[논문]직류전기철도 급전시스템에서 레일전위 해석을 위한 모델링

조웅기; 최규형

doi:10.5207/jieie.2010.24.6.138

직류전기철도 급전시스템에서 레일전위 해석을 위한 모델링
Modeling for the Analysis of Rail Potential in the DC Railway Power System 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.6, 2010년, pp.138 - 146

조웅기 (서울산업대학교 철도전문대학원, (주)한얼엔지니어링) , 최규형 (서울산업대학교 철도전기신호공학과)

초록
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본 논문은 직류 전기철도 급전시스템에서 레일전위와 누설전류의 분석 기법을 제시하였다. 일반적으로 직류 전기철도 급전시스템에서는 운행용 레일을 귀로 전류(부극성)의 도체로 사용하고 있으므로 레일전위가 발생하고, 특히 차량 운행용 레일과 대지사이의 저항이 작은 경우에는 대지로 흐르는 누설전류가 문제가 된다. 이 레일전위 및 누설전류는 레일 주변에 설치된 지하 매설물에 영향을 미치며, 인체의 안전과도 관련이 있다. 이에 따라 직류 전기철도 급전시스템에서 레일전위와 누설전류를 억제하는 것은 전기철도 주변 환경 및 안전 측면에서 중요한 문제이다. 이상과 같은 관점에서, 직류 전기철도 급전시스템에 대하여 단독급전 및 병렬급전 상황에서 레일전위와 누설전류를 계산할 수 있는 알고리즘을 제안하였으며, 또한 열차주행시뮬레이션(TPS)과 연동하여 열차주행에 따라 부하전류가 변동되는 상황에서 레일전위와 누설전류를 정량적으로 분석할 수 있도록 하였다. 제안한 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션 프로그램을 개발하였고, 직류전기철도 급전시스템에 대하여 사례 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

DC railway power supply system generally uses the running rails as negative-polarity return conductor for traction load current, and the induced rail potential and stay current cause serious problems to any electrified matter in the underground and also safety problems to human body. This paper presents a new algorithm for the analysis of the rail potential and the stray current in DC railway power system operated under independent/parallel power feeding mode. The effect of load current fluctuation during train operation is also calculated by using TPS(Train Performance Simulation) program to analysis the variation of the railway potential and stray current along railway track. Simulation program is developed based on the proposed algorithm and case studies are provided.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 일반적인 직류전기철도 급전시스템을 모델링하기 위하여 그림 5와 같은 등가회로를 제안하였다. 급전선의 선로저항은 집중정수 회로로 표시하고, 부극성(-)인 귀로전류의 통로인 레일의 저항은 분포정수 회로로, 레일과 대지사이의 누설저항도 분포 정수 회로로 표시하였다.

가설 설정

0203[Ω/km]이다. 전기철도 급전시스템은 4[km]의 거리를 두고 급전변전소가 있으며, 전기철도 차량이 1.5[km] 지점에 위치했을 때 차량부하는 약 5,200[kW]의 전력을 소비하는 상태를 가정하였다.

