特許 7168375 集電電流監視装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-31

(45)【発行日】2022-11-09

(54)【発明の名称】集電電流監視装置

(51)【国際特許分類】

   B60L 5/00 20060101AFI20221101BHJP

   B60L 3/00 20190101ALI20221101BHJP

【ＦＩ】

B60L5/00 Z

B60L3/00 N

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018151562

(22)【出願日】2018-08-10

(65)【公開番号】P2020028173

(43)【公開日】2020-02-20

【審査請求日】2021-05-25

(73)【特許権者】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】中村 幸太郎

(72)【発明者】

【氏名】下山 拓紀

(72)【発明者】

【氏名】水野 翔太

(72)【発明者】

【氏名】森田 由嗣

(72)【発明者】

【氏名】新村 涼太

【審査官】岩田 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０９３０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０８１２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１３１３３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－２２１１０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ ５／００

Ｂ６０Ｌ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１集電装置と第２集電装置とを備える鉄道車両に設置される集電電流監視装置であって、
第１集電装置に流れる第１電流と第２集電装置に流れる第２電流とを検知する検知部と、
前記検知部が検知した前記第１電流と前記第２電流とに基づいて鉄道車両の集電電流に対する規制の必要性を判定する判定部と、
を備え、
前記判定部は、一定の集計時間における前記第１電流が流れていない第１非通電時間が第１補助閾値を超えると共に前記第２電流が流れていない第２非通電時間が第２補助閾値を超え、かつ、前記第１非通電時間と前記第２非通電時間との和が閾値を超えた場合に、集電電流に対する規制が必要と判定する、集電電流監視装置。

【請求項2】

請求項１に記載の集電電流監視装置であって、
前記閾値は、前記鉄道車両の走行速度に応じて選択される、集電電流監視装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の集電電流監視装置であって、
前記閾値は、前記第１電流、前記第２電流、又は前記第１電流と前記第２電流との和に応じて選択される、集電電流監視装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の集電電流監視装置であって、
前記集計時間は、前記鉄道車両の走行方向における前記第１集電装置と前記第２集電装置との距離を前記鉄道車両の走行速度で除した時間以上である、集電電流監視装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、集電電流監視装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両は、架線から電流を受け取るための複数の集電装置を備える。鉄道車両の走行時に、架線に例えば着氷霜等の異常がある場合、集電装置が架線に接触できないいわゆる離線が発生する。複数の集電装置において離線が同時に発生すると、アークが発生するため、集電装置が溶損し得る。

【0003】

そこで、架線における着氷霜を検出するための監視装置が提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－９３０２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の監視装置では、２つの集電電流装置における集電電流間のアンバランスを検知し、着氷霜を判定する。この着氷霜の判定に基づいて鉄道車両に集電電流規制（つまりノッチ規制）がなされ、アークの発生が抑制される。

【0006】

しかしながら、上述の監視装置では、集電電流規制によって各集電電流装置の集電電流が小さくなると、集電電流間のアンバランスも小さくなるため、異常が判定されにくくなる。そのため、架線の異常が存続している状態でも異常がないと判定されることで集電電流規制が解除され、その後集電電流の増加に伴う異常の検知によって集電電流規制が行われることが繰り返されるハンチングが発生し得る。

【0007】

本開示の一局面は、集電電流の大きさに関わらず、架線の異常に対応した集電電流規制が可能な集電電流監視装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様は、第１集電装置と第２集電装置とを備える鉄道車両に設置される集電電流監視装置である。集電電流監視装置は、第１集電装置に流れる第１電流と第２集電装置に流れる第２電流とを検知する検知部と、検知部が検知した第１電流と第２電流とに基づいて鉄道車両の集電電流に対する規制の必要性を判定する判定部と、を備える。判定部は、一定の集計時間における第１電流が流れていない第１非通電時間と第２電流が流れていない第２非通電時間との和が閾値を超えた場合に、集電電流に対する規制が必要と判定する。

【0009】

このような構成によれば、各集電装置に電流が流れていない時間（つまり第１非通電時間及び第２非通電時間）の和を用いて集電電流規制の判定を行うことで、一方の集電装置に故障等の異常が発生している状態を集電電流規制の対象から除外しつつ、架線に異常がある状態に対する集電電流規制を実施することができる。

【0010】

また、第１非通電時間及び第２非通電時間は、各集電装置における集電電流の大きさに依らず計測が可能である。そのため、集電電流の大きさに関わらず、架線の異常に対応し
た集電電流規制が実現される。

