JPH02106447A - 直流電車き電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、変電所から直流き電線を介してき電した直流
電力を、電車線を介して直流電車に供給するための直流
電車き電システムに関する。

（従来の技術） 第５図は、従来のこの種のき電システムを示すものであ
る。同図において、１，２は交流系統１４゜２４から高
圧または特別高圧の引込線１３．２３によって交流電力
が引き込まれるき重用変電所であり、これらの変電所１
，２では、変圧器１１．２１により引込線１３．２３の
電圧を直流電車６１．６２に適した電圧まで降圧する。

降圧後の交流電力は半導体変換器１２．２２により直流
電力に変換され、き電線３、電車線４を介して直流電車
６１．６２に供給される。

なお、５はレールを示している。

二二で、上記半導体変換器１２．２２としては一般にダ
イオード整流器が多く用いられているが、直流電車が回
生制動可能な場合で直流回生電力が交流系統に戻される
場合には、半導体変換器１２．２２としてサイリスタ変
換器が使用されている。

いま、第５図において電車６１がカ行運転している場合
、電車６２の回生制動運転が行なわれると、その回生電
力は電車６１のカ行電力として使用される。変電所１，
２の半導体変換器１２．２２がダイオード整流器である
場合には、回生電力は常にカ行電力以下となり、半導体
変換器１２．２２から見れば電車６１に対して直流電力
を供給していることになる。一方、半導体変換器１２．
２２がサイリスタ変換器のように逆変換可能な変換器の
場合であって回生電力がカ行電力を越えて大きくなると
、その越えた分の電力は半導体変換器１２．２２及び変
圧器１１゜２１を介して変電所１，２から交流系統１４
．２４に回生される。

また、第５図においてＬｓは変電所１，２の間隔長を示
しており、この間隔長Ｌｓは、カ行運転の場合では電車
電圧が規定値以下に下がらないように、また、回生運転
の場合では規定値以上に上がらないように決められてい
る。ここで、直流き電圧としては通常１５００Ｖが採用
されており、き電線路の電圧降下によって電車電圧が通
常１１００　Ｖ以下にならないように変電所の間隔長Ｌ
ｓが決められている。この間隔長Ｌｓは、電車の集電電
力。

き電線路の材質や断面積、電車の運転ダイアグラム等に
よって大きく異なるが、一般に３ｋｍ〜５−となってい
る。

次に、第６図は間隔長がＬｓである第１及び第２の変電
所（図中、■、■で示す）間に電車が１編成ある場合の
電車電圧Ｖｄと各変電所からの位置Ｑとの関係を示した
もので、カ行運転の場合は実線により１回生運転の場合
は破線によりそれぞれ表わしである。

この図において、カ行運転している電車の位置が変電所
■または■に至近である場合には、電車電圧Ｖｄは変電
所の送り出し電圧Ｖｄ、（例えば１６５０Ｖ）にほぼ等
しくなる。そして、電車電圧Ｖｄは電車が変電所■また
は■から離れるに従い、き電線及び電車線の電圧降下分
ΔＶｄだけＶｄ、より徐々に低下し、間隔長Ｌｓの中間
点Ｌｓ／２の位置で最小値Ｖ　ｄ　ｗｉｎとなる。従っ
て、この最小値Ｖｄｍ１ｎが規定値（例えば１１００Ｖ
）以上になるように変電所の間隔長Ｌｓが決められてお
り、その計算式は以下の（１）式のようになる。

・・・・・・・・・・・・・・・（１）ここで、Ｐは電
車の消費電力（：ＫＶ）　、ｒはき電線、電車線及びレ
ールを含めたき電回路のｌｋｍ当たりの抵抗〔Ω／ｋｍ
）である。

一方、電車が回生制動運転により直流電力を変電所の変
換器を介して回生ずる場合（カ行運転車両が変電所間に
ない場合）は、第６図の破線に示すように電車電圧Ｖｄ
は変電所送り出し電圧Ｖｄ。

よりも高くなり、間隔長Ｌｓの中間点Ｌｓ／２で最大と
なる。

次に、第５図に示した変電所１，２の如き、き重用変電
所の建設費用について考察してみる。前述したように、
この種の変電所は特高受電する場合が多い（一般に別々
の電力系統から２回線受電する場合が多い）ため、特高
引込線の建設費用が高くなる。また、特高受電等により
変電所の建設用地も通常より広く必要になり、変電所建
設費も高くなる。

このような背景から、変電所の数はできるだけ少ない方
が経済的である。すなわち、変電所の間隔長Ｌｓはでき
るだけ長いことが好ましい。このためには、前記（１）
式から電車電圧を高めることが有効であるが、この電車
電圧は例えば１５００Ｖと固定されているため、高める
ことができない。

