이도선 안청모 김관수 조규호 품의단종으로인한전동차유지보수의한계점을극복하고전동차정비품질향상을통한안전운행을확보하고자부단한노력을해오고있다. 그중본연구에서는서울 2호선일본형 Chopper 전동차성능개선사례를통하여안전운행에미치는영향과향후유지보수의지향점을제시하고자한다. 2. 제어

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민상 창
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1 Journal of Korean Society for Urban Railway Vol. 2, No. 4, pp , December, 2014 도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 1) * 이도선 1) 안청모 1) 김관수 1) 조규호 1) 1) 서울메트로 A Study on the Maintenance program in urban rail subway train * D. S. Lee 1), Ch. M. Ahn 1), G. S. Kim 1) and G. H. Jo 1) 1) Seoul Metro ABSTRACT As the failure in electric trains with long-term use has been increased while pivotal public transportation's growing, astronomical finances might be needed for new electric train's procurement and facilities maintenance cost. With the opening on August 15, 1974, Seoul Metro has opened the urban railway era and operated first generation resistance, second generation chopper, third generation VVVF trains. Sinjeong car depot has operated all generation trains and external condition has been worsened since 20 years deteriorated trains, temperature rise and equipment effect in tunnel due to the installation of Platform Screen Door(PSD), failure in principal components and electronic units with long-term use. Nevertheless, Seoul Metro keeps overcoming the maintenance limitations for trains and gearing up to achieve quality improvement for securing the safe operation. This study aims to lay out the way forward for maintenance hereafter taking into consideration and suggest the effect of safe operation by the performance improvement through overhaul for Japanese type chopper trains in Seoul line 2. KEYWORDS: failure in electric trains, facilities maintenance, safe operation 1. 서 론 도시철도는서울메트로 1호선을시작으로그동안 40년역 사를지내오면서괄목할만한양적, 질적성장을이루었으며, 현재서울, 부산, 대구, 인천, 대전, 광주등주요도시와인접 도시를아우르는대중교통의중심축역할을담당하고있다. 대중교통의중추로자리매김하는동안시간이흘러승객 들이직접이용하면서피부로느낄정도로전동차의고장이 투고일 년 월 일 심사일 년 월 일 게재확정일 년 월 일 * Corresponding author ds5645@seoulmetro.co.kr 증가하고있으며, 신조차구입과시설개 보수비용이초기투자비용에버금가는천문학적재원이필요하게되었다. 이에도시철도운영기관의시초라할수있는서울메트로에서는쵸파차유지보수사례를바탕으로향후전동차유지보수의방향에대한지향점을찾고자하였다. 서울메트로는 1974 년 8월 15일개통이래서울에도시철도시대를열었으며, 1세대저항, 2세대쵸파 (Chopper), 3 세대 VVVF 전동차를운용하고있다. 서울메트로신정차량사업소는 1992 년개소하여 2호선운영을담당하고있으며, 현재상기 1,2,3 세대전동차를모두운용하고있으나, 20년이상운용한노후차량의보유비율이높은가운데서승강장안전도어 (PSD) 설치로인한터널내온도상승과그에따른영향등외부조건악화와주요소자및전장품의장기사용으로인한노후고장증가, 그리고주요부 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월 263

