(57)【要約】【課題】  交流電力を駆動源とする交流電気車において、接地引き通し線を工夫することで、パンタグラフが架線と離接する際に高速鉄道車両の車体に発生するサージ電圧（異常高電圧）を抑制すること。【解決手段】  接地引き通し線１８０を、金属等の導電体により例えばパイプ形状やバー形状に形成された被覆無しの単線の導体とする。そしてこの接地引き通し線１８０を、車体２０の底板下部であって車体２０下部を覆うボディマウント２２の内面に設けられた中空のダクト２４内に、ゴム等の非導電性の材料で形成された絶縁部材２５によって複数箇所で固定配置する。またこの接地引き通し線１８０は、各接地装置３４に至る線路の長さが最短距離となるように敷設する。【選択図】  図２
2006333673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電気車の接地引き通し線であって、無被覆の単線の導体でなる接地引き通し線。
【請求項２】
バー形状を有した請求項１に記載の接地引き通し線。
【請求項３】
パイプ形状を有した請求項１に記載の接地引き通し線。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の接地引き通し線を、車体と絶縁した状態で設けた交流電気車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電気車等に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を駆動源とする交流電気車の１つである、比較的高速な走行速度を有する高速鉄道車両では、常に走行速度の更新が求められている。そのため、より高電圧の電力を架線からパンタグラフを介して車両内に取り込み、より大容量の電動機を駆動する技術が開発されてきている。
【０００３】
一般に、高速鉄道車両では、架線からは２５ｋＶの高電圧の交流電力が供給されている。電力で駆動される鉄道車両（電車）が走るための動力装置を一式備えている車両をユニットと呼ぶが、一般的には、２，３両で１ユニットを構成している。そして、車載機器は、スペース的には、例えば第１車両に制御装置とパンタグラフ、第２車両にインバータと電動機というように分散して搭載されているのが普通である。
【０００４】
パンタグラフは、本来、１ユニットに１基必要である。しかし、パンタグラフから発生する騒音が大きいため、高速鉄道車両では、その騒音対策上、例えば１列車編成当り２基のパンタグラフの搭載しか許容されていない。そこで全ユニットに電力を供給するため、各車両に電力の引き通し線が設置され、搭載されている２基のパンタグラフから各ユニットに電力が供給されている。この電力の引き通し線としては、現在、特別高圧ケーブルが使用されている。特別高圧ケーブルは、遮断器を介して主変圧器に接続される。
【０００５】
従来、主変圧器の一次巻線は、車体にアースされている。また接地方式としては、例えば０系新幹線（新幹線開業時に使用された車両）では、接地電流は、車体からアースブラシ及びスリップリング等から成る接地装置により車輪を経由してレールに流されるようになっていた。
【０００６】
しかし、パンタグラフの数が２基とされ、且つ特別高圧ケーブルが各ユニットに対して引き通されるようになると、接地電流の分布が列車編成の両端の車両（先頭車両及び最後尾車両）に集中するようになった。そこで、この対策として、車両内に接地電流を均等化するための接地引き通し線が新たに設置され、これに主変圧器の一次側が接続され、車体アースは接地抵抗器を介してこの接地引き通し線に接続されるようになった。接地装置はこの接地引き通し線に接続されている。
【０００７】
一方、車体及び台車の構造について注目すると、近年、車体を搭載する台車が改良されてボルスタレス台車が主流となっている。このボルスタレス車体では、振動を抑制するため、機械的な接続部分が全てゴム等の弾性体を介して接続されるようになっており、必然的に車体と台車間の絶縁が強化されている。この結果、接地電流は、ボルスタレス台車の場合、車体と台車間の金属接触部が全くないため、接地抵抗器を介して流れるのみとなっている。
