JPWO2020021672A1 - レール破断検知装置及びレール破断結果管理システム - Google Patents

Abstract

簡易な構成でレールの破断を検知することが可能なレール破断検知装置を得る。レール破断検知装置は、一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と、第１レールとを接続する第１ケーブルに設けられた第１コア部と、インピーダンスボンドの電気的中性点と、第２レールとを接続する第２ケーブルに設けられた第２コア部と、第１コア部に巻回され、第１ケーブルに生じる電流変化に応じて第１起電力を発生させる第１コイルと、第１コイルと電気的に接続され、第２コア部に巻回され、第２ケーブルに生じる電流変化に応じて第２起電力を発生させる第２コイルと、を有し、第１起電力と第２起電力の和となる起電力を発生させる起電力発生部と、起電力発生部が発生させる起電力に基づき、第１レール又は第２レールの破断を判定する破断判定部と、を備える。

Description

本発明は、鉄道レールの破断を検知するレール破断検知装置及びレール破断検知装置を用いたレール破断結果管理システムに関するものである。

従来、鉄道レールの破断検知は、列車位置検知用の軌道回路によって実現されてきた。近年では、列車位置検知に軌道回路を用いない無線式列車制御システム（ＣＢＴＣ：Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｂａｓｅｄ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）の導入が進んでおり、軌道回路を用いないレール破断検知手法が必要とされている。軌道回路を用いないレール破断検知手法の一つとして、帰線電流を用いた破断検知方法がある。

列車走行時に変電所から架線を通じて車両に送られた電流は、車両で消費された後にレールを通じて再び変電所に戻る。レールを通じて変電所へと戻る電流は、帰線電流と呼ばれる。帰線電流は、一対のレールで同じ向きに流れ、レールの閉塞区間毎に設置されたインピーダンスボンドの電気的中性点で合流した後に再度分岐して隣のレールの閉塞区間に流れ込む。レール破断等の異常がない場合は、車両から一対のレールを流れる帰線電流は平衡した値である。しかし、一対のレールの何れかに破断が生じると、破断レール側では、帰線電流が地中に漏れるため、一対のレールを流れる帰線電流に不平衡が生じる。

特許文献１に記載のレール破断検知方法およびレール破断検知装置とその装置を用いたレール破断箇所検出方法では、帰線電流を車両上で測定して一対のレールを流れる帰線電流の不平衡率を算出することでレールの破断を検知する技術について記載されている。

また、特許文献２に記載のレール破断検知装置では、一対のレールの一方に第１検知区間Ｌ１を、もう一方に第２検知区間Ｌ２を設け、帰線電流によって第１検知区間Ｌ１に生じた第１電圧降下信号Ｖ１と、帰線電流によって第２検知区間に生じた第２電圧降下信号Ｖ２との不平衡からレールの破断を検知する技術について記載されている。

特開平６−３２１１１０ 特開２０１２−９１６７１

特許文献１に記載のレール破断検知方法およびレール破断検知装置とその装置を用いたレール破断箇所検出方法では、ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）等で使用されるレール破断検知方法と同等の原理に基づいて車両上から帰線電流を測定しているが、帰線電流は直流又は低周波であるため、帰線電流を車両上から精度よく測定することは困難である。
また、レールの抵抗成分は極めて小さいため、特許文献２に記載のレール破断検知装置を用いてレールの破断を精度よく検知するためには、検知区間を長くする必要がある。しかし、検知区間を長くするとレールに導線を長く這わせる必要があるため構成が複雑になる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成でレールの破断を検知することが可能なレール破断検知装置及びレール破断検知装置を用いたレール破断結果管理システムを得ることを目的とする。

本発明に係るレール破断検知装置は、一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と、第１レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第１ケーブルの周方向に沿って環状に設けられた第１コア部と、インピーダンスボンドの電気的中性点と、第２レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第２ケーブルの周方向に沿って環状に設けられた第２コア部と、第１コア部に巻回され、第１ケーブルに生じる電流変化に応じて第１起電力を発生させる第１コイルと、第１コイルと電気的に接続され、第２コア部に巻回され、第２ケーブルに生じる電流変化に応じて第２起電力を発生させ、第２ケーブルに第１ケーブルと同一方向かつ同一の大きさの電流変化が生じた場合は、第１起電力を打ち消すように第２起電力を発生させる第２コイルと、を有し、第１起電力と第２起電力の和となる起電力を発生させる起電力発生部と、起電力発生部が発生させる起電力に基づき、第１レール又は第２レールの破断を判定する破断判定部と、を備える。

