JPS63219430A

JPS63219430A - 選択保護装置

Info

Publication number: JPS63219430A
Application number: JP5259887A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kudo; 工藤　俊明; Toshimasa Shinsenji; 秦泉寺　敏正
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-07
Filing date: 1987-03-07
Publication date: 1988-09-13

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、直流電気鉄道の直流き電線または電車線で発
生した短絡事故から直流き主系統および列車を保護する
ために、列車の起動電流と短絡事故による故障電流とを
識別して故障検出信号を出力する選択保護装置に関する
。

（従来の技術）近年、直流電気鉄道の直流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大とともに著しく大きく
なっている。直流き電線または電車線に発生した短絡事
故から列車および変電所を確実に保護することは極めて
重要なことである。

直流電気鉄道の直流き主系統における単位きポス間の延
長は数すから十数すにも達している。変電所の容量が大
きくなるに従って、直流変電所から遠く離れた末端で短
絡事故が生じたとき、故障電流のピーク値が直流高速度
遮断器の引外し設定値を下回るケースが多くなる。一方
、故障電流を確実に遮断できるように直流高速度遮断器
の引外し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、きポス間が長いと著しく小
さくなってしまう。このため、直流き実系統で短絡１．
１故が発生したとき、これを早期に発見し故障電流を確
実に遮断するために、負荷電流と短絡電流の過渡現象の
相違に着目して故障電流を識別し、選択遮断する選択保
護方式が提案されている。

このような従来のシステムに用いられる選択保護装置の
一例を第６図によって説明する。この選択保護装置は、
列車の起動電流の立上がりが比較的遅く変化の幅が小さ
いのに対して、故障電流の立上がりが比較的急峻で、し
かも、変化の幅が大きいという原理を利用したもので、
時定数Ｔｄより短い期間内に生じた電流の変化量を表す
変数ΔＩ　　（ｔ）を連続的に観察し、この変数Δｒ　
　（ｔ）が設定値ΔＩ　を超えたとき故障検出信号を出
力するものである。

第６図の装置の主回路において、負荷電流■は整流器用
変圧器１０から順変換装置１１、き重用直流高速度遮断
器１２、故障検出用変成器１３、および電車線１５を介
して電車１６に供給され、さらにレール１７を介して電
源側へと流れる。

故障検出用変成器１３の主検出コイル１４には、積分用
抵抗器２１および積分用コンデンサ２２からなる積分回
路２０が接続され−２さらに、積分用コンデンサ２２に
並列に抵抗器２３が接続されている。

き電線を流れる負荷電流１　　（ｔ）と抵抗器２３を流
れる電流ΔＩ　　（ｔ）間の伝達関数Ｇ　（ｓ）は（１
）式で表すことができる。

Ｇ　（ｓ）＝ΔＩ（ｓ）／Ｉ（ｓ） −−Ｍｓ／　（２ＲＴｄ（ｓ＋１／Ｔｄ））・・・（１
）Ｔ、−Ｃ−Ｒ／２ここで、Ｃ：積分用コンデンサ２２の容量Ｒ：抵抗器２
１．２３の抵抗値である。

次に、積分回路２０の回路現象を故障検出用変成器１３
の一次側に換算するために、（１）式において、Ｈ−−２ＲＴｄとおくと、伝達関数Ｇ（ｓ）は（２）式のように変形す
ることができる。

Ｇ　（ｓ）＝ΔＩ　　（ｓ）　／Ｉ　　（ｓ）＝　ｓ　
／　（ｓ　＋　１　／　Ｔ　ｄ）　・・・（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があるが、このサンプリング法で
は、（２）式の伝達関数を（３）式で近似することがで
きる。

