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승언 곽
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1 2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A262 제3궤조전차선의신축장치 (Expansion Joint) 작용에관한고찰 Study on effect the E.J(Expansion Joint) of Third rail 박성국 *, 장영환 *, 안천헌, 김충수 ** Sung-Kook Park *, Yeong-Hwan Jang *, Cheon-Heon An *, Chung-Soo Kim ** Abstract The third rail of conductor rail occur the rail expansion and contraction to length direction by surrounding temperature and electric current produced heat. In order to avoid both mechanical and electronic problem between each of the conductor rail, expansion joint normally is used to accommodate the change of the length. Lately, the newly created light rail transit is mainly applied the third rail of conductor rail with method of electric supply, the standards which include management and maintenance according to temperature change of conductor rail is not presented clearly yet. Besides, during the supply of power that conductor rail by business driving, the system which Inspect variable of expansion joint is not constructed. Therefore, it should be examining status of expansion joint even in the worst of circumstances maintaining and working capabilities instruments through analyzing measurements data. In this thesis examined and analyzed the rail expansion and contraction based on the management experience about the third rail of conductor rail. We kindly suggest the method of investigation and analysis that amount of expansion about expansion joint. And also, the standard application method of administration and maintenance of expansion joint in accordance with analytical researches through a series of those process as well. Keywords: Third rail, Conductor rail, Temperature change, Expansion joint, Standard of administration and maintenance 초록제3궤조전차선급전레일은주위온도와전류로인하여발생하는열때문에길이방향으로신축변화하며, 그로인한각각의급전레일들사이에기계적, 전기적문제가발생하지않도록하기위하여길이변화를수용할수있는신축장치 (Expansion Joint) 를사용한다. 최근신설되는경량전철은제3궤조전차선급전방식을주로적용하고있으나, 급전레일온도에따른관리및유지보수기준이명확하게제시되지않고있다. 또한, 영업운전으로인한급전레일급전중에는신축장치의상태변화를확인할수있는시스템이구축되어있지않으므로, 검측을통하여측정된데이터를분석하여최악의환경에서도장비성능을유지하며운용되는지검증할필요가있다. 본논문에서는제3궤조전차선의운용경험을토대로급전레일의온도변화에따른신축변화를조사 분석하였다. 그일련의과정들을통해신축장치의신축량조사 분석방법과분석결과에따른신축장치의유지보수기준적용방법을제시하고자한다. 주요어 : 제 3 궤조, 급전레일, 온도변화, 신축장치, 관리및유지보수기준 교신저자 : 비츠로시스부산김해경전철사업소 * 비츠로시스부산김해경전철사업소전기팀, ** 비츠로시스철도운영본부

2 1. 서론 버스와지하철의중간규모로교통수요를처리하는경량전철은수송수요의신속대응, 운영비저렴, 친환경적시스템, 낮은건설비등의이유로기존지하철의지선, 중소도시의간선, 대도시및위성도시를연결하는교통수단으로운용되고있다. 경량전철은 1967년미국디즈니랜드에서도입된이래영국, 프랑스, 싱가폴, 일본, 독일등전세계 60개이상의국가에서신속하고, 쾌적하고안전한신교통수단으로이용되고있다. 국내에서는현재부산김해경전철, 부산도시철도 4호선, 의정부경전철등이상업운행중이며, 용인경전철이개통을앞두고있다. 경량전철의집전방식은크게카테나리 (Catenary) 가공식, 강체식, 제3궤조 (3 rd Rail) 집전방식으로분류되며, 국내경량전철에서는제3궤조집전방식이적용되고있다. 제3궤조집전방식은 2010년부산김해경전철과부산도시철도 4호선에처음적용되어그기술축적이미미한수준이다. 또한전차선급전레일은대부분수입에의존하고있어국내환경에맞는제3궤조전차선의관리및유지보수기준마련이필요하다. 특히, 온도변화에따른급전레일의신축장치작용이전차선설비에미치는영향이매우크다고할수있다. 하지만, 영업운전으로인한전차선급전중에는신축장치의상태변화를확인할수있는시스템이구축되어있지않으므로, 검측을통하여측정된데이터를분석하여최악의환경에서도장비성능을유지하며운용되는지검증하여야한다. 본논문에서는부산김해경전철전차선설비시스템 ( 제3궤조, DC 750V, 하면접촉식 ) 운용경험을토대로주위온도와부하전류에따른급전레일의신축량을조사 분석함으로서그에따른신축장치의관리및유지보수기준적용방법을제시하고자한다. 2. 본론 2.1 제3궤조방식의주요구성 급전레일 (Conductor Rail) 변전소의직류개폐기 (DC Switchgear) 로부터차량에탑재된집전판에전기에너지를공급하는것으로차량측면에선로와평행으로설치되어차량에습동하도록구성된다. 전동차의집전장치가접촉하여전기를공급하는레일을말한다. Table 1 General Specifications of Conductor Rail 구분 사양 비고 1본의길이 15 m 단면적 5335 mm2 AL:4685 mm2, STS 650 mm2 저항 6.8 uω/m 15 온도팽창률 (1/ ) 허용전류 4500 A 하중 17.6 kg /m

