[논문]직류전차선로의 뇌과전압 해설 및 피뢰기와 가공지선 차폐효과 검토

정채균; 홍동석; 이종범; 조한구

문제 정의

본 논문에서는 ATPDraw를 이용하여 직류 변전소 양단의 급전 구분장치(FRP Section)간의 전차선로를 모델링하였다. 이 모델링의 대상 전차선로는 부산 지하철에서 현재 운용중인 직류가공 전차선로 구간의 선로길이 6.
본 논문에서는 EMTP/ATPDraw를 이용하여 낙뢰 발생 빈도가 비교적 높은 국내 지하철의 직류가 공 전차선로 구간의 실계통을 모델링하였고 급전선과 가공지선에 뇌써지 발생 시 전차선로에 미치는 뇌과 전압을 해석하여 피뢰기 및 가공지선의 차폐 효과롤 검토하여 제시하였다.
본 논문에서는 S3 지점에서 lOOfm)떨어진 지점에서 급전선에 뇌 써지가 침입하였다고 가정하여 가공지선을 설치한 후 가공지선에 직격뇌가 침입한 경우와 전차선로 급전선에 직격 뇌가 침입한 경우를 모델링하여 각각의 모델 계통에 뇌과 전압을 해석하고 피뢰기의 차폐 효과 및 가공지선의 차폐 효과를 검토하였다. 사례별 뇌격침 입 형태는 표 3에서 나타내었다.
본 논문에서는 사례 1을 통해 뇌 써지 보호장치가 없는 전차선로에서 뇌격침입시 유기되는 순수뇌과전압을 해석함으로써 피뢰기와 가공지선을 설치한 경우와 비교분석하여 차폐 효과를 검 토하였다.

가설 설정

5[kA], 10[kA], 속도는 1/70[, 뇌도 임피던스는 뇌격에 관한 문헌을 참조해 400[Q]으로 하였다.[4] 뇌격침입 지점은 FRP 섹션A로부터 지점의 급전선과 가공지선에 뇌격이 침입하는 것으로 가정하였다.
가공지선은 전차선로와 45。의 차폐각을 갖도록 설계하여 지지물 상단의 8.91[m]에위치하도록 가정하였으며 250[m] 마다 10[Q]의 접지 저항으로 대지와 접지하였다. 그림 1은 전차선로의 구성 및 배치도 이다.

제안 방법

가공지선에 설치되어 있는 직류전차선로의 가공지선에 직격뇌 침입 시 차폐 효과를 분석하였다.
따라서 본 논문에서는 그림 2에서 나타낸 것처럼 뇌격 전 류 파형을 램프파를 사용하여 선형적으로 상승, 감쇠하는 것으로 근사화하였으며 뇌격 전류의 피크값(Io) 은 최대 20[kA] 와 각각 1.5[kA], 10[kA], 속도는 1/70[, 뇌도 임피던스는 뇌격에 관한 문헌을 참조해 400[Q]으로 하였다.[4] 뇌격침입 지점은 FRP 섹션A로부터 지점의 급전선과 가공지선에 뇌격이 침입하는 것으로 가정하였다.
따라서 본 논문에서는 급전선에 DC 1500EV] 전원을 공급하여 연결하였고, 표 3에서 제시한 뇌격침입 형태에 따라 각각 시뮬레이션하여 전차선로의 뇌과 전압을 해석하고 피뢰기와 가공지선의 차폐 효과를 검토하였다.
본 논문에서는 양단에 직류변전소로부터 전차선로 급전선에 DC 1500[V]의전원을 공급하는 전차선로 시스템을 EMTP와 ATPDraw를 사용하여 급전 접속선과 균압선을 연결한 실계통을 모델링하였다’ 그리고 전차선로 계통의 급전선에 뇌써지가 침입했을 경우 (사례 1)와 피뢰기가 설치된 급전선에 뇌써지가 침입했을 경우 (사례 2), 가공지선 설치 후 가공지선에 뇌써지가 침입했을 경우 (사례 3)의 급전선 및 조가선 전차선의 전차선로에 유기되는 뇌과 전압을 해석 하였다.
215[km] 구간이다. 선로는 25구간으로 나누어 급전선과 전차선 사이에 급전 접속선을 250[m] 마다 설치하였으며, 조가선과 전차선 사이의 균압선은 500[m] 간격으로 병렬 접속하였다. 선로상 수는 ATPDraw의 선로 정수 계산 프로그램인 ATP_LCC를 사용하여 표 1에서 제시한 선로별 입력자료를 바탕으로 전차선로에 대한 선로 임피던스를 구하였다.
선로는 25구간으로 나누어 급전선과 전차선 사이에 급전 접속선을 250[m] 마다 설치하였으며, 조가선과 전차선 사이의 균압선은 500[m] 간격으로 병렬 접속하였다. 선로상 수는 ATPDraw의 선로 정수 계산 프로그램인 ATP_LCC를 사용하여 표 1에서 제시한 선로별 입력자료를 바탕으로 전차선로에 대한 선로 임피던스를 구하였다.
피뢰기가 설치되어 있는 경우 직류전차선로 급전선에 뇌격이 침입한 경우 각 전철역에서 뇌과 전압을 분석하여 피뢰기의 보호효과를 해석하였다.
피뢰기가 설치되어 있지 않은 직류전차선로 급전선에 뇌격이 침입한 경우 각 전철역에서 뇌과 전압을 분석하였다. 그림 6은 각각 1.