ΔＩｎ””ｎ−Ｊｎ−１・・・（３）Ｊｎ””ｎ−１＋ΔＩ、・／Ｔ。

ここで、 ΔＩ　：サンプリング周期ｎにおける電流の変化量を表
す変数Ｊｎ　：サンプリング周期ｎにおける電流の瞬時値Ｊ　　：サンプリング周期ｎにおける電流の重みづけさ
れた電流の終期値Ｊｎ−１’サンプリング周期ｎにおける電流の重みづけ
された電流のｍ初値 Δｔ　：サンプリング周期Ｔ、　：積分回路の時定数である。

従来の故障選択装置の他の一例として示したサンプリン
グ法では、時定数Ｔ、より短い期間内に生じた電流の変
化量を表す変数Δ■　をサンプリング周期Δｔごとに観
測し、変数ΔＩ　が設定値Δ■　を超えたとき故障検出
信号を出力する。すなわち、 Δ’　ｎ””　ｎ−Ｊｎ−１〉ΔＩ、−・・（４）が故
障検出の判別式である。

このような原理に基づいたΔｌ型選択保護装置の動作特
性は第７図に示すｄｉ／ｄｔ−Δ工時性として表すこと
ができる。第７図は代表的な特性曲線であって、Ｔ　、
−０，７５秒とし、設定値をパラメータとして表現して
いる。第７図から明らかなように、故障電流のように電
流変化率ｄ　ｉ　／　ｄ　ｔの大きな電流領域では、Δ
Ｉはほぼ一定で、しかも設定値と一致している。一方、
列車の起動電流のようにｄｉ／ｄｔの小さい電流領域で
は、Δ工は電流変化率ｄｉ／ｄｔに逆比例し、次第に設
定値に近付いていく。Δｌ型選択保護装置はこの特性を
利用して、故障電流と列車の起動電流とを識別している
。

（発明が解決しようとする問題点）このｈ゛式によると、ｄｉ／ｄｔ＝ΔＩ特性曲線の線形
は（４）式で与えられ、時定数Ｔｄを指定すると、一義
的に決まってしまう。しかも、第７図から明らかなよう
に、故障電流と起動電流との識別に重要な役割を果たす
折点がはっきりしないという欠点がある。したがって、
この方式では、変電所から遠く離れたき電線の末端で発
生した短絡事故のように電流変化率ｄｉ／ｄｔの小さな
短絡事故を識別することができない。

本発明は以」二の問題点を解消するためになされたもの
で、ｄｔ／ｄｔ−Δｌ特性曲線の線形をよりシャープに
とらえ、それにより、変電所から遠く離れたき電線の末
端で発生した電流変化率ｄｉ／ｄｔの小さな短絡事故番
も敏感に検出することの可能な直流き電線用の選択保護
装置を提供することを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の選択保護装置は、直流電気鉄道の直流き電線ま
たは電車線を流れる瞬時電流１　　（ｔ）を検出する電
流検出手段と、この電流検出手段によって検出された瞬
時電流Ｉ　　（ｔ）とこの瞬時電流１　　（ｔ）の変化
量を表す変数ΔＩ　（ｔ）との伝達関数Ｇ　（ｓ）−Δ１（ｓ）／１（ｓ）　　　　　　−（５
）が、ｋを１以上の整数、ａを１以下の正の定数、を満
たすように変数ΔＩ　（ｔ）を演算する演算手段と、こ
の変数ΔＩ　　（ｔ）が予め設定された設定値ΔＩ　を
超えたとき故障検出信号を出力する比較手段とを具備し
たことを特徴とする。

（作　用）　　″ 第１図は本発明の基本概念を示す図である。第１図にお
いて、順変換装置１１の出力電流Ｉは分流器１８によっ
て検出され、その検出結果に基づいて演算器２５による
演算が行われる。演算器２５の出力側には抵抗器２９が
接続されている。演算器２５は、伝達関数がそれぞれ（
ＴｄＳ）　　／（（１＋２ａＴ　　Ｓ＋　（Ｔ　　Ｓ）
　２））で表されｄ　　　　　　　　ｄる特性を持った単位演算回路２６．２７．２８・・・を
に段縦続接続したものからなっている。図には簡単のた
めに３段の単位演算回路２６．２７．２８を縦続接続し
たものの例を示している。抵抗器２９は最終段にあるに
番目の単位演算回路２８の負荷側に接続されることにな
る。

