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하뉘 전
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1 2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A003 트램최적급전계통설계를위한전력시뮬레이션 Power Simulation for Optimal Power Supply System Design of Tram 오성택 *, 김백 * Seongtaek Oh *, Baik Kim * Abstract DC feeing system is a means of power supply system to the electric railway, in which the received AC EHV(Extra High Voltage) from the commercial power systems is decreased to the appropriate voltage around 1,200V and become rectified to DC 1,500V. Currently, in Korea DC 1,500V of parallel feeds are adopted as a standard for the overhead railway feeder and the distance between the substations is about 4 to 10km by considering the line voltage drop. In this paper, we quote the load capacities of the substations for the design of optimal feeding systems of Annaba tram in Algeria, where they have different operating conditions from ours. We have studied the load concentration problem caused by vehicle movement and analyzed results from simulations. Keywords : Electric Railway, DC Feeding, Voltage Drop, Tram, Simulation 초록전기철도에서직류급전방식이란상업용전력계통으로부터수전된특고압의교류전기를변전소에서적절한전압으로강압 (1,200V) 하고, 다시정류장치를통해직류 (1,500V 등 ) 로변환하여전차선로에공급하여운전하는방식이다. 현재우리나라에서는가공전차선인경우표준적으로 1,500V 를사용하고있으며전철변전소간격은차량의운전조건에따른전압강하등을고려하여약 4km~10km 간격으로병렬급전하여운용한다. 본논문에서는우리나라와다른운전조건을갖는알제리안나바트램 (Tram) 의최적급전계통설계를위해, 차량의이동에의한부하집중현상을고려한변전소부하용량을산출하며이에따른전력시뮬레이션을수행하고결과를해석하였다. 주요어 : 전기철도, 직류급전, 전압강하, 트램, 시뮬레이션 1. 서론현재트램은지속가능한교통수단으로인식됨과동시에단순한교통프로젝트가아닌보다넓은도시발전을위한도시프로젝트의개념으로도시환경및삶의질을향상시키는하나의수단으로유럽에서큰성공을거두고있다. 우리나라는 1970년대부터대도시를중심으로대형중량전철차량을운행할수있도록지하철건설에대한투자를지속적으로실시하였고 1990년대도시철도법의제정과함께도시철도사업에대한중앙정부의재정지원이구체화되면서지방대도시에서도지하철건설사업이본격적으로추진되었다. 또한, 중소도시인김해, 용인, 의정부등에서는대도시연계교통 교신저자 : 한국교통대학교철도대학철도전기전자공학과 (whitek@ut.ac.kr) * 한국교통대학교대학원철도전기전자공학과

2 체계확보차원에서경량전철사업을민간투자방식으로추진하였다. 그러나 1990년대에건 설된대부분의중전철노선과 2000년대에건설된경전철노선은막대한사업비가투자되었 음에도불구하고당초예상하였던이용수요만큼의수송실적을보이지못하고있다. 따라서 최근에는비용이저렴하고중앙정부의재정지원을받을수있다는이유로트램에대한선호 도가높아지고있다. 본논문은해외에서도입되고있는알제리안나바트램의견인전력시뮬레이션수행과 결과분석을통해견인전력망산정을검토하였다. 해외급전시스템의경우우리나라와전 원전압및주파수가달라급전계통의설계에있어서전체전력소비량의변화를예측하고, 철도차량의주행성능및열차운행시격, 운전선도등을정확히파악하여야한다. 따라서최적의급전계통을구성하기위해정거장및변전소위치, 선로임피던스및계통 임피던스, 열차데이터, 견인력및제동력데이터, 궤도의구배및곡선반경, 열차운행계획 등의입력자료를고려하여전력시뮬레이션을수행하였다. 이러한종합적인시스템해석을 통해급전시스템의적정성및공급전압안정성을확인하였다. 2. 본론 2.1 안나바트램의노선계획및변전소설치위치 본논문에서는본선구간 Kouba ~ Avant Port, 지선구간 Campus universitaire ~ Gare Multimodale 구간으로총연장은 21.7km로 34개역사이에정류기용량 1,200[kW] DC750[V] 15개소의직류전철변전소로구성되어있다. Table 1은안나바트램의정거장위치및급 전계통위치이다. Table 1 Location of Substations in Main Line(Kouba~Avant port) Km 정거장명 승강장형식 역간거리 (m) SST 설치위치 Kouba 상대식 ( 폭 :3,0m) 151 SST Cité Ménadia 상대식 ( 폭 :3,0m) 465 SST Victor hugo 엇갈림식 ( 폭 :3,0m) 294 SST Kouche Noureddine 상대식 ( 폭 :3,0m,) 530 SST Pénétrante Ouest 상대식 ( 폭 :3,0m) 452 SST Cité 400 logements 상대식 ( 폭 :3,0m) 784 SST Juillet 1962 상대식 ( 폭 :3,0m) 401 SST Parc d'attraction 섬식 ( 폭 :3m, 5m) 719 SST Bidari 상대식 ( 폭 :3,0m) 780 SST El Bouni Ouest 상대식 ( 폭 :3,0m) 569 SST El Bouni Est 상대식 ( 폭 :3,0m) 603 SST Lacombe 상대식 ( 폭 :3,0m) 409 SST Sidi brahim 상대식 ( 폭 :3,0m) 688 SST Avant port 상대식 ( 폭 :3,0m) 436 SST-15

