特許 7679072 直流高圧接地継電器

(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】2025-05-09

(45)【発行日】2025-05-19

(54)【発明の名称】直流高圧接地継電器

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/16 20060101AFI20250512BHJP

   B60M 3/00 20060101ALI20250512BHJP

【ＦＩ】

H02H3/16 B

B60M3/00 E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021142087

(22)【出願日】2021-09-01

(65)【公開番号】P2023035317

(43)【公開日】2023-03-13

【審査請求日】2024-05-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000215110

【氏名又は名称】津田電気計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100074273

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 英夫

(74)【代理人】

【識別番号】100173222

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 英二

(74)【代理人】

【識別番号】100151149

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 幸城

(72)【発明者】

【氏名】川原 敬治

(72)【発明者】

【氏名】長森 正樹

(72)【発明者】

【氏名】畑中 和明

(72)【発明者】

【氏名】小倉 健

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】▲吉▼尾 美奈子

【審査官】小林 秀和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２７１９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６３６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５９７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０４３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０１９３１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ ３／１６

Ｂ６０Ｍ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、
接地マットと帰線の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部と、
この補助電源部に充電された電力を用いて前記電位差測定部の出力を高速フーリエ変換演算する高速フーリエ変換部と、
この高速フーリエ変換部によって演算される商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部と、
この交流地絡判定部によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部による直流地絡信号の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器。

【請求項2】

電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、
接地マットと帰線の間の電路に流れる電流を測定する電流測定部と、
接地マットと帰線の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部と、
この補助電源部に充電された電力を用いて前記電流測定部の出力を高速フーリエ変換演算する高速フーリエ変換部と、
この高速フーリエ変換部によって演算される商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部と、
この交流地絡判定部によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部による直流地絡信号の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器。

【請求項3】

電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、
接地マットと帰線の間の電路に流れる電流を測定する電流測定部と、
接地マットと帰線の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部と、
この補助電源部に充電された電力を用いて少なくとも前記電流測定部の出力から実効値を演算する実効値演算部と、
この実効値演算部によって演算される実効値が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部と、
この交流地絡判定部によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部による直流地絡信号の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器。

【請求項4】

電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、
接地マットと帰線の間に生じる電位差が交流電路の地絡故障によるものであるときに、この交流地絡による電位差を直流地絡判定出力部によって誤検知させない程度に減衰させる交流地絡電圧抑制回路を、前記接地マットおよび帰線と直流地絡判定出力部の間に介在させて、直流地絡信号の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は直流高圧接地継電器に関するものであり、詳細には、電気鉄道用直流変電所に設置されている、電気鉄道の直流母線以外の交流の高圧配電線路が地絡故障した場合に誤動作することがない高い信頼性を有する直流高圧接地継電器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、電気鉄道用直流変電所において、直流母線に地絡などの重大故障が発生した場合には、多大な地絡電流が流れることにより変電所機器の焼損などの故障が発生する。そこで、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線（レール）間の電位差を検知し、この電位差が所定の大きさ以上になった場合に、できる限り速やかに変電所を停電させることにより変電所設備への損傷を抑え、変電所を保護するために直流高圧接地継電器を設置することが行われている。

【0003】

図８は従来の直流高圧接地継電器９０を取り付ける電気鉄道用直流変電所の構成を示す図である。図８に示すように、電気鉄道用直流変電所では、特高配電線の母線から分岐して、高圧配電線用変圧器Ｔａを介して信号機、照明、エスカレータ、券売機などの各施設に電力を供給する高圧配電線路９１Ａと、整流器用変圧器Ｔｂを介して整流器Ｂによって直流変換され、き電線に電力を供給するための直流配電線路（直流母線）９１Ｂに給電する。

【0004】

図９は特許文献１に代表される、従来の直流高圧接地継電器の構成を示す図である。図９に示す直流高圧接地継電器９０は、変電所の接地マット９２と帰線９３（レールＲ）の間に設置され、その間の電位差を測定する電位差測定部９４Ａを有し、この電位差測定部９４Ａが閾値以上の電位差を検出するときに地絡判定出力部９４Ｂが直流地絡を判定して、交流遮断器９０Ａ（図８参照）および直流高速度遮断器９０Ｂに遮断信号（直流地絡信号）を送ってき電線９５および直流母線９１Ｂへの電力供給を遮断させるものである。

【0005】

直流母線９１Ｂに地絡故障が発生すると、地絡の影響により帰線９３に対して接地マット９２の電位が高くなるので、前記地絡判定出力部９４Ｂは、この電位差が閾値を超えることにより例えば４０ｍｓ程度の極めて短い動作時間以内に故障検出をすることができる。したがって、前記交流遮断器９０Ａおよび直流高速度遮断器９０Ｂを可能な限り早く遮断させることにより、設備の損傷を最小限に抑えることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１０－４２７８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の電気鉄道用直流変電所の高圧配電用変圧器Ｔａの２次側線路（高圧配電線路９１Ａ）において地絡故障が発生すると、接地マット９２に交流の高電圧が印加されることにより、直流高圧接地継電器９０が交流地絡故障を誤検知することがあった。

【0008】

すなわち、一般的に高圧配電用変圧器Ｔａの２次側線路（高圧配電線路９１Ａ）の交流地絡故障は高圧受配電用の地絡保護継電器（図外）によって、交流遮断器９６，９６Ａ～９６Ｃにより遮断され保護されるべきものであるが、電気鉄道用直流変電所の高圧配電線路９１Ａの地絡故障が発生した場合には、変電所の接地マット９２の電位が地絡電圧によって変動するので接地マット９２に対して離れた個所にあるレールＲに接続された帰線９３との間に比較的大きな電位差が発生する。