2 이도선 안청모 김관수 조규호 품의단종으로인한전동차유지보수의한계점을극복하고전동차정비품질향상을통한안전운행을확보하고자부단한노력을해오고있다. 그중본연구에서는서울 2호선일본형 Chopper 전동차성능개선사례를통하여안전운행에미치는영향과향후유지보수의지향점을제시하고자한다. 2. 제어방식에따른전동차구분전동차는역행및제동시사용되는스위칭 (Switching) 소자와방식에따라구분하는데저항제어, 쵸파제어, VVVF 제어로나뉜다. 2.1 저항제어저항제어는가선으로부터공급받은전원에저항기를직렬 / 병렬로연결하여저항을순차적으로단락시켜모터에공급되는전류를단속하여추진속도를제어하며, 제동시에는발전제동으로생성된전력을저항기를통해소모하면서전기제동을유지한다. 따라서동일조건에서운행시전력활용효율이떨어진다. 2.2 쵸파제어쵸파제어는대용량전력반도체를전동차에채택, 가선으로부터공급받은전원을전력반도체 (THYRISTOR) 를사용하여 1초당 235 회 ON/OFF 하여전류를단속하고통류율을조절하여모터전류등추진속도를제어하며, 제동시발전제동으로생성된전력을승압 Chopping 하여가선에회생함으로써저항제어에비하여월등한효율을자랑하게되었다. 2.3 VVVF 제어 VVVF 제어는전압과주파수를연속적으로가변하여출력을제어하며, 대용량전압제어형소자 (IGBT) 의사용이가능하게되면서월등히향상된스위칭속도로인해이전의스위칭속도가낮아사용하지못했던 3상유도전동기의사용이가능하게되었다. 3. 쵸파제어전동차일반현황 3.1 전동차보유현황 ( 단위 : 량 ) Table 1 Current Status of possession for EMU(unit : car) 구분 Sum Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 The Total 1, Rheostatic control Chopper control Melco GEC Hyundai VVVF control Daewoo Rotem Melco( 일본형 ) Chopper 전동차주요제원 Table 2 Main features of Item Car Type Material of car body Line 2 (Chopper control) DC electric EMU MILD STEEL Melco Chopper EMU Item Velocity control Pantograph Line 2 (Chopper control) Chopper control, Field control 6Set (1 train set/ 10 cars) Gauge 1,435mm Electricity DC 1,500V The full Complement TC : 148(48) of a car (seat) Maximum velocity Length of a car Weight Deceleration Type Rated voltage Rated current The full M1, 2, T1, T2 Complement : 60(54) of a car(seat) 100km/h acceleration 3.0Km/h mm Length of a car (included couplers) 20,000mm Mc : 41.5Ton, M1 : 41.5 Ton, M2 : 41.5Ton, T : 32.0 Ton Service : 3.5km/h, Emergency : 4.5km/h Traction Motor DC series Motor DC 375V, 440A Rated output RPM 150KW (1hour rating) 1,980RPM 264 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월

도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 4. 쵸파전동차고장원인분석및검토 4.

EMU failure (2010~2013) (unit: accident, standard : Driving condition

faulty Examples for Control board of power semiconductor Main Circuit

voltage auxiliary circuit 26 30 70 Side door 119 92 51 Example for

2 Example for control component s faulty 4.

1> 의각종추진제어장치 ( 주회로제어기기 ) 및제어용 Power supply( 전원공급장치 ), 검지기등이 < Fig.

3 도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 4. 쵸파전동차고장원인분석및검토 4.1 전동차고장발생현황 (2010~2013) ( 단위 : 건 / 운전상황표기준 ) Table 3 Current status of EMU failure (2010~2013) (unit: accident, standard : Driving condition table) Item Sum Examples for Control Board s faulty Examples for Control board of power semiconductor Main Circuit OC/Fault OV/Fault Power faulty High voltage auxiliary circuit Side door Example for instability of control power Fig. 2 Example for control component s faulty 4.2 추진제어장치고장원인분석전동차의장기사용으로인하여 < Fig. 1> 의각종추진제어장치 ( 주회로제어기기 ) 및제어용 Power supply( 전원공급장치 ), 검지기등이 < Fig. 2> 와같이 Control Board 내 capacitor 누액, Switching Control Board 납땜부위불량, 제어전원의불안정공급등으로인한오동작과고장이많이발생되었다. Control board power supply of control board 4.3 전동차장기사용에따른주요부품의단종및수급불가로정비품질저하전동차는제작후 25년이상을장기사용하는과정에서부품의단종및수급곤란을겪는사례가많이발생하는데이로인해적기에부품교체를하지못하거나대체품사용과정에서많은어려움을발생되고있다. 이는전동차안전과직결되는심각한문제이며, 전동차운용효율에도크나큰걸림돌이되고있다. 서울2 호선일본형 Chopper 전동차도평균 22년이상사용하면서많은부품이대체품으로사용되었으나, 주회로및고압보조회로에사용하던전력용반도체 (Thyristor, Power Transistor) 의일본내생산, 공급중단과 Actuator 수급불가는전동차유지보수에막대한지장을초래하였다. Control cut out box Line breaker box Thyristor Power Transistor Actuator Fig. 3 power conversion semiconductor and Actuator Control board of power semiconductor Actuator (Load adjustment device) Fig. 1 Electronically control equipments used long-time 4.4 전동차중고장으로인한대형피해사례지속발생 전동차차단기류의성능유지미흡시비정상적인차단과 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월 265

이도선 안청모 김관수 조규호 정에서절연파괴가발생되어 DC1500V 의고전압 / 대전류가 DC100V 제어전원에인가되어고장차호는물론동일편성 의여타기기에도막대한피해를발생시키는사례가발생하 였다. Fig.

1-2Notch 0.5 Chopper control 3Notch 0.97 Chopper control 4Notch 0.

