特許 7463256 レール破断検知装置およびレール破断検知システム

(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】2024-03-29

(45)【発行日】2024-04-08

(54)【発明の名称】レール破断検知装置およびレール破断検知システム

(51)【国際特許分類】

   B61L 1/18 20060101AFI20240401BHJP

   B61L 23/00 20060101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

B61L1/18 Z

B61L23/00 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020195701

(22)【出願日】2020-11-26

(65)【公開番号】P2022084088

(43)【公開日】2022-06-07

【審査請求日】2023-09-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000221616

【氏名又は名称】東日本旅客鉄道株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004651

【氏名又は名称】日本信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001254

【氏名又は名称】弁理士法人光陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】橋本 直樹

(72)【発明者】

【氏名】薗部 正和

(72)【発明者】

【氏名】金子 貴志

【審査官】井古田 裕昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０９１６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０７３３２８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６１Ｌ １／１８

Ｂ６１Ｌ ２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対のレールの一方によって構成された第１測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第２測定区間とが設定され、帰線電流によって前記第１測定区間に生じた電圧差および帰線電流によって前記第２測定区間に生じた電圧差の不平衡から前記レールの破断を検知する機能を有するレール破断検知装置であって、
前記第１測定区間の電圧降下量を増幅して第１電圧降下信号を出力するゲインが可変である第１増幅回路と、
前記第２測定区間の電圧降下量を増幅して第２電圧降下信号を出力するゲインが可変である第２増幅回路と、
前記第１増幅回路から出力された前記第１電圧降下信号と前記第２増幅回路から出力された前記第２電圧降下信号とに基づいてレールに破断箇所があるか否か判定する信号処理装置と、を備え、
前記信号処理装置は、前記第１電圧降下信号および前記第２電圧降下信号の不平衡から前記レールの破断を検知可能であり、
前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、前記信号処理装置からの制御信号に応じて、それぞれ前記第１測定区間と前記第２測定区間の１ｍＶ～２５０ｍＶの電圧降下量を増幅して、前記信号処理装置の入力レンジに適したレベルの前記第１電圧降下信号および前記第２電圧降下信号を出力する機能を有することを特徴とするレール破断検知装置。

【請求項2】

前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、各々可変ゲイン型計装アンプを含み、
前記信号処理装置は、入力信号のレベルに応じて、前記可変ゲイン型計装アンプのゲインを制御するゲイン制御信号を生成する機能を有し、
前記第１増幅回路と前記第２増幅回路は、前記ゲイン制御信号によって同一のゲインに設定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。

【請求項3】

前記信号処理装置は、
前記第１増幅回路から出力された前記第１電圧降下信号Ｖ１と、前記第２増幅回路から出力された前記第２電圧降下信号Ｖ２と、に基づいて、次式
Ｒｕ＝（｜Ｖ１｜－｜Ｖ２｜）／（｜Ｖ１｜＋｜Ｖ２｜）
を用いて不平衡率Ｒｕを算出し、当該不平衡率が予め設定された値よりも大きい場合に、レールに破断箇所があると判定することを特徴とする請求項２に記載のレール破断検知装置。

【請求項4】

前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、
前記可変ゲイン型計装アンプの後段にそれぞれ接続されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの後段にそれぞれ接続された絶縁アンプと、
を含み、前記可変ゲイン型計装アンプの出力端子および／又は前記絶縁アンプの入力端子に保護回路が接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のレール破断検知装置。

【請求項5】

検知対象区間ごとに請求項１～４のいずれかに記載のレール破断検知装置が設けられているレール破断検知システムであって、
一対のレール間を短絡する複数のレール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とが適切な距離をおいて設けられている軌道において、前記レール間短絡手段とレール間短絡手段とに挟まれた区間又は前記レール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とに挟まれた区間をそれぞれ１つの検知対象区間とし、前記検知対象区間ごとに一対のレールの一方によって構成された第１測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第２測定区間とが設定されていることを特徴とするレール破断検知システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道用レールの破断を検知するレール破断検知装置およびこれを用いたレール破断検知システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、鉄道では、列車の位置検知を軌道回路によって行なっており、この軌道回路の副次的な機能として、レール破断の検知が行なわれていた。一方、近年においては、新たな列車制御システムとして、軌道回路を用いない移動閉塞システムの開発が進んでいる。移動閉塞システムでは、列車の位置検知は軌道回路によらず、列車自身において、例えば車軸に取り付けた速度発電機の回転数に基づく走行距離の算出や、地上装置との無線通信によって自車の走行位置を算出し、算出した現在位置を、無線通信によって他の列車や地上装置等に送信する構成となっている。

