JP4734092B2 - 中セクションの加圧状態測定装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、電気車のき電システムにおける中セクションの加圧状態測定装置、及びこの装置で用いられるプログラムに関するものである。

図６は従来の新幹線等の電気車のき電システムを示す構成図である。
図６において、トロリ線１、２には、３相交流電源電圧を変圧器で変換してＭ座、Ｔ座巻線に得られるピーク値４２ＫＶで位相が９０°異なる２つの単相交流電圧が給電される。Ｍ座のトロリ線１とＴ座のトロリ線２との間には、略１Ｋｍの長さを有する中セクション（切替セクション）３のトロリ線が、電気的に絶縁されたエアセクション４、５を介して設けられている。トロリ線１と中セクション３との負の接続点ｐとの間には、切替開閉器６が接続点ｑを介して接続され、トロリ線２と中セクション３との接続点ｐとの間には、切替開閉器７が接続点ｑを介して接続されている。なお、上記Ｔ座、Ｍ座は、それぞれＡ座、Ｂ座と称される場合もある。

列車８がＭ座のトロリ線１から矢印方向に進行して中セクション３に進入する場合、まず、切替開閉器６をＯＮ、切替開閉器７をＯＦＦにして置く。従って、中セクション３にはＭ座の単相交流電圧が給電されている。列車８がエアセクション４を通過し、その全長が中セクション３に入った状態では、列車８にはＭ座の単相交流電圧がき電される。次に、切替開閉器６をＯＦＦにして列車８へのき電を３００ｍｓの間停止した後、切替器７をＯＮにする。これにより中セクション３にはＴ座の単相交流電圧が給電される。
列車８がエアセクション５を通過し、その全長が中セクション３を抜け出すと、再び切
替開閉器６をＯＮ、切替開閉器７をＯＦＦにして次の列車を待機する。列車８には引き続
いてＴ座の単相交流電圧がき電される。

新幹線においては、このような中セクションが変電所又はき電区分所の各き電区間毎（３０〜４０ｋｍ毎）に設けられ、これによって列車が異なる電源区間を短絡することなく通過できるようにしている。また、位相の異なる２つの単相交流電源を交互にき電することにより、３相交流電源の負荷の不平衡を軽減するようにしている。尚、このようなき電システムについては、例えば特許文献１に開示されている。また、後述する本発明に関してポッケルス電界センサを用いて雷サージ等を検知可能にした技術が例えば特許文献２に提案されている。
特開２００２−３６９３１１号公報 特開平１０−５４８５０号公報

上述した中セクションにおける切替開閉器の動作により発生するサージ電圧等の過度現象を測定して事故原因の究明等のための参考データを得ることが行われている。その場合、従来は中セクションに分圧抵抗器やＶＴ（ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ)を直接接続して測定する方法が行われていた。しかしながら中セクションは、列車が通過する度に切替開閉器が動作し、過電圧や変圧器の励磁突入電流の発生等の過酷な電気的な過度現象に曝されているため、ＶＴが焼損しやすく、また、過渡現象が非常に早い（１００ｋＨｚ以上）ため測定が不可能になることがあると共に、測定の度に分圧抵抗器やＶＴを取り付けなければならない等の問題があった。
本発明は、分圧抵抗器やＶＴを接続することなく、非接触で中セクションの加圧状態を精度良く測定できるようにすることを課題とする。

本発明により中セクションの加圧状態測定装置は、電気車のき電システムにおける中セクション導体からの電界を検出し光信号を出力するポッケルス電界検出手段と、前記光信号を電気信号に変換する光電変換手段と、定常状態において前記中セクション導体に加圧される交流電圧を参照電圧として、前記変換された電気信号における交流波形のピーク値と前記変換された電気信号における過渡値と前記参照電圧とから、前記変換された電気信号を、前記中セクション導体に発生する過渡電圧波形に変換する波形変換手段とを備えたことを特徴とする。
また、前記ポッケルス電界検出手段は、一対の電極間に配置され、各電極間の電位差を検出することを特徴とする。