【0009】

図１０は５０Ｈｚ６６００Ｖ系の交流の電圧波形を示す図である。図１０を用いて、より具体的に説明すると、高圧配電線路９１Ａに地絡故障が発生した場合、地絡状況にもよるが全電圧が接地マットと帰線（レール）間に印加されたとすると、例えば設定値５００Ｖの直流高圧接地継電器９０の電位差測定部９４Ａに交流の半波の電圧が印加されることになる。

【0010】

従って、前記電位差（交流電圧）によって直流高圧接地継電器９０の電位差測定部９４Ａには回路上半波の交流電圧が印加され、例えば設定された閾値の５００Ｖ以上の直流電圧相当がおよそ９．７ｍｓ程度継続して印加されることになる。このため、地絡電圧が高い場合には直流高圧接地継電器９０が誤動作し、変電所の交流遮断器９０Ａおよび直流高速度遮断器９０Ｂが誤って遮断されるので、列車への電力供給が停止する事態が発生するという問題があった。

【0011】

このように、高圧配電線路９１Ａ側で交流地絡故障が発生して直流高圧接地継電器９０が誤動作した場合には、その機能上、変電所の状態を全停電の状態になるため、復旧に多くの時間がかかることになり、列車の運行に多大な障害をきたすという問題があった。

【0012】

本出願人は、長年の鋭意研究により、電気鉄道用直流変電所に設置されている従来の直流高圧接地継電器９０が、同じ変電所内に設置されている高圧配電用変圧器Ｔａの２次側線路の地絡故障によって誤動作する原因について追求し、この誤動作に上述の事象が関係していることを突き止めている。

【0013】

そこで、前記地絡判定出力部９４Ｂの反応速度を敢えて遅くすることにより、誤動作の発生を防止することが容易に考えられる。すなわち、高圧配電線路９１Ａ側の交流地絡故障が発生した場合に、この交流地絡故障を高圧配電線路９１Ａ側で検知して高圧配電線用変圧器Ｔａがおよそ１００ｍｓ程度の時間で遮断され、交流地絡故障の影響は小さくなる。したがって、前記地絡判定出力部９４Ｂの反応速度を敢えて遅く、およそ１００ｍｓ程度の時間を越えて、整定値となる４００～６００Ｖ以上の電位差を確認出来た場合にのみ、地絡判定出力部９４Ｂが直流配電線路９１Ｂにおける地絡故障を検出して、交流遮断器９０Ａおよび直流高速度遮断器９０Ｂに遮断信号を送って直流母線９１Ｂへの電力供給を遮断させることにより誤動作を防止することが考えられる。

【0014】

しかしながら、この場合には直流高速度遮断器９０Ｂの誤動作は避けられるものの、直流配電経路９１Ｂにおける直流地絡故障が発生した場合にも、地絡故障電流の影響が発生してから、少なくとも１００ｍｓ以上は遅れて動作することになるので、大きな故障電流が１００ｍｓ以上は流れ続けることによって、施設の破損などの被害が発生する可能性が著しく高くなるという問題があった。

【0015】

本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、その目的は、電気鉄道用直流変電所に設置されている高圧配電用変圧器の２次側線路の地絡故障等により誤動作することがなく、かつ、直流配電経路に地絡故障が発生した場合には、可能な限り速やかに故障電流を遮断させることができる、高い信頼性を有する誤検知防止型直流高圧接地継電器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

第１発明は、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、接地マットと帰線の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部と、この補助電源部に充電された電力を用いて前記電位差測定部の出力を高速フーリエ変換演算する高速フーリエ変換部と、この高速フーリエ変換部によって演算される商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部と、この交流地絡判定部によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部による直流地絡の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器を提供する。（請求項１）

【0017】

前記接地マットは接地抵抗を介して変電所の接地電位に接地されるものであるのに対し、この接地マットに対して離れた個所にあるレールに接続された帰線の電位は、この上を走行する列車を介して電流が流れるために、接地マットと帰線の間には幾らかのレール電位が発生するものであり、補助電源部はこのレール電位を利用して充電されることにより、常時充電される。なお、補助電源部は充放電が可能な二次電池であってもよいが、より簡素な構成のコンデンサを用いることが好ましい。また、より好ましくは電気二重層キャパシタを用いて大容量化を図る。

【0018】

補助電源部に充電された電力は高速フーリエ変換部が電位差測定部によって測定された電位差の高速フーリエ変換演算を行なうために用いられ、この高速フーリエ変換部は電子回路を組合わせて少なくとも商用電源の周波数成分を求めるＦＦＴ回路であることが考えられるが、例えば演算処理装置と、この演算処理装置によって実行可能な高速フーリエ変換プログラムであってもよい。また、高速フーリエ変換によって求める周波数成分は少なくとも商用周波数成分（商用電源の周波数成分）であり、日本の関西地方においては６０Ｈｚ、関東地方においては５０Ｈｚである。この高速フーリエ変換部の出力は商用周波数の１波長分の時間（関西の場合１６．７ｍｓ、関東の場合は２０ｍｓ）の演算結果によって交流電源の地絡検知を確実に行うことができる程度の精度を得ることができる。

【0019】

前記交流地絡判定部は高速フーリエ変換演算によって周波数分析された商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定するものであるから、交流地絡故障の発生時点から１６．７～２０ｍｓ程度の短い時間で確実に交流地絡故障の判定を行うことができる。なお、この地絡故障判定部も前記高速フーリエ変換部と同じ演算処理部によって実行可能な交流地絡判定プログラムによって実現されるものであることにより、構成の簡略化を図り、製造コストを削減することが可能となることはいうまでもない。

