JP7057718B2

JP7057718B2 - 直流き電線の高抵抗地絡検出装置

Info

Publication number: JP7057718B2
Application number: JP2018101970A
Authority: JP
Inventors: 進宇佐美; 素彦小貫; 秀康鈴木; 光一七海
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2022-04-20
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: JP2019207130A

Description

本発明は、電気鉄道におけるき電線の地絡検出装置に関し、特に直流き電線における高抵抗地絡の検出に利用して有効な技術に関する。

従来、電気鉄道における直流電化区間のき電線には、数１０００Ｖの直流の高電圧が印加されており、支持柱から延設されたビームやブラケットにより碍子等の絶縁体を介して大地から絶縁された状態で吊架されている。かかるき電線においては、碍子が破損するなどしてき電線が垂下して支持柱や大地に接触し、地絡電流が大地へ流れることがある。かかる地絡事故が発生した場合、通常は変電所に設けられている遮断器が地絡電流を検出してき電線へ流す電流を遮断することができる。

しかし、高抵抗地絡と呼ばれる地絡が発生したような場合には、電気車への供給電流よりも小さな地絡電流しか流れないことがあるため、遮断器が地絡を検出できないことがある。特に、変電所間に複数の電気車が走行することにより大きな電流が流れる区間においては、遮断器の遮断電流が比較的大きな値に設定されるため、地絡事故の状況によっては、遮断器が地絡電流を検出してき電線へ流す電流を遮断することができないという課題があることが分かった。
なお、従来、高抵抗地絡の検出システムや検出装置、検出方法に関する発明としては、例えば特許文献１、２および３が提案されている。

特開２００９－２４７１５５号公報特開２０１６－５７７号公報特開２０１８－３６０５４号公報

特許文献１に記載されている発明は、電気鉄道用変電所の構内において、整流器に接続されている全ての高圧側直流き電ケーブルを流れる電流の高調波成分と整流器に接続されている全ての帰線側直流き電ケーブルを流れる電流の高調波成分との差電流をサーチコイルで検出することによって、高圧側直流き電ケーブルの高抵抗地絡を検出するというものである。
しかしながら、一般的な電気鉄道用変電所構内においては、全ての高圧側直流き電ケーブルと全ての帰線側直流き電ケーブルが同一配線ルート上にあるわけではないため、高圧側と帰線側ケーブルすべてを囲むようにしてサーチコイルを配置することは困難である。また、上記発明は、変電所構内の高抵抗地絡をターゲットにしたものであり、変電所外で発生した高抵抗地絡を検出することが困難であるという課題がある。

また、特許文献２や３に記載されている発明は、いずれも地絡電流が流れることで生じる電圧や電位差を検出する方式であるため、前述したように、変電所間に複数の電気車が走行することで大きな電流が流れている区間においては、高抵抗地絡が発生した際の地絡電流と電気車への供給電流とを区別することが困難であるという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、電流検出器の配設が容易であるとともに、変電所外で発生した直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる高抵抗地絡検出装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、高抵抗地絡が発生した際の地絡電流と電気車への供給電流とを区別して確実に直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる高抵抗地絡検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明は、
直流電力を供給する変電所の整流器から出力される直流電流を直流き電線へ供給する給電線に対応して設けられた電流検出手段と、前記電流検出手段によって測定されたデータに基づいて高抵抗地絡の有無を判定する演算処理手段とを備えた高抵抗地絡検出装置において、
前記演算処理手段は、
前記電流検出手段によって電流増加時に測定されたデータを周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析手段によって変換されたデータの中から所定の周波数範囲のスペクトルレベルを抽出するスペクトルレベル抽出手段と、
前記スペクトルレベル抽出手段によって抽出されたスペクトルレベルに基づいて高抵抗地絡を判定する判定手段と、を備え、
前記周波数解析手段は、高速フーリエ変換を実行可能であり、
前記整流器はｎ個のダイオードを有するブリッジ回路で構成され、
前記スペクトルレベル抽出手段は、前記変電所に入力される３相交流電圧の周波数がｆ０である場合に、前記高速フーリエ変換により算出されたスペクトルから、周波数がｎ×ｆ０と２ｎ×ｆ０との間または２ｎ×ｆ０と３ｎ×ｆ０との間または３ｎ×ｆ０と４ｎ×ｆ０との間のスペクトルレベルを抽出する機能を有し、
前記判定手段は、前記スペクトルレベル抽出手段によって抽出されたスペクトルレベルと予め設定されたしきい値とを比較して高抵抗地絡の発生の有無を判定するように構成したものである。

