전차선과 팬터그래프는 전기철도차량에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 전기철도차량 운행 시 전차선과 팬터그래프 사이의 불안정한 접촉에 의하여 아크가 발생하며 이는 고장 및 사고의 원인이 된다. 따라서 아크를 검출하고 전차선 유지보수를 위한 아크 검측 시스템의 필요성이 요구되고 있다. 본 논문에서는 이러한 전차선 아크 검측 시스템의 개발에 관하여 기술하였다. 아크는 광 검출기를 이용하여 간접 측정하며 가선 전압/전류, 전차선의 높이, 주행속도, 발생위치와 온/습도를 동영상과 함께 저장한다. 개발된 시스템은 서울-동대구간 하행선에서 시험 검측하고 평가하였다. 실험 결과, 아크 발생 및 강도는 가신 전압/전류, 팬터그래프의 높이, 속도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
전차선과 팬터그래프는 전기철도차량에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 전기철도차량 운행 시 전차선과 팬터그래프 사이의 불안정한 접촉에 의하여 아크가 발생하며 이는 고장 및 사고의 원인이 된다. 따라서 아크를 검출하고 전차선 유지보수를 위한 아크 검측 시스템의 필요성이 요구되고 있다. 본 논문에서는 이러한 전차선 아크 검측 시스템의 개발에 관하여 기술하였다. 아크는 광 검출기를 이용하여 간접 측정하며 가선 전압/전류, 전차선의 높이, 주행속도, 발생위치와 온/습도를 동영상과 함께 저장한다. 개발된 시스템은 서울-동대구간 하행선에서 시험 검측하고 평가하였다. 실험 결과, 아크 발생 및 강도는 가신 전압/전류, 팬터그래프의 높이, 속도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
Catenary (Overhead Contact Lines) and Pantograph are used to transmit electrical energy to electric railways. An Arc occurs by unstable contact between catenary and pantograph during electric railways operation, which causes malfunctioning or even an accident. Therefore, to prevent a arc or electric...
Catenary (Overhead Contact Lines) and Pantograph are used to transmit electrical energy to electric railways. An Arc occurs by unstable contact between catenary and pantograph during electric railways operation, which causes malfunctioning or even an accident. Therefore, to prevent a arc or electric contact loss are required arc detection systems with catenary maintenance capability. This paper describes developing of catenary arc detection system using photo detector in order to detect arc incidence in a indirect way. This developed system can also achieve Video-recordings and environmental conditions such as wire voltage/current, pantograph height, speed, position of electric railways, and temperature/humidity. This system have been evaluated at the section that bounds for dongdaegu from seoul. From the experimental results, the occurrence of arc and intensity of arc are mainly effected by wire voltage/current, pantograph height and speed of electric railways.
Catenary (Overhead Contact Lines) and Pantograph are used to transmit electrical energy to electric railways. An Arc occurs by unstable contact between catenary and pantograph during electric railways operation, which causes malfunctioning or even an accident. Therefore, to prevent a arc or electric contact loss are required arc detection systems with catenary maintenance capability. This paper describes developing of catenary arc detection system using photo detector in order to detect arc incidence in a indirect way. This developed system can also achieve Video-recordings and environmental conditions such as wire voltage/current, pantograph height, speed, position of electric railways, and temperature/humidity. This system have been evaluated at the section that bounds for dongdaegu from seoul. From the experimental results, the occurrence of arc and intensity of arc are mainly effected by wire voltage/current, pantograph height and speed of electric railways.
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문제 정의
집전하고 있는 팬터그래프에서 이선이 일어나면, 그것에 따른 아크-광이 발생한다. 따라서 이 광의 강도를 광전변환소자에 의해 전기신호로 변화하고, 아크를 검출하는 것이다. 광전변환소자로서는 실리콘, 갈륨, 비소, 린 계의 포토-다이오드나 광전자증배관이 이용되고 있다.
