JPS62205832A - 電気車用直流給電線の故障電流検出装置 - 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、複数のき定区間にまたがって同一方向に走行
する電気車に給電する直流給電線の故障電流を検出する
、電気車用直流給電線の故障ｍ流検出［ｔに関するもの
である。

（従来の技術） 近年、直流電気鉄道のき電線を流れる電流は列車の運転
頻度および編成車両数の増加に伴って著しく大きくなっ
ている。そのため短絡電流も大きくなる傾向にあＤｒ直
流き電線あるいは電車線に生じた短絡事故から電気車や
系統機器を確実に保護することは極めて重要な問題であ
る。

直流電気鉄道の直流ぎ電系統の延長は数−ないし十数−
程度である。変電所の容量が大きくなるに従って、変電
所から遠く離れた末端で短絡故障が生じたときの故障電
流のピーク値が直流高速度＊ｍｉｉの動作設定値を下回
るケースが多くなる。

一方、故障′ｌｉ流を確実に遮断できるように直流高速
度遮断器の動作設定値を設定すると、き電できる電流の
最大値はき電線の延長に逆比例し、き定区間が長いと著
しく小さくなってしまう。このため、直流き電系統で発
生した短絡事故を早期に発見し故障電流を確実に遮断す
るために、負荷電流と知Ｉ８電流との回路現象の相違に
着目して故障電流を識別し、選択遮断する選択保護方式
が採用されている。

従来のシステムの一例を第６図によって説明する。この
故障選択装置は、通常の負荷電流の立ち上がりが比較的
遅く変化の幅が小さいのに対して、故障電流の立ち上が
りが比較的急峻で、しかも、変化の幅が大きいという事
実を利用したもので、所定の時定数ｔｄより短い期間中
に生じた電流の変化量を表わす変数ΔＩｎを連続的に観
測し、この変数ΔＩｎｏｔｆｉ”にｌ定値ΔＩｎを超え
たとき故障電流検出信号を出力する。

第６図において、整流器用変圧Ｎ７に接続された交／直
変換装置１の出力Ｍ流１はき電用直流高速度遮ｌＩｉ器
２、故障検出用変成器３１を経てＴｉ車線４に送出され
、さらに、電気車５を介してレール６に至る回路を流れ
る。出力ｆｆｉ流Ｉと故障検出用変成器３１の主検出コ
イル３２に接続された積分回路３３の出力用抵抗器３６
を流れるＴｉ流ΔＩｎｏとの間の伝達関数Ｇ（Ｓ）は（
１）式で表わすことができる。

ａ＜Ｓ＞−ΔＩｎ　（Ｓ）／Ｉ　（Ｓ）−−ＭＳ／（２
Ｒ−ｔｄ　（Ｓ＋１／ｌ、１　））・・・・・・（１） ｔｄ−ＣＲ／２ ここで、Ｃ：積分用コンデンサ３４の容量Ｒ：積分用抵
抗器３５、出力用抵抗器 ３６の抵抗値 次に、積分回路３３の回路現象を故障検出用変成器３１
の一次コイル（母線）側に換惇するために、（１）式に
おいて Ｍ＝−２Ｒｔｄ と置くと伝達関数Ｇ（Ｓ）は（２）式のように変形でき
る。

Ｇ（Ｓ）−ΔＩｎ　（Ｓ）／Ｉ　（Ｓ）＝Ｓ／　（Ｓ＋
１／ｌｄ）　　　・・・・・・（２）従来のシステムの
他の一例として、マイクロ・コンピュータを適用したサ
ンプリング法では、（２）式の伝達関数を（３）式で近
似し°Ｃいる。

ΔＩ　　−（１−Ｊ、１）（１−ΔＩｎ／１ｄ）ｎ ・・・・・・（３） Ｊ　　−Ｊ　　　＋Δ■　ΔＩｎ／１ｄ　　・・・・・
・（４）ｎ　　　ｎ−Ｉ　　　　ｎ ここで、 ΔＩｎ：号ンブリング期ｎにおける電流の変化量を表わ
す変数、 Ｉ　　：サンプリングーＩｎにおける電流の瞬時値、 Ｊ、　　：’Ｊ−ンブリング１１１　ｎにおける重みづ
けされた電流の終期値、 Ｊ　　：サンプリング期ｎにおける重みづけされた電流
の初期値、 Δｔ　：サンプリング周期、 ｔ、　　：積分回路の時定数 従来の故障選択装置の他の一例とし°Ｃ示したすンブリ
ング法では、時定数ｔ、より短い期間内に生じた電流の
変化山を表わす変数ΔＩｎを連続的に観測し、その変数
ΔＩｎが設定値ΔＩｎ．を超えたとき検出出力信号を出
力する。すなわち、（Ｉｎ−Ｊｏ−１＞＜１−Δｔ／ｉ
ｄ）＞ΔＩｒ・・・・・・（５） が故障検出の判別式である。

