異なる種類の電源の混触


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 日本の電気鉄道において,交流/直流,もしくは電圧,位相,周波数など,異なる種類の電源の架線が突き合わされる場所にはデッドセクション(在来線)もしくは切替セクション(新幹線とごく一部の在来線)が設置されて両者が接触しないよう対策が取られていますが,異物や設備の損傷など,何らかの原因によって異なる電源同士が意図せず接触してしまうことを「混触」と呼びます.

交流と直流の混触

 本サイトのメインテーマでもある交直セクションでは交流20kV電源と直流1500V電源がFRPインシュレータセクションで構成されたデッドセクション(無電区間)で区分されていますが,直流側設備に交流が侵入すると異常な高電圧による絶縁破壊,逆に交流側設備に直流電流が侵入すると変圧器をはじめとする巻線機器への過電流などが発生し,いずれも大きな事故となる可能性があるため,両者の混触は絶対に避ける必要があります.そのため,交直セクションのFRPインシュレータセクションは通過する列車の速度などを考慮して,交直切換を行わなずに(=車上側の遮断器が開放されていない状態で)列車が進入した際にセクション入口側で発生するアークが出口側まで繋がってしまわないような長さに設定されています.

異電圧の混触

 直流または交流で電圧が異なる電源同士の混触(異電圧混触)の場合,電圧の高い方から低い方に向かって電流が流れ込みます.電圧の差によっては電流が大きくなり事故に繋がるため,基本的には交直セクションと同様にデッドセクションによる区分が行われます(デッドセクションを設けず,ダイオードによって流れ込みを防止した伊予鉄道高浜線 松山市駅構内のような例もあります).

位相が異なる交流電源(異相電源)の混触

 位相が異なる交流電源同士が混触した場合,図1のようにどの程度の位相差があるかによって両電源間の電位差が変わり,混触した際の電流も変わってきます.ここでは話を簡単にするため両電源の電圧および両電源から混触箇所までのインピーダンス(交流の抵抗に相当)が同じであると仮定しています.両者の間に位相差が全くない場合(0°)を同相とよび,電位差が無いため電流も流れません.そのため,並列に接続しての運転も場合によっては可能です.しかし,両電源に位相差があると電位差が生じ,例えば位相差が60°だと電位差は各電源の電圧と同じになり,この状態で混触が発生するとそれぞれの電源が単独で地絡した時と同じ値の電流が流れることになります.位相差が変電所に設置されたき電用変圧器の2組の出力(T座/M座やA座/B座)の位相差と同じ90°になると混触による電流は各電源の単独地絡の場合の1.414倍(√2倍)になります.さらに三相交流の相間の位相差に相当する120°になると混触による電流は三相交流が相間短絡を起こした時と同じく単独地絡の1.732倍(√3倍)になり,ATき電方式におけるATき電線とトロリー線のように位相差が180°(完全に逆相)になると電位差は各電源の2倍となり,混触時の電流も単独地絡の2倍にまで増えてしまいます.

位相が異なる交流電源の混触
(図1) 位相が異なる交流電源の混触

異相電源の電位差(∝混触時の電流)を位相差に対してプロットすると図2のようになります.位相差が0°から大きくなるにつれて電位差が急激に大きくなりますが,位相差が120°を超えたあたりからの増加はすこし鈍くなっています.

位相差と電源間の電位差の関係
(図2) 位相差と電源間の電位差(∝混触時の電流)の関係

周波数が異なる交流電源の混触

 日本の鉄道の電化路線において交流50Hzと交流60Hzが直接突き合わされているのは北陸新幹線の軽井沢-佐久平間の新軽井沢き電区分所(軽井沢側が50Hz),上越妙高-糸魚川間の新高田き電区分所,および糸魚川-富山宇奈月温泉間の新糸魚川き電区分所の3ヶ所のみで,いずれもデッドセクションではなく異相区分切替セクションと同様に2つのエアセクションで仕切られた中セクションを持つ異周波数切替セクションが採用されています.列車がいない状態では図3のように出口側のエアセクションで50Hzの架線と60Hzの架線が近接して張られており,ここに飛来物が引っかかったりカラスなどの大型の鳥やヘビなどが接触したりすると異周波数電源の混触事故となる可能性があります.

新軽井沢き電区分所の上り出口側エアセクション
(図3) 新軽井沢き電区分所の上り出口側エアセクション

 異相電源同士の混触の場合は,電位差およびそれに伴う混触電流は基本的に元の電源と同じ周波数の正弦波となります.一方,異周波数の交流同士の混触の場合,両電源の電位差は図4に示すように55Hzの正弦波の振幅が100ms周期(周波数は50Hzと60Hzの差に相当する10Hz)で変動するビート状の波形になるのが特徴です.電位差の最大値は同周波数・逆相の場合と同じく電源電圧の2倍になります.従来の保護継電器などでは異周波数の混触を確実に検出することが困難だったため,北陸新幹線の開業に先立って55Hz成分を検出する装置と相手側の電源周波数の成分を検出する装置を組み合わせる方法が新規に開発され,50Hz電源と60Hz電源の混触が起きうる上記3ヶ所のき電区分所に設置されています.

周波数が異なる交流電源の混触
(図4) 周波数が異なる交流電源の混触

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