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【発明の名称】 鉄道車両
【発明者】 【氏名】渡邉 朝紀

【氏名】廿日出 悟

【氏名】前田 孝

【氏名】小西 幹郎

【氏名】河野 仁

【氏名】吉岡 良樹
【要約】 【課題】走行時は接地電流の均一化を図りつつ、パンタグラフが架線と離接する時は高速鉄道車両の車体に発生する異常電圧を低減し、発生する車載機器の損傷等の防止を図る鉄道車両を目的とする。

【解決手段】車輪２０２の車軸と台車２０１との間を電気的に接続する接地装置２０３を複数組備える車両１０１〜１０５であって、各接地装置２０３間を相互に接続する接地電線３０１〜３０５と、接地電線３０１〜３０５と車両１０１〜１０５の車体アースとを接続するものであって炭化珪素焼結体によって形成され、かつ所定の高周波領域におけるインピーダンスが所定値以下に管理された接地抵抗器１５１〜１５５とを備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車軸と台車との間を電気的に接続する接地装置を複数組備える車両であって、前記各接地装置間を相互に接続する接地電線と、前記接地電線と、車両の車体アースとを接続するものであって、炭化珪素焼結体によって形成され、かつ所定の高周波領域におけるインピーダンスが所定値以下に管理された接地抵抗器とを備えることを特徴とする鉄道車両。
【請求項２】 車軸と台車との間を電気的に接続する接地装置を複数組備える車両であって、前記各接地装置間を相互に接続する接地電線と、前記接地電線と、車両の車体アースとを接続するものであって、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて平坦な周波数特性を有するように管理された接地抵抗器とを備えることを特徴とする鉄道車両。
【請求項３】 車軸と台車との間を電気的に接続する接地装置を複数組備える車両であって、前記各接地装置間を相互に接続する接地電線と、前記接地電線と、車両の車体アースとを接続するものであって、炭化珪素焼結体によって形成され、かつ１０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて平坦な周波数特性を有するように管理された接地抵抗器とを備えることを特徴とする鉄道車両。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両に係り、特に、高速鉄道車両で発生する車体の異常電圧を低減することができる鉄道車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄道車両のうち比較的高速な走行速度を有し、電力を駆動源とする高速鉄道車両では、常に走行速度の更新が求められている。そのため、より高電圧の電力を架線からパンタグラフを介して車両内に取り込み、それによって、より大容量の電動機を駆動するという技術が開発されてきている。
【０００３】一般に、高速鉄道車両では、架線からは２５ｋＶの高電圧の交流電力が供給されている。電力で駆動される鉄道車両（電車）が走るための動力装置を一式備えている車両をユニットと呼ぶが、一般的には２、３両で１ユニットを構成している。そして車載機器は、スペース的には、例えば第１車両に制御装置とパンタグラフ、第２車両にインバータと電動機というように分散して搭載されているのが普通である。各ユニットに電力を供給するためには、各車両に電力の引通し線を設置して、搭載されている各パンタグラフから全電力が供給される。この引通し線としては特別高圧ケーブルが使用されている。
【０００４】車中に取り入れられた高電圧電力は、車中の遮断機を介して主変圧器に接続される。そして、主変圧器の一次巻線アース側は直接車体に接続されている。ここで接地方式としては、例えば０系新幹線（新幹線開業時に使用開始された車両）の接地装置では、車体と台車が直接接続されているので、接地電流は、車体からは、接地装置（アースブラシおよびスリップリング）と、車輪軸を経由して、レールに流されるようになっている。
