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図面 (7)

課題

変電所地絡を検出して送電遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定と行うことのできる鉄道車両地絡検出システムを提供する。

解決手段

この鉄道車両の地絡検出システムは、複数の集電部(1)に流れる電流計測する複数の集電電流計(4)と、高圧母線(3)に流れる電流を検出する複数の母線電流計(6)と、地絡発生の判定を行う地絡判定部(20)と、地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部(30)とを備える。地絡判定部(20)は、複数の集電電流計(4)が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合に地絡発生と判定し、且つ、複数の集電電流計(4)が検出した電流変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合に地絡発生と判定する。また、位置判定部(30)は、検出された各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定する。

概要

背景

鉄道車両では、架線から集電した電力モータ駆動回路或いは電源回路などの高電圧回路へ供給し、走行用モータおよび様々な電気機器が駆動される。通常、1つの編成には複数の集電部が設けられる。「編成」とは、複数の鉄道車両が連結された構成を指す。一方、複数の集電部は高圧母線(「引通し線」とも呼ばれる)を介して互いに電気的に接続される。これにより、何れかの集電部が架線から離線したときでも編成の一部の機器停電が生じることを防止でき、また、集電部にスパークが発生することを抑止できる。

鉄道車両においては、非常に稀にではあるが、高圧母線或いは高圧母線に接続された電力線地絡が生じる恐れがある。地絡が生じると、架線から接地点へ非常に大きな電流が流れ、変電所では、過大な電流が検出されて、速やかに送電遮断される。そのため、編成への電力供給が断たれる。従って、地絡により、同一架線に接続されている全ての編成への電力供給が停止する。

上記のような地絡が生じた場合には、各編成において、一旦、全ての集電部が架線から切り離される。また、変電所では、自動的に電力が再投入される。そこで、各編成の運転士は、各集電部を順番に1つずつ架線に接続し、再び、地絡が発生するか確認する。運転士は、このような操作を繰り返し行うことで、何れの編成の何れの箇所で地絡が発生したのかを特定することができる。

しかしながら、架線には一編成につき複数の集電部が接続されているため、一回の操作で短絡箇所を見つけるのは困難であった。このため、確認作業過程で何度も地絡を発生させてしまい、変電所において何度も送電の遮断と電力の再投入とが繰り返されると、変電所の遮断器焼損するなどの問題が生じる恐れがあった。変電所に問題が波及すると、短時間のうちに通常の運行復旧することは非常に難しくなる。

また、本発明に関連する先行技術として、特許文献1の段落0043−0051には、集電部からの入力電流に基づいて地絡の発生を判定し、母線に流れる電流の向きから編成内故障点推定するシステムが示されている。

概要

変電所が地絡を検出して送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定と行うことのできる鉄道車両の地絡検出システムを提供する。この鉄道車両の地絡検出システムは、複数の集電部(1)に流れる電流を計測する複数の集電電流計(4)と、高圧母線(3)に流れる電流を検出する複数の母線電流計(6)と、地絡発生の判定を行う地絡判定部(20)と、地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部(30)とを備える。地絡判定部(20)は、複数の集電電流計(4)が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合に地絡発生と判定し、且つ、複数の集電電流計(4)が検出した電流変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合に地絡発生と判定する。また、位置判定部(30)は、検出された各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定する。

目的

本発明は、変電所が地絡を検出して送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定と行うことのできる鉄道車両の地絡検出システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

給電用導体に接触して集電を行う複数の集電部と、前記複数の集電部と車両の高電圧回路とを接続する複数の集電電力線と、複数の鉄道車両に渡って敷設されて前記複数の集電電力線と接続される高圧母線とを備える編成に搭載されて地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムにおいて、前記複数の集電電力線の電流をそれぞれ検出する複数の集電電流計と、前記高圧母線の電流を複数の箇所でそれぞれ検出する複数の母線電流計と、前記複数の集電電流計の計測結果に基づいて地絡発生の判定を行う地絡判定部と、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計の計測結果に基づいて地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部と、を備え、前記地絡判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合に地絡発生と判定し、且つ、前記複数の集電電流計が検出した電流の変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合に地絡発生と判定し、前記位置判定部は、前記地絡判定部が地絡発生と判定した場合に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計が検出した各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定することを特徴とする鉄道車両の地絡検出システム。

