特開 2024-32292 レール破断検知装置及びレール破断検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024032292

(43)【公開日】2024-03-12

(54)【発明の名称】レール破断検知装置及びレール破断検知方法

(51)【国際特許分類】

   B61L 23/00 20060101AFI20240305BHJP

【ＦＩ】

B61L23/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022135873

(22)【出願日】2022-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】000207470

【氏名又は名称】大同信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】金谷 友普

(72)【発明者】

【氏名】中原 尚知

(72)【発明者】

【氏名】白井 俊輔

【テーマコード（参考）】

5H161

【Ｆターム（参考）】

5H161AA01

5H161MM01

5H161MM12

5H161NN02

(57)【要約】

【課題】単純な構成でレールの破断検知を精度よく行う。
【解決手段】レール破断検知装置１０は、レール７０、７２の延在方向に沿った所定間隔Ｌ毎に、一対のレール７０、７２間を短絡するように設けられた複数の短絡部２０と、複数の短絡部２０の隣接する短絡部２０間の各々における、一対のレール７０、７２間の電位差を測定する電位差測定部３０と、電位差測定部３０による測定結果に基づいて、一対のレール７０、７２の破断を検知する破断検知部４０とを含む。これにより、所定間隔Ｌを大きく設定し、更に短絡部２０から、帰線電流が流れる方向に位置する電位差測定部３０の測定点までの距離を大きく設定することで、一対のレール７０、７２間の電位差を大きくすることができるため、上記のような単純な構成にも関わらず、電位差のＳ／Ｎ比を向上させることができ、レール７０、７２の破断を精度よく検知することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道の帰線電流を利用して一対のレールの破断を検知する装置であって、
レールの延在方向に沿った所定間隔毎に、前記一対のレール間を短絡するように設けられた複数の短絡部と、
該複数の短絡部の隣接する短絡部間の各々における、前記一対のレール間の電位差を測定する電位差測定部と、
該電位差測定部による測定結果に基づいて、前記一対のレールの破断を検知する破断検知部と、を含むことを特徴とするレール破断検知装置。

【請求項2】

前記電位差測定部は、前記一対のレール間の電位差を、前記隣接する短絡部間の中央近傍において測定することを特徴とする請求項１記載のレール破断検知装置。

【請求項3】

前記破断検知部は、前記測定結果が予め設定された閾値を超えた場合に、前記一対のレールの何れか一方が破断したと判定することを特徴とする請求項１又は２記載のレール破断検知装置。

【請求項4】

前記破断検知部は、前記閾値として、レールの破断が発生していない場合に想定される、前記一対のレール間の帰線電流の不平衡率が加味された値が設定されていることを特徴とする請求項３記載のレール破断検知装置。

【請求項5】

前記破断検知部は、前記閾値として、鉄道の営業運転中に使用される第１閾値と、鉄道の終電後から初電前までの間に使用される第２閾値とが設定されていることを特徴とする請求項４記載のレール破断検知装置。

【請求項6】

鉄道の帰線電流を利用して一対のレールの破断を検知する方法であって、
レールの延在方向に沿った所定間隔毎に、前記一対のレール間を短絡するように複数の短絡部を設け、
該複数の短絡部の隣接する短絡部間の各々における、前記一対のレール間の電位差を測定し、
該電位差の測定結果に基づいて、前記一対のレールの破断を検知することを特徴とするレール破断検知方法。

【請求項7】

前記一対のレール間の電位差を、前記隣接する短絡部間の中央近傍において測定することを特徴とする請求項６記載のレール破断検知方法。

【請求項8】

前記測定結果が予め設定する閾値を超えた場合に、前記一対のレールの何れか一方が破断したと判定することを特徴とする請求項６又は７記載のレール破断検知方法。

【請求項9】

前記閾値として、レールの破断が発生していない場合に想定される、前記一対のレール間の帰線電流の不平衡率を加味した値を設定することを特徴とする請求項８記載のレール破断検知方法。

【請求項10】

前記閾値として、鉄道の営業運転中に使用する第１閾値と、鉄道の終電後から初電前までの間に使用する第２閾値とを設定することを特徴とする請求項９記載のレール破断検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道の帰線電流を利用して一対の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方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

鉄道の運用において、大きなトラブルの発生を未然に防止するために、レールの破断を事前に検知することは必須である。従来、一対のレールの破断検知は、列車の在線検知のために設置された軌道回路を利用したものが主流であったが、近年では、列車の在線検知方法の変更に伴い、軌道回路を利用せずにレールの破断を検知する方法が発案されている（例えば特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０６－３２１１１０号公報

【特許文献2】特開２０１２－０９１６７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、軌道回路を利用したレールの破断検知方法は、軌間電圧の有無でレール破断検知（列車検知）を行うため、一対のレール間を短絡できないという制約があり、また、無絶縁軌道回路で行った場合には、レール電位上昇による感電防止のために平衡用インピーダンスボンドを設置する必要があった。一方、特許文献１、２の方法は、一対のレールの各々の数メートルあたりの電気抵抗による電位差を測定することで帰線電流を測定するため、一対のレールのために測定回路が２つ必要となる。更に、レールの数メートルあたりの電気抵抗はかなり小さいため、レール間の電位差が低くなってしまい、Ｓ／Ｎ比が悪く測定結果に影響を及ぼす虞があった。