【０００５】しかし、より高速化を図った車両では、パンタグラフ数が例えば一列車編成中２基に減少され、特別高圧ケーブルを各ユニットに対し、引通すようになると、接地電流の分布が列車編成の両端付近の車両に集中するようになってきていた。
【０００６】一方、車体および台車の構造について着目すると、近年、車体を搭載する台車が改良され、ボルスタレス台車が使用されるようになり、車体と台車間の絶縁が強化されるようになってきている。このボルスタレス台車では、振動を抑制するために、機械的な接続部分が全てゴム等の弾性体を介して接続されるようになっており、必然的に車体と台車間の絶縁は強化されている。この結果、車体・台車間の接地電流は、ボルスタレス台車の場合、金属接触部が全くなく、接地抵抗器を通して流れるのみとなっている。
【０００７】なお、車体からレールへの接地方式については、接地電流の列車編成両端の車両への集中を緩和するとともに、制御装置のデジタル化等に伴う電気的雑音の低減のため、新幹線の２６次車以降では、車両内に接地電線を新たに設置し、ここに主変圧器一次側を接続して、車体アースは接地抵抗器を介してこの接地電線に接続するようになっていた（次数は車両の製造時期を発注回数で表現する単位であり、２６次車は昭和５３年〜５４年ごろに製造された車両である）。そして、車体のアースブラシおよびスリップリング等からなる接地装置は接地電線に接続されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来の技術では、架線から２５ｋＶの高電圧電力が供給されるにもかかわらず、パンタグラフ数を減少させ、特別高圧ケーブルをそれらのパンタグラフから全車両に引通すようにしている。更に台車と車体間の絶縁が強化されてきている。そのため、接地電流が一部の車両に集中する傾向が高まってきていた。そこで、対策として、接地電流を均等化するために接地電線と接地抵抗器が設けられるようになった。
【０００９】しかしながら、今後、さらに車両の高速化のために高電圧化等を進めると、現状の構成では、接地電流の増大に対して接地装置の定格をさらに増大させる必要が生じたり、車輪軸の軸受け等に発生する可能性のある電食を防止するための新たな対策が必要となったりすることが考えられる。また、接地電流の分布が不均一であること等に起因する電気磁気的な雑音の増大や、パンタグラフを上昇させて架線に接触させる際やパンタグラフが架線から離間する際に過渡的に短時間発生する車体の異常電圧によって、車載機器に誤動作、故障が発生する現象が起こったり、特に制御装置や台車に取り付けられた制御弁等に焼損が発生したりするといった課題も考慮する必要がでてくると考えられる。
【００１０】そこで、本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、走行時は接地電流の均一化を図りつつ、パンタグラフが架線と離接する時は高速鉄道車両の車体に発生する異常電圧を低減し、発生する車載機器の損傷等の防止を図る鉄道車両を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、車軸と台車との間を電気的に接続する接地装置を複数組備える車両であって、前記各接地装置間を相互に接続する接地電線と、前記接地電線と、車両の車体アースとを接続するものであって、炭化珪素焼結体によって形成され、かつ所定の高周波領域におけるインピーダンスが所定値以下に管理された接地抵抗器とを備えることを特徴とする。
【００１２】請求項２記載の発明は、車軸と台車との間を電気的に接続する接地装置を複数組備える車両であって、前記各接地装置間を相互に接続する接地電線と、前記接地電線と、車両の車体アースとを接続するものであって、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて平坦な周波数特性を有するように管理された接地抵抗器とを備えることを特徴とする。