本発明に係るレール破断検知装置は、一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と第１レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第１ケーブルの周方向に沿って環状に設けられ、第１ケーブルに流れる帰線電流に応じて第１磁束を発生させる磁性体材料で構成された第１コア部と、インピーダンスボンドの電気的中性点と、第２レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第２ケーブルの周方向に沿って環状に設けられ、第１コア部と機械的に接続され、第２ケーブルに流れる帰線電流に応じて第２磁束を発生させ、第２ケーブルに第１ケーブルと同一方向かつ同一の大きさの帰線電流が流れた場合に、第１磁束を打ち消すように第２磁束を発生させる磁性体材料で構成された第２コア部と、第１コア部又は第２コア部のいずれか一方に設けられたギャップ内に配置され、第１磁束及び第２磁束の和に応じて起電力を発生させるホール素子と、を有する起電力発生部と、起電力発生部のホール素子が発生させる起電力に基づき、第１レール又は第２レールの破断を判定する破断判定部と、を備える。

本発明に係るレール破断結果管理システムは、上述のレール破断検知装置と、レール破断検知装置によって検知されたレールの破断検知結果とレールの閉塞区間毎にそれぞれ割り振られた番号である管理番号とを対応付けて格納する管理サーバと、を備え、レール破断検知装置は、ネットワークを介してレールの破断検知結果と、管理番号とを管理サーバへと出力する情報出力部を有することを特徴とする。

本発明に係るレール破断検知装置は、簡易な構成でレールの破断を検知することができる。

本発明に係るレール破断結果管理システムは、簡易な構成でレールの破断を検知することができる。

本発明の実施の形態１に係るレール破断検知装置の周辺の構成を例示する図である。 レールに取り付けられたインピーダンスボンドの構成を例示する図である。 本発明の実施の形態１に係るレール破断検知装置の構成を例示する図である。 本発明の実施の形態１に係るレール破断検知装置の起電力発生部の変形例を示した図である。 第１ケーブル及び第２ケーブルと、本発明の実施の形態１に係るレール破断検知装置の第１コア部及び第２コア部との位置関係を例示した図である。 本発明の実施の形態１に係るレール破断検知装置の破断判定部の構成を例示した図である。 レールが破断していない場合の帰線電流の流れ方を示す図である。 レールが破断した場合の帰線電流の流れ方を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るレール破断検知装置の構成を例示する図である。 本発明の実施の形態２に係るレール破断検知装置の起電力発生部の変形例を示した図である。 本発明の実施の形態３に係るレール破断結果管理システムの構成を例示した図である。 本発明の実施の形態３に係るレール破断結果管理システムの管理サーバの構成を例示した図である。 本発明の実施の形態３に係るレール破断結果管理システムの構成を例示した図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示するレール破断検知装置に係る実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレール破断検知装置１００及び周辺の構成を例示する図である。図１には、列車１と、一対の第１レール２ａ及び第２レール２ｂと、第１レール２ａ及び第２レール２ｂにそれぞれ設けられたレール絶縁部３ａ、３ｂと、第１レール２ａ及び第２レール２ｂを電気的に接続するインピーダンスボンド４と、インピーダンスボンド４に取り付けられ、第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断を検知するレール破断検知装置１００と、変電所５と、架線６と、が示される。
インピーダンスボンド４は、レール絶縁部３ａ、３ｂによって第１レール２ａ及び第２レール２ｂが隣接する閉塞区間に対して絶縁されている箇所に付設され、列車制御用の信号電流を通過させずに帰線電流だけを隣接する閉塞区間に流すための装置である。

図２は、第１レール２ａ及び第２レール２ｂと電気的に接続するインピーダンスボンド４の構成を例示する図である。インピーダンスボンド４の第１巻線４２ａは、第１ケーブル４１ａによって第１レール２ａと接続され、第２ケーブル４１ｂによって第２レール２ｂと接続される。第１ケーブル４１ａが接続される第１レール２ａと、第２ケーブル４１ｂが接続される第２レール２ｂとは、同一閉塞区間の一対のレールである。また、第２巻線４２ｂは、第３ケーブル４３ａによって第１レール２ａと接続され、第４ケーブル４３ｂによって第２レール２ｂと接続される。第３ケーブル４３ａが接続される第１レール２ａと、第４ケーブル４３ｂが接続される第２レール２ｂとは、同一閉塞区間の一対のレールである。第１巻線４２ａ及び第２巻線４２ｂは、第５ケーブル４４によって電気的に接続される。第５ケーブル４４は、電気的中性点Ｐを有する。

図３は、第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断を検知するレール破断検知装置１００の構成を例示する図である。図３に示すように、レール破断検知装置１００は、帰線電流によって第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化に応じて起電力を発生させる起電力発生部１１と、起電力発生部１１が発生させた起電力に基づき第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂが接続された第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断判定を行う破断判定部１２とを有する。

なお、図３では、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに起電力発生部１１を取り付けた構成を例示しているが、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに起電力発生部１１を取り付けた構成でもレールの破断を検知できる。
第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに起電力発生部１１を取り付けた場合、起電力発生部１１は第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化に応じて起電力を発生させる。破断判定部１２は、起電力発生部１１が発生させる起電力に基づき、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂが接続された第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断を判定する。

レール破断検知装置１００が、どの閉塞区間におけるレールの破断を判定するように設置されるかは、レール破断検知装置１００が設置される前、又は設置される時点で決定される。
以下、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに起電力発生部１１を取り付けた場合について説明する。

