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문제 정의
- 본 논문에서는 교류 전기철도 급전계통 전차선로의 전류 분포분석 및 귀선전류 경향을 분석하기 위하여 2.1절에서 설명한 기운영중인 급전계통 구성요소의 제원 및 전차선로 임피던스를 활용하여 PSCAD/EMTDC로 급전계통 모델링을 진행하였다. 대부분의 기존 교류 전기철도 급전계통 연구에서 사용되어왔던 3도체군 전차선로 급전계통과 레일 도체군으로부터 보호선을 분리 해석한 4도체군 전차선로 급전계통을 모델링하였다.
- 본 논문에서는 교류 전기철도 급전계통의 다양한 조건에서 전차선로에 흐르는 전류의 분포와 경향을 분석하였고, 급전계통 내 선로주변에 발생할 수 있는 유도전압의 크기를 분석하고 회귀분석을 통하여 유도전압을 예측할 수 있는 일반식을 제안하였다. 전차선로의 3도체군 및 4도체군과 같이 도체를 등가화하는 다양한 방법에 따라 계통 내 전류분포와 경향을 자세히 알 수 있었다.
가설 설정
- 교류 전기철도 4도체군 전차선로 급전계통의 전차선-레일 단락 고장 시와 차량 부하 시의 급전계통 내 각 지점(10%~90%)별, 선로주변 피유도체의 이격거리 별 유도전압 데이터를 분석하였다. 피유도체의 크기는 앞선 경우와 동일하게 (40cm X 40cmX 40cm)로 설정하였다
제안 방법
- 모델링한 두 급전계통에 실제 급전계통에서 가장 빈번한 고장인 전차선-레일 단락 고장을 모의하였고, 전차선-레일 단락 고장시 고장위치에 따른 고장전류 및 귀선전류의 분포를 분석하였다. 3도체군 전차선로 급전계통에서는 AT1, AT2로부터의 전차선 전류, 고장 및 부하전류, AT1과 AT2의 중성점으로 흡상되는 레일 전류를 구하였고, 4도체군 전차선로의 급전계통에서는 전차선 전류, 고장 및 부하전류, 레일전류 및 보호선전류를 구하여 그 결과를 분석하였다.
- 4도체군 전차선로 급전계통의 전류 분포 시뮬레이션 결과는 각 상황에 따라 표 4의 전류 범위를 보인다. 3도체군 해석 결과와 마찬가지로 고장 발생 시 그림 2에서 표기된 각 분기에 흐르는 전류 값을 분석하였다.
- 3도체군 전차선로 급전계통의 전류 분포 시뮬레이션 결과는 각 상황에 따라 표 3범위의 전류 값을 보인다. 고장 발생 시 그림 2에서 표기된 각 분기에 흐르는 전류 값을 분석하였다.
- 교류 전기철도 4도체군 전차선로 급전계통의 전차선-레일 단락 고장 시와 차량 부하 시의 급전계통 내 각 지점(10%~90%)별, 선로주변 피유도체의 이격거리 별 유도전압 데이터를 분석하였다. 피유도체의 크기는 앞선 경우와 동일하게 (40cm X 40cmX 40cm)로 설정하였다
- 교류 전기철도 급전계통에 부분모델 해석방법을 적용하기 위해 10km의 전체 급전계통을 약 30m 길이의 부분모델로 분할하여 해석하였다. 그림 8은 FDTD 방법으로 해석하고자 하는 교류전기철도 급전계통의 x방향 section을 보여준다.
- 그리고 급전계통 전차선로의 시뮬레이션을 3도체군과 4도체군으로 나누어 진행하였다. 그림 1(왼쪽)은 전차선로 해석을 위하여 도체들을 급전선, 전차선 도체군, 레일 도체군 등 세 개의 도체군으로 등가화 하기 위하여 세 그룹으로 구분한 3도체군 전차선로 급전계통의 기하학적 구성이며, 그림 1(오른쪽)은 도체들을 급전선, 전차선 도체군, 레일 도체군, 보호선으로 그룹을 세분화한 4도체군 전차선로 급전계통의 기하학적 구성이다.
- 전차선로의 3도체군 및 4도체군과 같이 도체를 등가화하는 다양한 방법에 따라 계통 내 전류분포와 경향을 자세히 알 수 있었다. 그리고 이 데이터를 바탕으로 급전계통의 전력선에 의한 유도전압을 계산하기 위하여 FDTD 방법을 MATLAB 코드로 작성하였고 이를 통해 다양한 조건의 급전계통을 모의함으로써 급전계통의 상황에 따른 유도전압 경향을 분석하였다. 분석된 결과는 교류 급전계통 내 전산 장비 및 디지털 기기의 위치 선정 시 설계 최적화를 위한 자료로 활용이 가능할 것이다.