【０００８】
このように、従来の高速鉄道車両では、架線から２５ｋＶの高電圧電力が供給されているにもかかわらず、パンタグラフの数が減少され、特別高圧ケーブルがパンタグラフから全ユニットに引き通され、接地電流を均等化するために接地引き通し線及び接地抵抗器が設置され、更に台車と車体間の絶縁が強化されていることに起因して、パンタグラフを上昇させて架線に接触させる際や、下降させて離間させる際に、車体に過渡的な短時間の異常高電圧（サージ電圧）が発生し、その結果、車載機器に誤動作や故障が発生するようになった。このような現象は、動力ユニット即ち電動車だけではなく、特別高圧ケーブルが接続されていない先頭車両又は最後尾車両を有する列車においては、これら付随車に対しても発生する。
【０００９】
そこで、この高速鉄道車両の車体に発生するサージ電圧を低減させるための技術として、パンタグラフと特別高圧ケーブルの間に介在された渡り導体に、磁性体のコアを装荷する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、接地引き通し線と車体アースとを接続する接地抵抗器を、炭化珪素焼結体によって形成し、且つ、所定の高周波領域におけるインピーダンスが所定値以下、或いは、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて平坦な周波数特性を有するものとする技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、車体と台車間に挿入された接地抵抗器に対してコンデンサ又は半導体電圧抑制素子を並列に接続し、先頭車両／最後尾車両については、車体と台車間にコンデンサ又は半導体電圧抑制素子を接続する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−３０５８０１号公報
【特許文献２】特開２００３−２２４９０５号公報
【特許文献３】特開２００４−３２８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、車体に発生するサージ電圧は概略次式のパラメータに関係する。
（サージ電圧）∝Ｚ０Ｂ／（Ｚ０Ｃ＋Ｚ０Ｂ）
ここで、Ｚ０Ｂは車体の自己サージインピーダンスであり、Ｚ０Ｃは特高ケーブルの芯線・シース間のサージインピーダンスである。
【００１１】
上式によれば、車体にかかるサージ電圧を低減させる方法として、（１）特高回路のサージインピーダンスＺ０Ｃを大きくする、（２）発生するサージ電圧が車体にかからないようにする、（３）車体に低誘導型の接地抵抗器を並列挿入する、（４）車体と台車との間に電圧抑制素子を挿入する、の４つが考えられる。
【００１２】
（１）については、特別高圧ケーブル自体の線間波サージインピーダンスを大きくすることが考えられるが、実用的な特別高圧ケーブルは実現されていない。
【００１３】
（２）については、（ａ）特許文献１に開示されているように、ケーブルに入射するサージ電圧をブロックするため、渡り導体に磁性のコアを装荷する方法、或いは、（ｂ）特別高圧ケーブルのシールドを、車体ではなく台車に直接接続する方法が考えられる。しかしこの（ｂ）の場合、接地引き通し線が長くなるため、後述のように効果的ではない。
【００１４】
（３）については、例えば特許文献２に開示されているように、接地抵抗器を炭化珪素焼結体で形成して抵抗体自体の大きさを小型化するとともに、特定の高周波領域（例えば、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚ）におけるインピーダンスが所定値以下のものとすることで、インダクタンス成分を小さくして、車体と台車間のインピーダンスを低下させることが知られている。また、特許文献３に開示されているように、電動車については、接地抵抗器に対してコンデンサを並列に接続し、接地抵抗器が設けられない先頭車両又は最後尾車両については、車体と台車間にコンデンサを接続することにより、サージ帯域の周波数に対してインピーダンスを低下させることが知られている。
【００１５】