実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、起電力発生部１１に起電力が発生した場合に、破断判定部１２によって破断判定を行い、第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断を検知する構成である。レール破断検知装置１００の詳細な構成については後述する。

一般的に、第１レール２ａ及び第２レール２ｂに流れる帰線電流は、毎回異なる値である。したがって、帰線電流を測定し、第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断を検知する場合には、帰線電流が流れる毎に帰線電流の電流値を測定し、測定した電流値に応じた閾値を用いて破断の検知を行う必要がある。

一方、実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、帰線電流によって第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの電流変化が生じた場合には起電力発生部１１が起電力を発生させない構成である。つまり、第１レール２ａ又は第２レール２ｂが破断して第１レール２ａ及び第２レール２ｂに流れる帰線電流に不平衡が生じることによって、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂの電流変化に不平衡が生じた場合に起電力発生部１１が起電力を発生させる構成である。

したがって、実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、帰線電流の大きさに関わらず、起電力発生部１１が起電力を発生させた場合に第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断を検知することができる。また、実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、帰線電流の電流値を測定する必要がないため、簡単な構成でレールの破断を検知することができる。

次に、レール破断検知装置１００の起電力発生部１１及び破断判定部１２の詳細な構成について説明する。

起電力発生部１１は、第１ケーブル４１ａの周方向に沿って環状に設けられた第１コア部１１１ａと、第２ケーブル４１ｂの周方向に沿って環状に設けられた第２コア部１１１ｂと、第１コア部１１１ａに巻回され、第１ケーブル４１ａに生じる電流変化に応じて第１起電力を発生させる第１コイル１１２ａと、第２コア部１１１ｂに巻回され、第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化に応じて第２起電力を発生させる第２コイル１１２ｂと、を有する。
なお、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂの形状は、環状に限るものではなく、例えば、三角形状若しくは四角形状等の多角形状又は楕円形状でもよい。

第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、磁性体によって構成される。第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂを磁性体によって構成することで、第１ケーブル４１ａに生じる電流変化に応じて発生する磁束が第１コア部１１１ａの外に漏れることを防止し、第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化に応じて発生する磁束が第２コア部１１１ｂの外に漏れることを防止できる。したがって、第１コイル１１２ａと第２コイル１１２ｂとを設ける位置を適宜変更することができ、レール破断検知装置１００の構成を簡素化できる。

なお、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、必ずしも磁性体によって構成される必要はなく、例えば、プラスチック等の非磁性体によって構成してもよい。しかし、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂを非磁性体によって構成する場合は、第１コイル１１２ａが第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化によって起電力を発生させない位置に第１コイル１１２ａを配置し、第２コイル１１２ｂが第１ケーブル４１ａに生じる電流変化によって起電力を発生させない位置に第２コイル１１２ｂを配置する必要がある。

第１コイル１１２ａ及び第２コイル１１２ｂは、電気的に接続される。また、第１コイル１１２ａ及び第２コイル１１２ｂは、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの電流変化が生じた場合に、第１コイル１１２ａが発生させる第１起電力と、第２コイル１１２ｂが発生させる第２起電力とは、互いに打ち消し合うようにそれぞれ第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂに巻回される。
ここで、同じ向きの電流変化とは、第１レール２ａから第１ケーブル４１ａを通過してインピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐへと向かう電流と、第２レール２ｂから第２ケーブル４１ｂを通過してインピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐへと向かう電流とが、それぞれ増加する場合若しくはそれぞれ減少する場合、又はインピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐから第１ケーブル４１ａを通過して第１レール２ａへと向かう電流と、インピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐから第２ケーブル４１ｂを通過して第２レール２ｂへと向かう電流とが、それぞれ増加する場合若しくはそれぞれ減少する場合を指す。また、互いに逆向きの起電力とは、第１コイル１１２ａの両端に生じる第１起電力と、第２コイル１１２ｂの両端に生じる第２起電力とが互いに打ち消し合う向きであることを指す。

第１コイル１１２ａ又は第２コイル１１２ｂに生じる起電力は、式（１）によって表される。なお、式（１）に示すｉは、１又は２である。つまり、ｉ＝１の場合は、式（１）に示すＶ_１は第１起電力であり、Ｎ_１は第１コイル１１２ａの巻回数であり、Φ_１は第１コア部１１１ａに発生する磁束密度であり、μ_１は第１コア部１１１ａの透磁率であり、Ｈ_１は第１コア部１１１ａに発生する磁束であり、ｉ＝２の場合は、式（１）に示すＶ_２は第２起電力であり、Ｎ_２は第２コイル１１２ｂの巻回数であり、Φ_２は第２コア部１１１ｂに発生する磁束密度であり、μ_２は第２コア部１１１ｂの透磁率であり、Ｈ_２は第２コア部１１１ｂに発生する磁束である。

