전기철도는 전차선을 통해 차량을 구동할 수 있는 전력을 공급하며, 공급된 전류는 선로 및 접지망을 통해 변전소로 귀환한다. 국내의 경우, 이러한 귀선전류에 영향을 주는 접지망 구성은 대부분 단독 접지방식을 사용하였으나, 경부고속선의 도입과 함께 공동 접지방식의 개념이 전기철도에 적용되었다. 본 논문에서는 고속철도의 기존선 운행을 위한 전철화 구간에서 측정, 분석한 귀선전류를 기반으로 전철화 구간에 있어서의 접지방식과 귀선전류의 관계를 분석하였다. 이러한 분석은 경부고속선 궤도회로에서 측정된 귀선전류 분석값과 경부고속선과 기존선 전철화 구간의 접지방식 비교에 따른 귀선전류의 예측값을 활용하였다.
전기철도는 전차선을 통해 차량을 구동할 수 있는 전력을 공급하며, 공급된 전류는 선로 및 접지망을 통해 변전소로 귀환한다. 국내의 경우, 이러한 귀선전류에 영향을 주는 접지망 구성은 대부분 단독 접지방식을 사용하였으나, 경부고속선의 도입과 함께 공동 접지방식의 개념이 전기철도에 적용되었다. 본 논문에서는 고속철도의 기존선 운행을 위한 전철화 구간에서 측정, 분석한 귀선전류를 기반으로 전철화 구간에 있어서의 접지방식과 귀선전류의 관계를 분석하였다. 이러한 분석은 경부고속선 궤도회로에서 측정된 귀선전류 분석값과 경부고속선과 기존선 전철화 구간의 접지방식 비교에 따른 귀선전류의 예측값을 활용하였다.
Electrical Railroads provide electric power, which can operate vehicles, via feeder wires. And the supplied current returns to the transformer substation through lines and ground net. In domestic cases, the configuration of ground net affecting such a return current mostly uses an exclusive earth me...
Electrical Railroads provide electric power, which can operate vehicles, via feeder wires. And the supplied current returns to the transformer substation through lines and ground net. In domestic cases, the configuration of ground net affecting such a return current mostly uses an exclusive earth method. However, along with the introduction to Gyeongbu HSL(High Speed Line), the concept of Common Earth was applied to Electrical Railroads. In this paper, based on the return currents analyzed to be measured in the electrified sections for the operation of High Speed Rails in existing lines, we analyze the relations between earth methods and return currents in electrified sections. For analysis, we utilize the measured values of return currents measured in track circuits in Gyeongbu HSL, and predictive values of those compared to the earth methods between Gyeongbu HSL and the existing electrified sections.
Electrical Railroads provide electric power, which can operate vehicles, via feeder wires. And the supplied current returns to the transformer substation through lines and ground net. In domestic cases, the configuration of ground net affecting such a return current mostly uses an exclusive earth method. However, along with the introduction to Gyeongbu HSL(High Speed Line), the concept of Common Earth was applied to Electrical Railroads. In this paper, based on the return currents analyzed to be measured in the electrified sections for the operation of High Speed Rails in existing lines, we analyze the relations between earth methods and return currents in electrified sections. For analysis, we utilize the measured values of return currents measured in track circuits in Gyeongbu HSL, and predictive values of those compared to the earth methods between Gyeongbu HSL and the existing electrified sections.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 궤도회로에 있어서 귀선전류의 영향을 분석하기 위하여 고속철도의 기존선 운행을 위한 전철화 구간에서 측정, 분석한 귀선전류를 기반으로 전철화 구간에서의 접지방식에 따른 귀선전류의 관계를 도출하였다. 이러한 분석은 경부고속선 궤도회로에서 측정된 귀선전류 값과 경부고속선과 기존선 전철화 구간의 접지방식 비교에 따른 귀선전류의 예측 값을 활용하였다.
가설 설정
또한 그림 4의 b)에서 열차가 AT1과 AT2 사이에 존재하는 경우, 변전소와 AT1 사이의 루프는 귀선 전류에 영향을 거의 주지 않고 접지 전류망은 변전소와 AT1, AT2를 통합하는 루프로 형성된다. 따라서 이러한 경우, 귀선 전류는 그림 4의 a)에 비해 상대적으로 작아지지만, 접지 전류는 증가하게 된다. 특히 전철화 구간에서의 귀선 전류의 흐름을 예측하는 것은 매우 복잡하며, 선로변 자갈 도상의 임피던스, 공중보호선(CPW)의 길이, 전력 공급 장소에 대한 열차의 상대적인 위치에 의존한다[8].
제안 방법
고속철도의 기존선 연계 운행이 경부선 동대구-부산 구간과 호남선 구간으로 결정됨에 따라 이들 구간에 전철화를 추진하면서 고속선과 동일한 공동 접지망의 원리를 적용하였다. 공동 접지망 설계를 위한 초기의 검토는 고속철도의 소비 전력 측면에서 LTI와 LEAE를 분석하였다[4].
