KTX산천 귀선전류고조파가 일반선 TI-21형 AF궤도회로에 미치는 영향분석 Effect Analysis of Classical Line TI-21 type Audio Frequency Track Circuit from KTX Sancheon Return Current Harmonics원문보기
최재식
(Department of Technology Research, KORAIL Research Institute)
,
김희식
(Department of ECE, University of Seoul)
,
박주훈
(Department of Technology Research, KORAIL Research Institute)
,
김범곤
(Department of Technology Research, KORAIL Research Institute)
KTX산천 고속차량에서 사용하는 전력변환시스템은 전력전자기술, 고속 대용량 반도체소자 및 마이크로프로세서의 기술발달에 힘입어 높은 성능과 효율, 안전성, 에너지 소비측면에서 뛰어난 제어능력을 갖추게 되었다. 하지만 고속스위칭소자인 IGBT를 사용함에 따라 발생하는 고조파로 인해 전기차량은 물론 변전소, 신호시스템, 데이터전송 및 감시시스템 등 선로변 신호설비에 문제를 야기시켰다. 특히 전력변환장치의 정수배 부근 주파수에서 발생하는 귀선전류고조파의 영향으로 TI-21 무절연AF궤도회로가 부정 동작하는 사례가 발생되었다. 본 논문은 고속전기차량과 궤도회로간 귀선전류고조파 이동경로 분석을 위하여 실제 현장에서 측정 및 분석방법을 제시하였다. 이러한 분석결과는 향후 신규로 도입되는 고속전기차량, AF궤도회로, 공동접지망 설계 시 폭넓게 반영될 것으로 기대된다.
KTX산천 고속차량에서 사용하는 전력변환시스템은 전력전자기술, 고속 대용량 반도체소자 및 마이크로프로세서의 기술발달에 힘입어 높은 성능과 효율, 안전성, 에너지 소비측면에서 뛰어난 제어능력을 갖추게 되었다. 하지만 고속스위칭소자인 IGBT를 사용함에 따라 발생하는 고조파로 인해 전기차량은 물론 변전소, 신호시스템, 데이터전송 및 감시시스템 등 선로변 신호설비에 문제를 야기시켰다. 특히 전력변환장치의 정수배 부근 주파수에서 발생하는 귀선전류고조파의 영향으로 TI-21 무절연AF궤도회로가 부정 동작하는 사례가 발생되었다. 본 논문은 고속전기차량과 궤도회로간 귀선전류고조파 이동경로 분석을 위하여 실제 현장에서 측정 및 분석방법을 제시하였다. 이러한 분석결과는 향후 신규로 도입되는 고속전기차량, AF궤도회로, 공동접지망 설계 시 폭넓게 반영될 것으로 기대된다.
The power transformation system of High Speed rolling stocks like KTX-Sancheon has shown excellent control capacities in the areas of riding comfortability, switching efficiency, safety and energy consumption due to technical developments in power-electronics, high speed & large scale integrated sem...
The power transformation system of High Speed rolling stocks like KTX-Sancheon has shown excellent control capacities in the areas of riding comfortability, switching efficiency, safety and energy consumption due to technical developments in power-electronics, high speed & large scale integrated semiconductors and microprocessors. However, harmonics from IGBT, a high speed switching device used in the Convertor & Invertor equipment of rolling stocks have given rise to various problems in transformer substations, signaling systems, data transmission systems and facility monitoring systems. Especially, TI21 non-insulated track circuits have malfunctioned due to the influence of returning current harmonics which were generated at around of integer times of the number of power transformation equipment in the frequency domain. This paper, measures and analyzes various schemes to analyze the traveling path of the returning current harmonics generated due to the relationship between the rolling stocks and track circuits on site. Ultimately, theseschemes will be used to design high speed rolling stocks, AF track circuits and a common grounding network.
The power transformation system of High Speed rolling stocks like KTX-Sancheon has shown excellent control capacities in the areas of riding comfortability, switching efficiency, safety and energy consumption due to technical developments in power-electronics, high speed & large scale integrated semiconductors and microprocessors. However, harmonics from IGBT, a high speed switching device used in the Convertor & Invertor equipment of rolling stocks have given rise to various problems in transformer substations, signaling systems, data transmission systems and facility monitoring systems. Especially, TI21 non-insulated track circuits have malfunctioned due to the influence of returning current harmonics which were generated at around of integer times of the number of power transformation equipment in the frequency domain. This paper, measures and analyzes various schemes to analyze the traveling path of the returning current harmonics generated due to the relationship between the rolling stocks and track circuits on site. Ultimately, theseschemes will be used to design high speed rolling stocks, AF track circuits and a common grounding network.
