(57)【要約】【課題】  車体電位変動および車両間電圧変動を抑制する電気鉄道車両を提供することを目的とする。【解決手段】  列車を構成する複数の車両と、接地電線を通して前記車両とレールを電気的に接続する台車と、車両間において少なくとも一方の車両に配置される車間抵抗器と、前記車両間を機械的に連結する連結器とを備える電気鉄道車両であって、前記連結器は一方の車体と電気的に接続され、かつ、他方の車体とは前記車間抵抗器を介して電気的に接続されることを特徴とする電気鉄道車両。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の車両と、パンタグラフにより架線から高圧電力を受電し、前記複数車両の少なくとも１つの車両に対して電力を供給するため前記複数車両に渡って設置される高圧母線と、前記複数の車両間に信号伝送及び駆動電力のいずれか一方を供給する低圧母線とを有する電気鉄道車両であって、
前記複数の車両を連結する金属導体で構成された連結器と、
前記連結器の一方と連結される第１の車体と前記連結器とを電気的に接続する第１の接続手段と、
前記連結器の他方と連結される第２の車体と前記連結器を電気的に接続する第２の接続手段とを有し、前記第２の接続手段は、車両間抵抗器を含み、前記連結器と前記第２の車体とを前記車両間抵抗器を介して電気的に接続することを特徴とする電気鉄道車両。
【請求項２】
前記車両間抵抗器は、１ＭＨｚ以上の高周波領域で低インダクタンス特性であるか、または、０．１ｕＦ以上のコンデンサが並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気鉄道車両。
【請求項３】
前記連結器で連結される前記第１の車体と前記第２の車体は、前記車両間抵抗器と並列に接続されるコンデンサを含む第３の接続手段におり電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気鉄道車両。
【請求項４】
前記車両間抵抗器の抵抗値は、０．５Ω以上であることを特徴とする請求項１記載の電気鉄道車両。
【請求項５】
帰路線を兼ねるレールと上を走行する複数の車両と、パンタグラフにより架線から高圧電力を受電し、前記複数車両の少なくとも１つの車両に対して電力を供給するため前記複数車両に渡って設置される高圧母線と、前記複数の車両間に信号伝送及び駆動電力のいずれか一方を供給する低圧母線とを有する電気鉄道車両であって、
前記複数の車両の少なくとも一つの第１の車両は、
前記高圧母線の接続点から遠い側に位置して、前記レールと前記第１の車両の第１の車体とを電気的に接続する第１の接地台車と、
を有し、
前記第１の車両と第２の車両を連結する金属導体で構成された連結器と、
前記連結器の一方と連結される前記第１の車体と前記連結器とを電気的に接続する第１の接続手段と、
前記連結器の他方と連結される前記第２の車両の第２の車体と前記連結器を電気的に接続する第２の接続手段とを有し、前記第２の接続手段は、車両間抵抗器を含み、前記連結器と前記第２の車体とを前記車両間抵抗器を介して電気的に接続することを特徴とする電気鉄道車両。
【請求項６】
前記高圧母線の接続点から近い側に位置して、前記レールと前記第１の車両の第１の車体と電気的に絶縁された第１の非接地台車を有することを特徴とする請求項５記載の電気鉄道車両。
【請求項７】
前記車両間抵抗器は、１ＭＨｚ以上の高周波領域で低インダクタンス特性であるか、または、０．１ｕＦ以上のコンデンサが並列に接続されていることを特徴とする請求項６記載の電気鉄道車両。
【請求項８】
前記連結器で連結される前記第１の車体と前記第２の車体は、前記車両間抵抗器と並列に接続されるコンデンサを含む第３の接続手段におり電気的に接続されていることを特徴とする請求項６記載の電気鉄道車両。
【請求項９】
前記レールと前記第２の車両の第１の車体とを電気的に接続する第２の接地台車と、
前記第２の車両の第２の接地台車は、前記連結器側に位置することを特徴とする請求項８記載の電気鉄道車両。
【請求項１０】
前記車両間抵抗器の抵抗値は、０．５Ω以上であることを特徴とする請求項６記載の電気鉄道車両。
【請求項１１】