（４）については、特許文献３に開示されているように、半導体電圧抑制素子を用いることが知られている。
【００１６】
ところで、（３）に関する従来の技術では、接地抵抗器に着目し、接地抵抗器のインダクタンス成分を小さくすることで車体と台車間のインピーダンスを低下させているものであり、接地引き通し線については着目されていなかった。そこで接地引き通し線に着目してみると、接地引き通し線は多数の素線から成るより線導体を絶縁体で被覆したケーブルであるのが一般的であり、１車両当りのケーブル長は車両長より長い数十ｍに達している。つまり、接地引き通し線のインダクタンスは相当大きく、この接地引き通し線を有する接地回路のサージインピーダンスが車体のサージインピーダンスより大きくなっていたのである。このため、車体と接地引き通し線との接続点においては、入射波（サージ電圧）に対して瞬間的に開放端となって入射波と同一極性の反射波が生じ、この反射波が入射波に重畳することで、車体を伝搬するサージ電圧が増大していたと考えられる。
【００１７】
上記事情に鑑み、本発明は、交流電力を駆動源とする交流電気車において、接地引き通し線を工夫することで、パンタグラフが架線と離接する際に高速鉄道車両の車体を伝搬するサージ電圧（異常高電圧）を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するための第１の発明は、交流電気車の接地引き通し線（例えば、図１の接地引き通し線１８１，１８２，１８３、図２の接地引き通し線１８０）であって、無被覆の単線の導体でなることを特徴とする。
【００１９】
この第１の発明によれば、交流電気車の接地引き通し線が無被覆の単線の導体でなる。つまり、単線の導体であるため、導電率が高く完全導体に近づくとともに、被覆無しであるため、導体周囲の媒質が“空気”となって完全誘導体に近づき、その結果、接地引き通し線の無損失線路化が図られる。このため、接地引き通し線のインダクタンスが、例えばより線導体を絶縁体で被覆したケーブルでなる従来の接地引き通し線と比較して大幅に小さくなり、そのサージインピーダンスが大幅に低減される。
【００２０】
そして、この接地引き通し線を有する接地回路のサージインピーダンスが車体のサージインピーダンス以下とした場合、車体と接地引き通し線との接続点において、入射波（サージ電圧）に対して異極性の反射波が生じ、この反射波が入射波に重畳することで、接地引き通し線が設けられた交流電気車の車体を伝搬するサージ電圧が抑制される。更に、接地引き通し線を無被覆としたことにより、サージの伝搬速度を速め、接地効果が高められる。
【００２１】
また、第２の発明として、請求項１に記載の接地引き通し線を、バー形状を有するものとしても良い。
【００２２】
また、第３の発明として、請求項１に記載の接地引き通し線を、パイプ形状を有するものとしても良い。
【００２３】
第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明の接地引き通し線を、車体と絶縁した状態で設けた交流電気車である。
【００２４】
この第４の発明によれば、この交流電気車の車体を伝搬するサージ電圧が抑制される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、交流電力を駆動源とする交流電気車において、パンタグラフが架線と離接する際に高速鉄道車両の車体を伝搬するサージ電圧（異常高電圧）が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明に好適な実施形態を説明する。
【００２７】
［鉄道車両の機器構成］
図１は、本実施形態の鉄道車両における電気的な接続関係を示す図であり、レール４０上で一列車を編成する複数の車両の内の一続きの３台の車両１１，１２，１３を示している。各車両１１，１２，１３は電動車であり、車両１１と車両１２、車両１３と不図示の１又は複数台の車両が、それぞれ１ユニットを形成している。
【００２８】
