2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S295

S-Bond 를 이용한 AF 궤도회로 특성 연구 A Study on Characteristics of AF track circuit using the S-BOND

박동훈*, 노성찬*, 유광균*†

Dong-Hoon Park *, Sung-Chan Rho*, Kwang-Kiun Yoo*†

Abstract Recent train signaling system widely used jointless track circuit to improve velocity. Generally track circuit is separated several track sections to keep track train location. To separate track section, S-Bond designed simple hardware and high reliable cable, is applied instead of current impedance bond South Korea. To develop and maintain increased S-Bond, it is required to analyze the concept of S-Bond. This paper describes basic concept of S-Bond and track border characteristics of current feedback and induction caused by train axle. Keywords : S-Bond, AF Track Circuit

초 록 최근의 열차신호 시스템에서는 운행속도 향상을 위해서 무절연 방식의 AF 궤도회

로가 널리 이용되고 있다. 일반적으로 궤도회로는 열차의 이동위치를 파악하기 위하여 여러

개의 궤도구간으로 분할하고 있다. 이러한 궤도구간을 분할하기 위하여 국내에서는 기존의

중량물 형태의 임피던스 본드 대신 설치 구조물이 단순하고 부품 신뢰도가 높은 케이블로

구성된 S자 형태의 본드를 도입하고 있다. 이렇게 S-Bond를 사용한 궤도회로 이용이 증가

하고 있어 시스템 유지보수 및 개발을 위한 S-Bond 동작원리 분석이 필요하다. 본 논문에

서는 S-Bond의 기본적인 동작원리, 열차 차축에 의한 전류 궤환 및 유도현상을 이용한 궤

도 경계구간의 특성을 분석하고자 한다

주요어 : S-Bond, AF 궤도회로

1. 서 론

궤도회로의 거듭된 발전으로 기존 열차 유무의 감지 이외에 운행 중인 열차에 운행정보

전달이라는 기능을 추가되어 Distance to go 방식에서는 차상장치 연산방식으로 발전되었다.

고정폐색방식의 Distance to go 시스템은 역방향 신호진로 제어가 가능하도록 하는 양방향

운행기능이 기본적으로 구성 되어 있다. 양방향 운행은 궤도회로의 경계점에서 송수신의 반

전을 필요로 하기기 때문에 방향성을 가진 S-Bond와 송수신 절체모듈 등을 설치하여 궤도

회로 시스템을 구성할 수 있다.

* 한국교통대학교 철도대학 철도전기전자공학과 *† 교신저자: 한국교통대학교 철도전기전자공학과 교수

S-Bond는 pre-shunt(사전단락) 및 post-shunt(사후단락)의 범위를 최소화 하기 위한 방안으로

개발되어 전 세계적으로 널리 구축되어 있는 신뢰도가 높은 무절연 AF 궤도회로 방식의 일

종이다. S-Bond를 설치함으로써 궤도 시설물을 간소화 할 수 있고, 시스템 고장의 빈도수

가 적으며 유지보수 비용의 절감효과가 있다. 본 논문에서는 S-Bond 기본적인 송신 및 수

신부 동작원리와 해당 궤도구간에 열차 진입하였을 때 차축에 의해 이루어 지는 동작 및 전

류 유도현상을 분석하고자 한다.

2. 본 론

2.1 FTGS 궤도회로의 S-Bond

S-Bond는 자동열차제어장치(LZB 700M)에서 사용하는 궤도회로 장치인 FTGS(The Remote-

fed and Coded Jointless Audio-Frequency Track Circuit) 에 설치되어 있다.

Fig. 1 FTGS Block Diagram

FTGS 궤도회로는 물리적으로 구성된 궤도를 전기적으로 일정구간으로 분할을 한다. Fig.1

FTGS Block Diagram에서와 같이 기계적인 요소가 없이 순수하게 전기적인 궤도구간의 분리

는 S-Bond라 불리는 S자형 Bond에 의해 이루어지며, 부가적으로 S-Bond는 운행선로에서 귀

선전류의 보정을 가능하게 한다. 궤도회로로 송신되는 교류를 귀선전류의 고조파로 인한 전

류적 간섭으로부터 보호하기 위해 FSK (frequency shift keying: 주파수 편이변조)가 이루어진

다. 각각의 궤도회로에 송신되는 교류는 궤도회로 주파수라 하며, 인접궤도와 다른 AC전류

를 반송주파수로 송신하며 8개의 주파수에 의해 궤도회로 구분이 가능하다.

