(57)【要約】      （修正有）【課題】長大なき電区間においても故障を確実に検出することができる交流ＡＴき電回路のき電保護技術を提供する。【解決手段】保護区間両端のき電電圧をそれぞれの電気所端で取り込み、取り込んだき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有し、両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求め、差電圧時系列情報をフィルタリング演算して差電圧基本波成分の時系列情報を求め、差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求め、差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する交流ＡＴき電回路のき電保護装置である。【選択図】図３
2011111128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、
前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出手段とを備えたことを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護装置。
【請求項２】
前記差電圧基本波成分算出手段は、任意時点の過去値に対する現在値の増加量に基づいて前記差電圧基本波成分量を算出することを特徴とする請求項１に記載の交流ＡＴき電回路のき電保護装置。
【請求項３】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、
前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出手段と、
前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出手段と、
前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出手段と、
前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記差電流基本波成分量と予め定めた定数とを比較判定し、当該双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出手段とを備えたことを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護装置。
【請求項４】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、
前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出手段と、
前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出手段と、
前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出手段と、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して各端の電流時系列情報を求める電流時系列情報演算手段と、
前記各端の電流時系列情報をフィルタリング演算して各端の基本波電流時系列情報を求める基本波電流時系列情報算出手段と、
前記各端の基本波電流時系列情報を振幅値演算して各端の基本波電流成分量を算出する基本波電流成分量算出手段と、
前記差電流基本波成分量と各端の基本波電流成分量とから区間通過電流量を求める区間通過電流量演算手段と、
前記区間通過電流量に予め定める線路定数を乗じ、前記差電圧基本波成分量から減算して区間流入電流量等価差電圧を求める等価差電圧演算手段と、
前記区間流入電流量等価差電圧と予め定める定数とを比較判定し、区間故障を検出する区間故障検出手段とを備えたことを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護装置。
【請求項５】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、
前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出手段と、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して差電圧の第二高調波時系列情報を求める第二高調波時系列情報算出手段と、
差電圧の第二高調波時系列情報を振幅値演算して差電圧第二高調波成分量を算出する差電圧第二高調波成分量算出手段と、
前記差電圧第二高調波成分量と前記差電圧基本波成分量との比率演算から差電圧の第二高調波含有量を算出する第二高調波含有量算出手段と、
前記第二高調波含有量を予め定める判定定数と比較判定し、前記第二高調波含有量が予め定めた判定定数を超過する場合に前記電圧ベース区間故障検出手段による区間故障判定を抑止する区間故障判定抑止手段とを備えたことを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護装置。
【請求項６】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、
前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得手段と、
前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報端末手段と、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出手段と、
前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出手段と、
前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出手段と、
前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電流ベース区間故障検出手段と、
前記保護区間の両端の同一時系列電圧情報から各端それぞれの電圧時系列情報を求める電圧時系列情報算出手段と、
前記各端の電圧時系列情報をフィルタリング演算して各端の電圧の基本波時系列情報を求める電圧基本波時系列情報算出手段と、
前記各端の電圧の基本波時系列情報を振幅値演算して各端の電圧基本波成分量を求める電圧基本波成分量算出手段と、
前記各端の電圧基本波成分量の過去値と現在値との電圧変化量を各端毎に求める電圧変化量算出手段と、
前記各端毎の電圧変化量を加算してスカラ和量を求める電圧変化量算出手段と、
前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記電圧変化量のスカラ和量と予め定める定数とを比較判定し、双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出手段とを備えたことを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護装置。
【請求項７】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、
前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出ステップとを有することを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護方法。
【請求項８】
前記差電圧基本波成分算出ステップは、任意時点の過去値に対する現在値の増加量に基づいて前記差電圧基本波成分量を算出することを特徴とする請求項７に記載の交流ＡＴき電回路のき電保護方法。
【請求項９】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、
前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出ステップと、
前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出ステップと、
前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出ステップと、
前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記差電流基本波成分量と予め定めた定数とを比較判定し、当該双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出ステップとを有することを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護方法。
【請求項１０】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、
前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出ステップと、
前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出ステップと、
前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出ステップと、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して各端の電流時系列情報を求める電流時系列情報演算ステップと、
前記各端の電流時系列情報をフィルタリング演算して各端の基本波電流時系列情報を求める基本波電流時系列情報算出ステップと、
前記各端の基本波電流時系列情報を振幅値演算して各端の基本波電流成分量を算出する基本波電流成分量算出ステップと、
前記差電流基本波成分量と各端の基本波電流成分量とから区間通過電流量を求める区間通過電流量演算ステップと、
