JPS5832052B2 - 直流式電気鉄道の給電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は直流電源としてサイリスク整流器を使用した直
流式電気鉄道の給電方法に係り、特にき電系を含めた給
電系全体の構成として極力、無接点化を推し進めて保守
面での煩雑化を解消し、信頼性を高める様にした新規な
給電方法を提供しようとするものである。

直流式電気鉄道の給電系として、例えば原電力変換装置
としてシリコン整流器を、一方事故等に際して事故区間
を他の健全母線より開始するものとして直流式高速度遮
断器を適用している事は周知の通りである。

この様な給電系に於ては直流式高速度遮断器そのものが
入力を主体にした有接点の機構のもので、保守面での煩
雑化、さらには事故区間を開路するに要する遮断時間が
長くなり事故の拡大を招来してしまう等の理由により、
近時サイリスクスイッチを適用した給電系が提唱されて
いる。

この種、無接点化を推し進めた給電系として代表的な構
成例を第１図に示す。

同図でＡは回生能力を有しない変電所を示し、同様にＢ
は回生能力を有する変電所を示したものでこれら変電所
群が線路の亘長に応じて適宜配置しである。

第１図に戻って１は各変電所に給電する商用周波の三相
電源母線で、この入力電源母線下に交流遮断器群２１〜
２５と変圧器群ａ〜３５ とが夫々接続され、４１〜４
４は交流入力電力を直流電力に変換するコンバータ群（
サイリスク整流器）でサイリスク素子をグレーツ結線し
て構成される。

４５は回生用インバータで電気車よりの回生電力を交流
入力電源側へフィードバックする為のもので、上記コン
バータ群と同様にサイリスク素子をグレーツ結線して構
成される。

飄〜５、はコンバータの直流出力側、インバータの直流
入力側に挿入される断路器群で、これら断路器群の一端
は図示する様に直流正極母線Ｃ１，Ｃ２に接続され、こ
の直流正極母線下に５１ｏ−Ｓ１３２％〜ちで示すサイ
リスク素子群と、％〜Ｉ）Ｊび厖〜Ｄ２３で示すダイオ
ード素子群とを夫々逆並列接続して構成したサイリスク
遮断器群が接続され、これらサイリスク遮断器群は従来
周知の直流式高速度遮断器と機能上は同程度もしくはそ
れ以上の機能を持たせるべく配慮しである。

６．ｏ−６１３及び６２ｏ〜６□３はき電線８０，８゜
と直接接続される断路器群を示し、７１，７２は負極母
線を示しその一端は図示する様に線路９□、９２と接続
され、他端はコンバータ側、インバータ側と接続される
。

Ｄｌ及びＤ２は夫々電気車を示す。

この様に構成して成る従来例では、例えば従来周知の直
流式高速度遮断器を置換えるものとして図示する様なサ
イリスク遮断器を適用したものであるから、保守上の煩
雑化を解消できる事は勿論の事、事故時に際して事故区
間の遮断を従来装置に比し著しく短縮できるので事故の
拡大を未然に防止でき、効果的な対策を早急に打出せる
等その効果は太きい。

しかし乍らこの給電系で問題となるのは、第１にサイリ
スクとダイオードとを逆並列接続したサイリスク遮断器
が第１図に示す様に電車線路が複数ある複数化の場合、
図では２回線の例であるが４組必要とする事である。

この様な方法であれば周知の如く大電流を取扱う給電系
であればサイリスク素子そのものが高価であって、給電
系の設備費そのものが非常に不経済となる事である。

さらにサイリスク遮断器が給電系の主回路に挿入される
ものであるから、その保護には一層厳しい制約が課さら
れ、他の機器との保護協調を図る上でサイリスク遮断器
の保護装置そのものが非常に複雑化し、上記欠点と相俟
ってコストアップを一段と助長する事である。

第２に、例えば第１図に示す電気車群で、き電線８□よ
り給電している電気車Ｄ１がカ行運転時にあるものとし
、き電線８□より給電している電気車Ｄ２が、回生運転
時にあるものと仮定して、この状態で給電系ではよくみ
られる現象ではあるが、例えばカ行運転時にある電気車
Ｄ１側の近傍でき電線８、を支持する碍子がリークする
地絡事故等を生じた場合、サイリスク遮断器Ｓ１□断路
器６．２の直流電路に挿入される図示しない過電流継電
器で事故を生じた旨を検出して、この検出信号を基にＡ
変電所のサイリスク整流器４１゜４２のゲートを最小限
の位置までゲートシフトして、電源母線１側より流入す
る事故電流を限流すると共に、この電源母線側よりの事
故電流を８１２のサイリスク遮断器で直ちに遮断する。

