JP7463256B2 - レール破断検知装置およびレール破断検知システム - Google Patents
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Description
なお、日本信号技報 巻:35号(非特許文献1)には、上記特許文献2の発明を適用したレール破断検知システムを実際の線路に適用して行なった実証試験の結果についての報告が記載されている。
本発明の他の目的は、左右のレール間を同電位にするためのセクションボンドが設けられている線区において、線区内の広い範囲に亘って任意の箇所でのレール破断を検知することができるレール破断検知システムを提供することである。
一対のレールの一方によって構成された第1測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第2測定区間とが設定され、帰線電流によって前記第1測定区間に生じた電圧差および帰線電流によって前記第2測定区間に生じた電圧差の不平衡から前記レールの破断を検知する機能を有するレール破断検知装置であって、
前記第1測定区間の電圧降下量を増幅して第1電圧降下信号を出力するゲインが可変である第1増幅回路と、
前記第2測定区間の電圧降下量を増幅して第2電圧降下信号を出力するゲインが可変である第2増幅回路と、
前記第1増幅回路から出力された前記第1電圧降下信号と前記第2増幅回路から出力された前記第2電圧降下信号とに基づいてレールに破断箇所があるか否か判定する信号処理装置と、を備え、
前記信号処理装置は、前記第1電圧降下信号および前記第2電圧降下信号の不平衡から前記レールの破断を検知可能であり、
前記第1増幅回路および前記第2増幅回路は、前記信号処理装置からの制御信号に応じて、それぞれ前記第1測定区間と前記第2測定区間の1mV~250mVの電圧降下量を増幅して、前記信号処理装置の入力レンジに適したレベルの前記第1電圧降下信号および前記第2電圧降下信号を出力する機能を有するように構成したものである。
前記信号処理装置は、入力信号のレベルに応じて、前記可変ゲイン型計装アンプのゲインを制御するゲイン制御信号を生成する機能を有し、
前記第1増幅回路と前記第2増幅回路は、前記ゲイン制御信号によって同一のゲインに設定されるように構成する。
かかる構成によれば、第1増幅回路のゲインと第2増幅回路のゲインを異なるゲイン制御信号によって制御するものに比べて、回路をシンプルにすることができ、コストアップを回避することができる。
前記第1増幅回路から出力された前記第1電圧降下信号V1と、前記第2増幅回路から出力された前記第2電圧降下信号V2と、に基づいて、次式
Ru=(|V1|-|V2|)/(|V1|+|V2|)
を用いて不平衡率Ruを算出し、当該不平衡率が予め設定された値よりも大きい場合に、レールに破断箇所があると判定するように構成する。
前記可変ゲイン型計装アンプの後段にそれぞれ接続されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの後段にそれぞれ接続された絶縁アンプと、
を含み、前記可変ゲイン型計装アンプの出力端子および/又は前記絶縁アンプの入力端子と接地点との間に電圧クランプ手段が接続されているように構成する。
かかる構成によれば、可変ゲイン型計装アンプのゲインが高いゲインに設定されている状態で大きなレベルの電圧が計装アンプに入力されたような場合、絶縁アンプに過大な電圧が入力するのを防止して、回路を保護することができる。
一対のレール間を短絡する複数のレール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とが適切な距離をおいて設けられている軌道において、前記レール間短絡手段とレール間短絡手段とに挟まれた区間又は前記レール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とに挟まれた区間をそれぞれ1つの検知対象区間とし、前記検知対象区間ごとに一対のレールの一方によって構成された第1測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第2測定区間とが設定されているようにしてものである。
図1には本発明に係るレール破断検知装置の設置例が、また図2には図1のレール破断検知装置を用いたレール破断検知システム全体の構成例が示されている。