前記区間通過電流量に予め定める線路定数を乗じ、前記差電圧基本波成分量から減算して区間流入電流量等価差電圧を求める等価差電圧演算ステップと、
前記区間流入電流量等価差電圧と予め定める定数とを比較判定し、区間故障を検出する区間故障検出ステップとを有することを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護方法。
【請求項１１】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、
前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、
前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出ステップと、
前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して差電圧の第二高調波時系列情報を求める第二高調波時系列情報算出ステップと、
差電圧の第二高調波時系列情報を振幅値演算して差電圧第二高調波成分量を算出する差電圧第二高調波成分量算出ステップと、
前記差電圧第二高調波成分量と前記差電圧基本波成分量との比率演算から差電圧の第二高調波含有量を算出する第二高調波含有量算出ステップと、
前記第二高調波含有量を予め定める判定定数と比較判定し、前記第二高調波含有量が予め定めた判定定数を超過する場合に前記電圧ベース区間故障検出ステップによる区間故障判定を抑止する区間故障判定抑止ステップとを有することを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護方法。
【請求項１２】
交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、
保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、
前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得ステップと、
前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報共有ステップと、
前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出ステップと、
前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出ステップと、
前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出ステップと、
前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電流ベース区間故障検出ステップと、
前記保護区間の両端の同一時系列電圧情報から各端それぞれの電圧時系列情報を求める電圧時系列情報算出ステップと、
前記各端の電圧時系列情報をフィルタリング演算して各端の電圧の基本波時系列情報を求める電圧基本波時系列情報算出ステップと、
前記各端の電圧の基本波時系列情報を振幅値演算して各端の電圧基本波成分量を求める電圧基本波成分量算出ステップと、
前記各端の電圧基本波成分量の過去値と現在値との電圧変化量を各端毎に求める電圧変化量算出ステップと、
前記各端毎の電圧変化量を加算してスカラ和量を求める電圧変化量算出ステップと、
前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記電圧変化量のスカラ和量と予め定める定数とを比較判定し、双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出ステップとを有することを特徴とする交流ＡＴき電回路のき電保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道における交流ＡＴき電回路のＡＴ区間に発生する短絡あるいは地絡故障を検出するためのき電保護装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電気鉄道におけるＡＴき電回路の一般的な系統構成例を図１９に示す。鉄道沿線には、き電電源を供給する変電所ＳＳを数１０ｋｍ間隔で備え、双方の変電所電源をき電区分所ＳＰで区分している。さらに、同一電源区間を限定区分するための補助き電区分所ＳＳＰを設けている。変電所、及びそれぞれのき電区分所には単巻変圧器ＡＴを備えている。き電区分所ＳＰの切替セクションで双方向の異なる電源を列車走行位置に応じて切り替える運転方式を「突き合せき電」と言い、き電区分所ＳＰの切替セクションを開閉器でバイパスして一方の電源を反対方面へ延ばした運転方法を「延長き電」と言う。電車線には下り線と上り線があり、上下線は変電所から上下線にき電し、き電区分所に備える上下線タイ開閉器により分離又は結合して運用する。
【０００３】
ＡＴき電回路は、図２０に示すようにトロリ線Ｔ・き電線Ｆ・レールＲ及び保護線ＰＷから構成され、約１０ｋｍ間隔で単巻変圧器ＡＴが配置される。変電所ＳＳのき電電圧Ｖは単巻変圧器ＡＴの巻き数比Ｎでトロリ線ＴとレールＲ間電圧に降圧（Ｖ／Ｎ）して電気車に供給している。トロリ線ＴとレールＲに流れる電気車電流は単巻変圧器ＡＴで巻き数比倍の値１／Ｎに変換されてトロリ線Ｔとき電線Ｆを帰還し、変電所ＳＳの電源Ｖに流れる。
【０００４】
変電所ＳＳで検出する一般的な電車線の線路短絡インピーダンスを図２１に示す。Ｔ−Ｆ短絡インピーダンスは線路長に対し直線であるが、Ｔ−Ｒ短絡、Ｔ−ＰＷ短絡、Ｆ−ＰＷ短絡、及び図示しないＴ、Ｆの地絡故障は、レールＲと保護線ＰＷの渡り地点ＣＰＷを節として上部に膨らむ。き電回路の保護方式としては、このようなＡＴき電回路のインピーダンス特性をカバーするように、故障検出領域が平行四辺形の形状を持った距離継電器（＃４４Ｆ）が一般に使用されてきている。図２２にその特性例を示す。
【０００５】
さらにこの距離継電器とは別に、き電電流の急峻な変化分から故障を検出する交流ΔＩ形継電器（＃５０Ｆ）が使用され、上記距離継電器＃４４Ｆと併用してき電回路の故障検出を行っている。図２３にその特性例を示す。これら＃４４Ｆ、＃５０Ｆは電源元の変電所ＳＳだけでなく、き電区分所ＳＰ、補助き電区分所ＳＳＰの電車線路上に配置する各電気所にも設備して、き電形態に応じ分布変化する故障電流に対し、少なくとも故障点近傍の電気所で故障を検出できるように構成されている。これら保護要素（＃４４Ｆ、＃５０Ｆ）の配置例を図２４に示す。図２４は、Ａ変電所ＡｓｓとＢ変電所Ｂｓｓとの間の配置例である。
【０００６】
このような従来のＡＴき電回路には、次のような問題点があった。鉄道き電回路電車線の上下線それぞれは、大別すると電気車に電力を送電するトロリ線Ｔ、き電線Ｆ、レールＲ、保護線ＰＷなどの電車線から成るき電区間及び、上下線を開閉器で結合あるいは分離するき電ポストＳＳ、ＳＳＰ、ＳＰから構成されている。しかしながら、故障は多様な箇所でＴ、Ｆ地絡故障、あるいは、Ｔ−Ｒ、Ｔ−ＰＷ、Ｆ−Ｒ、Ｆ−ＰＷ短絡故障、さらには、Ｔ−Ｆ短絡故障が発生する。
【０００７】
一方で電気車両の負荷電流はその走行状態に応じて変動し、き電区間に進入する電気車電流には過大な車両用変圧器の励磁突入電流が発生して急峻な電流増加を伴う。さらにき電回路には再閉路機能が備えられ、再閉路時に、き電区間内の複数の電気車と複数の単巻変圧器ＡＴが一斉に再加圧されて過大な変圧器の励磁突入電流が発生する。き電回路に設備される保護リレーには、このような負荷電流変動と故障電流とを確実に判別する性能が要求される。ところが変電所建設の都合上変電所間隔が長くなると、在線する電気車の編成数が増えるので負荷電流は増加し、線路長の延伸に応じた線路定数の増加で故障電流は減少する。そのため、図２５の電流例に示す重なり部分のように、負荷電流と故障電流の領域が近接し、あるいは重なりが生じ、遠端故障の検出が困難となる場合が生じる。図２５の電流例で、最大負荷電流がＴＲ（トロリ線−レール）故障電流を上回る領域の故障検出が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２２１８９８号公報
【特許文献２】特開２００４−７４９２４号公報
【特許文献３】特開２００３−２０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、長大なき電区間においても故障を確実に検出することができる交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つの特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出手段とを備えた点にある。
【００１１】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報端末手段と、前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出手段と、前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出手段と、前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出手段と、前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記差電流基本波成分量と予め定めた定数とを比較判定し、当該双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出手段とを備えた点にある。
