[논문]철도신호시스템 중첩운영으로 인한 전자파장해현상 분석 및 대책

고영환; 윤선호; 최규형

철도신호시스템 중첩운영으로 인한 전자파장해현상 분석 및 대책
Analysis of EMI Between Overlapped Railway Signalling Systems and Its Countermeasure 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.58 no.6, 2009년, pp.1116 - 1122

고영환 (서울메트로 신호팀) , 윤선호 (서울산업대 철도전기신호공학과) , 최규형 (서울산업대 철도전기신호공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

ATS(Automatic Train Stop) system makes train stop when it runs over the speed limit and ensure the safe operation of train. Seoul Metro line 2 in Korea, which started its passenger service in 1982, has adopted ATS system for its signaling system. The ATS system has only a train stop function at the time of emergency, and Seoul Metro is planning to replaced them with ATC(Automatic Train Control)/ATO(Automatic Train Operation) system which can provide the dedicated speed control for headway reduction and automatic operation of train. Until all the ATS system is replaced with the new ATC system, both systems are to operate simultaneously at the same metro line. In this situation, ATS system sometimes reveals improper operation: train stops suddenly without any obstacles in front of it. These emergency stops cause interruption of passenger service, and abnormal abrasion of wheels and rail. This paper makes it clear that these interruptions are caused by EMI phenomena between ATS on-board device and ATC wayside device : Signal current flowing in AF track circuit of ATC is turn out to be a EMI source that prevent normal operation of the ATS on-board device. Although the two systems have different frequency-ranges (ATS system has frequency range between $78{\sim}130$[kHz] and ATC system has frequency range between $9.5{\sim}16.5$[kHz]), it turned out that EMI phenomena appears between the both systems. This is investigated by measuring the output signal from ATS on-board device passing over ATC wayside device. The FFT(Fast Fourier Transform) analysis of the signal reveals that AF track circuit signal is transmitted to the ATS on-board device and induce noise causing improper operation. The countermeasures to the EMI phenomena are examined in three ways; blocking EMI transmission, enforcement of EMS (Electromagnetic Susceptibility) of ATS on-board device, and blocking the EMI source. It is suggested that the practical solution be blocking EMI source temporarily, that is breaking AF track circuit signal when the trains with ATS on-board device pass over it. To this purpose, TODS(Train Occupation Detection System) is developed, and has made a success in preventing the EMI problem of Seoul Metro line 2.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본고에서는 이상과 같이 ATS와 ATC시스템이 중첩 설치되어 운영되는 상황에서 발생하는 ATS시스템의 오동작 발생 현상에 대하여, 현장에서의 시험측정 및 시뮬레이션 분석을 통하여 ATC지상장치가 간섭원으로 작용하는 전자파 장해현상이라는 것을 명확히 하였다. 또한 그에 대한 대책으로서, 전자파 장해 간섭원으로 작용하는 ATC지상장치의 장해 원 차폐, 전달 경로의 차단 및 ATS차상장치의 전자파 내성 강화 대책 등을 검토하고, 효과적인 전자파 장해 방지대책을 제시하였다.

