[논문]무가선 산악트램 급전을 위한 지상 집중식 급전장치 개발

서승일

doi:10.5762/kais.2020.21.4.268

무가선 산악트램 급전을 위한 지상 집중식 급전장치 개발
Development of Local Ground Pantograph for Power Supply to Wireless Mountain Trams 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.4, 2020년, pp.268 - 275

초록
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국내 산악 지역 자연공원에서는 자연 환경과 주변 조망을 보존하기 위해 전차선의 설치가 불가하다. 따라서 산악 트램은 무가선으로 운행되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 차량의 추진 배터리에 전기를 공급할 수 있는 지상 집중식 급전장치를 개발하고 동작 및 기능 시험을 실시하여 성능을 검증하였다. 개발한 지상 집중식 급전장치는 검수고 또는 정거장의 한 지점에 고정 설치되어 있으며, 차량의 대차가 진입하여 정차하면 스프링 장력으로 암과 집전 슈를 올려 대차 하부에 있는 차량측 집전 바와 접촉하고, 전기를 흘려 배터리에 전력을 공급한다. 지상 집중식이므로 차량 지붕 위의 집전장치와 전차선이 필요 없게 되고, 산악트램은 무가선 상태로 운행을 할 수 있다. 정거장이나 검수고에서 움직이지 않고 정지한 상태에서 집전하므로, 이선이나 아크 발생이 없다. 집전 슈의 마모나 손상을 초래할 수 있는 가동 접촉면이 사라지게 되므로 집전장치 수명이 연장되는 장점이 있다. 시험 결과에 따르면, 절연저항은 기준치인 10㏁ 이상이었고, 전류 335A를 1시간 동안 일정하게 공급하여도 이상 발열이 없음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In domestic mountain resort areas, a catenary system cannot be installed for the protection of the natural environment and view. Therefore, mountain trams must be operated wireless. In this study, a local ground pantograph, which supplies electricity to the battery on board, was developed for this purpose, and its performance was verified by tests. The system is installed on ground at stops or repair shops. While a bogie goes to the pantograph, the arms and collection shoes are raised by a spring force to make contact with the collection bar under the bogie so electric power can be supplied to the battery. Because it is a local ground type, it does not require a roof pantograph and catenary system. The system enables the mountain tram to run wireless. In addition, there is no separation and arc because it collects current while standing at stops or shops. The system has a long life because moving contact, which generates wear and damage to shoes, is avoided. The insulation resistance was above the criteria of 10 ㏁, and there was no abnormal temperature increase when a current of 335A was supplied for one hour.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Mountain tram on roads
그림 Fig. 2. Conventional aerial pantograph
그림 Fig. 3. Local ground pantograph
그림 Fig. 4. Current collection of local ground pantograph
그림 Fig. 5. Moving mechanism of local ground pantograph
그림 Fig. 6. Forces acting on moving arm
표 Table 1. Specification of ground pantograph
표 Table 2. Differences of ground pantograph from conventional pantograph
그림 Fig. 7. Prototype of ground pantograph
그림 Fig. 8. Operation and performance tests
그림 Fig. 9. Resonance and vibration test on the exiting facility
표 Table 3. Test results for basic operation
표 Table 4. Test results for temperature limit
표 Table 5. Test results for endurance of ground pantograph
그림 Fig. 10. Vibration endurance tests
표 Table 6. Endurance test method for ground pantograph
표 Table 7. Test results for endurance of ground pantograph

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 무가선 산악트램이 운행하기 위해, 지상에서 차량의 추진 배터리에 전기를 공급할 수 있는 지상 집중식 급전장치를 개발하였다. 급전장치 시제품을 제작한 후에 동작 및 기능 시험을 실시하여 양호한 성능을 확인하였다.