FTGS-917에서 사용하는 궤도회로 주파수는 9.5KHz, 10.5KHz, 11.5KHz, 12.5KHz, 13.5KHz,

14.5KHz, 15.5KHz, 16.5KHz 이다. 운행 중인 열차의 차축에 의하여 궤도회로 릴레이가 단락

되면 수신전압은 감소하게 되면 이것을 전자연동장치에서 판단하여 궤도 점유상태로 판단하

게 된다. 점유 시에는 열차로의 열차운행정보(Telegram) 송신은 PSK(phase shift keying: 위상

편이변조) 방식이 된다

2.2 S-Bond의 동작원리 및 경계특성 2.2.1 S-Bond 송신측 특성

궤도회로의 방향성이란 궤도의 송신측 전류가 이웃하고 있는 다른 궤도회로로 흐르지 않고

수신 측으로만 흐르게 하는 것을 말한다. 만약, 송신전류가 이웃하는 궤도로 흐르게 되면,

차상신호장치가 지상장치의 궤도회로 장치로부터 지상장치 열차운행정보를 받는 과정에서

오류를 범할 수 있다. 궤도회로의 구분은 주파수에 의하여 구별하지만, 두 개의 주파수가

동시에 송신되면 차상신호장치는 두 개 중 레벨이 높은 것을 선택하게 되어 있다.

Fig. 2 S-Bond transmitter operating principle

S-Bond의 "md" 구간에서 송신전류 “is” 에 의한 유도전류에 의하여 이웃궤도로의 전류를

차단하여 송신전류의 방향성을 얻는다. 전류 “is”에 의한 유도전류 “-is”는 전류 “ib”와 주파

수가 같고 방향이 서로 반대이므로 상쇄된다. "md" 구간은 케이블을 레일에 최대한 밀착하

여 유도결합을 높이기 위한 구조로 되어 있다. 이러한 구조로는 유도전류 “-is” 의 크기가

전류 “ib”에 미치지 못하므로 “ib”를 완전히 상쇄시키지 못한다. 유도전류는 결합계수에 비

례하고 1차 측 전류에 비례하므로, 유도전류를 높일 수 있는 다른 방법으로 1차 측 전류를

높이는 방법이 있다. 즉, Fig.2 에서 전류 “is”를 크게 해서 유도된 전류 “-is”가 “ib” 를 상

쇄시킬 수 있게 한다. 이렇게 1차 측 “is” 전류를 크게 함으로서 2차 측의 궤도에 흐르는

전류 “ib”를 상쇄시킨다.

2.2.2 S-Bond 수신측 특성

Fig.3 에서 102T의 수신 주파수에 대하여 수신 Tuning Unit을 조정하여 공진이 되게 하면

a, m 간에 최대전압을 수신할 수 있다. 이때의 수신 전류 “it” 는 병렬공진 시의 전류이므로

최소가 된다. 본드를 통하여 흐르는 “ir” 는 저항이 작으므로 거의 모든 수신전류가 이곳으

로 흐른다. 전류 “ix” 는 100T 궤도를 돌아오는 전류로 궤도 임피던스에 의하여 미세하게

흐른다.

Fig. 3 S-Bond receiver operating principle

“md" 구간에서 전류 “is” 와 “ia” 는 방향이 서로 반대이므로 유도되어 결합한다. ”cm" 구

간 에서 살펴보면, 전류 “ir”는 “ix”보다 전류의 세기가 크고 방향이 같으므로 “ir”에 의한

유도전류 “-ir”는 “ix”의 크기만큼 상쇄되고 100T쪽 방향으로 미세하게 흐른다.

2.2.3 차축이 S-Bond 경계구간에 접근 시 특성

Fig. 4 Axle approach to S-Bond Track Border

Fig.4과 같이 열차가 100T에서 S-Bond 수신 부로 이동함에 따라 차축에 의한 궤도단락으로

궤도 임피던스가 작아지므로 전류 “ix”가 점점 커지며 전류 “ir”는 반대로 점점 작아지게 된

다. 이에 따라 “ir”의 유도전류 “-ir”가 “ix”를 상쇄시키고 흐르던 것이, 반대로 레일전류

“ix”에 의해 유도된 전류 “-ix”가 본드 전류 “ir”을 상쇄시키고 “ix” 전류와 합해진다. 전

류 ”iv“가 변화하지 않으면 102T수신 Tuning Unit 으로 유입되는 전류 ”it“가 변화하지 않으

므로 102T수신전압이 변하지 않는다.

2.2.4 차축이 S-Bond 경계 구간에 있을 떄 특성

Fig. 5 Axle on the S-Bond Track Border

Fig. 5에서는 열차의 차축이 "cm"구간에 진입하여 102T 궤도 경계 중심으로 접근함에 따라,

"cm"구간의 레일 전류와 본드 전류가 상호 유도하는 거리가 짧아진다. 따라서, “ix”에 의해

유도되는 전류 “-ix”가 점점 작아지고 전류 “ix”에 대한 보상전류도 줄어들므로 전류 “iv”가

증가하고 “it”가 감소하여 102T 수신전압이 감소하면, 102T는 단락상태로 전환된다.