제안 방법

ATS시스템과 ATC시스템의 중첩운영 과정에서, ATS 차상 장치에 오동작이 발생하는 현상을 규명하고 그에 대한 대책을 다음과 같이 도출하였다.
ATS차상자와 AF궤도회로 간의 전송로를 차단하기 위한 방법으로, ATS 차상자가 AF 궤도회로 중에서도 특히 S-bond를 통과할 때 오동작이 발생한다는 점을 고려하여, S-bond 를 동판으로 차폐하고 접지를 하였다. 그러나 S-Bond 내의 특정부분에서 이상 주파수가 발생되는 문제점이 발생하였고, 그 설치 효과도 미흡하여 적절한 대책이 아닌 것으로 판명되었다.
ATS차상장치는 78~130[kHz]에서 동작하며 그 외의 주파수의 신호가 유입되면 비상제동이 체결되도록 설계되어있으므로, 이상과 같은 오동작은 AF궤도회로 신호의 간섭으로 인한 전자파 장해 현상이라고 추정되었다’ 이를 실험적으로 규명하기 위하여, ATS차상장치를 탑재한 전동차를 운행시키면서 ATS차상장치 발진회로의 출력주파수 변화를 측정하였다. ATS차상장치의 발진회로 출력단자를 오실로스코프에 연결하고, AF궤도회로 구간을 서행 운행하면서 출력 파형을 측정하였고, FFT 분석을 수행하여 주파수 분포를 확인하였다.
ATS차상장치의 발진회로 출력단자를 오실로스코프에 연결하고, AF궤도회로 구간을 서행 운행하면서 출력 파형을 측정하였고, FFT 분석을 수행하여 주파수 분포를 확인하였다.
ATS차상장치의 전자파 내성을 강화시키는 방안으로, 필터의 신뢰도를 높이고 78~130[kHz] 이외의 신호를 받더라도 ATS차상장치가 동작하지 않도록 개량하기 위하여, 발진회로의 필터를 부분적으로 수정하는 대책을 검토하였다. 그러나 필터의 감쇄치를 증가시키면 정작 ATS 차상 장치에서 필요한 신호값이 너무 낮아지는 문제로 인하여 발진회로를 일부 수정하는 것으로는 한계가 있었고, 이와 같이 수정한 ATS차상장치 모두에서 오동작이 발생하였다.
간섭원인 AF궤도회로의 신호는 ATS 차상장치를 탑재한 전동차에는 불필요한 신호이므로, ATS 차상자를 탑재한 전동차가 통과할 때만 AF궤도회로 신호 송출을 차단하는 방법을 적용하였다. 이때 ATC차상장치를 탑재한 전동차에 대해서는 AF궤도회로 신호를 단절없이 송출하여야 하므로, 운행되는 전동차의 종류를 판별하여 ATS 차량에 대해서만 송출을 차단 할 필요가 있다.
것을 명확히 하였다. 또한 그에 대한 대책으로서, 전자파 장해 간섭원으로 작용하는 ATC지상장치의 장해 원 차폐, 전달 경로의 차단 및 ATS차상장치의 전자파 내성 강화 대책 등을 검토하고, 효과적인 전자파 장해 방지대책을 제시하였다.
그림 8과 같이 ATS차상장치의 동작 주파수 범위를 초과하는 40[kHz]의 잡음이 ATS 차상 장치의 발진회로 출력에서 발생하는 것으로 나타났다. 여기서, AF 궤도회로로부터 유입된 10[kHz] 대역의 간섭신호로 인하여 ATS차상장치의 발진회로에서 40[kHz] 대역의 잡음이 발생할 수 있는 지를 확인하기 위하여, 다음과 같이 PSpice 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
이때 ATC차상장치를 탑재한 전동차에 대해서는 AF궤도회로 신호를 단절없이 송출하여야 하므로, 운행되는 전동차의 종류를 판별하여 ATS 차량에 대해서만 송출을 차단 할 필요가 있다. 이에 따라, 운행차량의 검지 및 차량 정보 분석을 통한 열차 인식 기능을 포함한 열차점유 검지 장치 (TODS: Train Occupancy Detection System)를 개 발하여 적용하였다.
즉, 차상장치의 발진회로에서 기본 주파수로 발진하고 있다가, 지상자 위를 통과할 경우 지상자의 LC 값에 따라 발진주파수가 변주되는 Ziehen 효과를 이용하는 방식으로서, 각 발진주파수 별로 열차허용속도를 지정해둠으로써 열차 속도를 제어할 수 있도록 한다. 그림 4에 보이는 것처럼, 지속 발진하고 있는 발진회로에 별개의 공진주파수를 갖는 LC 공진회로를 결합시켰을 때 2차회로의 L, C를 부가한 것과 같은 효과가 나타나서 주파수가 변주되는 원리를 이용하고 있다.
특히, 기존 신호설비의 변경 또는 교체 없이, 기존 신호설비로부터 현장 신호정보를 전송받아 열차 진행 상황을 파악하고 운행열차의 차량 종류를 구분하여 ATS 차상 장치의 오동작을 방지할 수 있도록 함으로써, ATS 시스템과 다른 철도신호시스템이 중첩운영되는 모든 노선에 적용 하기용이 하도록 하였다.

성능/효과

2) 현장에서의 시험측정결과, AF궤도회로의 신호가 ATS 차상장치로 유입되는 것을 확인하였고, 또한 ATS 차상 장치에서 동작 주파수 범위를 초과하는 40[kHz] 대역의 잡음이 발생하는 것을 확인하였다. ATS차상장치는 !38[kHz]를초과하는 신호가 출력되면 비상제동을 체결하도록 구성되어있기 때문에, 의 잡음이 오동작을 유발하논 직접 원인으로 판명되었다.
3) 이상과 같은 전자파 장해현상에 대해, 간섭원으로 작용하는 AF궤도회로 신호의 송줄을 한시적으로 차단하는 장치를 개발하여 적용함으로써 효과를 얻을 수 있었다
이상과 같은 열차점유검지장치를 설치하여 운영함으로써, ATS의 오동작 현상은 완전하게 해소되었으며 ATC 시스템의 중첩 운영으로 인하여 전자파 장해가 발생하는 문제를 해결하였다. 특히, 기존 신호설비의 변경 또는 교체 없이, 기존 신호설비로부터 현장 신호정보를 전송받아 열차 진행 상황을 파악하고 운행열차의 차량 종류를 구분하여 ATS 차상 장치의 오동작을 방지할 수 있도록 함으로써, ATS 시스템과 다른 철도신호시스템이 중첩운영되는 모든 노선에 적용 하기용이 하도록 하였다.
오동작이 발생하였다. 이상으로부티, 전송로를 차단하는 방법은 효과적이지 못하다는 것을 확인하였다.
이상의 간섭시험 결과로부터, 지상에 설치된 AF 궤도회로에 흐르는 신호가 ATS차상장치에 유입되어 전자파 간섭을 일으키며, 이로 인해 ATS 발진회로의 출력파형이 왜곡되고 동작 주파수 범위를 초과하는 잡음신호가 출력됨으로써 오동작을 유발한다는 것을 확인하였다. 이와 같은 현상은 선로의 전체 구간에서 발생하는 것은 아니고 특정 구간에서 발생하는 것으로 측정되었는데, 이는 선로 일부구간에서 전동차에서의 수신레벨을 조정하기 위해 AF궤도회로의 송신전압 레벨을 크게 설정하여 운영하고 있기 때문인 것으로 분석되었다.

참고문헌 (16)

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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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