2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A132

전기기관차가 절연구간 자동통과시스템에 미치는 현상 규명

A study of electric locomotive effect on automatic changeover system in neutral section

신효범*, 한문섭*†, 창상훈*, 김주락*, 전찬석**

Hyo-bum Shin*, Moon-seob Han

*†, Sang-hoon Chang

*, Joo-rak Kim

*, Chan-seok Jun

**

Abstract Since necessity of automatic changeover system for railroad AC power feeding system has been emphasized, the system is currently being developed. Automatic changeover system is a system which ensures electric railway passing through neutral section in notch-on state and uninterrupted, yet there is no successful practical application case in both domestic and foreign researches. When this system development success, efficiency of railroad operation will be increased and neutral section power feeding system will be stabilized. Thyristors (electric semiconductor device) are used in the changeover switch, the key equipment of the system development, and also VCB switches are installed in parallel for ensuring efficiency of maintenance. The purpose of this paper is analysis vehicles’ effect on automatic changeover system by measuring current

of EL-8200 line traction part, and current & voltage of auxiliary power supply and battery part, in order to resolve abnormal problems on the electric railway catenary system. Keywords : neutral section, automatic switching system, notch-off, thyristor

초 록 전기철도 교류급전시스템에 적용 가능한 절연구간 자동통과 시스템 개발의 필요

성이 대두되어 현재 개발 중에 있다. 절연구간 자동통과 시스템은 전기철도가 절연구간을

무정전으로 이 구간을 notch-on 상태로 통과할 수 있는 시스템으로 아직 실용화에 성공한

국내외 사례는 없다. 본 시스템 개발이 성공을 이룬다면 열차 운행의 효율성을 증가시키고

절연구간 급전시스템을 안정화시킬 수 있을 것이다. 시스템 개발의 핵심인 전원절체 개폐기

는 전력용 반도체 소자인 Thyristor를 사용하여 제작하였으며, 고장 및 유지보수를 위해 병

렬로 VCB개폐기가 설치되어 있다. 본 논문에서는 절연구간 전원절체시 나타나는 이상현상에

대한 문제점을 해결하고자 EL-8200대 전기기관차 2차측의 견인시스템, 보전전원, 그리고 배

터리반 전류 및 전압을 측정하여 차량이 절연구간 자동통과 시스템에 미치는 영향을 알아보

는 것이 목적이다.

주요어 : 절연구간, 자동통과, Notch-off, Thyristor

1. 서 론

교류 급전계통에서 변전소(SS)와 급전구분소(SP) 근처에는 이상 전원의 충돌을 방지하기

† 교신저자: 한국철도기술연구원 광역도시철도연구본부(mshan@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원 광역도치철도연구본부

** 하나솔루션㈜

위하여 절연구간(neutral sections)이 설치되어 있으며, 전기철도는 절연구간을 notch-

off상태에서 타행운전으로 통과한다. 현재 교류급전시스템에서 전기철도가 notch-on상태로

절연구간을 통과하면 가압부분에서 무가압 또는 상이 다른 부분으로 옮겨질 때 심한 아크를

발생하여 전차선로에 손상을 준다. 이러한 문제가 발생하지 않고 전기철도가 절연구간을

통과하기 위하여 절연구간 자동통과 시스템 개발이 필요하다 .

2. 본 론

2.1 절연구간 자동통과 시스템

2.1.1 시스템 구성

절연구간 자동통과 시스템 구성은 Fig. 1과 같다. 시스템의 구성은 절연구간(neutral

section) 전차선로에 전원을 M상에서 T상 또는 T상에서 M상을 공급해주는 전원절체 개폐장

치와 열차를 검지하여 전원절체 개폐장치에 절체 신호를 보내주는 열차검지장치로 구성되어

있다. 전원절체 개폐장치는 마스터와 슬레이브 개폐기를 2중화하였으며, 마스터로 사용되는

개폐기는 전력용 반도체 소자인 Thyristor를 직병렬 연결하여 개발한 개폐기를 사용하며,

슬레이브는 고장을 대비하여 By-pass용으로 VCB(Vacuum Circuit Breaker)가 병렬로 구성되

어 있다. 입력전압은 선간전압을 기준으로 42kV이며, 절체시간은 300+50ms이다. 열차검지장

치는 Hot standby에 의한 시스템 2중화로 설계되었으며, 열차검지의 신뢰도와 안정성을 높

이기 위하여 선로에 휠검지기를 3중화하였다. 휠검지기가 검지 가능한 열차 최대속도는

300km/h이다. 두 장치간에 인터페이스는 Hard Wire와 CAN통신을 사용한다.

Fig. 1 절연구간 자동통과 시스템

2.1.2 절연구간 자동통과 시스템 이상 전압

시스템 실증시험을 위해 EL-8200 전기기관차를 실제 절연구간에 열차를 투입하여 전원 절

체시험을 실시하였다. 시험은 Thyristor 개폐기 및 VCB 개폐기를 시험과 열차의 운행방식

Fig. 2 전원절체시 발생하는 이상전압

(타행, 역행, 회생)을 달리하여 시험을 실시하였으나, 모든 시험에서 전원 절체시 이상전

압이 측정되었다. Fig. 2는 EL-8200 전기기관차의 주변압기 1차측에서 전력분석기를 설치하

여 전원절체시 절연구간 전차선로에 변화하는 전류 및 전압을 측정한 파형이다. 그림에서

보는 봐와 같이 전압이 0V가 되어야 하는 시점에도 전압이 살아 있는 문제점이 발생하였다.

Start Point가 전원이 끊어지는 시점이고, End Point는 다른 전원이 투입되는 시점이다.

