[논문]전기철도 정역방향 고장점표정 방법을 통한 정확도 향상을 위한 연구

김명수; 김성철

doi:10.5370/kiee.2018.67.12.1735

전기철도 정역방향 고장점표정 방법을 통한 정확도 향상을 위한 연구
Analysis on the Method of Forward-Reverse Fault localization of Electric Railways for the Improvement of Accuracy 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.12, 2018년, pp.1735 - 1742

김명수 (Dept. of Korea Rail Network Authority) , 김성철 (Dept. of Railroad Electrical System Engineering, Woosong University)

Abstract ▼ AI-Helper

The number of electric railway failures will increase due to the external and internal effects of electric railroads. The grounding test with 25,000V is to artificially test the transmission voltage to ground, and it is possible to cause risks of electric shock and other equipment insulation damage in neighboring enclosure. In 2016, method of fault localization changed to low - voltage at 380V from artificially high- voltage in the grounding tests since opening of Seoul Metropolitan Express Railway; The method is more accurate and safer rather than the previous one because it gets more data from unlimited grounding tests. However, an electric current falls on the track section where the track branches and vehicle bases with many lines. To precisely detect a transitive phenomenon, it is necessary to continuously study and additionally install.

주제어

표/그림 (25)

그림 그림 1 AT 급전회로 고장전류 분포 Fig. 1 Fault current distribution of AT feeder circuit
그림 그림 2 AT1-AT2 사이에 T-R 단락사고시 전류 분포 Fig. 2 Current distribution between AT1 and AT2 when T-R is short
그림 그림 3 AT급전선의 급전회로 Fig. 3 Circuit of AT feeder
그림 그림 4 AT 급전계통의 등가회로 Fig. 4 Equivalent circuit of AT feeder
그림 그림 5 도체 회로의 임피던스 Fig. 5 Impedance of conduct circuit
그림 그림 6 AT 급전선로의 T-R단락 임피던스 Fig. 6 T-R short impedance of AT feeder
표 표 1 선로임피던스 Table 1 Railroad impedance
그림 그림 7 단방향 고장검출 방식 Fig. 7 Fault detection method for uni-direction
그림 그림 8 양방향 고장검출 방식 Fig. 8 Fault detection method for bi-direction
그림 그림 9 사고 예시도 Fig. 9 Fault exam
그림 그림 10 고장점표정 그래프 D>d1+d2 Fig. 10 Fault localization graph at D>d1+d2
그림 그림 11 고장점표정 그래프 D < d1+d2 Fig. 11 Fault localization graph at D < d1+d2
그림 그림 12 실제 고장지점 41.237km Fig. 12 Fault location at 41.237 km
그림 그림 13 고장점표정장치 표출 데이터 Fig. 13 Fault localization device data
그림 그림 14 정 · 역비교 방식 최종 고장점표정거리, 41.15km Fig. 14 Final fault localization distance for bi-direction method
그림 그림 15 정방향 고장점표정장치 Fig. 15 Fault localization device for direct direction
그림 그림 16 역방향 고장점표정장치 Fig. 16 Fault localization device for reverse direction
그림 그림 17 시험절차 흐름도 Fig. 17 The flowchart of experimental procedure
그림 그림 18 임피던스 곡선 Fig. 18 Impedance graph
표 표 2 선로 임피던스 측정값 Table 2 Measured impedance of railroad
표 표 3 고장점표정 시험 표정거리 및 오차율 현황 Table 3 Localization distance and error rate of Fault localization experiment
표 표 4 표정시험과 보정 데이터 Table 4 Data for localization and correction
그림 그림 19 병렬 급전시 임피던스 곡선 Fig. 19 Impedance graph of parallel feeder
그림 그림 20 분리급전시 임피던스 곡선선 Fig. 20 Impedance graph of Separated feeder
표 표 5 데이터 보정 입력 후 표정거리 및 오차율 현황 Table 5 Localization distance and error rate of corrected data

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해서 2장에서는 고장점 표정방식에 대해 살펴보았으며 3장에서는 정역방향 고장점표정 실증시험에 대한 데이터를 분석하였고 결론을 맺었다. 고장점표정 시험을 실증적 방법을 통하여 알고리즘을 만들고 고장점표정 정확도 향상에 대한 방안을 연구하였다.