【００１２】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報端末手段と、前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出手段と、前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出手段と、前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出手段と、前記両端の同一時系列電流情報を演算して各端の電流時系列情報を求める電流時系列情報演算手段と、前記各端の電流時系列情報をフィルタリング演算して各端の基本波電流時系列情報を求める基本波電流時系列情報算出手段と、前記各端の基本波電流時系列情報を振幅値演算して各端の基本波電流成分量を算出する基本波電流成分量算出手段と、前記差電流基本波成分量と各端の基本波電流成分量とから区間通過電流量を求める区間通過電流量演算手段と、前記区間通過電流量に予め定める線路定数を乗じ、前記差電圧基本波成分量から減算して区間流入電流量等価差電圧を求める等価差電圧演算手段と、前記区間流入電流量等価差電圧と予め定める定数とを比較判定し、区間故障を検出する区間故障検出手段とを備えた点にある。
【００１３】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧時系列情報算出手段と、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出手段と、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出手段と、前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出手段と、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して差電圧の第二高調波時系列情報を求める第二高調波時系列情報算出手段と、差電圧の第二高調波時系列情報を振幅値演算して差電圧第二高調波成分量を算出する差電圧第二高調波成分量算出手段と、前記差電圧第二高調波成分量と前記差電圧基本波成分量との比率演算から差電圧の第二高調波含有量を算出する第二高調波含有量算出手段と、前記第二高調波含有量を予め定める判定定数と比較判定し、前記第二高調波含有量が予め定めた判定定数を超過する場合に前記電圧ベース区間故障検出手段による区間故障判定を抑止する区間故障判定抑止手段とを備えた点にある。
【００１４】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護装置であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報端末手段と、前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得手段と、前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報端末手段と、前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出手段と、前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出手段と、前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出手段と、前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電流ベース区間故障検出手段と、前記保護区間の両端の同一時系列電圧情報から各端それぞれの電圧時系列情報を求める電圧時系列情報算出手段と、前記各端の電圧時系列情報をフィルタリング演算して各端の電圧の基本波時系列情報を求める電圧基本波時系列情報算出手段と、前記各端の電圧の基本波時系列情報を振幅値演算して各端の電圧基本波成分量を求める電圧基本波成分量算出手段と、前記各端の電圧基本波成分量の過去値と現在値との電圧変化量を各端毎に求める電圧変化量算出手段と、前記各端毎の電圧変化量を加算してスカラ和量を求める電圧変化量算出手段と、前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記電圧変化量のスカラ和量と予め定める定数とを比較判定し、双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出手段とを備えた点にある。
【００１５】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出ステップとを有する点にある。
【００１６】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出ステップと、前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出ステップと、前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出ステップと、前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記差電流基本波成分量と予め定めた定数とを比較判定し、当該双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出ステップとを有する点にある。
【００１７】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出ステップと、前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出ステップと、前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出ステップと、前記両端の同一時系列電流情報を演算して各端の電流時系列情報を求める電流時系列情報演算ステップと、前記各端の電流時系列情報をフィルタリング演算して各端の基本波電流時系列情報を求める基本波電流時系列情報算出ステップと、前記各端の基本波電流時系列情報を振幅値演算して各端の基本波電流成分量を算出する基本波電流成分量算出ステップと、前記差電流基本波成分量と各端の基本波電流成分量とから区間通過電流量を求める区間通過電流量演算ステップと、前記区間通過電流量に予め定める線路定数を乗じ、前記差電圧基本波成分量から減算して区間流入電流量等価差電圧を求める等価差電圧演算ステップと、前記区間流入電流量等価差電圧と予め定める定数とを比較判定し、区間故障を検出する区間故障検出ステップとを有する点にある。
【００１８】
また本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電圧情報を演算して差電圧時系列情報を求める差電圧演算ステップと、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して、差電圧基本波成分の時系列情報を求める差電圧基本波成分算出ステップと、前記差電圧基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電圧基本波成分量を求める差電圧基本波成分量算出ステップと、前記差電圧基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電圧ベース区間故障検出ステップと、前記差電圧時系列情報をフィルタリング演算して差電圧の第二高調波時系列情報を求める第二高調波時系列情報算出ステップと、差電圧の第二高調波時系列情報を振幅値演算して差電圧第二高調波成分量を算出する差電圧第二高調波成分量算出ステップと、前記差電圧第二高調波成分量と前記差電圧基本波成分量との比率演算から差電圧の第二高調波含有量を算出する第二高調波含有量算出ステップと、前記第二高調波含有量を予め定める判定定数と比較判定し、前記第二高調波含有量が予め定めた判定定数を超過する場合に前記電圧ベース区間故障検出ステップによる区間故障判定を抑止する区間故障判定抑止ステップとを有する点にある。
【００１９】
さらに本発明の別の特徴は、交流単巻変圧器き電回路において、任意距離区間毎に配置される電気所の単巻変圧器を境界とする電車線の故障を検出するき電保護方法であって、保護区間の両端き電電圧をそれぞれの電気所端で計器用変圧器の二次側から取り込むき電電圧取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込むき電電圧を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端のき電電圧情報を両端の同一時系列電圧情報として一元共有する電圧情報共有ステップと、前記保護区間の両端電車線電流をそれぞれの電気所端で計器用変流器の二次側から取り込む電車線電流取得ステップと、前記電気所端それぞれで取り込む電車線電流を任意周期毎に測定し、相互に高速通信してそれぞれの端の電車線電流を両端の同一時系列電流情報として一元共有する電流情報共有ステップと、前記両端の同一時系列電流情報を演算して差電流時系列情報を求める差電流算出ステップと、前記差電流時系列情報をフィルタリング演算して、差電流基本波成分の時系列情報を求める差電流基本波成分算出ステップと、前記差電流基本波成分の時系列情報を振幅値演算して差電流基本波成分量を求める差電流基本波成分量算出ステップと、前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定して区間故障を検出する電流ベース区間故障検出ステップと、前記保護区間の両端の同一時系列電圧情報から各端それぞれの電圧時系列情報を求める電圧時系列情報算出ステップと、前記各端の電圧時系列情報をフィルタリング演算して各端の電圧の基本波時系列情報を求める電圧基本波時系列情報算出ステップと、前記各端の電圧の基本波時系列情報を振幅値演算して各端の電圧基本波成分量を求める電圧基本波成分量算出ステップと、前記各端の電圧基本波成分量の過去値と現在値との電圧変化量を各端毎に求める電圧変化量算出ステップと、前記各端毎の電圧変化量を加算してスカラ和量を求める電圧変化量算出ステップと、前記差電流基本波成分量と予め定める定数とを比較判定し、前記電圧変化量のスカラ和量と予め定める定数とを比較判定し、双方の判定結果から区間故障を検出する区間故障検出ステップとを有する点にある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法によれば、保護区間において負荷電流と故障電流とが接近する領域に対する故障検出の選択性が向上し、保護区間の両端に備える従来の保護要素数を半減できる。