대상 데이터

다음의 모델 계통은 6개의 전철역을 경유하는 실계통으로 급전 접속선과 균압선이 접속되어 있고 가공지선과 피뢰기가 설치되어 있는 형태로 선로 길이 및 보호상태를 표 2에서 나타내었다. A 변전소에서 급전선에 DC 15001V]의 전원을 공급하고 있으며 모든 전차선 및 가공지선은 ?r 등가형 선로 모델을 사용하였다.
본 논문에서는 ATPDraw를 이용하여 직류 변전소 양단의 급전 구분장치(FRP Section)간의 전차선로를 모델링하였다. 이 모델링의 대상 전차선로는 부산 지하철에서 현재 운용중인 직류가공 전차선로 구간의 선로길이 6.215[km] 구간이다. 선로는 25구간으로 나누어 급전선과 전차선 사이에 급전 접속선을 250[m] 마다 설치하였으며, 조가선과 전차선 사이의 균압선은 500[m] 간격으로 병렬 접속하였다.

성능/효과

5[kA], 10[kA], 20[kA] 의 뇌격 강도를 갖는 뇌격이 전차선로의 가공지선에 침입했을 경우 최대값을 기준으로 각 전철역에서 선로별 뇌과 전압 분포 롤 그래프로 나타낸 것이다. 20[kA]의 높은 뇌격이 침입해도급전 선, 조가선, 전차선에서 최대 160[kV] 이하의 뇌과전압 이 유기 됨으로써 가장 높은 차폐 효과를 나타내고 있으며 뇌격침입점에서 근접한 S3 지점에서 양단의 FRP 섹션으로 갈수록 차폐 효과는 증가함을 알 수 있다. 또한 그림 12~그림 14에서 비교제시한 사례별 뇌과전압파형을 분석한 결과 가공지선을 설치한 경우(사례 3) 가공지선에 뇌격이 침입했 을 때 전차선로의 뇌과전압은 피뢰기를 설치한 경우(사례 2)와 피뢰기를 설치하지 않은 경우(사례 1)에 비해 급전선과 조가선전차선에서 모두 최대 90[%] 이상의 차폐 효과가 있었다.
5[kA] 뇌격침입시 급 전선에서 최대 37[kV]의 뇌 과전압이 유기되었고, 전차선과 조가선에서는 최대 27[kV]의 전압이 분 포함으로써 현수애자 2개 연과 장간 애자의 절연 레벨 이하의 뇌과 전압 크기를 나타내어 피뢰기만으로 뇌격 차폐가 가능함을 나타내었다. 그러나 10[kA] 의 뇌격 침입시 에는 급전선에 최대 240[kV]의 뇌과전압이 유기됨으로써 지속시간이 길어질 경우 애자의 섬락이 우려되며, 20[kA]의 높은 뇌격 강도를 가진 뇌 써지가 침입 시에는 급전선에서 최대 500[kV], 조가선과 전차선에서는 최대 450[kV]의 전압이 유기됨으로써 절연물의 절연 레벨을 초과하는 낮은 차폐율을 보여 10[kA] 이상의 높은 뇌격 강도를 갖는 뇌격침입시 피뢰기로 완전히 보호하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있 다. 이는 급전선에 뇌격침입시 급 전접속선과 균압선을 통해 전차선과 조가선에 뇌격이 침투해 뇌격전류 롤 대지로 방전시킬 수가 없기 때문이다 이로 인해 전차선과 조가선에 발생한 이상 전압은 전차선로 절연물의 절연 파괴 및 기기, 전기차에 직접적인 영향을 미쳐 막대한 재산 및 인명피해가 예상 된다.
5[] 의 뇌격에 대해서는 피뢰기의 차폐 효과만으로 뇌격 보호가 가능하였으나 10[kA] 이상의 뇌격침입시 전차선로의 뇌과 전압은 250〔mm] 현수애자 2개 연과 장간애자 등의 절연물의 절연 레벨을 초과해서 피뢰기는 전차선로를 완전히 보호하지 못했다. 그러나 가공지선을 설치한 사례 3의 경우는 급전선, 조가선, 전차선의 최대 뇌과 전압을 기준으로 90[%] 이상의 차폐 효과를 보여 20[kA]의 높은 뇌격에도 절연이 파괴되지 않음을 보였다. 따라서 뇌격 강도가 낮은 뇌격침입 시에는 피뢰기만으로 보호가 가능할지 모르나, 10[kA] 이상의 높은 뇌격 강도를 갖는 뇌써지침입시 피뢰기만으로 전차선로를 보호할 수 없음을 알 수 있다.