【0003】

このようなシステムでは、従来の軌道回路を用いたレール破断検知を行うことができない。そこで、軌道回路を用いずにレール破断を検知する手段として、例えば、特許文献１は、左右一対のレールに流れる各々の帰線電流を検知し、各々の帰線電流から不平衡を求めて、不平衡が予め設定した値を越えたことにより、レール破断を検知する技術を開示している。しかし、特許文献１は、車上側で帰線電流を検出する技術を採用しており、地上側で帰線電流を検出する点については、その可能性を示唆するにとどまり、具体的な開示はない。

【0004】

そこで、一対のレールの一方によって構成された第１測定区間と、 前記レールの他方によって構成された第２測定区間と、 レール破断がない場合はレール間で互いに平衡しレール破断が生じるとレール間で互いに不平衡となる帰線電流により、第１測定区間に生じた電圧降下信号及び第２測定区間に生じた電圧降下信号の不平衡からレールの破断を検知するようにした発明がある（特許文献２）。
なお、日本信号技報 巻：35号（非特許文献１）には、上記特許文献２の発明を適用したレール破断検知システムを実際の線路に適用して行なった実証試験の結果についての報告が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平６－３２１１１０号公報

【文献】特許第５８２７４６５号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】日本信号技報Vol.35,No.2 2011/11「レール破断検知システムの開発」 2011年11月30日発行

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献２に記載されているレール破断検知装置にあっては、非特許文献１に記載されているように、走行時に発生する電車の負荷電流が左右レール合計で１５０Ａ以上であることを必要としており、帰線電流を検出するためのケーブルが接続されている測定区間の近傍を電車が走行するタイミングでしかレール破断が検知できないとしていた。そのため、常時監視ができない。つまり、測定区間の近傍を電車が走行していない任意のタイミングでの破断検知結果が得られないため、営業時間帯にレール破断が発生した場合に、その検知が遅れるおそれがあるという課題がある。

【0008】

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、測定区間の近傍を電車が走行していないタイミングでもレールの破断検知結果を得ることができるレール破断検知装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、左右のレール間を同電位にするためのセクションボンドが設けられている線区において、線区内の広い範囲に亘って任意の箇所でのレール破断を検知することができるレール破断検知システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明は、
一対のレールの一方によって構成された第１測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第２測定区間とが設定され、帰線電流によって前記第１測定区間に生じた電圧差および帰線電流によって前記第２測定区間に生じた電圧差の不平衡から前記レールの破断を検知する機能を有するレール破断検知装置であって、
前記第１測定区間の電圧降下量を増幅して第１電圧降下信号を出力するゲインが可変である第１増幅回路と、
前記第２測定区間の電圧降下量を増幅して第２電圧降下信号を出力するゲインが可変である第２増幅回路と、
前記第１増幅回路から出力された前記第１電圧降下信号と前記第２増幅回路から出力された前記第２電圧降下信号とに基づいてレールに破断箇所があるか否か判定する信号処理装置と、を備え、
前記信号処理装置は、前記第１電圧降下信号および前記第２電圧降下信号の不平衡から前記レールの破断を検知可能であり、
前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、前記信号処理装置からの制御信号に応じて、それぞれ前記第１測定区間と前記第２測定区間の１ｍＶ～２５０ｍＶの電圧降下量を増幅して、前記信号処理装置の入力レンジに適したレベルの前記第１電圧降下信号および前記第２電圧降下信号を出力する機能を有するように構成したものである。

【0010】

上記のような構成によれば、前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、１ｍＶ～２５０ｍＶの電圧降下量を増幅して、前記信号処理装置の入力レンジに適したレベルの第１電圧降下信号および第２電圧降下信号を出力するため、レール破断検知装置が配設されている箇所から比較的離れた場所を電車が走行している場合においても、信号処理装置は、レールに流れる帰線電流により、第１測定区間に生じた電圧降下量に基づく第１電圧降下信号及び第２測定区間に生じた電圧降下量に基づく第２電圧降下信号を取得して、第１電圧降下信号及び第２電圧降下信号の不平衡からレールの破断を検知することができる。