【００２１】
また、本発明の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法によれば、保護区間外への通過電流で生じる差電圧による不要動作を抑止することができ、同時に、計器用変圧器二次電圧の導入不良で生じる差電圧による不要動作を抑止することもできる。
【００２２】
また、本発明の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法によれば、保護区間の差電圧検出感度を著しく改善できる。
【００２３】
さらに、本発明の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法によれば、保護区間の差電圧検出感度を著しく改善でき、同時に、計器用変圧器二次電圧の導入不良で生じる差電圧による不要動作を抑止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一般的な交流ＡＴき電回路の基本構成を示す回路図。
【図２Ａ】図２Ａ（ａ）、（ｂ）は、本発明のき電保護装置及び方法による差電圧保護方式でのき電保護動作を説明する図であり、トロリ線とレールの短絡故障検出の原理を示す説明図。
【図２Ｂ】図２Ｂ（ａ）、（ｂ）は、本発明のき電保護装置及び方法による差電圧保護方式でのき電保護動作を説明する図であり、トロリ線とき電線の短絡故障検出の原理を示す説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態のき電保護装置のブロック図。
【図４】上記第１の実施の形態において、区間外の負荷電流と保護区間の差電圧を示す説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態のき電保護装置のブロック図。
【図６】上記実施の形態において、電気車の位置移動と電流増加の時間変化特性を示すグラフ。
【図７】本発明の第３の実施の形態のき電保護装置による差電圧保護方式でのき電保護動作の説明図。
【図８】上記第３の実施の形態のき電保護装置のブロック図。
【図９】本発明の第４の実施の形態のき電保護装置のブロック図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態のき電保護装置に関連し、保護区間に流れる電気車突入電流の説明図。
【図１１】上記第５の実施の形態に関連し、電気車再加圧における区間両端差電圧の測定波形図。
【図１２】上記第５の実施の形態のき電保護装置のブロック図。
【図１３Ａ】本発明の第６の実施の形態に関連し、故障前の電車線の電流分布変化と保護区間両端の差電圧を示す回路図。
【図１３Ｂ】上記第６の実施の形態に関連し、故障時の電車線の電流分布変化と保護区間両端の差電圧を示す回路図。
【図１３Ｃ】上記第６の実施の形態に関連し、保護区間内外の電流重畳の等価回路図。
【図１４】上記第６の実施の形態のき電保護装置のブロック図。
【図１５】上記第６の実施の形態に関連し、故障前の保護区間内の電流の位置と故障電流の故障点に応じた電圧変化を示すグラフ。
【図１６】上記第６の実施の形態に関連し、保護区間に流れる故障電気量の説明図。
【図１７Ａ】従来例のき電保護方式の説明図。
【図１７Ｂ】本発明の第１の実施の形態による差電圧保護方式の説明図。
【図１８】本発明の第２の実施の形態による故障前後の端差電圧と故障時の差電圧の変化量を示すグラフ。
【図１９】従来の交流ＡＴき電回路の構成を示す回路図。
【図２０】交流ＡＴき電の原理を示す説明図。
【図２１】交流ＡＴき電回路の距離−インピーダンス特性のグラフ。
【図２２】従来の距離継電器（＃４４Ｆ）の動作特性のグラフ。
【図２３】従来の交流ΔＩ形継電器（＃５０Ｆ）の動作特性のグラフ。
【図２４】従来の交流ＡＴき電回路におけるき電系統と保護リレー要素（＃４４Ｆ、＃５０Ｆ）の配置を示す回路図。
【図２５】従来の交流ＡＴき電回路のき電保護装置の課題を説明するためのグラフであって、負荷電流と短絡故障電流との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１は、交流電気鉄道におけるＡＴき電回路の一般的な系統構成例を示しており、従来例で前述した図１９の構成と同様である。図２Ａ（ａ）、図２Ｂ（ａ）は、本発明による差電圧保護の原理を説明するために、図１で前述した系統構成の複数ＡＴ区間における任意区間の下り線を代表例として示したもので、保護区間の両端はそれぞれ、電気所Ａ、Ｂの単巻変圧器ＡＴに接続され、保護区間の電車線は三種に代表されるトロリ線、レール、き電線で示している。図２Ａ（ａ）は保護区間の不定位置ｄにおけるトロリ線とレールの短絡故障を示し、図２Ａ（ｂ）はその故障等価回路である。図２Ｂ（ａ）はトロリ線とき電線の短絡故障を示し、図２Ｂ（ｂ）もまたその故障等価回路である。保護区間全長の電車線路インピーダンスＺＬを基準値１ＰＵとして区間の不定位置ｄで発生する故障には故障点インピーダンスＺＦが介在し、故障電流Ｉが流れる。故障電流Ｉは、故障点ｄで保護区間の電車線路インピーダンスＺＬが二分されたインピーダンスＺＡ、ＺＢ分岐点で、それぞれ端の電気所Ａ、Ｂへ電流ＩＡ、ＩＢが分岐して流れる。
【００２７】
区間の両端電気所Ａ、Ｂには保護装置１Ａ、１Ｂを備え、それぞれ端のき電電圧ＶＡ、ＶＢを図示しない計器用変圧器を介して導入する。区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、任意周期毎にサンプリング同期して測定したき電電圧ＶＡ、ＶＢを相互に高速通信し、任意サンプリング回数分の同一時系列情報として記憶し、更新する。区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、記憶更新される区間両端き電電圧のサンプリング時系列情報をフィルタリング演算、及び、振幅値演算して両端電圧ＶＡ、ＶＢの差ｄＶの基本波成分量を求め、区間故障を検出する。また、図２Ａ（ａ）、図２Ｂ（ａ）は原理説明を簡略するため、レールとき電線の電車線インピーダンスをトロリ線インピーダンスＺＡ、ＺＢ、ＺＬに集約している。
【００２８】
図２Ａ（ａ）のトロリ線とレール短絡故障、図２Ａ（ｂ）の故障等価回路において、電源電圧をＶ、保護区間両端の単巻変圧器ＡＴの変圧比をＮ、電源から保護区間までの経路インピーダンスをＺＰ、保護区間全長の線路インピーダンスをＺＬ、ＡＴ漏れインピーダンスをＺＡＴ、故障点抵抗をＺｆ、ＡＴ漏れインピーダンスＺＡＴの線路インピーダンスＺＬに対する比率をｋＺＡＴ、電気所Ａから故障点までの線路インピーダンスＺＡの保護区間線路長ＺＬに対する線路長比率をｄ、故障点から電気所Ｂまでの線路インピーダンスＺＢの線路長比率を１−ｄ、電気所Ａ端の電車線から故障点に流れる電流をＩＡ、電気所Ｂ端の電車線から故障点に流れる電流をＩＢ、区間両端の電圧をＶＡ、ＶＢ、区間両端の差電圧をｄＶとすれば、これらには、数１〜数４の関係式が成り立つ。
【数１】
2011111128.tif 000003
【００２９】
但し、αは区間両端電気所Ａ、Ｂにおける上下線の結合関数、上下線開放では（α＝１）、結合では（α＝２）である。
【数２】
2011111128.tif 000004
【数３】
2011111128.tif 000005
【数４】
2011111128.tif 000006
【００３０】
ここで、単巻変圧器ＡＴの巻数比Ｎを２、長距離区間の線路インピーダンスＺＬに対する単巻変圧器ＡＴの漏れインピーダンスＺＡＴは小さいので無視（ＺＡＴ＝０）すれば、故障点比率ｄに応じた区間両端差電圧ｄＶは数５式の原理式、区間両端の上下線が開放の場合は数６式（α＝１）、区間両端の上下線が結合の場合は数６ａ式（α＝２）の値となる。
【数５】
2011111128.tif 000007
【数６】
2011111128.tif 000008
【数６ａ】
2011111128.tif 000009
【００３１】
図２Ｂ（ａ）、図２Ｂ（ｂ）のトロリ線とき電線の短絡故障においても同様に、数７〜数１０の関係式が成り立つ。
【００３２】
但し、βは区間両端電気所Ａ、Ｂにおける上下線の結合関数であり、上下線開放では（β＝∞）、結合では（β＝１）
【数７】
2011111128.tif 000010
【数８】
2011111128.tif 000011
【数９】
2011111128.tif 000012
【数１０】
2011111128.tif 000013
【００３３】
ここで、故障点比率ｄに応じて生じる区間両端の差電圧は、区間両端の上下線が開放の場合は数１１式（β＝∞）、区間両端の上下線が結合の場合は数１２式（β＝１）の値となる。
【数１１】
2011111128.tif 000014
【数１２】
2011111128.tif 000015
【００３４】
前述した、図２Ａ（ａ）のトロリ線とレール短絡故障の数４式と、図２Ｂ（ａ）のトロリ線とき電線短絡故障の数１０式とから分かるように、双方は何れも、保護区間全長の電車線インピーダンスＺＬを基準として故障点ｄと区間内に流れ込む故障電流Ｉを関数とする原理式である。
【００３５】
また、図２Ａ（ａ）のトロリ線とレール短絡故障電流は、電車線電圧Ｖ／Ｎ基準の電流であり（数４式）、図２Ｂ（ａ）のトロリ線とき電線短絡故障電流は、き電電圧Ｖ基準である（数１０式）。しかるに、トロリ線とレール短絡、トロリ線とき電線短絡、この両者の同一故障点ｄにおける区間両端差電圧ｄＶは、トロリ線とき電線短絡故障の方が０．２ＰＵ程度上回り、故障点が電源より遠のく程に増加する。
【００３６】
また、両端電気所Ａ、Ｂの上下線が結合する場合と開放する場合の差電圧量ｄＶの変化率は双方とも５０％である。