특히이 구간의 귀선전류 값은 타 구간에 비해 가장 높게 측정되었다. 귀선전류가 측정 위치에 따라 얼마만큼 큰 폭으로 변화되는지를 확인하기 위해 밀양 변전소 상선 384K600에서도 귀선전류를 측정하였다. 첫 번째 측정값은 그림 6의 e)와 같으며, 최대치는 135.
3A로 확인되었으며, 두 번째 측정값은 그림 6의 f)로 주어지며, 최대치는 191A로 확인되었다. 다음은 전력구분소에서 귀선전류 영향을 분석하기 위해 밀양 변전소에서 약 22km 북쪽에 위치한 청도 구분소 전방 364K600에서 귀선전류를 측정하였다. 첫 번째 측정값은 그림 6의 g)와 같으며, 최대치는 93A로 주어진 반면, 두 번째 측정값은 그림 6의 h)와 같이 최대 244.
본 논문에서는 이러한 궤도회로에 있어서 귀선전류의 영향을 분석하기 위하여 고속철도의 기존선 운행을 위한 전철화 구간에서 측정, 분석한 귀선전류를 기반으로 전철화 구간에서의 접지방식에 따른 귀선전류의 관계를 도출하였다. 이러한 분석은 경부고속선 궤도회로에서 측정된 귀선전류 값과 경부고속선과 기존선 전철화 구간의 접지방식 비교에 따른 귀선전류의 예측 값을 활용하였다.
2009년 8월 10일 상선과 하선에서 운행 중인 전기기관차를 대상으로 귀선전류를 측정하였다. 측정 장소는 밀양 변전소를 중심으로 미전과 청도 방향으로 귀선전류의 특성 확인을 위해 역간, 변전소 전방, 구분소 전방에서 실시하였으며, 관련 최대 전류 값과 그래프는 표 1과 그림 6과 같이 측정되었다. 여기서 그림 6의 b)는 전기기관차(EL8200)의 경우이고, 나머지는 모두 고속열차(KTX) 운행 중에 측정하였다.
대상 데이터
2009년 8월 10일 상선과 하선에서 운행 중인 전기기관차를 대상으로 귀선전류를 측정하였다. 측정 장소는 밀양 변전소를 중심으로 미전과 청도 방향으로 귀선전류의 특성 확인을 위해 역간, 변전소 전방, 구분소 전방에서 실시하였으며, 관련 최대 전류 값과 그래프는 표 1과 그림 6과 같이 측정되었다.
성능/효과
3초 ～ 41초에서 순간적으로 변화되었다. 밀양 변전소 하선 386K200의 경우, 측정값은 그림 6의 b)와 같으며, 200A 임피던스 본드의 가용성 범위인 180A에 대해 최대 67A로 측정되었다. 이는 운행 열차의 부하 용량이 고속열차(KTX)에 비해 상대적으로 작은 전기기관차(EL8200)가 운행된 결과로 예상된다.
경부고속선과 기존선 전철화 구간의 경우에는 공동접지망을 구성함에 따라 귀선전류의 값은 이론상 전차선 공급전류의 1/2을 초과할 수 없으며, 대부분의 귀선 전류는 접지망을 통해 변전소로 귀환하게 된다. 그러나 경부선 전철화 구간에서의 측정 결과는 전차선 전류가 대부분 귀선전류로 흐르는 것을 확인할 수 있지만, 일부 특정 구간 또는 특정 열차의 경우에는 정상적인 귀선 전류의 흐름이 통과하는 차량의 특성에 따라 약간씩 가변적으로 주어지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 기관사의 운전 형태 및 주변에 운행중인 차량은 이러한 귀선전류에 큰 영향을 인가할 수 있지만, 이론상 완전한 공동접지를 구성하는 경우에는 귀선전류 측정값이 전처선 공급전력의 1/2 이하이어야 한다.
공동 접지망 설계를 위한 초기의 검토는 고속철도의 소비 전력 측면에서 LTI와 LEAE를 분석하였다[4]. 분석 결과, 동대구-부산 구간의 사용 전력이 45MW로, 이는 프랑스철도청에서 사용하는 고속선 전력과 유사함에 따라 경부선의 기존선 전철화 구간은 프랑스철도청의 고속선과 동일하게 취급하였으며, 동대구-부산 구간은 모두 LTI를 사용하여 공동접지망을 구성함은 물론 LTI와 LTI 사이의 거리도 고속선과 동일하게 평균 1500m 이하로 설계하였다. 만약 경부선의 LTI 연결이 2000m인 경우, EMI의 관점에서 선로와 접지 사이의 전위차가 선로변 Staff 보호를 위한 그림 2의 안전 기준 전압 값 650V를 초과하게 된다.
