2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S284 KTX 산천과 TI21 무절연 AF 궤도회로간귀선전류고조파이동경로분석연구 A Study on Analysis Travel Path Return Current Harmonics Between KTX SanChun and TI21 AF Track Circuit 최재식 *, 김희식 **, 공명상 ***, 이수주 ****, 손운락 ***** JaeSik Choi *, HieSik Kim **, MyongSang Kong ***, SooJoo Lee ****, UnRak Son ***** Abstract KTX-Sancheon, developed with Korean Technology, has been operated on Gyeongbu, Honam, Gyeongjeon normal lines and Geongbu high speed line. When the high speed trains were made a trial run on Gyeongbu and Honam downbound normal lines in 2010, The signals stop occurred since specific track circuits such as C type AF track circuits didn t work properly on the upbound line opposite. To deal with this problem, we improved C type AF track circuit receivers from analog into digital type which have a noise analysis function so that the problem didn t occur any longer. In this paper, we aimed at defining principles, a test and a way of verification about electromagnetic noise analysis function of the improved track circuit receivers. Keywords : KTX-Sancheon, AF Track circuit(ti-21), Return Current Harmonics 초록최근 KTX산천에서사용하는전력변환시스템은전력전자기술, 고속대용량반도체소자및마이크로프로세서의기술발달에힙입어높은성능과승차감, 효율, 안전성, 에너지소비측면에서뛰어난제어능력을갖추게되었다. 하지만고속스위칭소자인 IGBT를사용함에따라발생하는고조파로인해전기차량은물론변전소, 신호시스템, 데이터전송및감시시스템에영향을주게된다. 특히전력변환장치의정수배근방주파수에서발생하는귀선전류고조파의영향으로 TI21무절연AF궤도회로가부정동작하는사례가발생되었다. 본논문에서는고속전기차량과궤도회로간귀선전류고조파이동경로분석에대해논한다. 주요어 : KTX-산천, AF궤도회로 (TI-21), 귀선전류고조파 1. 서론국내에서운영되는 KTX산천고속차량에서발생되는전자파에의한문제점을검토하고이에대한국내운영현황을파악하는데그목적이있다. 고속차량에서발생되는전자파의종류와크기및검측방법에대한검토와발생원인에따른이동경로를파악하여이에대한분석을통한시뮬레이션분석방안을검토하였다. * 교신저자 : 서울시립대학교, 한국철도공사연구원 (khsrman@korail.com) ** 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학과교수 *** 현대로템 ( 주 ) **** 에이알텍 ***** 전한국철도공사
철도차량의운행에있어서궤도회로는차량위치검지를통한신호기제어, 선로전환기제어, 차량의간격조정, 차량접근예고를통한충동사고예방등안전운행을위한필수적인시스템이다. 따라서철도차량과궤도회로의전자파적합성 (Electromagnetic Compatibility, 뜿 ) 의확인은철도차량의운행에있어서필수적이다. 철도차량과궤도회로의전자파적합성을위해전자파노이즈의발생원인차량의전자파 / 고조파특성및전자파의영향권에있는궤도회로의전자파특성분석이필요하다. 전기차량에서발생된고조파전류는급전계통의임피던스특성에의해특정조파에서공진되어고조파전류확대현상을일으켜각종문제를야기시킨다. 즉고조파전류는인접통신선에서의유도장애를일으키고철도신호장애의원인이될뿐만아니라전원계통에유입되는경우에는전력용콘덴서의과열및진동을유발시키고해당계전기를오동작시킬위험성을지니고있다. 본논문에서는호남선구간에대한체계적이고신뢰성을높은귀선전류및귀선전류고조파의측정방법을제시하였으며이에따른시험결과를토대로귀선전류고조파에대한이동경로를확인하였다. 현장계측을통하여확보된계측자료를분석함으로서 KTX산천차량이하행선을주행시인접궤도인상행선의 C타입에부정단락을유발하는고조파인 1980Hz의유입경로를파악함으로서 TI21 AF궤도회로의신뢰성을확보하고열차의안전운행과정시성을확보하고자한다. Fig 1은실제호남선구간하선 KTX산천운행시상선궤도회로C타입에서부정동작했던상황을나타내었다. Fig. 1 AF Track Circuit( C Type TI21) Fault status when KTX-Sancheon Service Classical line AF궤도회로 (TI21) 는궤도회로간절연이없는타입으로국내에는하행선에 A/B 타입을상행선에 C/D 타입을가청주파수대역인 1500~2500Hz을교번으로설치하며궤도회로내일정구간 ( 약 3km ) 마다설치된임피던스본드 (B1) 는자신의궤도회로주파수는바이패스시키고궤도에흐르는귀선전류를중성점을통하여매설접지에연결하여변전소로귀환시킨다. Fig 2는단권변압기 (AT) 구간에서전기차량운행시전차선귀선전류의흐름
도를나타낸다. Fig. 2 Configuration of AT(autotransformer) section return current 2. 본론호남선흑석리 ~ 계룡간 B3035T~B3052T 궤도회로구간에서 PXI, NI장비와로코스키코일, 오실로스코프등을사용하여귀선전류고조파에대하여측정하였다. Fig 3은현장신호설비궤도회로배치도를나타낸다. Fig 3 measured point of return current and harmonic Ffrequency 2.1 KTX산천열차의운행선로상에서의귀선전류이동경로 KTX산천열차의하선주행시, 레일을따라흐르는귀선전류는하선A타입의임피던스본드양
단을지나중성점을통하여매설접지로귀선된다. 이때, KTX산천열차에서발생되는 33차고조파도포함되어귀선으로흐르게된다. Fig 4는 KTX산천열차가자기궤도를운행할때 TI21 궤도회로에흐르는귀선전류이동경로에대해나타낸다. Fig 4 Configuration of Travel Path of TI21 Track Circuit Return Current when KTX Sanchun Down Direction Running 귀선전류를측정한결과임피던스양단 (1, 2) 의귀선전류 60Hz성분이중성점 (G) 에서합쳐져서나타난다. Fig 5는임피던스본드를통하여귀선전류에포함된 60Hz성분이흐르는것을나타난다. Fig 5 Measured value grape of TI21 Track Circuit Return Current Basic Frequency(60Hz) Fig 6 은귀선전류에 33 차고조파 (1980Hz) 가포함되어흐르는것을보여준다.