【００３７】
図３に本発明の第１の実施の形態のき電保護装置１による区間差電圧方式の演算方法を示す。き電保護装置１は、図２Ａ（ａ）、図２Ｂ（ａ）に記載する保護区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂである。両端保護装置１Ａ、１Ｂの構成は同様である。図２Ａ（ａ）、図２Ｂ（ａ）を用いて説明したように、両端保護装置１Ａ、１Ｂは、それぞれ端がサンプリング同期して測定する両端の電圧情報を相互に通信し、任意のサンプリング回数分の同一時系列情報ＶＡ、ＶＢとして記憶し、都度更新する。これらサンプリング同期測定、相互通信、サンプリング時系列情報の記憶更新に関する手段は既に公開され、実用化されたものを採用する。
【００３８】
差電圧時系列情報算出ステップにて、差電圧時系列情報算出部１１は、両端電圧情報の同一時点サンプリング値の差を任意サンプリング回数分の両端差電圧時系列情報ｄＶとして記憶し、都度更新する。
【００３９】
差電圧基本波成分演算ステップにて、差電圧基本波成分演算部１２は、両端差電圧時系列情報をフィルタリング演算して両端差電圧ＶＡ、ＶＢの基本波成分を任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶し、都度更新する。
【００４０】
差電圧量演算ステップにて、差電圧量演算部１３は、両端差電圧の基本波成分時系列情報を振幅値演算して区間両端の差電圧量｜ｄＶ｜を求める。
【００４１】
電圧ベース区間故障検出ステップにて、電圧ベース区間故障検出部１４は、振幅値演算して求めた区間両端の差電圧量｜ｄＶ｜と予め定める故障判定値ｋＶとを比較判定し、区間故障を検出する。｜ｄＶ｜≧ｋＶならば区間故障と判定し、そうでなければ区間故障なしと判定する。
【００４２】
このように、本実施の形態のき電保護装置及び方法では、保護区間の両端保護装置１Ａ、１Ｂは、電車線に接続された計器用変圧器ＶＴを介してそれぞれの端のき電電圧情報を任意周期毎にサンプリング同期して測定して相互に通信し、両端の測定情報を任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶し、サンプリング周期毎に更新する。そして、記憶更新される両端き電電圧の同時系列情報をサンプリング周期毎に合成して区間両端差電圧の時系列情報を生成し、差電圧時系列情報から算出する両端の差電圧基本波量を故障判定値と比較判定して区間故障を検出する。
【００４３】
これにより、本実施の形態のき電保護装置及び方法は、次のような効果を奏する。
【００４４】
１）負荷電流と故障電流とが接近する領域に対する故障検出の選択性が向上する。
【００４５】
図１６（ａ）は、複数編成数（１、２、…、ｎ）の電気車が保護区間の電車線を等間隔（ｄ＝１／ｎ）で、一定・同速度・同電流ＩＬで走行するとした概念図である。同図（ｂ）は、同一保護区間における不定位置の故障点ｄｆに流れる故障電流Ｉｆを示している。
【００４６】
図１６（ａ）、（ｂ）に示した定常負荷走行と故障の概念図において、従来の保護方式は、定常負荷走行における不要動作を回避するために、保護区間内に流れる最大負荷電流、つまり、電気車編成数ｎ×単位編成当りの負荷電流ＩＬを超える故障電流Ｉｆ（＞ｎ・ＩＬ）を検出し、あるいは、区間全長の電車線インピーダンスＺＬ以下の故障インピーダンスＺｆを検出する。つまり、最大負荷領域に接近する故障の検出は困難である。
【００４７】
一方、本実施の形態による差電圧保護方式では、図１６（ａ）、（ｂ）において、定常負荷走行で区間の両端に生じる最大差電圧ｄＶＬは数１３式の値である（ｄ＝１ＰＵ）。保護区間内の故障で区間の両端に生じる差電圧はｄＶｆは数１４式の値になる。ここで、電気車単位編成当りの負荷電流ＩＬに対する故障電流Ｉｆの倍率ｋｆ＝Ｉｆ／ＩＬと置けば、故障時の差電圧ｄＶｆが定常走行時の差電圧ｄＶＬを上回る故障点位置ｄｆは、数１５式で示すように電気車編成数ｎと負荷電流に対する故障電流比率Ｋｆとの関数式で示すことができる。仮に、電気車単位編成当りの負荷電流ＩＬに対する検出すべき故障電流Ｉｆの比率ｋｆを”４”、区間を走行する気車編成数ｎを”４”とすれば、従来方式では困難な保護領域の故障検出が可能になる。図示の場合、区間全長の５／８より遠方の領域故障を検出できる。
【数１３】
2011111128.tif 000016
【数１４】
2011111128.tif 000017
【数１５】
2011111128.tif 000018
【００４８】
２）  区間両端に備える従来の保護要素数を半減できる。
【００４９】
図１７Ａに示す従来方法と図１７Ｂに示す本実施の形態による差電圧方式の比較から明白なように、保護すべき区間の両端に備える従来の保護要素を区間差電圧保護に統括して簡素化（半減）できる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態では、基本原理の数４式、数１０式で明らかなように、区間両端に生じる差電圧ｄＶは、区間内に流れ込む電流の位置ｄと量Ｉに依存する一方で、図４に示すように、保護区間ＺＬ＝１ＰＵを通過して保護区間外に流れる電気車負荷電流σＩＸ＝ＩＸ１＋ＩＸ２＋ＩＸ３の影響を受ける。その影響は、電源に近い区間ほど、区間通過の負荷電流量σＩｘが増えるので増大する。しかるに、区間両端の差電圧ｄＶは、図２Ａ（ａ）で説明した区間内に流れ込む電流Ｉとその位置ｄで生じる差電圧ｄＶの基本原理式（数４式）に保護区間外へ通過する電気車電流σＩｘによる差電圧が重畳する。ここで、単巻変圧器ＡＴの巻数比Ｎを２、漏れインピーダンスを無視（ＺＡＴ＝０）すれば、区間内を走行する電気車の電流Ｉと位置の比率ｄ、区間外通過電流σＩＸに応じて生じる区間両端の差電圧ｄＶは、数１６式の値となる。
【数１６】
2011111128.tif 000019
【００５１】
但し、α：上下線の結合関数で、開放（α＝１）、結合（α＝２）、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２２）である。
【００５２】
図５は本発明の第２の実施の形態のき電保護装置１による区間差電圧方式の演算機能の構成を示す。図３と同一の符号の要素、すなわち、差電圧時系列情報算出部１１、差電圧基本波成分演算部１２、電圧ベース区間故障検出部１４は、第１の実施の形態と同一であり、各ステップにて同様の処理をするので、その説明は省略する。
【００５３】
図３における差電圧量演算部１３による差電圧量演算ステップにて両端差電圧の基本波成分時系列情報を振幅値演算して区間両端の差電圧量｜ｄＶ｜を求めるのに対し、本実施の形態では、差電圧量演算ステップにて、差電圧量演算部１３ａが差電圧基本波成分演算部１２による差電圧基本波成分演算ステップにて出力する両端差電圧の基本波成分時系列情報を振幅値演算して任意サイクル分過去ｔ−ｎと、現在ｔ−０の区間両端差電圧｜ｄＶ｜ｔ−ｎ、｜ｄＶ｜ｔ−０の変化量ΔｄＶを数１７式のように求める。
【数１７】
2011111128.tif 000020
【００５４】
ここで、区間を走行する電気車最大電流の増加時定数ｄＩ／ｄｔ＝ｄｔｉを１ｓｅｃ、電源周波数ｆを６０Ｈｚ、変化量検出のブラインド時間ｗを５サイクルとすれば、図６のように、電気車最大負荷電流は５％程度の変化量に抑制される。また、保護区間を走行する電気車の一定時走行速度をＳｋｍ／ｈ、加速時定数ｄｔｖとすれば、任意時間ｔにおける区間両端電圧ｄＶｔは、数１８式の値となる。
【数１８】
2011111128.tif 000021
【００５５】
ここで、定常の負荷走行状態で生じる区間両端の差電圧変化量ΔｄＶが最大となる一例として、区間内任意位置の電気車編成数を１、区間外任意位置の電気車編成数をｎ、全電気車が一斉に最大電流Ｉに加速中として保護区間長距離をＬｋｍ、その線路インピーダンスをＺＬとすれば、数１９式の値となる。一般的に保護区間長距離は１０ｋｍ以上であるから、電気車の走行速度による位置移動分変化量は微小で無視できるので区間両端差電圧ｄＶが１０％以下に低減されることは確実となる。
【数１９】
2011111128.tif 000022
【００５６】
但し、α：上下線の結合関数で、開放（α＝１）、結合（α＝２）、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２２）である。
【００５７】
このように、本実施の形態のき電保護装置及び方法は、両端の保護装置１Ａ、１Ｂが、第１の実施の形態で求める差電圧の過去時点に対する現在時点の増加量を判定して区間故障を検出する。
【００５８】
これにより、本実施の形態のき電保護装置及び方法によれば次のような効果を奏する。
【００５９】
１）保護区間の差電圧検出感度を著しく改善できる。
【００６０】
本実施の形態のき電保護装置及び方法では、当該区間の差電圧量を過去と現在との変化量に縮小して検出する。そのため、当該保護区間を通過して遠方の他区間に流れる電気車の電流、当該保護区間を走行する電気車の電流と走行位置、これら電気車走行変化の時定数に対する変化検出時間ウィンドウ幅の比率により差電圧変化量は数１９式の値に縮小できる。つまり、定常負荷走行で生じる区間両端の差電圧を１０％以下の変化量に抑制するので、定常負荷走行で区間両端に生じる最大差電圧の１０％以上を差電圧保護の検出量として整定できる。また、保護区間内の故障時には、故障電流量Ｉｆと電流位置ｄｆが急峻に変化するので変化検出時間のウィンドウ幅比率による変化量の抑制を無視できる。したがって、故障時の差電圧変化量としては、故障前後の差電圧量の差、即ち、数２０式の変化量ΔｄＶｆが検出される。
【数２０】
2011111128.tif 000023
【００６１】
但し、α：上下線の結合関数で、開放（α＝１）、結合（α＝２）、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２２）、ｄｆ：故障電流位置、Ｉｆ：故障電流量、ｄ：故障前の電気車の区間走行位置、σＩｘ：故障前の区間通過電流量である。
【００６２】