2.1.2 램프 (Rail Ramps) 분기기개소나에어섹션등에서급전레일이끊기게되는데, 급전레일끝지점에서차량의집전자가원활하게급전레일에서벗어나거나타고들어갈수있게급전레일끝을위로들어올려경사지게처리하여차량의집전슈와습동을원활하게하기위한장치이다. 2.1.3 신축장치 (Expansion Joint) 급전레일이주위온도및전류에따른발열로길이방향으로신축하는데, 이신축량을흡수하여급전레일의변형을방지하는장치이다.

3 2.1.2 램프 (Rail Ramps) 분기기개소나에어섹션등에서급전레일이끊기게되는데, 급전레일끝지점에서차량의집전자가원활하게급전레일에서벗어나거나타고들어갈수있게급전레일끝을위로들어올려경사지게처리하여차량의집전슈와습동을원활하게하기위한장치이다 신축장치 (Expansion Joint) 급전레일이주위온도및전류에따른발열로길이방향으로신축하는데, 이신축량을흡수하여급전레일의변형을방지하는장치이다. 전기적도전성이유지되어야한다. Fish plate P1 Sliding Current Connector Expansion Joint Un 셋팅치수는 EXPANSION JOINT INSTALLATION TABLE 참조 Support for cover GAP GAP P1 3000±10 = Position in Test Dokumentation EXPANSION JOINT 일반사양 1. 길이 : 3000mm±10 2. 구성 : - Fish plate - Sliding Current Connector - Expansion Joint Unit - Support for cover 3. Conductor Rail Gap : Max 200mm Fig. 1 Detail drawing of Expansion Joint & Photo of Expansion Joint 흐름방지장치 (Mid Point Anchor) 급전레일은온도에따라신축작용을하므로절연지지대에의하여확실하게고정될수없다. 이장치는온도변화에의한신축, 팽창및기타장력변화등의이유로급전레일이흐르는것을방지하기위해각구간의중앙부근에설치하는급전레일고정용취부장치이다 절연지지대 (Insulator Support Ass y) 급전레일을차량의습동면과일정하게유지시켜주는역할을하는장치이다. 이장치는전기절연과정적, 동적하중과진동에충분한강도를가지며온도차이에의한길이변화에급전레일의수월한팽창수축이허용되도록구성되어있다. 2.2 신축장치설치현황 신축장치설치기준신축장치는급전레일의길이 90m마다설치하고, 90m 미만일경우생략할수있다. 설치시가능한직선구간에설치하여야하며, 하중을충분히견디고, 가동신축부의이동에방해되지않도록 2개의절연지지대를사용한다. 신축장치의정상적동작을위해서는 램프와신축장치구간, 신축장치와신축장치구간 의중앙지점에는흐름방지장치가설치되어야