Table 2 The Characteristic data of Vehicle 구분 Division 단위내용 전기방식 Vdc 750 중량 ( 공차 / 편성 ) [ton] 55,019 중량 ( 만차 / 편성 ) [ton] 84,028 차륜경 [ mm ] Maximun610, Minimum 530 최고운행속도 [ km /h] 70 보조동력 [ kw ] 80 2

7km이며운영계획은 Kouba 정거장을시점으로 Wilaya, Gare SNTF, HayRym, Parc d attraction, El Bouni centre, Sidi brahim 정거장을경유하여 Avant port정거장에종착하며, 첨두시운전시격은 3분이다.

3 Table 2 The Characteristic data of Vehicle 구분 Division 단위내용 전기방식 Vdc 750 중량 ( 공차 / 편성 ) [ton] 55,019 중량 ( 만차 / 편성 ) [ton] 84,028 차륜경 [ mm ] Maximun610, Minimum 530 최고운행속도 [ km /h] 70 보조동력 [ kw ] 80 2 최대견인력 [kn/motor] 15.6 전기제동력 [kn/motor] 14.3 가속도 m/s 감속도 m/s 2 상용 1.2 m/s 2 비상 안나바트램차량제원 Table 2는안나바트램급전계통을운행하는 7모듈 4보기로구성된 1편성의트램차량의제원을보여준다. 2.3 안나바트램운행계획안나바트램은총연장 21.7km이며운영계획은 Kouba 정거장을시점으로 Wilaya, Gare SNTF, HayRym, Parc d attraction, El Bouni centre, Sidi brahim 정거장을경유하여 Avant port정거장에종착하며, 첨두시운전시격은 3분이다. 지선의운행계획은 Parc d attraction 정거장에서 Campus universitaire 정거장을경유하여 Gare Multimodale 정거장에서종착하며운전시격은 6분이다. 특히, Gare SNTF ~ Kouche Noureddine 구간은열차운행중복구간으로길이는 570m로첨두시운전시격은 1.5분이다. 안나바트램은승객수요가많은출퇴근시간대인첨두시를 3분시격으로출발점과종착역간기준으로정상상태및각변전소고장상태에서예상부하, 집전전압, 변전소전류에대하여시뮬레이션을하였다. 본논문에서는안나바트램의본선에대해서기술하고자한다. 2.4 열차운행시뮬레이션결과안나바트램의상행선및하행선을운행하는열차데이터, 선로데이터를사용하여시뮬레이션하였으며열차주행시뮬레이션결과차량운행패턴은아래 Fig. 1과같다. Fig. 1 Operation Speed Location of Tram in main Line(Kouba Avant Port) Curve

4 2.5 운행전력시뮬레이션결과변전소설치간격의적정성여부를검토하기위해, 정상운전시와각변전소고장운전시를전압강하에대한시뮬레이션을수행하였으며, 열차운전시의전압강하는최저선로전압이열차구동전압범위 (500~900V) 를벗어났는지를검토하였다 선로전압 Table 3 Line Voltage of Main Line 구분최대전압 [V] 최저전압 [V] 각변전소고장시 정상시 801,3 719,5 Kouba SST-1 801,3 687,4 Cité Patrice Lumumba SST-2 801,3 683,0 Victor Hugo SST-3 801,3 683,0 Kouche Noureddine SST-4 801,3 696,5 Pénétrante Ouest SST-5 801,3 706,9 Cité 400 logements SST-6 801,3 711,6 5 Juillet SST-7 801,2 706,6 Parc d'attraction SST-8 800,9 719,3 Bidari SST-9 800,6 717,8 El Bouni Ouest SST ,9 711,6 El Bouni Est SST ,2 705,5 Lacombe SST ,1 704,4 Sidi Brahim SST ,1 719,5 Kouche Noureddine SST ,6 719,5 Avant Port SST ,4 719,5 운행전력시뮬레이션결과에따라상기표와같은결과를얻었다. 상기 Table 3에서정상시 /1개소변전소고장시어느경우나전압강하에의한최저선로전압이열차구동최저전압인 500V를초과하므로, 현변전소간격은적정하다고판단된다. 2.6 견인전력급전용량검토본논문은알제리안나바트램에적용될정류기용량을선정하여최적의견인전력망을구성하여안정적인전력공급이될수있도록하였다 정류기용량선정전차선급전용정류기의용량은부하조건에따라결정되며, IEC 규정에따라 100% 부하에서연속운전, 150% 과부하에서 2 시간운전, 300% 과부하에서는 1 분간운전할수있는용량을산정하였다. 전압강하는 6% 를고려하였고시뮬레이션결과중정상시및변전소 1 개소장애시의최대공급부하적용을기준으로선정하였다..

