[논문]단권변압기 교류전기철도 급전시스템의 전차선 전압해석

정현수; 이승혁; 김진오

단권변압기 교류전기철도 급전시스템의 전차선 전압해석
Analysis for Catenary Voltage of The ATs-Fed AC Electric Railroad System 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. A / A, 전력기술부문, v.52 no.9, 2003년, pp.493 - 499

정현수 (한양대 공대 전기공학과) , 이승혁 (한양대 공대 전기공학과) , 김진오 (한양대 공대 전기공학과)

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This paper presents exact Autotransformers(ATs)-fed AC electric Railroad system modeling using constant current mode for locomotives. An AC electric railroad system is rapidly changing single-phase load, and at a feeding substation, 3-phase electric power is transferred to paired directional single-phase electric power. As the train moves along a section of line between two adjacent ATs. The proposed AC electric railroad system modeling method considers the line self-impedances and mutual-impedances. The constant current mode model objectives are to calculate the catenary and rail voltages with the loop equation. When there are more than one train in the AC electric railroad system, the principle of superposition applies and the only difference between the system analyses for one train. Filially, this paper shows the general equation of an AC electric railroad system, and that equation has no relation with trains number, trains position, and feeding distance.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 AT의 흡상 전류비 이론과 중첩의 원리를 이용하여 열차의 대수나 위치의 변동에 관계없이 어느 경우에도 전차선 전압강하를 실제와 가깝게 계산할 수 있는 범용적인 수리모델을 개발하였다. 위에 논의한 바와 같이 교류전기철도 AT 급전시스템의 전차선 전압강하 해석 은 회로망 해석법(Mesh Analysis Method)과 마디 해석법 (Node Analysis Method)을 이용하여 주로 해석하고 있으나 마디 해석 법은 주로 정임피던스 부하모델을 이용한 간략 해 석방법에 사용하므로 본 논문에서는 회로망 해석법을 이용한 해석을 하여 이를 수학적으로 일반화하였다.
이 전차선 전압강하 해석은 열차가 동적 부하이기 때문에 대단히 복잡하여 열차의 위치, 대수, AT 등에 따라 전차선 로의 전압, 전류에 따른 무수한 전압 방정식이 필요하다. 하지만 이러한 방정식을 자세히 해석해 보면 유사점을 발견할 수 있으며 본 논문에서는 이와 같은 전차선 전압을 범용적 으로 해석하기 위하여 우선 다음 표 1과 같은 몇 가지의 경우를 모델링하였다. 또한 전차선 전압을 계산함에 있어 변 수는 표 2와 같다 [7][8]

제안 방법

3 절의 Case 증 연장급전시에 가장 전압강하가 심한 Case 5에 대하여 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 수행하였다. PSCAD/EMTDC 모델링은 크게 각 선로와 열차부하로 모 델링되며 각 선로는 실제 입력자료를 사용하였고 열차부하 의 모델링은 유도전동기를 사용하여 모델링하였으며 토크와 속도를 변화시켜 동적인 시뮬레이션을 행하였다. Case 5의 경우는 임의의 인근 전철변전소 사고로 인해 연장급전 되면 급전거리가 50 [km]로 확대되어 정상급전시보다 현저한 전 압강하가 예상되는 경우이다
교류전기철도의 AT 급전시스템에서 전압강하는 전압변 동 및 전압불평형과 기기 성능에 영향을 미치므로 본 논문에서는 전압강하 해석을 위해 기존의 단순한 전차선 전압강 하 해석방법 대신에 실제의 제약조건이 고려된 정전류 부하 모델과 회로망 해석법을 이용하여 AT 급전시스템의 실제 계통에 근접한 수리모델을 수립하였다.
이것은 열차가 여러 대 운행될 때 열차 상호간의 영향으로 인해 생기는 전기적인 특성을 무시하고 해석한 것 이라 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 실제 계통에 가깝 게 여러 경우를 모델링하여 지금까지 전형적으로 연구해 온 정상상태 급전뿐만 아니라 사고로 인한 연장급전과 부하 증가에 따른 증대 부하급전의 경우까지 고려하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 실제 급전시스템의 조건들 을 충분히 고려하여 여러 경우를 해석해 보았으며, 그 결과 물리적인 규칙성을 비교 분석하여 일반화 전압식을 수립하 였고, 이 전압식과 중첩의 원리를 이용하여 열차의 위치와 대수에 관계없이 모든 경우의 전차선 전압강하를 정확하게 구할 수 있는 전압강하 수리모델 및 일반화된 수식을 수립 하였다. 또한 이를 동적 시뮬레이션 프로그램인 PSCAD ZEMTDC를 이용하여 일반화된 수식의 정확성을 검증했다.
따라서 본 논문에서는 이러한 실제 급전시스템의 조건들 을 충분히 고려하여 여러 경우를 해석해 보았으며, 그 결과 물리적인 규칙성을 비교 분석하여 일반화 전압식을 수립하 였고, 이 전압식과 중첩의 원리를 이용하여 열차의 위치와 대수에 관계없이 모든 경우의 전차선 전압강하를 정확하게 구할 수 있는 전압강하 수리모델 및 일반화된 수식을 수립 하였다. 또한 이를 동적 시뮬레이션 프로그램인 PSCAD ZEMTDC를 이용하여 일반화된 수식의 정확성을 검증했다.
위에 논의한 바와 같이 교류전기철도 AT 급전시스템의 전차선 전압강하 해석 은 회로망 해석법(Mesh Analysis Method)과 마디 해석법 (Node Analysis Method)을 이용하여 주로 해석하고 있으나 마디 해석 법은 주로 정임피던스 부하모델을 이용한 간략 해 석방법에 사용하므로 본 논문에서는 회로망 해석법을 이용한 해석을 하여 이를 수학적으로 일반화하였다. 또한 일반 화한 수리모델의 검증을 위한 시뮬레이션, 실제 교류전기철 도 AT 급전시스템을 모델링 및 사례연구를 실시하였다.
최근 들어 Pao-Hsing [3] 등에 의해 전류 흐름을 주 . 보조 전류로 구분하여 대수방정 식에 기초한 다수 열차의 운행에 대한 교류 잔기철도 AT 급전시스템의 열차전압을 해석할 수 있는 프로그램을 제안 하였으나 상호임피던스와 흡상전류 특성을 간과하였다. 또한, 국내에서도 교류전기철도 급전시스템에 대해 정전류와 정전력 부하 모델을 이용한 해석을 이미 하였으나 수리모델 에 대한 수학적 접근이 범용적이지 않았던 것이 사실이다 [기 [8].
본 논문에서 제안한 일반화 수리모델의 검증을 위하여 3.3 절의 Case 증 연장급전시에 가장 전압강하가 심한 Case 5에 대하여 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 수행하였다. PSCAD/EMTDC 모델링은 크게 각 선로와 열차부하로 모 델링되며 각 선로는 실제 입력자료를 사용하였고 열차부하 의 모델링은 유도전동기를 사용하여 모델링하였으며 토크와 속도를 변화시켜 동적인 시뮬레이션을 행하였다.
따라서 본 논문에서는 AT의 흡상 전류비 이론과 중첩의 원리를 이용하여 열차의 대수나 위치의 변동에 관계없이 어느 경우에도 전차선 전압강하를 실제와 가깝게 계산할 수 있는 범용적인 수리모델을 개발하였다. 위에 논의한 바와 같이 교류전기철도 AT 급전시스템의 전차선 전압강하 해석 은 회로망 해석법(Mesh Analysis Method)과 마디 해석법 (Node Analysis Method)을 이용하여 주로 해석하고 있으나 마디 해석 법은 주로 정임피던스 부하모델을 이용한 간략 해 석방법에 사용하므로 본 논문에서는 회로망 해석법을 이용한 해석을 하여 이를 수학적으로 일반화하였다. 또한 일반 화한 수리모델의 검증을 위한 시뮬레이션, 실제 교류전기철 도 AT 급전시스템을 모델링 및 사례연구를 실시하였다.
Glover [1]가 전차선의 임 피던스를 계산할 때 마디 해석법을 이용하여 열차전압을 계산하였다. 전차선로의 모델링 방법은 전철용 변전소를 정전 압원과 전원 임피던스로 표현하였으며 정상상태의 전차선로 를 T형 등가회로로 변환하여 레일과 급전선을 하나의 도체 군으로 표현하는 등 간이계산에 의한 전차선로 모델링 방법을 제시하였다. 그 후 R.