図1において、SB1,SB2は、レールL1、L2間を短絡することで同一電位にして感電を防止するために設けられるセクションボンドであり、一般に数km(例えば1~4km)の距離をおいて設けられている。そして、このようなセクションボンドSB1,SB2……があることによって、左右のレールを流れる帰線電流が平衡にされる。
AD変換回路26A,26Bは例えば10msのような周期でサンプリングしてAD変換を行い、CPU27は入力データを所定の時間で平均化し、平均化したデータで不平衡率の計算を行う。AD変換回路26A,26BとCPU27とによって、信号処理装置が構成される。なお、絶縁アンプ25A,25BとAD変換回路26A,26Bとの間に、抵抗分圧回路(例えば1/3分圧)やバッファアンプ(ゲイン1)、固定ゲイン(例えば×3)のアンプなどを設けても良い。
具体的には、オーバーレンジ動作時は増幅回路の最終段のアンプ(図3では絶縁アンプ25A,25B)が飽和出力となるので、CPU27は、AD変換回路26A,26Bにてオーバーレンジ入力(飽和)状態が発生していることを検出した場合は、計装アンプ23A,23Bのゲインを低いゲインに切り替えるゲイン制御信号GCを出力してゲインレンジアップを行うように構成されている。
なお、レンジアップ時またはレンジダウン時には、計装アンプ23A,23Bの出力が不安定になるため、ウェイトタイムを設ける。また、装置の起動時には、有効なレンジのうち最も低いレンジとなるように計装アンプ23A,23Bのゲインを設定すると良い。
レール破断がない正常な軌道の場合、レールL1、L2に流れる帰線電流I1、I2は、ほぼ平衡しており、レールL1の測定区間D1及びレールL2の測定区間D2の長さがほぼ等しいという条件下では、測定区間D1において生じる電位差ΔV1と、測定区間D1において生じる電位差ΔV2は、ほぼ等しい値になる。
Ru=(|ΔV1|-|ΔV2|)/(|ΔV1|+|ΔV2|) ……(1)
により、不平衡率Ruを算出し、Ruが設定された基準値(例えば0.7)よりも高くなったときに、「レール破断あり」と判定する処理を行うことができる。なお、この際、算出した所定時間内の不平衡率を平均化し、平均化した不平衡率が基準値を超えたか否か判定するようにしても良い。
Ru=(|V1|-|V2|)/(|V1|+|V2|) ……(2)
により、不平衡率を算出することができる。
本発明者らは、本発明に先立って、どの位離れた位置で帰線電流を検出できるか調べる試験を行なった。具体的には、始発電車を対象として数km~10数km離れた駅において帰線電流を検出することができるか否か調べた。その結果、10数km離れた駅でも帰線電流を検出できることが明らかとなった。従来、そのような測定結果を記載した文献はなく、このことは、当業者にとって予想外の知見であった。
図4の電流波形は、A駅の始発時刻(AM4:30)の20秒後付近でD駅での測定電流が増加していることから、5.5km離れた位置から帰線電流を測定できることが分かる。なお、始発時刻よりも前においても電流が変化しているのは、留置場所から始発駅まで電車が移動しており、それに伴う帰線電流を検出したためである。
図4の電流波形から、D駅から離れた場所を電車が走行している場合でも100A以上の帰線電流が流れていることが分かるが、その電車が力行運転しているためであると考えられる。しかし、100A以上の帰線電流が流れる力行運転期間は長くは続かないことが分かる。そのため、100A以上の帰線電流による常時監視は行えない。これに対し、±10A以上の帰線電流が流れる期間は何倍も長いことが分かる。従って、本実施形態のレール破断検知は、早朝の時間帯でも有効であり、常時監視に適しているといえる。
図6に示すレール破断検知装置20は、図2に示されているレール破断検知装置20における可変ゲイン型計装アンプ23A(23B)の代わりに、互いに入力レンジが異なりゲインが固定である2つの計装アンプAMP1、AMP2を設けるとともに、アンプを切り替えるアナログスイッチなどの切替え回路30A(30B)を設け、CPU27からの制御信号によって入力信号のレベルに応じて使用する計装アンプを切り替えるようにしたものである。なお、切替え回路30は、計装アンプAMP1、AMP2の前段に設けて良い。また、互いに入力レンジが異なりゲインが固定である3個以上の計装アンプと、これらのアンプを切り替える切替え回路を設けるようにしても良い。