（発明が解決しようとする問題点） 一般に、直流電気鉄道の複線区間では、上りおよび下り
方向の電気車に対して、上りおよび下り方向別にき電さ
れるので、き電系統は２対計４回線で構成されている。

上述したような原理に基づいた故ｌＩＯ選択方式は、電
気車がカ行しながら上流のき電区間から電車線のセクシ
ョンを超えて下流のき電区間に進入ケるとき、下流の故
障選択装置が負荷電流の急増を故障電流と見誤ることが
ある。

いま、カ行中の電気車が上流のき電区間Ｆ１から下流の
き電区間Ｆ２に進入する場合について第７図を参照して
説明する。第７図において各回路部品の符号は第６図の
符号に、き電区間Ｆ１のものには数字１を併記し、また
、き電区間Ｆ２のものには数字２を併記して示しておＤ
ｒ交／直変換装置１の出力側からき電区間Ｆ１側では高
速度遮断器２１および変成器３１１を介して電車線４１
に給電され、同様にき電区間Ｆ２側では高速度遮断器２
２および変成器３１２を介して電車線４２に給電される
。両筒車線４．１．４２はセクション９によって区分さ
れている。変成器３１１の主検出コイル３２１には積分
回路３３１が接続され、変成器３１２の主検出コイル３
２２には積分回路３３２が接続される。

第７図において電気車５がき電区間Ｆ１からき電区間Ｆ
２に進入するしのと仮定すれば、き電区間Ｆ２の電流上
昇率ｄｉ２／ｄｔは、 ｄｉ　　／ｄｔ−−ｄｉ１／ｄｔ −Ｅ　　／（Ｌ　　＋１２）　　・・・（６）で表わさ
れ、非常に急峻である。

ここで、 ｉ　：き電区間Ｆ１を流レルＷｔＩＬ。

１２　：き電区間Ｆ２を流れる電流、 Ｅ、：セクション９のアーク電圧、 Ｌｌ　：母線とき電区間Ｆ１のセクション間のインダク
タンス、 Ｌ２：母線とき′虐区間Ｆ２のセクション間のインダク
タンス。

このなめ、電気車がセクションを通過した直後に生じる
負荷電流の急増と故障電流とを識別する必要が生じた。

従来のアナログ型故障選択方式では、電気車が電車線の
セクションを通過しているときには、母線を流れる電流
は変化しないという原理を応用し、セクション補償が必
要な下流側の入力に対して、上流側の検出■の一部を連
続的に加算したＤｒまたは、下流側の故障選択装置の演
ｒＩ装置の出力に上流側の出力の一部を加算したりして
、レクシフン通過時の電流急増を打消す対策がとられて
いる。

以上述べた従来の直流き電線選択保護方式におけるセク
ション補償法は、同一方向へ走行する電気車にき電する
ぎ電線の故障選択装置を継続的に、しかも、密に結合さ
、せているので、他方の電流が急激に減少した直後に短
絡事故が生じたときには設定値を高くしたのと同じ効果
を生み、また、他方の電流が急激に増加した直後に負荷
′ａｆ流が増加とるときには、設定値を低くしたのと同
じ効果を生むので選択性能が悪くなる。このため、電気
車の運転頻度が増加し負荷電流の変化が著しくなると、
負荷電流と故障電流とを識別できなくなるという欠点が
ある。

したがって、本発明の目的は、同一方向へ走行する電気
車にき電するき゛電線の故障選択装置を密に結合させる
ことなＤｒシかも、電気車がセクションを通過するとき
の負荷電流の急激な増加と故＋ｉ電流とを確実に識別す
ることが可能なセクション補償手段を備えた、電気車用
直流給電線の故障電流検出装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、直流給電線を流れる電流に対して、その変化
石を表わす変数ΔＩｎを定義し、このΔＩｎが設定値を
超えたとき検出出力を出すようにした故障電流検出装ｄ
において、同一方向に走行する電気車にき電するき電線
に設けられる故障電流検出装置を一対とし、サンプリン
グ周期Δｔごとに、まず、上流側の検出装置の入力電流
の偏差ｌＩｎ１　−１　　　の符号と絶対値とに着目し
、符ｎ　　　ｎ−ｉ 号が負で、しかも絶対値が成る値Ｄｒよりも大きいとき
には下流側のΔ■ｏを零とすることを特徴とするもので
ある。

