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문제 정의
- 본 논문에서는 PC 기반의 검측시스템을 철도차량의 검측 모듈로 사용될 경우 차량의 다양한 운영 시스템에 영향을 줄 수 있고 고속 열차의 진동에 따라 오작동이 없이 안정적인 결과를 획득하기 위한 신뢰성 시험을 나타낸 것이다. 신뢰성 시험을 수행하기전 EN 55011, EN 61000-4-2∼6, IEC 61373에 따라 각 항목시 험의 시험조건을 확인하여 아크검측장치의 환경성능을 판단할 수있도록 하였다[11-17].
- 본 논문에서는 신규 철도차량과 전차선로 건설 후 상업운행 이전에 성능시험의 본선 시운전 항목인 집전성능 검증을 위해 PC 기반인 아크 검측 장치가 철도운행 환경에 어떠한 영향이 있는지를 철도차량 관련 규격인 EN 50121-3-2, IEC 61373, 철도 전자기기의 온도범위에 따라 전자파, 진동, 충격, 온도 사이클 시험을 수행하였다. 아크검측 상부와 실내모듈의 전자파 방사 시험 항목인 전도성 장해, 복사성 장해의 시험결과는 모든 주파수 대역의 평균 준첨두치가 약 50.
- 철도차량의 운행 중 철도시설물과의 안전성을 판단하기 위해 차량 제작 중에 검측 모듈의 필요성과 수요가 발생되고 있어 열차의 부품수준의 높은 신뢰성이 요구되고 있다[9]. 이상과 같이 본논문은 철도차량 검측모듈이 고속 상업운행 차량에서 운행 환경에 관계없이 신뢰성 있는 데이터 획득을 위한 검증 시험조건에 대해 나타내었다. 검증시험은 차상의 지붕과 실내에 설치되는 아크검측장치를 이용하여 신뢰성 판단시험을 수행하였다.
제안 방법
- 복사성 장해시험은 검측모듈의 복사성 잡음이나 복사성에 의해 발생되는 불필요한 신호를 확인할 필요가 있다. 각각의 시험은 0.15 MHz에서 30 MHz까지는 99 ㏈㎶/m, 93 ㏈㎶ /m, 50 ㏈㎶/m, 57 ㏈㎶/m의 제한 준첨두치(Quasi-peak limits) 를 설정하여 유해성과 불필요한 신호를 판단하였다. 전자파의 내성시험은 EN61000-4-2에서 6까지의 규격에 따라 정전기방전 (Electrostatic Discharge), 무선주파수자기장 (Radio-Frequency Electromagnetic Field), 급속과도 (Fast Transient), 서지 (Surge), 전도성 무선주파수 (Radio-Frequency Continuous Conducted) 항목으로 구성된다.
- 이상과 같이 본논문은 철도차량 검측모듈이 고속 상업운행 차량에서 운행 환경에 관계없이 신뢰성 있는 데이터 획득을 위한 검증 시험조건에 대해 나타내었다. 검증시험은 차상의 지붕과 실내에 설치되는 아크검측장치를 이용하여 신뢰성 판단시험을 수행하였다. 팬터그래 프와 전차선 아크검측장치는 기계적, 전기적 특성을 동시에 모니 터링할 수 있는 시스템이고 영상처리 기반기술이 복합되어 있어 철도차량의 검측모듈 신뢰성 시험에 적합하다.
- 진동과 충격 시험은 차체, 풍속 등 차량운행 환경의 기계적 진동에 따른 성능 확인을 위해 IEC 61373에 따라 기능 랜덤 시험 (functional random test), 모의 장기 수명 시험 (simulated long-life test)과 충격 시험 (shock test)으로 구성된다. 그림 2에 나타낸 진동 및 충격 시험의 설치 사진과 같이 상하 (z-axis), 좌우 (y-axis), 전후 (x-axis) 방향에 대해 수행되며, 시험의 순서는 모의 장기 수명시험, 충격시험, 기능랜덤 순서로 시험하였다. 철도차량 상부에 장치가 직접적으로 부착되기 때문에 IEC 61373의 1종 A등급 (category 1 class A)으로 진동과 충격 시험을 수행하였다.