【0011】

本開示の一態様では、閾値は、鉄道車両の走行速度に応じて選択されてもよい。このような構成によれば、架線の異常に対する集電電流規制の判定精度を高めることができる。つまり、架線が正常な状態での電気離線の発生頻度は鉄道車両の走行速度に依存して変化するため、走行速度に合わせて閾値を設定することで判定精度が高まる。

【0012】

本開示の一態様では、閾値は、第１電流、第２電流、又は第１電流と第２電流との和に応じて選択されてもよい。このような構成によれば、集電電流が低くアーク溶損が発生しにくい状態における集電電流規制を抑制すると共に、集電電流が高い状態において積極的に集電電流規制を行うことができる。そのため、アーク発生を抑制しつつ、効率よく鉄道車両の運行を行うことができる。

【0013】

本開示の一態様では、判定部は、第１非通電時間が第１補助閾値を超えると共に第２非通電時間が第２補助閾値を超え、かつ、第１非通電時間と第２非通電時間との和が閾値を超えた場合に、集電電流に対する規制が必要と判定してもよい。このような構成によれば、第１集電装置及び第２集電装置のどちらかの非通電時間が小さい状態を集電電流規制の対象から除外できる。

【0014】

本開示の一態様では、集計時間は、鉄道車両の走行方向における第１集電装置と第２集電装置との距離を鉄道車両の走行速度で除した時間以上であってもよい。このような構成によれば、集計時間内に第１集電装置と第２集電装置とが同時に架線の異常部分を通過できるので、判定精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、実施形態における鉄道車両及び集電電流監視装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【図2】図２は、図１の判定部が用いる閾値と鉄道車両の走行速度との関係を例示するグラフである。

【図3】図３は、図１の判定部が用いる閾値と集電電流との関係を例示するグラフである。

【図4】図４は、図１の判定部が用いる閾値及び補助閾値を例示するグラフである。

【図5】図５は、図１の判定部が実行する処理を概略的に示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す鉄道車両１０は、第１集電装置１１と、第２集電装置１２と、主変換装置１４と、主電動機１５と、集電電流監視装置１とを備える。

【0017】

鉄道車両１０は、車体の屋根に設置された第１集電装置１１と第２集電装置１２とを介して架線Ｌから供給される電力を主変換装置１４に伝送し、主電動機１５を駆動させて走行する。なお、主変換装置１４及び主電動機１５は、鉄道車両１０を構成する車両ごとに設置されている。

【0018】

集電電流監視装置１は、鉄道車両１０に配置され、架線Ｌにおける着氷霜等の異常を検知し、鉄道車両１０の集電電流規制を行うように構成されている。集電電流監視装置１は、検知部２と、判定部３とを備える。

【0019】

＜検知部＞
検知部２は、第１集電装置１１に流れる第１電流Ｉ１と、第２集電装置１２に流れる第２電流Ｉ２とを検知する。

【0020】

検知部２は、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２を判定部３に送信する。なお、各集電装置の電流値は、予め決められた一定の間隔（つまり、サンプリングタイム）において取得される。

【0021】

＜判定部＞
判定部３は、検知部２が検知した第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２とに基づいて鉄道車両１０の走行速度Ｖに対する規制、つまり集電電流に対する規制の必要性を判定する。

【0022】

具体的には、判定部３は、一定の集計時間における第１電流Ｉ１が流れていない第１非通電時間Ｔ１と第２電流Ｉ２が流れていない第２非通電時間Ｔ２との和Ｔ３が閾値Ｓ０を超えた場合に、集電電流に対する規制（つまり、集電電流を一定値以下とする制御）が必要と判定し、主変換装置１４にノッチ規制に基づく集電電流規制の信号を送る。

【0023】

なお、第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２は、同一の集計時間において集計される。第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２は、それぞれ、集計時間内に電気が流れなかった時間の総計を意味する。

【0024】

第１非通電時間Ｔ１と第２非通電時間Ｔ２とを集計する集計時間は、任意に設定可能である。集計時間は、例えば、鉄道車両１０が一定距離を走行する時間として設定することができる。ただし、上述のように各集電装置の電流値の検知にはサンプリングタイムが存在するため、集計時間は一定のルールに基づいて定めた時間とすることがよい。