次に、分流器１８の端子電圧Ｅ、（ｔ）と抵抗器２９の
端子電圧Ｅ　　（ｔ）との間の伝達関数Ｇ（Ｓ）は（７
）式で表すことができる。

・・・（７）ここに、ｋ≧１とする。

（７）式は２次のバイパスフィルタをに個縦続接続した
ときの伝達関数である。選択保護装置としてのｄ　ｉ／
ｄ　ｔ＝ΔＩ特性曲線の折点は（５）式の定数ａと次数
にとに依存し、次数ｋが大きくなるほどシャープになっ
てくる。定数ａは利得の甲坦域を広くするために通常０
．７程度に選ばれる。（７）式の特性はマイクロコンピ
ュータのアルゴリズムを利用することによって容易に近
似することができる。

（７）式の１（番目の２次フィルタ要素に着目し、Ｉ（
番Ｈのフィルタの人力をΔＩ　　　　出力をΔに一１″ ■、とすれば、入出力間の伝達特性は次式で表される。

・・・・・・（８）（８）式を変形して次の関係式が得られる。

Δ■えを積分した変数として次の２つの変数Ｊ　および
Ｊ２ｋＧ定義する。

ｌｋＪ　噌（１／ＴｄＳ）　　・Δ■にｌｋ・・・　（１０）Ｊ　　−（１／Ｔ、Ｓ）　　・Ｊｌｋｋ・・・　（１１）（１０）、　　（１１）式を（９）式に代入し変形する
ことによって次式が得られる。

Δ■　＝ΔＩ　　　−２ａ　Ｊ　１に−Ｊ　２ｋｋ　　
　　Ｋ−１・・・（１２）（１０）〜（１２）　式をマイクロコンピュータてサン
プリング演算するための近似式は次のようになる。たた
し、Δｔはサンプリング周期である。

Δ１　−Δ１　　　　２　ａ　Ｊ　ｌｋ、ｎ−ｔｋ、ｎ
　　　　ｋ−１，ｎ −Ｊ２に、。−１・・・（１３）＋Δ■　　・Δｔ／ＴｄＪＩｋ、ｎ＝　ＪＩｋ、ｎ−１ｋ、ｎ・・・（１４）Ｊ−Ｊ　　　　＋Ｊ　　　・Δｔ／Ｔｄ２に、ｎ　　　
２に、ｎ−１１に、ｎ・・・（１５）ここで、添字ｎはｎ回目のサンプリング時における各変
数の瞬時値を、また添字ｎ−１はその前のサンプリング
時における各変数の瞬時値を表す。

（１３）〜（１５）式を演算単位としてに個の単位演算
回路を縦続接続して演算することによって（７）式に示
した伝達特性を有する選択保護装置を実現することがで
きる。

第２図はデジタル式Δｌ型選択保護装置において、サン
プリング周期Δｔごとに繰返されるシーケンスのフロー
を示すものである。簡単のために、選択保護装置はすで
に動作状態にあって、サンプリング周期Δｔごとに所定
のシーケンスを実行しているものと仮定する。

まず、ステップＳ１で初期化を行い、次にステップＳ２
でサンプリング周期Δｔごとに負荷電筒■　が読取られ
る。以下、ステップ８３〜ステツプＳ８の演算ルーチン
において、図示のアルゴリズムに従って各人力信号に対
する出力応答の演算が逐次実行される。直流き電線を流
れている電流１　　（ｔ）に対して、その変化量を表す
変数Δ１（１）は、 Δｌ　　（ｔ）　−Ｇ　（ｓ）　　・Ｉ　　（ｓ）ただ
し、のように定義され、ステップ８３〜ステツプＳ８のアル
ゴリズムは、この近似計算を実行する。最後にステップ
Ｓ９で変化量ΔＩ　と設定値ΔＩｒとが比較され、ΔＩ
　〉Δ■　のときは故障かあｒったものとして出力装置３６を介して故障検出信号を出
力する。また、ΔＩ　≦Δｌ、のときは故障ではないも
のとしてステップＳ２に戻り、サンプリング周期Δｔご
とに同じシーケンスが繰返される。