請求項2

前記複数の集電電力線の電圧をそれぞれ検出する複数の電圧計をさらに備え、前記地絡判定部は、前記複数の電圧計の検出値が所定の地絡判定用の閾値より大きい場合に、前記電流変化率の条件又は前記電流値の条件が満たされていても、地絡発生と判定しないことを特徴とする請求項1記載の鉄道車両の地絡検出システム。

請求項3

前記位置判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流の向きが全て前記給電用導体に向かう方向である場合に、前記編成外で地絡が発生したと判定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の鉄道車両の地絡検出システム。

請求項4

各々に前記地絡判定部が搭載される複数の車両側装置と、前記複数の車両側装置から情報を受信する管理装置とを備え、前記複数の車両側装置の各々は、1つの筐体に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計のうち同一の鉄道車両に配置される集電電流計および母線電流計と、前記地絡判定部と、前記地絡判定部の判定結果の情報を送信する判定結果送信部と、前記集電電流計と前記母線電流計との電流の向きの情報を送信する向き情報送信部と、が収容されて構成され、前記管理装置は、前記複数の車両側装置から情報を受信する情報受信部と、前記位置判定部と、地絡の情報を表示装置へ出力する出力部と、を備えていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の鉄道車両の地絡検出システム。

請求項5

前記集電電力線と前記高圧母線との遮断、或いは、前記高圧母線の所定の箇所を遮断する複数の断流器ユニットを備え、前記複数の断流器ユニットは、それぞれ前記複数の車両側装置の前記筐体に収容されていることを特徴とする請求項4記載の鉄道車両の地絡検出システム。

技術分野

0001

本発明は、鉄道車両において地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムに関する。

背景技術

0002

鉄道車両では、架線から集電した電力モータ駆動回路或いは電源回路などの高電圧回路へ供給し、走行用モータおよび様々な電気機器が駆動される。通常、1つの編成には複数の集電部が設けられる。「編成」とは、複数の鉄道車両が連結された構成を指す。一方、複数の集電部は高圧母線(「引通し線」とも呼ばれる)を介して互いに電気的に接続される。これにより、何れかの集電部が架線から離線したときでも編成の一部の機器停電が生じることを防止でき、また、集電部にスパークが発生することを抑止できる。

0003

鉄道車両においては、非常に稀にではあるが、高圧母線或いは高圧母線に接続された電力線に地絡が生じる恐れがある。地絡が生じると、架線から接地点へ非常に大きな電流が流れ、変電所では、過大な電流が検出されて、速やかに送電遮断される。そのため、編成への電力供給が断たれる。従って、地絡により、同一架線に接続されている全ての編成への電力供給が停止する。

0004

上記のような地絡が生じた場合には、各編成において、一旦、全ての集電部が架線から切り離される。また、変電所では、自動的に電力が再投入される。そこで、各編成の運転士は、各集電部を順番に1つずつ架線に接続し、再び、地絡が発生するか確認する。運転士は、このような操作を繰り返し行うことで、何れの編成の何れの箇所で地絡が発生したのかを特定することができる。

0005

しかしながら、架線には一編成につき複数の集電部が接続されているため、一回の操作で短絡箇所を見つけるのは困難であった。このため、確認作業過程で何度も地絡を発生させてしまい、変電所において何度も送電の遮断と電力の再投入とが繰り返されると、変電所の遮断器焼損するなどの問題が生じる恐れがあった。変電所に問題が波及すると、短時間のうちに通常の運行復旧することは非常に難しくなる。

0006

また、本発明に関連する先行技術として、特許文献1の段落0043−0051には、集電部からの入力電流に基づいて地絡の発生を判定し、母線に流れる電流の向きから編成内故障点推定するシステムが示されている。

先行技術

0007

特開2012−223020号公報

発明が解決しようとする課題

0008

上述したように、地絡の発生箇所を特定するために、何度も地絡を発生させると変電所の機器が損傷するなどのリスクが伴う。従って、鉄道車両で地絡が発生した場合には、変電所が送電を遮断する前に、地絡の発生と地絡の発生箇所とを特定できると好ましい。