후속연구
특히 기관사의 운전 형태 및 주변에 운행중인 차량은 이러한 귀선전류에 큰 영향을 인가할 수 있지만, 이론상 완전한 공동접지를 구성하는 경우에는 귀선전류 측정값이 전처선 공급전력의 1/2 이하이어야 한다. 그러나 일부 구간과 같이 귀선전류가 크게 주어지는 경우에는 규정상 1분이 아닌 단지 몇초만 귀선전류가 순간적으로 증가하는 형태로 안전에는 큰 문제점을 유발하지 않지만, 측정된 귀선전류의 형태를 분석한 결과는 공동 접지망에 대한 상세한 검토 및 조사가 필요한 것으로 확인되었다. 한 예로 LTI 유형의 공동 접지망과 LEAE 유형의 공동 접지망의 경우, 귀선 전류의 크기가 상대적으로 다르게 주어짐으로서 현재 운행중인 열차의 전력 소모량을 검토하여 주어진 LTI 설계와 LEAE 설계의 정확한 판단을 제시해야 할 것으로 예상된다.
한 예로 LTI 유형의 공동 접지망과 LEAE 유형의 공동 접지망의 경우, 귀선 전류의 크기가 상대적으로 다르게 주어짐으로서 현재 운행중인 열차의 전력 소모량을 검토하여 주어진 LTI 설계와 LEAE 설계의 정확한 판단을 제시해야 할 것으로 예상된다. 또한 현재 LEAE로 구성된 구간에서의 귀선전류 측정과 이를 LTI 방식으로 변경시의 귀선전류 측정값을 비교, 분석함으로서 전기 기관차의 운행에 따른 인명, 시설물 보호 및 낙뢰, 지락으로 부터의 철도시스템 보호 등을 위한 최적화된 접지 및 귀선전류 시스템 구축 및 보완을 실시할 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
녹색 에너지에 따라 재조명되는 전기철도의 접지망 구성은?
녹색 에너지를 사용함에 따라 최근에 재조명되고 있는 전기철도의 접지망 구성은 단독 접지방식과 공동 접지방식으로 분류되며, 국내에서는 일본 철도의 영향에 의해 주로 단독 접지방식을 적용함으로서 전체 보호 대상 시스템 중에서 일부의 설비 및 직원의 보호가 이루어졌다. 이에 따라, 단독접지가 설치되지 않은 설비나 주변의 단독접지에 비해 성능이 저하되는 접지 설비의 경우에는 안전 및 지락 피해 등과 같은 다양한 문제점이 제기되었다[1].
공동 접지망 구성은 무엇을 기본으로 두고 있나?
다만 초기 설치비용이 매우 증가하는 현실적인 문제점이 고려되어야 했다[2]. 이러한 문제에도 불구하고 공동 접지방식은 현장 적용 및 장애 발생빈도 등의 실질적인 통계 지표를 통해 직원의 안전과 선로변 전기 설비에 가장 큰 영향을 인가하는 귀선전류의 문제점을 해결할 수 있는 최상의 방식으로 평가되고 있으며[3], 공동 접지망 구성은 기존의 전력 공급 시스템에 기본을 두고, 전철화에 따라 선택된 궤도 회로의 특성에 의해 변화되는 모든 설계 변수를 고려한 것으로서 전기 누설 및 낙뢰로부터의 선로변 직원 및 장비 보호, EMI(Electro Magnetic Interference) 영향 방지 또는 EMI 영향 최소화를 가능하게 하는 최적의 시스템으로서 프랑스철도청의 경험에 의해 검증되었다[1].
단독 접지방식을 적용함에 따라 제기된 문제점은?
녹색 에너지를 사용함에 따라 최근에 재조명되고 있는 전기철도의 접지망 구성은 단독 접지방식과 공동 접지방식으로 분류되며, 국내에서는 일본 철도의 영향에 의해 주로 단독 접지방식을 적용함으로서 전체 보호 대상 시스템 중에서 일부의 설비 및 직원의 보호가 이루어졌다. 이에 따라, 단독접지가 설치되지 않은 설비나 주변의 단독접지에 비해 성능이 저하되는 접지 설비의 경우에는 안전 및 지락 피해 등과 같은 다양한 문제점이 제기되었다[1].
김용규외 2인, "기존선 전철화에 따른 궤도회로 특성 연구", 2004 대한전기학회 하계학술대회 논문집.
Y.K, KIM and al, "Estimation and Measurement of the traction return current on the electrified Gyoungbu line", 2001 Proceedings of the International Conference on Control, Automation and Systems, pp.1458-1461.
이길노외 3인, "궤도회로에서의 공동접지와 단독접지 인터페이스", 2005년 한국철도학회 추계학술대회 논문집.
김용규 외 2인, "궤도회로의 유지보수 효율화를 위한 동조 유니트 특성 분석", 한국산학기술학회 논문지 제10권 제12호, pp.3594-3599, 2009.
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