5 Part damage of LB box and Control for EMU of Busan Metro Line 1 원인 1 LB 전자변, 실린더불량으로주행중 LB 자연낙하원인 2 OV/Fault, OPR2 검지시 LB 차단 원인1, 2항발생시주회로감류차단없이 LB에서부하차단 Arc 발생 대전류유입 LB BOX 내 Arc 접점소손및절연파괴초래

LB1,2 차단속도가빠르거나 HB1 과동속도차단의경우 감류없이 LB1,2 에서부하차단 ( 대전류회로차단 ) 과전류발생시 2000A 이하는 LB에서차단과전류유입시 HB1 설정값이높아부하차단능력이없는 LB에서부하차단 4.5.

4 이도선 안청모 김관수 조규호 정에서절연파괴가발생되어 DC1500V 의고전압 / 대전류가 DC100V 제어전원에인가되어고장차호는물론동일편성 의여타기기에도막대한피해를발생시키는사례가발생하 였다. Fig. 4 Part damage of LB box and Control for EMU of Seoul Metro Line 2 Table 4 Current decrease/block of conduction ratio for 1~4 Notch 4Notch Item Condition ratio Current decrease/block 1Notch 0.1-2Notch 0.5 Chopper control 3Notch 0.97 Chopper control 4Notch 0.97 Chopper control Short circuit of Weak field (Input of WFK1,2) Short circuit of Characterist chooper ic of Motor (Input of LB6) 0.97 Chopper control HB1Re control note Fig. 5 Part damage of LB box and Control for EMU of Busan Metro Line 1 원인 1 LB 전자변, 실린더불량으로주행중 LB 자연낙하원인 2 OV/Fault, OPR2 검지시 LB 차단 원인1, 2항발생시주회로감류차단없이 LB에서부하차단 Arc 발생 대전류유입 LB BOX 내 Arc 접점소손및절연파괴초래 4.5 고장발생원인 과전류유입시고속차단시 (OC/Fault, HB1 차단 ) 과전류검지 (OCD) OPR1 여자 OCAR1 소자 HB1/LB1,2 전자변소자 주회로차단 ( 기존회로 ) HB1 과 LB1,2 차단속도에따라주회로차단 HB1 차단속도가빠를경우 HB1 차단 HB1Re 를통한감류 LB1,2 차단 ( 소전류회로차단 ) - LB1,2 차단속도가빠르거나 HB1 과동속도차단의경우 감류없이 LB1,2 에서부하차단 ( 대전류회로차단 ) 과전류발생시 2000A 이하는 LB에서차단과전류유입시 HB1 설정값이높아부하차단능력이없는 LB에서부하차단 주행중주회로차단 정상역행시 UNIT 당주회로전류약 1300~1400A 주행중주회로정상차단시퀀스 외함접지방식과비접지방식의위험요소비교 외함접지방식 : 절연내력의소폭감소에서도외함을통한접지사고발생우려 외함비접지방식 : 접지사고의빈도는감소하나저압회로또는절연이약한부위를통한접지사고발생시피해규모광범위 서울 2호선 Chopper 전동차는최초설계에서부터접지방식이었으나부산 1호선 Chopper 전동차는 LB Box 개량시접지방식에서비접지방식으로개량 4.6 보조전원장치 (SIV) 고장원인분석 2012 년성능복원작업이전연간보조전원장치 1대당고장건수는사용기간 5년미만의신형 SIV는연간 0.08 건인데비해사용기간 15년초과보조전원장치의경우연간 1.28건으로 16배에이르는상황이었으며, 하절기 (7~9 월 ) 사이에전체고장의 39.6% 가집중되고있었고원인분석결과 <Fig. 5> 와같이장기사용보조전원장치 (SIV) 의주전력소자 266 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월

도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 (Power Transistor) 와제어기 (Drive Unit)

및소자가오염되어나타나는전력반도체냉각성능저하도한몫하고있었다. 하는상황에서자체보수의한계상황에봉착하였다.

6 SIV Inverter Unit Outbreak of fault on lower rail Fig. 8 Faulty of side door 5.

1 추진제어장치 Overhaul Example for decline of cooling performance Examples for faulty of

7 Example for decline of cooling performance on power semiconductor 4.

부의들뜸에따른출입문간섭과도어의작동을담당하는도 어엔진의수평도불량을초래하여출입문고장이자주발생 추진제어장치의구성은전류를단속하여전동기속도를제어하는전력반도체,

주회로를구성해주고주회로의문제발생시단락시켜전동차를보호하는단류기함, 추진 제동력을제어하는하중조정장치등으로구성되어있다.

