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문제 정의
- 본 논문에서는 고속용 강체전차선로 개발을 위한 기초 연구의 일환으로, 최근 국산화 개발된 중저속용 강체전차선로의 열차 집전 특성 분석, R-BAR 의 통전 전류에 따른 온도 상승 특성 측정, 전압 강하와 관련 있는 임피던스를 분석하였고, 실제 노선에 포설하여 주행 중 팬터그래프에서의 접촉력, 집전 전압 및 전류의 변동 특성을 분석하였다. 추가로 해외 제조사들이 개발한 R-BAR의 형상과 재질에 따른 기계적, 전기적 특성을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 국산화된 강체전차선로의 집전성능 평가를 위해 교정된 싱글암 팬터그래프와 집전성능 측정장치를 철도차량에 설치하여 설치 구간에서 70km/h ~ 90km/h 속도로 운행하면서 강체전차선로구간 접촉력 측정을 수행하였다. 최대 속도는 해당 시험선의 선로 제한속도에 따라 최대 90km/h 속도로 시험 운행하였다.
- 본 논문에서는 국내에서 개발된 강체전차선(R-BAR)의 전류 통전에 따른 온도 상승 특성, 임피던스 예측, 집전성능 시험 결과를 분석하였으며, 국내/외에서 사용 중인 R-BAR 의 형상, 재질에 따른 특성을 상호 비교 분석하였다.
- IEC62271-1 에서는 볼트 조립되는 알루미늄 합금의 온도를 최대 90℃, 온도 상승은 주변 온도가 40℃를 넘지 않는 조건에서 최대 50K 로 제한하고 있다. 시험 후 알루미늄의 연화를 최소화하고, 대전류에 의한 온도 상승 특성을 살펴보기 위해 온도 상승 시험 시 최대 온도 상승을 90K 로 설정하여 시험을 진행하였으며, 4,000A 와 5,000A 통전 후 각각 64분, 37분 후 최대 설정 온도에 도달하여 시험을 중단하였다.
- 강체전차선로는 통산 12m 길이의 R-BAR를 연결금구를 이용하여 상호 연결한다. 연결된 R-BAR 의 전류 통전 성능을 평가하기 위해, 길이 1.5m R-BAR 2개를 연결금구를 이용하여 상호 연결하고, 단상전원의 입출력단을 연결금구로 연결된 길이 3m 의 R-BAR 양단에 Fig. 1과 같이 접속하였다. 인가부와 접속부에서의 온도 측정을 위해 각각의 위치에 열전대를 부착하고, 전류를 2,000A, 2,500A, 4,000A, 5,000A를 인가하면서 온도를 측정하였다.
- 1과 같이 접속하였다. 인가부와 접속부에서의 온도 측정을 위해 각각의 위치에 열전대를 부착하고, 전류를 2,000A, 2,500A, 4,000A, 5,000A를 인가하면서 온도를 측정하였다.
- 전차선로의 집전성능 측정은 EN50317 에 따르면, 전차선과 팬터그래프간의 접촉력을 측정하는 방법과 이선 아크량을 측정하는 방법이 있으며, 국내 개발된 R-BAR의 집전성능을 확인하기 위하여 팬터그래프에 힘 센서 및 가속도 센서 등을 구성하여 팬터그래프와 전차선간의 접촉력을 측정하였다. 측정에 사용된 센서 및 장비 등의 신뢰성은 EN50317에 따라 교정하여 오측정에 따른 결과를 최소화하였다.
- 2배 차이가 발생된다. 전차선을 끼운 실제 사용 조건에서 IEC62271-1 에 따라 최대 온도 상승을 50K 라고 했을 때, 전차선을 끼우지 않고 R-BAR 만으로 전류 통전 시험을 했을 경우, 최대 온도 상승 온도를 전차선을 끼웠을 때보다 1.2배 높은 60K 로 제한하여 시험하였다.
- 정적 압상력은 국내 및 EN에서 정의하고 있는 철도차량 판토 그래프 정적 압상력 기준인 60N으로 설정하였으며, 속도에 따른 접촉력은 70km/h 와 90km/h 에서 각각 측정하였고, 집전 전압 /전류는 80km/h 에서 측정하였다.
- 철도차량을 R-BAR가 설치된 구간에서 설정속도에 도달이 가능하도록 사전시험을 통해 출발지점을 선정하였으며, 일관성 있는 측정이 가능하도록 하였다. Fig.
- 본 논문에서는 고속용 강체전차선로 개발을 위한 기초 연구의 일환으로, 최근 국산화 개발된 중저속용 강체전차선로의 열차 집전 특성 분석, R-BAR 의 통전 전류에 따른 온도 상승 특성 측정, 전압 강하와 관련 있는 임피던스를 분석하였고, 실제 노선에 포설하여 주행 중 팬터그래프에서의 접촉력, 집전 전압 및 전류의 변동 특성을 분석하였다. 추가로 해외 제조사들이 개발한 R-BAR의 형상과 재질에 따른 기계적, 전기적 특성을 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 접촉력 측정은 R-BAR가 설치된 대불선 터널구간에서 수행되었으며, 전체 터널구간 중 200m 구간에 국산화된 R-BAR가 설치되었다. 국내의 계절변화에 따른 온도변화, 환경적 변화에 따른 내구성 검증과 800R 곡률반경 적용 등의 조건을 반영하여 설치 개소를 선정하였으며, 상세 설치 개소는 아래와 같다.
이론/모형
- 전류통전 온도 상승 시험은 IEC62271-1를 참조하여 분석하였다. IEC62271-1 에서는 1시간 동안 1K 이하의 온도 변화가 있을 때, 온도가 포화된 것으로 판단하며, 이에 따라 2,000A 와 2,500A 통전 후 온도는 Fig.