請求項３記載の発明は、車軸と台車との間を電気的に接続する接地装置を複数組備える車両であって、前記各接地装置間を相互に接続する接地電線と、前記接地電線と、車両の車体アースとを接続するものであって、炭化珪素焼結体によって形成され、かつ１０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて平坦な周波数特性を有するように管理された接地抵抗器とを備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明による鉄道車両の一実施形態の機器構成を示す回路図である。図１は、レール１００上で一列車を編成する複数の車両のうちの一続きの５台の車両１０１、１０２、１０３、１０４及び１０５を示している。この場合、車両１０１と車両１０２、車両１０３と車両１０４、及び車両１０５と図示していない１または数台の車両とが、それぞれ１つのユニットを構成している。
【００１４】各車両１０１〜１０５には、各４台のボルスタレス型の台車２０１によって台車２０１毎に各４本の車輪２０２が設けられている（だたし図１では図面に向かって手前側の面の台車と車輪のみ示している）。各車輪２０２には、各車両１０１〜１０５共通に、各車輪２０２の車軸に組み付けられたスリップリングと、そのスリップリングに接触するように台車２０１に設置されたアースブラシからなる接地装置２０３がそれぞれ設けられている。また、各接地装置２０３の間は、車両１０１〜１０５毎に各車両１０１〜１０５の車体アースから離間して設けられている接地電線３０１、３０２、３０３、３０４及び３０５によって、接続されている。そして、接地電線３０１と接地電線３０２、接地電線３０３と接地電線３０４、及び接地電線３０５と図示していない他の車両の接地電線は、それぞれ接続ケーブル３０６、３０７及び３０８で接続されている。
【００１５】また、車両１０３にはパンタグラフ１１１が、車両１０５にはパンタグラフ１１２が、それぞれ設けられている。また、車両１０１、車両１０３、及び車両１０５には、真空遮断器１１３〜１１５と、主変圧器１１６〜１１８と、図示していない他の制御装置とがそれぞれ設けられている。そして、車両１０２と車両１０４には、図示していないインバータと電動機がそれぞれ搭載されているものとする。
【００１６】パンタグラフ１１１は、車両１０２に設けられたケーブルヘッド１２１と、車両１０３に設けられたケーブルヘッド１２２に接続されている。パンタグラフ１１２は、車両１０４に設けられたケーブルヘッド１２３と、車両１０５に設けられたケーブルヘッド１２４に接続されている。
【００１７】ケーブルヘッド１２１には特別高圧ケーブル１３１が接続され、ケーブルヘッド１２２には特別高圧ケーブル１３２及び特別高圧ケーブル１３３が接続されている。ケーブルヘッド１２３には特別高圧ケーブル１３４が接続され、ケーブルヘッド１２４には特別高圧ケーブル１３５が接続されている。これらの特別高圧ケーブル１３１〜１３５と、後述する各特別高圧ケーブル１３６〜１３８は、それぞれ、高電圧電力が供給される芯線１４１とそのシールド１４２とから構成されている。そして、シールド１４２は、各特別高圧ケーブルが引き通されるいずれかの車両１０１〜１０５の車体にアースされている。
【００１８】上述した車両１０２内に敷設されている特別高圧ケーブル１３１は、車両１０２内の特別高圧ケーブル用直線接続部４０２、接続用特別高圧ケーブル１３６、及び車両１０１内の特別高圧ケーブル用直線接続部４０１を介して、車両１０１内に敷設されている特別高圧ケーブル１３７に接続されている。車両１０１では、特別高圧ケーブル１３７の芯線が、真空遮断器１１３の一方の端子に接続され、真空遮断器１１３の他方の端子が主変圧器１１６の一次巻線の一方の端子に接続されている。その主変圧器１１６の一次巻線の他方の端子は、接地電線３０１に接続され、接地電線３０１は接地抵抗器１５１によって車両１０１の車体にアースされている。車両１０１の車体アースは、接続ケーブル３１１と接続ケーブル３１２によって、車両１０２の車体アースに接続されている。そして、車両１０２では、接地電線３０２が、接地抵抗器１５２によって、車両１０２の車体にアースされている。