제안 방법

급전장치는 구조적으로 강도를 확보하였으나, 사용 중 외부 환경에 의한 진동에 의해 공진이 나 기능상에 이상이 발생하지 않아야 한다. KS 규격에 따라[10] 진동대에서 30Hz까지 주파수를 올리면서, 9.8m/s²의 가속도로 3축 방향으로 각각 10분씩 가진하면서 진동시험을 실시하였다. Fig.
지상 급전 장치의 주요 사양은 다음의 Table 1에 정리되어 있다. 급전장치의 압상력(upward force)은 접촉력(contact force)이 되는데, 그 기준은 기존 경전철 집전성능 시뮬레이션 결과에 기초하여, 급전장치와 집전바 사이에서 이선이 발생하지 않을, 적정 접촉력 제안값을 이용하여 결정하였다[8].
본체의 구성 재질은 기본적으로 경량 알루미늄합금재(A6061)이며, 집전 슈는 전도성과 내마모성이 양호한 재질 황동합금(C3602-P)을 활용하였다. 기초판(mounting base)과 가동 암(moving arm), 레버 암(lever arm)의 관절 부위는 합성 수지계 부싱(bushing)을 적용하여 동작 저항을 최소화하였다. 집전 슈와 집전 받침대(collector shoe support) 사이에 완충고무(cushion rubber)를 삽입하여 집전 슈와 집전 바 사이 접촉 시 발생하는 충격 및 진동을 최소화하였다.
급전장치의 집전슈 판(shoe plate)과 절연애자 간에 1,000V 메가 테스터기를 사용하여 절연저항을 측정하고, 그 측정치가 10 ㏁ 이상으로 나타나 양호함을 확인하였다. 내전압 성능 확인을 위해 급전장치의 슈판(shoe plate)과 절연애자 간에 내전압시험기를 사용하여 AC 3,000V를 1분간 인가하였다. 이후 절연파괴가 없음을 확인하였고, 1,000V 메가 테스터기를 사용하여 절연저항을 측정하고 그 측정치가 10㏁ 이상이 되어 양호한 상태임을 확인하였다.
동작 성능시험을 위해 급전장치가 현차 취부 조건과 동일한 상태에서 차량의 만차시의 높이에 위치한 집전바(collector bar)와의 슬라이드 왕복운동을 10회 실시하였다. 이후, 충격에 의한 동작 이상이 없음을 확인하였고, 집전바가 지나간 후에도 원형으로 복귀함을 확인하였다.
이러한 요구조건을 충족하기 위해 지상 집중식 급전 장치를 개발하였다. 땅속에 효율적으로 매설하기 위해 소형 구조로 설계하였고, 고습도 환경에서 견딜 수 있도록 내부식성이 강한 알루미늄합금 재질을 활용하였다. 신속한 급전을 위해 대차가 진행하면서 별도의 수동 작업 없이 바로 급전할 수 있도록 슬라이딩 접촉 방식을 적용하였다.
또한 급전장치 조립체의 중량을 측정하여 설계 중량(6kg ± 1kg)에 부합되는 지를 확인하였다.
성능 평가를 위해 기본적인 동작과 관련한 시험과, 집전 도중 이상 여부를 확인할 수 있는 시험을 수행하였다. Fig.
땅속에 효율적으로 매설하기 위해 소형 구조로 설계하였고, 고습도 환경에서 견딜 수 있도록 내부식성이 강한 알루미늄합금 재질을 활용하였다. 신속한 급전을 위해 대차가 진행하면서 별도의 수동 작업 없이 바로 급전할 수 있도록 슬라이딩 접촉 방식을 적용하였다. 지면에서 감전 등의 사고를 방지하기 위해 집전판에 덮개를 설치하여 대차가 진입하여 급전 중에만 개폐가 되도록 상호 안전장치를 적용하였다.
Table 4의 집전 시험 결과를 보면, 지속적인 전류 공급과 최대 전류 공급 시에도 과도한 온도 상승 없이 원활하게 전류가 흘러, 집전이 양호하게 됨을 확인할 수 있었다. 온도 정격전류의 50%인 335A를 1시간 동안 일정하게 공급하고, 최대전류 804A를 5분 동안 공급하여 온도를 측정하였는데, 각 위치마다 제한 온도 이하임을 확인하였다. 지상 급전장치 위에서 대차가 정지하고 있는 상태에서 급전이 이루어지므로, 동적 거동에 의한 이선 등이 발생하지 않아 집전효율은 증가하게 된다.
Table 3의 시험결과를 보면, 시작품의 기본적인 동작 상태는 양호한 것을 확인할 수 있다. 육안으로 외관을 검사하여 각 부품의 균열, 흠 또는 이물질 부착 등의 유해한 결함이 없는지를 확인하였다. 급전장치 조립 상태에서의 외형 치수 및 취부 치수를 측정하고, 최대 상승 상태의 높이를 측정하여 제작 도면의 제시 기준에 적합한지를 확인하였다.
따라서 급전장치는 땅속에 있으면서, 급전 과정을 신속하게 처리할 수 있고, 안전해야 한다. 이러한 요구조건을 충족하기 위해 지상 집중식 급전 장치를 개발하였다. 땅속에 효율적으로 매설하기 위해 소형 구조로 설계하였고, 고습도 환경에서 견딜 수 있도록 내부식성이 강한 알루미늄합금 재질을 활용하였다.
신속한 급전을 위해 대차가 진행하면서 별도의 수동 작업 없이 바로 급전할 수 있도록 슬라이딩 접촉 방식을 적용하였다. 지면에서 감전 등의 사고를 방지하기 위해 집전판에 덮개를 설치하여 대차가 진입하여 급전 중에만 개폐가 되도록 상호 안전장치를 적용하였다. 지상 급전장치는 개념은 다르지만, 형태는 경전철 제3궤조 급전장치와 유사하다.
급전장치는 기능과 동작 성능의 확보뿐만 아니라 철도 부품에 요구되는 기준에 따라 진동 내구성이 확보되어야 한다. 진동 내구성 시험에서는 급전장치 시작품을 진동대 위에 고정시키고, 시험축 방향으로 일정한 주파수로, 일정 시간 동안 반복시킨 후, 시작품의 상태를 확인하여 결과를 평가하게 된다. 시험 조건은 KS 규격[10]에 따라 Table 6와 같이 설정하였다.
집전 슈와 집전 바의 접촉 동작시 좌우 유동을 주어 각 관절부에서 발생할 수 있는 충격 최소화하였다. 집전 ON/OFF 스위치를 설치하고 상부 개폐식 절연판을 설치하여 감전 등의 위험을 차단할 수 있게 하였다. 급전장치는 배터리 충전을 위해 시종착 검수고에 설치되며, 운행 도중 배터리 방전을 보충하기 위해 정거장에 설치되어 비상시 활용할 수 있다.
기초판(mounting base)과 가동 암(moving arm), 레버 암(lever arm)의 관절 부위는 합성 수지계 부싱(bushing)을 적용하여 동작 저항을 최소화하였다. 집전 슈와 집전 받침대(collector shoe support) 사이에 완충고무(cushion rubber)를 삽입하여 집전 슈와 집전 바 사이 접촉 시 발생하는 충격 및 진동을 최소화하였다.