（作　用） セづジョン通過に伴う上流側からの進入に際して生ずる
電流急増に対し、上流側での電流急減から察知して予め
補償対策を講することによＤｒかかる電流急増を短絡事
故と誤認しないようにすることができる。通常の短絡事
故の検出に対しては何ら悪影響を及ぼすことはなく、本
来の検出性能を発揮することができる。

（発明の原理） ここで第３図を参照して本発明の詳細な説明する。整流
器用変圧器７から交／直変換装置１を介して直流化され
、両き電区間Ｆ１．Ｆ２にまたがって設けられている正
量ａ８に給電される。当初、電気車５がき電区間Ｆ１を
カ行しているものと仮定すると、負荷電流■は正母線８
からき電用直流ａ速ＦＩｉｌ！！ｌｉ２！２１　、分１
器３７、ｆｆ１ｌＪ１１４１　、オよび電気車５を介し
てレール６に至る経路で流れる。次いで、電気車５がカ
行しながらセクション９を越えてき電区ｔＩＩＦ２に進
入すると、負荷電流は正母線８からき徴用直流高速度遮
断器２２、分流１３８、ｆｆｉ車線４２、および電気車
５を介してレール６に至る経路で流れる。

分１！！３７．３８にはそれぞれコンデンサ３４１．３
４２および抵抗３５１．３５２からなる微分回路３３１
，３３２が接続されている。負荷電流Ｉは分流器３７．
３８によってそれに比例した電圧ｅ、として検出され、
微分回路３３１゜３３２に導かれる。抵抗３５１．３５
２の両端には周知のとと（電圧ｅ、すなわら負荷電ＩＩ
の微分値に比例した電圧ｅ０が生ずる。

分流器３７．３８の端子電圧ｅｉと微分用抵抗３５１．
３５２の端子電圧ｅ０との間の伝達関数Ｇ（Ｓ）は次式
で表わすことができる。

Ｇ（Ｓ）−ｅｏ　（Ｓ）／ｅ、（Ｓ） −８／　（Ｓ＋１／ｌｄ）　　　・・・・・・（７）こ
の（７）式と前述の（２）式の右辺は全く同じ形をして
いる。このことから、（７）式の６６およびｅ、はそれ
ぞれ（２）式のΔ■。およびＩに対応していることが分
かる。また、第３図の回路の過渡現象を（３）式と関連
づけて考えてみると、（３）式のＪ　　は時間１＝１　
　　におけるｎ−１ｎ−１ 微分用コンデンサの初期電圧、Ｊ、はサンプリング周期
Δを経過後の同コンデンサの電圧に対応している。この
ことは、第３図の０路構成は従来のシステム構成の別の
表現法であることを示すものである。

本発明においては、電気車がき電区間Ｆ１から次のぎ電
区間Ｆ２に進入するどき電区問Ｆ１の電流が急激に減少
することを電気車のセクション通過対策に応用し、サン
プリング周期Δｔごとに、き電区間Ｆ１側の電流変化率
Ｄｎを演算し、この電流変化率り。が設定値Ｏｒより小
さいとき、き電区間Ｆ２側のコンデンサ３４２の初期電
圧に相当する変数Ｊ　　をリセットするものである。従
来のＲｅの充放電を利用したアナログ回路は簡単な機能
しかもたせられなかったが、最近はマイクロコンピュー
タを利用することによＤｒコンデンサ３４２の初期電圧
に相当する変数Ｊ　　に対して複雑な演算処理を迅速に
施すことができるので、６度な故障検出機能を実現する
ことができるのである。

−（実施例） 第２図に示すように、き電区間Ｆ１．Ｆ２において、そ
れぞれ分流器３７．３８で検出された負荷電流■は故障
電流検出装＠５０．６０内に導かれ、Ａ／Ｄ変換器５１
．６１によってディジタル信号に変換され、マイクロコ
ンピュータ（以下、ＭＣＰという）５２．６２に入力さ
れる。ＭＣＰ５２．６２にはメモリ５３〜５５．６３〜
６５が付属している。ＭＣＰ５２，６２は結合ライン７
０を介して結合され、摂述の演算処理を行ない、各き定
区間に短絡電流が流れたものと判断すると、ドライバ５
６．６６およびトリップコイル（ＴＯ）２１０．２２Ｃ
を介してき重用直流高速度遮断器２１．２２を開路さ住
る。