定常の負荷電流と故障電流とが接近すると、従来方式では故障検出が困難になっていたが、本実施の形態が検出する差電圧変化量を、数２０式を用い区間外走行の電気車電流σＩＸ＝３ＰＵと区間内電気車電流Ｉ＝１ＰＵとの和、即ち、故障前電流と区間内の故障電流Ｉｆ＝４ＰＵとが同等である場合の計算結果を図１８に示す。但し、計算では、ｋα＝０．４、α＝１、ＺＬ＝１ＰＵとしている。
【００６３】
図１８において、本実施の形態による差電圧変化量グラフのｄＶｍａｘは定常時に想定される区間両端差電圧量ｄＶの最大値である。本実施の形態では、この最大値ｄＶｍａｘの±１０％の変化量を検出するとして、故障時の差電圧量ｄＶｆが定常時に区間内を走行する電気車の任意位置ｄに応じた差電圧量ｄＶの±ｄＶｍａｘを超えた領域が故障検出領域である。即ち、定常時の区間内を走行する電気車の位置ｄが０．７ＰＵ以上の領域では全域（ｄｆ＝０〜１）に生じる故障を、定常時の区間内を走行する電気車の位置ｄが０．７ＰＵ以下の領域では故障位置ｄｆ＝０〜０．８に生じる故障の検出が可能である。
【００６４】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法について説明する。図７は、本実施の形態による区間差電圧方式の構成を示すもので、区間の両端電気所Ａ、Ｂには、保護装置１Ａ、１Ｂを備え、計器用変圧器ＶＴＡ、ＶＴＢと変流器ＣＴｔＡ、ＣＴｔＢ、ＣＴｆＡ、ＣＴｆＢを介して区間両端それぞれのき電電圧ＶＡ、ＶＢとトロリ線電流ＩｔＡ、ＩｔＢ、き電線電流ＩｆＡ、ＩｆＢを導入する。区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、任意周期毎にサンプリング同期して測定するき電電圧ＶＡ、ＶＢとトロリ線電流ＩｔＡ、ＩｔＢ、き電線電流ＩｆＡ、ＩｆＢを相互に高速通信し、任意サンプリング回数分の同一時系列情報として記憶し、更新する。区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、記憶更新する区間両端のサンプリング時系列情報をフィルタリング演算、及び、振幅値演算して区間の両端電圧ＶＡ、ＶＢの差ｄＶと図７の保護区間に流入する電流ＩｔＡ、ＩｔＢ、ＩｆＡ、ＩｆＢの差ｄＩの基本波成分量を求める。尚、求める区間両端差電圧ｄＶは、第１の実施の形態と同様に求め、区間流入電流ｄＩは数２１式のように求める。
【数２１】
2011111128.tif 000024
【００６５】
図８を用いて、本実施の形態のき電保護装置１による区間差電圧方式の演算方法を示す。図３と同一の符号の要素、すなわち、差電圧時系列情報算出部１１、差電圧基本波成分演算部１２、差電圧量演算部１３、電圧ベース区間故障検出部１４それぞれによる差電圧時系列情報算出ステップ、差電圧基本波成分演算ステップ、差電圧量演算ステップ、電圧ベース区間故障検出ステップは第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００６６】
差電流自警情報算出ステップにて、差電流時系列情報算出部１５は、両端電流情報の同一時点サンプリング値の差（数２１式）を任意サンプリング回数分の両端差電流時系列情報として記憶し、都度更新する。
【００６７】
基本波成分量算出ステップにて、基本波成分量算出部１６は、両端差電流の時系列情報をフィルタリング演算して両端差電流の基本波成分量を任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶し、都度更新する。
【００６８】
差電流量演算ステップにて、差電流量演算部１７は、両端差電流の基本波成分時系列情報を振幅値演算して区間両端の差電流量｜ｄＩ｜を求める。
【００６９】
電流ベース区間故障検出ステップにて、電流ベース区間故障検出部１８は、振幅値演算して求めた区間両端の差電流量｜ｄＩ｜と予め定める故障判定値ｋＩとを比較し区間故障を判定（｜ｄＩ｜≧ｋＩ）する。
【００７０】
最終区間故障判定ステップにて、最終区間故障判定部１９は、電圧ベース区間故障検出ステップにおける差電圧値｜ｄＶ｜の電圧ベース区間故障検出部１４の判定結果と、電流ベース区間故障検出ステップにおける差電流値｜ｄＩ｜の電流ベース区間故障検出部１８の判定結果とを論理積処理し、双方ともに故障判定のとき保護装置の動作を出力する。
【００７１】
このように、第３の実施の形態のき電保護装置及び方法では、第１の実施の形態に対して、さらに、電車線に接続された計器用変流器ＣＴｔＡ、ＣＴｔＢ、ＣＴｆＡ、ＣＴｆＢを介してそれぞれ端を通過する電流情報を任意サンプリング周期毎に測定し、任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶更新し、記憶更新される両端の同一時系列電流情報から区間両端の差電流量を算出し、第１の実施の形態と同様の差電圧量に基づく区間故障判定と同次に、差電流量に基づく区間故障判定とを平行して行い、双方の判定結果に基づいて最終的な区間故障判定を行う。
【００７２】
これにより、本実施の形態によれば、次のような効果を奏する。
【００７３】
１）保護区間外への通過電流で生じる差電圧による不要動作を抑止する。
【００７４】
前述した数２１で求める差電流｜ｄＩ｜は、区間両端電流のベクトル合成量である。本発明は、区間両端の差電圧量｜ｄＶ｜と区間両端電流のベクトル合成量｜ｄＩ｜の双方を判定して故障検出する。つまり、健全区間を通過する故障電流の重畳で両端に差電圧が生じても、故障電流は健全区間を通過して区間両端電流のベクトル合成量（流入量）として検出されないので、不要動作は抑止できる。
【００７５】
２）計器用変圧器二次電圧の導入不良で生じる差電圧による不要動作を抑止する。
【００７６】
保護区間両端電圧は計器用変圧器を介して導入される。一端側電圧の導入が不良（断線）になると、区間両端に顕著な差電圧が生じて動作するが、区間両端電流のベクトル合成量（流入量）の検出量を、区間内に定常時流入する電気車電流量よりも大きくすれば、故障検出を抑止できる。
【００７７】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法について説明する。本実施の形態のき電保護装置１の構成は、上記第３の実施の形態と共通する。そして、本実施の形態によれば、区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、任意周期毎にサンプリング同期して測定したき電電圧ＶＡ、ＶＢとトロリ線電流ＩｔＡ、ＩｔＢ、き電線電流ＩｆＡ、ＩｆＢを相互に高速通信し、任意サンプリング回数分の同一時系列情報として記憶し、更新する。区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、記憶更新する区間両端のサンプリング時系列情報をフィルタリング演算、及び、振幅値演算して両端電圧ＶＡ、ＶＢと、保護区間外に通過する電流Ｉｔｈを数２２式で求め、数２３式による区間差電圧抑制量ｄＶＸを判定して区間故障を検出する。尚、各数式では、単巻変圧器ＡＴの巻数比Ｎを２、漏れインピーダンスを無視（ＺＡＴ＝０）している。
【数２２】
2011111128.tif 000025
【数２３】
2011111128.tif 000026
【００７８】
但し、Ｉ：保護区間に流入する電流（故障電流）、ｄ：保護区間流入電流位置の区間長距離比（保護区間の線路長に対する故障点の線路長比率）、ＺＬ：保護区間の電車線路インピーダンス、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２）である。
【００７９】
図９を用いて、本実施の形態のき電保護装置１による区間差電圧方式の演算機能の構成及びき電保護方法を説明する。図３に示した第１の実施の形態における演算要素、また図８に示した第３の実施の形態における演算要素と共通するものには同一の符号を用い、その説明は省略する。すなわち、差電圧時系列情報算出部１１、差電圧基本波成分演算部１２、差電圧量演算部１３は第１の実施の形態と同一であり、それらによる差電圧時系列情報算出ステップ、差電圧基本波成分演算ステップ、差電圧量演算ステップの処理も第１の実施の形態と同一である。また、差電流時系列情報算出部１５、基本波成分量算出部１６、差電流量演算部１７は第３の実施の形態と同一であり、それらによる差電流時系列情報算出ステップ、基本波成分量算出ステップ、差電流量演算ステップの処理も第３の実施の形態と同一である。
【００８０】
本実施の形態では、各端電流算出ステップにて、各端電流算出部１５ａは、区間両端の電流サンプリング情報ＩｔＡ、ＩｆＡ、ＩｔＢ、ＩｆＢを各端電流時系列情報として記憶し、都度更新する。
【００８１】
各端電流基本波成分量算出ステップにて、各端電流基本波成分量算出部１６ａは、各端電流時系列情報をフィルタリング演算して各端差電流の基本波成分量を任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶し、都度更新する。
【００８２】
各端電流振幅値演算ステップにて、各端電流振幅値演算部１７ａは、各端電流の基本波成分時系列情報を振幅値演算して各端の電流量｜ＩｔＡ｜、｜ＩｆＡ｜、｜ＩｔＢ｜、｜ＩｆＢ｜を求める。
【００８３】
区間通過電流演算ステップにて、区間通過電流演算部２０は、差電流量演算部１７による差電流量演算ステップにて数２１式のように求めた区間両端の差電流量｜ｄＩ｜と各端電流振幅値演算部１７ａによる各端電流振幅値演算ステップにて求めた各端電流量｜ＩｔＡ｜、｜ＩｆＡ｜、｜ＩｔＢ｜、｜ＩｆＢ｜を用い、数２２式のように保護区間通過電流Ｉｔｈを算出する。
【００８４】
通過電流補正演算ステップにて、通過電流補正演算部２１は、数２３式のように、差電圧量演算部１３で求めた区間両端の差電圧量｜ｄＶ｜から、区間通過電流演算部２０で求めた保護区間通過電流Ｉｔｈと予め定める定数ＺＬとの積量を減算し、保護区間通過電流による区間差電圧抑制量ｄＶＸを算出する。
【００８５】