제안 방법

AT 흡상 전류비 방식은 고장 직후에 구간 양단의 각 AT에 동일 위상의 전압이 인가된다는 가정 하에 식을 전개하여 고장점표정식을 구하였으며 실제 상황에서는 급전 색션구간의 양쪽 AT에 인가되는 전압은 동일위상 전압이 아니며, 또한 고장전류도 다른 섹션의 AT에서도 흡상되어 계측되었다. 그러므로 고장전류의 분포를 고려한 다음과 같은 폐회로 방정식이 성립한다.
단방향의 고장점 표정만으로 오차를 줄이는데 한계가 있었으나 정·역비교방식의 고장점표정 방식으로는 전차선로의 사고점을 기준하여 고장전류의 순방향 리액턴스와 역방향 리액턴스를 이용 하여 정방향 고장점과 역방향 고장점을 비교분석 하여 최종 고장 점을 표정하므로 고장점표정의 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있었으며 또 변전소와 급전구분소에 설치된 어느 한측 고장점표 정장치가 소손되어도 고장점표정에는 문제가 발생하지 않는 성과를 이룩하였고 특고압 지락시험방법은 임피던스 측정방식으로 거리별로 선로 임피던스를 측정하여 고장점표정장치에 입력 후 가압되어 있는 전차선로에 인위적으로 고장을 발생시켜 고장점 표정오차를 확인하는 방법을 사용하였다.
따라서 분리 및 병렬 급전시 실제 표정시험시의 데이터 값과 보정데이터 값의 거리를 나타낸 후 고장점 표정시험 재시험하였다. 최초 데이터와 보정 후 병렬급전과 분리급전에 대한 리액턴스 결과를 각각 그림 19, 20에 나타내었다.
변전소에 실제 급전계통과 동일한 시험용 급전계통을 구성하였다. 변전소, 구분소 및 보조구분소에 임피던스 측정기(CT, PT, 계측기)를 설치하였다. 전차선로의 임피던스를 측정하고자 하는 임의 지점에 접지걸이를 설치하고 시험전원을 인가하여 계측기가 임피던스, 리액턴스, 레지스턴스를 분리 하여 기록하고 기록된 임피던스 중 리액턴스를 거리에 대한 함수 (그래프).
선로 상 · 하선 동시 급전방식을 병렬급전, 상 · 하선을 분리하여 별도로 급전하는 방식을 분리급전이라 하고 다음과 같이 선로 임피던스X(Ω) 측정값을 측정하였다.
이러한 문제점을 극복하고자 정 · 역비교방식의 고장점표정 방식으로 전차선로의 사고점을 기준하여 고장전류의 순방향 리액턴스와 역방향 리액턴스를 이용하여 정방향 고장점과 역방향 고장점을 비교분석하여 최종 고장점을 표정하므로 고장점표정의 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있었으며 또 변전소와 급전구분소에 설치된 어느 한 측 고장점표정장치가 소손되어도 고장점표정에는 문제가 발생하지 않는 성과를 이룩하였고 특고압 지락시험방법은 임피던스 측정방식으로 거리별로 선로 임피던스를 측정하여 고장점표정장치에 입력 후 가압되어 있는 전차선로에 인위적으로 고장을 발생시켜 고장점 표정오차를 확인하는 방법을 사용하였다.
시험전원을 인가하여 임의 사고지점에 대한 사고전압·전류를 계측하여 임피던스(Z), 위상각(θ), 리액턴스(X), 레지던스(R)을 계산 후 계측 값에 대한 “변환-환산”의 단계를 거치므로 오차가 발생할 수 있고 실제 경 부고속철도 고장점표정장치에 적용결과 오차가 확인되었다. 이를 보완하기 위한 방법으로 저전압 고장점 표정방식을 적용하고 계산된 리액턴스(X)를 거리에 대한 함수(그래프).화일을 생성하여 고장점계전기에 입력한다.
수도권고속철도는 수서∼평택간 약 53km로 변전소(S/S)는 2개 소, 급전구분소(SP) 2개소, 병렬급전소(PP) 5개로 구성되었다. 저전압 저압지락시험은 중원변전소에서 수서역간 절대거리 4.88km 시험거리 2k450지점에서 시행하였다. 저전압고장표정 시험은 전차선로에 전원이 차단된 상태에서 시험설비를 구축하여 최대 380V 전압으로 시험하기 때문에 감전의 우려가 적어 임펄스 충격에 의한 설비의 스트레스가 적다는 장점이 있다.
변전소, 구분소 및 보조구분소에 임피던스 측정기(CT, PT, 계측기)를 설치하였다. 전차선로의 임피던스를 측정하고자 하는 임의 지점에 접지걸이를 설치하고 시험전원을 인가하여 계측기가 임피던스, 리액턴스, 레지스턴스를 분리 하여 기록하고 기록된 임피던스 중 리액턴스를 거리에 대한 함수 (그래프).화일을 생성하여 고장점계전기에 입력하였다.
만약 시스템에 입력한 임피던스 값과 실제 측정 오차 발생시 오차 보정 후 일치될 때까지 계속하여 지락시험을 시행하여 정확한 고장지점을 표정한다. 특고압을 인위적으로 대지에 지락시키는 방법은 인접한 통신, 신호 등 타 설비 소손 우려가 크고 인접한 인축에 사고전류가 흘러 감전의 위험이 있고 변전소에 가까울수록 사고전류가 커서 고가의 변전설비 소손이 우려되어 저전압 고장표정 방법을 택해 실험하였다. 이 시험은 전차선로에 전원이 차단된 상태에서 시험설비를 구축하여 최대 380V 전압으로 시험하기 때문에 감전의 우려가 적어 임펄스 충격에 의한 설비의 스트레스가 적다는 장점이 있다[3].