次に、第２図におけるＭＣＰ５２．６２の機能について
、第１図のフローチャートを参照しながら説明する。電
気車５は、ここでもｈ行しながらき定区間Ｆ１からＦ２
に向かっているものと仮定する。装置が動作状態に入っ
て初期化（ステップ１ｏ１．２０１）された後、サンプ
リング周期Δｔごとに一連のシーケンスが繰返される。

まず、す°ンブリング周期Δｔごとに負荷電ｆｉＩのサ
ンプル値Ｉ　が読取られる（ステップ１０２．２０２）
次に、き定区間Ｆ１側において、今回のサンプル値Ｉ　
と前回のサンプル値Ｉ　　との偏差Ｉｎ−ｎ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　ｎ−１■　　が所定の設
定値−１ｏ、を下回る（負で、絶対価がＤｒより大〉か
否かを判断する（ステップ１０３）。もし、ＹＥＳのと
きく電気車５がセクション９を通過した直後がこれに相
当する）には、き定区間Ｆ２側のステップ２０３を介し
てステップ２０４により変数Ｊ　　　′４ｉ：ナンブル
値に１゜に置換える処理が実行される。なお、ステップ
２０３は変数Ｊ　　のリセットを行なうか否かの判断部
であＤｒそれはステップ１０３からＹＥＳに対応するリ
セット指令が入力されるか否かに依存して判断を行ない
、リセット指令ありのときはＹＥＳとしてステップ２０
４へ進む。ステップ２０３でＮＯの場合とステップ２０
４の侵はステップ２０５に進む。一方、ステップ１０３
の判断がＮＯの場合はステップ１０５へ進む。ステップ
１０５．２０５および次のステップ１０６゜２０６でΔ
ＩｎおよびＪｎの８１ｉＩ粋が（３）式および（４）式
に従って実行される。最後に、ステップ１０５，２０５
によって求めた変岳ΔＩｒ１の大きさを（５）式に従っ
て設定値ΔＩｎを超えているか否かを判断しくステップ
１０７，２０７＞、ＹＥＳのときはそれぞれドライバ５
６．６６を介してき重用直流高速度遮断器２１．２２の
開路動作が行なわれる。また、Ｎｏのときは、それぞれ
ステップ１０２．２０２に戻って同じシーケンスが繰返
される。

本発明の装置においては、ｒｉ流の変化ｍを表わす変数
ΔＩｎをサンプリング周期Δｔごとに８ｔＩｉする前に
、電流の偏差を検査する論理演算を加えることになるが
、そのための演算時間の増分は極くわずかである。また
、積分演算を行なう前に初期値を変更することも極めて
容易である。上流側き定区間Ｆ１との境界に設けられた
セクションを電気車がカ行しながら通過し、下流側き定
区間Ｆ２へ進入してきた直後にき定区間Ｆ２に生じる電
流急増は、短絡事故と誤認してはならないので、その瞬
間だけ、きｔ区間Ｆ２側の検出装置の積分ａｉｌｎの初
期値Ｊ　　を１　に５！換え、その他の期ｎ−Ｉ　　　
ｎ 間には一対の検出装置の動作を互いに独立動作させるこ
とによＤｒ電気車のセクション通過時の電流急増による
検出装置の不用な誤動作を防ぎ、しかも、短絡事故を確
実に検出することができる。

第４図は、き電線を流れている負荷電流の実測データを
もとに、ΔＩｎ−１を演算した例を示すもので、電気車
はき定区間Ｆ１からＦ２へ向かって走行している。第４
図において、電気車がカ行しながらセクションを超えて
き定区間Ｆ２に進入した直後（７：５５）に、１７００
ＡのΔＩｎ−１を生じている。

次に、第５図は同一力行条件のもとで、本発明によるセ
クション補償を施した例を示すものである。

セクション通過直後の過大なΔＩは消滅し、一方、その
他の期間では、セクション補償の悲影響は現れていない
。このため、き定区間Ｆ１に流れる電流の減衰率が一定
値以下である大部分の期間が負荷電流と故障電流との識
別の対象となＤｒセクション補償が行なわれていない第
４図の場合と比較すると、Δｌの検出レベルを高くする
ことが可能になる。このため、故障電流を確実に識別で
きるき定区間が拡がＤｒまた、短絡事故を早期に検出す
ることが可能になる。