제안 방법

1) 레일을 귀로(부극성)으로 사용하는 직류전기철도 급전시스템에서 차량부하의 위치에 따라 각각의 변전소에서 공급되는 전류, 누설전류 및 레일전위 등을 해석을 위한 등가회로에 대하여 단순한 방법에 의한 알고리즘을 제안하였다.
또한, 레일의 누설저항은 1[Ω/km], 10[Ω/km] 및 100[Ω/km]의 세 가지 경우에 대하여 시뮬레이션을 하였으며, 차량부하의 위치는 1.5[km] 지점에 위치한 경우를 상정하였다.
본 논문에서 제안한 알고리즘으로 개발된 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 직류전기철도 급전시스템에서 차량부하의 위치변화에 따른 차량의 운행조건을 고려한 TPS(Train Performance Simulation) 시뮬레이션 결과를 적용하여 차량부하의 위치에 따른 급전 전류와 누설전류의 변화를 검토하였다. TPS는 열차의 견인성능과 하중, 주행저항 등의 제원과 선로의 구배, 곡선 조건들을 고려하여 열차운행시 주행속도 및 소비전력을 시뮬레이션하는 프로그램이다.
본 논문에서 제안한 알고리즘으로 시뮬레이션 프로그램을 작성하였으며, 직류전기철도 급전시스템에서 누설저항의 변화에 대하여 전기철도의 차량부하의 위치에 따른 급전전류와 누설전류의 분포를 계산하는 시뮬레이션을 하였다.
이러한 직류전기철도 급전시스템에서 누설전류와 레일의 전위를 계산하기 위한 방법은 등가회로로부터 간단하게 크기를 결정하는 방법[2-3]과 급전시스템을 분포정수회로로 등가화하여 전파방정식으로 구하는 방법[4-5], 직류전기철도 급전시스템의 등가회로에서 전력조류계산법으로 결정하는 방법[6-7] 등이 있다. 본 논문에서는 직류전기철도 급전시스템에서 누설 저항의 크기 및 차량 부하의 위치에 따른 급전, 레일 및 누설전류의 변화에 대하여 직류전기철도 급전시스템을 등가회로로 간략화하고, 간략화된 등가회로에 대하여 노드방정식으로 유도하여 해석하는 모델식을 유도하였으며, 유도된 모델식을 적용하여 해석 모델에 대한 프로그램을 개발하고 사례 시스템에 대하여 사례연구를 수행하였다.
직류전기철도 급전시스템에서 부하전류의 귀로도체 (부극성)로 레일을 사용하는 경우에 비접지방식을 채택한 급전시스템에서 공급전류 및 누설전류의 분포를 계산할 수 있는 수학적 모델링을 수립하였으며, 제안된 급전시스템의 공급전류, 누설전류 및 레일전위 해석을 위한 알고리즘을 이용하여 프로그램을 개발하고 사례연구 대상 급전시스템에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
직류전기철도 급전시스템의 접지방식에 대하여 모든 설비가 공통접지방식을 도입한 것으로 가정하고 주행레일을 귀로회로(부극성)로 사용하며, 대지와는 비접지 상태로 운전되는 직류전기철도 급전시스템의 차량부하의 위치에 따른 레일의 누설전류 분포를 본 논문에서 제안한 모델링에 의하여 계산하는 사례연구를 수행하였다.
직류전기철도시스템에서 전차선/급전선의 운전 전압은 1,500[V]이고, 총 운전선로의 길이는 4[km]인 경우를 상정하였으며, 급전선 및 60[㎏]의 레일에 대한 저항은 각각 0.0203[Ω/km] 및 0.0148[Ω/km] 으로 상정하였다.

