ＧＴＯ素子
の能力を有効に引出すことにより並列素子数を低減し、
製品コストをより低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電気鉄道用直流静止型き電システ
ムの一実施例を示すブロック図、第２図は第１図におけ
るジャンクション温度判定回路を中心とした要部の詳細
構成を示すブロック図、第３図は第１図における負荷状
態判定回路の作用を説明するためのフローチャート、第
４図は従来の故障選択装置の特性を示すグラフである。 １・・・変圧器、２・・・コンバータ、３・・・正極母
線、４・・・き重用両方向性ＧＴＯ遮断器、５・・・直
流き電線、６・・・パンタグラフ、７・・・電気車、８
・・・出力電圧調整用制御装置、９・・・遮断器制御装
置、１０・・・し−ル、１１・・・順方向電流検出器、
１２・・・逆方向電流検出器、１３・・・順方向電流波
形整形回路、１４・・・逆方向電流波形整形回路、１５
・・・ジャンクション温度検出回路、１５ａ・・・損失
テーブル、１５ｂ・・・温度演算部、１６・・・電流検
出器、１７・・・故障選択装置、１８・・・負荷状態判
定回路、■　・・・電気車の負荷電流、Ｔ９・・・推Ｊ 定ジャンクション温度、４１・・・電気車運転電流、４
２・・・故障選択曲線、４３・・・故障電流特性曲線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可制御半導体コンバータにより得られた直流電力を
   、き電用直流半導体遮断器を介して電気車に供給する電
   気鉄道用直流静止型き電システムにおいて、 前記き電用直流半導体遮断器を流れる電流を検出する第
   １の手段と、 前記第１の手段によって検出された電流に基づいて前記
   き電用直流半導体遮断器を構成する半導体素子のジャン
   クション温度を演算する第２の手段と、 前記第１の手段によって検出された電流が故障電流に相
   当するものかどうかを判定する第３の手段と、 前記第３の手段により故障と判定され、かつ、前記第２
   の手段によって算出されたジャンクション温度が電流遮
   断能力のある低温領域にある時、前記き電用直流半導体
   遮断器に引外し指令を出す第４の手段と、 前記第３の手段により故障と判定され、かつ、前記第２
   の手段によって算出されたジャンクション温度が前記低
   温領域を超えている時は、前記き電用直流半導体遮断器
   を引外すことなく、前記可制御半導体コンバータの出力
   電圧を出力電流が低減するように調整する第５の手段と を設けたことを特徴とする電気鉄道用直流静止型き電シ
   ステム。 ２、前記第３の手段により故障ではないと判定され、か
   つ、前記第２の手段によって算出されたジャンクション
   温度が電流遮断能力は無いが通電能力は存在する領域に
   ある時、前記可制御半導体コンバータの出力電圧を出力
   電流が低減するように調整する第６の手段をさらに設け
   たことを特徴とする請求項１記載の電気鉄道用直流静止
   型き電システム。