【0011】

また、望ましくは、前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、各々可変ゲイン型計装アンプを含み、
前記信号処理装置は、入力信号のレベルに応じて、前記可変ゲイン型計装アンプのゲインを制御するゲイン制御信号を生成する機能を有し、
前記第１増幅回路と前記第２増幅回路は、前記ゲイン制御信号によって同一のゲインに設定されるように構成する。
かかる構成によれば、第１増幅回路のゲインと第２増幅回路のゲインを異なるゲイン制御信号によって制御するものに比べて、回路をシンプルにすることができ、コストアップを回避することができる。

【0012】

さらに、望ましくは、前記信号処理装置は、
前記第１増幅回路から出力された前記第１電圧降下信号Ｖ１と、前記第２増幅回路から出力された前記第２電圧降下信号Ｖ２と、に基づいて、次式
Ｒｕ＝（｜Ｖ１｜－｜Ｖ２｜）／（｜Ｖ１｜＋｜Ｖ２｜）
を用いて不平衡率Ｒｕを算出し、当該不平衡率が予め設定された値よりも大きい場合に、レールに破断箇所があると判定するように構成する。

【0013】

上記のような構成によれば、左右のレールに流れる帰線電流の不均衡率を算出するために、第１測定区間の電圧降下量と第２測定区間の電圧降下量の算出を省略して、信号処理装置への第１増幅回路と第２増幅回路から電圧降下信号によって不均衡率を直接算出することができ、信号処理装置の負担を軽減することができる。

【0014】

また、望ましくは、前記第１増幅回路および前記第２増幅回路は、
前記可変ゲイン型計装アンプの後段にそれぞれ接続されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの後段にそれぞれ接続された絶縁アンプと、
を含み、前記可変ゲイン型計装アンプの出力端子および／又は前記絶縁アンプの入力端子と接地点との間に電圧クランプ手段が接続されているように構成する。
かかる構成によれば、可変ゲイン型計装アンプのゲインが高いゲインに設定されている状態で大きなレベルの電圧が計装アンプに入力されたような場合、絶縁アンプに過大な電圧が入力するのを防止して、回路を保護することができる。

【0015】

また、本出願の他の発明は、検知対象区間ごとに上記のような構成を有するレール破断検知装置が設けられているレール破断検知システムであって、
一対のレール間を短絡する複数のレール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とが適切な距離をおいて設けられている軌道において、前記レール間短絡手段とレール間短絡手段とに挟まれた区間又は前記レール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とに挟まれた区間をそれぞれ１つの検知対象区間とし、前記検知対象区間ごとに一対のレールの一方によって構成された第１測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第２測定区間とが設定されているようにしてものである。

【0016】

上記のような構成を有するレール破断検知システムによれば、セクションボンドと隣のセクションボンド又は帰線電流吸上げ用インピーダンスボンドとに挟まれた検知対象区間ごとに１つのレール破断検知装置を設ける構成であるため、最小限のレール破断検知装置によって、線区の全範囲に亘って、任意の箇所でレール破断の検知を行うことができる。しかも、帰線電流によりレール破断を検知するものであって、検知のための特別の信号発生回路、信号送信回路を用いるものではないので、設備コストが安価になる。

【0017】

なお、特許文献２には、１閉塞区間に１つまたは２つのレール破断検知装置を設けることが記載されているが、１閉塞区間がどのようなものであるかの記載はない。また、鉄道分野においては、「閉塞区間」は１列車が存在することが可能な区間であり、特開６０－１６３７６３号公報には、一対のインピーダンスボンド（帰線電流吸上げ用ではなく、交流を遮断し直流を通過させるもの）間が閉塞区間であることが記載されており、本発明における「検知対象区間」とは異なる。

【発明の効果】

【0018】

上述したように、本発明に係るレール破断検知装置よれば、測定区間の近傍を電車が走行していないタイミングでもレールの破断検知結果を得ることができる。また、本発明に係るレール破断検知システムよれば、左右のレール間を同電位にするためのセクションボンドや帰線電流を帰線電流用の電線に吸い上げる吸上げ用のインピーダンスボンドが設けられている線区において、線区内の広い範囲に亘って任意の箇所でのレール破断を検知することができるという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係るレール破断検知装置の設置状態を示すシステム構成図である。