第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの電流変化が生じた場合に、起電力発生部１１が起電力を発生させない構成にするためには、Ｖ_１（第１起電力）とＶ_２（第２起電力）の大きさが等しく、起電力の向きが反対であればよい。つまり、Ｖ_１＝−Ｖ_２であればよい。例えば、Ｖ_１（第１起電力）とＶ_２（第２起電力）の大きさが等しく、起電力の向きが反対であり（Ｖ_１＝−Ｖ_２）、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂが同一の材料から構成され、第１コイル１１２ａ及び第２コイル１１２ｂが同一の材料から構成される場合は、式（１）よりＮ_１＝−Ｎ_２が成立するため、第１コイル１１２ａと第２コイル１１２ｂの巻回方向は互いに逆方向であり、第１コイル１１２ａと第２コイル１１２ｂの巻回数は同数となる。

つまり、第１コア部１１１ａの材料及び形状、並びに、第１コイル１１２ａの材料、形状及び巻回数と、第２コア部１１１ｂの材料及び形状、並びに、第２コイル１１２ｂの材料、形状及び巻回数とは、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの電流変化が生じた場合に、式（１）がＶ_１＝−Ｖ_２を満たす構成であればよい。

破断判定部１２は、第１コイル１１２ａ及び第２コイル１１２ｂと電気的に接続され、起電力発生部１１が発生させた起電力を測定する。破断判定部１２は、起電力発生部１１が発生させた起電力が、閾値以上の場合に第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断判定を行う。
閾値は、例えば、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない状態で列車１が走行した場合に起電力発生部１１が発生させる起電力の値を事前に計測し、起電力の平均値と標準偏差を算出することで決定される。具体的には、閾値は、式（２）に基づき決定される。なお、Ｖｈは閾値、Ｖ０は起電力の平均値、σは標準偏差、αはレール破断検知の要求精度に応じて決定される値である。
Ｖｈ ＝ Ｖ０ ＋ ασ （２）

図４は、起電力発生部１１の変形例を示した図である。第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、必ずしもループ形状である必要はなく、図４に示すように、それぞれ間隙Ｃ及び間隙Ｄを有する構成であってもよい。第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂがそれぞれ間隙Ｃ及び間隙Ｄを有する構成にすることによって、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂへの、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂの取り付けが簡易になる。

図５は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂと、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂとの位置関係を例示した図である。図５に示す法線ベクトルＮａは、第１コア部１１１ａの内側に開口される開口面Ｓａの法線ベクトルであり、法線ベクトルＮｂは、第２コア部１１１ｂの内側に開口される開口面Ｓｂの法線ベクトルである。図５では、第１ケーブル４１ａは、法線ベクトルＮａと並行に設けられ、第２ケーブル４１ｂは、法線ベクトルＮｂと並行に設けられる。つまり、図５では、法線ベクトルＮａの方向と、第１ケーブル４１ａを流れる電流の方向とが並行であり、法線ベクトルＮｂの方向と、第２ケーブル４１ｂを流れる電流の方向とが並行である。

第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる電流によって、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂのそれぞれに発生する磁束の大きさは、アンペールの法則に従って決定される。つまり、法線ベクトルＮａの方向と第１ケーブル４１ａを流れる電流の方向とを並行に設け、かつ法線ベクトルＮｂの方向と第２ケーブル４１ｂを流れる電流の方向とを並行に設けた場合に、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂに発生する磁束がそれぞれ最大になるため、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化に応じて起電力発生部１１が発生させる起電力が大きくなる。したがって、第１ケーブル４１ａを法線ベクトルＮａと並行に設け、第２ケーブル４１ｂを法線ベクトルＮｂと並行に設けることによって、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化を精度よく検知することができる。

図６は、破断判定部１２の構成を例示した図である。破断判定部１２は、図６に示すようなＣＰＵ１００１ａがメモリ１００２ａに記憶されたプログラムを実行するソフトウェア制御によって実現することが可能である。
また、破断判定部１２は、第１レール２ａ又は第２レール２ｂが破断し、起電力発生部１１が発生させる起電力が予め決定した閾値を上回った場合に、起電力発生部１１が発生させる起電力を電源として動作する構成にしても良い。起電力発生部１１が発生させる起電力を電源として動作する構成にすると、破断判定部１２は、外部電源を利用せずに第１レール２ａ又は第２レール２ｂの破断判定を行うことができる。

次に帰線電流の流れ方を、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない場合と、第１レール２ａ又は第２レール２ｂが破断した場合とに分けて説明する。

図７は、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない場合の帰線電流の流れ方を示す図である。図７において、矢印は帰線電流の流れる方向を示しており、Ａ１、Ａ２及びＡ３は、レール絶縁部３ａ、３ｂによって区切られた各閉塞区間を示す。なお、図７ではレール破断検知装置１００の起電力発生部１１は、インピーダンスボンド４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂにそれぞれ設けられるが、図７中では記載を省略する。

第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない場合、閉塞区間Ａ１の第１レール２ａ及び第２レール２ｂを流れる帰線電流は、インピーダンスボンド４ｂの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂを通ってインピーダンスボンド４ｂの電気的中性点Ｐで合流し、インピーダンスボンド４ｂの第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂを通って隣の閉塞区間Ａ２の第１レール２ａ及び第２レール２ｂに流れ込む。閉塞区間Ａ２から閉塞区間Ａ３への帰線電流の流れ方も同様である。