さらに、前記実施形態においては、列車の走行に伴う帰線電流を検出してレール破断の判定を行う場合について説明したが、列車が走行していない深夜の時間帯あるいは帰線電流の流れない区間においては、セクションボンドを利用して電源装置からレールへ電流を流して上述のレール破断検知装置で電流を検出してレール破断の判定を行うようにしても良い。
12A,12B ケーブル
20 レール破断検知装置
21A,21B 入力端子部
22A,22B SPD回路(サージ保護回路)
23A,23B 可変ゲイン型計装アンプ
24A,24B ローパスフィルタ
25A,25B 絶縁アンプ
26A,26B AD変換回路
27 CPU(マイクロプロセッサ:信号処理装置)
28 DA変換回路
29 絶縁型信号伝達素子
SB セクションボンド(レール間短絡手段)
ZB 帰線電流吸上げ用インピーダンスボンド(帰線電流吸上げ手段)
Claims (5)
- 一対のレールの一方によって構成された第1測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第2測定区間とが設定され、帰線電流によって前記第1測定区間に生じた電圧差および帰線電流によって前記第2測定区間に生じた電圧差の不平衡から前記レールの破断を検知する機能を有するレール破断検知装置であって、
前記第1測定区間の電圧降下量を増幅して第1電圧降下信号を出力するゲインが可変である第1増幅回路と、
前記第2測定区間の電圧降下量を増幅して第2電圧降下信号を出力するゲインが可変である第2増幅回路と、
前記第1増幅回路から出力された前記第1電圧降下信号と前記第2増幅回路から出力された前記第2電圧降下信号とに基づいてレールに破断箇所があるか否か判定する信号処理装置と、を備え、
前記信号処理装置は、前記第1電圧降下信号および前記第2電圧降下信号の不平衡から前記レールの破断を検知可能であり、
前記第1増幅回路および前記第2増幅回路は、前記信号処理装置からの制御信号に応じて、それぞれ前記第1測定区間と前記第2測定区間の1mV~250mVの電圧降下量を増幅して、前記信号処理装置の入力レンジに適したレベルの前記第1電圧降下信号および前記第2電圧降下信号を出力する機能を有することを特徴とするレール破断検知装置。 - 前記第1増幅回路および前記第2増幅回路は、各々可変ゲイン型計装アンプを含み、
前記信号処理装置は、入力信号のレベルに応じて、前記可変ゲイン型計装アンプのゲインを制御するゲイン制御信号を生成する機能を有し、
前記第1増幅回路と前記第2増幅回路は、前記ゲイン制御信号によって同一のゲインに設定されることを特徴とする請求項1に記載のレール破断検知装置。 - 前記信号処理装置は、
前記第1増幅回路から出力された前記第1電圧降下信号V1と、前記第2増幅回路から出力された前記第2電圧降下信号V2と、に基づいて、次式
Ru=(|V1|-|V2|)/(|V1|+|V2|)
を用いて不平衡率Ruを算出し、当該不平衡率が予め設定された値よりも大きい場合に、レールに破断箇所があると判定することを特徴とする請求項2に記載のレール破断検知装置。 - 前記第1増幅回路および前記第2増幅回路は、
前記可変ゲイン型計装アンプの後段にそれぞれ接続されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの後段にそれぞれ接続された絶縁アンプと、
を含み、前記可変ゲイン型計装アンプの出力端子および/又は前記絶縁アンプの入力端子に保護回路が接続されていることを特徴とする請求項2又は3に記載のレール破断検知装置。 - 検知対象区間ごとに請求項1~4のいずれかに記載のレール破断検知装置が設けられているレール破断検知システムであって、
一対のレール間を短絡する複数のレール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とが適切な距離をおいて設けられている軌道において、前記レール間短絡手段とレール間短絡手段とに挟まれた区間又は前記レール間短絡手段と帰線電流吸上げ手段とに挟まれた区間をそれぞれ1つの検知対象区間とし、前記検知対象区間ごとに一対のレールの一方によって構成された第1測定区間と前記一対のレールの他方によって構成された第2測定区間とが設定されていることを特徴とするレール破断検知システム。
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