【図2】本発明に係るレール破断検知システム全体の具体的な構成を示すシステム構成図である。

【図3】システムを構成するレール破断検知装置の構成例を示すブロック図である。

【図4】本発明に先立って実施した帰線電流測定結果の一例を示す電流波形図である。

【図5】本発明に係るレール破断検知システムを適用した線区における列車ダイヤとレール破断検知装置による検知可能タイミングとの関係を示すタイムチャートである。

【図6】本発明に係るレール破断検知装置の変形例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して、本発明に係るレール破断検知装置および検知システムの実施形態について詳細に説明する。
図１には本発明に係るレール破断検知装置の設置例が、また図２には図１のレール破断検知装置を用いたレール破断検知システム全体の構成例が示されている。

【0021】

図１に示されているように、軌道１０上には、枕木１１を介して列車が走行する左右一対のレールＬ１、Ｌ２が敷設されており、レールＬ１とＬ２の任意の箇所には、数ｍほどの検知距離をおいて、一対のケーブル１２Ａ、１２Ｂの端部が接続されており、ケーブル１２Ａ、１２Ｂの他端にレール破断検知装置２０が接続されている。レール破断検知装置２０は、電車の負荷（走行モータ）からレールＬ１、Ｌ２を通って電力供給設備（変電所）へ戻る帰線電流によって、ケーブル接続部Ｐ１１－Ｐ１２とＰ２１－Ｐ２２間にそれぞれ生じる電位差ΔＶ１，ΔＶ２を増幅して、ΔＶ１，ΔＶ２の不平衡率に基づいてレールＬ１、Ｌ２の破断を検出する機能を備えている。

【0022】

上記検知距離は、例えば３ｍ～６ｍ程度の範囲であればよい（なお、３ｍのレールの電気抵抗は、約１００μΩである）。本明細書においては、上記ケーブル接続部Ｐ１１－Ｐ１２およびＰ２１－Ｐ２２間を測定区間と称する。測定区間は、互いに対向関係にある必要はなく、レールの長さ方向にずれていてもよい。ケーブル１２Ａ、１２Ｂの端部は、例えばテルミット溶接でレール側面に接続される。
図１において、ＳＢ１，ＳＢ２は、レールＬ１、Ｌ２間を短絡することで同一電位にして感電を防止するために設けられるセクションボンドであり、一般に数ｋｍ（例えば１～４ｋｍ）の距離をおいて設けられている。そして、このようなセクションボンドＳＢ１，ＳＢ２……があることによって、左右のレールを流れる帰線電流が平衡にされる。

【0023】

本明細書では、一対のセクションボンドＳＢ１，ＳＢ２で挟まれた区間を検知対象区間と称する。本実施形態においては、図２に示すように、上記測定区間が一つの検知対象区間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ……に少なくとも一箇所ずつ設けられ、それぞれレール破断検知装置２０が配設される。１検知対象区間内における測定区間Ｄ１，Ｄ２の設置位置はどこでもよく、検知対象区間の中間位置でもよいし、端部側であってもよい。なお、一つの検知対象区間の一方の端は、セクションボンドＳＢでなく、帰線電流を吸い上げる吸上げ用インピーダンスボンドＺＢであることもある。インピーダンスボンドＺＢにより吸い上げられた帰線電流は、帰線電流用電線を介して変電所の変圧器へ戻される。

【0024】

一般に、セクションボンドＳＢは、軌道内の人の出入りが他に比べて多いと予想される駅に設けられることが多く、その場合、測定区間は駅に設定され、セクションボンドを挟んで上り側と下り側にそれぞれ設けられ、さらに複線区間では上り線と下り線にそれぞれ設けられる。ただし、１検知対象区間には、分岐器のある個所は含まれないようにする。分岐器を介して反対方向のレールの電流が流れ込んでしまい、正確な破断検知が行えないためである。

【0025】

本実施形態のレール破断検知装置２０は、図３に示されているように、前記ケーブル１２Ａ、１２Ｂの終端が接続される入力端子部２１Ａ，２１Ｂと、入力端子部２１Ａ，２１Ｂに接続され雷サージなどの過電圧から装置を保護するためのＳＰＤ回路２２Ａ，２２Ｂと、前記ケーブル１２Ａ、１２Ｂを入力された電圧の電位差ΔＶ１，ΔＶ２を増幅する可変ゲイン型計装アンプ２３Ａ，２３Ｂを備える。可変ゲイン型計装アンプ２３Ａ，２３Ｂには、例えばゲインを１０倍、１００倍、１０００倍のいずれかに切り替え可能な機能を有するものが使用されている。