セクション通過と識別される期間は、き定区間Ｆ１側の
電流変化率の符号が負で、しかも、その絶対値が成る値
より大きい期間である。実施例においてサンプリング期
ｎの演算を実行するとき、き重置間Ｆ１側の電流の変化
率が上記した以外の期間では、き電区間Ｆ２側の積分８
１Ｊｔ１の初期値Ｊ　　として過去一定期間内における
負荷電流の変化率に対して重みづけをして得られた聞が
与えられる。その期間にひき続いて短Ｍ事故が発生した
とき、故障の判別は（５）式で与えられる判別式に基づ
いて行なわれる。また、き重置間Ｆ１側の電流変化率の
符号が負で、しかも、その絶対値が成る値より大きい場
合、りなわら、列車がセクションを通過している過程に
おける初期値Ｊｎ−１は、 Ｊ　　　＝Ｉｏ　　　　　　　・・・・・・（８）に置
換えられる。換言すれば、この期間は（５）式に従って
ΔＩｎが零と見なされる。

〔発明の効果〕　　（ 以上説明したように、本発明は直流給電線を流れる電流
に対して、その°変化量を表わす変数ΔＩｎを定義し、
このΔＩｎが設定値を超えたとき検出出力を出すように
した故障電流検出装置において、同一方向に走行する電
気車にき電するき電線に設けられる故障電流検出装置を
一対とし、サンプリング周期Δｔごとに、まず、上流側
の検出装置の入力電流の偏差値１　−１　　　の符号と
ｎ　　　　　ｎ−１ 絶対値とに着目し、符号が負で、しかも絶対値が成る値
Ｄｒよりも大きいときには下流側のΔＩｒを零として、
電気車のセクション通過による電流急増を短絡事故と誤
認しないようにしたものである。この結果、電気車の運
転頻度が大で、負荷電流が著しく変化しでも、セクショ
ン通過と故障とを確実に判別できる高性能の直流き電線
の短絡検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の作用を説明するためのフローヂ
ャート、第２図は本発明の一実施例を示すブロック図、
第３図は本発明の装置の原理を説明するための結線図、
第４図はき電線に電流■。 の実測値からΔＩｎを従来装置の特性でシミュレーショ
ンしたグラフ、第５図は同様のΔＩｎを本発明の装置の
特性でシミュレーションしたグラフ、第６図は従来の短
絡検出装置の原理を説明するための結線図、第７図は電
気車がセクションを通過するときの回路現象を説明する
ための結線図である。 ２１．２２・・・き重用直流高速度７ｎ断器、３７゜３
８・・・分流器、４１．４２・・・電車線、５・・・°
電気車、６・・・レール、８・・・直流母線、９・・・
セクション、５０．６０・・・短絡検出装置、５１，６
１・・・Ａ／Ｄ変換器、５２．６２・・・マイクロコン
ピュータ、５６．６６・・・ドライバ。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 も６　図 昆７　図 手続補正層 昭和６１年４月３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数のき電区間にまたがって同一方向に走行する電気車
   に給電する直流給電線の各き電区間ごとに、 前記直流給電線に流れる電流を所定のサンプリング周期
   でサンプリングして一連のサンプル値を得るサンプリン
   グ手段と、 このサンプリング手段によってサンプリングされた今回
   のサンプル値Ｉ＿ｎが前回のサンプル値Ｉ＿ｎ＿−＿１
   を所定値Ｄ＿ｒよりも大きく下回らない限り今回のサン
   プリングまでの過去の電流の変化量を表わす変数ΔＩ＿
   ｎを今回のサンプル値Ｉ＿ｎと前回までの重みづけされ
   た電流値Ｊ＿ｎ＿−＿１との差に基づいて算出する手段
   と、 前記変数ΔＩ＿ｎを用いて前記電流値Ｊ＿ｎ＿−＿１を
   更新し新たな重みづけされた電流値Ｊ＿ｎを算出する手
   段と、 前記変数ΔＩ＿ｎを予め設定された設定値ΔＩ＿ｒと比
   較し、ΔＩ＿ｎ＞ΔＩ＿ｒのとき故障電流検出信号を出
   力する比較手段と、 前記サンプリング手段によってサンプリングされた今回
   のサンプル値Ｉ＿ｎが前回のサンプル値Ｉ＿ｎ＿−＿１
   を所定値Ｄ＿ｒよりも大きく下回ったとき隣接する下流
   のき電区間側にリセット信号を送出する手段と、 上流のき電区間側からリセット信号を受信することによ
   り前記変数ΔＩ＿ｎを口出するに先立って前回までの重
   みづけされた電流値Ｊ＿ｎ＿−＿１を今回のサンプル値
   Ｉ＿ｎに置換する手段と を具備したことを特徴とする電気車用直流給電線の故障
   電流検出装置。