그림 10은 20[kA]의 뇌써지침입시 사례 2의 뇌과 전압을 각 전 절역에서 측정한 분포도이다. 그림에서 보는 바와 같이 1.5[kA] 뇌격침입시 급 전선에서 최대 37[kV]의 뇌 과전압이 유기되었고, 전차선과 조가선에서는 최대 27[kV]의 전압이 분 포함으로써 현수애자 2개 연과 장간 애자의 절연 레벨 이하의 뇌과 전압 크기를 나타내어 피뢰기만으로 뇌격 차폐가 가능함을 나타내었다. 그러나 10[kA] 의 뇌격 침입시 에는 급전선에 최대 240[kV]의 뇌과전압이 유기됨으로써 지속시간이 길어질 경우 애자의 섬락이 우려되며, 20[kA]의 높은 뇌격 강도를 가진 뇌 써지가 침입 시에는 급전선에서 최대 500[kV], 조가선과 전차선에서는 최대 450[kV]의 전압이 유기됨으로써 절연물의 절연 레벨을 초과하는 낮은 차폐율을 보여 10[kA] 이상의 높은 뇌격 강도를 갖는 뇌격침입시 피뢰기로 완전히 보호하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있 다.
그림 15는 피뢰기의 차폐 효과가 가장 떨어지는 뇌격 발생 지점인 S3지점에서의 사례별 전차선로 뇌과 전압 분포도를 나타내었다. 도표에서 알 수 있듯이 피뢰기의 차폐 효과에 비해 가공지선의 차폐 효과가 더욱 효과적임을 알 수 있다.
또한 그림 12~그림 14에서 비교제시한 사례별 뇌과전압파형을 분석한 결과 가공지선을 설치한 경우(사례 3) 가공지선에 뇌격이 침입했 을 때 전차선로의 뇌과전압은 피뢰기를 설치한 경우(사례 2)와 피뢰기를 설치하지 않은 경우(사례 1)에 비해 급전선과 조가선전차선에서 모두 최대 90[%] 이상의 차폐 효과가 있었다. 따라서 가공지선을 설치한 사례 3의 경우 높은 뇌격 강도를 갖는 뇌써지침입시 전차선로 보호에 가장 효과적이라는 것을 알 수 있다.
20[kA]의 높은 뇌격이 침입해도급전 선, 조가선, 전차선에서 최대 160[kV] 이하의 뇌과전압 이 유기 됨으로써 가장 높은 차폐 효과를 나타내고 있으며 뇌격침입점에서 근접한 S3 지점에서 양단의 FRP 섹션으로 갈수록 차폐 효과는 증가함을 알 수 있다. 또한 그림 12~그림 14에서 비교제시한 사례별 뇌과전압파형을 분석한 결과 가공지선을 설치한 경우(사례 3) 가공지선에 뇌격이 침입했 을 때 전차선로의 뇌과전압은 피뢰기를 설치한 경우(사례 2)와 피뢰기를 설치하지 않은 경우(사례 1)에 비해 급전선과 조가선전차선에서 모두 최대 90[%] 이상의 차폐 효과가 있었다. 따라서 가공지선을 설치한 사례 3의 경우 높은 뇌격 강도를 갖는 뇌써지침입시 전차선로 보호에 가장 효과적이라는 것을 알 수 있다.
해석 결과 사례 2는 사례1에 비해 최대 80[%] 이상의 차폐효과를 보이며 1.5[] 의 뇌격에 대해서는 피뢰기의 차폐 효과만으로 뇌격 보호가 가능하였으나 10[kA] 이상의 뇌격침입시 전차선로의 뇌과 전압은 250〔mm] 현수애자 2개 연과 장간애자 등의 절연물의 절연 레벨을 초과해서 피뢰기는 전차선로를 완전히 보호하지 못했다. 그러나 가공지선을 설치한 사례 3의 경우는 급전선, 조가선, 전차선의 최대 뇌과 전압을 기준으로 90[%] 이상의 차폐 효과를 보여 20[kA]의 높은 뇌격에도 절연이 파괴되지 않음을 보였다.

후속연구

대도시를 중심으로 도시철도는 계속 증가하고 있고, 높은 뇌격 전류의 크기를 갖는 낙뢰도 빈번히 발생하고 있으며, 대부분의 직류전차선로에 가공지선이 설치되어 있지 않은 우리나라 현실을 볼 때 직류전차선로에 가공지선 설치는 낙뢰 발생시 전차선로 및 설비보호와 인명피해 예방을 위해 반드시 필요할 것으로 사료된다. 아울러 높은 뇌격에도 효과적인 차폐 효과를 발휘할 수 있도록 피뢰기 설치 환경 및 피되기 특성 개선에 관한 연구가 더욱 필요할 것으로 사료 된다.

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