【0025】

具体的には、集計時間は、鉄道車両１０の走行方向Ｄにおける第１集電装置１１と第２集電装置１２との距離Ｐを鉄道車両１０の走行速度Ｖで除した時間以上とするとよい。これにより、集計時間内に第１集電装置１１と第２集電装置１２とが同時に架線Ｌの異常部分を通過できるので、判定精度を高めることができる。なお、距離Ｐは、第１集電装置１１の架線Ｌとの接点と、第２集電装置１２の架線Ｌとの接点との距離を意味する。

【0026】

一方、集計時間が長すぎると、異常の判定までの時間が長くなり、集電電流規制の開始が遅くなる。そのため、集計時間の上限としては、架線のドラムピッチが好ましい。さらに、上記距離Ｐを鉄道車両１０の走行速度Ｖで除した時間以上、かつ検知部２のサンプリングタイムの倍数となる最小の時間を集計時間とすることがより好ましい。

【0027】

なお、第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２の代わりに、第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２それぞれを集計時間で除した時間割合を用いて、上記判定を行ってもよい。この場合、閾値Ｓ０の次元は、時間ではなく、無次元となる。

【0028】

閾値Ｓ０は、予め定められた値である。閾値Ｓ０は、鉄道車両１０の走行速度等の状態パラメータに依存しない定数であってもよいが、状態パラメータによって値が変化する関数又はテーブルであってもよい。

【0029】

例えば、閾値Ｓ０は、鉄道車両１０の走行速度Ｖに応じて値が選択される関数又はテーブルであってもよい。図２は、走行速度Ｖと閾値Ｓ０との関係の一例である。一般に、走行速度Ｖが大きくなると走行速度Ｖは架線Ｌの波動伝播速度に近づく。これにより集電装置１１，２１の架線Ｌへの接触に伴う振動が減衰しづらくなり、集電装置１１，２１の架線Ｌへの追随性能が低下するため、架線Ｌが正常な状態での電気離線の発生頻度が高くな
る。なお、図２における複数の点は、第１非通電時間Ｔ１と第２非通電時間Ｔ２との和Ｔ３の計測結果の例を示す。

【0030】

そこで、走行速度Ｖが大きくなるほど閾値Ｓ０が大きくなるように設定することで、走行速度Ｖが大きいときの誤判定を抑制できる。このように、走行速度Ｖに合わせて閾値Ｓ０を設定することで判定精度が高まる。図２の走行速度ＶがＶ１以下の範囲では、閾値Ｓ０は一定である。図２の走行速度ＶがＶ１を超えた範囲では、走行速度Ｖの増加に合わせて線形的に閾値Ｓ０が増加する。

【0031】

また、閾値Ｓ０は、第１電流Ｉ１、第２電流Ｉ２、又は第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２との和Ｉ３に応じて値が選択される関数又はテーブルであってもよい。図３は、第１電流Ｉ１と閾値Ｓ０との関係の一例である。

【0032】

第１電流Ｉ１又は第２電流Ｉ２が低い状態では、アークが発生し難いので集電電流規制をする必要性が低い。そのため、第１電流Ｉ１又は第２電流Ｉ２が低い状態では、閾値Ｓ０を高くして不要な集電電流規制を避けると共に、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２が高い状態では、閾値Ｓ０を低くして積極的に集電電流規制を行うことで、効率よく鉄道車両の運行を行うことができる。

【0033】

図３では、第１電流Ｉ１がＩ０以下の領域において閾値Ｓ０は無限大、つまり存在しない。一方、第１電流Ｉ１がＩ０を超える領域において閾値Ｓ０は、一定である。つまり、図３における網掛けの領域は集電電流規制領域である。

【0034】

また、図３では、閾値Ｓ０に加え、２次閾値Ｓ１が設けられている。２次閾値Ｓ１は、第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２の和Ｔ３が閾値Ｓ０を超えて集電電流規制が行われた後、集電電流規制を維持する判定を行うために設けられている。つまり、図３における２次閾値Ｓ１よりも大きい領域（つまり２次閾値Ｓ１よりも右側の領域）は集電電流規制維持領域である。

【0035】

このように、判定部３は、第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２の和Ｔ３が閾値Ｓ０を超えた後、和Ｔ３が２次閾値Ｓ１以下となるまで、集電電流に対する規制を必要と判定し続ける。換言すれば、判定部３は、和Ｔ３が２次閾値Ｓ１以下となった場合に、集電電流に対する規制の解除信号を主変換装置１４に出力する。なお、２次閾値Ｓ１は、図３では一定の値であるが、状況パラメータによって値が変化してもよい。