4 한다. 신축장치는수축 이완시최대 200mm까지이완될수있다. Table2에서보는바와같이온도 15 에서간격 (Gap) 100mm를기준으로 ±40 에서도정상적으로동작될수있도록설계되고있다. 신축장치의일반적인시공허용오차범위는 ±4mm이다. Table 2 Expansion Join Installation Table Temperature Gap Setting Dimension [ ] [mm] [mm] <gap/ Setting Dimension Input data length pf power rail section : 93.0m a = 19.9 x 10 /K tolerance of setting dimension ±4mm gap = length of power rail section x αx temperature 13<gap/2 87 gauge mark 신축장치간격 (Gap) 의오차발생원인신축장치간격 (Gap) 의오차발생은 1급전레일온도 2흐름방지장치 3절연지지대등여러가지원인으로추정해볼수있다. 급전레일온도측정은급전레일의온도 1 당 2mm정도의오차가발생할수있으므로, 시공시또는유지관리시중요한점검항목이다. 흐름방지장치는흐름방지장치볼트조임이부족할경우신축장치와신축장치사이구간전체가한쪽방향으로밀려오차가발생할수있다. 절연지지대는고정볼트취부불량또는선로경사에대한인장력부족으로신축장치의오차가발생할수있다. 급전레일의수평장력은흐름방지장치가설치된중앙 1개소에서부담하고있다 신축장치간격 (Gap) 의오차에따른문제점 3궤조전차선방식은반영구적인설비의수명이최대장점이라할수있다. 하지만, 혹한기또는혹서기에급전레일의수축 팽창을신축장치가충분히흡수하지못하면, 급전레일의뒤틀림, 휨등의현상이발생할수있고, 그로인해전동차에원활한전력공급문제가발생할수있다.

5 이러한다양한원인에의하여신축장치간격 (Gap) 은오차가발생할수있고, 그에따른추가문제점이발생할수있으나, 현재시공설치허용오차기준에만제시되어있을뿐운영및유지보수에관련한기준이마련되어있지않는실정이다. 그러므로, 국내실정에맞는 3궤조전차선방식의운영및유지보수기준마련이반드시필요하다. 2.3 신축장치운영및유지보수허용오차기준 신축장치수축 팽창급전레일의수축 팽창은식 (1) 과같이온도영향으로발생하므로, 국내실정에맞는허용오차기준을마련하기위해서는국내기온및전류에따른급전레일의온도상승에관련한검증이요구되고있다. 신축장치의간격 (Gap)[mm] = 급전레일의길이 [m] 온도팽창률 온도변화량 [ ] (1) 여기서 급전레일의길이 : 93 [m] 온도팽창률 : ⁶/k 최저, 최고기온 기온은급전레일의온도와밀접한관계가있는것으로지역마다최저, 최고기온온도분포 편차가있다. Table3는부산김해경전철이소재한김해지역을기준으로수집한자료이다. Table 3 Minimum and maximun temperature during 5 years in Gimhae 구분 2008 년 2009 년 2010 년 2011 년 2012 년 비고 최고기온 최저기온 전류에의한급전레일온도영향전류에의한급전레일의온도상승확인을위하여, 차량기지시운전선에서전동차 (2량 1편성제어용량 125kW 2) 의 1시간운행후외부기온및급전레일의온도를측정하였다. 그결과외부기온 28.7, 전차선온도 29.2 로서부하전류에의한전차선온도상승은미미하였다. 아래 Fig.2는 2량 1편성운행중직류고속차단기에서측정된부하전류그래프이다. 전류 [A] Fig.2 Current graph data of DC Switchgear 시간 [ 시 / 분 / 초 ]

2.3.4 신축장치의열적수축신축장치의열적수축이최대로일어나는시기는급전레일이최대로팽창하는혹서기이다. 위의 Table3 에서 5년간김해지역최고기온은 2012년 37.7, 운전전류에의한급전레일온도상승 2, 년간평균기온상승에대한여유율 5 를적용하여식 (1) 에대입할때각온도별신축장치기능저하가일어나지않을최대값을산출하면 Table4와같다.