【0020】

前記誤動作防止部は交流地絡判定部が交流地絡を判定した時点から直流地絡判定出力部による直流地絡の判定出力を阻止するものであり、例えば、直流地絡判定出力部の出力部において交流地絡を判定している間は直流地絡信号を出力させないスイッチ部、または、交流地絡を判定している間は直流地絡判定出力部に電位差信号を入力させないスイッチ部が考えられる。

【0021】

したがって、変電所の高圧配電線路において地絡故障が発生した場合、高速フーリエ変換を駆使し、交流地絡判定部が速やか且つ確実に地絡故障の判別を行うと共に、誤動作防止部が直流地絡判別出力部の誤動作を阻止することができるので、変電所内の高圧配電線路の地絡故障が原因で直流高圧接地継電器が誤動作することがなくなり、それだけ信頼性が向上する。

【0022】

第２発明は、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、接地マットと帰線の間の電路に流れる電流を測定する電流測定部と、接地マットと帰線の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部と、この補助電源部に充電された電力を用いて前記電流測定部の出力を高速フーリエ変換演算する高速フーリエ変換部と、この高速フーリエ変換部によって演算される商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部と、この交流地絡判定部によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部による直流地絡の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器を提供する。（請求項２）

【0023】

前記電流測定部は接地マットと帰線の間の電路に流れる電流を測定するものであり、例えば電磁誘導によって１次側に流れる電流に励磁されて２次側に電流が流れる変流器を用い、２次側の電流の大きさを計測可能な大きさに変換して測定するものであることが好ましい。すなわち、変流器の一次側に流れる電流に変化がある場合、これによって励磁された磁束密度の変化により、二次側には巻数比によって除算された大きさの電流が流れるので、交流地絡が発生した時には交流地絡の大きさに比例する２次電流が流れ、これを測定可能である。

【0024】

前記接地マットは接地抵抗を介して変電所の接地電位に接地されるものであるのに対し、この接地マットに対して離れた個所にあるレールに接続された帰線の電位は、この上を走行する列車を介して電流が流れるために、接地マットと帰線の間には幾らかのレール電位が発生するものであり、補助電源部はこのレール電位を利用して充電されることにより、常時充電される。なお、補助電源部は充放電が可能な二次電池であってもよいが、より簡素な構成のコンデンサを用いることが好ましい。また、より好ましくは電気二重層キャパシタを用いて大容量化を図る。

【0025】

補助電源部に充電された電力は高速フーリエ変換部が電流測定部によって測定された電流の高速フーリエ変換演算を行なうために用いられ、この高速フーリエ変換部は電子回路を組合わせて少なくとも商用電源の周波数成分を求めるＦＦＴ回路であることが考えられるが、例えば演算処理装置と、この演算処理装置によって実行可能な高速フーリエ変換プログラムであってもよい。また、高速フーリエ変換によって求める周波数成分は少なくとも商用周波数成分（商用電源の周波数成分）であり、日本の関西地方においては６０Ｈｚ、関東地方においては５０Ｈｚである。この高速フーリエ変換部の出力は商用周波数の１波長分の時間（関西の場合１６．７ｍｓ、関東の場合は２０ｍｓ）の演算結果によって交流電源の地絡検知を確実に行うことができる程度の精度を得ることができる。

【0026】

前記交流地絡判定部は高速フーリエ変換演算によって周波数分析された商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定するものであるから、交流地絡故障の発生時点から１６．７～２０ｍｓ程度の短い時間で確実に交流地絡故障の判定を行うことができる。なお、この地絡故障判定部も前記高速フーリエ変換部と同じ演算処理部によって実行可能な交流地絡判定プログラムによって実現されるものであることにより、構成の簡略化を図り、製造コストを削減することが可能となることはいうまでもない。

【0027】

前記誤動作防止部は交流地絡判定部が交流地絡を判定した時点から直流地絡判定出力部による直流地絡の判定出力を阻止するものであり、例えば、直流地絡判定出力部の出力部において交流地絡を判定している間は直流地絡判定を出力させないスイッチ部、または、交流地絡を判定している間は直流地絡判定出力部に電位差信号を入力させないスイッチ部が考えられる。

【0028】

したがって、変電所の高圧配電線路において地絡故障が発生した場合、高速フーリエ変換を駆使し、交流地絡判定部が速やか且つ確実に地絡故障の判別を行うと共に、誤動作防止部が直流地絡判別出力部の誤動作を阻止することができるので、変電所内の高圧配電線路の地絡故障が原因で直流高圧接地継電器が誤動作することがなくなり、それだけ信頼性が向上する。

【0029】

第３発明は、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、接地マットと帰線の間の電路に流れる電流を測定する電流測定部と、接地マットと帰線の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部と、この補助電源部に充電された電力を用いて少なくとも前記電流測定部の出力から実効値を演算する実効値演算部と、この実効値演算部によって演算される実効値が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部と、この交流地絡判定部によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部による直流地絡の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器を提供する。（請求項３）

【0030】

前記電流測定部は接地マットと帰線の間の電路に流れる電流を測定するものであり、たとえば電磁誘導によって１次側に流れる電流に励磁されて２次側に電流が流れる変流器を用い、２次側の電流の大きさを計測可能な大きさに変換して測定するものであることが好ましい。すなわち、変流器の一次側に流れる電流に変化がある場合、これによって励磁された磁束密度の変化により、二次側には巻数比によって除算された大きさの電流が流れるので、交流地絡が発生した時には交流地絡の大きさに比例する２次電流が流れ、これを測定可能である。