2.3 S-Bond 동작특성 측정

S-Bond 송수신부 및 Tuning Unit으로 전달되는지는 전류 및 주파수를 조사하기 위하여, 측

정을 시행하였다. 측정방법은 Fig. 6에 보이는 것처럼 Oscilloscope와 AC Current probe를 이용

Fig. 6 S-Bond operating characteristics measured

하여 S-Bond의 주요부분에 궤도 단락 및 S-Bond 일부분을 레일에서 일부 분리하여 이격

시키는 조건으로 실측을 하였다.

Table 1 에서는 각각의 조건별 T3 수신모듈에 실측한 측정한 값을 보여주고 있다.

Table 1. Waveform and current value of S-Bond

1. 정상상태에서 T3 수신파형 2. H 부근 단락으로 T3점유 시 T3 수신파형

11.5Khz ,5A/V, 200mV 측정치: 148mV - 740mA

11.5 kHz, 5A/V, 200mV 측정치: 40mV- 200mA

3. E와 F 본드를 레일에서 이탈 시 T3 수신파형 4. H 단락으로 T3 점유와 E와 F 본드를 레일에서

이탈 시 T3 수신파형

11.5kHz, 5A/V, 200mV 측정치: 225mV - 1125mA

11.5kHz, 5A/V, 200mV 측정치: 80mV - 400mA

3. 결 론

S-Bond 송수신부 및 Tuning Unit으로 전달되는지는 전류 및 주파수 특성에 관해서 분석하

고자 총 38가지의 경우의 수에 대해서 파형측정을 실시하였으나 본 연구에서는 T3 궤도에

수신 Tuning Unit 에서의 수신 파형값 위주로 파악하였다.

S-Bond는 정상상태에서 T3 궤도의 수신파형이 148mV - 740mA 이며, T3 점유 시에는

40mV- 200 mA, E와 F 부분에서 본드를 레일에서 이탈 한 경우에는 225mV - 1125mA 이며,

T3 점유와 E와 F 부분에서 본드를 레일에서 이탈 시키는 조건에서는 80mV - 400mA 로 각각 실측

되었다.

이 결과로 확인 된 사항은 첫번 째 조건에서 열차의 차축이 S-Bond 에 위치하게 되면 열차

차축으로 흐르는 전류가 점차 증대하여 수신 모듈로 유입되는 전류값이 감소하여 궤도가 단

락상태로 유지되는 것을 확인하였으며, 두번 째 조건는 S-Bond 를 레일에서 이탈한 경우에

는 전류값이 증대하였다. 이것은 S-Bond가 레일에 밀착되어 있는 경우에는 유도전류가 발생

되어 이웃 궤도로 흘러가는 유기되는 전압을 상쇄하나 이 결합이 사라지면 상쇄하지 못하고

이웃궤도 유기전류가 유입되어 전류값이 상승하는 결과가 나왔다. 마지막으로 단락과 S-

Bond 를 레일에서 이탈한 조건을 동시에 한 경우에서는 궤도 단락조건에 의해 기본적으로

수신되어 지는 전류 및 전압값이 감소하고 유도결합에 의한 유도전류 발생이 이루어지지 않

아 상쇄전류가 생성되지 않아 전류값이 상승하는 결과가 나왔다.

종합적으로 정리하면 S-Bond의 동작특성은 레일 및 S-Bond 에 전류가 흐를 때의 상호 유

도작용의 유도 및 상쇄작용을 이용하여 송신 부에서는 이웃궤도로의 전류흐름을 차단하여

궤도회로의 방향성을 확보하고, 수신에서는 차축에 흐르는 전류를 궤환하여 수신 Tuning

Unit로 흐르는 전류감소를 억제하여 궤도 경계구간의 pre-shunt 및 post-shunt 범위를 최소화

하기 위해 설계된 구조이다.

향후에는 이번 분석에서 다루지 못한 인덕턴스, 임피던스, 주파수, 레일저항 값 등의 추

가적인 자료를 확보하고 상호 연관관계를 고려한 조사의 확장 및 정밀한 분석이 필요하다.

참고문헌

[1] G. DAddio, P. Ferrari, A. Mariscotti, P. Pozzobon, INTEGRATED MODELLING OF

AUDIOFREQUENCY TRACK CIRCUITS

[2] Siemens FTG S Track Circuit Maintenance Manual [3] Siemens FTG S Track Circuit Tunning Adjusting instructions Manual [4] Siemens LZB700M Maintenance Manual