(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変電所のき電電圧を電車線電圧より高くし、線路に沿って所定距離ごとに設置された単巻変圧器（ＡＴ）により電車線電圧に降圧し、電気車に電力を供給するＡＴき電回路であって、レール電位を低減するために３軌道回路以上の間隔でＡＴ箇所およびその中間でレールと保護線（ＰＷ）を結ぶＣＰＷ箇所においてインピーダンスボンドの中性点を接地する多点接地回路を有することを特徴とするレール電位低減交流き電回路。
【請求項２】
接地回路の接地電極として、高架区間では高架脚部鉄筋を利用し、トンネル区間ではトンネル用鉄筋または路盤鉄筋を利用することを特徴とする請求項１記載のレール電位低減交流き電回路。
【請求項３】
接地回路の接地電極として、埋設接地線を用いることを特徴とする請求項１記載のレール電位低減交流き電回路。
【請求項４】
直流電気鉄道が並行する区間においては、電食を防止するため、インピーダンスボンド中性点と接地電極との間にコンデンサとリアクトルからなる直列共振回路を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載のレール電位低減交流き電回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気鉄道の単巻変圧器（ＡＴ）き電方式において、電気車走行時に発生するレール電位を低減する技術の分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道においては、レールを帰回路として構成し、電気車電流を流すため、レールの特性インピーダンスと負荷電流に起因するレール電位が発生する。
図７に、最も簡単な、トロリ線とレールのみで構成される直接き電方式の図を示す。（ａ）はき電系統図、（ｂ）はレール電流分布図、（ｃ）はレール電位分布図である。
変電所１０からトロリ線２を経て電気車１１にき電されレール３を経て変電所１０へ戻る。変電所１０の位置をＯ点、電気車１１の位置をＱ点（負荷点）とし、Ｏ点からＱ点までの距離をｌ1 とすると、Ｏ点から距離ｘのｘ点におけるレール電流Ｉx は数式１で表される。
【０００３】
【数１】
0003816413.tif 000002
【０００４】
この数式１によって表される電流分布を示すのが図７の（ｂ）である。
レール電位は、レール電流にレールの特性インピーダンスＺ0 を乗じて求められるが、数式１中のｎ0Ｉは電車線電流Ｉの電磁誘導作用によって流れる成分なので、レール電位には何ら関与しない。よってｘ点におけるレール電位Ｖx は、数式２のようになる。
【０００５】
【数２】
0003816413.tif 000003
【０００６】
電気車１１の存在するＱ点（負荷点）のレール電位ＶQ は数式２にｘ＝ｌ1 を代入すればよいから、その結果数式３のようになり、最も高くなる。
【０００７】
【数３】
0003816413.tif 000004
【０００８】
一方、変電所１０の位置であるＯ点のレール電位ＶO は数式２にｘ＝０を代入すればよいから、その結果、数式４のようになる。
【０００９】
【数４】
0003816413.tif 000005
【００１０】
これを数式３の負荷点の電位と較べると大きさは同じで極性が反転していることが分かる。図７の（ｃ）はこのことを示している。
図８はＡＴき電方式の場合を示す。
ＡＴき電方式においては電気車１１に流れた負荷電流Ｉは進行方向前後の単巻変圧器（以下、ＡＴとも呼ぶ）１に分流するので、直接き電方式の場合とはレール電位の分布が異なるが、例えば、電気車１１が図８の（ａ）のようにＡＴ間（距離ｌ2)の中央Ｑ点にいるときのＱ点におけるレール電位は直接き電方式と同様に数式３のｌ1 の代りにｌ2 ／２を代入して数式５で表される。
【００１１】
【数５】
0003816413.tif 000006
【００１２】
上記数式５の値は、図８の（ａ）における、レール３と保護線（ＰＷとも呼ぶ）７を結ぶＣＰＷ８がない場合の値であるが、通常ＡＴとＡＴの中央点ではレールがインピーダンスボンドを通して保護線と接続されていることから数式６の値の約７０％位に低減する。一方、電気車１１が（ａ）のようにＱ点にいる状態でのＡＴの位置即ちＰ点およびＲ点のレール電位は、負荷電流Ｉが前後のＡＴに向って分流してレールに流れること、およびＰＷ７への分流効果によって、負荷点（Ｑ点）のレール電位に較べて逆極性で値が２分の１以下程度になる。このような状態でのレール電位を示すと図８の（ｂ）のようになる。
