[논문]자기장 변화에 따른 전류 위상차를 이용한 열차 위치검지 장치

최재식; 김백; 노성찬

doi:10.7782/jksr.2012.15.6.604

자기장 변화에 따른 전류 위상차를 이용한 열차 위치검지 장치
A Train Locating Device Using the Current Phase Difference Upon Magnetic Field Variation 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.6 = no.73, 2012년, pp.604 - 608

최재식 (Korail research Instituted, Korea Railroad) , 김백 (Department of Railroad Electrical & Electronics Engineering. Korea National University of Transportation) , 노성찬 (Department of Railroad Electrical & Electronics Engineering. Korea National University of Transportation)

초록
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열차의 위치는 전통적으로 궤도회로를 사용하여 검지하였으나 CBTC와 같은 최근의 열차제어 시스템은 지상신호설비를 최소화 하기 위하여 궤도회로를 사용하지 않고 열차를 검지하는 방식을 사용한다. 따라서 궤도회로를 사용하지 않고 열차의 정확한 위치를 검지하는 시스템에 대한 관심이 증대되고 있다. 또한 기존의 궤도회로 사용구간에도 단락감도 저하시 안정적으로 열차검지를 위하여 비접촉식 열차검지장치를 보완 설치한다. 본 논문은 비 접촉식 열차검지기 장치의 일종으로 자기장의 변화에 따른 전류위상차를 이용하여 열차검지시스템을 설계하고 시제품을 제작하여 열차검지 성능과 설계조건 등을 판단하였으며, 기존 궤도회로장치에 비하여 다양한 장점이 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Traditionally, the track circuits have been used for the purpose of train locating. However, the recent train control systems like a CBTC(Communications Based Train Control) do not utilize the track circuits to minimize the amount of ground signal devices. Therefore, there are increasing concerns over the system that can locate the position of train exactly without using the track circuits. Then, the contactless locating methods are added to ensure safety when the shunting sensitivity of the track circuit becomes low for the existing sections equipped with the track circuits. In this paper, a prototype of train locating device has been designed and tested, which utilizes the current phase difference upon magnetic field variation. The results show improved features of this method over the conventional track circuits method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 이러한 불연속 열차검지 시스템의 열차검지방식 중 자기장의 변화에 따른 전류위상차를 이용한 비 접촉식 열차검지 시스템을 설계하고, 시작품을 제작하여 열차검지 성능과 설계조건 등을 판단하였다.
본 연구에서는 이와 같은 조건을 만족할 수 있는 열차검지장치를 설계하고 실험을 통하여 그 성능을 입증하였다.

제안 방법

또한 1차코일과 2차코일을 연결하는 전기회로에 공진콘덴서 C를 첨가하여 직렬공진회로가 구성되도록 하였다. LC직렬공진 주파수는 열차를 검지하지 않을 시로 하여, 열차를 검지하지 않고 있는 평상시에 계속적으로 발진이 이루어 지도록 구성하여 자기회로 감시기능이 이루어지도록 구성하였다.
차륜검지센서는 “ㅁ”자형 변압기의 코어를 상단부만 절단한 구조로 1차 코일과 2차 코일의 상단부는 공극을 통하여 결합하고, 하단부는 코어를 통하여 결합하는 구조로 되어 있다. 또한 1차코일과 2차코일을 연결하는 전기회로에 공진콘덴서 C를 첨가하여 직렬공진회로가 구성되도록 하였다. LC직렬공진 주파수는 열차를 검지하지 않을 시로 하여, 열차를 검지하지 않고 있는 평상시에 계속적으로 발진이 이루어 지도록 구성하여 자기회로 감시기능이 이루어지도록 구성하였다.