【００１９】車両１０３内に敷設されている特別高圧ケーブル１３３は、車両１０３内の特別高圧ケーブル用直線接続部４０３、接続用特別高圧ケーブル１３８、及び車両１０４内の特別高圧ケーブル用直線接続部４０４を介して、車両１０４内に敷設されている特別高圧ケーブル１３４に接続されている。車両１０３では、特別高圧ケーブル１３２の芯線が、真空遮断器１１４の一方の端子に接続され、真空遮断器１１４の他方の端子が主変圧器１１７の一次巻線の一方の端子に接続されている。主変圧器１１７の一次巻線の他方の端子は、接地電線３０３に接続され、接地電線３０３は接地抵抗器１５３によって車両１０３の車体にアースされている。車両１０３の車体アースは、接続ケーブル３１３によって、車両１０２の車体アースに接続されるとともに、接続ケーブル３１４と接続ケーブル３１５によって、車両１０４の車体アースに接続されている。そして、車両１０４では、接地電線３０４が接地抵抗器１５４によって車両１０４の車体にアースされている。
【００２０】そして、車両１０５では、特別高圧ケーブル１３５の芯線が、真空遮断器１１５の一方の端子に接続され、真空遮断器１１５の他方の端子が主変圧器１１８の一次巻線の一方の端子に接続されている。主変圧器１１８の一次巻線の他方の端子は、接地電線３０５に接続され、接地電線３０５は接地抵抗器１５５によって車両１０５の車体にアースされている。車両１０５の車体アースは、接続ケーブル３１６によって、車両１０４の車体アースに接続されるとともに、接続ケーブル３１７と接続ケーブル３１８によって、図示していない隣接する車両の車体アースに接続されている。
【００２１】以上の構成において、各車両１０１〜１０５の車体は、接地抵抗器１５１〜１５５を介して接地電線３０１〜３０５にそれぞれ接続されている。そして、接地電線３０１〜３０５からは、アースブラシ、スリップリング等からなる接地装置２０３、２０３、…を介して各車輪２０２の車輪軸からレール１００へと接地回路が構成されている。
【００２２】上記のような車体に対して、パンタグラフ１１１、１１２を上昇させて架線に接触させたり、下降して離間したりすると、その接触あるいは離間の瞬間に特別高圧ケーブル１３１〜１３８の芯線１４１に急激な電圧変化が起き、シールド１４２に高電圧が誘起される。シールド１４２は車体に接続（アース）されているので、車体には電位が発生し、車体とレール１００間に短時間、過渡的に接地電流が流れ、車体に接地電流によるサージ電圧が発生する。この瞬間に車体に搭載、接地されている車載機器に接地電流によるサージ電圧が印加されることになる。車両の高速化に伴う高電圧電力を用いる場合、サージ電圧の大きさによっては、状況に応じて絶縁の弱い部分に絶縁破壊等が発生して、機器が損傷したり、誤動作したりする可能性があるので、このサージ電圧を低減することが重要な課題となる。
【００２３】そこで、本実施の形態では、各接地装置２０３、２０３、…間を接続する各接地電線３０１〜３０５と、各車両１０１〜１０５の車体アースとの間に設けられている接地抵抗器１５１〜１５５の周波数特性を所定の範囲に管理することで、サージ電圧の発生を低減するようにしている。すなわち、接地抵抗器１５１〜１５５の直流あるいは商用周波数域等の低周波域におけるインピーダンスを所定の範囲に設定管理するとともに、高周波（例えば１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の周波数範囲）におけるインピーダンス変化を所定の値以下に（あるいは平坦な特性を有するように）管理することで、サージ電圧の低減を図っている。高周波におけるインピーダンスの管理は、設計段階のみならず、製造過程においても、実際に図１に示すような構成の列車編成を製造した際、あるいは各車両の製造中あるいは完成時の検査等においても管理を実施することが望ましい。