【００１３】
以上のようなレール電位の値は、在来線においては、負荷電流が小さいため実用上問題は発生していない。
一方、新幹線においては負荷電流が大きいため、電車の通過直後のレール電位は高くなることがあるが、新幹線特例法によって一般の立入を禁止していること、および営業時間帯は保守作業を行わないため、問題は発生していない。
以上から、従来一般区間において特段のレール電位抑制対策は実施されていない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後建設されるＡＴき電回路においてはＡＴ間隔が長くなり、１５ｋｍを超すような長い区間が想定されることから、レール電位が更に高くなり、信号の軌道回路を電気的に絶縁するために用いられているレールとまくらぎ間の絶縁パットに高い電圧が加わり、寿命を短くするという問題がある。
【００１５】
また、今後上下線で構成されるＡＴき電回路において片線を電車が走行し、他線で線路敷地内に立ち入って作業を行う場合、レールが高い電位にあることは種々危険を伴うという問題がある。
【００１６】
本発明の目的は、上記問題に鑑みてＡＴき電方式におけるレール電位の上昇を抑制する手段を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために次の手段構成を有する。
本発明の第１の構成は、変電所のき電電圧を電車線電圧より高くし、線路に沿って所定距離ごとに設置された単巻変圧器（ＡＴ）により電車線電圧に降圧し、電気車に電力を供給するＡＴき電回路であって、レール電位を低減するために３軌道回路以上の間隔でＡＴ箇所およびその中間でレールと保護線（ＰＷ）を結ぶＣＰＷ箇所においてインピーダンスボンドの中性点を接地する多点接地回路を有することを特徴とするレール電位低減交流き電回路である。
【００１８】
本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、接地回路の接地電極として、高架区間では高架脚部鉄筋を利用し、トンネル区間ではトンネル用鉄筋または路盤鉄筋を利用することを特徴とするレール電位低減交流き電回路である。
本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、接地回路の接地電極として、埋設接地線を用いることを特徴とするレール電位低減交流き電回路である。
【００１９】
本発明の第４の構成は、前記第１、第２又は第３の構成において、直流電気鉄道が並行する区間においては、電食を防止するため、インピーダンスボンド中性点と接地電極との間にコンデンサとリアクトルからなる直列共振回路を設けたことを特徴とするレール電位低減交流き電回路である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
説明の簡単のために、図１に示すような直接き電方式において、変電所近傍でレールを接地した場合のレール電位を考える。
図１の（ａ）はき電系統を示す図である。変電所１０の位置をＯ点、電気車１１の位置をＰ点（負荷点）とし、Ｏ点とＰ点の距離をｌ1 とする。電気車１１に流れる負荷電流はＩである。（ｂ）はレールの電流分布を示す図であり、（ｃ）はレール電位分布を示す図である。
【００２１】
今、Ｏ点の近傍、距離ａのＱ点でレール３を接地抵抗Ｒg を介して接地した場合を考える。この場合、レール３のアドミタンスを通して減衰している電流は、Ｑ点で透過および反射を行う。図１において、Ｑ点より右側から電流が流れ込む場合は、Ｑ点から見たインピーダンスＺは、Ｑ点より左方のレールの特性インピーダンスＺ0 と接地抵抗Ｒg が並列となっているので、数式６のようになる。
【００２２】
【数６】
0003816413.tif 000007
【００２３】
そして、Ｑ点から右方はレールの特性インピーダンスＺ0 であり、Ｑ点でインピーダンス不整合となっているため、右から進行して来た電流波は一部反射する。その反射係数ｍは数式７で与えられる。
【００２４】
【数７】
0003816413.tif 000008
【００２５】
変電所１０の位置Ｏ点において、左方へ進む電流波は変電所１０からの
−（１−ｎ0)Ｉ／２
とＰ点からの電流波
（１−ｎ0)Ｉexp(−γｌ1)／２
となり、従って、右方からＱ点に到着する電流波ＩQ は数式８で表される。
【００２６】
【数８】