上記のような構成を有する高抵抗地絡検出装置によれば、電流検出器の配設が容易であるとともに、変電所外で発生した直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる。また、高抵抗地絡が発生した際の地絡電流と電気車への供給電流とを区別して確実に直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる。
また、より精度よく確実に直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる。

ここで、望ましくは、前記電流検出手段は交流変流器とする。そして、前記スペクトルレベル抽出手段は、数１０ミリ秒間に数マイクロ秒周期で電流値をサンプリング可能に構成する。

さらに、望ましくは、アラームを出力可能な報知手段を備え、
前記演算処理手段は、前記判定手段が高抵抗地絡の発生を判定した場合に、前記報知手段を制御してアラームを出力させるように構成する。
かかる構成によれば、保全担当者に高抵抗地絡が検出されたことを認知させ、保全担当者が、高抵抗地絡が検出されたき電線へ直流電力を供給する変電所の遮断器をオフにすることで、地絡電流が流れ続けるのを防止することができる。

本発明によれば、電流検出器の配設が容易であるとともに、変電所外で発生した直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる。また、高抵抗地絡が発生した際の地絡電流と電気車への供給電流とを区別して確実に直流き電線の高抵抗地絡を検出することができる高抵抗地絡検出装置を提供することができるという効果がある。

本発明に係る高抵抗地絡検出装置が適用された地絡検出システムの概略構成を示すシステム構成図である。実施形態の高抵抗地絡検出装置の構成例を示すブロック図である。実施形態の高抵抗地絡検出装置により測定された高抵抗地絡発生時の電流値を高速フーリエ変換して得られた周波数特性の一例を示す概略図である。実施形態の高抵抗地絡検出装置を使用して試験的に地絡検出を行なった試験対象システムの概略構成を示すシステム構成図である。実施形態の高抵抗地絡検出装置における高抵抗地絡検出処理の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る高抵抗地絡検出装置および検出方法の一実施形態について詳細に説明する。
図１は本実施形態に係る高抵抗地絡検出装置を適用した地絡検出システムの概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る地絡検出システムは、直流き電線１０には変電区間の両端に位置する変電所２０Ａ，２０Ｂから直流電力が供給される。変電所２０Ａ，２０Ｂは、発電所や電力会社等から供給される数万ボルトの電圧を電車線の直流き電線に適した数千ボルトの電圧に変換する変圧器２１や交流を直流に変換する整流器２２などを備える。整流器２２は、例えば６個のダイオードをブリッジ接続してなる３相交流電圧（例えば５０Ｈｚ）を直流電圧に変換する３相ダイオード整流器（ブリッジ回路）により構成される。

本実施形態においては、各変電所２０Ａ，２０Ｂの整流器２２から直流き電線１０へ直流電力を供給する給電線２３の途中に、直流き電線１０へ流される直流電流に含まれる交流成分を測定する交流用ＣＴ（変流器）２４が設けられ、交流用ＣＴ２４によって測定されたデータを解析して高抵抗地絡を検出する検出装置２５が設けられている。
地絡事故に伴いアークや火花が発生すると直流き電線１０に流れる直流電流に電流変動が含まれると考えられる。そこで、本発明者らは、直流電流に含まれる電流変動（交流成分）を交流用ＣＴ２４によって測定し、測定データをＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理による周波数解析を行なって周波数の特徴を抽出して高抵抗地絡を検出することとした。

検出装置２５は、例えば図２に示すように、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）のようなプログラム方式の演算処理装置５１およびＲＯＭ（読出し専用メモリ）５２やＲＡＭ（随時読出し書込み可能なメモリ）５３のような記憶手段と、ユーザインタフェース（ユーザＩ／Ｆ）５４と、キーボードやマウスなどの入力装置５５と、液晶表示パネルのような表示装置５６などを備えた一般的なコンピュータ装置により構成することができる。ＲＯＭ５２内には演算処理装置５１が実行するデータ解析用プログラムが格納されており、演算処理装置５１とデータ解析用プログラムとによってデータ解析手段が構成される。