前記第２の接地台車は、前記第２の車体と台車抵抗器を介して電気的に接続する第４の接続手段と、
前記第１の接地台車は、前記第１の車体と電気的に接続する第５の接続手段と、
前記第１及び第２の接地台車を電気的に接続する第６の接続手段とを有することを特徴とする請求項８記載の電気鉄道車両。
【請求項１２】
前記台車抵抗器の抵抗値は、０．５Ω以上であることを特徴とする請求項１１記載の電気鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速鉄道車両は、高電圧の交流電力を、架線からパンタグラフを介して車両内に取り込み、大出力の電動機を駆動している。電車が走行可能な動力装置一式を備える車両群をユニットと呼び、２〜３両で1ユニットとする動力装置が一般的である。そのため、パンタグラフもユニット毎に設けることが必要であるが、高速鉄道では、パンタグラフから発生する騒音が大きく、その対策上、１列車編成当たり、最小２基のパンタグラフしか搭載されないことがある。
【０００３】
そこで、図７に示したように、全ユニットに電力を供給するためには、電力の引き出し線を（特別高圧ケーブル）設置して、限られた数のパンタグラフから全電力を各ユニットに供給する必要がある。ＶＣＢを介して特別高圧ケーブルから供給された電力は、主変換器の一次側へ供給され、車輪を駆動する駆動電力として台車に供給されると共に、補助電源装置、蓄電池、低電圧線を介して配電盤等に供給されている。
また、車体−台車間が電気的に絶縁されたボルスタレス台車の普及により、車体と台車間の絶縁が強化され、絶縁状態となっている。そのため、長い接地電線を新たに設置し、これに、遮断器を介して主変換器の一次側を接続し、他方は車体から接地抵抗器を介して接地線に接続している。
【０００４】
以上構成の鉄道車両において、パンタグラフが上昇、下降時に架線に離接する際や、真空遮断器などによって特別高圧経路の電力を切入する際などに発生する高周波サージノイズは、特別高圧ケーブルを通して、車両長に比例した０．１ｕｓｅｃオーダの遅延時間を以て、寄生容量を介して各車体へと伝播していく。車体へと伝播したサージノイズは、高周波領域で高インピーダンスの接地回路を通してレールへと流れるため、過渡的な車体電位の変動（車体間電位変動）として表出する。
【０００５】
これに加えて、車両間の電気的接続が高周波領域で高インピーダンスである場合には、前述した車両間のサージノイズ伝播時間差に起因して過渡的な車両間電圧変動が表出することとなる。
【０００６】
この車体間電位変動および車両間電圧変動は、鉄道車両上に搭載される車上機器類の誤動作や故障を引き起こす原因となっており、電源回路などへのノイズフィルタ追加など主として被害機器側での対策している。しかしながら、車両動作状況やインフラ側の状態、架線電圧の位相など様々な要因によって変化する再現性の乏しい鉄道車両ノイズを推定し、車上機器設計へ事前に反映することは困難であるため、従来の鉄道車両では不具合発生後の都度対策に頼る部分が大きく、試験走行期間の長期化や運行遅延に至る場合が考えられる。
【０００７】
以上背景を踏まえて、特許文献１には、特定の接地回路を有する鉄道車両において、接地装置を構成する接地抵抗器と並列に高周波領域で低インピーダンスであるコンデンサを配置することで、車体電位変動を低減する例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３２８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この構成においては、接地電流の均等化のため車体中央部付近より各台車へ接続される長大な接地電線のインダクタンスが残存し、車体電位変動が発生することになり、十分な車体電位変動低減については言及されていない。
【００１０】
また、車体−レール間に接地抵抗器およびコンデンサを配置する構成であるため、保護接地装置動作時や落雷時の過大電圧が車体を介してそれらの素子に印加されることによる、車体電位の異常変動や素子の破損防止についても言及されていない。
さらに、車両間電圧の低減方法について言及していない。
【００１１】