また、本発明による、中セクションの加圧状態測定装置は、電気車のき電システムにおける中セクション導体からの電界を検出し光信号を出力するポッケルス電界検出手段と、前記中セクション導体に所定の参照電圧を印加する参照電圧発生手段と、前記光信号を電気信号に変換する光電変換手段と、前記変換された電気信号における交流波形のピーク値と前記変換された電気信号における過渡値と前記参照電圧とから、前記変換された電気信号を、前記中セクション導体に発生する過渡電圧波形に変換する波形変換手段とを備えたことを特徴とする。
また、前記ポッケルス電界検出手段は一対の電極間に配置され、各電極間の電位差を検出することを特徴とする。

また本発明による中セクションの加圧状態測定装置に用いられるプログラムは、ポッケルス電界検出手段により検出された電気車のき電システムにおける中セクション導体からの電界の光信号から変換手段により変換された電気信号を読み出す手段と、定常状態において前記中セクション導体に加圧される交流電圧を参照電圧として読み出す手段と、前記参照電圧を用いて前記変換された電気信号を過渡電圧波形に変換する波形変換手段と、の各々の処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。

また本発明による中セクションの加圧状態測定装置に用いられるプログラムは、参照電圧印加手段により電気車のき電システムにおける中セクション導体に印加された所定の参照電圧を読み出す手段と、ポッケルス電界検出手段により検出された前記中セクション導体からの電界の光信号から変換手段により変換された電気信号を読み出す手段と、前記参照電圧を用いて前記変換された電気信号を過渡電圧波形に変換する波形変換手段と、の各々の処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明による中セクションの加圧状態測定装置によれば、従来のように分圧抵抗器やＶＴを用いることなく、中セクションの加圧状態を非接触で高精度に測定することができる。また、過電圧を正確に測定して履歴に残すことができ、事故原因の解明の参考に供することができる。また、電界の早い過渡現象を測定することができる。

また、本発明によるサージ電圧測定装置によれば、送配電線、その他の導体に発生するサージ電圧を周囲の環境等に影響されることなく、高精度に非接触で測定することができ、また電界の早い過渡現象も測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態による中セクションの加圧状態測定装置のシステム構成を示すブロック図である。
図１において、１０は測定対象導体で、ここでは中セクションのトロリ線である。１１は測定対象導体１０の加圧状態を検出するポッケルス電界センサ（以下、ポッケルスセンサという）、１２は光源、１３は光源１２の光をポッケルスセンサ１１に導入する光ファイバ、１４はポッケルスセンサ１１からの光信号を導出する光ファイバ、１５は光ファイバ１４からの光信号を電圧に変換するＯ／Ｅ変換器、１６はＯ／Ｅ変換器１５の出力値を補正する補正部、１７は出力信号、１８は全体の動作タイミング等を統括制御するＣＰＵ等を含む制御部である。ポッケルスセンサ１１は、電界が光に影響を及ぼすポッケルス効果を有するＢＧＯ結晶からなるポッケルス素子と光学系からなるものである。

上記構成によれば、測定対象１０から図示のような電界が発生している場合、光源１２から光ファイバ１３を介してポッケルスセンサ１１に導入された光は、周囲電界に応じた影響を受けた後、光ファイバ１４を介してＯ／Ｅ変換器１５に入力され、電気信号に変換される。この電気信号は補正部１６により補正されることにより、測定対象導体１０の加圧状態を示す出力信号１７を得ることができる。