5 도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 (Power Transistor) 와제어기 (Drive Unit) 의성능저하및제작사별상이한부품의혼용과납땜부위등의접촉불량이고장의주원인이었으며, PSD 설치로가중된터널내먼지가방진고무경화등밀착불량으로 HEAT SINK 및소자가오염되어나타나는전력반도체냉각성능저하도한몫하고있었다. 하는상황에서자체보수의한계상황에봉착하였다. Upper rail of side door (1) Upper rail of side door (2) Fig. 6 SIV Inverter Unit Outbreak of fault on lower rail Fig. 8 Faulty of side door 5. 전동차유지보수대책 5.1 추진제어장치 Overhaul Example for decline of cooling performance Examples for faulty of power semiconductor Examples for faulty of Induced vibration rubber Fig. 7 Example for decline of cooling performance on power semiconductor 4.7 출입문고장원인분석 Chopper 차량의차체는 Mild steel 재질로, 장기사용에 의한출입문상부레일처짐및하부레일고정부위부식, 부식 부의들뜸에따른출입문간섭과도어의작동을담당하는도 어엔진의수평도불량을초래하여출입문고장이자주발생 추진제어장치의구성은전류를단속하여전동기속도를제어하는전력반도체, 제어시퀀스를수행하는제어카드, 제어카드에안정된전원을공급하기위한전원공급장치, 전력반도체를제어하는 GA Board, 주회로를구성해주고주회로의문제발생시단락시켜전동차를보호하는단류기함, 추진 제동력을제어하는하중조정장치등으로구성되어있다. 제어장치전원공급은가선 (1,500V) 보조전원장치 (SIV, MG) Power Supply(DC80V, 24V ±15V, +5V) 제어카드전원, 전력반도체 ON/OFF 용전원순으로공급되고있으며외부전원 ( 가선, 보조전원장치 ) 불안정에의하여카드제어전원불안정이발생하고, 이는추진제어장치보호차단으로이어져써지전압에약한전력반도체소자의소손으로이어진다. 또한지하환경오염 ( 스크린도어 ) 및장기사용에의한추진제어장치와보호회로의성능저하로오동작을일으켰으며, 빈번한오동작에의한보호차단은전력반도체의소손과기기손상으로이어진다. 이에추진제어장치와보조전원장치를 Overhaul 을시행하여성능복원을꾀하였다. 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월 267

이도선 안청모 김관수 조규호 오버홀 (Overhaul) 이란각종기기를해체분해하여정비함으로써그기능을완전한상태로회복시키기위한정비작업으로정비하고자하는기기를완전분해하여모든부품을검사후, 세정, 건조, 절연코팅하여원래의부품성능을확보하고불량부품발생시새부품을교환하여조립하고, 정상적인작동에필요한모든조정을하는것을의미 Overhaul 의범위는 Chopper Card Set,

그결과과전류 / 과전압고장은 2013 년시행한 Overhaul 이후 2014 년 8월말기준고장건수는 8건으로급감하였으며, Overhaul 이전연평균 332 건에비해 97.6% 가감소되었다. 이는도입 10년미만된 IGBT 형신형보조전원장치평균고장건수 7건에비해 28% 에해당될만큼안정화되었다. 5.3 단종및수급불가전장품의대체System 개발 5.3.1 추진제어장치대체품개발추진제어장치의핵심부품인전력반도체 (Thyristor) 는 < Fig.