국내에서 운영되는 KTX산천 고속차량에서 발생되는 전자파에 의한 문제점을 검토하고 이에 대한 국내 운영현황을 파악하는데 그 목적이 있다[1] 고속차량에서 발생되는 전자파의 종류와 크기 및 검측방법에 대한 검토와 발생원인에 따른 이동경로를 파악하여 이에 대한 분석을 통한 시뮬레이션 분석방안을 검토하였다. 철도차량의 운행에 있어서 궤도회로는 차량위치 검지를 통한 신호기제어, 선로전환기제어, 차량의 간격조정, 차량접근 예고를 통한 충돌사고 예방 등 안전운행을 위한 필수적인 시스템이다[2] 따라서 철도차량과 궤도회로의 전자파적합성(Electromagnetic Compatibility, EMC)의 확인은 철도차량의 운행에 있어서 필수적이다.
즉 고조파전류는 인접 통신선에서의 유도장애를 발생시켜 철도신호장애의 원인이 될 뿐만 아니라 전원계통에 유입되는 경우에는 전력용콘덴서의 과열 및 진동을 유발시켜 해당계전기를 오동작 시킬 위험성을 지니고 있다[3] 본 논문에서는 호남선 구간에 대한 체계적이고 신뢰성이 높은 귀선전류 및 귀선전류고조파의 측정방법을 제시하였으며 이에 따른 시험 결과를 토대로 귀선전류고조파에 대한 이동경로를 확인하였다. 현장계측을 통하여 확보된 계측자료를 분석함으로서 KTX산천 차량이 하행선을 주행 시 인접궤도인 상행선의 C타입 AF궤도회로에 부정단락을 유발하는 고조파인 1,980Hz의 유입경로를 파악함으로서 신규로 도입되는 고속차량과 AF궤도회로는 고조파를 최소화할 수 있는 기능을 수반토록하여 신뢰성을 확보하고 열차의 안전운행과 정시성을 확보하고자 한다[4].
제안 방법
전기차량에서 발생된 고조파전류는 급전계통의 임피던스 특성에 의해 특정조파에서 공진되어 고조파전류 확대현상을 일으켜 각종문제를 야기시킨다. 즉 고조파전류는 인접 통신선에서의 유도장애를 발생시켜 철도신호장애의 원인이 될 뿐만 아니라 전원계통에 유입되는 경우에는 전력용콘덴서의 과열 및 진동을 유발시켜 해당계전기를 오동작 시킬 위험성을 지니고 있다[3] 본 논문에서는 호남선 구간에 대한 체계적이고 신뢰성이 높은 귀선전류 및 귀선전류고조파의 측정방법을 제시하였으며 이에 따른 시험 결과를 토대로 귀선전류고조파에 대한 이동경로를 확인하였다. 현장계측을 통하여 확보된 계측자료를 분석함으로서 KTX산천 차량이 하행선을 주행 시 인접궤도인 상행선의 C타입 AF궤도회로에 부정단락을 유발하는 고조파인 1,980Hz의 유입경로를 파악함으로서 신규로 도입되는 고속차량과 AF궤도회로는 고조파를 최소화할 수 있는 기능을 수반토록하여 신뢰성을 확보하고 열차의 안전운행과 정시성을 확보하고자 한다[4].
대상 데이터
호남선구간중 귀선전류가 최대치를 나타낼 것으로 예상되는 변전소 및 전력구분소 부근 중 Fig. 1과 같이 측정이 용이한 신흥리 보조급전구분소인근에서 KTX산천(10량 1편성) 시험열차를 투입하여 상/하선 임피던스본드 출력단 위치에서 계측시스템을 구성하여 계측용 데이터수집 프로그램이 설치된 노트북 컴퓨터에 연결하여 열차운행시 반대편 선로에 전달되는 귀선전류를 측정하였다[5,6]. 또한 Fig.