성능/효과

2) 제안된 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 프로그램을 개발하였으며, 사례연구 대상 급전시스템을 설정하여 시뮬레이션한 결과 누설저항의 변화에 따라 누설전류의 변화 및 레일전류의 변화 등을 확인하였다.
3) 시뮬레이션 결과에 의하면 레일의 전위에 영향을 가장 많이 미치는 누설전류는 레일과 대지와의 누설저항에 의한 것을 확인하였으며, 누설저항의 크기에 따라 누설전류의 크기도 크게 변화하는 것을 확인하였다.
4) 일정한 구간에서 운행하고 있는 차량부하에 대한 시뮬레이션 결과, 차량부하 위치에 따라 가까운 변전소에서 많은 부하전류를 공급받는 것을 확인하였으며, 부하차량의 위치에 따라서는 공급 변전소로부터 거리가 멀어질수록 누설전류의 크기가 증가하는 것을 알 수 있다.
레일의 누설저항은 1[Ω/km]로 작기 때문에 레일을 통해 누설되는 전류가 상대적으로 커서 거리에 따른 레일전류 크기가 크게 변하는 것을 볼 수 있다. 급전선으로부터 공급되는 부하전류는 차량부하와 가까운 변전소로부터 더 많이 공급받고, 먼 쪽 변전소로부터의 공급 부하전류는 상대적으로 작아지는 것을 확인할 수 있다.
5[km] 지점에 있고, 레일의 누설저항이 1[Ω/km], 10[Ω/km] 및 100[Ω/km]으로 변화시킨 경우에 대한 레일의 전류분포를 계산한 결과이다. 레일의 누설저항의 변화에 따라 레일을 통하여 전원으로 흐르는 부극성 전류의 흐름이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 레일과 대지와의 누설저항의 크기에 따라 레일의 누설전류가 달라지기 때문에 레일의 전류분포가 많이 달라지는 것을 볼 수 있다.
차량부하가 위치한 지점의 누설전류가 가장 크고, 급전용 변전소 부근에서는 누설전류 방향이 반대가 되는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 사례연구 대상 급전 시스템이 비접지 방식인 경우에 나타나는 현상을 확인할 수 있는 내용이며, 누설저항의 크기에 반비례하여 누설전류의 크기가 감소하는 것도 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 직류전기철도 급전시스템에 대한 누설전류 및 레일전위의 해석을 위하여 새로운 알고리즘을 제안하였으나, 추후 좀 더 세밀한 시뮬레이션을 위한 직류전기철도 급전시스템의 시뮬레이션 프로그램을 개발할 필요성이 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시철도의 경우 일반적으로 어떤 방식을 사용하여 운전되는가?	전기철도는 공급전원의 종류에 따라 교류전원을 사용하는 방식과 직류전원을 사용하는 방식으로 구분할 수 있으며, 도시철도의 경우에 일반적으로 직류 급전 방식이 채용되어 운전되고 있다. 직류전기철도 시스템에서는 운행을 위한 레일이 일반적으로 전동차 부하에 공급된 전류의 귀로도체(Negative Conductor)로 사용된다.
	전기철도를 공급전원의 종류에 따라 분류하면?	전기철도는 공급전원의 종류에 따라 교류전원을 사용하는 방식과 직류전원을 사용하는 방식으로 구분할 수 있으며, 도시철도의 경우에 일반적으로 직류 급전 방식이 채용되어 운전되고 있다. 직류전기철도 시스템에서는 운행을 위한 레일이 일반적으로 전동차 부하에 공급된 전류의 귀로도체(Negative Conductor)로 사용된다.
	직류전기철도 급전시스템의 접지방식의 목적은?	직류전기철도 급전시스템에서 접지방식은 누설전류의 크기와 레일의 전위 상승을 억제하여 인체의 위험 전압(접촉전압과 보폭전압)을 효과적으로 제어하기 위한 목적으로서 레일과 대지 사이의 누설저항과 더불어 매우 중요한 기능을 가지고 있다. 일반적으로 직류전기철도 급전시스템의 접지방식은 누설전류의 최소화와 인체 및 설비의 안전 확보 조건을 만족시키기 위한 대책으로 결정된다.

참고문헌 (7)

K. D. Pham, R. S. Thomas and W. E. Stinger, "Analysis of stray current, track-to-earth potentials and substation negative grounding in DC traction electrification system", Proceedings of the 2001 IEEE/ASME Joint Railroad Conference, pp. 141-160, 2001.
Jian Guo Yu B. Sc, "Computer Analysis of touch voltages and stray currents for DC railways", Thesis for Ph.D. University of Birmingham, 1992.
C. S. Chang and L. F. Tian, "Worse-case identification of touch voltage and stray current of DC railway system using genetic algorithm", IEE Proc. Electrical Power Application, Vol. 146, No. 5, pp. 570-576, 1999.

상세보기
Li Guoxin, Zhang Dongliang, etc., "Research on real-time measurement of key parameters of stray current in DC Traction system", Proc. of the 2009 IWISA, Nov. 21-22, 2009.
M. Niasati and A. Gholami, "Overview of stray current control in DC railway systems", International Conference on Railway Engineering 2008. pp. 1-6, ICRE 2008.
Bih-Yuan Ku, Jen-Sen Liu, "Solution of DC Power Flow for Non-grounded Traction Systems Using Chain-Rule Reduction of Ladder Circuit Jacobian Matrices", Proc. of the 2002 ASME/IEEE, Apr. 23-25, 2002.
Bih-Yuan Ku, Thomas Hsu, "Computation and Validation of Rail-to-Earth Potential for Diode-Grounded DC Traction System at TAIPEI Rapid Transit System", Proc. of the 2004 ASME/IEEE, Apr. 6-8, 2004.

저자의 다른 논문 :

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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