(57)【要約】【課題】直流電気鉄道用変電所に必要となる機能を実質的に全て収納し、建屋を必要とせず、コンパクトで現地での据付・工事期間の短い変電所を提供する。【解決手段】所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備、保護・監視・制御装置、情報伝送装置を含む直流電気鉄道用変電所であって、前記設備及び装置が、一方向に配列された複数の屋外形キュービクルに収納されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備、保護・監視・制御装置、情報伝送装置を含む直流電気鉄道用変電所であって、前記設備及び装置が、一方向に配列された複数の屋外形キュービクルに収納されていることを特徴とする直流変電所。
【請求項２】
前記所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備は、各設備間の壁面を貫通する電力ケーブルと信号ケーブルで接続されていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項３】
前記整流器設備は整流器用変圧器及び整流器を含み、前記整流器設備が収納されるキュービクルには、前記複数のキュービクルが配列される方向に平行な側面と、屋根部に換気口が設けられていることを特徴とする請求項２記載の直流変電所。
【請求項４】
前記整流器設備は整流器用変圧器及び整流器を含み、前記設備は、所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備の順に配置され、
前記整流器設備が収納されるキュービクルには、前記複数のキュービクルが配列される方向に平行な側面と、屋根部には換気口が設けられていることを特徴とする請求項２記載の直流変電所。
【請求項５】
保護継電器故障表示器、開閉器状態表示器、各種メータ、開閉器制御スイッチが、前記所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備の側面に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項６】
前記所内電源設備は、低圧交流を直流に変換する変換機及び蓄電池を１つの台車付きユニットとして具備し、前記ユニットは、据付、点検時に前記屋外キュービクルより出し入れ可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項７】
前記所内電源設備は、直流電源装置と所内用変圧器、負荷開閉器、低圧配電用遮断器、伝送装置を含み、１つのキュービクルに収納されていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項８】
前記複数のキュービクルが配列される方向に直交する方向の断面形状及びサイズは同一であって、上部には前記複数のキュービクルの全長に渡る支柱が設けられていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項９】
前記複数のキュービクルを仕切る境界部のうち少なくとも１つで分割可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項１０】
少なくともＴ形き電、上下一括き電、上下方面別き電のうち１つのき電方式の変電所として構成されていることを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【請求項１１】
電気鉄道用の電力供給設備として、無負荷時に充電し、負荷時に放電する蓄電池装置を収納したキュービクルを含むことを特徴とする請求項１記載の直流変電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流鉄道車両のき電系統に電力を供給する電気鉄道用直流変電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道用直流変電所は、受電設備、整流器設備、き電設備、所内電源設備、直流電源装置、保護・監視・制御装置、遠方監視制御伝送装置等より構成されている。これらの設備、装置は個別に設計、製造、試験され現地で主回路、制御回路が構内ケーブルで接続され、総合的な試験を実施した上で変電所事業者に引渡される。この形態の変電所を分散形変電所と呼びレイアウトの一例を図１１（ａ）に示す。この形態の場合、各設備、装置が分散して配置されるため、各々の点検スペースが必要になり、変電所全体では広い設置面７０が必要になる。また各設備間の配線は図１１（ｂ）のように、地中にピット（穴）を掘り、そのピットに電力ケーブルや信号ケーブルを通して行われる。