- 철도차량 상부에 장치가 직접적으로 부착되기 때문에 IEC 61373의 1종 A등급 (category 1 class A)으로 진동과 충격 시험을 수행하였다. 기능랜덤 시험은 각 방향마다 10분 이상 5 Hz, 20 Hz의 주파수 대역에서 0.234 (m/s2)2 /Hz, 0.131 (m/s2)2 /Hz, 0.532 (m/s2)2 /Hz의 진동값과 150 Hz의 주파수 대역에서 －6 dB/octave의 기울기를 갖도록 하였다. 모의 장기 수명 시험은 각 방향마다 5시간 동안 모의 장기 수명 시험과 같은 주파수 대역에서 0.
- 이를 위해 사용자가 실시간으로 모니터링이 가능한 접이식 19 inch 모니터 (1920 × 1080)와 산업용 PC를 사용하였다. 또한 차량내의 무정전에 대비하여 2 kVA의 UPS(Uninterruptible Power Supply)를 이용하여 안정적인 전원 공급이 가능하도록 하였다. 이와 같이 차내 다양한 정보를 동시에 획득하여 실시간으로 사용자에게 정보를 모니터링하며 열차의 속도가 300 km/h 이상이고 고용량의 동영상을 획득하기 위해 10 Tb 이상의 저장 공간이 필요하다.
- 전도성 무선주파수는 10 V의 전도성 잡음을 검측모듈에 인가하였다. 모든 내성 시험은 완료 후 육안으로 검측모듈의 정상동작을 확인 하였다.
- 충격 시험은 펄스의 피크치의 위아래 방향 2번을 검측모듈의 각 방향 3번씩 30 m/s2 , 30 m/s2 , 50 m/s2 의 충격 가속도를 인가하였으며 총 18번의 충격 시험을 수행하였다. 모든 시험들은 시험 전후의 외관 검사 및 기능 시험을 통해 육안으로 판단하였다.
- 532 (m/s2)2 /Hz의 진동값과 150 Hz의 주파수 대역에서 －6 dB/octave의 기울기를 갖도록 하였다. 모의 장기 수명 시험은 각 방향마다 5시간 동안 모의 장기 수명 시험과 같은 주파수 대역에서 0.0073 (m/s2)2 /Hz, 0.0041 (m/s2)2 /Hz, 0.0166 (m/s2)2 /Hz의 진동값, －6 dB/octave 의 기울기를 갖도록 진동 시험을 수행하였다. 충격 시험은 펄스의 피크치의 위아래 방향 2번을 검측모듈의 각 방향 3번씩 30 m/s2 , 30 m/s2 , 50 m/s2 의 충격 가속도를 인가하였으며 총 18번의 충격 시험을 수행하였다.
- 본 논문에서 사용된 아크 모니터링 장치는 차상모니터링장치의 신뢰성 확보를 위해 기존에 보고된 아크 검출 장치에 온도, EMI/EMC 및 진동 성능 향상을 위해 차량 상부검측모듈과 차내 모니터링모듈로 각각 구분하였다. 그림 1(b)에 나타낸 상부검측모 듈은 기존 고정 장치와의 장치간섭을 최소화하기 위해 각 검출기의 형상에 따라 지그를 제작하여 구성하였다.
- 철도차량은 터널, 개활지 등 다양한 환경조건에서 운행되고 특히 사계절의 변화에 따라 온도변화가 나타난다. 본 논문에서는 아크검측 상부모듈의 온도 성능은 40℃~85℃에서 습도 85 ℃ 에서 85 % 이하로 설계하였다. 차내샤시모듈은 열차 내부에 설치 되어야 하므로 열차의 진동에도 연결부 등이 견고하게 견딜 수있도록 구성하였다.
- 신뢰성 시험을 수행하기전 EN 55011, EN 61000-4-2∼6, IEC 61373에 따라 각 항목시 험의 시험조건을 확인하여 아크검측장치의 환경성능을 판단할 수있도록 하였다[11-17].