図７に示すように、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない場合は、各閉塞区間において第１レール２ａ及び第２レール２ｂを流れる帰線電流の大きさは等しくなるため、各閉塞区間の第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化は平衡である。また、各閉塞区間の第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化も平衡である。

次に第２レール２ｂが破断した場合における帰線電流の流れ方について説明する。図８は、第２レール２ｂに破断Ｂが発生した場合の帰線電流の流れ方を示す図である。図８において、矢印は帰線電流の流れる方向を示しており、Ａ１、Ａ２及びＡ３は、レール絶縁部３ａ、３ｂによって区切られた各閉塞区間を示す。また、図８ではレール破断検知装置１００の起電力発生部１１は、インピーダンスボンド４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂにそれぞれ設けられるが、図８中では記載を省略する。

閉塞区間Ａ１の第１レール２ａ及び第２レール２ｂには、破断が発生していないため、インピーダンスボンド４ｂの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化は平衡である。また、インピーダンスボンド４ａの第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化も平衡である。

しかし、閉塞区間Ａ２では第２レール２ｂに破断Ｂが発生しているため、閉塞区間Ａ２の第２レール２ｂでは、第２レール２ｂと大地との間の漏れインピーダンス成分に基づく漏れ電流しか流れない。一般的に、鉄道において、漏れインピーダンスは大きくなるように設定されているので、閉塞区間Ａ２の第２レール２ｂを流れる帰線電流は小さくなる。したがって、閉塞区間Ａ２の第１レール２ａ及び第２レール２ｂを流れる帰線電流に不平衡が生じるので、インピーダンスボンド４ｃの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化は不平衡となる。また、閉塞区間Ａ２の第２レール２ｂに破断Ｂが発生した場合は、インピーダンスボンド４ｂの第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化も不平衡となる。

破断Ｂによって、インピーダンスボンド４ｃの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流には不平衡が生じるが、インピーダンスボンド４ｃの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流は、インピーダンスボンド４ｃの電気的中性点Ｐで合流し、インピーダンスボンド４ｃの第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂを通って隣の閉塞区間Ａ３の第１レール２ａ及び第２レール２ｂに流れ込む。閉塞区間Ａ３の第１レール２ａ及び第２レール２ｂには破断が発生していないため、インピーダンスボンド４ｃの第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化は平衡であり、閉塞区間Ａ３の第１レール２ａ及び第２レール２ｂに流れる帰線電流は平衡である。

したがって、図８に示すように、閉塞区間Ａ２に破断Ｂが発生した場合でも、隣接する閉塞区間Ａ１及び閉塞区間Ａ３の第１レール２ａ及び第２レール２ｂに流れる帰線電流は平衡であり、インピーダンスボンド４ｂ、４ｄのそれぞれの第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化は平衡である。また、インピーダンスボンド４ｃの第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化も平衡である。

図７を用いて説明したように、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない場合は、第１レール２ａ及び第２レール２ｂを流れる帰線電流は平衡であるため、インピーダンスボンド４の第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化も平衡である。起電力発生部１１は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの電流変化が生じた場合には、起電力を発生させない構成である。したがって、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない場合、起電力発生部１１は、起電力を発生させない。

一方、図８を用いて説明したように、第１レール２ａ又は第２レール２ｂが破断した場合は、破断が発生した閉塞区間の第１レール２ａ及び第２レール２ｂを流れる帰線電流に不平衡が生じるため、破断が発生した閉塞区間の第１レール２ａ及び第２レール２ｂとそれぞれ接続している第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化は不平衡となる。起電力発生部１１は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化に応じて起電力を発生させるため、レール破断検知装置１００は、レールの破断を検知できる。

レール破断検知装置１００は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化が不平衡の場合にレールの破断を検知する。つまり、図８に示す場合において、レール破断検知装置１００は、閉塞区間Ａ２においてレールが破断したことを検知できる。

また、第１レール２ａ又は第２レール２ｂが破断した場合は、破断が発生した閉塞区間の第１レール２ａ及び第２レール２ｂとそれぞれ接続している第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化も不平衡となる。したがって、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに起電力発生部１１を取り付けた構成でも、レール破断検知装置１００は、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに生じる電流変化が不平衡の場合に、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂとそれぞれ接続している第１レール２ａ及び第２レール２ｂの破断を検知することができる。

なお、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに起電力発生部１１を取り付けた構成であっても、起電力発生部１１は、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに同じ大きさかつ同じ向きの電流変化が生じた場合には起電力を発生させない構成である。
ここで、同じ向きの電流変化とは、インピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐから第３ケーブル４３ａを通過して第１レール２ａへと向かう電流と、インピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐから第４ケーブル４３ｂを通過して第２レール２ｂへと向かう電流とが、それぞれ増加する場合若しくはそれぞれ減少する場合、又は第１レール２ａから第３ケーブル４３ａを通過してインピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐへと向かう電流と、第２レール２ｂから第４ケーブル４３ｂを通過してインピーダンスボンド４の電気的中性点Ｐへと向かう電流とが、それぞれ増加する場合若しくはそれぞれ減少する場合を指す。