【０００３】
変電所設置面の面積縮小化などを図る技術としては、下記特許文献１〜３のような技術が開示されている。
【特許文献１】特開平２−２６２８０７号公報  集合形変電設備
【特許文献２】特開平２−２６２８０８号公報  集合形変電設備
【特許文献３】特開平２−２６２８０９号公報  集合形変電設備
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の変電所は、現地での据付、工事、調整試験など復元後の手間がかかるシステムであった。
【０００５】
本発明の目的は、直流電気鉄道用変電所に必要となる機能を実質的に全て収納し、建屋を必要とせず、コンパクトで現地での据付・工事期間の短い変電所を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施例に係る直流変電所は、所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備、保護・監視・制御装置、情報伝送装置を含む直流電気鉄道用変電所であって、前記設備及び装置が、一方向に配列された複数の屋外形キュービクルに収納されている。
【発明の効果】
【０００７】
直流電気鉄道用変電所に必要となる機能を収納し、建屋を必要とせず、コンパクトで現地での据付・工事期間の短い変電所を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００９】
[第１実施例]
図１は本発明による直流変電所の主回路機器と保護継電器、メータ類の概略配置及びその単線結線図を示し、図２は本発明による直流変電所の盤分割構成、盤面機器配置、盤内概略図を示す外形図である。
【００１０】
この変電所は、電源盤（所内電源設備）１、受電盤（受電設備）２、整流盤（整流器設備）３、正極盤４及び負極盤５（き電設備）、保護・監視・制御装置、情報伝送装置を含む直流電気鉄道用変電所であって、前記設備及び装置が、一方向に配列された複数の屋外形キュービクルに収納され、全体として長方体の形状を有している。
【００１１】
電気の流れとしては以下の通りとなる。電力会社より３φ―３Ｗ−７．２ｋＶで受電し、整流器用変圧器でき電電圧に見合った電圧に降圧し、整流器で整流し、き電用直流高速度遮断器を介して配電する。図１、２の例はＴき電の例である。低圧交流及び直流制御電源は、所内変圧器で７．２ｋＶから低圧に降圧し、交流低圧配電や直流の制御電源に変換して各々提供される。
【００１２】
盤は左から電源盤１、受電盤２、整流装置盤３、正極盤４、負極盤５の５面（盤）構成からなる。各盤の目的と収納機器は以下の通りである。
【００１３】
図３は本発明の電源盤１を示し、電源盤１は主回路用品として負荷開閉器６、所内変圧器７、直流電源装置８、低圧主幹用遮断器９、配電用遮断器１０が収納されている。保護・監視・制御用品としては、図１、図２（ｃ）、２（ｄ）のように低圧電圧計１１、電流計１２、共通要素的な故障表示器１３、制御用スイッチ１４、故障表示ランプ（集約）１５などが取り付けられている。この盤で３φ−３Ｗ−２１０・１０５Ｖ交流とＤＣ１１０Ｖの電源を生成している。これら電源は、本変電所の照明、メータ、スイッチなどの電源として使用される。尚、直流電源装置８には停電などに備えてバッテリー６５が設けられている（図１参照）。
【００１４】
電源盤１の左側面には、図２（ａ）のように直流電源装置８用の扉４９が設けられており、台車付きの直流電源装置８の出し入れが可能なようになっている。また電車用変電所は無人変電所であることが多いため、遠方でも監視制御ができるように指令所との信号のやりとりができるよう伝送装置５０をこの盤に収納する（図２（ｃ）参照）。
【００１５】