【0026】

さらに、レール破断検知装置２０は、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂの出力からノイズを除去するローパスフィルタ２４Ａ，２４Ｂ、同相ノイズの混入を防止し後段回路を保全する絶縁アンプ２５Ａ，２５Ｂ、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂ、電位差ΔＶ１，ΔＶ２の不平衡率を算出してそれに基づいてレールＬ１、Ｌ２の破断を判定するデータ処理を行うＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２７を備える。
ＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂは例えば１０ｍｓのような周期でサンプリングしてＡＤ変換を行い、ＣＰＵ２７は入力データを所定の時間で平均化し、平均化したデータで不平衡率の計算を行う。ＡＤ変換回路２６Ａ，２６ＢとＣＰＵ２７とによって、信号処理装置が構成される。なお、絶縁アンプ２５Ａ，２５ＢとＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂとの間に、抵抗分圧回路（例えば１／３分圧）やバッファアンプ（ゲイン１）、固定ゲイン（例えば×３）のアンプなどを設けても良い。

【0027】

ＣＰＵ２７は、入力電圧値に応じて入力電圧値が低いときは計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲインを高くし、入力電圧値が高いときは計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲインを低くするように指令するゲイン制御信号ＧＣを生成して出力する機能を備えている。
具体的には、オーバーレンジ動作時は増幅回路の最終段のアンプ（図３では絶縁アンプ２５Ａ，２５Ｂ）が飽和出力となるので、ＣＰＵ２７は、ＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂにてオーバーレンジ入力（飽和）状態が発生していることを検出した場合は、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲインを低いゲインに切り替えるゲイン制御信号ＧＣを出力してゲインレンジアップを行うように構成されている。

【0028】

なお、小さいレンジ（例えばレンジ1：±４．５ｍＶ）の状態で高いレベル（例えば＋２５０ｍＶ）の電圧が計装アンプ２３Ａ，２３Ｂに入力された場合、絶縁アンプ２５Ａ，２５Ｂに過大な電圧が入力されてしまうおそれがある。そこで、本実施形態においては、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂの出力端子と接地点との間および絶縁アンプ２５Ａ，２５Ｂの入力端子と接地点との間に、ＺＤ（ツェナーダイオード）からなる保護回路を設けて、異常入力を抑制し回路を保護している。

【0029】

また、本実施形態のレール破断検知装置２０は、２つの入力端子部２１Ａ，２１Ｂの入力電圧のうち絶対値の大きい方の電圧が入力レンジを超えないように、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲインが決定されゲイン制御信号ＧＣが生成される。具体的には、２つの入力電圧のうちいずれかの一方の電圧のＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂの出力値が、所定のレンジアップしきい値（例えばレンジ1：±４．５ｍＶ、レンジ２：±４５ｍＶ）を所定の判定回数（例えば３回）を連続で上回ったときにレンジアップする。一方、２つの入力電圧ともＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂの出力値が、所定のレンジダウンしきい値を所定の判定回数だけ連続で下回ったときにレンジダウンするようにゲイン制御信号ＧＣを生成する。

【0030】

そして、ＣＰＵ２７から出力されたゲイン制御信号ＧＣは、ＤＡ変換回路２８でアナログ信号に変換され、磁気結合型アイソレータやフォトカプラなどの絶縁型信号伝達素子２９を介して計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲイン制御端子に入力され、各アンプのゲインが同じように制御される。
なお、レンジアップ時またはレンジダウン時には、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂの出力が不安定になるため、ウェイトタイムを設ける。また、装置の起動時には、有効なレンジのうち最も低いレンジとなるように計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲインを設定すると良い。

【0031】

次に、ＣＰＵ２７によるレール破断の検出処理について説明する。
レール破断がない正常な軌道の場合、レールＬ１、Ｌ２に流れる帰線電流Ｉ１、Ｉ２は、ほぼ平衡しており、レールＬ１の測定区間Ｄ１及びレールＬ２の測定区間Ｄ２の長さがほぼ等しいという条件下では、測定区間Ｄ１において生じる電位差ΔＶ１と、測定区間Ｄ１において生じる電位差ΔＶ２は、ほぼ等しい値になる。