【0005】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単純な構成でレールの破断検知を精度よく行うことにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

【0007】

（１）鉄道の帰線電流を利用して一対のレールの破断を検知する装置であって、レールの延在方向に沿った所定間隔毎に、前記一対のレール間を短絡するように設けられた複数の短絡部と、該複数の短絡部の隣接する短絡部間の各々における、前記一対のレール間の電位差を測定する電位差測定部と、該電位差測定部による測定結果に基づいて、前記一対のレールの破断を検知する破断検知部と、を含むレール破断検知装置。

【0008】

本項に記載のレール破断検知装置は、無線式列車制御システムを採用した鉄道路線に対応するものであって、複数の短絡部、電位差測定部、及び破断検知部を含んでいる。複数の短絡部は、レールの延在方向に沿った所定間隔毎に、一対のレール間を短絡するように設けられる。ここで、無線式列車制御システムでは軌道回路に信号を流さないため、軌間を短絡しても特に問題はない。電位差測定部は、複数の短絡部の隣接する短絡部間の各々における、一対のレール間の電位差を測定するものである。すなわち、一対のレールには、変電所から架線を介して列車へ供給され、列車のモータなどで使用された後に変電所へ戻る帰線電流が流れているため、そのような帰線電流による一対のレール間の電位差を測定する。このとき、電位差測定部は、レールの延在方向に所定間隔を空けて隣接する位置関係にある２つの短絡部の間で、上記のような一対のレール間の電位差を測定し、それを隣接する位置関係にある全ての短絡部間について実施する。

【0009】

破断検知部は、電位差測定部による上記のような電位差の測定結果に基づいて、一対のレールの破断を検知するものである。すなわち、一対のレールの破断が発生していない状態では、短絡部において一対のレールの双方に帰線電流が分配され、同程度の大きさの帰線電流が流れるため、一対のレール間には電位差がほとんど発生しない。これに対し、一対のレールの何れか一方が破断した場合は、破断していないレール側に略全ての帰線電流が流れ込み、破断したレール側では帰線電流が略流れないため、一対のレール間に電位差が発生する。このときに発生する電位差の大きさは、短絡部から電位差測定部による測定点までのレールの電気抵抗の大きさ、換言すれば短絡部から電位差測定部による測定点までのレールの長さに依存することになる。このような特性を利用して、一対のレールの破断を検知するものである。

【0010】

上記のような構成により、複数の短絡部の設置間隔である所定間隔が大きく設定され、更に短絡部から電位差測定部による測定点までの距離が大きく設定されることで、電位差測定部により測定される一対のレール間の電位差も大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が向上し、レールの破断が精度よく検知されるものとなる。しかも、複数の短絡部、一対のレール間の電位差を測定する電位差測定部、及び破断を検知する破断検知部という単純な構成にも関わらず、レールの破断が精度よく検知されるものである。更に、複数の短絡部により一対のレール間が短絡されるため、レールの破断が発生した際の軌間の電位上昇を防止するための平衡用インピーダンスボンドが不要となる。

【0011】

なお、本項に記載のレール破断検知装置では、帰線電流が流れていないとレールの破断が検知されないが、列車の起動時にパンタグラフが架線に接続されることでも微小な帰線電流が流れるため、それが利用されることで、初電が走行する前でもレールの破断が検知されるものとなる。しかも、微小な帰線電流であっても、上述したように複数の短絡部の設置間隔である所定間隔が大きく設定されることにより、一対のレール間の電位差も大きくなるため、問題なくレールの破断が検知されるものである。

【0012】

（２）上記（１）項において、前記電位差測定部は、前記一対のレール間の電位差を、前記隣接する短絡部間の中央近傍において測定するレール破断検知装置。
本項に記載のレール破断検知装置は、電位差測定部が一対のレール間の電位差を測定する際に、隣接する位置関係にある２つの短絡部間の中央近傍において電位差を測定し、これを隣接する位置関係にある全ての短絡部間について実施するものである。すなわち、電位差測定部は、隣接する位置関係にある２つの短絡部の双方から、略等しい距離にある測定点において、一対のレール間の電位差を測定する。これにより、複数の短絡部の設置間隔である所定間隔が大きく設定されることで、２つの短絡部の双方から電位差測定部による測定点までの距離が必然的に大きくなるため、測定される電位差のＳ／Ｎ比が向上し、レールの破断が精度よく検知されるものとなる。更に、隣接する短絡部の何れの短絡部の方向から帰線電流が流れる場合でも、電位差測定部による測定点までの距離は変わらないため、問題なくレールの破断が検知されるものである。

【0013】

（３）上記（１）（２）項において、前記破断検知部は、前記測定結果が予め設定された閾値を超えた場合に、前記一対のレールの何れか一方が破断したと判定するレール破断検知装置。
本項に記載のレール破断検知装置は、電位差測定部により測定される一対のレール間の電位差の測定結果が、予め設定された閾値を超えた場合に、一対のレールの何れか一方が破断したと破断検知部が判定するものである。このような閾値には、机上計算、試験結果、或いはシミュレーション結果などに基づいて導出された値が設定されればよい。これにより、電位差測定部による測定結果が閾値を超えているか否かの判定のみで、レールの破断の有無が検知されるため、破断検知部などの構成が簡略化されるものとなる。