図３には、交流用ＣＴ２４によって測定されたデータを検出装置２５によってＦＦＴ解析した結果を示す。図３の横軸は周波数、縦軸はスペクトルレベルである。なお、解析対象の測定データには、１μｓ（マイクロ秒）の周期で６５ｍｓ（ミリ秒）間測定して得られたデータを使用した。なお、測定は、図４のように、Ｍ変電所とＴ変電所に挟まれた変電区間を試験対象に選択して、各変電所に交流用ＣＴ２４および検出装置２５を設け、対象変電区間の中間にあるＡ変電所の近傍で人工的に高抵抗地絡を発生させて行なった。

図３において、Ｂ１は対象変電所区間における通常き電時（列車走行時）に列車の力行開始直後にＡ変電所（正確にはき電区分所）の検出装置２５で検出されたデータを周波数解析して得られたスペクトルを示したもの、Ｂ２はＭ変電所の検出装置２５で検出されたデータを周波数解析して得られたスペクトルを示したもの、Ｂ３はＡ変電所の検出装置２５で検出されたデータを周波数解析して得られたスペクトルを示したもの、Ｂ４はＴ変電所の検出装置２５で検出されたデータを周波数解析して得られたスペクトルを示したものである。

なお、「き電区分所」は、主に電圧低下対策を考慮し設置される施設であり、き電回線を母線で接続し電気を融通し高負荷時の電圧降下を軽減させるもので、変圧器や整流器も無く電源供給能力を有していないが、本発明は変電所がき電区分所である場合にも適用できるので、本実施形態では、より一般的な構成である変電所として記載している。
図３より、０Ｈｚと３００Ｈｚと６００Ｈｚと９００Ｈｚの近傍にそれぞれスペクトルレベルが山のように上昇した部位があることが分かる。本発明者は、これらの山が生じる原因について考察を行なった。その結果、Ｂ１における０Ｈｚ近傍のスペクトルレベルの山は力行走行している列車へ流される電流に基づくもの、３００Ｈｚ近傍の山と６００Ｈｚ近傍の山は、変電所内の整流器２２の動作に基づくものであることを見出した。

また、図３より、高抵抗地絡を生じさせると３００Ｈｚ近傍の山が大きくなるとともに、スペクトルレベルが、通常き電時よりも高抵抗地絡を生じさせた時の方が全体的に大きくなっている。特に、３００Ｈｚと６００Ｈｚとの間のスペクトルレベルと６００Ｈｚと９００Ｈｚとの間のスペクトルレベルは、明確に通常き電時よりも大きくなっていることが分かる。
本発明者は、上記の知見に基づいて、以下に説明するような高抵抗地絡検出方法を考案し、出願することとした。以下、本発明に係る高抵抗地絡検出方法について説明する。

図５は、本発明に係る高抵抗地絡検出方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
図５のフローチャートに従った以下の処理は、高抵抗地絡検出装置１５のＲＯＭ５２に格納されているプログラムを演算処理装置５１が実行することによって行われる。なお、高抵抗地絡の継続時間は一定ではないので、図５の一連の処理からなる検出フローは、例えば１００ｍｓ（ミリ秒）のような周期で、繰返し実行するように構成すると良い。
図５の高抵抗地絡検出処理が開始されると、演算処理装置５１は、先ず交流用ＣＴ２４の測定値を例えば数μｓ周期で数１０ｍｓ間サンプリングしてＲＡＭ５３に記憶する（ステップＳ１）。続いて、サンプリングして記憶した測定データをＲＡＭ５３から読み出してＦＦＴ処理を行い、図３に示すようなデータを算出する（ステップＳ２）。

次に、演算処理装置５１は、ＦＦＴ処理により得られたフーリエスペクトル（周波数スペクトル）から３００Ｈｚと６００Ｈｚとの間のスペクトルレベルを抽出して平均値を算出する（ステップＳ３）。なお、平均値を算出する代わりに、中点のスペクトルレベルを選択しても良い。
続いて、平均値が予め設定したしきい値よりも高いか否か判定する（ステップＳ４）。そして、スペクトルレベルの平均値がしきい値よりも低い（Ｎｏ）と判定すると、処理を終了する。一方、ステップＳ４で、スペクトルレベルの平均値がしきい値よりも高い（Ｙｅｓ）と判定すると、ステップＳ５へ進んでアラームを出力して保全担当者へ知らせる。

アラームは、表示装置５６の画面に高抵抗地絡の発生を文字等で表示するものや警報ランプでも良いし、図示しないスピーカやブザーなどの音声出力手段によりアラーム音を出力するものであってもよい。
これにより、保全担当者は、高抵抗地絡が検出されたことを認知し、例えば高抵抗地絡が検出されたき電線へ直流電力を供給する変電所の遮断器をオフにすることで、地絡電流が流れ続けるのを防止することができる。
なお、演算処理装置５１は、アラームを出力する代わりに、遮断器をオフにする信号を生成して出力するように構成しても良い。