0009

しかしながら、鉄道車両で速やかに地絡を検出することには、様々な困難性があった。例えば、変電所では、地絡により過大な電流が流れた場合に速やかに送電の遮断が行われる。しかしながら、地絡発生から変電所が送電を遮断するまでの時間は一定でない。なぜならば、変電所の送電の状態には、1つの架線から1つの編成へのみ送電を行っている状態、1つの架線から複数の編成へ送電を行っている状態、さらに、鉄道車両から回生電力が架線に戻されている状態など、様々な状態がある。よって、地絡により過大な電流が生じた場合でも、送電の状態によって、変電所で過大な電流を検出できる時間は一定しない。従って、鉄道車両で確実に地絡を検出するには、変電所が最も早く送電を遮断する場合の検出時間より早く地絡の発生を判定する必要があり、その分、地絡検出の困難さが増す。

0010

また、鉄道車両で地絡が発生した場合、地絡箇所の遠くに配置された高電圧回路から放電が行われて、高圧母線から架線へ向かう方向に電流が生じることがある。この場合、地絡電流に逆向きの電流が加わることになるため、地絡電流の検出が難しくなる。

0011

また、一般に、鉄道車両では、集電部と架線とが離線および再着線を繰り返すことがあり、離線によって高電圧回路のリアクトルから放電が行われた場合に、再着線時に架線から高電圧回路に大きな突入電流が流れることがある。大きな突入電流は地絡電流の誤判定の要因になり、これによっても地絡検出の困難さが増す。
また、変電所の近くで地絡が生じると地絡電流は非常に急峻に流れるのに対して、変電所の遠くで地絡が生じると架線抵抗によって地絡電流が緩やかになることがある。従って、編成が変電所の近くにある場合と、遠くにある場合とで、地絡電流の流れ方が一様でなく、これにより地絡検出の困難さが増す。

0012

本発明は、変電所が地絡を検出して送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定と行うことのできる鉄道車両の地絡検出システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0013

本発明は、上記目的を達成するため、給電用導体に接触して集電を行う複数の集電部と、前記複数の集電部と車両の高電圧回路とを接続する複数の集電電力線と、複数の鉄道車両に渡って敷設されて前記複数の集電電力線と接続される高圧母線とを備える編成に搭載されて地絡の発生を検出する鉄道車両の地絡検出システムにおいて、
前記複数の集電電力線の電流をそれぞれ検出する複数の集電電流計と、
前記高圧母線の電流を複数の箇所でそれぞれ検出する複数の母線電流計と、
前記複数の集電電流計の計測結果に基づいて地絡発生の判定を行う地絡判定部と、
前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計の計測結果に基づいて地絡の発生箇所の判定を行う位置判定部と、
を備え、
前記地絡判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つが所定の電流閾値を超えた場合に地絡発生と判定し、且つ、前記複数の集電電流計が検出した電流の変化率の少なくとも一つが所定の変化率閾値を超えた場合に地絡発生と判定し、
前記位置判定部は、前記地絡判定部が地絡発生と判定した場合に、前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計が検出した各々の電流の向きに基づいて地絡の発生箇所を判定することを特徴としている。

0014

この構成によれば、変電所に近い範囲においては、集電電流計が検出した電流変化率によって非常に速やかに地絡発生を判定できる。特に、変化率閾値を大きな値にして電流計測値サンプリング期間を短い時間に設定することで、様々な送電状況においても、変電所が送電を遮断するより早く地絡を検出できる。
一方、変電所から遠い範囲では、地絡が生じた場合に地絡電流が緩やかになる。このため、変化率閾値を大きな値に設定すると、地絡発生の判定が難しくなる。しかしながら、上記構成では、集電電流計の電流値に基づく地絡発生の判定も行われる。電流値により地絡を判定する場合、所要時間が長くなるが、変電所から遠い範囲で地絡が生じた場合には、変電所側でも過大な電流が検出されるまでの時間が長くなる。よって、このような場合でも、地絡判定部は、多くの場合において、変電所が送電を遮断するより早く、地絡の発生を判定できる。

0015

また、地絡発生時には、地絡箇所から遠い高電圧回路から放電がなされて、地絡箇所から遠い集電電力線に地絡電流と逆向きの電流が加わることがある。この場合、この集電電力線の電流の検出に基づく地絡発生の判定は難しくなる。しかし、上記構成では、地絡判定部は、複数の集電電流計が検出した電流変化率の少なくとも一つ、或いは、複数の集電電流計が検出した電流値の少なくとも一つに基づいて地絡発生の判定を行う。よって、地絡箇所に近い集電電力線の電流の検出に基づいて、速やかな地絡発生の判定を行うことができる。
加えて、上記構成によれば、地絡発生と判定された場合に、集電電流計と母線電流計との電流の向きによって地絡の発生箇所を判定できる。
従って、本発明によれば、地絡が発生した場合に、様々な状況においても変電所が送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡箇所の特定とを行うことができる。