実施の形態１に係るレール破断検知装置は、一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と、第１レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第１ケーブルの周方向に沿って環状に設けられた第１コア部と、インピーダンスボンドの電気的中性点と、第２レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第２ケーブルの周方向に沿って環状に設けられた第２コア部と、第１コア部に巻回され、第１ケーブルに生じる電流変化に応じて第１起電力を発生させる第１コイルと、第１コイルと電気的に接続され、第２コア部に巻回され、第２ケーブルに生じる電流変化に応じて第２起電力を発生させ、第２ケーブルに第１ケーブルと同一方向かつ同一の大きさの電流変化が生じた場合は、第１起電力を打ち消すように第２起電力を発生させる第２コイルと、を有し、第１起電力と第２起電力の和となる起電力を発生させる起電力発生部と、起電力発生部が発生させる起電力に基づき、第１レール又は第２レールの破断を判定する破断判定部と、を備える。

また、実施の形態１に係るレール破断検知装置の破断判定部は、起電力発生部が発生させる起電力が予め決められた閾値以上の場合に第１レール又は第２レールの破断を判定することを特徴とする。

以上の構成によって実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、簡易な構成でレールの破断を検知することができ、メンテナンス負荷が軽減される。

また、実施の形態１に係るレール破断検知装置の第１コア部及び第２コア部は、磁性体によって構成されることを特徴とする。

以上の構成によって実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、第１コイル１１２ａと第２コイル１１２ｂとを設ける位置を適宜変更でき、レール破断検知装置１００の構成を簡素化することができる。

また、実施の形態１に係るレール破断検知装置の第１コア部及び第２コア部は、それぞれ一部に間隙を有することを特徴とする。

以上の構成によって実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂへの、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂの取り付けが簡易になる。

また、実施の形態１に係るレール破断検知装置は、第１コア部の内側に形成される開口面の法線ベクトルの方向と、第１ケーブルを流れる電流の方向とが並行であり、第２コア部の内側に形成される開口面の法線ベクトルの方向と、第２ケーブルを流れる電流の方向とが並行であることを特徴とする。

以上の構成によって実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに生じる電流変化を精度よく検知することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るレール破断検知装置２００の構成について説明する。なお、実施の形態１と同一または対応する構成については、その説明を省略し、構成の異なる部分のみを説明する。実施の形態１に係るレール破断検知装置１００は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流の電流変化に不平衡が発生した場合、つまり、レールが破断した瞬間を検知する構成である。
一方、実施の形態２に係るレール破断検知装置２００では、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流に不平衡が発生している場合、つまり、レールが破断している状態を検知できる。

図９は、実施の形態２に係るレール破断検知装置２００の構成を例示する図である。図９に示すように、レール破断検知装置２００は、第１コイル１１２ａ及び第２コイル１１２ｂの代わりにホール素子１１３を有する構成である。ホール素子１１３は、ホール効果を利用した電磁変換素子である。

なお、図９では、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに起電力発生部１１を取り付けた構成を例示しているが、第３ケーブル４３ａ及び第４ケーブル４３ｂに起電力発生部１１を取り付けた構成でもレールの破断を検知することができる。
以下、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに起電力発生部１１を取り付けた場合について説明する。

第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、磁性体で構成され、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流に応じて磁束を発生させる。また、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、機械的に接続される。

実施の形態２に係る第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの帰線電流が流れる場合には、第１コア部１１１ａで発生する第１磁束と、第２コア部１１１ｂで発生する第２磁束とが互いに打ち消し合う。つまり、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに同じ大きさかつ同じ向きの帰線電流が流れる場合には磁束が発生せず、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流が不平衡の場合には磁束が発生する構成である。
第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、例えば、磁性体材料で構成された環状体を、中間位置において奇数回ひねって８字形に形成することで、実現することが出来る。

第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂのいずれか一方に設けられたギャップ内には、ホール素子１１３が配置される。ホール素子１１３は、破断判定部１２に接続される。また、ホール素子１１３は、破断判定部１２から一定の電流が供給される。

ホール素子１１３は、第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂが発生させる磁束に応じた起電力を発生させる。破断判定部１２は、ホール素子１１３が発生させた起電力を測定する。破断判定部１２は、ホール素子１１３が発生させる起電力が閾値以上の場合に破断を判定する。
閾値は、例えば、第１レール２ａ及び第２レール２ｂが破断していない状態で列車１が走行した場合にホール素子１１３が発生させる起電力の値を事前に計測し、起電力の平均値と標準偏差を算出することで決定される。具体的には、閾値は、式（２）に基づき決定される。

第１コア部１１１ａ及び第２コア部１１１ｂは、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流が不平衡の場合に磁束が発生する構成のため、ホール素子１１３は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流が不平衡の場合に起電力を発生させる。