【0032】

ところが、レールＬ１、Ｌ２の何れか一方にレール破断が生じると、破断したレール側に流れていた帰線電流は大部分が破断していない側のレールに流れるため、図２に示すように、レール破断ＢＫが発生した検知対象区間内では、破断していない側のレールに流れる電流が約２倍に増加する。また、レールに破断が生じると帰線電流が地中に漏れることもある。そのため、レールＬ１、Ｌ２を流れる帰線電流Ｉ１、Ｉ２に不平衡が生じ、測定区間Ｄ１において生じる電位差ΔＶ１と、測定区間Ｄ２において生じる電位差ΔＶ２が不平衡になる。本実施形態のレール破断検知装置２０は、この特性を利用して測定区間で生じた電圧を測定して不平衡率を算出してレール破断の判定を行うものである。

【0033】

上記機能を実現するため、ＣＰＵ２７は、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂにより増幅されＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂによって変換されたデータと増幅回路のゲインとから、受信電圧ΔＶ１、ΔＶ２を算出した後、次式
Ｒｕ＝（｜ΔＶ１｜－｜ΔＶ２｜）／（｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜） ……（１）
により、不平衡率Ｒｕを算出し、Ｒｕが設定された基準値（例えば０．７）よりも高くなったときに、「レール破断あり」と判定する処理を行うことができる。なお、この際、算出した所定時間内の不平衡率を平均化し、平均化した不平衡率が基準値を超えたか否か判定するようにしても良い。

【0034】

ここで、本実施形態のレール破断検知装置においては、前述したように、ＣＰＵ２７から出力されたゲイン制御信号ＧＣによって計装アンプ２３Ａ，２３Ｂのゲインが同じになるように制御されることによって、不平衡率を算出する際に、分子と分母のゲインが打ち消しあう。そのため、ＣＰＵ２７は、計装アンプ２３Ａ，２３Ｂを含む増幅回路全体のゲインを考慮して受信電圧ΔＶ１，ΔＶ２を算出してから不平衡率を算出する必要がなく、絶縁アンプ２５Ａ，２５ＢからＡＤ変換回路２６Ａ，２６Ｂへの入力電圧Ｖ１，Ｖ２を用いて、次式
Ｒｕ＝（｜Ｖ１｜－｜Ｖ２｜）／（｜Ｖ１｜＋｜Ｖ２｜） ……（２）
により、不平衡率を算出することができる。

【0035】

ところで、従来（非特許文献１のレール破断検知装置）は、｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜が１５ｍＶ（電流１５０Ａに相当）以上という条件で破断判定処理を行なっていたため、電車が検知装置の近傍を通過するときしか判定が行えない、つまり常時監視ができないので実配備の装置として採用されなかった。また、増幅回路には、ゲインが固定のアンプが使用されていた。これに対し、本実施形態のレール破断検知装置では、可変ゲイン型計装アンプ２３Ａ，２３Ｂを設けたことにより、｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜が１ｍＶ（電流１０Ａに相当）という条件で破断判定処理を行うことができるため、１０数ｋｍ離れた場所で電車が走行しても検知することができ、それによって常時監視が可能となる。

【0036】

次に、｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜が１ｍＶ以上という条件で、レール破断を検出可能である理由について説明する。
本発明者らは、本発明に先立って、どの位離れた位置で帰線電流を検出できるか調べる試験を行なった。具体的には、始発電車を対象として数ｋｍ～１０数ｋｍ離れた駅において帰線電流を検出することができるか否か調べた。その結果、１０数ｋｍ離れた駅でも帰線電流を検出できることが明らかとなった。従来、そのような測定結果を記載した文献はなく、このことは、当業者にとって予想外の知見であった。

【0037】

図４は、本発明者らによって実施された帰線電流の測定結果を示す電流波形である。この帰線電流の測定結果は、始発駅（Ａ駅）から５．５ｋｍ離れたＤ駅で測定された電流値の変化を、Ａ駅の始発時刻（ＡＭ４：３０）の前後１０数分間に亘って表わしたものである。なお、Ａ駅－Ｄ駅間には、３つの検知対象区間が存在していた。Ｄ駅の始発時刻はＡＭ４：４８である。
図４の電流波形は、Ａ駅の始発時刻（ＡＭ４：３０）の２０秒後付近でＤ駅での測定電流が増加していることから、５．５ｋｍ離れた位置から帰線電流を測定できることが分かる。なお、始発時刻よりも前においても電流が変化しているのは、留置場所から始発駅まで電車が移動しており、それに伴う帰線電流を検出したためである。