このようにＡ変電所より事故点側え流入する事故電流を
遮断して、事故点側の断路器６１２を通して流れる事故
電流が略零になった時点で断路器６．２を開極して、事
故回線のみを選択遮断すると共に４−４の各サイリスク
整流器をＯＮＬ、て給電を再開させる。

しかし乍らＡ変電所の給電を再開しても回生運転時にあ
る電気車Ｄ２よりの回生電力が電気車Ｄ２→断路器６２
３→ダイオードＤ２３→直流正極母線Ｃ２−→サイリス
ク遮断器８２０→断路器６□。

→き電線８１→Ａ変電所付近の図示しない事故点の経路
を通して流れ続ける。

さらにＢ変電所のサイリスク整流器４３及び４４−＋断
路器５３及び５４→直流正極母線Ｃ２→サイリスク遮断
器８２０→断路器６□０→き電線８．→Ａ変電所付近の
図示しない事故点の経路を通して、事故点側えＢ変電所
よりの廻り込み電力が流入する。

これら回生電力と廻り込み電力とを遮断するのが、事故
点に連なるＢ変電所のサイリスク遮断器８２０であるが
、このサイリスク遮断器Ｓ２０は回生電力と廻り込み電
力とを加え合せた遮断容量をもたせねばならないので、
一般には複数のサイリスク素子を並列接続したスタック
体で構成されるものであるが、強制消弧回路と保護装置
とを含めれば遮断器単体でも高価なものとなる。

ましてや高価なサイリスク遮断器をＢ変電所だけでも４
個も使用しているので、■変電肩当りの設備費が非常に
高騰化することは明らかである。

この様な第１図に示す給電系の問題点を解決すべく、本
発明者等は昭和５３年１２月１１日付で第２図に示す様
な給電系を出題している。

この第２図で第１図と同一のものは同一符号を附してお
り、本給電系で特徴とすべき事は、例えば回生機能を有
しないＡ変電所であれば、直流正極母線Ｃ１下に接続す
るものとしては、他の変電所より流入する廻り込み電流
を阻止するストッパーダイオード群Ｄ３０”Ｄ３３と、
これらストッパーダイオード群の直流出力側に従来周知
の断路器群６１ｏ〜６１３を配置して構成している事で
ある。

一方回生機能を備えたＢ変電所であれば、直流正極母線
Ｃ２と回生用母線Ｃ３とを分割して、直流正極母線Ｃ２
下に連なるものとしてはＡ変電所と同様にストッパーダ
イオード群Ｄ４０”Ｄ４３と、断路器群６□。

〜６２３とで構成し、さらに回生用母線Ｃ３側には第２
のストッパーダイオード群Ｄ４４〜Ｄ４□を配置して、
これらストッパーダイオード群の各アノード側を断路器
群６２０−６２３の固定接触子に接続して構成している
。

なお、Ｌｌ及びＬ２．Ｌｌま過電流を制限する為のりア
クドルで、これらリアクトルを削除しても動作上は側ら
支障はないものである。

以上の様な構成の第２図で容易に理解できる様に、先ず
第１に第１図の従来例でみられたサイリスク遮断器群を
全く適用していない事である。

従って給電系全体の保護協調をとる事は非常に容易であ
って、さらに給電系の設備費そのものが非常に経済的で
あるという点である。

かかる第２図の給電系で、例えばカ行運転時にある電気
車Ｄ１側の近傍で地絡事故を生じ且つ他方の電気車Ｄ２
が回生運転時にあるような場合、事故点がＡ変電所側で
あるので、先ずＡ変電所では事故検出信号を基に４１−
４２の各サイリスク整流器を直ちにゲートブロックして
、電源母線１側より流入する事故電流を限流すると共に
２１−２□の各交流遮断器で事故電流を遮断する。

この動作と並行してＢ変電所側では、事故検出信号を基
に４３−４４の各サイリスタ整流器をゲートブロックし
て電源母線側より流入する事故電流を限流すると共に、
この事故電流を２３−２４の各交流遮断器で遮断する。