대상 데이터

본 논문에서 연구하는 불연속 열차검지장치는 차륜검지센서부와 접속함, 신호처리장치 등으로 구성되어있다. 차륜검지센서는 자기장의 변화를 이용하여 열차 차륜을 검지하는 장치이고 접속함은 차륜검지센서에 전원을 인가하고, 열차검지신호를 생성하는 차륜검지센서 제어장치이다.
센서의 크기는 코어 중심에서 중심까지의 거리가 50[mm]이고 높이는 20[mm]이며 코일의 감은 횟수는 240회로 인덕턴스의 값은 각각 2[mH]로 제작하였다. 센서에 직렬 콘덴서 732[pF]을 연결하여 직렬공진회로를 구성하고 73[kHz] 12[V]의 구형파 전원을 인가하여 시뮬레이션을 수행하면 35[mm]높이 차륜과 차륜 결합 할 때의 자로와 차륜이 결합하지 않을 때의 자로의 변화가 발생함을 알 수 있다.
국내 철도의 경우도 신분당선의 구내에서도 엑셀카운터를 이용한 불연속 열차검지 시스템을 사용하고 있다. 신 분당선에 설치된 엑셀 카운터는 THALES사의 Zp30C로 SK30C 감지장치 헤드와 EAK30C전자장치, Junction Box로 구성되어 있다. SK30C는 레일의 내측과 외측에 수신코일과 송신 코일을 각각 2개씩 설치하여 각각 역 위상으로 동작하게 하여 1조(CT)의 검지코일은 열차가 검지되지 않았을 경우 ON 상태를 유지하고, 다른 1조(OT)는 OFF상태를 유지한다.
열차 검지장치의 검지신호 발생부는 센서에 73[kHz]의 구형파 전원을 인가하고 센서의 인덕턴스 변화에 의하여 열차의 유무를 판단할 수 있는 신호를 발생시키는 회로이다. 회로의 구성은 전원부와 기준신호 발생회로, 열차검지신호 발생회로, 열차검지회로 등으로 구성되어있다.

성능/효과

이 경우 전차선 귀선전류에 의한 고조파에 의한 열차검지신호의 간섭이 발생할 수 있다. 따라서 열차검지신호 발생회로에서는 구형파 열차검지신호를 사용함으로 신호처리장치에 열차검지신호를 전송할 때 발생할 수 있는 귀선전류 고조파에 의한 영향을 최소화 할 수 있도록 하였다.
센서의 크기는 코어 중심에서 중심까지의 거리가 50[mm]이고 높이는 20[mm]이며 코일의 감은 횟수는 240회로 인덕턴스의 값은 각각 2[mH]로 제작하였다. 센서에 직렬 콘덴서 732[pF]을 연결하여 직렬공진회로를 구성하고 73[kHz] 12[V]의 구형파 전원을 인가하여 시뮬레이션을 수행하면 35[mm]높이 차륜과 차륜 결합 할 때의 자로와 차륜이 결합하지 않을 때의 자로의 변화가 발생함을 알 수 있다.
시작품으로부터 40[mm] 떨어진 거리의 차륜을 검지할 수 있음을 확인하였고, 검지신호주파수를 증가시킴으로서 열차의 안정적 검지에 기여할 수 있음을 확인하였다. 또한 열차 검지신호의 디지털화로 외부 노이즈에 의한 열차검지신호의 영향을 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.
2×10^-10[T]로 측정되었다. 위 결과에서 자기장의 세기 H가 증가하면 인덕턴스 L은 감소하고 H가 감소하면 L은 증가하므로 차륜결합시 센서의 인덕턴스는 차륜이 결합하지 않았을 경우의 인덕턴스 값에 비하여 증가하였을 것으로 예측되었다.
위 시뮬레이션 결과로 센서에 차륜이 결합하면 자기장의 세기 H는 최고 40.3[A/m]에서 최저 6.12×10-5[A/m]이고 자속은 최고 1.58×10-4[T]에서 최저 7.69×10-11[T]로 측정되었다.
이와 같이 실험을 수행한 결과 열차검지 센서로부터 차륜과 약 40[mm]이격 거리에서도 열차를 검지할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