- 급전계통 상황에서의 유도전압을 계산하기 위하여 제 2절과 동일하게 3도체군 전차선로 급전계통과 4도체군 전차선로 급전계통을 모델링하여 유도전압을 계산하였다. 급전계통에서의 가장 빈번한 고장인 전차선-레일 단락 고장 시의 급전계통을 모의하여 그 결과를 분석하였다.
- 급전계통 상황에서의 유도전압을 계산하기 위하여 제 2절과 동일하게 3도체군 전차선로 급전계통과 4도체군 전차선로 급전계통을 모델링하여 유도전압을 계산하였다. 급전계통에서의 가장 빈번한 고장인 전차선-레일 단락 고장 시의 급전계통을 모의하여 그 결과를 분석하였다. 유도전압 측정을 위한 모의 조건은 다음 표 5와 같다.
- 1절에서 설명한 기운영중인 급전계통 구성요소의 제원 및 전차선로 임피던스를 활용하여 PSCAD/EMTDC로 급전계통 모델링을 진행하였다. 대부분의 기존 교류 전기철도 급전계통 연구에서 사용되어왔던 3도체군 전차선로 급전계통과 레일 도체군으로부터 보호선을 분리 해석한 4도체군 전차선로 급전계통을 모델링하였다.
- 본 논문에서는 3도체군 전차선로 및 4도체군 전차선로 급전계통에서 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/ElectroMagnetic Transients including DC)를 활용하여 전차선-레일 단락 고장 시 고장 위치에 따른 급전계통 내 변전소-보조 급전구분소 사이 각 지점에서의 귀선전류의 분포를 분석하였다. 또한 이 귀선전류 분포 결과데이터를 기초로 3차원 전자기 환경 해석에 적합한 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법을 이용하여 선로주변 유도전압을 계산하기 위하여 MATLAB 코드를 작성하고 유도전압의 크기 및 분포 경향을 분석하였다[2-4].
- 모델링한 두 급전계통에 실제 급전계통에서 가장 빈번한 고장인 전차선-레일 단락 고장을 모의하였고, 전차선-레일 단락 고장시 고장위치에 따른 고장전류 및 귀선전류의 분포를 분석하였다. 3도체군 전차선로 급전계통에서는 AT1, AT2로부터의 전차선 전류, 고장 및 부하전류, AT1과 AT2의 중성점으로 흡상되는 레일 전류를 구하였고, 4도체군 전차선로의 급전계통에서는 전차선 전류, 고장 및 부하전류, 레일전류 및 보호선전류를 구하여 그 결과를 분석하였다.
- 변전소에서 보조 급전구분소의 거리를 10km로 가정하고 전차선-레일 단락 고장 시 고장의 위치를 10% 지점부터 90% 지점까지 가변하며 전차선로의 전류분포 데이터를 취득하였다.
- 보호선용 접속선에 의한 귀선전류 분류효과를 확인하기 위하여 특정 계통 상황의 변전소에서 보조 급전구분소 사이 10%지점에서 90%지점까지의 각 지점 별 레일전류와 보호선전류 분포를 분석하였다. 그림 7은 보호선용 접속선의 설치 간격을 2km로 모델링한 4도체군 전차선로 급전계통의 10% 지점 전차선-레일 단락 고장 시 변전소와 보조 급전구분소 간 전차선로의 각 지점별 레일전류와 보호선전류의 분포를 보여준다.
- 본 논문에서는 3도체군 전차선로 및 4도체군 전차선로 급전계통에서 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/ElectroMagnetic Transients including DC)를 활용하여 전차선-레일 단락 고장 시 고장 위치에 따른 급전계통 내 변전소-보조 급전구분소 사이 각 지점에서의 귀선전류의 분포를 분석하였다. 또한 이 귀선전류 분포 결과데이터를 기초로 3차원 전자기 환경 해석에 적합한 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법을 이용하여 선로주변 유도전압을 계산하기 위하여 MATLAB 코드를 작성하고 유도전압의 크기 및 분포 경향을 분석하였다[2-4].
- 본 절에서는 FDTD 방법의 MATLAB 코드를 이용하여 교류전기철도 급전계통의 선로주변 피유도체에 유도되는 유도전압의 크기와 경향을 분석하였다. FDTD 코드의 전류원 설정은 제 2절에서 PSCAD/EMTDC를 통한 시뮬레이션으로 획득한 급전계통 상황에서의 전류분포 데이터를 활용하였다.
- 전기철도 급전계통의 전차선로는 다양한 도체로 구성되어 전차선로 해석 시 전류의 분포가 복잡하기 때문에 회로계산이 용이하지 않아 그동안 등가회로 계산법에 따라 급전선, 전차선 도체군, 레일 도체군 등 세 개의 도체군으로 등가화하여 해석하였다[1]. 이때 급전계통의 귀선회로인 레일 도체군은 레일, 보호선 등의 기하학적 위치 및 도체 규격이 매우 상이하기 때문에 급전선, 전차선 도체군, 레일 도체군, 보호선의 4도체군으로 분리하여 해석할 필요가 있다.