6 이도선 안청모 김관수 조규호 오버홀 (Overhaul) 이란각종기기를해체분해하여정비함으로써그기능을완전한상태로회복시키기위한정비작업으로정비하고자하는기기를완전분해하여모든부품을검사후, 세정, 건조, 절연코팅하여원래의부품성능을확보하고불량부품발생시새부품을교환하여조립하고, 정상적인작동에필요한모든조정을하는것을의미 Overhaul 의범위는 Chopper Card Set, Power Source Unit, GA Card Set, Actuator, 각종검지기 (DCCT, DCPT) 등추진제어장치를총망라해작업을진행하였다. Overhaul 후철저한검사와시험을통해작업후복원된성능을확인하였고전동차장착후종합검사를진행하였다. 또한, 기기설치위치가상시점검에불편하였던 DCTR 등의설치위치를점검이용이한위치로이설하는등향후유지보수에편리성을더하였다. 그결과과전류 / 과전압고장은 2013 년시행한 Overhaul 이후 2014 년 8월말기준고장건수는 8건으로급감하였으며, Overhaul 이전연평균 332 건에비해 97.6% 가감소되었다. 이는도입 10년미만된 IGBT 형신형보조전원장치평균고장건수 7건에비해 28% 에해당될만큼안정화되었다. 5.3 단종및수급불가전장품의대체System 개발 추진제어장치대체품개발추진제어장치의핵심부품인전력반도체 (Thyristor) 는 < Fig. 9 > 에서와같이 Main Thyristor 2개, Auxiliary Thyristor 2개, Freewheel Diode 2개총 6개의소자가기구에의해압접되어냉매에밀봉되어있다. 따라서소자불량시밀봉된 Tank 를해체하여작업함으로써수선비용과수선기간이과다소요되어어려움을겪던중소자의생산과공급이중단되어현재범용되고있는 IGBT 소자를적용한 chopper Switching Box를개발하게되었다. 개발목표는개조범위최소화하여개발기간과비용을절감하고자체점검및수선이용이하도록하고자하였다. Thyristor : 직류 (DC) 1,500V 인전차선전압을전동차집전장치로부터수전받아 Chopping 작용에의해전동기전압을가변전동차의속도를제어하는전동차의쵸파 (Chopper) 전동차의핵심부품 5.2 보조전원장치 Overhaul 보조전원장치는전동차기동이후냉 난방기, 추진제어장치제어전원, 객실조명등에전원을공급하는장치로서가동시간이많아장기사용에대한불량발생빈도가추진제어장치에비해높은상황이었다. 보조전원장치 Gate Drive Unit, Base Drive Unit는납품시기및제작사별로고유의특성이있어 Overhaul 후혼용하지않는것을원칙으로재조립하였으며, 전력반도체역시동일사양에서도제조시기에따라미세한특성차가있어장시간사용시기동정지의주요원인임이확인되어수선품전량에대하여 Turn on Time 을측정하여동일한특성의부품으로만조성하여재조립하였다. 그외출력검지기, GDU/BDU 전원공급기도 Overhaul 을시행하였다. 그결과매년평균 42건발생하던보조전원장치불량은 Overhaul 을시행했던 2012 년이후 2013 년은고장이 1건발생되어 98% 가감소되었으며, 2014 년 8월말현재 2건이발생되어 95.3% 가감소되었다. Fig. 9 Block diagram of chooper & power semiconductor (Thyristor) Module IGBT 를이용한추진장치용 chopper Switching Box 의 연구개발에앞서우선차량적용전유효성검증이필요하였 으며현차에적용전모형 (Miniature) 을제작시험하였다. Miniature 시험조건으로는제어신호를기존차량과동일 268 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월

도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 한신호를적용하고부하는 ACM( 보조공기압축기 ) 용 80W 급전동기를사용하고주회로는시험부하에맞도록용량을설정하여설계하되구성은실제품과동등한수준으로장치를구성하였으며, 시험장치구성으로는 DC 전원장치, IGBT Chopper 회로 (Gate Drive B/D 포함 ), 제어신호생성, 신호변환회로, DC 전동기등으로구성하였고,

7 도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 한신호를적용하고부하는 ACM( 보조공기압축기 ) 용 80W 급전동기를사용하고주회로는시험부하에맞도록용량을설정하여설계하되구성은실제품과동등한수준으로장치를구성하였으며, 시험장치구성으로는 DC 전원장치, IGBT Chopper 회로 (Gate Drive B/D 포함 ), 제어신호생성, 신호변환회로, DC 전동기등으로구성하였고, 2013년 8월 17일 ( 금 ) 제어입출력신호측정을측정하였다. 각 Notch(1~3) 별로안정적인유효입, 출력파형확인, 출력전압 / 전류파형측정, 출력전압 / 전류의제어상태확인, 출력요구에따른모터 (ACM) 회전속도확인을통한타당성및기술적검토결과적용가능으로판정되었다. 에서 <Fig. 10> 과같은 IGBT 로적용하고부가장치인 Interface Board( 기존 Chopping 신호를 IGBT 입력신호로변환 ) 와 IGBT Gate Drive Unit 을추가하였으며, Gate Drive Fault(GDF) 를기존보호회로에 Major Fault 로변경하여기기를보호하도록구성하였다. 또한 < Fig. 11> 에서와같이기존소자와동등이상의 3,300V/1,000A 급 IGBT를사용하였으며, 용량에맞추어 Heat Sink 를신규제작하고온도포화시험등 9종의제반시험을진행하였으며, 공장시험에서 4시간의온도포화시외기온도 +30 에서포화됨을확인하여냉각성능에이상없음을확인하였다 년 9월 2일 2호선 214편성 (2814 호 ) 에 2대 /1Unit 를설치하여시운전을거쳐상용화를마쳤으며, 향후소요되는향후전력반도체 Module 은 IGBT Chopper 로대체할예정이다. Controller (Driver Cab) Interface board GDU Fig. 10 Modelling using IGBT Table 5 Specification about acceptable alternate product of IGBT Item Rating Note Motor load Input voltage range Output voltage range Output current Power semiconductor Switching frequency Cooling system compatibility 165KW DC series motor(4series) 1,100 ~ 1,800V 0 ~ 1500V 490A 3,300V/1,000A, IGBT 235Hz Heat pipe, Nature cooling Mechanical & electrical compatibility with existing product 제동시계자교차 Fig. 11 design & Miniature 대체품인 IGBT Chopper 는기존 System 에 Switching Box 를개량하여추진제어장치내전력반도체를 Thyristor 보조전원장치대체품개발보조전원장치또한 Power Transistor(P/TR) 소자단종으로인해 CHOPPER 에의해강압된직류750V 입력전압을 AC 3상200V 로변환하여주는 Inverter 를 IGBT 를사용하여개발하였으며, 제어전원안정과최근도입된 SIV 와의호환성제고를위하여 Base Drive Unit(BDU) 전원을 DC24V 에서 DC100V 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월 269