このようにＡ変電所及びＢ変電所より召貸れ流入する事
故電流が遮断され、この事故電流が略零になった時点で
、例えばＡ変電所側では６１３の断路器を開極しＢ変電
所側では６□０の断路器を開極して、それぞれ事故回線
のみを健全回線より切離した後に各サイリスク整流器４
、−４□及び４３−４４に所望のゲート信号を与えカ行
運転に入らせると共に、Ａ−Ｂ両変電所の各交流遮断器
２１−２２及び２３−２４をそれぞれ再投入して給電を
再開させる。

なお回生運転時にある電気車Ｄ２よりの回生電力は、き
電線側の地絡事故時であってもＢ変電所の直流正極母線
Ｃ２と回生母線Ｃ３は分離した構成であるので、回生用
インバータ４５を通して電源母線１側えのみ全て回生さ
れ、第１図の給電系でみられるような回生電力が事故点
側え流れてエネルギーが回収できないと云うような問題
はない。

しかし乍ら第２図の給電系で問題となるのは、前述した
ようにき電線側の事故時にＡ変電所及びＢ変電所の各サ
イリスク整流器を全てＯＦＦして、事故点に隣接する変
電所は全停電とするものであるから、事故回線に隣接す
る健全き電線８□より給電されている図示しないカ行車
両も停止をよぎなくされ、運用効率そのものが極端に低
下すると云う致命的な欠点がある。

本発明はこの点に鑑みて発明されたものであって、以下
第３図に示す実施例に基づき詳述する。

同図で第１図及び第２図と同一のものは同符号を附して
おり、先ず回生機能を有してないＡ変電所の構成を述べ
てみるに、直流正極母線Ｃ１下に接続するものとしては
、新たに直流スイッチ（この実施例ではサイリスクスイ
ッチ９１ｏ、９１１を適用した例を示しており静止形ス
イッチが最も望ましい）を２組設けて、これらスイッチ
の直流出力側に図示する様に第１のストッパーダイオー
ド群Ｄ３ｏ、Ｄ３３と断路器群６１０６１３とを配して
構成している。

さらに第１のストッパーダイオード群のカソード側と直
流正極母線Ｃ１間に図示極性の通流方向で位置づけた第
２のストッパーダイオード群を介挿して、これら第２の
ストッパーダイオード群と上記直流スイッチ９、。

９．１とで回生運転時にある区間の事故時に対処する様
にしている。

次に回生機能を備えたＢ変電所の構成について述べてみ
るに、直流正極母線Ｃ２下に連なる構成は上記したＡ変
電所と全く同一である。

特徴とすべき点は直流正極母線Ｃ２と回生用母線Ｃ４と
に分割して、回生母線Ｃ４と第１のストッパーダイオー
ド群Ｄ４０ ｊ Ｄ４３のカソード側との間に図示極性
の通流方向で位置づけた第３のストッパーダイオード群
Ｄ４８ ｔ Ｄ５１と回生用インバータ４５ とを介挿
して構成した点にある。

さて、この様に構成して成る本願の動作を述べるに、通
常動作時に於ては従来例と全く同様にＡ変電所及びＢ変
電所共に所定の動作を行ってき電線８１，８□を介して
電気車Ｄ１．Ｄ２にカ行パワーを供給する。

電気車Ｄ１或いはＤ２が回生運転時にある場合回生電力
はＢ変電所の断路器→第３のストッパーダイオード→回
生母線Ｃ４→断路器５．→回生用インバータ４５→交流
遮断器→交流入力電源母線の経路を介して電源側へ回生
される。

さて、この様な定常動作時に於て、例えば電気車り、が
カ行運転時にあり、他方の電気車Ｄ２が回生運転時にあ
ると仮定し、何らかの原因でカ行運転時にある電気車Ｄ
１ の近傍で地絡事故が発生したような場合、本実施例
では先ず事故点に近接するＡ変電所のカ行用ストッパー
ダイオードＤ３□−断路器６，１の直流電路に挿入され
る図示しない過電流継電器よりの事故検出信号を以って
、Ａ変電所の各サイリスク整流器４１−４□をゲートシ
フトして電源母線１側より流入する事故電流を限流する
と共に、この事故電流をＡ変電所のカ行用サイリスク遮
断器９１ｏ（直流スイッチとも呼称されている）で遮断
する。