- 온도 사이클 시험은 국내외 규격과 차량의 온도 특성을 고려한 온도범위에서 시험을 수행하였다. 실내모듈의 경우 규격에 따라 철도차량 운행의 외부영향이 작으므로 전자파 시험만 수행하였다. 전자파 시험은 검측모듈과 철도차량의 부품 간의 고주파, 노이즈 등 상호 간섭을 피하기 위해 필요하며 시험항목인 방사 시험은 EN55011에 따라 전도성 장해 (Conducted disturbance)과 복사성 장해 (Radiated disturbance) 항목으로 나타내었다.
- 여기서, UV 램프와 센서 수광부 와의 간격을 10 cm 이내로 설치하였다. 아크센서와 PC 케이블 연결 후 PC와 센서를 동작시키고 UV 램프에서 나오는 값을 확인후 10분 간격으로 정상 동작하는지 확인하였다. 그림 3에서와 같이 상부모듈을 설치 후 온도 시험 조건인 －40℃에서 + 85℃까지 20 Cycle 연속 동작 후 정상 동작 시험을 수행하였다.
- 진동 (Vibration)과 충격 (Shock)시험은 IEC 61373 규격에 따라 수행하였으며, 관련 규격에 대응되도록 지그를 제작하였다[11]. 온도 사이클 시험은 국내외 규격과 차량의 온도 특성을 고려한 온도범위에서 시험을 수행하였다. 실내모듈의 경우 규격에 따라 철도차량 운행의 외부영향이 작으므로 전자파 시험만 수행하였다.
- 온도 사이클(Temperature Cycle) 시험은 운행환경에 따른 검측모듈의 특성변화 확인을 위한 것이며 Power Supply와 DAQ 장비인 PC (AC 220V)를 외부에 설치하여 아크센서와 UV램프 (AC 220V)를 챔버 안에 고정하였다. 여기서, UV 램프와 센서 수광부 와의 간격을 10 cm 이내로 설치하였다.
- 06 (m/s2)2 /Hz 보다 작으므로 시험조건의 기울기에 적합하다고 사료된다. 온도 주기 시험결과는 철도차 량에 따른 특정 온도 시험범위는 없었지만 철도차량 구성품의 온도 시험조건인 －40℃에서 +85℃ 범위의 20 Cycle 조건으로 모듈의 외관과 성능을 확인하였다. 아크검측장치는 기계적, 전기적 특성을 동시에 모니터링할 수 있는 PC기반 시스템이므로 본 논문에서 제안한 시험결과를 토대로 향후 철도차량과 검측장치간의 환경 성능 신뢰성 시험 등에 활용될 것으로 기대된다.
- 차내샤시모듈은 열차 내부에 설치 되어야 하므로 열차의 진동에도 연결부 등이 견고하게 견딜 수있도록 구성하였다. 이를 위해 온도조건 충족을 위해 알루미늄 구조는 랙 마운트의 3U 규격에 따라 지그를 제작하였으며, 크기는 조건 충족을 위한 PCB 회로가 장착된 새로운 하우징으로 대체하여 성능 시험을 만족할 수 있도록 하였다.
- 정전기방전 시험은 전위가 다른 물체가 근접하거나, 직접적으로 접함에 따라 시험장비와 검측 모듈간의 전하의 이동으로부터 발생되는 정전기를 유발하여 정상 적인 동작을 판단하며, 직접과 간접 방전 테스트 전압인 ±6 V를 인가하였다.
- 그림 2에 나타낸 진동 및 충격 시험의 설치 사진과 같이 상하 (z-axis), 좌우 (y-axis), 전후 (x-axis) 방향에 대해 수행되며, 시험의 순서는 모의 장기 수명시험, 충격시험, 기능랜덤 순서로 시험하였다. 철도차량 상부에 장치가 직접적으로 부착되기 때문에 IEC 61373의 1종 A등급 (category 1 class A)으로 진동과 충격 시험을 수행하였다. 기능랜덤 시험은 각 방향마다 10분 이상 5 Hz, 20 Hz의 주파수 대역에서 0.