성능/효과

여기서 그림 5는 Case 1부터 Case 3의 경우로써 전철변전소로부터 2E [knj까지 급전하는 정상급전의 경우이며, 이때 전철변전 소를 기준으로 양쪽 25 [km]이므로 전체거리는 50 [km]이다. 결과적으로 열차의 운행 대수가 증가함에 따라 전차선 전압이 강하되고 있음을 알 수 있다.
그림 8은 그래프의 가 로축이 시간이므로 급전거리별로 측정한 Scott 결선변압기 2 차측의 각 순시전압을 측정한 것이다. 표 4의 시뮬레이션 결과가 보여주는 것과 같이 본 논문에서 제안한 일반식이 열차의 대수 및 위치와 급전거리에 관계없이 교류전기철도 AT 급전시스템을 해석함에 있어 매우 정확함을 알 수 있다.

참고문헌 (10)

J. D. Glover, 'Train Voltage Analysis for AC Railroad Electrification,' IEEE Transactions on Industry Application, Vol. 1A-20, No. 4, pp. 925-934, August, 1984
Roland John Hill and Ibrahim H.Cevik, 'On-line Simulation of Autotransformer-Fed AC Electric Railroad Traction Networks,' IEEE Trans on Vehicular Technology, Vol. 42, No. 3, pp. 365-372, 1993

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Pao-Hsiang Hsi, Shi-Lin Chen, and Ray-Jong Li, 'Simulating On-Line Dynamic Voltages of Multiple Trains under Real Operating Conditins for AC Railways', IEEE Trans. on Power Systems, Vol. 14, No. 2, pp. 452-459, 1999

상세보기
Chih-Ju Chou, Ying-Tung Hsiao, and Jhane-Li Wang, 'Distribution of Earth Leakage Currents in Railway System with Drain Auto-Transformers', IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 16, No. 2, pp. 271-275, 2001

상세보기
R. Natarajan, T.A. Kneschke, W. Naqvi and M. A. Lopez-Lopez, 'Short Circuit Currents of SEPTA Traction Power Distribution System', IEEE Industry Applications Magazine, pp. 52-59, 1997
K.S. Bahra and P.G. Batty, 'Earthing and Bonding of Electrified Railways', International Conference on Developments in Mass Transit System, 20-23 April 1998, Conference Publication No. 543, pp. 296-302, 1998
한국전기연구소, '급전시스템의 해석기술개발,' pp. 166, 1998
창상훈 외, '철도급전시스템 체계화 구축연구,' 한국철도 기술연구원, pp.7-78, 2000
H. S. Jung, S. H. Lee and J. O. Kim, 'Analysis for Auto-transformer Fed AC Electric Railroad System Using Constant Current Mode with Distribution STATCOM', MEPS '02, Vol. 1, pp. 268-273, 2002
정현수, 이승혁, 김진오, 'STATCOM을 이용한 교류 전기철도 급전시스템의 전압강하 보상', 조명전기설비학회 논문지, Vol. 16, pp. 53-60, 2002

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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