본 논문에서는 300km/h 이상의 고속에서도 실시간으로 아크 검측이 가능한 전차선 아크 검측 시스템을 설계하고 개발하였다. 전차선 아크 검측 시스템은 아크 발생량, 아크 발생 위치, 가선 전압/전류, 주행속도, 팬터그래프의 높이, 온/습도를 영상과 함께 측정하며 실시간으로 현시 및 저장한다.
본 논문에서는 이러한 전기철도 운행 시 발생하는 아크를 검측하고 발생 환경을 분석할 수 있는 전차선 아크 검측 시스템 개발에 대하여 다루고 있다. 아크는 그 발생량에 비례하는 아크-광을 방출하며 이를 이용하여 광-검출기로 간접 측정한다.
5MQ정도의 저항 분압기를 끼워 접지 시켜 가선전압을 약 1/20으로 내려 측정한다. 즉, 팬터그래프에 가선전압이 부하되는지 아닌지로 팬터그래프와 전차선의 이선의 발생을 판단하는 것이다. 이 방법은 역행, 타행 등의 운전조건에 좌우되지 않으며, 정밀도가 높은 것이 특징이다.
제안 방법
아크는 그 발생량에 비례하는 아크-광을 방출하며 이를 이용하여 광-검출기로 간접 측정한다. 또한 아크 발생 환경을 분석하기 위하여 가선 전압/전류, 팬터그래프의 높이, 주행속도, 발생위치, 온/습도를 영상과 함께 측정한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
그 중 태양광과 주변 간섭 광의 영향이 가장 작은 자외선 측정이 일반적으로 사용된다. 본 논문 역시 이 방법을 이용하였으며 Lutron Electronic사의 UVC-254 광-검출기를 사용 하였다. UVC-254는 자외선 C 대역인 254nm(with narrow) 파장의 복사조도(Irradiance) 를 검출하며 199.
아크 발생 지점인 팬터그래프 상부 슈(Shoe)와 전차선의 접전 부분을 측정 구간에서 CCD(Charge Coupled Device) 카메라로 촬영한다. 정지 영상 추출을 위하여 1/10, 000초의 셔터 스피드(Shutter Speed)로 촬영하며 Pan/Tilt, Zoom, Focus의 원격 조정 기능을 통해 보다 세밀한 영상의 촬영이 가능하다.
아크 발생환경을 참고하기 위하여 아크 센서와 동일한 위치에서 온/습도를 함께 측정한다. 온도 센서는 온도의 변화에 따라 저항 값이 변하는 서미스터 (Thermistor) 소자를 사용하였으며 습도센서는 산업용으로 많이 쓰이는 정전용량형을 사용하였다.
온도 센서는 온도의 변화에 따라 저항 값이 변하는 서미스터 (Thermistor) 소자를 사용하였으며 습도센서는 산업용으로 많이 쓰이는 정전용량형을 사용하였다. 온도는 섭씨, 습도는 싱대습도로 처리하였으며 온도에 따른 습도 편차를 보정한다. 측정범위는 -30°C~ 80°C(±3%), 0-100% RH(±5%)이며 1초 단위로 갱신한다.
전차선 아크 검측 시스템은 아크 발생량, 아크 발생 위치, 가선 전압/전류, 주행속도, 팬터그래프의 높이, 온/습도를 영상과 함께 측정하며 실시간으로 현시 및 저장한다. 저장 된 데이터는 사후 텍스트와 그래프 보고서로 출력된다.
전차선 아크 검측 시스템은 전철에 전력을 공급하는 전차선과 집전 설비인 팬터그래프 간에 운행 중 발생하는 아크 검측을 주목적으로 하며, 체계적인 점검과 유지보수를 위하여 가선 전압/전류, 팬터그래프의 높이, 주행속도, 발생 위치, 온/습도를 동영상과 함께 측정한다. 측정된 정보는 텍스트와 그래프 형태로 출력되며 능동적인 점검지점을 제공한다.