대상 데이터

화일을 생성하여 고장점계전기에 입력한다. 변전소에 실제 급전계통과 동일한 시험용 급전계통을 구성하였다. 변전소, 구분소 및 보조구분소에 임피던스 측정기(CT, PT, 계측기)를 설치하였다.

성능/효과

선로 임피던스를 측정하여 시스템에 입력 후 실제 저전압 지락시험 결과 입력한 데이터보다 실제 고장점표정은 약간의 오차가 발생하였다.
시험전원을 인가하여 임의 사고지점에 대한 사고전압·전류를 계측하여 임피던스(Z), 위상각(θ), 리액턴스(X), 레지던스(R)을 계산 후 계측 값에 대한 “변환-환산”의 단계를 거치므로 오차가 발생할 수 있고 실제 경 부고속철도 고장점표정장치에 적용결과 오차가 확인되었다.
안산변전소에서 고장점표정장치에 표출된 정방향 고장점 표정 거리(41.000km)와 봉담병렬급전소의 고장점표정장치에 표출된 고장점거리41.300(km)를 산술적으로 비교 후 평균값으로 고장점표정 거리를 41.15km 표출하였다.
또 변전소와 급전구분소에 설치된 어느 한측 고장점표정장치가 소손 되어도 고장점표정에는 문제가 발생하지 않는다[8,9]. 역방향 측급전구분소(SP)에서 변전소 측으로 측정된 임피던스 값도 고려하여 상호비교 분석하는 방법으로 개선되었다.
지락시험 방식을 특고압(25,000V) 시험방식에서 저전압시험 (110∼380V)시험 방식으로 개선하여 지락시 임펄스 전압에 의한 타 설비에 스트레스가 없고 저전압을 사용하므로 감전의 위험이 현저하게 낮으며 시험횟수 제한이 없어 허용 범위내 표정오차를 실현할 수 있었다. 임피던스 저전압 지락시험은 전차선로 고장점 표정시험을 위한 임피던스 측정과 데이터 입력 및 114개소의 강제지락시험 시행 결과 42개소가 기준 범위(2%)를 초과하여 데이터 보정 후 저전압 고장점표정시험을 재시험하여 표정거리와 오차율은 모두 기준범위(2%)에 만족하여 정확도 및 안전도 향상이 입증되었다.
이 시험방법은 인접한 전기, 통신, 신호설비에 임펄스 전압에 의한 스트레스로 기기 수명 단축과 감전의 위험요인이 잠재되어 개선의 필요성이 재기되었다. 저전압 고장점표정 방법으로 변경함으로서 지락 임펄스 전압에 의한 충격 스트레스 제로로 기기에 대한 열화와 인축에 의한 감전의 위험이 없고 제한 없이 고장점표정시험을 할 수 있어 고장점표정에 대한 정확도를 획기적으로 높일 수 있었다. 일반철도와 고속철도는 급전계통이 상이함으로 인하여 고장점표정방법을 달리하고 있었으나 고속철도와 일반철도의 동일노선 또는 동일구 내에 있는 경우가 있어 통합적으로 적용될 수 있는 알고리즘이 필요할 것이며 전차선로가 복잡하게 엉켜있는 삼각선, 복복선, 선로분기점, 차량기지 같은 경우는 흡상할 수 있는 단권변압기가 없거나 타선 흡상현상이 있어 정확한 고장점표정이 곤란한 경우도 발생할 수 있다.
지락시험 방식을 특고압(25,000V) 시험방식에서 저전압시험 (110∼380V)시험 방식으로 개선하여 지락시 임펄스 전압에 의한 타 설비에 스트레스가 없고 저전압을 사용하므로 감전의 위험이 현저하게 낮으며 시험횟수 제한이 없어 허용 범위내 표정오차를 실현할 수 있었다.