대상 데이터

지상 급전장치는 개념은 다르지만, 형태는 경전철 제3궤조 급전장치와 유사하다. 따라서, 설계를 위해 고무바퀴형 한국형 경전철 급전장치를 참고로 하였다[8]. Fig.
본체의 구성 재질은 기본적으로 경량 알루미늄합금재(A6061)이며, 집전 슈는 전도성과 내마모성이 양호한 재질 황동합금(C3602-P)을 활용하였다. 기초판(mounting base)과 가동 암(moving arm), 레버 암(lever arm)의 관절 부위는 합성 수지계 부싱(bushing)을 적용하여 동작 저항을 최소화하였다.

이론/모형

진동 내구성 시험에서는 급전장치 시작품을 진동대 위에 고정시키고, 시험축 방향으로 일정한 주파수로, 일정 시간 동안 반복시킨 후, 시작품의 상태를 확인하여 결과를 평가하게 된다. 시험 조건은 KS 규격[10]에 따라 Table 6와 같이 설정하였다. Fig.

성능/효과

(2) 지상 집중식 급전장치는 차량 지붕에 설치된 집전장치와는 개념이 다른 급전 시설로서, 공중 연속 급전 방식이 지상 집중 방식으로 혁신되었다. 본 기술은 플러그인(plug-in) 타입의 충전장치를 적용하는 전기자동차 등 타분야에도 적용될 수 있다.
(3) 개발된 급전장치에 대해서 시험을 실시하여 성능을 입증하였다. 급전장치는 구조적 안전성, 동작 성능, 진동 성능, 내구성 등을 충분히 확보하고 있음을 확인하였고 공인기관의 인증을 받았다.
5N/mm² 이 된다. 굽힘응력과 전단응력은 각각 이동암 재료(A6061-T6)의 허용응력(210N/mm²)과 허용전단응력(120N/mm²) 이하가 되어 강도적으로도 안전함을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 무가선 산악트램이 운행하기 위해, 지상에서 차량의 추진 배터리에 전기를 공급할 수 있는 지상 집중식 급전장치를 개발하였다. 급전장치 시제품을 제작한 후에 동작 및 기능 시험을 실시하여 양호한 성능을 확인하였다. 검수고 또는 정거장의 한 지점에 고정 설치되고, 차량이 정차한 상태에서 급전하므로 이선과 아크가 없어 집전장치 수명이 연장되는 효과가 있다.
육안으로 외관을 검사하여 각 부품의 균열, 흠 또는 이물질 부착 등의 유해한 결함이 없는지를 확인하였다. 급전장치 조립 상태에서의 외형 치수 및 취부 치수를 측정하고, 최대 상승 상태의 높이를 측정하여 제작 도면의 제시 기준에 적합한지를 확인하였다. 또한 급전장치 조립체의 중량을 측정하여 설계 중량(6kg ± 1kg)에 부합되는 지를 확인하였다.
(3) 개발된 급전장치에 대해서 시험을 실시하여 성능을 입증하였다. 급전장치는 구조적 안전성, 동작 성능, 진동 성능, 내구성 등을 충분히 확보하고 있음을 확인하였고 공인기관의 인증을 받았다. 정지 상태에서 집전판의 압상에 의한 급전으로 이선이 발생하지 않아 집전효율이 향상된다.
급전장치의 구조는 정적 구조 안전성 측면뿐만 아니라, 공진 및 진동 내구성 측면도 고려되어 설계되었으므로 작용응력이 허용응력보다 상당히 작게 나타났다.
급전장치의 집전슈 판(shoe plate)과 절연애자 간에 1,000V 메가 테스터기를 사용하여 절연저항을 측정하고, 그 측정치가 10 ㏁ 이상으로 나타나 양호함을 확인하였다. 내전압 성능 확인을 위해 급전장치의 슈판(shoe plate)과 절연애자 간에 내전압시험기를 사용하여 AC 3,000V를 1분간 인가하였다.