【0014】

（４）上記（３）項において、前記破断検知部は、前記閾値として、レールの破断が発生していない場合に想定される、前記一対のレール間の帰線電流の不平衡率が加味された値が設定されているレール破断検知装置。
本項に記載のレール破断検知装置は、破断検知部においてレールの破断検知に用いられる閾値として、レールの破断が発生していない場合に想定される、一対のレール間の帰線電流の不平衡率が加味された値が設定されているものである。すなわち、一対のレール間には、レールの破断が発生していなくても、帰線電流によるある程度の大きさの電位差が発生するものと想定されるため、それを一対のレール間の帰線電流の不平衡率として把握する。そして、そのような不平衡率が加味されて、レールの破断検知に用いられる閾値が設定されることで、レールの破断が発生していないにも関わらず、上記のような不平衡に起因して測定値が閾値を超えてしまい、レールが破断したと誤検知されることが防止されるものとなる。これにより、一対のレールの破断検知の精度が、より一層向上するものである。

【0015】

（５）上記（４）項において、前記破断検知部は、前記閾値として、鉄道の営業運転中に使用される第１閾値と、鉄道の終電後から初電前までの間に使用される第２閾値とが設定されているレール破断検知装置。
本項に記載のレール破断検知装置は、破断検知部に設定される閾値として、第１閾値と第２閾値とが設定されているものである。第１閾値は、鉄道の営業運転中に使用されるものであって、営業運転中に流れる帰線電流の大きさが考慮されて設定される。これに対し、第２閾値は、鉄道の終電後から初電前までの間に使用されるものであって、終電後から初電前までの間に流れる帰線電流の大きさが考慮されて設定され、例えば上記（１）項で言及したような、列車の起動時に流れる微小な帰線電流の大きさが考慮されて設定される。これにより、鉄道の営業運転の時間帯と、終電後から初電前までの時間帯との双方において、各時間帯に流れる帰線電流が考慮された適切な閾値が用いられるため、レールの破断が精度よく検知されるものとなる。

【0016】

（６）鉄道の帰線電流を利用して一対のレールの破断を検知する方法であって、レールの延在方向に沿った所定間隔毎に、前記一対のレール間を短絡するように複数の短絡部を設け、該複数の短絡部の隣接する短絡部間の各々における、前記一対のレール間の電位差を測定し、該電位差の測定結果に基づいて、前記一対のレールの破断を検知するレール破断検知方法。

【0017】

（７）上記（６）項において、前記一対のレール間の電位差を、前記隣接する短絡部間の中央近傍において測定するレール破断検知方法
（８）上記（６）（７）項において、前記測定結果が予め設定する閾値を超えた場合に、前記一対のレールの何れか一方が破断したと判定するレール破断検知方法。
（９）上記（８）項において、前記閾値として、レールの破断が発生していない場合に想定される、前記一対のレール間の帰線電流の不平衡率を加味した値を設定するレール破断検知方法。

【0018】

（１０）上記（９）項において、前記閾値として、鉄道の営業運転中に使用する第１閾値と、鉄道の終電後から初電前までの間に使用する第２閾値とを設定するレール破断検知方法。
そして、（６）～（１０）項に記載のレール破断検知方法は、各々、上記（１）～（５）項のレール破断検知装置により実行されることで、上記（１）～（５）項のレール破断検知装置と同様の作用を奏するものである。

【発明の効果】

【0019】

本発明は上記のような構成であるため、単純な構成でレールの破断検知を精度よく行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置の構成を概略的に示す配置イメージ図である。

【図2】電位差測定部により測定する電位差を説明するための回路イメージ図である。

【図3】本発明の実施の形態に係るレール破断検知方法の手順の一例を示すフロー図である。

【図4】営業運転中にレール破断が発生した場合の測定電位差の経時変化を示すグラフである。

【図5】終電後から初電前にレール破断が発生した場合の測定電位差の経時変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面に基づいて説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略することとし、また、図面の全体にわたって、同一部分又は対応する部分は、同一符号で示している。
図１は、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０の構成の一例を概略的に示しており、このレール破断検知装置１０は、近年の無線を使用した列車制御システムに対応したものであり、帰線電流を利用して一対のレール７０、７２の破断を検知する。すなわち、変電所から架線を介して列車へ供給される電力は、列車でモータなどの様々な用途に使用された後、列車の車軸を介して一対のレール７０、７２へと流れる。それが変電所へ戻るために一対のレール７０、７２を流れている状態のものが帰線電流であり、そのような帰線電流を利用するものである。

【0022】

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、複数の短絡部２０、電位差測定部３０、及び破断検知部４０を含んでいる。複数の短絡部２０の各々は、一対のレール７０、７２間を接続して短絡するものである。これら複数の短絡部２０は、レール７０、７２の延在方向に沿った所定間隔Ｌ毎に設置されており、その所定間隔Ｌには数ｋｍ～十数ｋｍ程度が想定され、これに限定されるものではないが、例えば２ｋｍである。また、１つの鉄道路線に、異なる長さの所定間隔Ｌが混在していてもよい。なお、図１には５つの短絡部２０が図示されているが、一対のレール７０、７２に設置される短絡部２０の数量は、鉄道路線の長さや所定間隔Ｌの長さなどに応じて任意に設定される。また、短絡部２０の各々は、想定し得る帰線電流の大きさに耐え得る任意の線材により構成される。