0016

望ましくは、前記複数の集電電力線の電圧をそれぞれ検出する複数の電圧計をさらに備え、
前記地絡判定部は、
前記複数の電圧計の検出値が所定の地絡判定用の閾値より大きい場合に、前記電流変化率の条件又は前記電流値の条件が満たされていても、地絡発生と判定しないように構成してもよい。

0017

給電用導体と集電部とは離線および再着線を行うことがあり、離線の時間が或る程度長いと、再着線時に高電圧回路へ突入電流が流れる場合がある。よって、この突入電流を地絡電流と誤判定する恐れが生じる。一方、再着線時には、給電用導体は高い電圧を維持しているが、地絡時には給電用導体は低い電圧になる。従って、上記構成によれば、集電電力線の電圧によって、突入電流による誤判定を排除できるので、精度の高い地絡発生の判定を行うことができる。さらに、突入電流の誤判定を排除できるので、電流変化率を判別する際の電流計測値のサンプリング期間をより短い時間に設定して、より短時間に地絡発生の検出を行うことが可能となる。

0018

また望ましくは、前記位置判定部は、前記複数の集電電流計が検出した電流の向きが全て前記給電用導体に向かう方向である場合に、前記編成外で地絡が発生したと判定するように構成してもよい。
他の鉄道車両又は給電用導体自体に地絡が発生した場合、車両の高電圧回路の放電又は回生電力の放出などによって、集電部から給電用導体へ大きな電流が流れる場合がある。上記の構成によれば、位置判定部により、このような場合を識別できる。

0019

さらに望ましくは、各々に前記地絡判定部が搭載される複数の車両側装置と、
前記複数の車両側装置から情報を受信する管理装置とを備え、
前記複数の車両側装置の各々は、
1つの筐体に、
前記複数の集電電流計および前記複数の母線電流計のうち同一の鉄道車両に配置される集電電流計および母線電流計と、
前記地絡判定部と、
前記地絡判定部の判定結果の情報を送信する判定結果送信部と、
前記集電電流計と前記母線電流計との電流の向きの情報を送信する向き情報送信部と、
が収容されて構成され、
前記管理装置は、
前記複数の車両側装置から情報を受信する情報受信部と、
前記位置判定部と、
地絡の情報を表示装置へ出力する出力部と、
を備えるように構成してもよい。

0020

このような構成によれば、地絡発生の判定を行う複数の構成要素を複数の車両側装置と管理装置とにまとめることができるので、地絡検出システムの鉄道車両への配置が容易となる。

0021

さらに望ましくは、前記集電電力線と前記高圧母線との遮断、或いは、前記高圧母線の所定の箇所を遮断する複数の断流器ユニットを備え、
前記複数の断流器ユニットは、それぞれ前記複数の車両側装置の前記筐体に収容されていてもよい。

0022

一般に、地絡の発生箇所の判定は、断流器ユニットによって互いに切り離しが可能な複数の電力系統ブロックのうち、何れのブロックで地絡が発生したかを識別できればよい。従って、高圧母線において電流の向きを計測する箇所は、断流器ユニットの周辺に集中できる。そこで、上記の構成によれば、断流器ユニットを車両側装置の筐体に収容することで、地絡箇所判定の機能を損なうことなく、多くの構成要素をユニット化して地絡検出システムの編成への配置を容易にできる。

発明の効果

0023

本発明によれば、変電所が地絡を検出して送電を遮断する前に、地絡発生の検出と地絡の箇所の特定とを行える鉄道車両の地絡検出システムを提供することができる。

図面の簡単な説明

0024

本実施形態の鉄道車両の電力系統を示す構成図である。
図1の制御部の詳細を示す図である。
車両側装置と管理装置とにより実行される地絡検出処理の手順を示すフローチャートである。
制御論理部の地絡発生の判定方法を説明するグラフである。
地絡の発生箇所の第1例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。
地絡の発生箇所の第2例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。

