[논문]경량전철 시험선로의 디지털 직류보호제어장치 개발 및 적용

전용주; 김수남; 김지홍; 백병산; 이현두

문제 정의

본 논문에서는 직류경전철 시험선로에 적용된 직류보호제어장치의 기본요소들과 기능별 특성원리 그리고 시스템 로직기능에 대하여 기술하였다. 또한, 국내 최초로 제작되는 경전철 관련 직류보호제어장치의 시험방법과 시험기준을 제시하였다.
그러나 아직 시스템 구축 경험이 없고 표준화가 이루어지지 않았으며 특히 핵심기기인 직류보호제어장치는 일부 철도 선진사만이 보유하고 있다. 이 에 본 논문에서는 건교부 지원 철도연 주관으로 진행중인 “경량전철 전력공급 시스템 기술개발“ 과제를 바탕으로 개발 되어 시험선에 설치 운영중인 직류보호제어장치에 대하여 소개하였다 향후 시스템 운전, 평가, 신뢰성 검증을 위하여 시험선로(경북경산 소재) 에서 2005년 7월까지 시운전이 이루어 질 것이다.

제안 방법

시험선로에 적용된 직류보호제어장치는 복잡 다양해진 시스템의 특성을 모두 고려하여 동작이 가능하도록 40여 개의 입출력 제어/감시 신호를 사용하였다. 각 반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호, 화재감지신호, 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 ON/OFF 동작 시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보호루틴이 구동되도록 설계되어 안전에 만전을 기하였다. 또한 하단의 PLC와 상단의 중계장치로 통신을 이용하여 데이터를 교환하여 원격제어 및 감시가 가능하게 설계되었고 보호로직으로는 선로시험기능 , 고장선택계전기능, 과전류계전기능이 탑재되어 있고 디지털 보호제어 장치의 장점을 살려 향후 필요시 쉽게 확장이 가능하도록 설계 되었다.
과부하전류영역 (정격전류이하), 과부하시간지연, 단락 과전류영역(정격전류이하), 단락시간지연의 요소를 이용하여 과부하 보호용과 이보다 신속히 동작해야 할 단락 보호용으로 나누어 설정하도록 설계하였다.
선진사의 경우도 특성시험항목의 경우 자체적인 장비와 기준으로 인증을 하고 있었다. 따라서 적용 가능한 규정은 우선순위가 가장 높은 Product Standard IEC 60255( Electrical Relay)series와 일반규정인 Basic Standard IEC 61000-4 series를 적용하였으며 적용이 곤란한 경우 AC계전기의 특성시험에 준하는 시험방식으로 시험 장비를 선정하여 공인시험을 수행하였다. 그림 2는 특성시험과 EMC 시험의 공인시험 성적서 이다.
각 반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호, 화재감지신호, 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 ON/OFF 동작 시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보호루틴이 구동되도록 설계되어 안전에 만전을 기하였다. 또한 하단의 PLC와 상단의 중계장치로 통신을 이용하여 데이터를 교환하여 원격제어 및 감시가 가능하게 설계되었고 보호로직으로는 선로시험기능 , 고장선택계전기능, 과전류계전기능이 탑재되어 있고 디지털 보호제어 장치의 장점을 살려 향후 필요시 쉽게 확장이 가능하도록 설계 되었다.
본 논문에서는 직류경전철 시험선로에 적용된 직류보호제어장치의 기본요소들과 기능별 특성원리 그리고 시스템 로직기능에 대하여 기술하였다. 또한, 국내 최초로 제작되는 경전철 관련 직류보호제어장치의 시험방법과 시험기준을 제시하였다. 특히, 고장선택 기능시험에 있어서 시험파형을 만들어 수행하였고 EMC 시험 중 AI 부분의 파형인가 방법을 기존의 방법과 달리하여 인가함으로써 직류계전기 시험을 가능하게 하였다.
선로시험기 능, 고장선택기능, 과전류계 전기 능의 3가지 특성을 시험하였으며 시험중 사용한 장비는 Function Generator, Source Simulator, Piilsal Universal Test System, Oscillograph, 2552 DC Voltage Standard 등을 사용하였으며 결선회로도는 아래와 같다.
순시변화율, 순시A, 순시 시간지연, 한시변화율, 한시A, 한시 시간지연 등의 항목을 선로의 조건에 맞게 Setting 하여 입력할 수 있도록 하여 단거리사고와 원거리사고 (고저항사고)에 효율적으로 대응할 수 있도록 설계하였다.
전기철도의 동적부하 특성을 효과적으로 분석하여 고장전류와 운전전류를 구분하기 위해 di/dt [A/ms]와 A I[A]를 이용하였다.
표 4, 5, 6은 공인시험에 적용된 대표적인 EMC시험의 방 법 및 기준이다. 직류계전기 공인시험으로 Electrostatic discharge시험, 1MHz burst disturbance시험, EFT burst 시험, 전자파방사내성시험, Combined surge 시험, 뇌임 펄스 내전압시험, 진동시험, 충격시험, 항온조 시험등이 수행되었다.
또한, 국내 최초로 제작되는 경전철 관련 직류보호제어장치의 시험방법과 시험기준을 제시하였다. 특히, 고장선택 기능시험에 있어서 시험파형을 만들어 수행하였고 EMC 시험 중 AI 부분의 파형인가 방법을 기존의 방법과 달리하여 인가함으로써 직류계전기 시험을 가능하게 하였다. 이 같은 시험방법과 기준은 국내 직류계전기 공인시험의 표준이 될 것으로 사료된다.

대상 데이터

시험선로에 적용된 직류보호제어장치는 복잡 다양해진 시스템의 특성을 모두 고려하여 동작이 가능하도록 40여 개의 입출력 제어/감시 신호를 사용하였다. 각 반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호, 화재감지신호, 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 ON/OFF 동작 시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보호루틴이 구동되도록 설계되어 안전에 만전을 기하였다.

후속연구

개발된 직류계전기는 국제공인기관에서 특성시험과 일반 환경시험에 대한 공인성적서를 취득함으로써 시험선 실증시험을 통해 신뢰성을 확보한다면 경량전철 및 중량전철 등 직류 전기철도계통에 적용이 가능할 것이다

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