【0023】

電位差測定部３０は、隣接する短絡部２０間の各々における、一対のレール７０、７２間の電位差を測定するものであって、本実施形態では、隣接する短絡部２０間の中央近傍における電位差を測定するように、隣接する２つの短絡部２０毎に設置されている。すなわち、電位差測定部３０の各々は、図２にも示すように、対応する２つの短絡部２０間の中央近傍、換言すれば２つの短絡部２０の双方から所定間隔Ｌの半分の長さ（Ｌ／２）の位置において、ケーブル３２により一方のレール７０に接続され、ケーブル３４により他方のレール７２に接続されている。そして、帰線電流の影響により発生する一対のレール７０、７２間の電位差を、ケーブル３２、３４を介して測定する。

【0024】

ここで、図２を参照すると、帰線電流が一対のレール７０、７２を図中の右側から左側へ向かって流れる場合のイメージ回路が示されており、帰線電流の仮想的な電流源６０が図示されている。すなわち、仮想的な電流源６０から流れる帰線電流は、図中右側の短絡部２０において、一方のレール７０へ流れ込む電流値Ｉ１の帰線電流（以下、「帰線電流Ｉ１」とも言う。）と、他方のレール７２へ流れ込む電流値Ｉ２の帰線電流（以下、「帰線電流Ｉ２」とも言う。）とに分岐する。そして、一方のレール７０を流れる帰線電流Ｉ１は、ケーブル３２が接続された箇所まで流れ、このとき、帰線電流Ｉ１が流れた「Ｌ／２」の長さを有するレール７０の抵抗値を仮想的にＲ３とすると、「Ｉ１×Ｒ３」の大きさの電圧Ｖ３が発生する。更に、一方のレール７０を流れる帰線電流Ｉ１は、ケーブル３２の接続箇所から図中左側の短絡部２０まで流れ、このとき、帰線電流Ｉ１が流れた「Ｌ／２」の長さを有するレール７０の抵抗値を仮想的にＲ１とすると、「Ｉ１×Ｒ１」の大きさの電圧Ｖ１が発生する。

【0025】

また、他方のレール７２を流れる帰線電流Ｉ２は、ケーブル３４が接続された箇所まで流れ、このとき、帰線電流Ｉ２が流れた「Ｌ／２」の長さを有するレール７２の抵抗値を仮想的にＲ４とすると、「Ｉ２×Ｒ４」の大きさの電圧Ｖ４が発生する。更に、他方のレール７２を流れる帰線電流Ｉ２は、ケーブル３４の接続箇所から図中左側の短絡部２０まで流れ、このとき、帰線電流Ｉ２が流れた「Ｌ／２」の長さを有するレール７２の抵抗値を仮想的にＲ２とすると、「Ｉ２×Ｒ２」の大きさの電圧Ｖ２が発生する。その後、帰線電流Ｉ１と帰線電流Ｉ２とが図中左側の短絡部２０で合流し、仮想的な電流源６０へと戻る。このような回路では、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間の電位差が、電位差測定部３０によって一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５として測定される。これに対し、帰線電流が一対のレール７０、７２を図２の左側から右側へ向かって流れる回路では、電圧Ｖ３と電圧Ｖ４との間の電位差が、電位差測定部３０によって一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５として測定される。

【0026】

なお、電圧Ｖ１～Ｖ４の大きさは、電流値Ｉ１、Ｉ２の大きさとレール７０、７２の抵抗値Ｒ１～Ｒ４の大きさとに依存し、抵抗値Ｒ１～Ｒ４の大きさは、レール７０、７２の長さ「Ｌ／２」と、レール７０、７２の種別毎に異なる単位長さあたりの電気抵抗とに依存する。ここでは、仮想的な電流源６０からの帰線電流（営業運転中の列車１編成の帰線電流）の大きさを２０００Ａとし、レール７０、７２のレール種別を、１ｍあたりの電気抵抗が３１．６μΩである５０ｋｇレールとし、複数の短絡部２０の設置間隔である所定間隔Ｌを２ｋｍとした場合の、具体的な値を例示する。以降では、具体的な数値を例示する場合に、特に断り書きのない限り、上記の数値を用いて算出するものとする。しかしながら、レール破断検知装置１０の実際の運用では、実際に設定した所定間隔Ｌの大きさや、レール７０、７２に実際に使用されているレール種別の電気抵抗などを利用することになる。

【0027】

図２の回路において、２０００Ａの帰線電流が右側の短絡部２０で等しい大きさに分岐する理想的な条件下では、帰線電流Ｉ１が１０００Ａ、帰線電流Ｉ２も１０００Ａとなる。また、抵抗値Ｒ１～Ｒ４の各々は、レール７０、７２の長さ「Ｌ／２」が１ｋｍ、レール７０、７２の１ｍあたりの電気抵抗が３１．６μΩであるため、「３１．６μΩ／ｍ×１０００ｍ」で３１．６ｍΩとなる。このため、電圧Ｖ１～Ｖ４は、何れも「１０００Ａ×３１．６ｍΩ」で３１．６Ｖとなり、電位差測定部３０によって一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５として測定される電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間の電位差は、「３１．６Ｖ－３１．６Ｖ」で０Ｖとなる。このとき、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間の電位差は、その絶対値を測定するものとする。