受電盤２には、主回路用品として図１のように、受電断路器１５、ＶＴ１６、受電遮断器１７、ＣＴ１８、整流器用遮断器１９が収納されている。保護・監視・制御用品としては図１のように、受電過電流継電器２０、受電不足電圧継電器２１、整流器設備保護用過電流継電器２２、受電系マルチメーター２３、整流器系マルチメーター２４、図２（ｃ）、２（ｄ）のように受電系の故障表示器１３、制御用スイッチ１４、遮断器、断路器用状態表示ランプ２５（盤内）、２６（盤面）などが取り付けられている。図１のように電力会社からの電力は、柱上に設置したＰＡＳ５４とＭＯＦ５５を経由し本変電設備に地中ケーブルを介して供給される。受電盤２の主回路用品は図２（ｂ）の平面図に示すとおり、盤内母線２７，２８で電源盤と整流装置盤に電気的に接続されている。このような盤内母線は盤間の壁面を貫通し、例えば電源盤と整流装置盤を接続している。ここで母線とは、電力を伝送するための導体を示す。
【００１６】
図４は本発明の整流装置盤３を示し、この整流装置盤３は主回路用品として図１のように、６パルス用整流器用変圧器２９、３０と、１２パルス整流器３１が収納されている。尚、１２パルス整流器３１は１２個の整流素子で構成されるが、図１では４個の素子として簡略して示している。整流装置盤３は保護・監視・制御用品として、図２（ｃ）、図２（ｄ）のように整流器用変圧器と整流器の保護のためダイヤル温度計３２と、故障表示ランプ（集約）１５が設けられている。
【００１７】
整流器用変圧器２９、３０により、電力会社から受電した７．２ｋＶ交流電力を、使用するき電電圧（６００Ｖ、７５０Ｖ、１５００Ｖ）に降圧し、整流器３１で１２パルス整流する。図４の例は比較的小容量の例で正面側に整流器用変圧器２９、３０、背面側に整流器３１を収納している例であるが、容量の大きい変電所の場合、整流装置盤を整流器用変圧器盤と整流器盤に分離するケースもある。
【００１８】
整流器用変圧器２９、３０及び整流器３１の通常動作時の発熱量は比較的大きい。整流装置盤３は本変電設備の中で最も発熱量が大きい盤である。従来は、整流装置盤と他の盤の間に空間を設け、変圧器と整流器の熱が他の盤に悪影響を与えるのを防いでいた。本願の整流装置盤３の屋根には図２（ａ）、２（ｄ）に示すように、換気口５２が設けられ、扉には空気吸入口６６が設けられる。整流器用変圧器２９、３０及び整流器３１が発熱すると、外気との温度差が生じ内部の空気が自然対流する。すなわち、熱せられた空気が換気口５２から外部へ放出されると共に外気が吸入口６６から流入する。このようにして、冷却用のファンなどを用いずに整流装置盤３の内部が冷却される。従って整流装置盤３を受電盤２及び正極盤４に近接して(スペースを設けずに）配置することができる。
【００１９】
整流装置盤３は図２（ｂ）のように、正極盤４、負極盤５に盤内母線３３、３４で電気的に接続されている。
【００２０】
正極盤４には主回路用品として図１のように、直流高速度遮断器３５、△ＩＣＴ３６、き電用断路器３７、避雷器用断路器３８、避雷器３９が収納されている。監視用品としては直流高速度遮断器と、き電断路器の状態表示２６（盤面）が設けられている（図２（ｄ）参照）。図１のように本盤は電車線へ外線ケーブル４０を介して電気的に接続される。
【００２１】
負極盤５には、主回路用品として図１のように、負極用断路器４１、ＤＣＰＴ４２、ＤＣＰＴ用ヒューズ断路器４３が収納されており、保護・監視・制御用品としては、図２（ｃ）のように故障選択装置４４、故障選択装置用電源部４５、地絡過電圧継電器４６（図１参照）、き電電流計１２、電圧計１１、保持電流計４７、き電系の故障表示器１３、制御用スイッチ１４、遮断器、断路器用状態表示ランプ２５（盤内）、２６（盤面：図２（ｄ）参照）などが取り付けられている。図１のように負極盤５はレールへ外線ケーブル４８を介して電気的に接続される。
【００２２】
また各盤間には、制御信号、故障信号、状態信号、アナログ信号などの各種信号のやりとりがあるため、各盤の盤間端子を介して信号ケーブルが接続できるようになっている。つまりこれら信号ケーブルは、盤内で盤間端子に接続され、盤間端子から盤間の壁面を貫通し、隣の盤の盤間端子に接続され、そして目的の装置に接続される。このように、盤間をむすぶ信号ケーブルならびに主回路機器の母線は、盤間の壁面を貫通して配線されるので、従来のように盤間配線用のピットを地中に設ける必要がない。