車両１１，１２，１３それぞれは、２台のボルスタレス型の台車３０上に車体が固定されて構成されており、台車３０毎に４本の車輪が設けられている。各車輪３２には、車軸に組み付けられたスリップリングと、そのスリップリングに接触するように台車３０に設置されたアースブラシ（接地ブラシ）とから成る接地装置３４が設けられており、各接地装置３４の間は、車両１１，１２，１３毎に接地引き通し線１８１，１８２，１８３によって接続されている。また、接地引き通し線１８１と接地引き通し線１８２が接続用ケーブル１９１で接続され、接地引き通し線１８３と不図示の後続車両の接地引き通し線とが接続用ケーブル１９３で接続されている。
【００２９】
車両１１，１３には、真空遮断器１６１，１６３と、主変圧器１７１，１７３と、不図示の他の制御装置とがそれぞれ設けられており、車両１２には、不図示のインバータと電動機とが設けられている。また、車両１３には、パンタグラフ１１１が設けられている。このパンタグラフ１１１は、車両１２に設けられたケーブルヘッド１２２と、車両１３に設けられたケーブルヘッド１２３とに接続されている。
【００３０】
ケーブルヘッド１２２には特別高圧ケーブル１３２が接続され、ケーブルヘッド１２３には特別高圧ケーブル１３３，１３４が接続されている。これらの各特別高圧ケーブル１３２，１３３，１３４と、後述する各特別高圧ケーブル１３１，１５１，１５３は、高電圧電力が供給される芯線１３０ａとそのシールド（シースともいう）１３０ｂとから構成されている。各特別高圧ケーブル１３１，１３２，１３３，１３４のシールド１３０ｂは、その特別高圧ケーブル１３１，１３２，１３３，１３４が引き通されている車両１１，１２，１３の車体にアースされている。
【００３１】
車両１２内に敷設されている特別高圧ケーブル１３２は、特別高圧ケーブル用接続部１４２、接続用特別高圧ケーブル１５１、車両１１内の特別高圧ケーブル用接続部１４１を介して、車両１１内に敷設されている特別高圧ケーブル１３１に接続されている。また接地引き通し線１８２は、接地抵抗器２０２を介して車両１２の車体にアースされている。
【００３２】
車両１１では、特別高圧ケーブル１３１の芯線１３０ａが真空遮断器１６１の一方の端子に接続され、この真空遮断器１６１の他方の端子が主変圧器１７１の一次巻線の一方の端子に接続されている。その主変圧器１７１の一次巻線の他方の端子は接地引き通し線１８１に接続され、接地引き通し線１８１は接地抵抗器２０１を介して車両１１の車体にアースされている。
【００３３】
車両１３内に敷設されている特別高圧ケーブル１３３は、特別高圧ケーブル用接続部１４３、接続用特別高圧ケーブル１５３を介して、不図示の他の車両内に敷設されている特別高圧ケーブルに接続されている。また、特別高圧ケーブル１３４の芯線１３０ａが真空遮断器１６３の一方の端子に接続され、この真空遮断器１６３の他方の端子が主変圧器１７３の一次巻線の一方の端子に接続されている。その主変圧器１７３の一次巻線の他方の端子は接地引き通し線１８３に接続され、接地引き通し線１８３は接地抵抗器２０３を介して車両１３の車体にアースされている。
【００３４】
このように、各車両１１，１２，１３の車体は、接地抵抗器２０１，２０２，２０３を介して接地引き通し線１８１，１８２，１８３それぞれに接続されている。接地引き通し線１８１，１８２，１８３からは、接地装置３４を介して各車輪３２からレール４０へと、それぞれ接地回路が構成されている。
【００３５】
このような鉄道車両において、パンタグラフ１１１を上昇させて架線に接触させたり、下降させて離間させたりすると、その接触或いは離間の瞬間に特別高圧ケーブルの芯線１３０ａに急激な電圧変化が起き、シールド１３０ｂに高電圧が誘起される。シールド１３０ｂは車体に接続されているので、車体には高電位が発生する。この瞬間に、車体に搭載されている車載機器には、サージ電圧の大きさにより絶縁の弱い部分に絶縁破壊等が発生して損傷したり、誤動作したりする可能性があるので、このサージ電圧の抑制が重要な課題となる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、車体に発生するサージ電圧抑制のため、接地引き通し線１８０を、被覆無しの単線の導体とする。尚、従来の接地引き通し線は、主に、より線導体を絶縁体で被覆した電線により実現されていた。