0003816413.tif 000009
【００２７】
次に、Ｑ点で反射して右方へ向う電流波ＩQRは、数式８の電流波ＩQ に反射係数ｍを乗じたものであるから、数式９のようになる。
【００２８】
【数９】
0003816413.tif 000010
【００２９】
従って、Ｑ点でのそれぞれの電流波ＩQ とＩQRを合成したレール電流Ｉa は、電流の方向は右方を正として表すと、数式１０のようになる。
【００３０】
【数１０】
0003816413.tif 000011
【００３１】
次に、Ｑ点における電圧Ｖa は電流に特性インピーダンスＺ0 をかけて求められる。ただし、電圧は電流の流れ方向にかかわらず、その向きは同じであるので、左方に進む電流についての符号は＋となる。従って、数式１１のようになる。
【００３２】
【数１１】
0003816413.tif 000012
【００３３】
Ｑ点で完全接地、即ちＲg ＝０で接地すると反射係数ｍは数式７よりｍ＝−１となるから、数式１１よりＶa ＝０となる。
逆に、Ｑ点を全く接地しない場合、即ちＲg ＝∞とすると、反射係数ｍは数式７よりｍ＝０となるから、Ｑ点における電圧Ｖa は数式１１より数式１２のようになる。
【００３４】
【数１２】
0003816413.tif 000013
【００３５】
以上のように、接地点Ｑのレール電位は接地抵抗Ｒg が小となるほど電位が低くなり、Ｒg ＝０でＶa ＝０となることが分かる。即ち、レールを抵抗Ｒg で接地すればレール電位を抑制することができる。
しかしながら、図１の（ｃ）に示すように、接地点であるＱ点から離れるにつれて低減効果が少なくなり、負荷点では最大電圧となる。
そこで、き電回路全体に渡ってレール電位を低減するには数ｋｍおきにレールを接地する多点接地が有効となる。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図２は、ＡＴき電回路における多点接地の概念図である。レールは１列車しか入らない閉そく区間を設けており、これを軌道回路と呼んでいる。
レールの破断検知を考えると、軌道回路５に並列に接続される導体は最低２軌道回路が必要であり、更に余裕を考えると、３軌道回路以上が必要である。
【００３７】
すなわち、レール３と並列に接続される、電車線路のがいしせん絡を検知する保護線７は、３軌道回路以上離れて、ＣＰＷ８によりレール３のインピーダンスボンド４の中性点と接続されている。
同様に、レール３のインピーダンスボンド４を接地することは、軌道回路５と並列回路を作ることになるので、ＣＰＷ８と同様に３軌道回路以上離すことが必要になる。
【００３８】
従って、レールのインピーダンスボンド４を接地する位置には必ずしもＣＰＷ箇所でなくても良いが実用上はＣＰＷ箇所で接地することが軌道回路の並列箇所を少なくすることになり、実施が容易となる。
また、例えばＣＰＷ８と接地の位置を同じ箇所にした場合、その箇所は、ＡＴ箇所と、ＡＴ箇所の中間に１箇所の場合が一般的であるが、ＡＴ間隔が長くなれば軌道回路条件が許されるならば２箇所，３箇所も可能である。
【００３９】
図３はＡＴき電回路と電気車の位置（負荷点）およびその位置におけるレール電位との関係を示す図である。（ａ）はき電系統図である。（ｂ）は（ａ）のき電系統における電気車１１の位置とその位置のレール電位を示している。（ａ）のレール３上の位置を示すＡ，Ｂ，Ｃ，……と（ｂ）の横軸におけるＡ，Ｂ，Ｃ，……と対応する。
【００４０】
（ｂ）の実線曲線は（ａ）におけるＣＰＷ８および接地回路９がすべてない場合のレール電位の変化を示している。電気車がＡ点即ち、ＡＴ１の位置にあるときのその点におけるレール電位が最も低く、電気車が右方へ移動するにつれ、電気車の位置のレール電位は上昇し、Ｂ点即ちＡＴ１とＡＴ１の中間点で最大となり、前述の数式５のレール電位となる。中間点（Ｂ点）を過ぎるとほぼ対称の曲線で低下して行き、ＡＴ１の位置であるＣ点で最小となる。これはＡ点の電位と同じである。
【００４１】
Ｃ点を通過すると再び上昇し始め、次のＡＴ１の位置（Ｆ点）との中間点で最大になる。ここで、中間点までの距離がＡ点からＢ点までの距離より長くなっているので、中間点での最大値は数式５から分かるようにＢ点における値よりも大きくなる。中間点を通過するとほぼ対称の曲線でＦ点まで低下する。
【００４２】
次に、Ａ〜Ｆの各点をＣＰＷ８によって保護線７に接続した場合の電位を示すと実線曲線の下の点線曲線のようになる。この場合、Ｂ点，Ｄ点，Ｅ点では曲線に窪みを生じており、最大値は無対策時（実線曲線の場合）に比べて約７０％に低減する。
