交直切換の失敗(冒進)に対する保護回路


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 交直セクションの手前では,必ず切換操作を行わなければなりません.もし切換を忘れるか,あるいは切換装置の故障などによって異電源区間に進入(冒進)すると,車両の回路にダメージが及ぶ可能性があります.そこで,このダメージを防ぐ,あるいは最低限にとどめるための保護回路が設けられています.


交直両用車両の主回路略図(太線は主電流の経路)

 冒進から回路を守る上で重要な役割を果たしているのが図の赤線で囲まれた部分です.

 その中で,計器用変圧器から抵抗R1,R2につながる回路には,パンタグラフを上げている限り常に架線電圧がかかっています.架線電源が交流の時は,計器用変圧器の1次側に交流電圧がかかるので2次側にも交流電圧が誘起され,交流電圧リレーがONになって交流電圧がかかっていることを検知します.また,R1,R2の比は,R2に生じる電圧によって直流電圧リレーが動作しないような値に設定されています.

 一方,架線電源が直流電源の時は計器用変圧器に直流電流が流れますが,変圧器の磁束の変化がないため2次側に電圧は誘起されず,交流電圧リレーはOFFのままです.また,計器用変圧器の巻き線は一種のコイルであるため,直流に対する抵抗(インピーダンス)はほぼ0となり,架線電圧の1500VはほとんどすべてR1,R2にかかります.この電圧によって直流電圧リレーが動作し,直流電圧がかかっていることを検知します.

 また,交直切替器の手前に交流避雷器,切替器の後の直流側に直流避雷器が設けられています.避雷器は非線形抵抗器(アレスタ)の一種で,設定された電圧より低い電圧ではほとんど絶縁体ですが,高い電圧がかかったときに導通状態になって回路の電圧が設定値より高くならないように保ちます.交流避雷器は架線や屋上機器に雷が落ちた場合のように,非常に高い電圧がかかったときに回路全体を守るためのものです.一方,直流避雷器は,1500Vでは導通せず,20000Vで導通するように設定されていて,直流回路に交流20000Vが加わった時に回路を守る働きをします.

 正しく切り換えを行った場合には,まず交→直,直→交いずれの切り換えの際にも空気遮断器(ABB)(もしくは真空遮断器(VCB))が開放されます.次に交直切替器,交直転換器が動作し,主回路が切り換わります.デッドセクションの通過後,交流側に切り換えた場合は交流電圧リレー,直流側に切り換えた場合には直流電圧リレーがONになった時に初めてABB/VCBが再投入され,交直切り換えが完了します.

正しく切り換えを行わなかった場合(切換冒進事故)には,次の2つのケースが考えられます.

  1. 回路が直流状態のままで交流区間に冒進したとき(交流冒進)

     主回路が直流側の状態では,架線電圧がなくなって直流電圧リレーがOFFになってから0.6秒後にABB/VCBを開放する仕組みになっています(0.6秒の余裕はパンタグラフが離線したときや電源が瞬停したときに誤動作しないようにするため).このため切換操作を行わずに交直セクションの無電区間に進入すると0.6秒後にABB/VCBが開放されます.この状態で交流区間に進入してしまっても,改めてスイッチを交流側に切り換えれば何ら問題なく交流電源で運転を続けることができます.
     万一,ABB/VCBが開放されなかった場合には,無電区間をぬけて交流区間に入った時点で直流回路に交流20000Vがかかります.このため,直流避雷器が導通して電流を車体からレールに逃がし,直流回路を守ります.さらにこのとき避雷器と直列に接続されているカレントトランス(変流器)に電流が流れるので2次側に電圧が誘起されて冒進保護リレーがONになり,これによってABB/VCBが開放されます.

  2. 回路が交流状態のままで直流区間に冒進したとき(直流冒進)

     交流電化区間には異相区分のためのデッドセクション(交交セクション)があります.このため,直流の時のように,架線電源がなくなって交流電圧リレーがOFFになったからといってABB/VCBを開放するわけにはいきません.また,ABB/VCBは交流は遮断できても直流を遮断することは基本的にはできません.これは,交流は1秒間に100回(120回)電流が0になる瞬間があるため,比較的楽にアークを消弧することができますが,直流は電流が0になる瞬間がないのでアークを消弧するのが大変だからです.
     このため,無電区間をぬけて直流区間に入ったとたんに交流回路(主変圧器)に直流1500Vがかかります.ところが,主変圧器は,計器用変圧器と同様直流に対する抵抗はほとんど0なので非常に大きな電流が流れてしまいます.このままでは主変圧器が焼損してしまうので,主変圧器の手前に設けた主ヒューズを飛ばすことによって回路の電流を強制的に遮断し,主変圧器を守ります.この場合,切換スイッチを直流側に切り換えればそのまま直流区間の運転はできますが,主ヒューズを新しいものに交換しない限り交流区間には戻れなくなってしまいます.

表としてまとめると次のようになります.

  直流交流 交流直流
冒進時の
保護方法
無電圧の検知または
直流避雷器の動作に
よるABB/VCB開放
主変圧器への大電流
による主ヒューズ溶断
冒進後の
運転再開
直流区間 可能 可能
交流区間 可能 不可能

このように,切り換え冒進事故によるダメージは直流→交流の切り換え時よりも交流→直流の切り換え時のほうが大きくなります.このため,デッドセクション手前の交直切換標は,交流側からの入口のほうがより目立つように標示されている場合が多くなっています.

 一方,デッドセクションの長さは,直流→交流の場合には,直流電圧リレーのOFFによるABB/VCBの開放に要する時間(0.6秒,余裕を見て1秒とされています)で列車が進む距離(速度が上がれば当然伸びます)に2バンタ車のパンタグラフ間隔を足したものが必要となります(本線上のもので45~60m).

 これに対し交流→直流の場合には主ヒューズの溶断で回路を保護するため,保護回路が働く時間的余裕を見る必要がなく,力行状態で無電区間に突っ込んだ時に架線とパンタグラフの間に生じるアークが,直流と交流の架線を短絡するのを防ぐ時間(約0.2秒)に列車が進む距離+2バンタ車のパンタグラフ間隔の長さで済みます(約20~26m).

 単線区間の場合は当然長いほう(直流→交流)に合わせてあります(単線並列区間の湖西線の交直セクション(北陸本線長浜-敦賀間直流化により廃止)では上下線とも長くなっていました).


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