【００２３】
また負極盤５には、隣接変電所からの延長き電ができるよう、図１のようにタイ断路器６０を実装できるスペースが設けてある。
【００２４】
図５に本発明の各盤の断面図を示す。
【００２５】
上部には屋根５１と換気口５２（整流装置盤３のみ）、前後に屋外用の扉５３ａ、５３ｂが設けられている。正面扉５３ａ内側には機器内部パネル５３ｃがあり、前記した保護継電器、メータ、故障表示器、スイッチ類、状態表示ランプなどヒューマンインターフェース用の機器が取り付けられている。この内部パネル５３ｃの無い盤には仕切板５３ｄが設けられており、保守員などが主回路機器等に感電しないよう保護される構造となっている。各キュービクルの境界部の断面形状、サイズは実質的に同一であるので、必要に応じて任意のキュービクルを容易に追加あるいは分離できる。
【００２６】
図６に本発明の輸送形態の一例を示す。本発明の変電所はコンパクトなので、トレーラに一体で輸送できる大きさである。例えば図１に示す変電所で、床のサイズは３０００ｍｍ以下×６２００ｍｍ以下、重量は１２ｔ以下である。工場で組立完了し、総合試験を実施した後に、変電所全長に渡る吊用の２つの支柱５７で吊り下げて移動可能である。この支柱５７は例えば断面Ｌ字形のアングルである。この変電所は、現地で復元する箇所も少ないので、現地での調整試験内容も大幅に削減できることになる。
【００２７】
図７は、本実施例に係る変電所を設置するために必要となる設置面のサイズを示す図である。この変電所は、例えばき電電圧が１５００Ｖの場合２０００ｋＷ以下、６００Ｖの場合１０００ｋＷ以下の中小容量変電所として使用される。図１１のような従来の分散型変電所に比べ、出力容量が同程度であれば、設置面積は３０％ほど削減できる。
【００２８】
このように本発明に係る変電所は、各盤がそれぞれキュービクルに収まり、全体として長方体の形状を有している。各キュービクルの断面形状及びサイズは図５に示すように同一である。また、変電所のいずれかの盤間を分割した形で製作及び試験を行い、分割した変電所を例えば複数のトレーラで現地まで運び、分割した盤間を現地で接続して使用することもできる。従って、系統が若干増えて面数すなわち盤の数が増えても分割を増やすことで、これまでの分散形装置に比べ現地での復元、試験工程を大幅に削減できることができる。電気鉄道のき電方式には、Ｔ方き電、上下一括き電、上下一括方面別き電などのき電方式があるが、本発明に係る変電所は、これらき電方式の変電所として構成可能である。
【００２９】
尚、本発明に係る変電所における各盤の配列順序は、図１を参照して説明したように、電流が流れる(処理される）順番に一致している。このような配列により、盤間をむすぶ母線及び信号ケーブルの配線長を必要最小限に抑えることができる。
【００３０】
（効果）
以上説明したように、本実施例によれば、所内電源設備、受電設備、整流器設備、き電設備、保護・監視・制御装置、情報伝送装置を含む直流電気鉄道用変電所であって、前記設備及び装置が、一方向に配列された複数の屋外形キュービクルに収納する構成としているため、従来の変電所で必要であった各装置間のメンテナンス空間をなくすことが出来るので、装置のコンパクト化をすることが出来る。
【００３１】
また、発熱量が多い整流器用変圧器２９、３０及び整流器３１を収納する整流装置盤３は、装置の正面に外気を取り込む吸入口６６を設け、屋根に外気を排出する換気口５２を設けているので、変圧器２９、３０及び整流器３１を冷却し温まった外気は、直接屋根上の換気口５２から排出される。そのため、整流器用変圧器２９、３０や整流器３１から発生する熱が、隣接する装置へ伝わりにくくなるので、従来の変電所のように整流装置盤と他の盤との間に空間を設ける必要がなくなる。
【００３２】
以上のように、本実施例によれば、これまで各装置を分散配置していた場合に比べて、コンパクト、据付・工事期間短縮、建屋不要により短期間、低コストの変電所を提供することができる。
【００３３】
[第２実施例]
図８は本発明による直流変電所の第２実施例の構成を示す図である。電源盤、受電盤の高圧部分は第１実施例と同じであるが、上下一括方面別き電に対応できるよう、整流器用直流高速度遮断器５６を１台、き電用直流高速度遮断器３５を２台、延長き電できるようにき電のタイ断路器を１台に収納したケースを示す。５４Ｐ盤５８、５４Ｆ２盤５９が増え、全部で７面構成となる。