【0031】

前記接地マットは接地抵抗を介して変電所の接地電位に接地されるものであるのに対し、この接地マットに対して離れた個所にあるレールに接続された帰線の電位は、この上を走行する列車を介して電流が流れるために、接地マットと帰線の間には幾らかのレール電位が発生するものであり、補助電源部はこのレール電位を利用して充電されることにより、常時充電される。なお、補助電源部は充放電が可能な二次電池であってもよいが、より簡素な構成のコンデンサを用いることが好ましい。また、より好ましくは電気二重層キャパシタを用いて大容量化を図る。

【0032】

補助電源部に充電された電力は実効値演算部が電流測定部によって測定された電流を用いて実効値の演算を行なうために用いられる。また、実効値演算部は求められた瞬時実効値の平均値を実効値として求めることにより、測定精度を高められることは言うまでもない。実効値演算部は、例えば演算処理装置と、この演算処理装置によって実行可能な実効値演算プログラムであることが考えられる。実効値演算部によって求められる実効値は交流地絡故障の発生時点から１周期の１６．７～２０ｍｓの半分程度の短い時間で交流地絡故障電流の大きさを正確に判定できる大きさとなる。

【0033】

前記交流地絡判定部は実効値が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定するものであるから、交流地絡故障の発生時点から数ｍｓ～数十ｍｓ以内の短い時間で確実に交流地絡故障の判定を行うことができる。なお、この地絡故障判定部も前記高速フーリエ変換部と同じ演算処理部によって実行可能な交流地絡判定プログラムによって実現されるものであることにより、構成の簡略化を図り、製造コストを削減することが可能となることはいうまでもない。

【0034】

前記誤動作防止部は交流地絡判定部が交流地絡を判定した時点から直流地絡判定出力部による直流地絡の判定出力を阻止するものであり、例えば、直流地絡判定出力部の出力部において交流地絡を判定している間は直流地絡判定を出力させないスイッチ部、または、交流地絡を判定している間は直流地絡判定出力部に電位差信号を入力させないスイッチ部が考えられる。

【0035】

したがって、変電所の高圧配電線路において地絡故障が発生した場合、実効値の演算を駆使し、交流地絡判定部が速やか且つ確実に地絡故障の判別を行うと共に、誤動作防止部が直流地絡判別出力部の誤動作を阻止することができるので、変電所内の高圧配電線路の地絡故障が原因で直流高圧接地継電器が誤動作することがなくなり、それだけ信頼性が向上する。

【0036】

第４発明は、電気鉄道用直流変電所の接地マットと帰線の間に設けられてこの電位差を測定する電位差測定部と、前記電位差を用いて直流地絡を判定して直流地絡信号を出力する直流地絡判定出力部と、接地マットと帰線の間に生じる電位差が交流電路の地絡故障によるものであるときに、この交流地絡による電位差を直流地絡判定出力部によって誤検知させない程度に減衰させる交流地絡電圧抑制回路を、前記接地マットおよび帰線と直流地絡判定出力部の間に介在させて、直流地絡の判定出力を阻止する誤動作防止部とを備えることを特徴とする誤検知防止型直流高圧接地継電器を提供する。（請求項４）

【0037】

前記交流地絡電圧抑制回路は接地マットと帰線の間に生じる電位差が交流電路の地絡故障であるときにこれを直流地絡判定出力部によって誤検知させない程度に減衰させる減衰回路であることが好ましく、商用電源周波数の５０～６０Ｈｚの６６００Ｖを少なくとも２０００Ｖ以下望ましくは４００Ｖ以下に減衰させることができるローパスフィルタ、ノッチフィルタなどのパッシブフィルタであることが好ましいが、アクティブフィルタを用いても良い。

【0038】

前記誤動作防止部は、前記交流地絡電圧抑制回路を、前記接地マットおよび帰線と直流地絡判定出力部の間に介在させることにより、交流電路の地絡故障によって生じる接地マットと帰線の間の電位差を十分に減衰させた状態で、直流地絡判定出力部に入力させることにより、直流地絡の判定出力を阻止することができる。

【0039】

したがって、変電所の高圧配電線路において地絡故障が発生した場合であっても、誤動作防止部の交流地絡電圧抑制回路によって地絡故障した交流電圧を減衰させた状態で直流地絡判定出力部に入力させることにより直流地絡判別出力部の誤動作を阻止することができるので、変電所内の高圧配電線路の地絡故障が原因で直流高圧接地継電器が誤動作することがなくなり、それだけ信頼性が向上する。

【発明の効果】

【0040】

前述したように、本発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器によれば、高圧配電用変圧器の２次側線路の地絡故障等による影響を速やかに判定して、誤動作防止部が直流地絡判定出力部の直流地絡判定の出力を阻止することができるので、直流高圧接地継電器の誤動作を防ぎ、列車の運行に対する障害を防止することができる。

【0041】

第１発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器によれば、高速フーリエ変換部が、接地マットと帰線の間に発生する電位差を高速フーリエ変換によって周波数分析し、交流地絡判定部は商用電源の周波数成分の大きさを用いて交流地絡による地絡故障を正確かつ迅速に判定することができ、誤動作防止部は交流地絡による地絡故障発生時に直流地絡の判定出力を阻止することができる。