（実施例）第３図は本発明の一実施例を示すものである。

この選択保護装置３０は、主回路の分流器１８から電流
検出信号を得、故障を検出した場合、き重用直流高速度
遮断器１２のトリップコイル１２Ｔに故障検出信号を遮
断器用外しのために送出する装置である。選択保護装置
３０は、分流器１８のアナログ電流検出信号をデジタル
量に変換するＡ／Ｄ変換器３１と、このＡ／Ｄ変換器３
１からの電流検出信号に基づいて第２図のフローチャー
トに示したアルゴリズムを実行するマイクロコンピュー
タ３２と、設定値ΔＩ　、時定数Ｔｄ、およびサンプリ
ング周期Δｔなどをマイクロコンピュータ３２に設定す
るためのデジタルスイッチ３３゜３４．３５と、故障検
出時にトリップコイル１２Ｔを駆動するための出力装置
３６とから構成されている。

第１図に示した基本回路において、電車線１５行・ブレ
ーキ・停止の動作が頻繁に繰返されている。列車の運行
状態が正常な期間は負荷電流の変化率が小さく、しかも
、負荷電流の変化量も小さには一般に複数編成の列車が
負荷され、起動・力いので、選択保護装置３０の出力装
置２６の入力は零である。次に、電車線の末端で短絡事
故が発生した場合を想定すると、故障電流の変化率は列
車の起動電流よりも大きく、しかも、変化量も大きい。

故障の識別は次式で与えられる判別式に基づいて行われ
る。

ΔＩ　〉Δｌ　　　　　　　・・・（１７）ｒこのとき選択保護装置３０の出力装置３６の人力が１に
なり、所定のシーケンス制御によってトリップコイル１
２Ｔか付勢され、き重用直流高速度遮断器１２が切外さ
れる。

第４図は本発明の選択保護装置の代表的な選択保護特性
を示すものである。ｋ−４で、第７図の場合と同様にＴ
　ａ　＝　０　、　７５　（ｓ　）として描いである。

第４図から明らかなように、短絡事故における故障電流
のようなｄ　Ｉ／ｄ　ｔの大きな電流領域では、ΔＩは
ほぼ一定で、しかも、設定値と一致している。一方、列
車の起動電流のようにｄｌ／ｄｔの小さい電流領域では
、ΔＩはｄ　Ｉ／ｄ　ｔの１．／ｎに比例し、急速に設
定値に近付いて行く。

第４図を第７図と比較すると、特性が著しく改善されて
いることは明らかである。このため、短絡事故を確実に
識別できるきポス間が拡大され、また、短絡事故を早期
に検出することが可能になる。

本発明の選択保護装置は、負荷電流の変化率が正負両期
間を通じてサンプリング周期Δｔごとに負荷電流と各演
算回路の初期値とから変化量Δ■を求め、正常な負荷状
態か短絡事故状態かを判定している。しかし、負荷電流
の変化率が負の期間は短絡事故が発生していないことが
明白であるから、この期間を有効に利用すると故障選択
特性を改善することができる。