また、前記（１）式において抵抗ｒを減らすことによっ
ても間隔長Ｌｓの増大は一応可能である。

このためにはき電線の並列数を増す等の方法が考えられ
るが、き電線が架設される電柱等の支持強度上の制約が
あるため、抵抗ｒの低減による間隔長Ｌｓの増大にも限
度がある。

（発明が解決しようとする課題） 以上の理由により、従来のき電システムでは変電電の間
隔長Ｌｓを３〜５ｂ以上にすることができず、必然的に
変電所の数が増え、その建設費が膨大になるという欠点
があった。また、変電所の間隔が短いためにある時点で
一変電電区間に入っている電車数が少なく、しかもこの
変電所区間を電車が通過する時間が短くなる。このため
、変電所設備にかかる電力負荷が間欠的になり、設備の
利用率が低い等の問題があった。

すなわち、直流電車き電システムとしては、変電所等の
き電設備建設費を低減させ、かつ変電所設備利用率の向
上を図ることが解決課題として存在していた。

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもので
、その目的とするところは、変電所からのき電電圧を電
車電圧よりも大幅に高めて変電所の間隔長を長くするこ
とにより、き電設備建設費を低減させ、しかも変電所設
備利用率を向上させた経済的かつ高信頼性の直流電車き
電システムを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、変電所から主き電
線に電車電圧より大幅に高い電圧をき電し、主き電線と
電車側の補助き電線との間に、直流電力を順・逆両方向
に変換可能で変電所間に適宜な間隔で複数台設置される
チョッパポストを接続するものである。そしてこのチョ
ッパポストを、主き電線及び補助き電線間で直流電圧を
降圧・昇圧し、かつ故障時にき電回路から切り離し可能
な単位チョッパの如き単位半導体直流／直流変換器をそ
れぞれ複数台並列接続して構成すると共に、何れかの単
位半導体直流／直流変換器が故障した場合においてもチ
ミッパとしての動作周波数が正常時と等しくなるように
前記単位半導体直流／直流変換器を多相運転することを
特徴とする。

（作用） 本発明によれば、変電所間に分散設置されたチョッパポ
ストにより、電車電圧よりも大幅に高いき電電圧が電車
線電圧まで降圧され、この電圧は補助き電線及び電車線
を介して直流電車にき電される。すなわち、本発明では
変電所の間隔長を大幅に長くしても、変電所の送り出し
電圧を高くして変電所間に複数台のチョッパポストを設
けることにより、このチョッパポストから規定最小値以
上の電車電圧を供給することができる。

前記チョッパポストは、電車がカ行運転の時に降圧チョ
ッパとして動作し、電圧の高い主き電線から電圧の低い
補助き電線にカ行電力を供給するように作用する。また
、電車が回生制動運転の時は、前記チョッパポストは昇
圧チョッパとして動作し、電圧の低い補助き電線から電
圧の高い主き電線に回生電力を戻し、この回生電力は主
き電線から他のチョッパポスト及び補助き電線を介して
カ行運転中の電車が吸収するように作用する。

更に、前記チョッパポストは、複数台の単位半導体直流
／直流変換器が多相運転しており、このうちの何れかが
故障した場合には当該直流／直流変換器を切り離すと共
に、チョッパポストの動作周波数が変わらないように単
位半導体直流／直流変換器を制御して継続運転を行なう
。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の一実施例を説明する。

第１図はこの実施例の構成を直流電車と共に示したもの
である。同図において、前記同様に１゜２は交流系統か
ら高圧または特別高圧の引込線１３゜２３によって交流
電力が引き込まれるき重用変電所であり、これらの変電
所１，２には、変圧器１１゜２１及び順逆変換可能なサ
イリスタ変換器等の半導体変換器１２．２２が設けられ
ている。

半導体変換器１２．２２の出力側には主き電線７が接続
されており、本実施例ではこの主き電線７の電圧すなわ
ち変電所１，２の送り出し電圧が電車電圧よりも大幅に
高くなるように半導体変換器１２゜２２が制御される。

また、主き電線７には、順・逆両方向に直流電力を変換
可能な半導体直流／直流変換器からなるチョッパポスト
８ａ、　８ｂ、・・・・・・、　８ｎの第１の正極端子
Ｐ１がそれぞれ接続されており、これらの第２の正極端
子Ｐ、は従来のき電線（第４図における符号３）に相当
する補助き電線３にそれぞれ接続されている。ここで、
チョッパポスト８８〜８ｎの各設置間隔りは従来におけ
る変電所の間隔長Ｌｓ（第５図参照）に相当しており、
換言すれば、この実施例における変電所１，２の間隔長
は従来のＬｓの整数倍となっている。