- 0166 (m/s2)2 /Hz의 진동값, －6 dB/octave 의 기울기를 갖도록 진동 시험을 수행하였다. 충격 시험은 펄스의 피크치의 위아래 방향 2번을 검측모듈의 각 방향 3번씩 30 m/s2 , 30 m/s2 , 50 m/s2 의 충격 가속도를 인가하였으며 총 18번의 충격 시험을 수행하였다. 모든 시험들은 시험 전후의 외관 검사 및 기능 시험을 통해 육안으로 판단하였다.
- 그림 1(b)에 나타낸 상부검측모 듈은 기존 고정 장치와의 장치간섭을 최소화하기 위해 각 검출기의 형상에 따라 지그를 제작하여 구성하였다. 특히 전자파 (EMI/EMC)시험을 위해서 EMI/EMC 필터를 지그내부에 고정하 여 성능을 향상시켰다. 표 1에 EMI/EMC 필터의 감쇄 특성을 나타냈으며, 전원 (입력)과 신호 (출력)단자의 각 주파수별 감쇄량을 나타내었다.
- 표 1에 EMI/EMC 필터의 감쇄 특성을 나타냈으며, 전원 (입력)과 신호 (출력)단자의 각 주파수별 감쇄량을 나타내었다. 표 1에서와 같이 전원 및 신호 단자의 최대 감쇄량은 0.5 MHz의 주파수에서 65 dB, 64 dB이며, 신호 단자에서는 0.1 MHz에서 감쇄가 발생하지 않도록 제작하였다.
대상 데이터
- 이를 위해 사용자가 실시간으로 모니터링이 가능한 접이식 19 inch 모니터 (1920 × 1080)와 산업용 PC를 사용하였다.
이론/모형
- 신뢰성 시험을 수행하기전 EN 55011, EN 61000-4-2∼6, IEC 61373에 따라 각 항목시 험의 시험조건을 확인하여 아크검측장치의 환경성능을 판단할 수있도록 하였다[11-17]. 따라서 본 논문에서는 아크검측 차상모듈의 경우 전자파 시험은 EN 55011 규격에 따라 방사시험 (Emission Test)과 내성시험 (Immunity Test)을 수행하였다. 진동 (Vibration)과 충격 (Shock)시험은 IEC 61373 규격에 따라 수행하였으며, 관련 규격에 대응되도록 지그를 제작하였다[11].
- 실내모듈의 경우 규격에 따라 철도차량 운행의 외부영향이 작으므로 전자파 시험만 수행하였다. 전자파 시험은 검측모듈과 철도차량의 부품 간의 고주파, 노이즈 등 상호 간섭을 피하기 위해 필요하며 시험항목인 방사 시험은 EN55011에 따라 전도성 장해 (Conducted disturbance)과 복사성 장해 (Radiated disturbance) 항목으로 나타내었다. 전도성 장해시험은 검측모듈과 계측장비의 전기적으로 연결된 케이블을 통해 수신 안테나로 들어오는 전도성 고주파 잡음, 불필요한 고주파 신호, 전도성 결합에 의해 발생되는 장해로 부터 전파되는 불필요한 전자파 에너지를 전압 및 전류 레벨로 유해성을 판단할 필요가 있다.
- 따라서 본 논문에서는 아크검측 차상모듈의 경우 전자파 시험은 EN 55011 규격에 따라 방사시험 (Emission Test)과 내성시험 (Immunity Test)을 수행하였다. 진동 (Vibration)과 충격 (Shock)시험은 IEC 61373 규격에 따라 수행하였으며, 관련 규격에 대응되도록 지그를 제작하였다[11]. 온도 사이클 시험은 국내외 규격과 차량의 온도 특성을 고려한 온도범위에서 시험을 수행하였다.
- 진동과 충격 시험은 차체, 풍속 등 차량운행 환경의 기계적 진동에 따른 성능 확인을 위해 IEC 61373에 따라 기능 랜덤 시험 (functional random test), 모의 장기 수명 시험 (simulated long-life test)과 충격 시험 (shock test)으로 구성된다. 그림 2에 나타낸 진동 및 충격 시험의 설치 사진과 같이 상하 (z-axis), 좌우 (y-axis), 전후 (x-axis) 방향에 대해 수행되며, 시험의 순서는 모의 장기 수명시험, 충격시험, 기능랜덤 순서로 시험하였다.