【0042】

第２発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器によれば、高速フーリエ変換部が、接地マットと帰線の間に流れる電流を高速フーリエ変換によって周波数分析し、交流地絡判定部は商用電源の周波数成分の大きさを用いて交流地絡による地絡故障を正確かつ迅速に判定することができ、誤動作防止部は交流地絡による地絡故障発生時に直流地絡の判定出力を阻止することができる。

【0043】

第３発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器によれば、実効値演算部が、接地マットと帰線の間に流れる電流を用いて実効値を演算し、この実効値の大きさを用いて交流地絡による地絡故障を正確かつ迅速に判定することができ、誤動作防止部は交流地絡による地絡故障発生時に直流地絡の判定出力を阻止することができる。

【0044】

第４発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器によれば、誤動作防止部の交流地絡電圧抑制回路によって交流地絡による電位差を減衰させて、直流地絡判定出力部によって誤検知させないことができるので、交流地絡による地絡故障発生時に直流地絡の判定出力を阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0045】

【図1】本発明にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器が設置される直流電鉄用変電所の構成を示す図である。

【図2】第１実施形態にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器の構成を示す図である。

【図3】第２実施形態にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器の構成を示す図である。

【図4】第３実施形態のかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器の構成を示す図である。

【図5】 誤検知防止型直流高圧接地継電器の変形例を示す図である。

【図6】 第４実施形態にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器の構成を示す図である。

【図7】 図６の誤検知防止型直流高圧接地継電器における交流地絡電圧抑制回路の例を示す図である。

【図8】 従来の直流高圧接地継電器を取り付ける電気鉄道用直流変電所の構成を示す図である。

【図9】 従来の直流高圧接地継電器の構成を示す図である。

【図10】 高圧配電線路の交流電圧波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0046】

図１は本発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器が設置される直流電鉄用変電所の構成を示す図であり、図２は第１実施形態のかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器の構成を示す図である。以下、図１～図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る誤検知防止型直流高圧接地継電器の具体的な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【0047】

図１に示すように、誤検知防止型直流高圧接地継電器１は、変電所２の接地マット３と帰線４の間に設けられ、接地マット３と帰線４の間の電位差を測定する電位差測定部５と、測定された電位差を用いて地絡故障を判定する直流地絡判定出力部６とを有する。また、変電所２内の電路は、高圧配電用変圧器７Ａを介して信号機、照明、エスカレータ、券売機などの各施設の負荷Ｒに交流電力を供給する高圧電線路２Ａと、整流器用変圧器７Ｂを介して整流器８によって直流変換された電力をき電線９に供給する直流配電線路（直流母線）２Ｂに分けられており、Ｂａは高圧配電用変圧器７Ａへの給電を遮断する遮断器、Ｂｂは整流用変圧器７Ｂへの給電を遮断する遮断器、８Ａはき電線９への電力供給を高速に遮断するための直流高速度遮断器である。

【0048】

図２に示すように、本発明の誤検知防止型直流高圧接地継電器１は、前記電位差測定部５と、直流地絡判定出力部６に加えて、接地マット３と帰線４の間に発生するレール電位を利用して充電される補助電源部１０と、この補助電源部１０に充電された電力を用いて前記電位差測定部５の出力を高速フーリエ変換演算する高速フーリエ変換部１１と、この高速フーリエ変換部１１によって演算される商用周波数成分が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部１２と、この交流地絡判定部１２によって交流地絡を判定するときに前記直流地絡判定出力部６による直流地絡の直流地絡信号Ｆｄを阻止する誤動作防止部１３とを備える。

【0049】

前記接地マット３は変電所２の地下に埋設されるものであるから、真の接地点Ｇには抵抗値３Ｒを介して接続されていると考えることができる。他方、帰線４は変電所３からは離れたところに配置されるレールは、真の接地点Ｇからレール漏れ抵抗４Ｒを介して接続されていると考えることができる。ここで、前記高圧電線路２Ａ内の故障箇所Ｆにおいて地絡故障が発生したとすると、この故障箇所Ｆは最寄りの接地マット３と抵抗２Ｒによって接続されていると考えられる。

【0050】

前記電位差測定部５は帰線４から接地マット３の間にかかる電圧を分圧する分圧抵抗５Ａと、帰線４から接地マット３を順方向として電位差測定部５に並列に接続された整流器５Ｂとを備え、帰線４を基準として接地マット３の正極性の電位差を測定するものである。

【0051】

前記直流地絡判定出力部６は電位差測定部５によって測定された電位差が直流地絡の基準となる整定値に達し、直流地絡故障であることを判定する直流地絡判定部６Ａと、この直流地絡判定部６Ａによって判定された判定結果を直流地絡信号Ｆｄとして出力する地絡判定出力部６Ｂとを備え、地絡判定出力部６Ｂによる直流地絡信号Ｆｄの出力部に前記誤動作防止部１３を形成している。なお、６Ｃは直流地絡信号Ｆｂを目視確認出来るようにＬＥＤなどを用いて形成された地絡表示部である。

【0052】

補助電源部１０は例えば電気二重層コンデンサと、この電気二重層コンデンサの充放電制御回路を備え、常に充電されると共に寿命の長いものであることが好ましい。すなわち、列車走行中には接地マット３と帰線４の間にはおよそ２００～３００Ｖのレール電圧が発生するが、このレール電圧を利用して電気二重層コンデンサを充電することが可能である。これにより、前記高速フーリエ変換部１１は補助電源部１０に充電させた電力を用いて高速フーリエ変換の演算処理を行うことが可能となる。また、本実施形態では補助電源部１０に充電された電力を用いて交流地絡判定部１２、誤動作防止部１３および直流地絡判定出力部６にも電力供給を行う。これにより、外部からの電源供給が途絶した状態でも地絡故障を正しく判定することが可能となる。