本発明の目的は、高圧母線を有する車両において車体間電圧について、電圧発生を抑止できる電気鉄道車両を提供することにある。
【００１２】
さらに、本発明の他の目的は、車体電位変動および車両間電圧変動の抑制を図ると共に、落雷時などの過大電圧が印可された際も、素子破損することなくレールに逃がすことができる電気鉄道車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、その一例を挙げるならば、列車を構成する複数の車両と、パンタグラフにより架線から高圧電力を受電し、複数車両の少なくとも１つの車両に対して電力を供給するため前記複数車両に渡って設置される高圧母線と、複数の車両間に信号伝送及び駆動電力のいずれか一方を供給する低圧母線とを有する電気鉄道車両であって、複数の車両を連結する金属導体で構成された連結器と、前記連結器の一方と連結される第１の車体と前記連結器とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記連結器の他方と連結される第２の車体と前記連結器を電気的に接続する第２の接続手段とを有し、前記第２の接続手段は、車両間抵抗器を含み、前記連結器と前記第２の車体とを前記車両間抵抗器を介して電気的に接続する電気鉄道車両である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高圧母線を有する車両において車体間電圧について、電圧発生を抑止できる。また、パンタグラフか架線から離接する際や、真空遮断器の切換によって発生する高周波サージノイズの車両間への伝搬時間差によっておこる車両間電圧変動を抑止できる。
また、車体電位変動および車両間電圧変動の抑制を、素子破損することなくレールに逃がすことができる。
車体電位変動および車両間電圧変動を抑制する電気鉄道車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１による電気鉄道車両の構成を示した図である。
【図２】高圧母線を有する車両における車上機器誤動作発生メカニズムの一例を示した図である。
【図３】本発明の構成適用前後ノイズ低減量の等価回路解析結果を示した図である。
【図４】本発明の実施形態２による電気鉄道車両の構成を示した図である。
【図５】高圧母線を有する車両における車両間ループでのノイズ受信メカニズムを示した図である。
【図６】本発明の実施形態３による電気鉄道車両の構成を示した図である。
【図７】高圧母線を有する一般的な車両構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
以下、実施例１の電気鉄道車両を図１から図３を用いて説明する。本実施例では、特定構成の電気鉄道車両の形態を説明するが、本発明の構成仕様は本実施例に限定されるものではなく、車両構造や配線の引き回しなど車両の構造に応じて適用する。また、適用する車両は、架線や第三軌条など外部より電力を取得して走行する車両や気動車両、新交通システムや磁気浮上式鉄道など動力の方式に依らず適用して良い。
【００１８】
図１は、実施例１による電気鉄道車両の構成を示した図である。図１には、先頭２両を中心に示している。
電気鉄道車両は、変電所から鉄道車両の駆動電力を送電する架線３００、鉄道車両の走行路かつ変電所への帰線電流路を兼ねるレール３０１で構成する設備上を走行する。電気鉄道車両は、金属構体である車体１００、車両間を接続する連結器１０１、帰線電流の流入を抑制する車間抵抗器１０２、電線１１０や接地ブラシなどを備えてレール３０１と車体１００を電気的に接続する接地台車１０３ａ、レール３０１と他方を電気的に接続しない（車体と電気的に接続しない、絶縁された）非接地台車１０３ｂ、架線電力を複数の主変圧器などに送電する複数の車両に渡って引き通されるシールド付き高圧母線１０５、架線３００より電力を取得するパンタグラフ２０１、パンタグラフ２０１と高圧母線１０５で構成する高圧経路上に配置される高圧遮断器２０２、運行制御装置やサービス装置などの車上装置２０３、車上装置２０３間信号伝送や駆動電力供給のため複数の車両に渡って引き通される低圧母線２０４を含む。
【００１９】