この動作と並行してＢ変電所側では、前記図示しない過
電流継電器よりの事故検出信号を基に各サイリスク整流
器４３４４をゲートシフトして電源母線側より事故点え
流入する廻り込み電力を限流すると共に、この限流され
た回り込み電力をＢ変電所のカ行用サイリスク遮断器９
□０で遮断する。

このように事故点に近接するＡ変電所及びＢ変電所の各
カ行用サイリスク遮断器９．。

、９□０で事故点に流入する事故電流を遮断して、Ａ変
電所であれば６１１の断路器を通して流れる電流が、同
様にＢ変電所であれ’ｆ６２０の断路器を通して流れる
電流がそれぞれ略零になった時点で、Ａ変電所の断路器
６１．及びＢ変電所の断路器６□０を各々開極して、両
変電所の事故回線のみを他の健全回線より選択遮断した
後に、両変電所Ａ、Ｂの各サイリスク整流器のゲート位
相を順次進めて行って各き電線側え所望のカ行電力を給
電する。

なおＡ変電所及びＢ変電所にあっては、事故回線のみを
選択遮断した後に今迄遮断状態にある各カ行用サイリス
ク遮断器９１０ ｊ ９２０にそれぞれ所望のＯＮゲー
ト信号を与えて、これら遮断器９１ｏ、９□。

を再投入して健全回線側の各断路器６１０及び６２１を
通してき電線側え所望のカ行パワーを供給することは申
す迄もない。

さらに前述したき電線側の地絡事故時に際して、例えば
回生運転時にある電気車Ｄ２よりの回生電力は、電気車
Ｄ２→き電線８□→断路器６□３→第１の回生用ストッ
パーダイオードＤ４７→直流正極母線Ｃ２→力行用サイ
リスク遮断器９２０→力行用ストッパーダイオードＤ４
０→断路器６２０→事故点の経路を通して、事故点側え
流れ込もうとするが、このように事故点側え流れ込もう
とする回生電力はカ行用サイリスク遮断器９□。

で遮断されるので伺ら問題はない。

従って地絡事故時の回生電力は、電気車Ｄ２→き電線８
□→断路器６□３→第２の回生用ストッパーダイオード
Ｄ５．→回生母線Ｃ４→断路器５、→回生用インバータ
４．の経路を通して、商用周波電源母線側え回生される
と共に、電気車Ｄ２→き電線８２→断路器６□３→第１
の回生用ストッパーダイオードＤ４７→直流正極母線Ｃ
２→第２のカ行用サイリスク遮断器９２、→力行用スト
ッパーダイオードＤ４２（又はＤ４３）→断路器６□２
（又は６２３の経路を通して、事故区間に隣接するき電
線８２下の図示しないカ行車両にカ行パワーとして供給
され、エネルギーの有効利用を図っている。

特に重要なことは、Ｂ変電所のインバータ４５が伺らか
の原因で転流失敗してサイリスク整流器４３−４４側よ
り流入する事故電流を処理する場合である。

即ち、Ｂ変電所でインバータ４．の転流失敗時に際して
本実施例によれば、直流正極母Ｃ２と回生母線Ｃ４とを
分離した構成としているので、サイリスク整流器４３−
４．→断路器５３−５４→直流正極母線Ｃ２→力行用サ
イリスク遮断器９□０（又は９２１）→ストッパーダイ
オードＤ４０ Ｄ４１ （又はり、−Ｄ４３）→回生
用ストッパーダイオードＤ４８ Ｄ５１→回生母線Ｃ
４の経路を通して、事故インバータ側え事故電流が流れ
込もうとするが、この事故電流はカ行用サイリスク遮断
器９□。

−％で強制的に遮断するので、事故電流はき電線側より
流入する回生電力又は隣接する変電所よりの廻り込み電
力のみを考慮すればよく、第１図及び第２図に示す従来
装置に比しインバータ転流失敗時。

の保護協調がとり易いと云う利点がある。

なお本実施例に於ては、インバータを設備した変電所と
インバータを設備しない変電所とを電車線路に沿って交
互に配置した給電系の例を示したが、インバータを設備
する変電所は給電系を構成する変電所群で１ケ所或いは
２ケ所設置すればよく、要するに本願はインバータを設
備する変電所であれば、カ行用サイリスク遮断器を２組
のみ設けて主回路構成の簡素化を図り、インバータ転流
失敗時に於ても、サイリスク整流器側より流入す１ る
事故電流をカ行用サイリスク遮断器で遮断して、事故時
の保護協調がとり易いようにしたことを一犬特徴とする
ものである。