【0028】

また、電位差測定部３０は、測定した電位差Ｖ５に対して、後述する破断検知部４０において取り扱い易いデータにするために、フィルタ処理やＡ／Ｄ変換などの信号処理を行ってもよい。更に、電位差測定部３０は、破断検知部４０と通信を行うための通信手段を備える。すなわち、電位差測定部３０は、本実施形態のように隣接する２つの短絡部２０毎に設置される場合は、レール７０、７２の近傍に設置されることになる。そして、そこから破断検知部４０と通信を行うために、メタル回線や光回線といった有線での通信や、公衆回線や専用回線を用いた無線での通信を行うことが想定され、これらに対応した通信手段を具備する。このような電位差測定部３０は、上述した機能を実現可能な任意の部材、機器、及びソフトウェアを利用して構成される。

【0029】

図１に戻り、破断検知部４０は、電位差測定部３０により測定された一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５に基づいて、一対のレール７０、７２における破断の有無の検知を行うものである。そのために、破断検知部４０は、電位差測定部３０から測定結果を取得するための通信手段を備え、この通信手段は、電位差測定部３０の通信手段の通信方式に対応したものとなる。また、破断検知部４０は、一対のレール７０、７２の破断検知を実質的に行う構成要素を備えるが、その詳しい破断検知の方法については後述する。更に、破断検知部４０は、破断検知の結果などを表示するための表示手段や、様々なデータを蓄積するための蓄積手段などを備えていてもよい。このような構成の破断検知部４０は、上述した機能を実現可能な任意のハードウェアやソフトウェアを利用して構成される。また、破断検知部４０は、機器室や指令所といった、レール７０、７２の破断検知の結果をいち早く知る必要がある人員の配置場所に設置されることが望ましい。

【0030】

ここで、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、図１及び図２に示された構成に限定されるものではなく、別の構成であってもよい。例えば、電位差測定部３０は、一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を、隣接する２つの短絡部２０間の中央近傍ではなく、隣接する２つの短絡部２０間の他の位置で測定してもよい。この場合は、帰線電流が流れる方向が考慮されて、例えば図２のような方向に帰線電流が流れるケースでは、抵抗値Ｒ１、Ｒ２の方が抵抗値Ｒ３、Ｒ４よりも大きくなるように、図２における右側に偏った位置に電位差測定部３０による測定点が設定されることが好ましい。

【0031】

更に、電位差測定部３０は、隣接する２つの短絡部２０毎に設置されるのではなく、機器室などに集約して設置されてもよい。この場合は、図１でケーブル３２、３４が接続されたレール７０、７２の複数の測定点の各々から、電位差測定部３０の設置場所まで回線がひかれ、電位差測定部３０により複数の測定点での電位差Ｖ５がまとめて測定されることになる。また、この場合は、電位差測定部３０と破断検知部４０とを１つの機器でまとめて構成してもよい。一方、破断検知部４０は、機器室などに設置されるのではなく、図１のように設置された電位差測定部３０の各々の近傍に或いはそれらと統合されて、分散して設置されてもよい。すなわち、レール７０、７２の近傍でそれらの電位差Ｖ５の測定及びこれを利用した破断の検知を行い、その検知結果を機器室や指令所などに送信する構成であってもよい。

【0032】

続いて、図３に示すフロー図を参照しながら、上述したレール破断検知装置１０を用いて実行される、本発明の実施の形態に係るレール破断検知方法の具体的な手順について説明する。レール破断検知装置１０の構成については、適宜、図１及び図２を参照のこと。なお、図３に示すフロー図は、具体的な手順を説明するための一例を示したものである。従って、本発明の実施の形態に係るレール破断検知方法の手順は、図３のフロー図に限定されるものではなく、例えばレール破断検知装置１０の構成や状況などに応じて、図３に示したステップの一部が削除、変更、ないし適宜追加されたフローであってもよいものである。

【0033】

Ｓ１０（電位差測定）：電位差測定部３０により、ケーブル３２を介して接続されたレール７０と、ケーブル３４を介して接続されたレール７２との間の電位差Ｖ５（絶対値）を測定する。そして、測定結果を破断検知部４０に対して送信する。図１の実施形態のように、複数の電位差測定部３０が設置されている場合は、測定結果と共に電位差測定部３０の識別情報も送信する。
Ｓ２０（時間判定）：破断検知部４０により、現在時刻が鉄道の営業運転中か否かを判定する。その結果、鉄道の営業運転中であると判定した場合（ＹＥＳ）はＳ３０へ移行し、鉄道の営業運転中ではなく、終電後から初電前であると判定した場合（ＮＯ）はＳ６０へ移行する。

【0034】

Ｓ３０（第１閾値判定）：破断検知部４０により、電位差測定部３０から送信された一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、予め設定された第１閾値を超えているか否かを判定する。
ここで、破断検知部４０に対して予め設定されている閾値について説明すると、破断検知部４０には、レール７０、７２の破断の有無の判定に用いる閾値が設定されており、本実施形態では第１閾値及び第２閾値の２つが設定されている。第１閾値は、鉄道の営業運転中の時間帯に使用される閾値であり、第２閾値は、鉄道の終電後から初電前までの時間帯に使用される閾値である。