なお、上記実施例では、ＦＦＴ処理により得られたデータの３００Ｈｚと６００Ｈｚとの間のスペクトルレベルがしきい値よりも高いか否かを判定して高抵抗地絡の検出を行なっているが、そのような判定に限定されるものでない。例えば、図３より、通常き電時（Ｂ１）においては、３００Ｈｚのスペクトルレベルの山よりも６００Ｈｚの山の方が大きいのに対し、高抵抗地絡発生時（Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）においては、３００Ｈｚの山の方が６００Ｈｚの山よりも大きいので、３００Ｈｚの山と６００Ｈｚの山を比較して高抵抗地絡の発生の有無を判定するようにしてもよい。

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、変電所の整流器が６個のダイオードを有するブリッジ回路で構成されている場合の検出方法を例にとって説明したが、整流器が１２個のダイオードを有するブリッジ回路で構成されている場合には、フーリエスペクトルの分布において６００Ｈｚと９００Ｈｚと１．２ｋＨｚの近傍に大きな山がみられるので、６００Ｈｚと９００Ｈｚとの間のスペクトルレベルの平均値や９００Ｈｚと１.２ｋＨｚとの間のスペクトルレベルがしきい値よりも高いか否かを判定して高抵抗地絡の検出を行なうようにしても良い。

なお、上記実施例は、変電所に入力される交流電圧が５０Ｈｚの場合について説明したものであり、入力交流電圧が６０Ｈｚの場合には、フーリエスペクトルの３６０Ｈｚ、７２０Ｈｚ、１０８０Ｈｚ、１４４０Ｈｚにスペクトルレベルの山が現れるので、それらの周波数における山に着目して上記と同様な検出を行えば良い。さらに、整流器には１２個のダイオードを有するブリッジ回路で構成されているものがあるので、その場合には、上記周波数の２倍の周波数におけるスペクトルレベルの山に着目して上記と同様な検出を行うと良い。
また、上記実施形態では、電流測定器として交流用ＣＴを使用しているが直流用ＣＴを使用するようにしても良い。ＣＴの測定値の周波数解析において、高速フーリエ変換の代わりにウェーブレット変換を行うようにしても良い。

１０直流き電線
２０Ａ，２０Ｂ変電所
２１変圧器
２２整流器
２４交流用ＣＴ（変流器）
２５検出装置
５０高抵抗地絡検出部
５１演算処理装置

Claims

直流電力を供給する変電所の整流器から出力される直流電流を直流き電線へ供給する給電線に対応して設けられた電流検出手段と、前記電流検出手段によって測定されたデータに基づいて高抵抗地絡の有無を判定する演算処理手段とを備えた高抵抗地絡検出装置であって、
前記演算処理手段は、
前記電流検出手段によって電流増加時に測定されたデータを周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析手段によって変換されたデータの中から所定の周波数範囲のスペクトルレベルを抽出するスペクトルレベル抽出手段と、
前記スペクトルレベル抽出手段によって抽出されたスペクトルレベルに基づいて高抵抗地絡を判定する判定手段と、
を備え、
前記周波数解析手段は、高速フーリエ変換を実行可能であり、
前記整流器はｎ個のダイオードを有するブリッジ回路で構成され、
前記スペクトルレベル抽出手段は、前記変電所に入力される３相交流電圧の周波数がｆ０である場合に、前記高速フーリエ変換により算出されたスペクトルから、周波数がｎ×ｆ０と２ｎ×ｆ０との間または２ｎ×ｆ０と３ｎ×ｆ０との間または３ｎ×ｆ０と４ｎ×ｆ０との間のスペクトルレベルを抽出する機能を有し、
前記判定手段は、前記スペクトルレベル抽出手段によって抽出されたスペクトルレベルと予め設定されたしきい値とを比較して高抵抗地絡の発生の有無を判定することを特徴とする直流き電線の高抵抗地絡検出装置。
前記電流検出手段は、交流変流器であることを特徴とする請求項１に記載の直流き電線の高抵抗地絡検出装置。
アラームを出力可能な報知手段を備え、
前記演算処理手段は、
前記判定手段が高抵抗地絡の発生を判定した場合に、前記報知手段を制御してアラームを出力させるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の直流き電線の高抵抗地絡検出装置。