성능/효과
궤도회로 부정동작 발생당시 문제가 되는 C타입 궤도회로 수신기를 모두 노이즈에 대한 해석능력을 가진 디지털식으로 교체하면서 더 이상 부정동작은 발생하지 않았지만 고조파를 발생하는 KTX산천 차량이 계속해서 운행하는 한 안전 측면에서 완전하게 해소되지는 않았다. 따라서 본 논문에서 확인한 것과 같이 현재 선로변 공동접지방식을 한쪽방향에서 양쪽방향 모두 설치하는 것이 차량과 신호간 전자파간섭을 최소화 할 수 있을 것으로 판단되었다. 또한 최근 원강선에 투입되는 KTX산천 차량은 전력변환시 스위칭방식을 9펄스에서 13펄스로 개량하여 궤도회로에서 사용하는 주파수와 간섭을 최소화할 수 있도록 설계되었으며, 향후 궤도회로도 고조파 영향을 최소화할 수 있도록 현행 주파수방식에서 코드분할방식으로의 개선이 요구된다.
본 논문에서는 KTX산천 차량이 일반철도구간 하행 운행시 발생되는 귀선전류고조파의 이동경로를 확인한 결과 귀선회로인 공동접지회로와 반대편 임피던스본드를 통하여 상선측에 위치한 1,980[Hz] C타입 궤도회로주파수에 영향을 준 것으로 확인하였고 또한 KTX산천 고속차량이 호남선 하선 주행시 상선으로 전도되는 고조파전류가 상선 주행시보다 상대적으로 그 크기가 매우 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이런 결과의 원인은 호남선 신흥리급전보조구분소구간이 상선측에만 공동접지선이 매설되어 있어서 하선 열차주행에 따라 횡단귀선로를 통해 상선측으로 유입되는 귀선전류가 많기 때문이란 것을 확인하였다.
본 논문에서는 KTX산천 차량이 일반철도구간 하행 운행시 발생되는 귀선전류고조파의 이동경로를 확인한 결과 귀선회로인 공동접지회로와 반대편 임피던스본드를 통하여 상선측에 위치한 1,980[Hz] C타입 궤도회로주파수에 영향을 준 것으로 확인하였고 또한 KTX산천 고속차량이 호남선 하선 주행시 상선으로 전도되는 고조파전류가 상선 주행시보다 상대적으로 그 크기가 매우 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이런 결과의 원인은 호남선 신흥리급전보조구분소구간이 상선측에만 공동접지선이 매설되어 있어서 하선 열차주행에 따라 횡단귀선로를 통해 상선측으로 유입되는 귀선전류가 많기 때문이란 것을 확인하였다. 궤도회로 부정동작 발생당시 문제가 되는 C타입 궤도회로 수신기를 모두 노이즈에 대한 해석능력을 가진 디지털식으로 교체하면서 더 이상 부정동작은 발생하지 않았지만 고조파를 발생하는 KTX산천 차량이 계속해서 운행하는 한 안전 측면에서 완전하게 해소되지는 않았다.
후속연구
따라서 본 논문에서 확인한 것과 같이 현재 선로변 공동접지방식을 한쪽방향에서 양쪽방향 모두 설치하는 것이 차량과 신호간 전자파간섭을 최소화 할 수 있을 것으로 판단되었다. 또한 최근 원강선에 투입되는 KTX산천 차량은 전력변환시 스위칭방식을 9펄스에서 13펄스로 개량하여 궤도회로에서 사용하는 주파수와 간섭을 최소화할 수 있도록 설계되었으며, 향후 궤도회로도 고조파 영향을 최소화할 수 있도록 현행 주파수방식에서 코드분할방식으로의 개선이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
KTX산천 고속차량에서 사용하는 전력변환시스템은 어떻게 뛰어난 제어능력을 갖추게 되었는가?
KTX산천 고속차량에서 사용하는 전력변환시스템은 전력전자기술, 고속 대용량 반도체소자 및 마이크로프로세서의 기술발달에 힘입어 높은 성능과 효율, 안전성, 에너지 소비측면에서 뛰어난 제어능력을 갖추게 되었다. 하지만 고속스위칭소자인 IGBT를 사용함에 따라 발생하는 고조파로 인해 전기차량은 물론 변전소, 신호시스템, 데이터전송 및 감시시스템 등 선로변 신호설비에 문제를 야기시켰다.