【0035】

まずは第１閾値の設定方法の例を説明すると、図２の回路において、例えば破線で図示された×印の位置で破断が発生したこと想定して、仮想的な電流源６０（列車）から流れる２０００Ａの帰線電流は、その全てが帰線電流Ｉ２としてレール７２を流れる。すなわち、レール７０で破断が発生しているため、図中右側の短絡部２０において、帰線電流はその略全てが、破断が発生していないレール７２側へ流れ込み、帰線電流Ｉ２が２０００Ａ、帰線電流Ｉ１が０Ａとなる。すると、電圧Ｖ１は「０Ａ×３１．６ｍΩ」で０Ｖとなり、電圧Ｖ２は「２０００Ａ×３１．６ｍΩ」で６３．２Ｖとなるため、電位差Ｖ５は「｜０Ｖ－６３．２Ｖ｜」で６３．２Ｖとなる。この６３．２Ｖの電位差が、レール７０が破断した場合の電位差であり、図２の回路では、レール７２が破断した場合も同じ大きさの電位差となる。このため、６３．２Ｖの電位差をレール７０又は７２が破断した場合の電位差として考慮する。

【0036】

続いて、レール７０、７２の破断が発生していない場合に想定されるレール７０、７２間の不平衡率について検討する。すなわち、レール７０、７２の破断が発生していない状態であっても、レール７０、７２間にはある程度の電位差が発生することが想定されるため、それをレール７０、７２間の不平衡率から算出する。例えば、レール７０、７２間の不平衡率が１０％とすると、仮想的な電流源６０（列車）から流れる２０００Ａの帰線電流は、図中右側の短絡部２０において、「２０００Ａ×１０％」で２００Ａの差分で分岐する。このため、例えば、レール７０へ流れ込む帰線電流Ｉ１が１１００Ａ、レール７２へ流れ込む帰線電流Ｉ２が９００Ａになると仮定する。

【0037】

すると、電圧Ｖ１は「１１００Ａ×３１．６ｍΩ」で３４．８Ｖ（小数点第二位四捨五入）となり、電圧Ｖ２は「９００Ａ×３１．６ｍΩ」で２８．４Ｖ（小数点第二位四捨五入）となるため、電位差Ｖ５は「｜３４．８Ｖ－２８．４Ｖ｜」で６．４Ｖとなる。この６．４Ｖの電位差が、不平衡率が１０％の場合の電位差であるため、これをレール７０、７２が破断していない状態でも発生し得る電位差として考慮する。そして、本実施形態では、上述したレール７０又は７２が破断した場合の電位差である６３．２Ｖと、レール７０、７２が破断していない状態で発生し得る電位差である６．４Ｖとを考慮して、鉄道の営業運転中の時間帯に使用する第１閾値を１０Ｖに設定する。しかしながら、この１０Ｖという値は一例であって、種々の条件に応じて任意の値に設定してよい。

【0038】

次に、第２閾値の設定方法の例を説明すると、初電前には、列車の起動時にパンタグラフが架線に接続されることで微小な帰線電流が流れるため、それを２０Ａと想定する。すると、図２の回路において、例えば破線で図示された×印の位置で破断が発生した場合は、仮想的な電流源６０（列車）から流れる２０Ａの帰線電流は、その全てが帰線電流Ｉ２としてレール７２を流れ、帰線電流Ｉ２が２０Ａ、帰線電流Ｉ１が０Ａとなる。すると、電圧Ｖ１は「０Ａ×３１．６ｍΩ」で０Ｖとなり、電圧Ｖ２は「２０Ａ×３１．６ｍΩ」で０．６３２Ｖとなるため、電位差Ｖ５は「｜０Ｖ－０．６３２Ｖ｜」で０．６３２Ｖとなる。

【0039】

この０．６３２Ｖの電位差が、初電前にレール７０が破断した場合の電位差であり、図２の回路では、レール７２が破断した場合も同じ大きさの電位差となる。このため、０．６３２Ｖの電位差を初電前にレール７０又は７２が破断した場合の電位差として考慮する。そして、本実施形態では、初電前にレール７０又は７２が破断した場合の電位差である０．６３２Ｖを考慮して、終電後から初電前の時間帯に使用する第２閾値を０．５Ｖに設定する。しかしながら、この０．５Ｖという値は一例であって、種々の条件に応じて任意の値に設定してよい。なお、初電前の帰線電流が微小であるため、第２閾値には、レール７０、７２が破断していない状態で発生し得る電位差（不平衡率）を特に加味していない。

【0040】

図３のＳ３０の説明に戻ると、破断検知部４０により、電位差測定部３０から送信された一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、上記のように設定された第１閾値（１０Ｖ）を超えているか否かを判定する。そして、電位差Ｖ５が第１閾値を超えていると判定した場合（ＹＥＳ）はＳ４０へ移行し、電位差Ｖ５が第１閾値を超えていないと判定した場合（ＮＯ）はＳ５０へ移行する。
Ｓ４０（レール破断発生と判定）：破断検知部４０により、現在の営業運転中の時間帯において、上記Ｓ１０で測定した一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、第１閾値を超えているため、レール７０、７２の何れかで破断が発生していると判定する。また、第１閾値を超える電位差Ｖ５を測定した電位差測定部３０の識別情報などから、隣接する位置関係にあるどの２つの短絡部２０の間でレール７０、７２の破断が発生したかを把握することで、破断が発生したエリアを絞り込む。