実施例

0025

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態の鉄道車両の電力系統を示す構成図である。
本実施形態の鉄道車両の地絡検出システムは、1つの編成に搭載されて地絡の発生を検出するシステムである。ここで、「編成」とは、複数の鉄道車両が連結された構成を示す。編成には、架線50に接触して電力を集電する複数の集電部(例えばパンタグラフ)1と、複数の高電圧回路13と、集電部1と高電圧回路13とを結ぶ集電電力線1Aと、複数の集電部1を結ぶ高圧母線3とが設けられる。架線50は給電用導体の一例である。

0026

図1においては、1つの編成を構成する複数の鉄道車両40、41、42を一点鎖線によって区切って示している。1つの編成には、集電部1を有する複数の鉄道車両40、41、42が含まれる。図示は省略するが、1つの編成には、集電部1を有さない鉄道車両が含まれていてもよい。
高電圧回路13は、例えば走行用モータに電力を変換して出力するVVVF(Variable Voltage Variable Frequency)インバータ11、および、鉄道車両の電気装置に電力を変換して出力するSIV(Static Inverter)12などである。VVVFインバータ11は、通常、集電部1を有する鉄道車両40、41、42に搭載される。SIV12は、通常、集電部1を有さない鉄道車両に搭載され、隣接した鉄道車両から集電電力線1Aを介して集電された電力が供給される。図1では、簡略化のためにSIV12が集電部1を有する鉄道車両40、41、42に搭載された例を示している。

0027

集電電力線1Aは、集電部1から高電圧回路13へ電力を送る。集電電力線1Aには、異常が発生したときに高電圧回路13を切り離すことができるように、メインスイッチ(MS)15と、高速度遮断器(HB:High Speed Line Breaker)16とが設けられている。
高圧母線3は、複数の鉄道車両に渡って敷設され、複数の集電電力線1Aと接続されている。高圧母線3を介して複数の集電部1が電気的に接続されることで、何れかの集電部1が架線50から離線したときでも一部の高電圧回路13が停電するという事態を避けることができる。また、集電部1が架線50から離線したり再着線したりする際のスパークの発生を抑止できる。

0028

図1の鉄道車両40、42のように、編成の始端又は終端であれば、高圧母線3は直接に集電電力線1Aに接続される。また、図1の鉄道車両41のように、編成内の中間の鉄道車両であれば、高圧母線3は支線3aを介して集電電力線1Aに接続される。

0029

次に、地絡検出システムについて説明する。
本発明の実施形態に係る地絡検出システムは、複数の車両側装置2と、管理装置30と、モニタ(表示装置)31とを備える。各車両側装置2は、パンタ点電流計4と、パンタ点電圧計5と、断流器ユニット10と、1つ又は複数の母線電流計6と、制御部20とを備える。ここで、パンタ点電流計4は、本発明に係る集電電流計の一例に相当する。パンタ点電圧計5は、本発明に係る電圧計の一例に相当する。各制御部20は、本発明に係る地絡判定部として機能し、管理装置30は、本発明に係る位置判定部として機能する。

0030

車両側装置2は、地絡発生の検出と、高圧母線3の切り離しとを行う。車両側装置2は、ユニット化され、1つの筐体に、パンタ点電流計4と、パンタ点電圧計5と、断流器ユニット10と、母線電流計6と、制御部20とを収容して構成される。車両側装置2は、集電部1を有する鉄道車両40、41、42に搭載され、例えば鉄道車両の下部に取り付けられる。
パンタ点電流計4は、例えば変流器(CT:Current Transformer)であり、集電電力線1Aに流れる電流を検出する。図1図5図6においては、パンタ点電流計4を“CTP”と記している。
パンタ点電圧計5は、例えば直流計器用変圧器(DCPT:Direct Current Potential Transformer)であり、集電電力線1Aの電圧を検出する。

0031

母線電流計6は、例えば変流器(CT:Current Transformer)であり、断流器ユニット10の周辺で高圧母線3に流れる電流を検出する。図1図5図6においては、母線電流計6を“CTB”と記している。編成の始端又は終端の鉄道車両40、42のように、高圧母線3が直接に集電電力線1Aに接続される場合には、高圧母線3上に1つの母線電流計6を設ければよい。一方、編成内の中間の鉄道車両41のように、高圧母線3が支線3aを介して集電電力線1Aに接続されている場合、支線3a上と、分岐点3bを挟んだ高圧母線3上の一方と他方とに3つの母線電流計6が設けられるとよい。