2.2 이상전압 문제점 해결 방안

Thyristor 소자를 이용한 개폐기는 전압의 위상제어를 하기 때문에 Fig. 2와 같은 이상전

압이 발생하면 정확한 제어가 불가능하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 R과 C 설비를 사

용하여 절연구간에 설치하면 전원절체시 발생하는 과전압과 고조파 성분이 제거되어 정확한

Thyristor 제어가 가능할 것으로 생각되어 이상전압의 원인으로 생각되는 EL-8200대 전기기

관차에서 측정하여 발생하는 노이즈 주파수 대역을 알아보았다.

또한, 절연구간 전차선로에 존재하는 유도전압의 전류값을 알아보기 위하여 절연구간을

접지에 단락 시켜 흐르는 전류값을 측정였으나, 측정된 전류는 0A에 가까웠다.

2.2.1 EL-8200대 측정

전기기관차 EL-8200대가 절연구간 자동통과 시스템에 미치는 영향을 알아보기 위하여 정지

상태에서 MCB ON/OFF 시험과 주행중 Power OFF 시험을 실시하였다. 측정 위치는 Fig. 3과 같

이 차량 주변압기 2차측의 견인시스템, 보조전원시스템, 그리고 배터리반에 전력 분석기를 설

치하여 전류/전압을 측정하였다. 정지상태의 시험의 목포차량기지에서 실시하였으며, 주행시

험은 용포리SSP 실증시험장에서 실시하였다.

Fig. 3 EL-8200대 측정 위치

2.2.2 측정 결과

Fig. 4와 Fig. 5는 정지상태에서 MCB를 OFF하였을 때 측정된 보조전원 전압/전류와 배터리

반 전압/전류 파형이다. 두 위치에서 모두 MCB를 OFF하는 시점에서 파형이 떨리는 현상을 보

였으며, MCB가 OFF된 이후에도 몇주기 전압이 존재하였다. 이는 차량에 설치되어 있는 배터리

의 영향인 것으로 보이며, 전압이 떨리는 현상은 MCB가 OFF될 때 차량의 주변압기의 공진현상

때문에 발생된 것으로 생각된다.

Fig. 6과 Fig. 7은 차량이 주행중 임으로 Power를 OFF하였을 때 측정된 보조전원 전압/전류

와 배터리반 전압/전류 파형이다. 정지상태에서 MCB를 OFF하였을 때와 유사한 형태의 파형을

관찰되었다. 하지만 정지상태에서 보다 전압 파형이 떨리는 파형 주기가 길게 측정되었으며,

이는 차량이 역행중에 전원이 OFF되어 변압기에 존재하는 전류가 정지상태보다 많아 전압이

떨리는 현상이 길게 측정된 것으로 보인다.

Fig. 4 정지시 보조전원 전류/전압 Fig. 5 정지시 배터리반 전류/전압

Fig. 6 주행중 보조전원 전류/전압 Fig. 7 주행중 배터리반 전류/전압

변압기 공진에 의해 떨리는 파형은 한주기에 34번 진동하여 2040Hz 주파수대역의 노이즈로

확인하였다. R과 C를 이용하여 대책 설비를 설치하여 시험을 하면 MCB가 OFF되는 시점에 발

생하는 공진현상을 제거할 수 있다.

또한, 차량이 절차적인 단계를 걸쳐 MCB를 OFF하였을때와 순간 Power가 OFF되었을 때 다른

현상을 확인할 수 있었다. 절차적인 단계를 걸쳐 MCB를 OFF하면 전류/전압이 몇 주기 안에 0

으로 떨어지나, Power가 OFF되면 몇초 후에 MCB가 완전히 OFF되고, 그 시간동안 절연구간에

유도되어 있는 전압의 영향을 받아 전압이 존재하게 된다.

Fig. 8 정상시 MCB OFF 시점 Fig. 9 Power off 시 MCB OFF 시점

3. 결 론

본 논문에서는 절연구간 자동통과 시스템개발을 위해 시험 차량으로 사용되는 전기기관차

EL-8200대의 특성과 절연구간 자동통과 시스템에 차량에 미치는 영향을 알아보기 위해 차량

의 주변압기 2차측의 견인시스템, 보조전원, 배터리반 전류 및 전압을 측정하여 분석하였다.

절연구간을 통과 중인 전기기관차가 Power가 OFF되는 시점 주변압기에 의한 공진현상이 발

생하여 전압이 진동하는 것을 확인하였으며, 이로 인하여 절연구간 전차선로에 영향을 주는

것으로 생각된다. 측정된 전압파형의 분석결과 2040Hz 주파수 대역에서 공진현상이 발생하

는 것을 확인하였다. R과 C 성분을 이용한 대책설비를 절연구간 자동통과 시스템에 설치한

다면, 차량 주변압기에서 발생하는 공진현상을 제거할 수 있어 절연구간 전원 절체시 발생

하는 이상전압 파형을 정현파에 가까운 파형으로 만들어 Thyristor 개폐기가 위상제어를 정

확하게 할 수 있을 것으로 생각한다.

참고문헌

[1] Han Moon-Seob, "Automatic changeover system in neutral section" Railroad Webzine, No 56, Korea

Railroad Technology, Nov & Dec.

[2] Kohji AJIKI, Yoshifumi MOCHINAGA, Tetsuo UZUKA, Eiichi MAUSUMIYA and Yuji Fuzita,

“Analysis of the Phenomenon Associated whit the Short Circuit of ShinKansen Changeover Switch

and Development of net Type Protective Relay”, Transactions of the Insitute of Electrical Engineers of

Japan. Vol 122-B: NO4, pp498-505, 2002 .

[3] Korea Railroad, Report on “Development of technology for non-contact automatic changeover system

in neutral section”, 2009.11.