なお、実施例に於ては、回生機能を有するＢ変電所の交
流側に連なるインバータ用トランスの機能をコンバータ
側の電源トン ランスに負わせている理由は、例えば回
生用インバータの定常動作時に、インバータの制御方法
によってはインバータ用トランスを削除しても動作上は
伺ら支障のない事を実験結果により確認した結果に基づ
くものであって、この様にインバータ用トランスを削除
すると給電系そのものの設備費を軽減できる利点がある
が、第２図の給電系の様にインバータ用トランスがあっ
ても何ら支障はないものである。

以上の様に本発明に於ては、直流正極母線と回生用母線
とを分割した構成の回生機能を有する変電所と、回生機
能を有しない変電所との直流正極母線側に連なる構成を
、単に２組のカ行用サイリスク遮断器を用いて構成した
ので以下に示すように種々の効果を奏するものである。

■ 回生機能を有する変電所であれ有しない変電所であ
れ、カ行用サイリスタ遮断器は単に２組のみ適用するよ
うにしたので、き電線側の事故時であっても所望のカ行
パワーを健全き電線側え供給でき、運用効率が向上する
ばかりでなくき電線の事故時でも回生電力を電源母線側
及び健全き電線側え供給できるので、エネルギーの有効
利用が図れる給電装置を実現することができる。

■ き電線（電車線回線）１線当りにつき各変電所の直
流スイッチは１組のみ適用する様に構成を配慮している
ので、設備費そのものが非常に経済的な給電系を実現で
きる。

■ 同一き電線下にカ行車両と回生車両とがあった場合
、回生車両の回生電力をカ行車両にカ行パワーとして供
給できる給電系であるので、省エネルギーと云う時流に
沿った給電系を実現でつ きる。

■ 回生車両のき重置間で事故が生じた様な場合事故点
を挟んだ両変電所の給電を瞬時に停止できるので事故の
拡大を未然に防止でき、信頼性。

安定性の非常に高い給電系を実現できる。

ノ図面の簡単な説明 第１図はサイリスク遮断器を適用した従来の代表的な給
電系を示す具体的な回路構成図、第２図はサイリスク遮
断器を不要とする従来の代表的な給電系を示す具体的な
回路構成図、第３図は本発ｉ明の一実施例を示す給電系
の具体的な構成図。

１は交流入力電源母線、４１〜４４はコンバータ、４５
は回生用インバータ、６□０〜６１３，６□。

〜６２３は断路器、７１〜７２は負極母線、８□〜８２
はき電線、９□。

〜９１０，９２ｏ−９２１は直流スイッチ、Ｃ１〜Ｃ２
は直流正極母線、Ｃ４は回生母線、Ｉ）３ｏ ％ Ｄ３
３ ？Ｄ４０”Ｄ４３は第１のストッパーダイオード、
Ｄ３４〜Ｄ３７９ Ｄ４４〜Ｄ４□は第２のストッパー
ダイオード、Ｄ４８〜Ｄ５１は第３のストッパーダイオ
ード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 商用周波電源母線より入力される交流電力を直流電
   力に順変換しね直流正極母線側え供給するサイリスク整
   流器と、回線別に分割されカ行用ストッパーダイオード
   と断路器よりなる複数の直流電路で、デッドセクション
   を挟んで対峠する直流電路をそれぞれ並列接続して２対
   のカ行供給電路を形成すると共に、−これら２対のカ行
   供給電路で前記カ行用ストッパーダイオードのアノード
   側橋絡点と前記直流正極母線間にそれぞれ接続され、且
   つカ行供給電路伺え所望のカ行電力を供給する第１、第
   ２のカ行用サイリスク遮断器と、前記複数の直流電路で
   カ行用ストッパーダイオードと断路器との各橋絡点と前
   記直流正極母線間に接続される第１の回生用ストッパー
   ダイオード群と、前記複数の直流電路でカ行用ストッパ
   ーダイオードと断路器どの各橋絡点と回生母線間に接続
   される第２の回生用ストッパーダイオード群と、前記回
   生母線と商用周波電源母線間に接続され回生電力を電源
   母線側え回生ずるインバータとで構成したことを特徴と
   する直流式電気鉄道の給電装置。