【0053】

高速フーリエ変換部１１は電位差測定部５の出力の高速フーリエ変換を行うことにより、その出力を交流地絡判定部１２に供給する。この高速フーリエ変換の演算処理は少なくとも商用電源の周波数成分（すなわち商用周波数成分）において行うものであり、日本の関西地方においては６０Ｈｚ、関東地方においては５０Ｈｚの周波数成分である。この高速フーリエ変換を商用電源の１周期にあたる時間（すなわち１６．７ｍｓまたは２０ｍｓ）演算処理した商用周波数成分は、様々なノイズ成分が含まれる接地マット３と帰線４の間の電位差に、高圧電線路２Ａの地絡故障による交流電圧が確実に含まれていることを判別するための指針となる。なお、高速フーリエ変換部１１はプログラマブルロジックデバイス（ＦＰＧＡ）などのハードウェアを駆使して形成してもよいが、マイクロコンピュータなどの演算処理装置によって実行可能な高速フーリエ変換プログラムによって実現することにより製造コストの削減を図ることができる。

【0054】

同様に、前記の各部６，１２，１３もマイクロコンピュータなどの演算処理装置によって実行可能なプログラム（図示していないが、直流地絡判定プログラム、交流地絡故障判定プログラム、誤動作防止プログラムなど）を用いて実現してもよい。

【0055】

交流地絡判定部１２は高圧電線路２Ａの地絡故障を判定するものであり、前記高速フーリエ変換部１１が演算した商用周波数成分の大きさが交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定するものである。この閾値は、前記直流地絡判定部６Ａが直流地絡を判定する整定値である４００～６００Ｖを遙かに越えて２０００Ｖに達するものであるときに、誤検知の可能性があるために、この交流地絡を判定する。なお、高速フーリエ変換を行なった商用周波数成分を用いることにより、数十ｍｓ程度の短い時間で確実に高圧電線路２Ａの地絡故障を判定することが可能であるが、高速フーリエ変換部１１によって商用周波数の倍周波数成分を演算させ、倍周波数成分の大きさを判定基準に用いてさらなる高速化を図ってもよい。

【0056】

誤動作防止部１３は前記直流地絡判定出力部６による直流地絡信号Ｆｄの出力部において、前記交流地絡判定部１２が高圧電線路２Ａの地絡故障を判定している場合には、直流地絡の直流地絡信号Ｆｄを阻止するものであり、より具体的にはスイッチ回路を用いて直流地絡信号Ｆｄを遮断するものである。これにより、直流地絡判定部６Ａが高圧電線路２Ａの地絡故障による電位差の変動を直流地絡発生と判定することがあったとしても、直流地絡の直流地絡信号Ｆｄが出力されることがないように構成している。

【0057】

なお、誤動作防止部１３は直流地絡判定出力部６による直流地絡信号Ｆｄを阻止できるものであればよく、直流地判定部６Ａと電位差測定部５の間、または、直流地絡判定部６Ａと地絡判定出力部６Ｂの間において、信号の遮断を行うものであってもよい。

【0058】

上記構成の誤検知防止型直流高圧接地継電器１を用いることにより、直流配電線路（直流母線）２Ｂにおいて直流地絡故障が発生した場合、これに伴って生じる地絡故障電流の影響によって帰線４に対する接地マット３の電位が急激に高くなり、この電位差を電位差測定部５が測定する。直流地絡判定出力部６はこの電位差が地絡判定の整定値（例えば４００Ｖ～６００Ｖ）を越えるときに直流地絡の直流地絡信号Ｆｄを出力することにより、高速遮断器８Ａおよび遮断器Ｂｂを直ちに遮断して大きな故障電流が流れることによる被害を最小限におさえることができる。したがって、高圧電線路２Ａには悪影響を及ぼすことがない。

【0059】

他方、変電所２の高圧電線路２Ａの故障箇所Ｆにおいて交流の地絡故障が発生した場合、この故障箇所Ｆに供給される電力が抵抗２Ｒを介して接地マット３に供給されることになり、接地マット３に電源電圧（３３００Ｖまたは６６００Ｖ）に近い交流電圧が印加されることになる。このとき、電位差測定部５は極めて大きな交流の電位差（整流器５Ｂによって半波整流された波形）を測定する。

【0060】

前記高速フーリエ変換部１１は電位差測定部５によって測定された電位差の商用周波数成分を常時分析し、交流の地絡故障が発生した時点から少なくとも商用電源の１周期（１６．６ｍｓ～２０ｍｓ）の間には交流地絡の商用周波数成分が大きく表れる。前記交流地絡判定部は、高速フーリエ変換部１１によって求められる商用周波数成分があらかじめ定められた閾値を越えるときに、高圧電線路２Ａにおける地絡故障を判定し、誤動作防止部１３は直流地絡判定出力部６による直流地絡の直流地絡信号Ｆｄを阻止する。

【0061】

したがって、交流地絡が発生すると誤動作防止部１３が先に高圧電線路２Ａにおける地絡故障を判定し、たとえ直流地絡判定出力部６が大きな交流電位差によって誤動作することがあったとしても、直流地絡の直流地絡信号Ｆｄを阻止することによって、誤動作を防止することができる。なお、図示を省略するが、高圧電線路２Ａ側にも地絡故障を検出して遮断器Ｂａを遮断するので、遮断器Ｂａが遮断すると接地マット３に交流電圧が印加されなくなり、接地マットの電位が直流地絡判定出力部６による直流地絡の整定値以下となって直流地絡の検出を行なうことができる状態に回復する。