시험 결과에 따르면 KS 규격에서 요구하는 바와 같이 급전장치는 진동 가진 이후에도 외관상 검사에서 나사 풀림이나 균열 등 이상이 나타나지 않았다. 또한 30Hz까지 주파수를 증가하면서 가진하였는데, 요구 조건과 같이 공진이 발생하지 않아 구조적으로 안정되어 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서 개발한 친환경 산악철도의 지상 집중식 급전장치는 기존 가공 전차선 급전 방식에 비해 차량구조가 단순화되어 차량 제작 및 유지보수비용이 절감된다. 전차선 제거로 인프라 건설비 절감 및 시설 유지보수비용도 대폭 감소가 가능한 효과적인 장치이다.
9는 진동대 위의 지그에 설치된 급전장치를 수직 방향으로 가진하면서 진동 시험하는 장면이고, Table 5는 시험 결과를 보여준다. 시험 결과에 따르면 KS 규격에서 요구하는 바와 같이 급전장치는 진동 가진 이후에도 외관상 검사에서 나사 풀림이나 균열 등 이상이 나타나지 않았다. 또한 30Hz까지 주파수를 증가하면서 가진하였는데, 요구 조건과 같이 공진이 발생하지 않아 구조적으로 안정되어 있음을 알 수 있었다.
내전압 성능 확인을 위해 급전장치의 슈판(shoe plate)과 절연애자 간에 내전압시험기를 사용하여 AC 3,000V를 1분간 인가하였다. 이후 절연파괴가 없음을 확인하였고, 1,000V 메가 테스터기를 사용하여 절연저항을 측정하고 그 측정치가 10㏁ 이상이 되어 양호한 상태임을 확인하였다.
동작 성능시험을 위해 급전장치가 현차 취부 조건과 동일한 상태에서 차량의 만차시의 높이에 위치한 집전바(collector bar)와의 슬라이드 왕복운동을 10회 실시하였다. 이후, 충격에 의한 동작 이상이 없음을 확인하였고, 집전바가 지나간 후에도 원형으로 복귀함을 확인하였다. 집전슈의 동작 시 거리인 226mm에서 접촉력을 계측하여 기준(117±15N) 이내가 됨을 확인하고, 집전 상태가 양호함을 확인하였다.
내구성 시험을 수행한 결과는 Table 7과 같다. 지상 급전장치 시제품은 규정된 가속도로 규정된 시간 동안 진동을 받아도 충분한 내구성이 있음을 확인하였다.
집전슈의 동작 시 거리인 226mm에서 접촉력을 계측하여 기준(117±15N) 이내가 됨을 확인하고, 집전 상태가 양호함을 확인하였다.

후속연구

(4) 본 급전장치는 검수고 또는 정거장에 설치되어, 급곡선・급경사 산악 도로에서 운행하는 산악철도의 차량인 트램에 전력을 공급할 수 있으므로, 동절기 지역주민에게 교통기본권을 제공할 수 있고, 관광객 증가에 따른 지역경제 활성화에도 기여할 수 있다.
(2) 지상 집중식 급전장치는 차량 지붕에 설치된 집전장치와는 개념이 다른 급전 시설로서, 공중 연속 급전 방식이 지상 집중 방식으로 혁신되었다. 본 기술은 플러그인(plug-in) 타입의 충전장치를 적용하는 전기자동차 등 타분야에도 적용될 수 있다.

참고문헌 (10)

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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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