6 2.3.4 신축장치의열적수축신축장치의열적수축이최대로일어나는시기는급전레일이최대로팽창하는혹서기이다. 위의 Table3 에서 5년간김해지역최고기온은 2012년 37.7, 운전전류에의한급전레일온도상승 2, 년간평균기온상승에대한여유율 5 를적용하여식 (1) 에대입할때각온도별신축장치기능저하가일어나지않을최대값을산출하면 Table4와같다. 다시말해각온도별기준간격보다측정시간격이더크면최고온도에서도신축장치기능저하가발생하지않는다. Table 4 Standard of maximum temperature in Gimhae 온도 Gap(mm) 신축장치의열적팽창신축장치의열적팽창이최대로일어나는시기는급전레일이최대로수축하는혹한기이다. 위의 Table3 에서 5년간김해지역최고기온은 2012년 -11.7, 여유율적용최저기온 -15 기준으로식 (1) 에대입할때각온도별신축장치기능저하가일어나지않을최대값을산출하면 Table5와같다. 다시말해각온도별기준간격보다측정시간격이더작으면최저온도에서도신축장치기능저하가발생하지않는다. Table 5 Standard of minimum temperature in Gimhae 온도 Gap(mm) 신축장치의현장점검결과 Fig.3은부산김해경전철본선일부개소의신축장치간격측정자료를발췌하여작성한그래프이며, 측정일온도를 15 로환산하여간격수치를비교하였다. 15 환산간격수치는시공허용오차기준으로 100mm ±4mm구간내에분포해야정상적이나, 그림에서볼때정상범위를벗어나 80~90mm 구간에그래프가형성된개소가있음을확인할수있다. [mm] 120 Fig.3 Data of Expansion Joint Gap [ 개소 ]

7 따라서, 신축장치간격 80~90mm중에서기준치에서범위를크게벗어난간격 80mm에대하여신축장치의기능양부를검증하기로한다. 15 에서간격 80mm일경우, 식 (1) 로김해지역최대전차선온도로가정한 44.7 를적용하여계산하면 44.7 신축장치는 25mm로계산되고, 최저간격 0mm까지 25mm의여유간격이있다. 또한, 김해지역최저전차선온도로가정한 -15 를적용하여계산하면 -15 에서신축장치는 136mm로계산되고, 최대간격한계치 200mm까지 64mm 의여유가있다. 그러므로, 15 에서신축장치간격 80mm는김해지역어떠한기후조건에서도정상적으로동작한다. 이러한방법으로 2.3.4절, 2.3.5절의내용을요약하면 15 로환산시신축장치측정값이 56mm 간격 (Gap) 144mm 사이일경우김해지역의어떠한외기온도에서도신축장치는정상적으로동작되고있음을알수있다. 3. 결론최근신설되는국내경량전철은제3궤조집전방식을적용하여시공되고있으나, 아직그기술축적이미미하다. 이에본논문에서제3궤조여러장치중유지보수에취약할수있는신축장치의판단기준을제시하였다. 일률적기준이아닌각사업장의기온과부하전류가반영된판단기준을제시함으로써시공시설비의타당성검토및점검보수시보수, 교체기준이될수있으리라판단된다. 하지만, 최근이상기후에의한혹서기나혹한기에설비의안정적운용을위해서는년간누적최저, 최고기온을반영한점검기준을매년마련하고, 온도상승률에따른설비의예방정비가필요한실정이다. 또한, 제3궤조전차선방식은궤도의침목에설치되어궤도와일정한간격과높이를유지해야하므로궤도의변형에영향을많이받는다. 그러므로, 제3궤조전차선의효율적인시공및유지관리를위해서는국내실정의외기온도변화, 궤도설비의간섭등을충분히고려해야할것이다. 참고문헌 [1] 정락교, 김연수, 윤용기, 이병송, 이병택, 이정식, 2000년, 경량전철용제3궤조집전장치의시제품개발, 춘계학술대회, 페이지 [2] 박광복, 한국환, 2003년, 우리나라경전철도입현황과개선방안에관한연구, 추계학술대회, 페이지

Microsoft Word - KSR2015A135

Microsoft Word - KSR2015A135 2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A135 PSCAD/EMTDC 를이용한직류전기철도급전계통모델링 Modeling for power feeding system of DC electric railway using the PSCAD/EMTDC 정현기 * Hyun-Ki Jung * 초록직류전기철도는 DC 1,500V 전차선로등급전계통에서단락또는지락사고발생시