【0062】

つまり、本実施形態の誤検知防止型直流高圧接地継電器１では、高圧電線路２Ａにおける地絡故障によって直流地絡の直流地絡信号Ｆｄを出力するという誤動作を無くすことができるので、高圧電線路２Ａにおける地絡故障によって直流電線路２Ｂへの給電が遮断されることもなく、列車の運行に悪影響を与えることが無くなる。

【0063】

図３は第２実施形態にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器１５の構成を示す図である。図３において、図２に示す誤検知防止型直流高圧接地継電器１と異なる点は、接地マット３と帰線４の間の電路に流れる電流を測定する電流測定部１６を備える点と、前記高速フーリエ変換部１１が電流測定部１６よって測定された交流電流の周波数解析を行うものである点である。その他の構成要素は図２を用いて既に詳述したものと同一または同等であるから、詳細な説明を省略する。

【0064】

前記電流測定部１６は例えば電磁誘導によって１次側の電路に流れる電流に励磁されて２次側に電流が流れる変流器を用い、２次側の電流の大きさを計測可能な大きさに変換して測定するものであることが好ましい。すなわち、変流器の一次側に流れる電流に変化がある場合、これによって励磁された磁束密度の変化により、二次側には巻数比によって除算された大きさの電流が流れるので、交流地絡が発生した時には交流地絡の大きさに比例する２次電流が流れ、これを測定可能である。

【0065】

変流器によれば、接地マット３と帰線４の間の電路に常に変動する交流電流が流れるときに、この電流を効率よく変換して測定することができる。また、接地マット３と帰線４の間の電路に直流の電流が流れる場合には、変流器は直流電流を伝達しないので、直流電流を検出することがない。加えて、接地マット３と帰線４の間の電路に流れる電流は正逆両方向に流れるので、高圧電線路２Ａにおける地絡故障が発生したときに発生する交流電流の商用周波数成分を正確に分析することができる。

【0066】

すなわち、交流地絡判定部６は高圧電線路２Ａにおける地絡故障をより確実に判別することができ、誤動作防止部１３は直流地絡判定出力部６が交流の地絡故障に伴う誤動作による判定出力を迅速かつ確実に阻止することができる。

【0067】

図４は第３実施形態にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器２０の構成を示す図である。図４において、図３に示す誤検知防止型直流高圧接地継電器１と異なる点は、電流測定部１６によって測定される電流から実効値を演算する実効値演算部２１を備え、交流地絡判定部１２は実効値演算部２１によって演算される実効値が交流電路の地絡故障を判定する閾値を上回るときに交流地絡を判定するものである点である。その他の構成要素は図２～図３を用いて既に詳述したものと同一または同等であるから、詳細な説明を省略する。

【0068】

前記実効値演算部２１は前記補助電源部１０に充電させた電力を用いて実効値の演算処理を行うことにより、外部からの電力供給が途絶した状況においても実効値演算を常時行うことができる。なお、実効値は常に正の値となり、商用周波数の倍の周期で変動する値となる。したがって、実効値演算部２１が電流測定部１６によって測定された交流電流の実効値の平均値を求めることにより、より迅速に高圧電線路２Ａにおける地絡故障の大きさを示す指針を得ることができる。

【0069】

また、前記実効値演算部２１は電子回路を組合わせて実効値を求めるものであることが考えられるが、例えば演算処理装置と、この演算処理装置によって実行可能な実効値演算プログラムによって実現することにより、製造コストの削減を図ってもよい。

【0070】

図５は誤検知防止型直流高圧接地継電器４０を参考に示す図である。図５において、一般的な直流高圧接地継電器と異なる点は、高圧電線路２Ａにおける地絡故障が発生するときに直流地絡判定出力部６が誤動作することがないように、直流地絡判定出力部６を接地マット３および帰線４と完全に切り離す点にある。

【0071】

この誤検知防止型直流高圧接地継電器４０は、接地マット３と帰線４の間に生じる電位差が交流電路の地絡故障を判定する閾値（例えば直流き電電圧１５００Ｖ）を上回るときに交流地絡を判定する交流地絡判定部４１と、この交流地絡判定部４１が交流地絡を判定するときに接地マット３および帰線４と前記直流地絡判定出力部６の間の接続を切り離すスイッチ部４２Ａにより前記直流地絡判定出力部６による直流地絡信号Ｆｄの判定出力を阻止する誤動作防止部４２とを備える。

【0072】

より具体的には、誤動作防止部４２はリレー回路であり、分圧回路４１Ａを介して交流励磁のリレーコイル４１Ｂに交流電圧が印加され、リレーコイル４１Ｂに供給される交流電圧が閾値を超えるときにスイッチ部４２Ａのｂ接点が開くことにより接地マット３および帰線４から電位差測定部５を切り離す。

【0073】

この誤検知防止型直流高圧接地継電器４０によれば、接地マット３と帰線４の間に高圧電線路２Ａの地絡故障による交流電圧が印加されていない場合には、リレーコイル４１Ｂに電位差が印加されることがないので、スイッチ部４２Ａが接地マット３と帰線４の間に電位差測定部５を接続しているので、直流配電線路２Ｂに地絡故障が発生すると直流地絡判定出力部６がこれを検知して直流地絡信号Ｆｄを出力する。

【0074】

他方、接地マット３と帰線４の間に高圧電線路２Ａの地絡故障による交流電圧が印加された場合は、この交流電圧がリレーコイル４１Ｂの動作閾値を超えるときに直流地絡判定出力部６が動作する前にスイッチ部４２Ａのｂ接点が開く。すなわち、誤動作防止部４２によって、直流地絡判定部６が接地マット３と帰線４の間から切り離されて、その誤動作を確実に防止することができる。