촬영한다. 정지 영상 추출을 위하여 1/10, 000초의 셔터 스피드(Shutter Speed)로 촬영하며 Pan/Tilt, Zoom, Focus의 원격 조정 기능을 통해 보다 세밀한 영상의 촬영이 가능하다. CCD 카메라는 환경의 변화에 따른 화질 저하를 줄이고 야간 촬영을 위하여 조명이 함께 설치된다.
주행 중의 팬터그래프의 높이를 측정하며, Fig. 3과 같이 안전을 위해 팬터그래프 밑에 반사경을 설치하고 반 사경 과수 평한 위치에서 레이저로 비접촉식 측정을 한다. 본 논문에서는 Acuity사의 AR4000 레이저 센서를 사용하였다.
대상 데이터
3과 같이 안전을 위해 팬터그래프 밑에 반사경을 설치하고 반 사경 과수 평한 위치에서 레이저로 비접촉식 측정을 한다. 본 논문에서는 Acuity사의 AR4000 레이저 센서를 사용하였다. AR4000은 방출된 적외선 레이저빔이 대상물체에 반사되어 돌아오는 이동시간(Travel-time)으로부터 거리를 역산하여 대상점 좌표를 인지한다[13].
전차선 아크 검측 시스템은 Fig. 1과 같이 지붕에 탑재하는 아크 측정부, 영상 촬영부, 높이 측정부와 차량 객차에 탑재하는 측정처리부로 구성된다. 데이터의 송수신은 루프컨트롤러 (Roof Controller)와 랙 컨트롤러 (Rack Controller) 에서 패킷(packet) 형태로 가공되어 광-링크를 통해 이루어진다.
이론/모형
온/습도를 함께 측정한다. 온도 센서는 온도의 변화에 따라 저항 값이 변하는 서미스터 (Thermistor) 소자를 사용하였으며 습도센서는 산업용으로 많이 쓰이는 정전용량형을 사용하였다. 온도는 섭씨, 습도는 싱대습도로 처리하였으며 온도에 따른 습도 편차를 보정한다.
성능/효과
저장 된 데이터는 사후 텍스트와 그래프 보고서로 출력된다. 개발된 시스템을 이용하여 서울〜동대구(하행) 구간을 시험 검측한 결과 아크는 가선 전압/전류, 팬터그래프의 높이 차량의 속도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
본 논문에서의 시험 검측 구간인 서울-동대구(하행) 총 285.799km 구간에서 최대 가선 전압은 27.4kV, 최대 가선 전류는 753A로 나타났다. 온/습도는 21°C, 53%가 최고치로 측정되었으며 아크의 최대 강도는 26RI, 최대 지속시간은 9.
4kV, 최대 가선 전류는 753A로 나타났다. 온/습도는 21°C, 53%가 최고치로 측정되었으며 아크의 최대 강도는 26RI, 최대 지속시간은 9.9msec로 측정되었다. 아크는 전체적으로 가선 전압/전류가 크고 속도가 빠를수록 강도가 증가하였다.
후속연구
개발된 전차선 아크 검측 시스템은 능동적인 점검 지점을 제공함과 동시에 체계적인 유지보수에 효과적으로 활용될 수 있으며 측정된 누적 데이터의 정량화를 통해, 전기철도의 집전설비와 차량 설계에 도움을 줄 것으로 사료된다.
현재 개발된 아크 검측 시스템을 이용하여 다양한 구간에서 반복 검측을 수행하고 있으며, 실제 철도 운영 현장에 활용하기 위하여 압상력 측정과 함께 검측된 데이터와 국제 규격간의 명확한 이선 판정 기준에 대한 연구를 진행 중이다.
참고문헌 (14)
송성근, 이택희, 송재열, 박성모 (2008), "레이저를 이용한 전차 선 편위 및 높이 측정 시스템 개발," 한국철도학회논문집, 제 11 권, 제 6 호, pp. 569-574.
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