つまり、ホール素子１１３は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流に不平衡が発生している間は、常に起電力を発生させる。

したがって、実施の形態２に係るレール破断検知装置２００は、レールが破断した瞬間だけでなく、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流に不平衡が発生している場合、つまり、レールが破断している状態を検知でき、レールの破断をより精度よく検知することが可能となる。

図１０は、起電力発生部１１の変形例を示した図である。第１コア部１１１ａ及び第２コイル１１２ｂは、必ずしもループ形状である必要はなく、図１０に示すように、それぞれ間隙Ｅ及び間隙Ｆを有する構成であってもよい。第１コア部１１１ａ及び第２コイル１１２ｂがそれぞれ間隙Ｅ及び間隙Ｆを有する構成にすることによって、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂへの、第１コア部１１１ａ及び第２コイル１１２ｂの取り付けが簡易になる。

実施の形態２に係るレール破断検知装置は、一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と第１レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第１ケーブルの周方向に沿って環状に設けられ、第１ケーブルに流れる帰線電流に応じて第１磁束を発生させる磁性体材料で構成された第１コア部と、インピーダンスボンドの電気的中性点と、第２レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第２ケーブルの周方向に沿って環状に設けられ、第１コア部と機械的に接続され、第２ケーブルに流れる帰線電流に応じて第２磁束を発生させ、第２ケーブルに第１ケーブルと同一方向かつ同一の大きさの帰線電流が流れた場合に、第１磁束を打ち消すように第２磁束を発生させる磁性体材料で構成された第２コア部と、第１コア部又は第２コア部のいずれか一方に設けられたギャップ内に配置され、第１磁束及び第２磁束の和に応じて起電力を発生させるホール素子と、を有する起電力発生部と、起電力発生部のホール素子が発生させる起電力に基づき、第１レール又は第２レールの破断を判定する破断判定部と、を備える。

以上の構成によって実施の形態２に係るレール破断検知装置２００は、第１ケーブル４１ａ及び第２ケーブル４１ｂに流れる帰線電流に不平衡が発生している場合、つまり、レールが破断している状態を検知できるため、レールの破断をより精度よく検知することが可能となる。

実施の形態３．
次に、実施の形態１または実施の形態２に係るレール破断検知装置を用いたレールの破断検知結果を管理するレール破断結果管理システムについて説明する。図１１は、実施の形態１または実施の形態２に係るレール破断検知装置を用いてレールの破断検知結果を管理する実施の形態３に係るレール破断結果管理システムの構成を例示した図である。図１１に示すように、レール破断結果管理システムは、レール破断検知装置１００と、管理サーバ７とを有して構成される。

レール破断検知装置１００の破断判定部１２は、情報出力部１２１を有する。情報出力部１２１は、ネットワークを介して管理サーバ７に接続される。ネットワークは、例えば、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、バス又は専用線である。
なお、情報出力部１２１は、レールの破断検知結果と閉塞区間の管理番号とを管理サーバ７へと出力できれば、必ずしも破断判定部１２が有する必要はなく、破断判定部１２とは別に通信装置等を用いてもよい。

破断判定部１２は、予め閉塞区間の管理番号を有し、情報出力部１２１からネットワークを介してレールの破断検知結果と閉塞区間の管理番号とを管理サーバ７へと出力する。閉塞区間の管理番号とは、レールの閉塞区間毎にそれぞれ割り振られた番号であり、閉塞区間の位置を特定するための番号である。

管理サーバ７は、鉄道管理事業者等により管理されるサーバ装置であって、情報出力部１２１から出力されるレールの破断検知結果と、閉塞区間の管理番号とをネットワークを介して受信し、レールの破断検知結果と、閉塞区間の管理番号とを対応付けて格納する。

管理サーバ７は、管理サーバ７全体の動作を制御する制御部７１ａと、ネットワークを介して受信した情報等を格納する情報格納部７１ｂと、ネットワークを介して情報の送受信を行う通信部７１ｃとを有する。

情報格納部７１ｂは、情報出力部１２１からネットワークを介して受信したレールの破断検知結果と閉塞区間の管理番号とを対応付けて格納する。

図１２は、管理サーバ７の構成を例示した図である。管理サーバ７は、図１２に示すようなＣＰＵ１００１ｂがメモリ１００２ｂに記憶されたプログラムを実行するソフトウェア制御によって実現することが可能である。

図１３は、レールの閉塞区間毎にそれぞれレール破断検知装置１００を設置したレール破断結果管理システムの構成を例示した図である。閉塞区間毎に設置されたインピーダンスボンド４にそれぞれ設置されたレール破断検知装置１００は、ネットワークを介してレールの破断検知結果と閉塞区間の管理番号とを管理サーバ７へと出力する。管理サーバ７は、閉塞区間毎に検知結果を管理する。閉塞区間にはそれぞれ識別番号が割り振られているため、レール破断結果管理システムは、どの閉塞区間で破断が発生したかを適切に管理することができる。