【００３４】
（効果）
この実施例の場合も第１実施例と同様に、これまで各装置を分散配置していた場合に比べて、コンパクト、据付・工事期間短縮、建屋不要により短期間、低コストの変電所を提供することができる。
【００３５】
[第３実施例]
図９は本発明による直流変電所の第３実施例の構成を示す図である。第３実施例は、第１実施例の構成に変圧器・電池盤６が追加されており、この変圧器・電池盤６は変換器６１、蓄電池装置６２、変換器／蓄電池保護用の直流高速度遮断器６３と選択故障装置６４を含む。
【００３６】
図１０に蓄電池装置６２の充放電ロジックを示す。一般に整流器は軽負荷時に出力電圧が上がり、重負荷時に出力電圧が下がる電圧特性をもっている。本発明はこの特性を利用して、直流母線６７の電圧を常時計測し、所定電圧Ｖ１以上になっているとき（軽負荷時あるいは無負荷時）に充電し、所定電圧Ｖ１以下になっている時（重負荷時あるいは負荷時）に放電する。電圧Ｖ１は、定格き電電圧が１５００Ｖの場合、例えば１０００Ｖ〜１５９０Ｖである。
【００３７】
（効果）
第３実施例によれば、重負荷時に蓄電池６２から電力供給することで、整流装置盤３の整流器のピーク電力をカットすることができ、一般に過負荷容量を持っている整流器の定格容量低減が可能である。整流器容量を下げることで、整流器用変圧器の容量も下げられ、整流装置盤３の大きさを縮小化できる。加えて受電電力量も減少できるので、契約電力を下げ変電所事業者の使用電力料金も下げることができる。
【００３８】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の変電所の構成を示す配置単結図。
【図２】本発明の変電所の構成を示す外形図。
【図３】電源盤の概略側断面図。
【図４】整流装置盤の概略側断面図。
【図５】盤内概略構成を示す断面図。
【図６】変電所一体吊の状況図。
【図７】変電所設置面のサイズを示す図。
【図８】上下一括方面別き電系統の場合の配置単結図。
【図９】蓄電池付き変電所の一例。
【図１０】蓄電池の充放電概念図。
【図１１】従来の電鉄用変電所の一例を示す平面図。
【符号の説明】
【００４０】
１…電源盤、２…受電盤、３…整流装置盤、４…正極盤、５…負極盤、６…負荷開閉器、７…所内変圧器、８…直流電源装置、９…低圧用主幹遮断器、１０…配電用遮断器、１１…電圧計、１２…電流計、１３…故障表示器、１４…制御用スイッチ、１５…故障表示ランプ、１６…ＶＴ、１７…受電用遮断器、１８…ＣＴ、１９…整流器用遮断器、２０…受電過電流継電器、２１…受電不足継電器、２２…整流器設備保護用過電流継電器、２３…受電系マルチメータ、２４…整流器系マルチメータ、２５…遮断器、断路器状態表示ランプ（盤内）、２６…遮断器、断路器状態表示ランプ（盤面）、２７…盤内母線（受電盤〜電源盤）、２８…盤内母線（受電盤〜整流装置盤）、２９…１群６パルス用整流器用変圧器、３０…２群６パルス用整流器用変圧器、３１…１２パルス整流器、３２…ダイヤル温度計、３３…盤内母線（整流装置盤〜負極盤）、３４…盤内母線（整流装置盤〜正極盤）、３５…直流高速度遮断器、３６…△ＩＣＴ、３７…き電用断路器、３８…避雷器用断路器、３９…避雷器、４０…外線ケーブル、４１…負極用断路器、４２…ＤＣＰＴ、４３…ＤＣＰＴ用ヒューズ断路器、４４…故障選択装置、４５…故障選択装置用電源、４６…地絡過電圧継電器、４７…保持電流器、４８…外線ケーブル（負極）、４９…直流電源装置用扉、５０…伝送装置、５１…屋根、５２…換気口、５３…扉、５４…ＰＡＳ、５５…ＭＯＦ、５６…整流器用高速気遮断器、５７…吊用アングル、５８…５４Ｐ盤、５９…５４Ｆ２盤、６０…タイ断路器、６１…変換器、６２…電池、６３…変換器用直流高速度遮断器、６４…変換器・電池保護用故障選択装置、６５…バッテリー、６６…空気吸入口、６７…直流母線。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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