또한 기존의 궤도회로와는 달리 열차검지기 설치구간에서 열차의 평균속도 측정이 가능함으로 건널목 제어장치와 같이 열차의 속도판단이 필요한 개소에 적용될 수 있다.
또한 발진주파수를 70[kHz]까지 상승 시킴으로 고속열차의 열차검지 안정성을 향상시킬 수있을 것으로 사료된다. 센서의 중심간 거리가 약 40[mm]일 때 70[kHz]의 주파수 일 경우 열차속도 500[km/H]에서 약 20.
시작품으로부터 40[mm] 떨어진 거리의 차륜을 검지할 수 있음을 확인하였고, 검지신호주파수를 증가시킴으로서 열차의 안정적 검지에 기여할 수 있음을 확인하였다. 또한 열차 검지신호의 디지털화로 외부 노이즈에 의한 열차검지신호의 영향을 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.
향후 현장시험을 통한 기기의 온도 및 EMI/EMC에 관한 종합적인 시험이 이루어 져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	궤도회로를 사용하지 않고 열차를 검지하는 방식에는 무엇이 있는가?	궤도회로를 사용하지 않고 열차를 검지하는 방식으로는 인덕티브 루프를 통한 위상변화를 이용한 열차검지방식과 차량의 차축검지장치를 통한 열차위치검지방식, RF 테그를 통한 열차를 검지하는 방식, 지상의 엑셀카운터를 통한 불연속 열차검지방식 등 다양한 기법들이 소개되고 있다[1].
	불연속 열차검지시스템의 장점은 무엇인가?	불연속 열차검지시스템은 궤도회로의 차륜 단락에 의하여 특정 구간에 연속적으로 열차를 검지하는 방식 대신 특정 지점에 열차를 검지할 수 있는 열차검지 센서를 설치하고 열차가 블록의 시점 열차검지기를 통과하면 블록의 끝 열차검지기를 통과하기 전까지 블록내에 열차가 존재하는 것으로 처리하여 열차를 검지하는 방식을 말한다. 따라서 연속적으로 열차를 검지하는 궤도회로보다는 안전성은 저하되나, 열차검지장치의 시공비용이 현저하게 절약되며, 궤도회로의 길이에 관한 제약이 없어진다는 장점이 있다.
	불연속 열차검지시스템은 무엇인가?	불연속 열차검지시스템은 궤도회로의 차륜 단락에 의하여 특정 구간에 연속적으로 열차를 검지하는 방식 대신 특정 지점에 열차를 검지할 수 있는 열차검지 센서를 설치하고 열차가 블록의 시점 열차검지기를 통과하면 블록의 끝 열차검지기를 통과하기 전까지 블록내에 열차가 존재하는 것으로 처리하여 열차를 검지하는 방식을 말한다. 따라서 연속적으로 열차를 검지하는 궤도회로보다는 안전성은 저하되나, 열차검지장치의 시공비용이 현저하게 절약되며, 궤도회로의 길이에 관한 제약이 없어진다는 장점이 있다.

참고문헌 (8)

Tony Godber (2010) Train Detection Principles, IRSE Australasia Technical Meeting : Perth.
James Clendon, John Skilton (2011) Axle Counter - The New Zealand Experience, IRSE Austrasia Technical Meeting : Sydney.
Simeon Cox (2011) A Review of Axle Counter Application; Reset Restore Methods, Their History, Their Current Application and Future. IRSE Australasia Technical meeting : Sydney.
D.A.Norris B.E. (1993) Integrating an Axle Counting Function into the VPI Computer based interlocking, IRSE Integrated Axle Counter System.
John Gifford Firse, Trevor Moore Firse, Joe Borg (2007) Axle Counters-For Heavy Traffic Applications, IRSE Technical Conference; Brisbane.
Eugene Broderick, Stephen Lemon(2011) Case Study : Application of CBTC on DLR, IRSE Australasia Technical Meeting : Sydney.
Andreas Rottmann(2004), Why choose Axle Counters for Track Vacancy Detection, IRSE AGM and Technical Convention- Melbourne.
M.-C. Lee, Y.-H. Ko, M.-S. Kim, J.-W. Lee (2012), A Study on the Application of Virtual Track Circuit by Considering Software Fault Tolerance Techniques in Depot, Journal of The Korean Society for Railway, 15(2), pp. 122-128.

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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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