連結器は、直径１５〜２０センチメートルの金属導体である。高圧母線１０５と車体１００間に存在する寄生容量Ａ２０５、低圧母線２０４と車体１００間に存在する寄生容量Ｂ２０６が存在する。図１では、高圧母線１０５は車体１００の屋根に敷設するよう図示したが、車体１００の床下を敷設するようにしても良い。また図では、寄生容量Ａ２０５および寄生容量Ｂ２０６をコンデンサ素子として図示したが、車体上に渡って存在する物理的構造に起因する容量を説明の便宜上１つのコンデンサ素子として示したものであり、容量が存在する位置を限定するものではない。
【００２０】
車体１００は、接地台車１０３ａの電線１１０や接地ブラシなどを通してレール３０１と電気的に接続する。この場合、車両を構成する他方の非接地台車１０３ｂにおいては、帰線電流が１車両内における台車１０３ａ−車体１００−台車１０３ｂの経路を通過することが無いよう、車体１００およびレール３０１を電気的に接続しないことが望ましい。これにより、他編成の帰線電流など大電流が流れることによる台車接地ブラシの異常摩耗を防止できる。レール３０１上の帰線電流が接地ブラシの定格電流範囲内であることが明らかである場合は、車体１００の電位を安定化させるため、車両を構成する双方の台車において車体１００とレール３０１を電気的に接続することとしても良い。接地台車１０３ａと車体１００との接続に電線を使用する場合、電線のインダクタンス値が極力低くなるよう、接地台車１０３ａの付近に電線の接続点を設けることが望ましい。
【００２１】
図２は、高圧母線を有する車両における車上機器誤動作発生メカニズムの一例を示した図である。図２のように、車体１００とレール３０１を電気的に接続する接地台車１０３ａは、シールド付き高圧母線１０５のシールドと車体１００の接続点（真ん中の車両は右側）より遠い側、即ち、左側に配置することが望ましい。一般に高圧母線１０５のシールドは、車体１００−シールド間で電流ループ経路が形成されないよう片側のみで接地接続される。このとき、非接続側シールド上に生じる電圧変動が、寄生容量Ａ２０５を介して車体１００へノイズ電流として伝播してしまうため、接地台車１０３ａを非接続側に配置することにより、ノイズ電流を短い経路でレール３０１へ流すことができ、車両間や車体１００上を流れるノイズ電流を抑制することができる。また、高圧母線１０５が配置されない車両においては、高圧母線１０５に近い側に接地台車１０３ａを配置することが望ましい。
【００２２】
図１に示す通り、車体１００間を機械的に接続する連結器１０１は、一方の車体１００（図では、右側）と電気的に接続する。連結器１０１は、棒連結器や半永久連結器をはじめ種類を限定しないが、可動部や連結面など電気的接続が無いまたは不安定である場合は、車体１００や連結器１０１の隣接する各導体を短い電線１０１ａ等を接続手段として電気的に接続する。また、必要に応じて連結器の可動部分などに電気的な接続手段として、例えば、電線１０１ｂを用いる。
【００２３】
一般に連結器は、１５ｃｍ〜２０ｃｍ以上の径を持つ金属導体であり、車体間を最短で連結するよう構成されている。従来のように車体１００間を１ｃｍ〜２ｃｍ径、長さ２ｍの電線で接続加工する場合に比して、連結器と電線の直径比や連結器と電線の長さ比から求まる論理上インダクタンス値を３０％未満に低減することが可能である。
【００２４】
したがって、多数の電線を追加接続することなく、簡単な構成で低インダクタンス接続が実現しているため、メンテナンス性においても優れている。また、連結器１０１は、他方の車体１００（図１の左側の車体）と車間抵抗器１０２を介して電気的に接続する。つまり、連結器１０１と隣接する車体を電線１０１ｃ、車間抵抗器１０２、電線１０１ｄにより接続手段により電気的に接続する。これは、接地台車１０３ａを電線１１０の接続手段で直接車体１００に接続するため、帰線電流が一方の車両（右側車両）の接地台車１０３ａ−連結器１０１−他方の車両（左側車両）の接地台車１０３ａで構成する経路を流れようとする。この望ましくない帰線電流の流れを防止するため、連結器１０１を介して隣接する車体間に車間抵抗器１０２を設けている。
【００２５】