また、補助き電線３には電車線４が接続され、この電車
線４からパンタグラフを介して電車６１〜６３に直流電
力を給電可能となってい°る。更に、５はレールであり
、このレール５は各チョッパポス）−８ａ〜８ｎの負極
端子Ｎ及び半導体変換器１２．２２に接続されている。

前記チョッパポスト８８〜８ｎは、電車のカ行運転時に
は順方向に変換動作を行なって直流電力を主き電線７か
ら補助き電線３に供給する降圧チョッパとして働き、ま
た、電車の回生制動時には逆方向に変換動作を行なって
電車電力を電車線４及び補助き電線３から主き電線７に
戻す昇圧チョッパとして働くものである。

次に、降・昇圧チョッパとしてのチョッパポスト８８〜
８ｎの構成の一例を第２図に示す。なお同図において、
符号８は同一構成であるチョッパポスト８８〜８ｎを代
表したチョッパポストを示している。

図において、８１．８２はそれぞれ正極端子Ｐ１゜Ｐ２
に接続され、かつ、リアクトル及びコンデンサにより構
成される入力フィルタ及び出力フィルタであり、８３〜
８６は上記各フィルタ８１．８２間に並列接続された単
位半導体直流／直流変換器としての４台の単位チョッパ
を示している。これらの単位チョッパ８３〜８６はすべ
て同一の構成であり、各フィルタ８１．８２間に断路器
８３ａと降圧チョッパ用スイッチ８３ｂと断路器８３ｄ
とを直列に接続すると共に、降圧チョッパ用スイッチ８
３ｂ及び断路器８３ｄの接続点と負極端子Ｎ間に昇圧チ
ョッパ用スイッチ８３ｃを接続して構成されている。

ここで、降圧チョッパ用スイッチ８３ｂ及び昇圧チョッ
パ用スイッチ８３ｃは、ＧＴＯサイリスタとダイオード
とを逆並列接続したものと同じ機能を持つ逆導通ＧＴＯ
サイリスタにより構成されている。また、断路器８３ａ
、　８３ｄは単位チョッパの故障時に断路することで当
該単位チョッパをき電回路から切り離すべく作用する。

次に、この実施例の動作を第３図を参照しつつ説明する
。まず、第１図に示した変電所１，２からの送り出し電
圧を従来のに倍のｋ　−Ｖｄ０とし、各チョッパポスト
８ａ〜８ｎがこれをＶｄ０まで降圧して出力するものと
する。第３図は、この場合の各変電所１，２からの位置
Ｑとカ行運転している電車の電圧Ｖｄ（図中、Ａ）、及
び主き電線７の電圧（図中、Ｂ）を示している。なお、
図において■。

■は変電所１，２の位置、ａｊ　ｂ、ｃ、ｄｌ・・・・
・・はチョッパポスト８８〜８ｎの設置位置である。

同図から明らかなように、この実施例では、変電所１，
２の間隔長を大幅に長くした結果、変電所１，２の中間
点における主き電線７の電圧が著しく低下したとしても
、変電所１，２の送り出し電圧を従来よりも大幅に高め
、しかも変電所１゜２間にチョッパポスト８ａ〜８ｎを
複数台設けることにより、隣合うチョッパポスト間の中
央付近における電車電圧が規定最小値（例えばｌ１００
Ｖ）を越えないような制御が行なわれ、これによって何
ら支障のないき電を行なうことができる。従って、変電
所の数を少なくできると共に、これに伴って増加するチ
ョッパポストの設備費用は変電所の建設費用に比べれば
僅かであるから、全体としてき電システムのコスト低減
が可能となる。

一方、チョツパポスト８８〜８ｎ自体の動作としては、
第１図において例えば電車６１がカ行運転している場合
には、第２図の降圧チョッパ用スイッチ８３ｂのオン、
オフにより降圧チョッパとして動作し、電圧の高い主き
電線７から電圧の低い補助き電線３にカ行電力を供給す
る。また、このときに例えば電車６２が回生制動運転を
行なうと、チョッパポストは第２図の昇圧チョッパ用ス
イッチ８３ｃのオン、オフにより昇圧チョッパとして動
作し。

電圧の低い補助き電線３から電圧の高い主き電線７に回
生電力を戻して他のチョッパポストからカ行運転してい
る電車６１にカ行電力を供給する。

次いで、チョッパポストを構成する単位チョッパ８３〜
８６の正常時及び故障時の動作を、第４図に基づき説明
する。なお、この場合、チョッパポストは４台の単位チ
ョッパ８３〜８６からなっているため、正常時には４相
チヨツパとして動作する。