0032

断流器ユニット10は、高圧母線3と複数の集電電力線1Aとを遮断するための機器である。断流器ユニット10は、例えば母線断路器7(BS:Bus disconnecting Switch)、母線フューズ8(BF:Bus Fuse)、母線断流器9(Bus Line Breaker)を直列に接続して構成される。
制御部20は、パンタ点電流計4、パンタ点電圧計5、母線電流計6の出力を受けて、地絡発生の検出と、管理装置30への各種情報の出力とを行う。制御部20の詳細は後述する。

0033

管理装置30は、例えば乗務員室に搭載され、地絡が発生したときに地絡の箇所の検出と、地絡情報表示制御とを行う。管理装置30は、複数の車両側装置2と通信線を介して接続された情報受信部を有し、地絡発生と判定された場合に、地絡発生情報と、各電流計の電流方向情報とを受信する。また、管理装置30は、受信した情報に基づいて地絡の箇所を判定し、地絡に関する表示情報を出力部からモニタ31へ出力する。
モニタ31は、例えば乗務員室に搭載され、管理装置30の出力に基づいて表示出力を行う。

0034

図2は、図1の制御部20の詳細を示す図である。
制御部20は、A/D変換器21、制御論理部22、およびインタフェース部23を備える。ここで、インタフェース部23は、本発明に係る判定結果送信部および向き情報送信部に相当する。
A/D変換器21は、各車両側装置2に含まれるパンタ点電流計4、パンタ点電圧計5、母線電流計6の出力をデジタル値に変換して入力する。制御論理部22は、パンタ点電流計4が計測した電流の変化率の演算、各電流計(パンタ点電流計4、母線電流計6)の電流方向の演算、パンタ点電流計4とパンタ点電圧計5の出力に基づく地絡発生の判定を行う。

0035

インタフェース部23は、制御論理部22から、地絡発生を示す地絡発生信号、パンタ点電流計4が検出した電流の向きを示すパンタ点電流方向、母線電流計6が検出した電流の向きを示す横流方向の各情報を入力し、これらを管理装置30へ送信する。
また、インタフェース部23は、制御論理部22から地絡発生信号を入力した場合に、これをVVVFインバータ11にも送信する。地絡発生時、VVVFインバータ11は地絡発生信号に基づいてメインスイッチ15又は高速度遮断器16を開放できる。この開放により、地絡発生の影響を受けてVVVFインバータ11に不具合が生じることを避けることができる。

0036

<地絡検出処理>
次に、地絡検出処理について説明する。図3は、車両側装置と管理装置とにより実行される地絡検出処理の手順を示すフローチャートである。図4は、制御論理部の地絡発生の判定方法を説明するグラフである。

0037

地絡検出処理は、編成の通常の運行中に常に実行される処理である。地絡検出処理が開始されると、各車両側装置2の制御論理部22は、パンタ点電流計4の出力に基づいて、電流変化率が変化率閾値ΔI/Δt(図4を参照)を超過するか、或いは、電流値が電流閾値Ith(図4を参照)を超過するか判別する(ステップS1)。

0038

ここで、制御論理部22は、例えば10msなど非常に短いサンプリング周期Δt(図4を参照)で集電電力線1Aの電流値を取得する。そして、制御論理部22は、サンプリング周期Δtの間に所定の電流増加量ΔI(図4を参照)が生じたか否かを演算し、電流変化率の判別を行う。変化率閾値ΔI/Δtは、変電所に近い範囲で地絡が生じたときに生じる急峻な地絡電流を識別可能な値に設定される。また、サンプリング周期Δtは、地絡発生から変電所が送電を遮断するのにかかる最短時間よりも、短い時間に設定される。電流閾値Ithは、通常の運行時に高電圧回路13に流れる最大の電流値より十分に大きい値に設定される。但し、電流閾値Ithは、集電部1の再着線時に生じえる非常に大きな突入電流より小さい値に設定されてもよい。

0039

制御論理部22は、条件を満たすまでステップS1の判別処理を繰り返す。鉄道車両の通常の運行時には、ステップS1の判別結果は否となる。一方、地絡発生時或いは高電圧回路13に非常に大きな突入電流が生じた場合に、ステップS1の判別結果は肯定となる。