Fig 6 Measured value grape of TI21 Track Circuit Return Current 33th Harmonic(1980Hz) 2.2 KTX산천열차주행시반대선로로의귀선전류이동경로 KTX산천열차의하선주행시, 하선 A-Type 임피던스본드를통하여귀선된전류중일부가매설접지에공동연결된상선 C-Type 임피던스본드로유입된다. Fig7은 Fig 7 Configuration of Travel Path of TI21 Track Circuit Return Current Up Direction when KTX Sanchun Down Direction Running Fig 8는하선 A타입임피던스본드양단 (1,2) 의귀선전류 (60Hz) 가중성점 (G) 에서합쳐져서나타난다.
Fig 8 Measured value grape of TI21 Track Circuit Return Current Basic Frequency(60Hz) Fig 9 는귀선전류에 33 차고조파 (1980Hz) 가포함되어흐르는것을보여준다. Fig 9 Measured value grape of TI21 Track Circuit Return Current 33th Harmonic(1980Hz) 상선 C 타입임피던스본드양단 (3,4) 의귀선전류 (60Hz) 가중성점 (G) 에서합쳐져서나타난다.
Fig10 Measured value grape of TI21 Track Circuit Return Current 33th Harmonic(1980Hz) 33 차고조파 (1980Hz) 도동일한양상을나타난다. Fig11 Measured value grape of TI21 Track Circuit Return Current 33th Harmonic(1980Hz) 3. 결론 앞서상황별귀선전류이동에대한분석을통한고조파간섭이동경로는다음과같다. KTX- 산천열차가
주행시, 주행궤도의전차선전류는임피던스본드의특성에의해전기적손실없이 100% 의전차선전류가임피던스본드의중성점을통해서매설접지로귀선한다. 이때, 귀선전류중일부가매설접지에공동접지된임피던스본드 ( 주행궤도의반대편궤도에있는 ) 의중성점으로유입되어임피던스본드의양단으로향한다는것을 Fig 12와같이증명하였다. Fig12 Configuration of Travel Path of TI21 Track Circuit Return Current when KTX Sanchun Down Direction Running 본논문은경부선및호남선에서운영하고있는 KTX산천이발생하는고조파가귀선전류를통하여 TI21 궤도회로 C타입주파수에영향을미치는귀선전류고조파이동경로를제시하였음에의의를가지며, 향후 TI21 AF궤도회로의방해허용한계치설정과새로개조되는 KTX산천차량의성능시험평가에기여할것이다. 후기 본연구는 2012 년국토교통부산하국토교통과학기술진흥원에서국가연구개발사업자유공모과제로수행되고있으며담당기관에감사드립니다. 참고문헌 [1] 김용규외 1인, 2 25kV 급전방식에서의공동접지망적용에따른귀선전류의영향, 대한전기학회논문집 Vol 51B, No 9, pp.509-514, 2002 [2] 백종현외 4인, ITX 차량운행에의한 AF무절연궤도회로의귀선전류영향분석, 대한전기학회논문집 Vol62, No4,pp.584-590, 2013 [3] 김용규외 2 인, 경부선전철화구간에서의귀선전류및임피던스예측, 대한전자공학회하계종합학술대회논문집제 24 권제 1 호, 2001 [4] 백종현외 4명, 전기철도구간에서의철도차량운행에따른귀선전류분석 한국산학기술학회논문지제12권제9호, 2011, [5] 백종현, 전깇러도시스템에서궤도회로측면의귀선전류고조파분석, 대한전기학회
논문집 Vol 61, No. 5, pp.698-704, 2012 [6] 최재식외 4인, KTX산천운행시발생되는전자파노이즈에대한 AF궤도회로 (TI21) 신뢰성확보방안기술연구 한국철도학회춘계학술대회논문집, 2013 [7] 공명상외 1인, 철도차량과지상신호장치와의간섭문제에관한연구 한국철도학회추계학술대회논문집, 2013