上記補正部１６による補正について説明する。
ポッケルスセンサ１１は、中セクション導体である測定対象導体１０から例えば２０ｃｍ程度離隔した位置に配され、測定対象導体１０の導体電位がもたらす電界を検出するが、導体表面の電界の大きさは導体の形状や湿度等の環境により大きな影響を受ける。このため図２（ａ）に示すように、ポッケルスセンサ１１で測定された電界Ｅ0と実際の電圧Ｖ0との関係は不明確なものとなる。このため電界値から正しい電圧値を求めるには、〇／Ｅ変換器１５から得られるポッケルスセンサ１１の検出値を補正部１６により補正する必要がある。

定常状態の中セクション導体には、ピーク値４２Ｋｖの単相交流電圧（図２（ｃ））が加圧されており、サージが発生するとポッケルスセンサ１１の波形にサージ波形が重畳された図２（ｂ）のような波形が現れる。ここでＥ１はサージ電圧、Ｅ２は交流波形のピーク値を示す。ポッケルスセンサ１１はこの図２（ｂ）の波形を検出する。この検出波形から次の演算を行うことにより、図２（ｃ）の実際の電圧を求めることができる。

図２（ｃ）において、Ｖ１は実際のサージ電圧、Ｖ２は実際の交流波形を示す。ここで、
αＥ2＝Ｖ2＝４２［Ｋｖ］
αＥ1＝Ｖ1
∴Ｖ1＝（Ｖ2／Ｅ2）・Ｅ1［Ｋｖ］ ・・・・（１）
となる。

以上のように、本実施の形態によれば、サージ発生後数ｍｓ後に現れる既知の値（Ｖ2＝４２Ｋｖ）を参照電圧として用いることにより、図２（ｃ）の実際の電圧値Ｖ1、Ｖ2を高い精度で測定することができる。尚、Ｖ2の値は、サージの無い定常状態のときに別に設けたＶＴにより計測したものであってもよい。この測定は５０Ｈｚ前後であるために、汎用のＶＴを使用することが可能である。

図３は本発明の第２の実施の形態による中セクションの加圧状態測定装置のシステム構成図であり、図１と対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。
本実施の形態においては、図示のようにポッケルスセンサ１１を２つの半球型の椀状をなす電極１９、２０の中に配置している。電極１９、２０は絶縁スペーサ２１を介して突き合わせられ、内部において電極１９の接続点２２と電極２０の接続点２３がそれぞれ電線２４、２５を介してポッケルスセンサ１１におけるポッケルス素子の２つの端子２６，２７に接続されている。電極１９、２０の直径は例えば１００ｍｍであり、これが電極間隔５ｍｍを以って測定対象導体１０の直下約２０ｃｍの所に配置されている。

上記構成によれば、測定対象導体１０が加圧されると、浮遊電極である電極１９，２０の間に電位差が発生し（測定対象導体１０に近い電極１９が高電位）、これをポッケルスセンサ１１により測定することにより、中セクションにおける過度電圧をさらに精度良く測定することができる。また、電極間隔を調整することにより上記電位差を調整することができる。

図４は本発明の第３の実施の形態による切替セクションの加圧状態測定装置のシステム構成図であり、図１、図３と対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。本実施の形態は図３の装置を変電所の切替開閉器室に設置した場合の実際の構成を示すものである。

図４において、６、７は図６の切替開閉器６、７であり、切替開閉器室３０に設けられている。切替開閉器６、７の一方の接点は、接続点ｑに導線３１、３２を介して接続され、この接続点ｑは導線３３を介して図６の中セクション３の接続点ｐに接続されている。切替開閉器６、７の他方の接点は、図６のＭ座，Ｔ座のトロリ線１、２に導線３４、３５を介して接続されている。また、内部にポッケルスセンサ１１を有する電極１９、２０は導線３２の近傍に配置されている。導線３１，３２は水平に配され、導線３３、３４、３５は互いに平行に垂直に配されている。また、光源１２、Ｏ／Ｅ変換器１５は測定箱３６に収納されており、Ｏ／Ｅ変換器１５の出力信号波形をオシロスコープ３７で観測できるようにしている。なおオシロスコープ以外の機器に表示させて観測しても良いのはもちろんである。