【0041】

Ｓ５０（レール破断なしと判定）：破断検知部４０により、現在の営業運転中の時間帯において、上記Ｓ１０で測定した一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、第１閾値を超えていないため、レール７０、７２の破断は発生していないと判定する。
ここで、図４には、営業運転の時間帯にレール７０又は７２の破断が発生した場合の、電位差Ｖ５（測定電圧）の経時変化の例を示している。図示のように、電位差Ｖ５は、初電前に列車のパンタグラフが上げられると僅かに発生し、営業時間に入ると第２閾値よりも大きくなり、レール７０又は７２の破断が発生すると第１閾値よりも大きくなっている。このため、第１閾値を使用すれば、営業運転中のレール７０、７２の破断を検知できることが確認できる。

【0042】

Ｓ６０（第２閾値判定）：破断検知部４０により、電位差測定部３０から送信された一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、上記のように予め設定された第２閾値（０．５Ｖ）を超えているか否かを判定する。そして、電位差Ｖ５が第２閾値を超えていると判定した場合（ＹＥＳ）はＳ７０へ移行し、電位差Ｖ５が第２閾値を超えていないと判定した場合（ＮＯ）はＳ８０へ移行する。
Ｓ７０（レール破断発生と判定）：破断検知部４０により、現在の終電後から初電前の時間帯において、上記Ｓ１０で測定した一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、第２閾値を超えているため、レール７０、７２の何れかで破断が発生していると判定する。また、第２閾値を超える電位差Ｖ５を測定した電位差測定部３０の識別情報などから、隣接する位置関係にあるどの２つの短絡部２０の間でレール７０、７２の破断が発生したかを把握することで、破断が発生したエリアを絞り込む。

【0043】

Ｓ８０（レール破断なしと判定）：破断検知部４０により、現在の終電後から初電前の時間帯において、上記Ｓ１０で測定した一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５が、第２閾値を超えていないため、レール７０、７２の破断は発生していないと判定する。
ここで、図５には、終電後から初電前の時間帯にレール７０又は７２の破断が発生した場合の、電位差Ｖ５（測定電圧）の経時変化の例を示している。図示のように、電位差Ｖ５は、初電前に列車のパンタグラフが上げられると僅かに発生し、レール７０又は７２の破断が発生すると第２閾値よりも大きくなり、営業時間に入ると第１閾値よりも大きくなっている。このため、第２閾値を使用すれば、終電後から初電前のレール７０、７２の破断を検知できることが確認できる。
図３のフロー図では、開始と終了の間にＳ１０～Ｓ８０の処理手順が記載されているが、本発明の実施の形態に係るレール破断検知方法は、Ｓ１０～Ｓ８０の処理手順を継続して繰り返し行うものである。

【0044】

なお、上記の説明では、直流電化区間で直流の帰線電流を利用して、レール７０、７２の破断を検知する場合を例に記載しているが、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０及びレール破断検知方法は、これに限定されるものではない。すなわち、例えば交流電化区間では、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの周波数の帰線電流を測定して利用することで、レール７０、７２の破断を検知すればよい。また、直流電化区間の場合は、帰線電流に含まれる３００Ｈｚ／３６０Ｈｚ成分（リップル成分）やその高調波を利用して、レール７０、７２の破断を検知してもよい。更に、交流電化区間の場合でも、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの高調波の帰線電流を利用して、レール７０、７２の破断を検知してもよい。

【0045】

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、無線式列車制御システムを採用した鉄道路線に対応するものであって、図１及び図２に示すように、複数の短絡部２０、電位差測定部３０、及び破断検知部４０を含んでいる。複数の短絡部２０は、レール７０、７２の延在方向に沿った所定間隔Ｌ毎に、一対のレール７０、７２間を短絡するように設けられる。電位差測定部３０は、複数の短絡部２０の隣接する短絡部２０間の各々における、一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を測定するものである。すなわち、一対のレール７０、７２には、変電所から架線を介して列車へ供給され、列車のモータなどで使用された後に変電所へ戻る帰線電流が流れているため、そのような帰線電流による一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を測定する。このとき、電位差測定部３０は、レール７０、７２の延在方向に所定間隔Ｌを空けて隣接する位置関係にある２つの短絡部２０の間で、上記のような一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を測定し、それを隣接する位置関係にある全ての短絡部２０間について実施する。

【0046】

破断検知部４０は、電位差測定部３０による上記のような電位差Ｖ５の測定結果に基づいて、一対のレール７０、７２の破断を検知するものである。すなわち、一対のレール７０、７２の破断が発生していない状態では、短絡部２０において一対のレール７０、７２の双方に帰線電流が分配され（図２の帰線電流Ｉ１、Ｉ２）、同程度の大きさの帰線電流が流れるため、一対のレール７０、７２間には電位差がほとんど発生しない。これに対し、一対のレール７０、７２の何れか一方が破断した場合は、破断していないレール側に略全ての帰線電流が流れ込み、破断したレール側では帰線電流が略流れないため、一対のレール７０、７２間に電位差が発生する。このときに発生する電位差の大きさは、短絡部２０から電位差測定部３０による測定点までのレール７０、７２の電気抵抗の大きさ、換言すれば短絡部２０から電位差測定部３０による測定点までのレール７０、７２の長さに依存することになる。このような特性を利用して、一対のレール７０、７２の破断を検知するものである。