【００３７】
［接地引き通し線］
図２は、本実施形態における接地引き通し線１８０の敷設を説明するための図である。同図（ａ）は車両の進行方向に対する断面図を示し、同図（ｂ）は、敷設された接地引き通し線１８０の一部概略斜視図を示している。
【００３８】
同図に示すように、接地引き通し線１８０は、金属等の導電性の材料により形成された単線の導体であり、本実施形態では、その直径が数〜数十ミリ程度のパイプ形状に形成されている。そして、この接地引き通し線１８０は、車体２０の底板下部であって車体２０下部を覆うボディマウント構造２２の内面に設けられたダクト２４内に、ゴム等の非導電性の材料で形成された絶縁部材２５によって複数箇所で固定されて配置されている。即ち、接地引き通し線１８０は車体に対して電気的に絶縁された状態となっている。またこの接地引き通し線１８０は、各接地装置３４に至る線路の長さが可及的に最短距離となるように敷設される。
【００３９】
このように、接地引き通し線１８０を単線の導体とすることで、従来の電線でなる場合と比較して導電率が大きくなり、完全導体に近づく。また、導体を被覆無しとすることにより、いわば該導体の被覆が“空気”となって完全誘導体に近づく。これらにより、接地引き通し線１８０の無損失線路化が図られる。
【００４０】
そして、接地引き通し線１８０を無損失線路化されることにより、接地引き通し線１８０の抵抗及び漏れコンダクタンスがほぼゼロとなるとともに、従来のケーブルでなる場合と比較して、インダクタンスが大幅に低減される。このため、接地引き通し線１８０のサージインピーダンスが、従来のケーブルでなる場合と比較して大幅に低減され、これにより、車体に伝搬するサージ電圧の抑制が実現される。
【００４１】
図３は、接地引き通し線１８０のサージインピーダンス低減による車体を伝搬するサージ電圧の抑制を説明するための図であり、１車両分の車体とレール４０との間の分布定数回路を示している。車体に生じたサージ電圧は、接地抵抗器２００を通って接地引き通し線１８０に侵入するが、この接地引き通し線１８０との接続点Ｐにおいて、接続元側と接続先側のインピーダンスに応じた反射が起こる。
【００４２】
車体から見た接地引き通し線１８０側の合成インピーダンスＺ０は、接地抵抗器２００の抵抗値と、接地引き通し線１８０の合成サージインピーダンスとの和となる。
【００４３】
接地引き通し線がケーブルでなる従来の場合、接地引き通し線のインダクタンスが大きく、そのサージインピーダンスが車体のサージインピーダンスより大きかったため、車体と接地引き通し線との接続点Ｐの反射係数が「正」となり、入射波（サージ電圧）に対して同極性の反射波が形成される。そして、車体には、入射波に反射波が重畳した合成波が車体に伝搬するが、反射波が入射波に対して同極性であるため、合成波の振幅が入射波の振幅より大きい、即ち車体を伝搬するサージ電圧の振幅が増大してしまっていた。
【００４４】
これに対して、本実施形態では、接地引き通し線１８０のサージインピーダンスが大幅に低減されている。そして、この合成インピーダンスＺ０が車体のサージインピーダンスより小さい場合、接続点Ｐにおける反射係数は「負」となり、入射波に対して異極性の反射波が形成される。このため、合成波の振幅は入射波の振幅よりも小さくなる、即ち車体を伝搬するサージ電圧の抑制が実現される。
【００４５】
また、合成インピーダンスＺ０が車体のサージインピーダンスにほぼ等しい場合、接続点Ｐにおける反射係数はほぼ「ゼロ」、即ち車体と接地引き通し線１８０との整合が取れた状態となり、入射波がそのまま車体を伝搬する。つまり、車体を伝搬するサージ電圧の増大は防止される。
【００４６】
更に、本実施形態では、接地引き通し線１８０が被覆無しの導体であるので、該接地引き通し線１８０におけるサージの伝搬速度が、従来の被覆有りのケーブルでなる場合と比較して速く、光速に近づく。このため、接地効果を上げることができる。
【００４７】
［試験結果］