実施の形態３に係るレール破断結果管理システムは、実施の形態１または実施の形態２に係るレール破断検知装置と、レール破断検知装置によって検知されたレールの破断検知結果と、レールの閉塞区間毎にそれぞれ割り振られた番号である管理番号とを対応付けて格納する管理サーバと、を備え、レール破断検知装置は、ネットワークを介してレールの破断検知結果と、管理番号とを管理サーバへと出力する情報出力部を有することを特徴とする。

以上の構成によって実施の形態３に係るレール破断結果管理システムは、破断が発生した閉塞区間を適切に管理することができる。

本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００，２００ レール破断検知装置、
１ 列車、２ａ 第１レール、２ｂ 第２レール、３ａ，３ｂ レール絶縁部、
４ インピーダンスボンド、５ 変電所、６ 架線、７ 管理サーバ、
１１ 起電力発生部、１２ 破断判定部、
４１ａ 第１ケーブル、４１ｂ 第２ケーブル、４２ａ 第１巻線、４２ｂ 第２巻線、
４３ａ 第３ケーブル、４３ｂ 第４ケーブル、４４ 第５ケーブル、
７１ａ 制御部、７１ｂ 情報格納部、７１ｃ 通信部、
１１１ａ 第１コア部、１１１ｂ 第２コア部、１１２ａ 第１コイル、１１２ｂ 第２コイル、
１１３ ホール素子、
１２１ 情報出力部、
１００１ａ，１００１ｂ ＣＰＵ、
１００２ａ，１００２ｂ メモリ。

Claims (7)

1. 一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と、前記第１レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第１ケーブルの周方向に沿って環状に設けられた第１コア部と、
   前記インピーダンスボンドの電気的中性点と、前記第２レールの前記所定の閉塞区間とを電気的に接続する第２ケーブルの周方向に沿って環状に設けられた第２コア部と、
   前記第１コア部に巻回され、前記第１ケーブルに生じる電流変化に応じて第１起電力を発生させる第１コイルと、
   前記第１コイルと電気的に接続され、前記第２コア部に巻回され、前記第２ケーブルに生じる電流変化に応じて第２起電力を発生させ、前記第２ケーブルに前記第１ケーブルと同一方向かつ同一の大きさの電流変化が生じた場合は、前記第１起電力を打ち消すように前記第２起電力を発生させる第２コイルと、
   を有し、前記第１起電力と前記第２起電力の和となる起電力を発生させる起電力発生部と、
   前記起電力発生部が発生させる起電力に基づき、前記第１レール又は前記第２レールの破断を判定する破断判定部と、
   を備えるレール破断検知装置。
2. 前記第１コア部及び前記第２コア部は、磁性体によって構成されることを特徴とする請求項１に記載のレール破断検知装置。
3. 一対の第１レール及び第２レールを電気的に接続するインピーダンスボンドの電気的中性点と前記第１レールの所定の閉塞区間とを電気的に接続する第１ケーブルの周方向に沿って環状に設けられ、前記第１ケーブルに流れる帰線電流に応じて第１磁束を発生させる磁性体材料で構成された第１コア部と、
   前記インピーダンスボンドの電気的中性点と、前記第２レールの前記所定の閉塞区間とを電気的に接続する第２ケーブルの周方向に沿って環状に設けられ、前記第１コア部と機械的に接続され、前記第２ケーブルに流れる帰線電流に応じて第２磁束を発生させ、前記第２ケーブルに前記第１ケーブルと同一方向かつ同一の大きさの帰線電流が流れた場合に、前記第１磁束を打ち消すように前記第２磁束を発生させる磁性体材料で構成された第２コア部と、
   前記第１コア部又は第２コア部のいずれか一方に設けられたギャップ内に配置され、前記第１磁束及び前記第２磁束の和に応じて起電力を発生させるホール素子と、
   を有する起電力発生部と、
   前記起電力発生部の前記ホール素子が発生させる起電力に基づき、前記第１レール又は前記第２レールの破断を判定する破断判定部と、
   を備えるレール破断検知装置。
4. 前記破断判定部は、前記起電力発生部が発生させる起電力が予め決められた閾値以上の場合に前記第１レール又は前記第２レールの破断を判定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレール破断検知装置。
5. 前記第１コア部及び前記第２コア部は、それぞれ一部に間隙を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレール破断検知装置。
6. 前記第１コア部の内側に形成される開口面の法線ベクトルの方向と、前記第１ケーブルを流れる電流の方向とが並行であり、前記第２コア部の内側に形成される開口面の法線ベクトルの方向と、前記第２ケーブルを流れる電流の方向とが並行であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレール破断検知装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレール破断検知装置と、
   前記レール破断検知装置によって検知されたレールの破断検知結果と、レールの閉塞区間毎にそれぞれ割り振られた番号である管理番号とを対応付けて格納する管理サーバと、
   を備え、
   前記レール破断検知装置は、ネットワークを介して前記レールの破断検知結果と、前記管理番号とを前記管理サーバへと出力する情報出力部を有することを特徴とするレール破断結果管理システム。

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