【0038】

また、当該始発駅（Ａ駅）は、始発時刻が当該線区よりも早い他の線区の電車も走行しており、それに伴う帰線電流もＤ駅で検出されている。他の線区の帰線電流が流れるのは、線区が異なっていてもレールがつながっているためである。図４において、負の電流は、電車が回生ブレーキをかけたことにより生じる回生電流に起因するものである。
図４の電流波形から、Ｄ駅から離れた場所を電車が走行している場合でも１００Ａ以上の帰線電流が流れていることが分かるが、その電車が力行運転しているためであると考えられる。しかし、１００Ａ以上の帰線電流が流れる力行運転期間は長くは続かないことが分かる。そのため、１００Ａ以上の帰線電流による常時監視は行えない。これに対し、±１０Ａ以上の帰線電流が流れる期間は何倍も長いことが分かる。従って、本実施形態のレール破断検知は、早朝の時間帯でも有効であり、常時監視に適しているといえる。

【0039】

図５には、首都圏のある線区の深夜と早朝の時間帯の列車ダイヤが示されている。横軸は時間、縦軸は駅である。また、図５のダイヤグラフの上には、特許文献２の従来発明によるレール破断検知装置を適用した場合に正常なレール破断検知が可能な時間帯がハッチングを付した横棒Ｂ１で、また本実施形態のレール破断検知装置を適用した場合に正常なレール破断検知が可能な時間帯がメッシュを付した横棒Ｂ２で示されている。横棒Ｂ１とＢ２を比較すると、本発明を適用することによって、レール破断検知が可能な時間が大幅に延びることが分かる。

【0040】

図６には、レール破断検知装置２０の他の構成例が示されている。
図６に示すレール破断検知装置２０は、図２に示されているレール破断検知装置２０における可変ゲイン型計装アンプ２３Ａ（２３Ｂ）の代わりに、互いに入力レンジが異なりゲインが固定である２つの計装アンプＡＭＰ１、ＡＭＰ２を設けるとともに、アンプを切り替えるアナログスイッチなどの切替え回路３０Ａ（３０Ｂ）を設け、ＣＰＵ２７からの制御信号によって入力信号のレベルに応じて使用する計装アンプを切り替えるようにしたものである。なお、切替え回路３０は、計装アンプＡＭＰ１、ＡＭＰ２の前段に設けて良い。また、互いに入力レンジが異なりゲインが固定である３個以上の計装アンプと、これらのアンプを切り替える切替え回路を設けるようにしても良い。

【0041】

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＣＰＵ２７は、不平衡率を算出してレール破断の判定を行う際に、｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜が所定値（例えば１０Ａ）以下の場合には、レール破断の判定を行わないようにしても良い。そして、このような足切りを行なった場合には、｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜が所定値以下であることを示す信号を出力するように構成しても良い。なお、｜ΔＶ１｜＋｜ΔＶ２｜の代わりに｜Ｖ１｜＋｜Ｖ２｜の値を算出して、足切りを行うか否か決定しても良いことは、前記実施形態と同様である。

【0042】

また、前記実施形態においては、ＡＤ変換回路２６Ａ，２６ＢとＣＰＵ２７によって、不平衡率の算出とレール破断の判定を行う信号処理装置を構成しているが、オペアンプ（演算増幅器）とコンパレータ等のアナログ回路によって信号処理装置を構成しても良い。
さらに、前記実施形態においては、列車の走行に伴う帰線電流を検出してレール破断の判定を行う場合について説明したが、列車が走行していない深夜の時間帯あるいは帰線電流の流れない区間においては、セクションボンドを利用して電源装置からレールへ電流を流して上述のレール破断検知装置で電流を検出してレール破断の判定を行うようにしても良い。

【符号の説明】

【0043】

Ｌ１、Ｌ２ レール
１２Ａ，１２Ｂ ケーブル
２０ レール破断検知装置
２１Ａ，２１Ｂ 入力端子部
２２Ａ，２２Ｂ ＳＰＤ回路（サージ保護回路）
２３Ａ，２３Ｂ 可変ゲイン型計装アンプ
２４Ａ，２４Ｂ ローパスフィルタ
２５Ａ，２５Ｂ 絶縁アンプ
２６Ａ，２６Ｂ ＡＤ変換回路
２７ ＣＰＵ（マイクロプロセッサ：信号処理装置）
２８ ＤＡ変換回路
２９ 絶縁型信号伝達素子
ＳＢ セクションボンド（レール間短絡手段）
ＺＢ 帰線電流吸上げ用インピーダンスボンド（帰線電流吸上げ手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】