そのため、車両間抵抗器１０２の抵抗値は、接地台車１０３ａ間と同等長のレール３０１抵抗値よりも大きい値であれば良く、おおよそ０．５Ω以上あれば良い。また、車間抵抗器１０２は連結器１０１の近傍に配置し、連結器１０１−車間抵抗器１０２間を電線１０１ｃにより、車間抵抗値１０２−車体１００間を電線１０１ｄにより接続する場合は、それぞれのインダクタンス値が極力低くなるよう短い電線で接続する。実際には、これら電線１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄの長さは、連結器１０１の可動部等を考慮し、余長等を含めて最短１５〜２０ｃｍとすることが望ましい。さらに、車間接地抵抗器１０２は１ＭＨｚ以上の高周波領域で低インダクタンス特性であること、もしくは、並列に０．１ｕＦ以上のコンデンサを接続することが望ましい。レール３０１上の帰線電流が連結器１０１上を流れることを防ぎ、車両１００間接続も含めて低インピーダンス特性となるため、ノイズ主成分である高周波数領域においても車体１００間電位を均一化することができる。
【００２６】
図２において、高圧母線１０５を有する車両における車上機器誤動作発生メカニズムの一例について説明する。同車両では、パンタグラフ２０１−架線間が離接する際や、高圧遮断器２０２などにより特別高圧経路の電力を切入する際に発生する高周波サージノイズは、高圧母線の充填剤の誘電率により定まる伝播遅延時間を以て各車体へ伝播するため、車体間の接続インピーダンスが大きい場合には車体間電圧として現れてしまう。また、各車体は接地電線などの接地インピーダンスの存在により鉄道システムの基準電位であるレール電位からの電圧を持ってしまう。特にサージノイズを起因として電圧が発生する場合、両電圧は過渡的に変動するため高周波ノイズ源となり、車体−低圧母線間の寄生容量（図１の２０６）により車上装置へと流入し、同車上装置の故障や誤動作を引き起こしていた。つまり、車体間接続インピーダンスおよび車体接地インピーダンスを低減することで、車上装置の故障および誤動作発生を防止し、信頼性の高い電気鉄道車両を提供することにも繋がる。
【００２７】
図３は、本発明の構成適用前後ノイズ低減量の等価回路解析結果を示した図である。本実施例の車体間接続に低インダクタンスの連結器適用前後での車体間電圧および低圧母線上に現れるノイズ低減量の等価回路解析相対比較結果を示しており、本発明が低圧母線上ノイズの低下にも有効であることを確認している。
【００２８】
以上の構成によれば、車体１００−レール３０１間を、接地台車１０３ａを介して短い経路で接続することができるため、各車体１００の電位変動を抑制できる。また、車体１００−レール３０１間に素子など含まないため、保護接地装置動作時や落雷時など過大電圧が車体１００に印加された際も、素子の破壊など無く確実にレール３０１へ逃すことができる。さらに、高圧母線１０５を有する車両において顕在化しやすい車体間電圧についても、車体１００間が高周波領域においても低インピーダンス接続であるため、電圧の発生を抑制することができる。すなわち、車体電位変動および車両間電圧変動を抑制する電気鉄道車両を提供することができ、寄生容量Ｂ２０６および低圧母線２０４を介して車上機器２０３に流入していたノイズを低減し、同車上装置２０３の故障や誤動作発生を防ぐことができる。
【実施例２】
【００２９】
以下に、実施例２である電気鉄道車両について、帰線電流が連結器を流れることを防止する形態について記述する。
【００３０】
図４は、実施例２による電気鉄道車両の構成を示した図である。図４には、一方の車体１００（右側車両）と電気的に接続した連結器１０１が、他方の車体１００（左側車両）とコンデンサ１０４を介して接続している。また、これと並列に、車体１００間を車間抵抗器１０２を介して電線で電気的に接続した例を示す。車体と連結器、連結器とコンデンサ１０４と、コンデンサ１０４と車体の接続は図１に示した接続手段と、車間抵抗器１０２がコンデンサ１０４に変わったこと以外同様の構成である。
【００３１】