以上説明した各実施の形態によれば、次の効果を得ることができる。
・ポッケルスセンサ１１を用いたことにより、従来のように分圧抵抗器やＶＴを用いることなく、中セクションの加圧状態を非接触で高い精度で測定することができる。
・切替開閉器の極間閃絡の事象等が発生した場合に、実際にどのレベルの過電圧が発生したかを正確に測定して履歴に残すことができ、事故原因の解明等の参考に供することができる。
・電界の過渡変化を１０ＭＨｚ以上の周波数特性で測定することができる。

・図４の第３の実施の形態のような変電所の切替開閉器室３０の場合、位相が９０°異なる電圧が加わる２つの垂直な導線３４、３５が数ｍの間隔で平行に配置されているが、これらの導線３４、３５から等距離にポッケルスセンサ１１を配置することにより、双方からの電界の影響を最小限にすることができる。
・電極１８、１９を、測定対象である水平な導線３１、３２からの電界に対しては垂直で、かつ外乱の要因となる垂直な導線３３、３４、３５からの電界に対しては水平となるように配置することにより、ポッケルスセンサ１１の感度を最大にすることができる。
・その他の回線からの電界を擾乱として受けるが、センサ配置、電極形状等を工夫することにより十分な精度を確保できる。

図５は本発明の第４の実施の形態によるサージ電圧測定装置のシステム構成を示すブロックであり、図１と対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。
図１の第１実施の形態は、本発明を中セクションの加圧状態測定装置に適用した場合であったが、本装置は電気車のき電システムのみならず、送配電線等における雷等によるサージ電圧等のように測定対象導体１０に発生するサージ電圧の測定装置として応用することができる。

その場合、測定対象導体１０に参照電圧発生部４０から参照電圧４１を印加し、この参照電圧４１にサージ電圧が重畳された波形をポッケルスセンサ１１で検出し、その検出値を前記（１）式を用いて補正部１６で補正することにより、正確なサージ電圧を測定することができる。

参照電圧４１としては、測定対象導体１０が送配電線の場合は送電される交流電圧を用いることができる。測定対象導体１０が定常状態で無電圧の場合は、何らかの参照電圧発生部４１を設けて、測定期間のみ測定対象導体１０に参照電圧４１を印加する。また、参照電圧４１は直流電圧であってもよい。尚、新幹線き電システムにおける第１〜第３の実施の形態における参照電圧発生部４１は変電所である。また、測定対象導体１０が送配電線の場合は、参照電圧発生部４１は送配電所等である。
また、このサージ電圧測定装置は、図３の電極１９、２０に収納されたポッケルスセンサ１１を用いることもできる。

本実施の形態によるサージ電圧測定装置によれば、測定対象導体１０の環境状態に拘らず測定対象導体１０に発生するサージ電圧を高精度で測定することができる。

次に、本実施の第５の形態によるプログラムについて説明する。
前述した本発明による中セクションの加圧状態測定装置及びサージ電圧測定装置の動作に基づく処理を、上記各装置におけるコンピュータシステムのＣＰＵが実行するためのプログラムは、本発明によるプロラムを構成する。

このプログラムを記録するための記録媒体としては、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ、磁気記録媒体等を用いることができ、これらをＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブル・ディスク、メモリカード等に構成して用いてよい。この記録媒体は、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部のＲＡＭ等の揮発性メモリのように、一定時間プロラムを保持するものも含まれる。

また上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから伝送媒体を介して、あるいは伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されるものであってよい。上記伝送媒体とは、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように、情報を伝送する機能を有する媒体をいうものとする。

また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

従って、このプログラム及び記録媒体を図1、図３、図５のシステム又は装置とは異なるシステム又は装置において用い、そのシステム又は装置のコンピュータがこのプログラムを実行することによって、例えば、図1、図３、図５のシステム又は装置における補正部１６およびこれを制御する制御部１８が行う参照電圧と電気信号とからサージ電圧を演算する処理を実行させることによっても、各実施の形態で説明した機能及び効果と同等の機能及び効果を得ることができ、本発明の課題を解決することができる。