区間故障判定ステップにて、区間故障判定部２２は、保護区間通過電流で抑制した差電圧ｄＶＸと予め定める故障判定値ｋＶとを比較して、｜ｄＶＸ｜≧ｋＶであるか否かにより区間故障を判定する。
【００８６】
このように、本実施の形態のき電保護装置及び方法は、第３の実施の形態両端の保護装置及び方法のように保護区間の両端電流の同一時系列情報から求める区間両端それぞれの電流のスカラ和量と区間両端の差電流量とから区間両端を通過して区間外に流れる区間通過電流を算出し、区間通過電流量に予め定める線路定数を乗じ、さらに区間両端の差電圧量から減算した値を予め定める故障判定値ｋＶとを比較して、区間故障を判定する。
【００８７】
これにより、本実施の形態によれば、次のような効果を奏する。
【００８８】
１）保護区間の差電圧検出感度を著しく改善できる。
【００８９】
上述のように、本実施の形態では、区間両端の電車線電流から区間通過電流Ｉｔｈを算出し、区間両端の差電圧｜ｄＶ｜から保護区間通過電流成分Ｉｔｈの差電圧重畳量｜Ｉｔｈ｜・ＺＬを差し引いて除去し、区間内流入電流成分の差電圧量｜ｄＶＸ｜を検出する。任意の保護区間内を走行する電気車の編成数は、電車線全域を走行する電気車の総編成数よりも少ない。しかるに、上のようにすることで、保護区間の全域を走行する電気車の総負荷電流で生じる差電圧量よりも低い値の区間流入成分で生じる差電圧量を検出することができ、その結果、差電圧検出感度は著しく改善できる。
【００９０】
［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法について説明する。本実施の形態のき電保護装置１の構成は図２Ａ、図２Ｂに示した第１の実施の形態と同様である。
【００９１】
第１の実施の形態では、保護区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、それぞれ端のき電電圧を導入し、保護区間両端の差電圧｜ｄＶ｜を求め、比較定数ｋＶとの比較判定により区間故障を検出する。
【００９２】
一方、図１０に示すように、電源を区分する切替セクションに電気車が進入する場合は、セクションの電源切替により電気車に積載されている変圧器の再加圧による励磁突入電流が流れる。この励磁突入電流の値は、電源の再加圧時の電圧位相により不定であるが、その最大は故障電流に匹敵し、急峻に変化する。しかるに、前述した第１の実施の形態により数７式、数１２式で算出される保護区間両端の差電圧量は、検出すべき故障電流に匹敵する値の再加圧時の励磁突入電流が保護区間全域ｄ＝１ＰＵを通過するので故障で生じる差電圧量との判別が困難になる。
【００９３】
図１０を用いて、切替セクションに電気車が進入する場合に保護区間に流れる電気車積載変圧器の再加圧時の励磁突入電流を説明する。図１０は、図１の交流ＡＴき電回路の基本構成に示す変電所ＳＳからき電区分所ＳＰに至る区間の上り線で、保護区間２（補助き電区分所ＳＳＰ〜き電区分所ＳＰの区間の切替セクションに進入した電気車を保護区間側変電所ＳＳの電源で再加圧している。その再加圧時の無負荷突入電流ＩＬｉｎはＳＳの電源〜保護区間１〜保護区間２〜セクション再加圧電気車へと流れ、保護区間全域の線路インピーダンスＺＬを通過するので各保護区間１、２の両端に生じる差電圧ｄＶ１、ｄＶ２は、数２４式、数２４ａ式の値となる。尚、各数式では、単巻変圧器ＡＴの巻数比Ｎを２、漏れインピーダンスを無視（ＺＡＴ＝０）している。
【数２４】
2011111128.tif 000027
【数２４ａ】
2011111128.tif 000028
【００９４】
但し、ｄＶ１：区間１両端差電圧、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２２）、ｄＶ２：区間２両端差電圧、α：上下線結合状態の関数で、開放（α＝１）、結合（α＝２）である。
【００９５】
しかるに、故障電流域の再加圧突入電流ＩＬｉｎが区間全域ｄ＝１を通過すれば、故障との判別は困難である。
【００９６】
図１１は、切替セクションの電源切替における電気車再加圧時に生じた区間両端差電圧の測定波形例である。波形から明らかなように、再加圧突入電流ＩＬｉｎには、第二高調波成分量が多く含まれるので、電流で生じる区間両端差電圧量ｄＶの第二高調波成分の含有率を判定すれば、電気車再加圧と故障との判別は可能である。
【００９７】
図１２は本実施の形態のき電保護装置１による区間差電圧方式の演算機能の構成を示している。図１２において、図３に示した第１の実施の形態における演算要素と共通するものには同一の符号を用い、その説明は省略する。すなわち、差電圧時系列情報算出部１１、差電圧基本波成分演算部１２、差電圧量演算部１３、電圧ベース区間故障検出部１４は第１の実施の形態と同一であり、それらによる差電圧時系列情報算出ステップ、差電圧基本波成分演算ステップ、差電圧量演算ステップ、電圧ベース区間故障検出ステップそれぞれの処理も同一である。
【００９８】
本実施の形態では、さらに、第二高調波成分算出ステップにて、第二高調波成分算出部２３は、両端差電圧の時系列情報をフィルタリング演算して両端差電圧ＶＡ、ＶＢの第二高調波成分を任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶し、都度更新する。
【００９９】
第二高調波差電圧演算ステップにて、第二高調波差電圧演算部２４は、両端差電圧の第二高調波成分の時系列情報を振幅値演算して区間両端の第二高調波差電圧量｜ｄＶ２ｆ｜を求める。
【０１００】
第二高調波含有率判定ステップにて、第二高調波含有率判定部２５は、差電圧量演算部１３で求めた区間両端の基本波差電圧量｜ｄＶ１ｆ｜と第二高調波差電圧演算部２４で求めた第二高調波差電圧量｜ｄＶ２ｆ｜を用い、第二高調波成分の含有率｜ｄＶ２ｆ｜／｜ｄＶ１ｆ｜を算出し、算出した含有率と予め定める含有率判定量ｋ２ｆとを比較し、電気車再加圧突入電流による差電圧か否かを判定する。
【０１０１】
最終区間故障判定ステップにて、最終区間故障判定部２６は、電圧ベース区間故障検出部１４による電圧ベース区間故障検出ステップでの基本波差電圧量｜ｄＶ｜による故障判定と、第二高調波含有率判定部２５による第二高調波含有率判定ステップでの第二高調波の含有率判定を用い、両判定の論理積により基本波差電圧判定が電気車再加圧突入電流によるものでなく、区間故障によるものであると判定し、そうでなければ区間故障はなしと判定する。
【０１０２】
このように、本実施の形態のき電保護装置及び方法は、第１の実施の形態による保護区間両端の差電圧量に基づく区間故障の判定に対して、両端き電電圧の差電圧時系列情報から差電圧に含有する第二高調波成分量を算出し、第二高調波の含有率が予め定める判定定数を超えたなら差電圧量に基づく区間故障判定の出力を抑止する。
【０１０３】
これにより、本実施の形態によれば、次のような効果を奏する。
【０１０４】
１）保護区間の差電圧検出感度を著しく改善できる。
【０１０５】
セクション電源切替により電気車が再加圧されると故障電流に匹敵する突入電流が当該セクション区間に流入し、他区間の電車線を通過する。したがって、区間両端には故障検出量に匹敵し、あるいは、超過する量の差電圧（前記の数７式、数１６式、数２３式）が生じるが、差電圧に含有する第二高調波成分の含有率を判定し、差電圧量に基づく区間故障の判定を抑止することにより、電気車再加圧電流による不要動作を抑制することができる。つまり、電気車再加圧電流で生じる差電圧量より低い値、若しくは無視して故障による差電圧量を検出することができ、その結果、保護区間の差電圧検出感度は著しく改善できる。
【０１０６】
［第６の実施の形態］
本発明の第６の実施の形態の交流ＡＴき電回路のき電保護装置及び方法について説明する。本実施の形態のき電保護装置１の構成は図７に示した第３の実施の形態と同様である。
【０１０７】
第３の実施の形態では、区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂが任意周期毎にサンプリング同期して測定するき電電圧ＶＡ、ＶＢとトロリ線電流ＩｔＡ、ＩｔＢ、き電線電流ＩｆＡ、ＩｆＢを相互に高速通信し、任意サンプリング回数分の同一時系列情報として記憶し、更新する。区間両端の保護装置１Ａ、１Ｂは、記憶更新する区間両端のサンプリング時系列情報をフィルタリング演算、及び、振幅値演算して求める区間両端の差電圧｜ｄＶ｜と差電流｜ｄＩ｜とから故障を検出するようにしている。しかしながら、定常時に区間両端に生じる差電圧量｜ｄＶ｜は区間外に通過する電流の影響を受ける。その一例として、図１３Ａの故障前電流分布に示すように、電源Ｖより遠端側の電気車負荷電流σＩＸ（＝ＩＸ１＋ＩＸ２＋ＩＸ３）は保護区間ＺＬ＝１ＰＵを通過して区間外に流れ、保護区間の両端に生じる差電圧ｄＶは数２５式（第２の実施の形態で使用した数１６式と同様）の値となる。
【０１０８】
一方、区間内に故障が生じる場合、図１３Ｂに示すように、故障電流Ｉｆが保護区間の故障点位置ｄｆ流れ、電気車負荷電流は、故障による電圧低下で高速度に制御を停止して零になるとすれば、故障時の区間両端電圧ＶＡ、ＶＢの差電圧量｜ｄＶｆ｜は数２６式の値となる。
【０１０９】
故障前後の区間両端差電圧ｄＶとｄＶｆの比較において、故障時の差電圧量｜ｄＶｆ｜が定常時の差電圧量｜ｄＶ｜を上回るための関係式は数２７式で示される。尚、各数式では、単巻変圧器ＡＴの巻数比をＮ、漏れインピーダンスを無視（ＺＡＴ＝０）している
【数２５】
2011111128.tif 000029
【数２６】
2011111128.tif 000030
【数２７】
2011111128.tif 000031
【０１１０】
但し、α：上下線の結合関数で、開放（α＝１）、結合（α＝２）、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２２）である。
【０１１１】