- 접촉력의 판단 기준은 EN50119에서 제시한 최소 접촉력인 Fm-3σ(Fm : 평균 접촉력, σ:접촉력 표준편차)를 적용하였으며, 철도차량의 속도를 70km/h와 90km/h로 정속 주행할 때의 접촉력 측정결과 및 최소 접촉력은 Table 2와 같다.
- 전차선로의 집전성능 측정은 EN50317 에 따르면, 전차선과 팬터그래프간의 접촉력을 측정하는 방법과 이선 아크량을 측정하는 방법이 있으며, 국내 개발된 R-BAR의 집전성능을 확인하기 위하여 팬터그래프에 힘 센서 및 가속도 센서 등을 구성하여 팬터그래프와 전차선간의 접촉력을 측정하였다. 측정에 사용된 센서 및 장비 등의 신뢰성은 EN50317에 따라 교정하여 오측정에 따른 결과를 최소화하였다. 국내에 도입된 외산 강체전차선로에 대한 집전성능 데이터가 없는 관계로 측정된 데이터의 비교는 불가하였다.
성능/효과
- 강체전차선 R-BAR 재질은 전류통전 성능과 관련 있는 도전율과 변형과 관련 있는 인장 특성을 고려할 때, A6101 과 A6063 이 가장 적합한 것으로 판단되며, 형상이 복잡하여 정밀한 압출 형상 구현이 필요할 경우, 압출성이 가장 좋은 A6063 이 고속용 R-BAR 재질로 적합할 것으로 판단된다. 향후 250km/h급에 사용될 강체전차선 R-BAR 형상 및 추가 요구 특성에 따라 A6101 과 A6063 재질을 선택적으로 적용하고, 열처리 조건을 최적화하여 요구되는 인장 특성의 구현이 필요하다.
- 국내에서 개발한 강체전차선로 시스템은 최고속도 90km/h 까지 양호한 집전성능을 보이는 것을 시험을 통하여 확인하였다, 속도 증가에 따른 최소 접촉력의 감소는 강체전차선 시스템에 의한 영향과 시험 철도차량 주변 공기 유동에 의한 영향이 복합적으로 작용한 것으로 판단되며, 입출구에서의 공력에 의한 영향도가 감소된 터널의 중간 지점에서의 속도에 따른 최소 접촉력은 입출구 지점에서의 결과보다 더 양호할 것으로 예상된다.
- 이와 같이 단면적차이로 인해서 강체전차선로에서의 전차선과 R-BAR의 전류분포는 90% 이상 전류가 R-BAR를 통해서 통전되는 것으로 볼 수 있다. 본 연구를 위한 전류통전 온도 상승 시험은 전차선을 삽입하지 않고, 밀폐된 공간에서 시행하였으며, 이는 바람에 의한 냉각과 전차선에 의한 전류 분배를 고려하지 않았으므로, 시험 환경은 실제 사용 환경보다 더 열악한 환경임을 알 수 있다.
- 전류 통전 온도 상승 시험 결과, 2,000A 와 2,500A에서는 온도 상승 최대값이 60K 이하로 상시 사용이 가능하며, 4,000A 와 5,000A 에서는 각각 42분, 25분 후 온도 상승값이 60K 가 된 것을 확인할 수 있었다.
- 접촉력의 판단 기준은 EN50119에서 제시한 최소 접촉력인 Fm-3σ(Fm : 평균 접촉력, σ:접촉력 표준편차)를 적용하였으며, 철도차량의 속도를 70km/h와 90km/h로 정속 주행할 때의 접촉력 측정결과 및 최소 접촉력은 Table 2와 같다. 통계적 최소 접촉력이 0 이하일 때 이선이 발생한다고 할 수 있으며, 측정결과 모두 양의 값을 나타내고 있어서 속도 90km/h에서도 이선은 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 강체전차선로 시스템을 구성하는 R-BAR 형상에 대한 특성을 비교하여 보았을 때, R-BAR 형상에 따라 전차선을 고정하는 그립력에는 변화가 없으며, 다른 시스템과의 조립성 및 R-BAR 상호 연결 시 발생할 수 있는 오차 감소가 강체전차선 R-BAR 형상을 설계할 때 더 중요한 요소로 판단된다. 그러므로, 250km/h급 고속용 강체전차선 R-BAR에 대한 국내 고유 형상을 설계할 때는 이러한 점들을 고려하여 설계해야 할 것이다.
- 전류 통전에 따른 온도 상승 시험을 통해, 기존 중저속용 강체전차선 R-BAR는 전류 통전 용량 2500A 수준에서는 안정적으로 사용할 수 있을 것으로 판단되나, 고속용 강체전차선 R-BAR에서 요구하는 전류 통전 용량이 2500A 수준을 상회할 경우, 단면적의 증가 혹은 도전율이 더 높은 재질의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
- 강체전차선 R-BAR 재질은 전류통전 성능과 관련 있는 도전율과 변형과 관련 있는 인장 특성을 고려할 때, A6101 과 A6063 이 가장 적합한 것으로 판단되며, 형상이 복잡하여 정밀한 압출 형상 구현이 필요할 경우, 압출성이 가장 좋은 A6063 이 고속용 R-BAR 재질로 적합할 것으로 판단된다. 향후 250km/h급에 사용될 강체전차선 R-BAR 형상 및 추가 요구 특성에 따라 A6101 과 A6063 재질을 선택적으로 적용하고, 열처리 조건을 최적화하여 요구되는 인장 특성의 구현이 필요하다.
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