【0047】

上記のような構成により、複数の短絡部２０の設置間隔である所定間隔Ｌを大きく設定し、更に短絡部２０から電位差測定部３０による測定点までの距離を大きく設定することで、電位差測定部３０により測定される一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を大きくすることができる。このため、電位差Ｖ５のＳ／Ｎ比を向上させることができ、レール７０、７２の破断を精度よく検知することが可能となる。しかも、複数の短絡部２０、一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を測定する電位差測定部３０、及び破断を検知する破断検知部４０という単純な構成にも関わらず、レール７０、７２の破断を精度よく検知することができる。更に、複数の短絡部２０により一対のレール７０、７２間を短絡するため、レール７０、７２の破断が発生した際の軌間の電位上昇を防止するための平衡用インピーダンスボンドを不要にすることができる。

【0048】

なお、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０では、帰線電流が流れていないとレール７０、７２の破断を検知することができないが、列車の起動時にパンタグラフが架線に接続されることでも微小な帰線電流が流れるため、それを利用することで、初電が走行する前でもレール７０、７２の破断を検知することができる。しかも、そのような微小な帰線電流であっても、上述したように所定間隔Ｌと、短絡部２０から電位差測定部３０による測定点までの距離とを大きく設定することにより、一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を大きくすることができるため、問題なくレール７０、７２の破断を検知することができる。

【0049】

また、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、電位差測定部３０が一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を測定する際に、隣接する位置関係にある２つの短絡部２０間の中央近傍において電位差Ｖ５を測定し、これを隣接する位置関係にある全ての短絡部２０間について実施するものである。すなわち、電位差測定部３０は、隣接する位置関係にある２つの短絡部２０の双方から、略等しい距離（Ｌ／２）にある測定点において、一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５を測定する。これにより、複数の短絡部２０の設置間隔である所定間隔Ｌを大きく設定することで、２つの短絡部２０の双方から電位差測定部３０による測定点までの距離を必然的に大きくできるため、測定する電位差Ｖ５のＳ／Ｎ比を向上することができ、レール７０、７２の破断を精度よく検知することが可能となる。更に、隣接する短絡部２０の何れの短絡部２０の方向から帰線電流が流れる場合でも、電位差測定部３０による測定点までの距離は変わらないため、問題なくレール７０、７２の破断を検知することができる。

【0050】

更に、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、電位差測定部３０により測定される一対のレール７０、７２間の電位差Ｖ５の測定結果が、予め設定された閾値を超えた場合に、一対のレール７０、７２の何れか一方が破断したと破断検知部４０が判定するものである（図３のＳ３０～Ｓ８０参照）。このような閾値には、机上計算、試験結果、或いはシミュレーション結果などに基づいて導出した値を設定すればよい。これにより、電位差測定部３０による測定結果が閾値を超えているか否かの判定のみで、レール７０、７２の破断の有無を検知することができるため、破断検知部４０などの構成を簡略化することができる。

【0051】

また、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、破断検知部４０においてレール７０、７２の破断検知に用いられる閾値として、レール７０、７２の破断が発生していない場合に想定される、一対のレール７０、７２間の帰線電流の不平衡率が加味された値が設定されているものである。すなわち、一対のレール７０、７２間には、レール７０、７２の破断が発生していなくても、帰線電流によるある程度の大きさの電位差が発生するものと想定されるため、それを一対のレール７０、７２間の帰線電流の不平衡率として把握する。そして、そのような不平衡率を加味して、レール７０、７２の破断検知に用いる閾値を設定することで、レール７０、７２の破断が発生していないにも関わらず、上記のような不平衡に起因して測定値が閾値を超えてしまい、レール７０、７２が破断したと誤検知することを防止することが可能となる。これにより、一対のレール７０、７２の破断検知の精度を、より一層向上させることができる。

【0052】

更に、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０は、破断検知部４０に設定される閾値として、第１閾値と第２閾値とが設定されているものである（図３のＳ３０、Ｓ６０参照）。第１閾値は、鉄道の営業運転中に使用されるものであって、営業運転中に流れる帰線電流の大きさが考慮されて設定される。これに対し、第２閾値は、鉄道の終電後から初電前までの間に使用されるものであって、終電後から初電前までの間に流れる帰線電流の大きさが考慮されて設定され、例えば列車の起動時に流れる微小な帰線電流の大きさが考慮されて設定される。これにより、鉄道の営業運転の時間帯と、終電後から初電前までの時間帯との双方において、各時間帯に流れる帰線電流を考慮した適切な閾値を用いることができるため、レール７０、７２の破断を精度よく検知することが可能となる（図４及び図５参照）。

【0053】

なお、本発明の実施の形態に係るレール破断検知方法は、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０により実行されることで、本発明の実施の形態に係るレール破断検知装置１０と同様の作用効果を奏することができる。

【符号の説明】

【0054】

１０：レール破断検知装置、２０：短絡部、３０：電位差測定部、４０：破断検知部、７０、７２：一対のレール、Ｉ１、Ｉ２：帰線電流、Ｌ：所定間隔、Ｖ５：電位差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】