第５図に負荷電流の変化率を判別して故障選択特性を改
善した実施例のフローチャートを示す。

第５図においては、ステップＳＩＯでサンプリング周期
ｎにおける電流値Ｉ　とその直前のサンプル値Ｉ　　と
を比較し、Ｉ、≧Ｉｎ−１の場合はスチップ８３以下の
第２図のフローチャートと同じｅＸ算を実行し、故障の
識別を（１７）式に基づいて行う。次に、Ｉ＜１（電流
の変化率が負）ｎ　　　　　ｎ−１であれば、ステップＳｌｌ〜Ｓ１４においてサンプリン
グ周期ｎの電流■　が連続して流れ続けた場合の定常値
、すなわち、次式の値を設定する。

Ｊｌｋ、□　　÷Ｏ（ｋ−１，２，・・・、　ｋ）；　
ＩＪ２１．ｎ　　　　　ｎＪ２．、ｎ−０（ｋ−２，３，−・−、ｋ）ΔＩ　　　
　−０（ｋ−１，２，・・・、ｋ）ｋ、ｎ・・・・・・（１８）このように電流の変化率が負の期間における各変数の定
常値を設定し、然る後にステップＳ９に進ませることに
よって、電流の変化率が正の場合の故障選択特性を一様
にすることが可能となり、短絡事故の識別をより確実な
ものとすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、サンプリング周期ΔｔごとにΔＩ　　
（ｔ）の演算を実行し、そのΔＩ　（ｔ）が所定の設定
値を超えたとき、き電線の遮断を行うΔＩ型選択保護装
置において、直流き電線を流れている電流Ｉ　（ｔ）に
対して、その変化量を表す変数ΔＩ　　（ｔ）を（１６
）式のように定義することにより、直流き電線の末端で
短絡事故が発生しても、故障電流を正常な起動電流から
確実に区別することができる。これにより、列車の運転
頻度が人で、負荷電流が著しく変化し、しかも、末端ま
での距離が長い直流き電系統であっても、故障電流を確
実に識別することの可能な高性能の直流き電線の選択保
護装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を説明するための説明図、第
２図は本発明の詳細な説明するためのフローチャート、
第３図は本発明の一実施例を示すブロック図、第４図は
本発明の選択保護装置の特性を説明するための特性線図
、第５図は本発明の他の実施例の作用を説明するだめの
フローチャート、第６図は従来の選択保護装置を説明す
るための回路図、第７図は従来の選択保護装置の特性を
説明するための特性線図である。１０・・・整流器用変圧器、１１・・・順変換装置、１
２・・・き重用直流高速度遮断器、１２Ｔ・・・トリッ
プコイル、１５・・・電車線、１６・・・電車、１７・
・・レール、１８・・・分流器、２５・・・演算器、２
６．２７゜２８・・・単位演算回路、２９・・・負荷抵
抗、３０・・・選択保護装置、３２・・・マイクロコン
ピュータ、３３゜３４．３５・・・デジタルスイッチ、
３６・・・出力装置。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄第２図第３図ｄｌ／ｄｔ（Ａ／ｍｓｌ蝿４図も５図も６図ｄＩ／ｄｔ　（Ａ／ｍｓ）妬７図

Claims

【特許請求の範囲】直流電気鉄道の直流き電線または電車線を流れる瞬時電
流Ｉ（ｔ）を検出する電流検出手段と、この電流検出手
段によって検出された瞬時電流Ｉ（ｔ）とこの瞬時電流
Ｉ（ｔ）の変化量を表す変数ΔＩ（ｔ）との伝達関数Ｇ（ｓ）＝ΔＩ（ｓ）／Ｉ（ｓ）が、ｋを１以上の整数、ａを１以下の正の定数、Ｔ＿ｄ
を時定数として、Ｇ（ｓ）＝［（Ｔ＿ｄＳ）＾２／（１＋２ａＴ＿ｄＳ＋
（Ｔ＿ｄＳ）＾２）］＾ｋを満たすように前記変数ΔＩ
（ｔ）を演算する演算手段と、この変数ΔＩ（ｔ）が予
め設定された設定値ΔＩ＿ｒを超えたとき故障検出信号
を出力する比較手段とを具備したことを特徴とする選択
保護装置。