이도선 안청모 김관수 조규호 로변경하였고기기보호를위하여 Gate Drive Fault(GDF) 를기존보호회로에 Major Fault 로추가구성하였다. 5.4.

이러한사고전류가저압제어선에유기되는피해예방을위하여 LB1,2 사고차단능력이없는 LB 차단조건을삭제하여 LB1,2 및 HB1 동시차단예방 (HB 감류사고차단 ) 으로 LB 손상및 ARC 확산을방지토록하고있다.

12 PTR type SIV Inverter & IGBT Type SIV Inverter Motion Of HB1 By OCAR1 After block of HB1, block of LB 5.4

000A 로마차조건최대 전류약 1,200A)) 보다과다하게높게설정되어과전류유입 시 HB1 의신속한차단을위하여운행중실제주회로전류 값을측정한결과대공전발생시최대 1,620A 였다.

MF(Main Fuse) & HB1 spring for adjustment of set point on HB1 Fig. 13 control circuit & HB1 Fig.

에의한접점손상과이에따른고장발생빈도증가및 유지보수비용과다소요를방지하기위하여접점에발생되는 ARC 소호용 Surge Killer 를제작설치하였다.

8 이도선 안청모 김관수 조규호 로변경하였고기기보호를위하여 Gate Drive Fault(GDF) 를기존보호회로에 Major Fault 로추가구성하였다 OCAR1 회로변경 OPR1 조건 (OCD, PUD) 발생시 OCAR1 연동에의하여 LB1,2 와 HB1 동시차단조건중 LB1,2 차단속도가 HB1 차단속도보다빠를경우고속도차단과감류능력이없는 LB1,2 가차단하게되고, 이러한사고전류가저압제어선에유기되는피해예방을위하여 LB1,2 사고차단능력이없는 LB 차단조건을삭제하여 LB1,2 및 HB1 동시차단예방 (HB 감류사고차단 ) 으로 LB 손상및 ARC 확산을방지토록하고있다. SIV Inverter used Power Transistor SIV Inverter used IGBT Fig. 12 PTR type SIV Inverter & IGBT Type SIV Inverter Motion Of HB1 By OCAR1 After block of HB1, block of LB 5.4 주회로피해예방대책 HB1 동작설정치변경 현재 HB1 의사고차단설정치는 2.000A 로마차조건최대 전류약 1,200A)) 보다과다하게높게설정되어과전류유입 시 HB1 의신속한차단을위하여운행중실제주회로전류 값을측정한결과대공전발생시최대 1,620A 였다. 거기에여유율을적용, 1,800A 로설정치를조정하여 HB 가인지하지못하는 1,800A ~2,000A 이하의전류를 HB1 이차단토록함으로써 HB 성능을극대화시켜피해확 산을경감시켰다. MF(Main Fuse) & HB1 spring for adjustment of set point on HB1 Fig. 13 control circuit & HB1 Fig. 14 Motion Of HB1 By OCAR1 & After block of HB1, block of LB 제동제어기및출입문계전기동작시 ARC 소호강화 제동제어기및출입문계전기동작시접점에발생되는 ARC 에의한접점손상과이에따른고장발생빈도증가및 유지보수비용과다소요를방지하기위하여접점에발생되는 ARC 소호용 Surge Killer 를제작설치하였다. Surge Killer 는기존의바리스타가흡수하지못하는유도성부하 ( 전자변코일 ) 의 OFF 시발생되는역기전력과통전전류의 개로에의해유기되는 Surge 를흡수하여소호토록하였으 며, 최적의용량선정을위하여측정값에대한수식계산을거 쳐 7 종을시험제작후실제차량과동일한조건을조성하여 2012 년 11 월 8 일부터 11 월 28 일까지각각 10,000 회의시 험을거친후선정된 Module 로 2012 년 11 월 28 일부터 2013 년 2 월 1 일까지 100,000 회검증시험을시행하여 ARC 발생이전혀없음을확인하였고, 서울 2 호선 233 편성 에시범설치하여 Monitoring 결과양호함을확인하여 2013 년 8 월 1 일부터 11 월 14 일까지출입문용 636 개, 제 동제어기용 68 개를자체제작 설치하였고예비품 ( 출입문용 270 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월