성능/효과
- 아크검측 상부모듈의 시험결과를 표 2에 나타내었으며, 전자파 방사 시험항목인 전도성 장해 (Conducted Disturbance)와 복사성 장해 (Radiated Disturbance)는 표 2(a)와 같이 각 항목의 최대 준첨두치 (Quasi-peak)는 약 63.8 ㏈㎶/m, 약 46.6 ㏈㎶/m이며 각각의 상 (Phase)에서 주파수가 높을수록 준첨두치가 증가하 였다. 내성시험은 표 2(b)와 같이 정전기 방전, 무선주파수자기장, 급속과도, 서지, 전도성 무선주파수 시험들의 각 위치별 방전, 주파수와 안테나 방향의 따른 자계, 시험 조건에 따른 전압 인가를 통해 결과를 나타내었으며 시험 전과 후의 정상동작을 확인하였 다.
- 01 ㏈㎶/m이므로 관련규격인 EN 55011의 제한 준첨두치에 모두 만족하였다. 상부모듈의 진동과 충격의 시험결과인 각 항목별 출력 진동값과 가속도는 관련규격인 IEC 61373의 시험조건에 만족하였으며 외관 및 정상동작을 확인하였 다. 특히 150 MHz의 기울기 조건인 －6 dB/octave를 확인을 위 해 모의수명시험의 전후(X-axis)에서 20 MHz의 진동값인 약 0.
- 본 논문에서는 신규 철도차량과 전차선로 건설 후 상업운행 이전에 성능시험의 본선 시운전 항목인 집전성능 검증을 위해 PC 기반인 아크 검측 장치가 철도운행 환경에 어떠한 영향이 있는지를 철도차량 관련 규격인 EN 50121-3-2, IEC 61373, 철도 전자기기의 온도범위에 따라 전자파, 진동, 충격, 온도 사이클 시험을 수행하였다. 아크검측 상부와 실내모듈의 전자파 방사 시험 항목인 전도성 장해, 복사성 장해의 시험결과는 모든 주파수 대역의 평균 준첨두치가 약 50.8 ㏈㎶/m, 약 38.16 ㏈㎶/m, 약 56.79 ㏈㎶/m, 약 38.01 ㏈㎶/m이므로 관련규격인 EN 55011의 제한 준첨두치에 모두 만족하였다. 상부모듈의 진동과 충격의 시험결과인 각 항목별 출력 진동값과 가속도는 관련규격인 IEC 61373의 시험조건에 만족하였으며 외관 및 정상동작을 확인하였 다.
- 상부모듈의 진동과 충격의 시험결과인 각 항목별 출력 진동값과 가속도는 관련규격인 IEC 61373의 시험조건에 만족하였으며 외관 및 정상동작을 확인하였 다. 특히 150 MHz의 기울기 조건인 －6 dB/octave를 확인을 위 해 모의수명시험의 전후(X-axis)에서 20 MHz의 진동값인 약 0.222 (m/s2)2 /Hz에 주파수를 2배씩 증가시키면서 0.50118(-6 dB)를 곱하여 160 MHz에서 0.03 (m/s 2 ) 2 /Hz의 결과를 확인하였 으며 150 MHz 대역의 0.06 (m/s2)2 /Hz 보다 작으므로 시험조건의 기울기에 적합하다고 사료된다. 온도 주기 시험결과는 철도차 량에 따른 특정 온도 시험범위는 없었지만 철도차량 구성품의 온도 시험조건인 －40℃에서 +85℃ 범위의 20 Cycle 조건으로 모듈의 외관과 성능을 확인하였다.
후속연구
- 온도 주기 시험결과는 철도차 량에 따른 특정 온도 시험범위는 없었지만 철도차량 구성품의 온도 시험조건인 －40℃에서 +85℃ 범위의 20 Cycle 조건으로 모듈의 외관과 성능을 확인하였다. 아크검측장치는 기계적, 전기적 특성을 동시에 모니터링할 수 있는 PC기반 시스템이므로 본 논문에서 제안한 시험결과를 토대로 향후 철도차량과 검측장치간의 환경 성능 신뢰성 시험 등에 활용될 것으로 기대된다.
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