本発明の第１の実施の形態による中セクションの加圧状態測定装置を示すブロック図である。 動作を説明するための各部の波形図である。 本発明の第２の実施の形態による中セクションの加圧状態測定装置のシステム構成図である。 本発明の第３の実施の形態による中セクションの加圧状態測定装置システム構成図である。 本発明の第４の実施の形態によるサージ電圧測定装置を示すブロック図である。 本発明を適用し得る中セクション（切替セクション）付近のき電システムの構成図である。

符号の説明

１ Ｍ座トロリ線
２ Ｔ座トロリ線
３ 中セクション
６，７ 切替開閉器
１０ 測定対象導体
１１ ポッケルス電界センサ
１２ 光源
１３，１４ 光ファイバ
１５ Ｏ／Ｅ変換器
１６ 補正部
１７ 加圧状態を示す出力信号
１８ 制御部
１９，２０ 電極
３１〜３５ 導線
４０ 参照電圧発生部
４１ 参照電圧

Claims (6)

1. 電気車のき電システムにおける中セクション導体からの電界を検出し光信号を出力するポッケルス電界検出手段と、
   前記光信号を電気信号に変換する光電変換手段と、
   定常状態において前記中セクション導体に加圧される交流電圧のピーク値を参照電圧値として、前記変換された電気信号における交流波形のピーク値と、前記変換された電気信号に重畳されている過渡現象を表す波形の振幅と、前記参照電圧値とから、前記中セクション導体に発生する過渡電圧値を求める手段と
   を備えたことを特徴とする中セクションの加圧状態測定装置。
2. 前記ポッケルス電界検出手段は、一対の電極間に配置され、各電極間の電位差を検出することを特徴とする請求項１記載の中セクションの加圧状態測定装置。
3. 電気車のき電システムにおける中セクション導体からの電界を検出し光信号を出力するポッケルス電界検出手段と、
   前記中セクション導体に所定の参照電圧を印加する参照電圧発生手段と、
   前記光信号を電気信号に変換する光電変換手段と、
   前記変換された電気信号における前記参照電圧に対応した信号値と、前記変換された電気信号に重畳されている過渡現象を表す波形の振幅と、前記参照電圧の値とから、前記中セクション導体に発生する過渡電圧値を求める手段と
   を備えたことを特徴とする中セクションの加圧状態測定装置。
4. 前記ポッケルス電界検出手段は一対の電極間に配置され、各電極間の電位差を検出することを特徴とする請求項３記載の中セクションの加圧状態測定装置。
5. ポッケルス電界検出手段により検出された電気車のき電システムにおける中セクション導体からの電界の光信号から変換手段により変換された電気信号を読み出す手段と、
   定常状態において前記中セクション導体に加圧される交流電圧のピーク値を参照電圧値として読み出す手段と、
   前記参照電圧値と、前記変換された電気信号における交流波形のピーク値と、前記変換された電気信号に重畳されている過渡現象を表す波形の振幅とから、前記中セクション導体に発生する過渡電圧値を求める手段と、
   の各々の処理をコンピュータに実行させるプログラム。
6. 参照電圧印加手段により電気車のき電システムにおける中セクション導体に印加された所定の参照電圧を読み出す手段と、
   ポッケルス電界検出手段により検出された前記中セクション導体からの電界の光信号から変換手段により変換された電気信号を読み出す手段と、
   前記参照電圧の値と、前記変換された電気信号における前記参照電圧に対応した信号値と、前記変換された電気信号に重畳されている過渡現象を表す波形の振幅とから、前記中セクション導体に発生する過渡電圧値を求める手段と、
   の各々の処理をコンピュータに実行させるプログラム。

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