도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 64 개, 제동제어기용 32 개 ) 을보유하고있다.

110 20 7 O/V Fault 230 132 95 14 4 Faulty of Power High voltage Auxiliary circuit 84 65 44 25 3 26 30 70 1 2 Side door 119 92 51 6 0 Completion of overhaul until 2013.

15 After installation of arc extinguishing module ARC (Nonexistence of ARC) Arc reduction circuit & arc extinguishing 5.5 외부환경악화및장기사용기기의정기적유지보수 5.5.1 주회로리액터분해청소승강장안전문 (PSD) 설치등으로터널내먼지의축적및열분산저하로 2호선지하구간열차의운행환경이악화되고해마다동절기에눈 ( 雪 ) 유입으로인한절연파괴로주회로리액터가소손되는사고가발생되어이를예방코자정기검사시시행하는것과별도로리액터냉각용 Fan 과 Motor 를취거하고공기청소를시행하고있으며, 고장감소의효과가확인되었다.

9 도시철도전동차유지보수방향설정에관한연구 64 개, 제동제어기용 32 개 ) 을보유하고있다. Drawing of arc extinguishing module arc extinguishing module Table 6 Main circuit Application effect of Arc reduction circuit Item 비고 Sum O/C Fault O/V Fault Faulty of Power High voltage Auxiliary circuit Side door Completion of overhaul until Completion of overhaul until major repair of side door in operation After Before installation of arc extinguishing module ARC (Outbreak of ARC)) Fig. 15 After installation of arc extinguishing module ARC (Nonexistence of ARC) Arc reduction circuit & arc extinguishing 5.5 외부환경악화및장기사용기기의정기적유지보수 주회로리액터분해청소승강장안전문 (PSD) 설치등으로터널내먼지의축적및열분산저하로 2호선지하구간열차의운행환경이악화되고해마다동절기에눈 ( 雪 ) 유입으로인한절연파괴로주회로리액터가소손되는사고가발생되어이를예방코자정기검사시시행하는것과별도로리액터냉각용 Fan 과 Motor 를취거하고공기청소를시행하고있으며, 고장감소의효과가확인되었다 LB/HB 투입 차단속도측정및관리장기사용으로성능저하된주회로차단기 (Line Breaker, High Speed Circuit Breaker) 의투입 차단속도를매년정기검사와별도로측정, 관리함으로써주회로고장및피해확산을예방하고있다. Fig. 16 Applicability of arc extinguishing module 6.1 각종작업결과분석전동차사용년수가 20년이상이되면서전동차고장이급격히증가되는가운데고장감소를위하여부단한노력을경주하였으나고장감소효과는미미하였으며, 장치전반에걸쳐광범위한 Overhaul 시행이후급격한감소를보였다. 이는장기사용전동차의경우국소적인조치와예방점검의한계를드러낸것으로, 특히수명을다한 Condenser, Transistor, Diode, 저항등단위소자의전면적교체와절연내력이약화된부분에대한절연확보만이고장을근본적으로방지할수있다. 또한, 2012 년보조전원장치 Overhaul 이후추진제어장치의고장이경감된사례에비춰봤을때공급전원의안정성이여타기기에미치는영향이대단히큰것을확인하였다. 6. 대책수립 ( 개선 ) 이후전동차고장발생현황 비교 (2010~ 월현재 ) ( 단위 : 건 / 운 전상황표기준 ) 7. 결론 본논문에서예시한서울 2 호선일본형 Chopper 전동차 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월 271