【0075】

図６は第４実施形態にかかる誤検知防止型直流高圧接地継電器４５の構成を示す図である。図６において、図５に示す誤検知防止型直流高圧接地継電器４０と異なる点は、前記交流地絡判定部４１および誤動作防止部４２の代わりに、接地マット３と帰線４の間に生じる電位差が交流電路の地絡故障によるものであるときに、この交流地絡による電位差Ｖｉを直流地絡判定出力部６によって誤検知させない程度に減衰させた電位差Ｖｏを出力させる交流地絡電圧抑制回路４７を、前記接地マット４および帰線３と直流地絡判定出力部５の間に介在させて、直流地絡信号Ｆｄの判定出力を阻止する誤動作防止部４６を備える点である。その他の部分は図５を用いて既に詳述したものと同一であるから、同一または同等の部材に同じ符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。

【0076】

図７は前記交流地絡電圧抑制回路４７の一例を示す図である。図７に示すように、前記交流地絡電圧抑制回路４７は例えば電位差Ｖｉの商用電源の交流電圧を減衰させるものであることが考えられ、例えば商用電源の周波数において、たとえ６６００Ｖの交流の電位差Ｖｉが印加されたとしても直流地絡判定出力部６の整定値を下回る程度に減衰した電位差Ｖｏに変換するフィルタ回路である。

【0077】

図７（Ａ）は前記交流地絡電圧抑制回路の一例としてのローパスフィルタ回路の構成を示す図である。

【0078】

図７（Ａ）に示すように、前記交流地絡電圧抑制回路４７の一例としてのローパスフィルタ回路４７Ａは、直列接続された可変抵抗ＲおよびコンデンサＣと、可変抵抗Ｒの一端から中間点の間に接続されるコイルＬとを備える。このローパスフィルタ回路４７Ａによれば電位差Ｖｉの交流成分は可変抵抗Ｒの中間点によって分割された抵抗Ｒ１，Ｒ１の大きさとコイルＬの大きさおよびコンデンサＣの容量によって定まる特性で減衰させることができる。なお、各素子Ｒ１，Ｒ２，Ｌ．Ｃの大きさは、６６００Ｖの商用電源が電位差Ｖｉに印加されたとしても商用周波数において交流の出力電位差Ｖｏを直流地絡判定出力部６の整定値以下となり、かつ、直流地絡が発生したときにおける電位差Ｖｉの立上りの遅れを最小とする大きさに調整する。

【0079】

また、本例では抵抗Ｒ１に平行にコイルＬを設けることにより、直流成分の負荷抵抗を可能な限り小さくするようにしているが、このコイルＬを省略することも可能である。つまり、本発明の交流地絡電圧抑制回路４７は前記ローパスフィルタ回路４７Ａの回路構成からコイルＬを除いた構成であってもよいことはいうまでもない。

【0080】

図７（Ｂ）は前記交流地絡電圧抑制回路の一例としてのπ型ローパスフィルタ回路の例を示す図である。

【0081】

図７（Ｂ）に示すように、前記交流地絡電圧抑制回路４７の一例としてのπ型ローパスフィルタ回路４７Ｂは、順次接続された抵抗Ｒ３と、コイルＬ１と、コンデンサＣ１と、このコンデンサＣ１に並列に、順次接続された抵抗Ｒ４と、コイルＬ２と、コンデンサＣ２とを備え、このコンデンサＣ１の両端の電位差Ｖｉを出力するものである。

【0082】

本例のように、ローパスフィルタ回路を複数段組合わせたπ型ローパスフィルタ回路４７を用いることにより、周波数による減衰率を大きくすることができる。つまり、商用電源の交流地絡に伴う電位差Ｖｉを効率的に減衰させて確実に検出されない程度に十分に減衰させた電位差Ｖｏに変換することができると共に、直流の電位差の減衰を抑えることができる。

【0083】

図７（Ｃ）は前記交流地絡電圧抑制回路の一例としてのノッチフィルタ回路の例を示す図である。

【0084】

図７（Ｃ）に示すように、前記交流地絡電圧抑制回路４７の一例としてのノッチフィルタ回路４７Ｃは、順次接続された抵抗Ｒ５，Ｒ６と、これらの抵抗Ｒ５，Ｒ６の間に接続されるコンデンサＣ３と、これらの抵抗Ｒ５，Ｒ６に対して平行に順次接続されたコンデンサＣ４，Ｃ５と、これらのコンデンサＣ４，Ｃ５の間に接続される抵抗Ｒ７とからなり、商用電源周波数のみを効率的に減衰させるものである。したがって、商用電源の交流地絡に伴う電位差Ｖｉを効率的に減衰させて確実に検出されない程度に十分に減衰させることができると共に、直流の電位差の減衰がほとんど生じない程度に抑えることができる。

【符号の説明】

【0085】

１，１５，２０，４５ 誤検知防止型直流高圧接地継電器
２ 変電所
２Ａ 高圧電線路
２Ｂ 直流配電線路
３ 接地マット
４ 帰線
５ 電位差測定部
６ 直流地絡判定出力部
７ 整流器用変圧器
８ 整流器
１０ 補助電源部
１１ 高速フーリエ変換部
１２ 交流地絡判定部
１３，４６ 誤動作防止部
１６ 電流測定部
２１ 実効値演算部
４７ 交流地絡電圧抑制回路
Ｆｄ 直流地絡信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】