コンデンサ１０４は連結器１０１の近傍に配置し、連結器１０１−コンデンサ１０４間およびコンデンサ１０４−車体１００間を電線で接続する場合は、それぞれのインダクタンス値が極力低くなるよう短い電線で接続する。コンデンサの値は、サージノイズ周波数領域におけるインピーダンス値が低くなるよう０．１ｕＦ以上であると良い。
【００３２】
実施形態１の構成では、本来の帰線電流経路であるレール３０１に非連続な部分があった場合、一方の車両の接地台車１０３ａ−連結器１０１−他方の車両の接地台車１０３ａで構成する経路を流れ、連結器１０１間の放電や接続面の溶着を引き起こす可能性がある。
【００３３】
以上の構成によれば、帰線電流は接地抵抗器１０２を介して接続される経路を流れるため、連結器１０１を確実に保護することができる。また、サージノイズ周波数領域における低インピーダンス接続は、連結器１０１を中心に構成する経路によって確保できているため、接地抵抗器１０２の配置位置や電線インダクタンスの制約を考慮する必要がなくなる。すなわち、連結器の故障を防止した車体電位変動および車体間電圧変動を抑制する電気鉄道車両を提供することができる。
【実施例３】
【００３４】
以下に、実施例３である電気鉄道車両について図５および図６を用いて説明する。本実施例では、車両間において構成されるノイズ受信ループインダクタンスを低下させ、車両間において受信するノイズ量を低減する形態について記述する。
【００３５】
図５は、高圧母線を有する車両における車両間ループでのノイズ受信メカニズムを示した図である。図５において、車両間においては比較的安定した導体である車体が存在しないため、特別高圧経路で発生したノイズが外部へ放射しやすい条件にある。また、同車両間においては、２つの台車とレール、車体間接続およびそれらの間に存在する寄生容量などによってノイズ受信ループが構成され、ノイズ放射部との相互結合が車間電圧発生の一要因となる。これを解消するためには、実施形態１または実施形態２で示した車両間インダクタンスや車体接地インピーダンスの低減も有効な手段であるし、さらに、前述のループ面積を分割して小さくすることや、面状の導体を設けてノイズ源との結合を疎にする手段も有効である。
【００３６】
図６は、本発明の実施形態３による電気鉄道車両の構成を示した図である。
図６では、接地台車１０３ａおよび非接地台車１０３ｂは接地装置と絶縁された台車枠を有し、一方の台車（左側接地台車１０３ａ）の台車枠は車体と台車抵抗器１０６を接続手段として電気的に接続する。連結器１０２を介して対を成す他方の台車（右側接地台車１０３ａ）の台車枠は車体１００と電線を接続手段として電気的に接続する。そして、双方の台車枠間を電線を接続手段として電気的に接続する。これによれば、連結器１０１および両側に配置された台車と車体１００で構成するループ面積を分断し、同ループで受信するノイズ量を低減することが可能となる。また、台車枠間の電気的接続を床下の塞ぎ板や一定の面積を持った面状の編組線などを用いて構成すれば、接続面上に発生する渦電流によって前記ループのインダクタンス値を大幅に低下させることが可能となる。また、台車抵抗器１０６を設けることにより、車体１００間を流れようとする帰線電流が台車枠間の経路を迂回することを防いでいる。台車抵抗器１０６の抵抗値は、車両間抵抗器１０２との並列接続となるため、合成抵抗値がおおよそ０．５Ω以上となるように設定しても良いし、台車抵抗器１０６の抵抗値をおおよそ０．５Ω以上にして、車両間抵抗器１０２を省略することも可能である。
【００３７】
以上の構成によれば、車両間におけるノイズ受信量を低減した車体電位変動および車体間電圧変動を抑制する電気鉄道車両を提供することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１００…車体
１０１…連結器
１０２…車両間抵抗器
１０３ａ…接地台車
１０３ｂ…非接地台車
１０４…コンデンサ
１０５…高圧母線
１０６…台車抵抗器
２０１…パンタグラフ
２０２…高圧遮断器
２０４…低圧母線
２０５…寄生容量Ａ
２０６…寄生容量Ｂ
３０１…レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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