후속연구

일반철도와 고속철도는 급전계통이 상이함으로 인하여 고장점표정방법을 달리하고 있었으나 고속철도와 일반철도의 동일노선 또는 동일구 내에 있는 경우가 있어 통합적으로 적용될 수 있는 알고리즘이 필요할 것이며 전차선로가 복잡하게 엉켜있는 삼각선, 복복선, 선로분기점, 차량기지 같은 경우는 흡상할 수 있는 단권변압기가 없거나 타선 흡상현상이 있어 정확한 고장점표정이 곤란한 경우도 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 분기점에 옥외형 CT, PT등을 설치하여 정확한 고장점 표정할 수 있는 연구가 지속적으로 필요할 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변전설비는 어떻게 구성되어 있는가?	전기철도는 여객 수송의 중추적 역할을 하고 중요도가 커지면서 고장지점 신속한 검출과 사고복구 시간의 단축이 필요하게 되어 1974년 수도권 전기철도 개통 시 부터는 고장점표정장치가 도입 되었다[1]. 우리나라 교류전기철도의 급전방식은 AT급전방식은 방면별로 급전하는 시스템을 채택하였으며 변전설비는 전철변전소(S/S), 급전구분소(SP), 보조급전구분소(SSP), 병렬급전소(PP)로 계통을 구성되고 설비의 간격은 약 10㎞ 내 · 외의 간격으로 운영 되었다. 전기철도의 고장점표정장치 운영을 위해서는 전차선로의 거리별 임피던스 측정한 자료를 고장점표정장치에 입력 후 전차선로 2.
	BT방식의 고장점표정방법 사용 시 문제가 많이 발생하는 이유는 무엇인가?	이때의 급전시스템은 흡상변압기(BT) 방식을 적용하였기 때문에 고장점표정장치는 운용되지 않았다. BT방식의 고장점표정방법은 구간별도 차단기 투 · 개방을 수번씩 시행함으로서 구간만 알 수 있어 여러가지 문제가 많이 발생하였다. 전기철도는 여객 수송의 중추적 역할을 하고 중요도가 커지면서 고장지점 신속한 검출과 사고복구 시간의 단축이 필요하게 되어 1974년 수도권 전기철도 개통 시 부터는 고장점표정장치가 도입 되었다[1].
	저전압 고장표정 방법을 사용했을 때의 장점은 무엇인가?	특고압을 인위적으로 대지에 지락시키는 방법은 인접한 통신, 신호 등 타 설비 소손 우려가 크고 인접 한 인축에 사고전류가 흘러 감전의 위험이 있고 변전소에 가까울수록 사고전류가 커서 고가의 변전설비 소손이 우려되어 저전압 고장표정 방법을 택해 실험하였다. 이 시험은 전차선로에 전원이 차단된 상태에서 시험설비를 구축하여 최대 380V 전압으로 시험하기 때문에 감전의 우려가 적어 임펄스 충격에 의한 설비의 스트레스가 적다는 장점이 있다[3]. 기존방식의 고장점표정장치는 변전소 에만 설치하여 변전소(S/S)에서 급전구분소(SP) 단방향으로만 고장검출이 가능했으며 실제 사고거리와 표정거리간 오차 발생시 계전기의 오동작 여부를 알 수 없었다.

참고문헌 (9)

KRNA Report "Estimated Report for railway electricrization In 2017".
KRSA-3010-R2 Fault Localization device
KRNA Report "Metropolitan Express train (Suseo) electric railway power supply equipment project report," 2012 pp. 22-25)
Jung-Chul Kim "Feeder system for Electric railway and protection," Gidari publisher, pp.202-214, 2004.
Yang-Su Kim, Hae-Chul Yu, "Electric Railway Engineering," dongil publisher, pp.105-105,2009.
Sam-Hong parkl, Hae-Chul Yu, "Electric Railway Professional Engineer", dongil publisher, pp. 17-23, 2010.
KRNA Report "Technology on the electric railway feeder protection system using forward and revers impedance," pp. 17-23, 2011
KRNA Report "Railway design guide and handbook", KR E-02090, pp. 79-92, 2014.
KRNA Electric operation data book pp. 38-39. 2017.

저자의 다른 논문 :

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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