10 이도선 안청모 김관수 조규호 의사례로전동차는사용년수가 25년이상길어지고있는추세이며, 사용기간이 20년이되는시점에서노후 ( 마모 ) 고장발생이최고점에도달하고있다. 전동차장기사용에따른고장은국소적인조치로는한계가있으며, 장치전반에걸친전문적인 Maintenance 가필요하다는결과를얻었다. 따라서각운영기관이시행하고있는정기검사외에약 12~15 년경과시에주요장치에대한 Overhaul 을시행할경우효율적인고장예방이가능하며, 전동차초기고장이후안정화단계보다더높은유지보수품질을유지할수있음을알수있었다. 신정차량사업소는쵸파차의고장방지를위하여어려운과정과많은시행착오를거쳐자체적인 Overhaul 을수행하게되었고, 이러한 Overhaul 이가능한것은그동안유지보수를해오는동안쌓인경험적 Knowhow 와고도의기술적 Knowledge 을기반으로하는운행노선에최적화된 System 덕분이라할것이다. 차량사업소자체 Overhaul 의장점으로는대폭적인비용절감과일정조정이자유로워전동차운용에지장을주지않는다는점을꼽을수있고, 자체 Overhaul 을통해습득된경험과기술력은향후다른차종의유지보수에큰자산으로작용하게될것이다. 또한, 전동차부품제조사의여건에따라장기사용전동차의주요부품단종및공급이불가능한시점이도래되는데, 이를극복하기위해서는적정시점에서 Overhaul 을시행하고, 단종부품은전장품발전양상을보면생산원가의한계로단종시기를예측할수있으므로, 개선된신규소자의대체적용을사전에적극적으로검토개발노력을한다면유지보수에큰걸림돌이되고있는부품수급문제도슬기롭게극복되리라생각한다. 이러한제반활동을원만하게수행하기위해서는전동차고장데이터를빠짐없이기록하고분석하여원인을찾고, 더불어원인을규명하고대책을수립할때기술연구원및전문가그룹의협조가반드시필요하다. 마지막으로 Overhaul 을수행할수있는전문팀을각기관또는사업소마다조직하고전문교육및지속적인업무수행을할수있도록적극적인지원이이루어질때도시철도의안전운행은보다확고히할수있다고생각한다. 끝. Park*, Min Kyu Sim* *, Kyu Ho Cho* *(2013) " A study A study on Arc reduction circuit of Relay for EMU's control circuit," Korean Society for Railway [2] 안청모, 송정훈, 조규호, 심민규 (2013), 철도차량계전기용아크저감회로, 대한민국특허청 (KR), 출원 [3] 박원배, 이방욱 (2006), 전력공급및차단장치, 대한민국특허청 (KR), 등록 [4] 배병현 (2007), 직류개폐장치, 대한민국특허청 (KR), 공개 [5] 정용호 (2000), 하이브리드개폐기, 대한민국특허청 (KR), 공개 [6] 김효성 (2011), 아크소호장치를사용한직류차단기, 대한민국특허청 (KR), 등록 [7] 스즈끼, 가쯔아끼 (2006), 회로보호디바이스, 대한민국특허청 (KR), 우선권 JP-P , 국제특허 PCT/JP2008/054394, 등록 [8] B.C. Kim, and K.J. Lim(2009), Comparison of Arc control Ability as a Function of Configuration of Spiral Type VI Contacts by measuring Arcing Time, Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers,Vol.22,No. 2. P. 184, February 2009 [9] G.S. Kil, K,S. Jung, D.W. Park, S.J. Lim, and J.S. Han(2010), Frequency Spectrum Analysis of Series Arc and Corona Discharges, J. KIEEME, Vol.23, No.7, pp , July 2010, DOI: /JKEM [10] I.K. Kim, and G.S. Kil(2008), A Study on the Series Arc Detection in Low-voltage Wiring Systems, Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers,Vol.21, No. 2. P. 182, February 2008 [11] Y.J. Cha, and Y.H. Jeong(2009), Effects of Oxygen Annealing on the Structural Properties and Dielectric Properties of Bi4Ti3O12 Thin Films, Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers,Vol.22, No. 4. P. 290, April 2009 참고문헌 (References) [1] Jeong Hun Song*, Cheong Mo An*, Se Young 272 한국도시철도학회논문집제 2 권 4 호 ( 통권 7 호 ) 2014 년 12 월

Microsoft Word - KSR2015A096

Microsoft Word - KSR2015A096 2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A096 VVVF 전동차추진제어장치전력변환소자변경적용에관한연구 A study on the change of power conversion element for propulsion control system of VVVF Type EMU 이상오 *, 김태도 *, 박시영 *, 전진형 *, 김현철 *, 김택주