図４に、本実施形態における鉄道車両を模した試験装置での試験結果を示す。同図（ａ）は、接地引き通し線８００を従来のケーブルで実現した場合を示している。同図（ａ）は試験装置の分布定数回路を示し、同図（ｂ）は試験結果（測定電圧）を示している。
【００４８】
本試験では、一続きの３両の鉄道車両を模した縮小車両模型を黄銅板で構成し、２，３両目の車両模型について、各車両模型内に特別高圧ケーブルを模した同軸ケーブルを敷設するとともに、各車両下部に接地引き通し線８００をそれぞれ敷設した。同軸ケーブルのシールドＳは、３両目の車両模型の車体Ｂに接続されている。また、接地引き通し線８００は、５Ωの接地抵抗器を介して車体Ｂに接続されている。
【００４９】
そして、３両目の車両模型内の同軸ケーブルの芯線Ｃに、パルスジェネレータＰＧによりサージ電圧を模したパルス信号を与え、１，２両目の車両模型それぞれでの車体終端電圧を測定した。同図（ａ）に示す試験結果を示すグラフにおいて、上から順に、１両目の車体終端電圧、２両目の車体終端電圧を示しており、各車両の車体のサージ電圧が顕著なことが分かる。
【００５０】
［作用・効果］
以上のように、本実施形態によれば、接地引き通し線１８０を被覆無しの単線の導体とすることにより、導電率を高くして完全導体に近づけるとともに、導体周囲の媒質が“空気”となることにより完全誘導体に近づけることができ、その結果、接地引き通し線１８０の無損失線路化が図られる。このため、接地引き通し線１８０のインダクタンスが、例えばより線導体を絶縁体で被覆したケーブルでなる従来の接地引き通し線と比較して大幅に小さくなり、そのサージインピーダンスが大幅に低減される。
【００５１】
そして、この接地引き通し線１８０のサージインピーダンスと接地抵抗器２００の抵抗値との合成サージインピーダンスが車体のサージインピーダンスより小さくなることで、車体２０と接地引き通し線１８０との接続点Ｐにおいて、入射波（サージ電圧）に対して異極性の反射波が生じ、この反射波が入射波に重畳することで、車体２０を伝搬するサージ電圧が抑制される。また更に、接地引き通し線１８０を被覆無しとすることで、該接地引き通し線１８０におけるサージの伝搬速度を速め、接地効果を高めることができる。
【００５２】
［変形例］
尚、本発明を適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であるのは勿論である。
【００５３】
例えば、上述した実施形態において、接地引き通し線１８０は断面が円形のパイプ形状としたが、角形のパイプ形状であっても良い。また、パイプ形状ではなく、例えば図５に示すように、バー形状（棒形状）としても良い。同図では、断面が円形のバー形状の接地引き通し線１８０Ａを示している。また、接地引き通し線１８０の材質も、鉄や金、銅等の良導体であれば良く、このとき、変形加工が容易な剛性の材質であれば敷設作業量が軽減でき、好適である。
【００５４】
また、上述した実施形態では、図１に示したように、ユニット毎に接地引き通し線１８１，１８２，１８３を接続ケーブル１９１，１９３で接続することとしたが、接続せずに車両毎に独立して設けることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】鉄道車両の電気的な機器構成図。
【図２】接地引き通し線の敷設の説明図。
【図３】反射によるサージ電圧抑制の説明図。
【図４】鉄道車両を模した試験装置での試験結果。
【図５】接地引き通し線の形状の変形例。
【符号の説明】
【００５６】
１０（１１，１２，１３）  車両
１３０（１３１，１３２，１３３）  特別高圧ケーブル
１８０（１８１，１８２，１８３）  接地引き通し線
２００（２０１，２０２，２０３）  接地抵抗器
２０  車体
２２  ボディマウント
２４  ダクト
２５  絶縁部材
３０  台車
３２  車輪
３４  接地装置
４０  レール
【図１】
2006333673.tif 000003
【図２】
2006333673.tif 000004
【図３】
2006333673.tif 000005
【図４】
2006333673.tif 000006
【図５】
2006333673.tif 000007