0040

ステップS1の判別結果が肯定となると、制御論理部22は、パンタ点電圧計5の出力を地絡判定用の電圧閾値と比較して、集電部1の電圧がゼロ(具体的にはゼロに近い地絡電圧)であるか否かを判定する(ステップS2)。地絡発生時には架線電圧は非常に低くなるため、ステップS2の判定結果は肯定となるが、突入電流の発生時には架線電圧は高いままなので、ステップS2の判定結果は否となる。
ステップS2の判定結果が否の場合、制御論理部22は、ステップS1の条件判定に拘らずに、地絡の誤検出であるとしてデータを破棄し(ステップS3)、処理をステップS1に戻す。

0041

一方、ステップS2の判定結果が肯定の場合、制御論理部22は、地絡発生と判定し(ステップS4)、地絡発生信号と各電流計の電流方向の情報とをインタフェース部23を介して管理装置30へ送信する(ステップS5)。
管理装置30は、地絡発生信号を受信すると、全ての車両側装置2から各電流方向の情報を集約する(ステップS6)。次に、管理装置30は、これらの情報に基づいて、全ての集電電力線1Aの電流方向が全て架線50へ向かう方向であるか否かを判別する(ステップS7)。

0042

図5は、地絡の発生箇所の第1例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。図6は、地絡の発生箇所の第2例と各部に流れる電流の向きとを説明する図である。
図5に示すように、高圧母線3の一部に地絡点X1が生じると、各パンタ点電流計4および各母線電流計6が検出する電流の向きは、図中の矢印により示される向きになる。この場合、集電電力線1Aの電流方向は少なくとも1つは高圧母線に向かう方向になる。
一方、図6に示すように、架線50自体に地絡点X2が生じると、高電圧回路13又は高圧母線3のインピーダンスと架線50のインピーダンスとの関係により、集電電力線1Aの電流方向が全て架線50に向かう方向になる。別の編成で地絡が生じた場合にも同様になる。

0043

従って、ステップS7の判別結果が否であれは、管理装置は編成内で地絡が発生したと判断して、ステップS8へ処理を移行する。一方、ステップS7の判別結果が肯定であれば、管理装置30は編成外で地絡が発生したと判断して、ステップS11に処理を移行する。

0044

ステップS8に処理を移行すると、先ず、管理装置30は、編成内で地絡が発生したことをモニタ31に表示出力する(ステップS8)。次に、管理装置30は、各電流計(パンタ点電流計4と母線電流計6)が検出した電流方向をモニタ31に表示出力する(ステップS9)。これにより、乗務員は、高圧母線3又は集電電力線1Aのどの箇所で地絡が発生したか認識できる。地絡の発生箇所は、詳細な地絡点を示すものである必要はなく、複数の断流器ユニット10によって切り離し可能な複数の電力系統ブロックの何れかを識別できればよい。

0045

なお、VVVFインバータ11又はSIV12の故障により高電圧回路13内で地絡が発生した場合には、VVVFインバータ11又はSIV12から故障の情報が乗務員室へ送られて乗務員に通知される。従って、ここでは、主に高圧母線3と集電電力線1Aとが含まれる電力系統ブロックで生じる地絡を識別できればよい。

0046

続いて、管理装置30は、編成内の各電流計(パンタ点電流計4と母線電流計6)が検出した電流方向の情報に基づいて地絡発生箇所を判定する。図5に示すように、地絡点X1の周辺では、地絡点X1へ向かう方向に電流が流れるため、管理装置30は収集した電流方向の情報に基づいて、地絡の発生箇所を判定できる。そして、地絡の発生箇所を含んだ電力系統ブロックを切り離すための断流器ユニット10に開放指令を出力する(ステップS10)。これにより、続いて集電部1を架線50に着線させても、地絡の発生が防止される。そして、管理装置30および制御部20は地絡検出処理を終了する。

0047

一方、ステップS11に処理を移行すると、先ず、管理装置30は、編成外で地絡が発生したことをモニタ31に表示出力する(ステップS11)。次に、管理装置30は、編成内の各電流計(パンタ点電流計4と母線電流計6)が検出した電流方向をモニタ31に表示出力する(ステップS12)。これにより、乗務員は、編成外で地絡が発生し、編成内にその電流が流れたことを認識できる。そして、管理装置30および制御部20は地絡検出処理を終了する。