전기차량에서 발생된 고조파전류는 무엇을 야기하는가?
철도차량과 궤도회로의 전자파적합성을 위해 전자파노이즈의 발생원인 차량에 대한 전자파/고조파 특성 및 전자파의 영향권에 있는 궤도회로의 전자파 특성분석이 필요하다. 전기차량에서 발생된 고조파전류는 급전계통의 임피던스 특성에 의해 특정조파에서 공진되어 고조파전류 확대현상을 일으켜 각종문제를 야기시킨다. 즉 고조파전류는 인접 통신선에서의 유도장애를 발생시켜 철도신호장애의 원인이 될 뿐만 아니라 전원계통에 유입되는 경우에는 전력용콘덴서의 과열 및 진동을 유발시켜 해당계전기를 오동작 시킬 위험성을 지니고 있다[3] 본 논문에서는 호남선 구간에 대한 체계적이고 신뢰성이 높은 귀선전류 및 귀선전류고조파의 측정방법을 제시하였으며 이에 따른 시험 결과를 토대로 귀선전류고조파에 대한 이동경로를 확인하였다.
철도차량과 궤도회로의 전자파적합성의 확인이 철도차량의 운행에 있어서 필수적인 이유는 무엇인가?
국내에서 운영되는 KTX산천 고속차량에서 발생되는 전자파에 의한 문제점을 검토하고 이에 대한 국내 운영현황을 파악하는데 그 목적이 있다[1] 고속차량에서 발생되는 전자파의 종류와 크기 및 검측방법에 대한 검토와 발생원인에 따른 이동경로를 파악하여 이에 대한 분석을 통한 시뮬레이션 분석방안을 검토하였다. 철도차량의 운행에 있어서 궤도회로는 차량위치 검지를 통한 신호기제어, 선로전환기제어, 차량의 간격조정, 차량접근 예고를 통한 충돌사고 예방 등 안전운행을 위한 필수적인 시스템이다[2] 따라서 철도차량과 궤도회로의 전자파적합성(Electromagnetic Compatibility, EMC)의 확인은 철도차량의 운행에 있어서 필수적이다. 철도차량과 궤도회로의 전자파적합성을 위해 전자파노이즈의 발생원인 차량에 대한 전자파/고조파 특성 및 전자파의 영향권에 있는 궤도회로의 전자파 특성분석이 필요하다.
참고문헌 (8)
J.S. Choi, S.B. Lee, B.-g. Kim, T.H. Lee, J.Y. Ko (2013) A study on reliability insurance plan of AF track circuit(TI-21) about KTX-sancheon enectromagnetic interference, Journal of the spring conference of the Korean Society for Railway, Hoengseong, pp. 1279-1288.
M.S. Kong, H.B. Kim (2013) Electromagnetic compatibility between rolling stock and trackside signaling system, Journal of the autumn conference of the Korean Society for Railway, Daegu, pp. 1913-1918.
J.S. Choi, H.S. Kim, M.S. Kong, S.J. Lee, U.R. Son (2014) A study on analysis travel tath return current harmonics between ktx sanchun and TI21 AF track circuit, Journal of the spring conference of the Korean Society for Railway, Changwon, pp. 1582-1590.
H.B. Kim, M.S. Kong, J.S. Choi, H.-S. Kim (2014) A study on measurement and analysis of harmonics in substation, Journal of the spring conference of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Enginners, Mokpo, pp. 260-261.
J.H. Beak, Y.K. Kim, Y.K. Yoon, D.W. Jang, et al. (2013) Analysis of return current effect for AF non-insulated track circuit in ITX vehicle operation, Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, 62(4), pp. 584-590.
J.H. Baek, Y.K. Kim, S.C. Oh, H.J. Jo, et al. (2011) Analysis of return current for rolling stock operation on electrical railroads, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 12(9), pp. 4112-4118.
J.H. Baek (2012) Analysis of harmonic frequency for return current on the track circuit in electrical railway system, Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, 61(5), pp. 698-704.
Y.K. Kim, J.H. Baek (2010) Analysis of return current by common earth on electrical line of the gyeongbu line, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 11(12), pp. 4968-4974.
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