【００２４】高周波領域においてインピーダンスを低下させるための重要な要素としては、抵抗器の外部で鎖交する磁束数や媒質の透磁率によって決まるインダクタンスを低下させることと、抵抗器の内部のインダクタンスの影響によって生じる表皮効果の影響を小さく抑えることであると考えられる。すなわち、抵抗器を流れる電流の回路（電流の通路）の形を、その回路に電流が流れたときにその回路と鎖交する磁束数をできるだけ増加させないようなものに設定することと、その回路と鎖交する磁束の媒質の透磁率をできるだけ増加させないように設定することと、抵抗器の内部インダクタンスをできるだけ増加させないように設定することとが重要な課題になると考えられる。これらの課題を解決するためには、例えば抵抗器の形状を、できるだけ電流の流れる向きの長さを短く抑えるとともに、直線状、すなわち直方体や楕円柱等のように、電流の流れる向きに垂直な中心軸を有する立体形状となるようにし、かつ、表皮効果を抑えるため、抵抗器の断面の厚さを薄く抑えるとともに、抵抗器の材質を透磁率ができるだけ小さくするように、その形状と材質とを設計することが重要である。さらに、接地電流に対する許容電流の特性を満足するとともに、鉄道車両において使用するのに適した耐震性、耐水性、耐火性等の耐環境特性を備えていることが要求される。
【００２５】抵抗器（抵抗体）の材質としては、直流あるいは低周波域で所望の抵抗値を実現することができる物質あるいは合成物であって、磁気的な特性については、鉄、ニッケル、コバルト等の強磁性体やそれらの物質を主要な構成成分とする強磁性体の合成物ではない、非磁性体（ここでは強磁性体でない磁性体を非磁性体とする。）である、アルミニウム、パラジウム、白金等の常磁性体や、銀、鉛、銅、炭素、珪素等の反磁性体の物質、あるいはそれらの合成物を用いることが好ましい。また、形状寸法としては、抵抗体の断面の厚さ（あるいは直径）の１／２の長さが、表皮効果の影響が顕著となる目安の長さである、表皮厚さδ＝√（２／μσω）程度以下（ただし、μは抵抗体の透磁率、σは抵抗体の電気伝導率、ωは電磁場の角振動数）となるような大きさとすることが望ましい。
【００２６】より具体的には、抵抗器の材質としては、非磁性体であって、上述したような形状で電気的及び構造的な要求特性を満足することを用いることが望ましい。このような材質の一例としては、例えば、特開２００１−７６９０２号公報、特開２００１−２４４１０３号公報に記載された炭化珪素焼結体がある。
【００２７】なお、非磁性体の他の材料による接地抵抗器としては、例えば、鉄に十数パーセント程度以上のクロムを含有して形成されたステンレス鋼によって構成した抵抗器や、カーボン抵抗器が考えられる。しかしながら、ステンレス鋼によって接地抵抗器を構成した場合、ステンレス鋼の電気伝導率が比較的高いので、所望の許容電流値を満足するとともに所望の抵抗値を得るのには、ある程度の長さを必要とし、接地抵抗器のインダクタンスを低く抑えることが難しいという課題がある。また、カーボンあるいはカーボンと酸化アルミニウムの複合材料などを用いた接地抵抗器では、カーボン自体が吸湿性のため水分の影響によって抵抗値の安定性に乏しく、その上、機械的強度も低いので、鉄道車両などの振動が発生する用途では、場合によっては、割れや欠けなどの損傷が生じる問題点がある。
【００２８】図２は、本実施形態の一例としての炭化珪素焼結体で構成された接地抵抗器１５１〜１５５の周波数特性（実線）の実測値を、従来の抵抗器の特性（破線）と比較して示す図であり、横軸に周波数１０Ｈｚ〜１０ＭＨｚの値を対数値でとり、縦軸にインピーダンス（Ω）の値を対数値でとっている。なお、従来の抵抗器としては、鉄・クロム・アルミニウムからなる非磁性耐食ステンレス材で形成されたものを用いた。図２に示す例では、共に商用周波数域で０．４５Ω程度のインピーダンスであるのに対して、本実施形態の接地抵抗器では周波数７００ｋＨｚで約０．４６Ω、１ＭＨｚで約０．５３Ωとなっており、従来の抵抗器でそれぞれ約４３Ω、約６５Ωとなっているのに比べ、１ＭＨｚ以下の高周波領域では大幅な特性改善が達成されている。
【００２９】なお、図２に示す例では、従来の抵抗器において、１ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの周波数領域で、高周波になるに従って誘導性が大きくなる傾向が現れている。このような特性を持つ抵抗器を用いた場合、条件によっては、車両等の浮遊容量との共振を引き起こす可能性がある。その場合には、共振点付近でその周波数の高周波成分が増大し、サージ電圧が増大することが考えられる。しかしながら、本実施形態のように設計及び製造段階で接地抵抗器の周波数特性を管理した場合、そのような共振による影響も容易に防止することが可能である。