0048

以上のように、本実施形態の鉄道車両の地絡検出システムによれば、車両側装置2の制御論理部22は、パンタ点電流計4が検出した電流の変化率(短い所定時間Δtにおける電流増加量ΔI)に基づいて地絡発生の判定を行う。従って、変電所から遠くない範囲において非常に速やかに地絡発生を判定できる。特に、変化率閾値の時間Δtを非常に短い時間に設定することで、様々な送電状況においても、変電所が送電を遮断するより早く地絡を検出できる。

0049

一方、変電所から遠い範囲では、地絡が生じた場合に地絡電流が緩やかになる。このため、変化率閾値の時間Δtを非常に短い時間に設定すると、変電所から遠い範囲で地絡発生の判定が難しくなる。しかしながら、本実施形態では、パンタ点電流計4が検出した電流の電流値に基づく地絡発生の判定も行われる。電流値により地絡を判定する場合、所要時間が長くなるが、変電所から遠い範囲で地絡が生じた場合には、変電所側でも過大な電流が検出されるまでの時間がそれ以上に長くなる。これらのことから、車両側装置2の制御論理部22は、多くの場合、変電所が送電を遮断するより早く、地絡の発生を判定できる。

0050

ところで、地絡発生時には、高電圧回路のリアクトルから放電がなされて、車両内の地絡箇所から離れた集電電力線1Aに地絡電流と逆向きの電流が加わることがある。よって、この集電電力線1Aの電流の検出からは地絡発生の判定が難しくなる。しかし、本実施形態では、複数の車両側装置2の何れかでパンタ点電流計4の検出値が条件を満たせば、地絡発生の検出を行うことができる。従って、上記のような放電があっても、速やかな地絡発生の判定を行うことができる。

0051

また、集電部1と架線50とは離線および再着線を行うことがあり、再着線時に高電圧回路13へ突入電流が流れる場合がある。よって、この突入電流を地絡電流と誤判定する恐れが生じる。しかし、本実施形態では、集電電力線1Aの電圧がゼロになっているか確認されて、地絡発生の判定が行わせるので、突入電流による誤判定を排除して、精度の高い地絡発生の判定を行うことができる。
また、地絡電流と突入電流とを集電電力線の電圧によって識別できるので、地絡発生の判定用の変化率閾値をより短い時間の閾値に設定して、より短時間に地絡発生の検出を行うことが可能となる。
また、本実施形態では、地絡発生と判定された場合に、パンタ点電流計4と母線電流計6との電流の向きにより地絡の発生箇所を判定することもできる。

0052

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、地絡判定用の変化率閾値を一定の値とした例を示したが、変電所から編成までの距離に応じて変化率閾値を変化させる構成としてもよい。例えば、変電所に近い場合には、変化率閾値を大きな値とし、変電所から遠い場合には、変化率閾値を小さな値に変更することで、変電所の遠くでも変化率閾値に基づく地絡発生の判定が可能となる。一番近くの変電所までの距離は、編成の位置情報と、予め記憶された変電所の位置情報と、路線経路情報とから容易に求めることができる。

0053

また、上記実施形態では、給電用導体として架線を示したが、給電用導体は第三の軌条により構成される場合もある。また、上記実施形態では、車両側装置2が制御部20を含む構成例を示したが、制御部20は管理装置30と一体的にして乗務員室に設けてもよい。また、上記実施形態では、高圧母線と集電電力線との間に断流器ユニットを配置した例を示したが、高圧母線の途中に断流器ユニットを備えてもよい。その他、断流器ユニットは上記の構成例に限られず、電力線の遮断を行える構成であれば1つの回路素子から構成されてもよく、さらに電流計と電圧計の具体的な構成など、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

0054

1集電部
1A集電電力線
2車両側装置
3高圧母線
4パンタ点電流計(集電電流計)
5パンタ点電圧計(電圧計)
6母線電流計
10断流器ユニット
11VVVFインバータ
12 SIV
13高電圧回路
20 制御部(地絡判定部)
21 A/D変換器
22制御論理部
23インタフェース部(判定結果送信部、情報送信部)
30管理装置(位置判定部)
31 モニタ

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