5 정상상태의변전소최대공급부하 : [kW] 변전소장애시연장급전용최대공급부하 : 1,037.61[kW] 정류기용량은정상시와 1개변전소장애시최대공급부하에전력공급이가능하여야함으로 1,200kW x 1대를추가설치하여충분한용량을확보한다 정류기용변압기용량정류장치의전압강하는변압기의 Impedance 및정류기소자의직 병렬개수등에따라서달라지므로정류장치제조사에서제시되어야하나일반적으로사용되고있는정류기의부하조건별전압강하는아래 Table 4 와같다. Table 4 Criteria of Rectifier Operation IEC 정류기의부하조건전압강하 Ⅴ Ⅵ 정격출력에서연속정격출력 150% 에서 2 시간, 정격출력 200% 에서 1 분 정격출력에서연속정격출력 150% 에서 2 시간, 정격출력 300% 에서 1 분 8% 6% 정류기용량 (Q) : 1,200 kw직류공칭전압 (E d ) : DC 0.75kV 정류기출력전류 (I d ) 변압기 2 차측출력전류 ( 정류기입력전류 ) ' I as 변압기 2 차측정격전압 (Ea) I d Q 1,200kW 1,600( A) (1) E 0.75kV d 2 2 정류기출력전압 1,600 1,306( A) (2) 3 3 E E (1 ) (3) d 0 d Edo : 직류무부하출력전압, ε : 정류기의전압변동률 ( 전압변동률 6% 와정류기의 DIODE STACK 손실 1% 를고려 7% 적용 ) E d 750 (1 0.07) * 802.5[ V ] (4) E a E d (5) 정류기용변압기용량계산 T 3 Ea I as [ kva] (6)

6 상기계산결과에따라정류기용변압기용량은 1,400[ kv A] 선정이적당하다결론을얻었다. 3. 결론 본논문은알제리안나바트램의견인전원계통에나타나는현상을정확히파악하고최적의견인전력급전계통을구성하기위해정상운전시와각변전소고장운전시를고려하여총 16 회를수행한결과의 DATA 이용하여열차구동전압범위 (500~900V) 를벗어나는지검토하여변전소간격의적정성과각견인변전소의최대부하결과를통해견인용정류기및정류기용변압기용량산정을하였다. 시뮬레이션을위해운행시격을실제운행시적용될 3 분으로하였으며열차다이아및선로데이터에따른열차운행시뮬레이션, 운행전력시뮬레이션, 견인전력급전용량을분석하였다. 시뮬레이션결과동일시간에동일운전시격으로운행을하더라도선로데이터및타열차간격에따라부하량및변전소의전류값이차이가남을확인할수있었다. 이는동일조건으로운행하더라도열차다이아및선로데이터에따라열차분포위치가변동되어소비하는부하량이다르기때문이다. 이결과는급전계통설계시가장중요한요인으로써교차시행의조건을다양하게분석하여최대부하량및최대전류량을분석함으로써안전하고경제성있는급전계통을설계할수있도록하는것이다. 후기 2015 년한국교통대학교지원을받아수행하였음 참고문헌 [1] 김백 (2005) 전철전력공학, 기다리, 서울시성동구, pp [2] T.K. Ho, Y.L. Chi, J. Wang, K.K. Leung, et al. (2005) Probabilistic load flow in AC electrified railways, IET Electric Power Applications, 152(4), pp [3] T.K. Ho, Y.L. Chi, J. Wang, K.K. Leung (2004) Load flow in electrified railway, IEEE PEMD 2004, Edinburgh, UK, pp [4] In-sung Jung, Joong-Ho Song, Kyu-Hyoung Choi (2013) Probabilistic calculation of Power loads in DC electric railway systems, Korea. Journal of the Korean Society for Railway, 13(11), pp [5] In-sung Jung, Joong-Ho Song, Kyu-Hyoung Choi (2013) The study on Simulation of Electrified Railway System considering Time Table & Performance Curve of Oran Tram in Algeria, Korea. Journal of the Korean Society for Railway, 13(7), pp

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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