【００３０】次に、図３を参照して、本実施形態によるサージ電圧低減の効果について説明する。図３は、本実施形態の低誘導形の接地抵抗器１５１〜１５５を、車体と接地電線３０１〜３０５との間に接続した場合に、車体を伝播する連続矩形進行波に対する接地抵抗器１５１〜１５５の接続点Ｐに到来する入射電圧波（異常電圧）および反射電圧波の合成波、並びに透過電圧波を示す図である。図３では、（ａ）が、サージ電圧（入射波）が接続点Ｐに到来する前の状態を示す図であり、（ｂ）が、サージ電圧（入射波）が接続点Ｐに到来し、透過波と反射波が発生した後、さらに入射波が連続しているときの状態を示す図である。
【００３１】図３（ａ）、（ｂ）に示す回路で、接続点Ｐにおける、入射波の電圧をＥ１、透過波の電圧をＥ２、反射波の電圧をＥ３、接続点Ｐ前後の線路のサージインピーダンスをＺ０、接地抵抗器の抵抗値をＲとすると、透過波の電圧Ｅ２はＥ２＝２Ｒ・Ｅ１／（２Ｒ＋Ｚ０）、反射波の電圧Ｅ３はＥ３＝−Ｚ０・Ｅ１／（２Ｒ＋Ｚ０）で与えられる。ここで、仮に接地抵抗器１５１〜１５５が０（＝Ｒ）である場合には電圧Ｅ２は０である。接地抵抗器１５１〜１５５が∞（＝Ｒ）である場合には電圧Ｅ２はＥ１に等しくなる。
【００３２】本実施形態のように、高周波領域のインピーダンス値が所定値以下に管理された接地抵抗器１５１〜１５５で、接続点Ｐが接地されている場合には、接地抵抗器１５１〜１５５によって走行時の車体側への接地電流の流入を抑制しつつ、接続点Ｐからの反射波により連続して到来する進入波を抑制し、かつ接続点Ｐから車体末端へ透過する透過波を抑制することが容易に可能となる。なお、この場合、同時に同一透過電圧波が接地抵抗器に伝播することになる。
【００３３】なお、本発明の実施の形態は、上記の構成に限定されることなく、例えば、列車の編成方法や、各機器、パンタグラフ、特別高圧ケーブル、接地電線、接地装置、及び接地抵抗器の配置や個数については、適宜変更あるいは増加あるいは増減させることが可能である。
【００３４】また、本発明の態様として、鉄道車両の製造方法を考える場合には、例えば、各車両において接地電線を接地装置に接続する過程と、高周波領域におけるインピーダンス（例えば１０Ｈｚ〜７００ｋＨｚあるいは１ＭＨｚ程度以下の領域あるいはそのなかの所定範囲）を、所定値以下に、あるいは、平坦な特性を有するように、管理した接地抵抗器によって接地電線と車両の車体アースとを接続する過程とを含むことを特徴とするようにする。また、これらの過程に加え、接地電線と車両の車体アースとの間の高周波領域における（例えば１０Ｈｚ〜７００ｋＨｚ内の所定の範囲の周波数あるいは１ＭＨｚ程度以下の周波数あるいはそのなかの所定範囲の１または複数の周波数点における）接地インピーダンスを測定する過程とを含むようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】以上に示されるが如き本願発明においては、低誘導形接地抵抗器を用いることにより、パンタグラフの上昇あるいは下降時時の架線に接触あるいは離間するときに車体に発生する異常な高電圧を低減することができる。
【出願人】 【識別番号】０００１７３７８４
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
【識別番号】０００１８３２６６
【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社
【出願日】 平成１４年１月２５日（２００２．１．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外１名）
【公開番号】 特開２００３−２２４９０５（Ｐ２００３−２２４９０５Ａ）
【公開日】 平成１５年８月８日（２００３．８．８）
【出願番号】 特願２００２−１７６３１（Ｐ２００２−１７６３１）