【0036】

さらに、判定部３は、図４に示すように、閾値Ｓ０に加え、第１補助閾値Ｓ２及び第２補助閾値Ｓ３を判定に使用してもよい。具体的には、判定部３は、第１非通電時間Ｔ１が第１補助閾値Ｓ２を超えると共に第２非通電時間Ｔ２が第２補助閾値Ｓ３を超え、かつ、第１非通電時間Ｔ１と第２非通電時間Ｔ２との和Ｔ３が閾値Ｓ０を超えた場合に、集電電流に対する規制が必要と判定する。これにより、第１集電装置１１及び第２集電装置１２のどちらかの非通電時間が小さい状態を集電電流規制の対象から除外できる。

【0037】

図４では、閾値Ｓ０を表す線分と、第１補助閾値Ｓ２を表す半直線と、第２補助閾値Ｓ３を表す半直線とに囲まれた網掛けの領域が集電電流規制領域である。なお、第１補助閾値Ｓ２及び第２補助閾値Ｓ３は、状況パラメータによって値が変化してもよい。

【0038】

また、走行中の鉄道車両１０において、進行方向Ｄに対し後方の第２集電装置１２では、前方の第１集電装置１１よりも電気離線が生じやすい。そのため、第２補助閾値Ｓ３を第１補助閾値Ｓ２よりも大きくすることが好ましい。

【0039】

［１－２．処理］
以下、図５のフロー図を参照しつつ、判定部３が実行する集電電流規制判定処理について説明する。

【0040】

まず、判定部３は、第１非通電時間Ｔ１と第２非通電時間Ｔ２との和Ｔ３が閾値Ｓ０を超えているか判定する（ステップＳ１０）。なお、図４のように補助閾値Ｓ２，Ｓ３を設けた場合は、第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２それぞれについても補助閾値Ｓ２，Ｓ３を超えているか判定する。

【0041】

和Ｔ３が閾値Ｓ０を超えている場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、判定部３は、集電電流に対する規制が必要と判定し（ステップＳ２０）、主変換装置１４に集電電流規制信号を送る。なお、補助閾値の設定がある場合は、全てのパラメータが閾値又は補助閾値を超えている場合のみ、ステップＳ２０に進む。

【0042】

集電電流に対する規制が必要と判断した場合、判定部３は、引き続き現在の和Ｔ３が２次閾値Ｓ１以下か判定する（ステップＳ３０）。和Ｔ３が２次閾値Ｓ１以下の場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、判定部３は、集電電流に対する規制を維持する必要はないと判定し（ステップＳ４０）、主変換装置１４に集電電流規制解除信号を送った後、本処理をステップＳ１０から繰り返す。

【0043】

一方、和Ｔ３が２次閾値Ｓ１を超えている場合（Ｓ３０：ＮＯ）、判定部３は集電電流に対する規制を維持すると判定し（ステップＳ５０）、和Ｔ３が２次閾値Ｓ１以下となるまでステップＳ３０を繰り返す。

【0044】

ステップＳ１０において、和Ｔ３が閾値Ｓ０以下の場合（Ｓ１０：ＮＯ）、判定部３は、集電電流に対する規制が不要と判定し（ステップＳ６０）、本処理をステップＳ１０から繰り返す。

【0045】

なお、判定部３において２次閾値Ｓ１が設定されていない場合、ステップＳ３０、ステップＳ４０及びステップＳ５０は省略が可能である。この場合は、例えば、集電電流規制後に一定の時間が経過した場合、ステップＳ１０で和Ｔ３が閾値Ｓ０以下であると判断された場合等に、判定部３は、集電電流規制の解除信号を主変換装置１４に送る。

【0046】

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）各集電装置に電流が流れていない時間（つまり第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２）の和Ｔ３を用いて集電電流規制の判定を行うことで、一方の集電装置に故障等の異常が発生している状態を集電電流規制の対象から除外しつつ、架線Ｌに異常がある状態に対する集電電流規制を実施することができる。

【0047】

（１ｂ）第１非通電時間Ｔ１及び第２非通電時間Ｔ２は、各集電装置における集電電流の大きさに依らず計測が可能である。そのため、集電電流の大きさに関わらず、架線Ｌの異常に対応した集電電流規制が実現される。

【0048】

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0049】

（２ａ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。ま
た、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0050】

１…集電電流監視装置、２…検知部、３…判定部、１０…鉄道車両、
１１…第１集電装置、１２…第２集電装置、１４…主変換装置、１５…主電動機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】