定常時の差電圧量ｄＶＬを故障時の差電圧量ｄＶｆが上回る検出量限界点を示す関係式である数２７式において、故障検出は故障点位置ｄｆと区間通過電流σＩＸに大きく左右される。故障前後の区間内電流Ｉ、Ｉｆの位置ｄ、ｄｆは０〜１ＰＵの範囲に限定される。したがって、故障電流Ｉｆが如何に大きい値でも、故障点位置ｄｆが減少するにつれて右辺が増加して無限大に近づき、故障検出困難な領域が存在する。また、定常時の区間外通過電流と故障電流が接近するにつれ、あるいは故障点が中間位置よりも電源側端に接近するにつれて故障判定は困難になる。つまり、数２７式から汲み取る故障検出の概念的な条件は、区間外へ通過する電流σＩＸの２倍以上の故障電流が保護区間の中間より終端側位置に流れることである。
【０１１２】
本実施の形態のき電保護装置１による区間差電圧方式は、定常時の区間外通過電流σＩＸの影響を排除するものである。図１４は本実施の形態による区間差電圧方式の演算機能の構成及びき電保護方法を示す。この図１４において、図８に示した第３の実施の形態と共通する要素には同一の符号を用いている。つまり、差電流時系列情報算出部１５、基本波成分量算出部１６、差電流量演算部１７、電流ベース区間故障検出部１８は第３の実施の形態と同一であり、それらによる差電流時系列情報算出ステップ、基本波成分量算出ステップ、差電流量演算ステップ、電流ベース区間故障検出ステップの処理も同一であるので、その説明は省略する。
【０１１３】
本実施の形態のき電保護装置１において、各端電圧算出ステップにて、各端電圧算出部２７は、区間両端のそれぞれ端電圧ＶＡ、ＶＢを同一サンプリング時系列情報として記憶し、都度更新する。
【０１１４】
各端基本波成分量算出ステップにて、各端基本波成分量算出部２８は、それぞれ端電圧の時系列情報をフィルタリング演算して基本波成分量を任意サンプリング回数分の時系列情報として記憶し、都度更新する。
【０１１５】
各端電圧変化量算出ステップにて、各端電圧変化量算出部２９は、各端電圧の基本波成分時系列情報を振幅値演算して各端それぞれの電圧量ＶＡ、ＶＢの任意サイクル分過去ｔ−ｎと現在ｔ０との変化量ΔＶＡ、ΔＶＢを求める。この各端それぞれの変化量ΔＶＡ、ΔＶＢは、故障の前後を示す図１３Ａと図１３Ｂの概念図と図１３Ｃに示す等価回路から、数２８式、数２９式のように求める。
【数２８】
2011111128.tif 000032
【数２９】
2011111128.tif 000033
【０１１６】
但し、Ｖ：電源電圧、Ｚｐ：電源〜保護区間までの線路インピーダンス、Ｎ：単巻き変圧器ＡＴの巻き数比、Ｉｆ：故障電流、Ｉ：故障前の区間走行電気車電流、σＩｘ：故障前の区間外通過電流、ｄＶｔｏ：故障時の区間両端差電圧、ｄＶｔ−ｎ：故障前の区間両端差電圧、ｋα：上下線結合状態に応じた基本原理式の差電圧量係数で、開放（ｋα＝０．４）、結合（ｋα＝０．２２）、α：上下線の結合関数、開放（α＝１）、結合（α＝２）である。
【０１１７】
変化量ベース区間故障検出ステップにて、変化量ベース区間故障検出部３０は、各端変化量ΔＶＡ、ΔＶＢのスカラ和ΣΔＶ（＝｜ΔＶＡ｜＋｜ΔＶＢ｜を数３０式で求め、予め定める故障判定値ｋσＶと比較し区間故障を判定する。
【数３０】
2011111128.tif 000034
【０１１８】
最終区間故障検出ステップにて、最終区間故障検出部３１は、電流ベース区間故障検出部１８による電流ベース区間故障検出ステップでの差電流量｜ｄＩ｜による故障判定と、変化量ベース区間故障検出部３０による変化量ベース区間故障検出ステップでのスカラ和｜ΣΔＶ｜による故障判定との両判定の論理積により最終的な区間故障の判定結果を出力する。
【０１１９】
数３０式で求める区間両端の電圧変化量スカラ和に生じる変化量ΣΔＶを、概念的な一例として、上下線の結合関数αを１、上下線結合状態に応じた差電圧量係数ｋαを０．４、区間長の線路インピーダンスをＺＬ、故障電流をＩｆ、故障前の区間内流入電流をＩ、故障前の区間通過電流をσＩＸと置き、故障前後の電流を同一とすれば、故障前の区間内電流Ｉの位置ｄと故障電流Ｉｆの故障点ｄｆに応じた電圧変化量は数３１式の値となる。その計算結果を図１５に示す。
【数３１】
2011111128.tif 000035
【０１２０】
図１５において、直線右肩上がりの両端差電圧ｄＶは故障前電流の位置ｄに応じた値である。直線右肩上がりの両端差電圧ｄＶｆは故障後電流の位置ｄｆに応じた値である。これら両者ｄＶ、ｄＶｆの比較から明白なように、故障時の最大差電圧ｄＶｆ＝１．６ＰＵ（ｄｆ＝１の値）は、故障前の最大差電圧ｄＶ＝１．９ＰＵ（ｄ＝１の値）を下回る。つまり、保護区間全域の故障点において故障は検出できない。一方、本実施の形態による各端変化量ΔＶＡ、ΔＶＢ｜のスカラ和量ΣΔＶ（＝｜ΔＶＡ｜＋｜ΔＶＢ｜）は、図１５のΔ０．１ｄ、Δ０．５ｄ、Δ１．０ｄ、ΔｄＶのＶ折れ線と水平線で示される。水平線ΔｄＶは、故障前の各端電圧変化スカラ和量｜ΔＶＡｔ０−ΔＶＡｔ−ｎ｜＋｜ΔＶＢｔ０−ΔＶＢｔ−ｎ｜であり、前述したようにその値は電気車の電流増加時定数と変化量検出ブラインド時間の比率で圧縮されて故障前の最大差電圧ｄＶ＝１．９・ＰＵの１０％程度に低減される。Ｖ折れ線Δ０．１ｄ、Δ０．５ｄ、Δ１．０ｄは、故障前の電流Ｉの位置ｄが、０．１ＰＵ、０．５ＰＵ、１．０ＰＵ、の各端電圧変化量に対する故障位置ｄｆに応じて生じる各端電圧変化スカラ和量｜ΔＶＡｆｔ０−ΔＶＡｔ−ｎ｜＋｜ΔＶＢｆｔ０−ΔＶＢｔ−ｎ｜である。
【０１２１】
図１５から明白なように、保護区間全域に対して０．２ＰＵ幅程度の故障前の各端電圧変化スカラ和量を下回る保護不能領域が生じるものの、保護区間領域は格段に拡大する。また、図１５の計算例条件の故障電流量４ＰＵが０．８ＰＵ程度増加すれば全域において故障検出は可能になる。
【０１２２】
このように、本発明の第６の実施の形態のき電保護装置及び方法は、第３の実施の形態による保護区間の両端の差電流量判定と両端の電圧変化量スカラ和量判定の双方から区間故障を検出する。
【０１２３】
これにより、本実施の形態によれば、次のような効果を奏する。
【０１２４】
１）保護区間の差電圧検出感度を著しく改善できる。
【０１２５】
本実施の形態によれば、保護区間の両端において、現在と任意ブラインド時間幅だけ過去との電圧差をそれぞれ端の電圧変化量として検出し（数２８式、数２９式）、両端変化量のスカラ和量から故障を検出する（数３０式）。つまり、定常の電気車走行において生じる両端電圧変化量は電気車の電流増加時定数と変化量検出の任意ブラインド時間で大きく抑制し、一方で、急峻に電流量と位置が変化する故障では殆んど抑制することなく両端電圧の増減変化スカラ和量を検出できる。これにより、保護区間外まで通過する電気車電流で生じる差電圧量よりも著しく低い値で故障による差電圧を検出できる。その結果、保護区間の差電圧検出感度は著しく改善できる。
【０１２６】
２）計器用変圧器二次電圧の導入不良で生じる差電圧による不要動作を抑止できる。
【０１２７】
保護区間の両端電圧は計器用変圧器を介して導入される。一端側電圧の導入が不良（断線）になると区間両端に顕著な差電圧が生じるが、定常状態の保護区間の両端電流のベクトル合成量（流入量）は、故障検出量に達することは無く不要動作を抑止できる。
【０１２８】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、第１〜第６の実施の形態の構成を任意に組み合わせたき電保護装置、またそれによるき電保護方法を構成できる。
【符号の説明】
【０１２９】
１  き電保護装置
１１  差電圧時系列情報算出部
１２  差電圧基本波成分演算部
１３  差電圧量演算部
１３ａ  差電圧量演算部
１４  電圧ベース区間故障検出部
１５  差電流時系列情報算出部
１５ａ  各端電流算出部
１６  基本波成分量算出部
１６ａ  各端電流基本波成分量算出部
１７  差電流量演算部
１８  電流ベース区間故障検出部
１９  最終区間故障判定部
２０  区間通過電流演算部
２１  通過電流補正演算部
２２  区間故障判定部
２３  第二高調波成分算出部
２４  第二高調波差電圧演算部
２５  第二高調波含有率判定部
２６  最終区間故障判定部
２７  各端電圧算出部
２８  各端基本波成分量算出部
２９  各端電圧変化量算出部
３０  変化量ベース区間故障検出部
３１  最終区間故障検出部
ＡＴ  単巻変圧器
ＣＴ  計器用変流器
ＳＳ  変電所
ＳＰ  き電区分所
ＳＳＰ  補助き電区分所
【図１】
2011111128.tif 000036
【図２Ａ】
2011111128.tif 000037
【図２Ｂ】
2011111128.tif 000038
【図３】
2011111128.tif 000039
【図４】
2011111128.tif 000040
【図５】
2011111128.tif 000041
【図６】
2011111128.tif 000042
【図７】
2011111128.tif 000043
【図８】
2011111128.tif 000044
【図９】
2011111128.tif 000045
【図１０】
2011111128.tif 000046
【図１１】
2011111128.tif 000047
【図１２】
2011111128.tif 000048
【図１３Ａ】
2011111128.tif 000049
【図１３Ｂ】
2011111128.tif 000050
【図１３Ｃ】
2011111128.tif 000051
【図１４】
2011111128.tif 000052
【図１５】
2011111128.tif 000053
【図１６】
2011111128.tif 000054
【図１７Ａ】
2011111128.tif 000055
【図１７Ｂ】
2011111128.tif 000056
【図１８】
2011111128.tif 000057
【図１９】
2011111128.tif 000058
【図２０】
2011111128.tif 000059
【図２１】
2011111128.tif 000060
【図２２】
2011111128.tif 000061
【図２３】
2011111128.tif 000062
【図２４】
2011111128.tif 000063
【図２５】
2011111128.tif 000064