- 전차선-레일 단락 고장 시 고장 위치에 따라 급전계통 내 각 지점(10%~90%)의 선로주변 이격거리에 따른 피유도체의 유도전압을 분석하였다. 그림 11은 고장 지점에 따른 변전소 인근의 선로주변 피유도체 이격거리 별 유도전압을 나타내고, 그림 12는 고장 지점에 따른 보조 급전구분소 인근의 선로주변 유도전압을 나타낸다.
- 다음 그림 3은 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모델링한 3도체군 전차선로 급전계통의 전차선로를 보여주고, 그림 4는 4도체군 전차선로 급전계통을 보여준다. 전차선로, 수전반, 변압기반, 급전반의 임피던스는 앞서 2.1절에서 언급한 제원 및 참고문헌[1]을 활용하여 모델링 하였다.
대상 데이터
- 본 절에서는 FDTD 방법의 MATLAB 코드를 이용하여 교류전기철도 급전계통의 선로주변 피유도체에 유도되는 유도전압의 크기와 경향을 분석하였다. FDTD 코드의 전류원 설정은 제 2절에서 PSCAD/EMTDC를 통한 시뮬레이션으로 획득한 급전계통 상황에서의 전류분포 데이터를 활용하였다.
- 모델링 범위는 AT 급전방식의 단위 급전구간인 변전소(S/S),보조 급전구분소(Sub Sectioning Post, SSP), 급전구분소(Sectioning Post, SP)와 각 구분소 간 전력공급을 위한 전차선로이다. 3도체군 전차선로 급전계통과 4도체군 전차선로 급전계통의 단위 급전 구간은 그림 2에서 확인할 수 있다.
데이터처리
- 다음 그림 13은 4도체군 전차선로 급전계통의 차량 부하 시유도전압 결과를 그래프로 도식화 한 것이다. 결과 데이터를 바탕으로 교류 전기철도 급전계통에서 발생하는 유도전압을 간략하게 구할 수 있는 일반식을 통계적 분석 방법의 하나인 회귀분석법을 통하여 유도하였다. 독립변수는 전차선 전류, 레일전류 그리고 보호선전류이며, 종속변수는 변전소 인근 선로주변 유도전압이다.
이론/모형
- AT 급전계통은 전력공급사로부터 교류 3상 전력을 수전하는 수전반, 수전한 3상 전력을 2조의 단상 전력으로 변환하는 변압기반, 전차선로에 단상 전력을 공급하는 급전반과 각종 도체로 구성된 전차선로로 구성된다. AT 급전계통을 구성하는 구성요소와 시뮬레이션을 하기 위한 모의 대상계통에 대한 구성요소의 제원 및 모델링 조건은 참고문헌[1]을 참조하였다.
- 본 연구에서는 FDTD 알고리즘을 MATLAB 내에 직접 코드로 작성하여 활용하였다.
- 전차선로 도체 파라미터를 바탕으로 carson-pollaczek 수식을 이용하여 각 도체군의 등가임피던스를 유도하면 다음 표 1, 2와 같다.
성능/효과
- 3도체군 전차선로 급전계통과 4도체군 전차선로 급전계통의 고장 및 부하전류와 귀선전류를 모의 결과에 기초하여 비교·정리하면, 보호선을 분리 해석한 4도체군 전차선로 급전계통의 고장 전류는 3도체군 전차선로 급전계통의 고장전류 값보다 약 5% 작은 결과를 보인다.
- 이는 그림 9와 그림 10을 통하여 확인할 수 있다. 또한 3m 이격거리의 피유도체 대비 6m 이격거리의 피유도체 유도전압 감소폭이 다른 이격거리 피유도체 유도전압 감소폭보다 크다는 것을 알 수 있다.
- 레일전류는 10% 고장지점에서 AT1과 AT2 방향으로 분류되고, 고장지점으로부터 가장 가까운 보호선용 접속선과의 접속점에서 보호선으로 급격하게 분류가 된다. 첫 번째 보호선용 접속선에서 분류된 레일전류는 이후 설치된 보호선용 접속선에 의하여 분류가 계속되지만 그 분류효과는 크지 않다는 것을 측정 지점이 멀어질수록 레일전류가 서서히 감소하는 것을 보면 알 수 있다. 이는 보호선전류 또한 동일한 경향을 보인다.
후속연구
- 그리고 이 데이터를 바탕으로 급전계통의 전력선에 의한 유도전압을 계산하기 위하여 FDTD 방법을 MATLAB 코드로 작성하였고 이를 통해 다양한 조건의 급전계통을 모의함으로써 급전계통의 상황에 따른 유도전압 경향을 분석하였다. 분석된 결과는 교류 급전계통 내 전산 장비 및 디지털 기기의 위치 선정 시 설계 최적화를 위한 자료로 활용이 가능할 것이다.
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