【００４３】
更に、Ａ〜Ｆの各点を接地回路９にて接地すると、更に下の点線曲線のようになり、レール電位は回路条件により異なるが、無対策の場合に較べて約４分の１以下に低減する。
このように、レールを多点接地することにより、レール電位を低減することができる。
【００４４】
また、レール回路のインピーダンスを下げるとレール電位を低減することができるから、複線区間では、上下線のレールを結ぶクロスボンドの実施が考えられる。図４に複線区間の上下線のレールのクロスボンドの例を示す。
これは、図３の（ａ）に示すようなＡＴき電回路が上下線並行して設けられている場合にＡ点同士、Ｃ点同士、Ｆ点同士を接続し、接地回路９を共通にした回路構成である。
【００４５】
また、各接地点の接地回路抵抗Ｒg が小さい程、電位低減効果は大となる。
このような接地電極の例としては、高架区間においては高架脚部の鉄筋を利用したり、トンネル区間においてはトンネル用鉄筋または路盤鉄筋を利用することが考えられる。これらの場合、１〜数Ωの低抵抗接地電極が得られる。図５に接地電極として利用する鉄筋の例を示す。（ａ）は高架脚の鉄筋を利用する例である。高架脚の地中部分の鉄筋に絶縁電線の導体を黄銅ろう溶接して接地電極とする。（ｂ）はトンネル区間の場合でありトンネル用鉄筋または路盤地中に張られている路盤鉄筋を（ａ）と同様に接地電極とする。また、充分低い接地抵抗の得られる埋設接地線と接続してもよい。
【００４６】
なお、直流電気鉄道が当該交流電気鉄道のき電回路に近接して並行する場合は、直接接地すると直流電流が交流き電回路のレールに分流し、電食の原因になる。このため、図６に示すようにコンデンサ１３とリアクトル１４の直列回路からなる、直流電流をカットすると共に、交流に対してインピーダンスを小さくした直列共振回路１５を通してレールを接地すれば良い。
【００４７】
このとき、き電周波数をｆヘルツ、コンデンサ１３の容量をＣファラッド、リアクトル１４のインダクタンスをＬヘンリとすれば、ＣとＬの値は数式１３を満足するように選べばよい。
【００４８】
【数１３】
0003816413.tif 000014
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレール電位低減交流き電回路は、ＡＴ箇所およびその中間のＣＰＷ箇所でインピーダンスボンドの中性点を接地するようにしたのでレール電位を低減することができ、その結果ＡＴ間隔の延伸が可能となるという利点があるとともに、上下線で構成される複線区間において、上下線のレールがＣＰＷ箇所で接続されるクロスボントが施されていても、レール電位が低いことから片線で電気車が走行していても他線での作業が可能となるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】直接き電方式におけるき電系統、レール電流分布およびレール電位分布を示す図である。
【図２】ＡＴき電回路における多点接地の概念図である。
【図３】ＡＴき電回路と電気車の位置（負荷点）におけるレール電位との関係を示す図である。
【図４】複線区間における上下線のレール間のクロスボンドの例を示す図である。
【図５】接地電極の例を示す図である。
【図６】インピーダンスボントの中性点からの接地回路に電食防止用の直列共振回路を挿入した例を示す図である。
【図７】直接き電方式のき電系統、レール電流分布およびレール電位分布を示す図である。
【図８】ＡＴき電方式のき電系統と電気車がＡＴ間の中央にいる場合のレール電位分布を示す図である。
【符号の説明】
１  単巻変圧器（ＡＴ）
２  トロリ線
３  レール
４  インピーダンスボンド
５  軌道回路
６  き電線
７  保護線（ＰＷ）
８  ＣＰＷ
９  接地回路
１０  変電所
１１  電気車
１２  クロスボンド
１３  コンデンサ
１４  リアクトル
１５  直列共振回路
【図１】
0003816413.tif 000015
【図２】
0003816413.tif 000016
【図３】
0003816413.tif 000017
【図４】
0003816413.tif 000018
【図５】
0003816413.tif 000019
【図６】
0003816413.tif 000020
【図７】
0003816413.tif 000021
【図８】
0003816413.tif 000022