まず、第４図（ａ）は単位チョッパ８３〜８６がすべて
正常動作を行なっている場合の出力（＝入力）電流波形
である。単位チョッパ８３〜８６が周波数ｆＣＨで動作
するものとすると、チョッパポストは４相運転するため
その入力、出力周波数ｆ０は４ｆｃＨとなり、単位チョ
ッパ８３〜８６の合成出力電流の周期は１／ｆ０（＝１
／４　ｆｃＨ）となる。

次いで同図（ｂ）は、例えば単位チョッパ８６が故障に
より切り離されて動作している場合の出力電流波形を示
しており、このとき、単位チョッパ１台が切り離される
ため、チョッパポスト全体では３相チヨツパとなる。こ
のように３相チヨツパとして動作している場合でも、チ
ョッパポストの入力、出力周波数は、き電線に流れる電
流の高調波成分に制約があることから、上述した４相チ
ヨツパの場合と同様に４ｆｃｏでなくてはならない。す
なわち、正常動作している３台の単位チョッパ８３〜８
５の合成出力電流の周期を前記同様に１／ｆ。

（＝　１　／　４　ｆ　ｃＨ）に維持することが必要で
ある。

このためには、単位チョッパの動作周波数を、ｆ　ｃＨ
＝　　−ｆ　ｃｏ　　　　　５０−“−−（２）とする
ように制御すればよく、これにより、チョッパ周期は同
図（ｂ）に示すように１７ｆａＨ’となる。従って、チ
ョッパポストの動作周波数を１／ｆａ（＝１／４　ｆａ
Ｈ）に保つことができ、外部から見れば正常時と同一の
動作が継続されてチョッパポストの動作信頼性を高める
ことができる。

なお、上記実施例では、チョッパポストを４台の単位チ
ョッパにより構成して４相チヨツパとしであるが、単位
チョッパの台数すなわち多相動作の相数は任意の複数で
よい、また、チョッパポストの入力フィルタ、出力フィ
ルタは各単位チョッパで共用することなくそれぞれ個別
に備えていてもよい。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、変電所送り出し電圧を電
車電圧より大幅に高めてき電し、しかも順・逆変換可能
な複数台の単位半導体直流／直流変換器にて構成したチ
ョッパポストを変電所間に適宜な間隔で複数台設置し、
このチョッパポストにより所定の電車電圧まで降圧して
き電するようにしたため、変電所間隔長を従来よりも大
幅に畏くすることができ、変電所の数を少なくすること
ができる。従って、変電所建設費用の低減が可能であり
、チョッパポストが比較的安価であることとあいまって
総合的に安価なき電システムを実現することができる。

また、変電所間隔長が長くなる結果、変電所区間に存在
する電車数が増し、かつ変電所区間を通過する時間が長
くなるため、変電所設備機器の稼働率が高まり、設備利
用効率も向上する。

加えて、チョッパポストを構成する単位半導体直流／直
流変換器の故障時には、これを切り離しテ従前と同一周
波数でチョッパポストを継続的に動作させるため、チョ
ッパポストの動作信頼性ひいてはき電システム全体の信
頼性も向上する等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は
チョッパポストの構成図、第３図は上記実施例の動作を
説明するための電車位置と電車電圧等の関係を示す図、
第４図（ａ）、（ｂ）はチ１ツバポストの動作を示す電
流波形図、第５図は従来例を示す概略構成図、第６図は
その動作を説明するための電車位置と電車電圧等の関係
を示す図である。 １．２・・・変電所　　　　　３・・・補助き電線４・
・・電車線　　５・・・レール　　６１〜６３・・・電
車７・・・主き電線　　８，８ａ〜８ｎ・・・チョッパ
ポスト８１・・・入力フィルタ　　　８２・・出力フィ
ルタ８３〜８６・・・単位チョッパ　８３ａ　、　８３
ｄ・・・断路器８３ｂ・・・降圧チョッパ用スイッチ ８３ｃ・・・昇圧チョッパ用スイッチ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 変電所から直流き電線を介してき電した直流電力を電車
   線を介して直流電車に供給する直流電車き電システムに
   おいて、 電車電圧より高い直流電圧が前記変電所からき電される
   主き電線と、前記電車線を介して前記直流電車にき電す
   るための補助き電線と、前記主き電線及び補助き電線間
   に接続されてこれらの各き電線間で直流電力を順・逆両
   方向に変換し、かつ、前記変電所間に適宜な間隔で複数
   台設置されるチョッパポストとを備え、 このチョッパポストは、前記主き電線及び補助き電線間
   で直流電圧を降圧・昇圧し、かつ故障時にき電回路から
   切り離し可能な単位半導体直流／直流変換器をそれぞれ
   複数台並列接続して構成されると共に、前記単位半導体
   直流／直流変換器の故障前後におけるチョッパポストの
   動作周波数が同一となるように前記単位半導体直流／直
   流変換器を動作させることを特徴とする直流電車き電シ
   ステム。