2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A15 고속철도인프라시스템성능평가를위한테스트베드구축 Testbed Implementation for Performance Evaluation of High Speed Railway Infrastructure 엄기영 *, 김주용 *, 최찬용 *, 윤정훈 * Ki Young Eum *, Ju Young Kim *, Chan Yong Choi *, Jeong Hun Yoon * Abstract It is very important to develop infrastructure systems in order to improve the speed of the high-speed rail. However, the interest in the technical infrastructure systems lack compared with the speed of the vehicle technology development. In this thesis, the status of the interval of the test bed of Honam high-speed railway which is currently under construction will be reviewed and furthermore, the impact factors of the increased speed of 400km/h driving speed to the environmental noise, railroad infrastructures, and catenary system will be discussed as well. The plan has been established by monitoring the environmental noise at 4 different sites, 9 railroad infrastructures and the catenary system by considering the potential influencing factors on those locations Keywords : high speed railway, Test bed, Infrastructure system, Monitoring, Speed-up 초록고속철도의속도향상을위해서는인프라시스템의기술발전이매우중요하다. 그러나국내에서는차량의기술발전속도에비해인프라시스템기술에대한관심이부족했다. 본논문에서는현재건설중인호남고속철도테스트베드구간에대한현황을검토하고, 400km/h 급운행속도에따른환경소음, 선로구축물, 전차선분야의증속에따른영향인자에대해조사하였다. 분야별영향인자를고려하여환경소음분야 4 개소, 선로구축물분야 9 개소및전차선분야에대한모니터링시스템구축계획을수립하였다. 주요어 : 고속철도, 테스트베드, 인프라시스템, 모니터링, 속도향상 1. 서론 우리나라철도기술의발전은속도향상과함께이루어져왔다. 197년새마을호동력차를개발하였으며, 2002년자체기술로개발되고, 2007년상용화에성공한 KTX-산천을통해고속철도의시대를열었다. 현재는 2007년부터 2012년까지최고속도 430km/h의동력분산형고속철도차량 (HEMU-430) 의개발이완료되고경부및호남고속선에서주행시험을추진하고있다. 그에반해고속철도인프라시스템측면에서는획기적인기술발전이이루어지지못했다. 2010년개통된경부고속철도 1, 2단계구간과현재건설중인호남고속철도에서도궤도, 노반, 전차선등의인프라시스템기술에대한관심은부족했다. 교신저자 : 한국철도기술연구원고속철도연구본부 (jykim@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원고속철도연구본부
하지만고속철도의속도향상을위해서는고속철도차량의개발과더불어인프라시스템기술의발전이매우중요하다.[1] 본논문에서는미래국가적성장동력으로추진되고있는 400km/h급고속철도인프라시범적용기술개발과관련하여현재호남고속철도에서추진되고있는테스트베드구간에대해 400km/h급증속과관련된모니터링검토항목에대해검토하고, 그에따른계측계획을수립하였다. 2. 고속철도테스트베드구축계획 2.1 국외고속철도및선로모니터링현황고속철도가 300km/h이상으로운행하는국가는 Table 1과같이프랑스, 중국, 일본, 독일이대표적이다. 프랑스 TGV 지중해선일부구간과동남선의제1구간인파리 ~ 보드르크루간에서 320km/h로영업운전을실시하고있다. 독일의퀼른-라인 (Cologne-Rhein) 선에서는 ICE3가시속 330km/h로부분운영되고있으며, 중국무광선에서는 CRH열차가최고 350km/h로운행했던것으로보고되고있다. 현재고속철도의운행속도는대부분 320km/h 전후로서 350km/h 이상주행시에관련된기술자료는매우부족하며, 관련기준도명확하지않다. 하지만주행중차량과인프라의거동을측정하여과연적정한속도한계가어디까지인가를밝히는최고속도시험은지속적이며단계적으로이루어져왔다. 구분 최고시험속도 (km/h) Table 1 Foreign high speed railway status 최고운영목표속도 (km/h) 현재운영속도 (km/h) 선로특성 일본 (Fastech) 405 360 320(12 년계획 ) 콘크리트궤도 프랑스 (TGV) 574. 360 320 자갈도상궤도 독일 (Velaro) 403.7 350 300 콘크리트궤도 중국 (CRH-3) 43 350~30 330~340 콘크리트궤도 프랑스는대서양선개시이전에 KP 166의 175m 루아르교량에스트레인게이지를설치하여모니터링을수행하였다. 이때방돔 (Vendome) 역의고속분기기통과속도는 502km/h였다. 이때도유지보수 3/64in(1mm) 로자갈궤도관리를실시하였고, 시험기간중에는궤도구조의손상은거의없었고매우적은궤도틀림복원유지보수만이있었던것으로보고되었다. 2007 년에는최고속도 574.km/h(KP191) 에서궤도, 노반, 교량분야에대하여모니터링을수행하였다. KP 1에서는분기기건넘선에서시속 560km/h 주행시포인트, 크로싱부에서모너터링시험을실시하였으며, 분기기직선에서 500km/h이상 2번을통과하면서모니터링을통하여측정데이터를확보하였다. 이외에안전확보를위하여궤도유지보수전후의차량의가속도와궤도면틀림의변화추이를모니터링을시행하여최고속도시험시안정성을확보하였다. 2.2 호남고속철도테스트베드현황호남고속철도는 200년 11월에기본설계를완료하였으며, 2009년 7월익산역에서착공식이이루어졌다.[2] 노선중중부분기역은오송역이며, 전체구간은오송 ~ 광주송정 ~ 목포구간이
며, 오송 ~ 광주 (12.3km) 구간을 1단계로완공하고, 광주송정 ~ 목포 (4.6km) 구간을 2단계로완공할예정이다. 2009년착공이후각분야별로시공이약 60%( 12.5) 의공정율을보이고있다. 호남고속철도구간중테스트베드구간은 HEMU 430x 차량의성능제원을고려한 TPS(Train Performance Simulation) 분석을통하여 400km/h 운행가능구간을선정후분야별모니터링이필요한구조물의유무및고속철도건설공정을고려하여선정하였다. 선정된구간및테스트베드현황은 Fig. 1과같으며, 테스트베드구간은환경소음분야 4개지점, 선로구축물분야 9개지점, 전차선분야는상행선과하행선을분리하여전구간에걸쳐모니터링이이루어지도록계획되었다. 경부선 2단계구간에서진행중인 HEMU 430x 차량의신뢰성및안전성시험이이루어지고호남고속철도건설이완료되면, 2014년 6월부터테스트베드구간에서최고속도 400km/h의시험운행과더불어인프라시스템에대한모니터링을통한성능평가가이루어질계획이다. Fig. 1 Honam high speed railway test bed status 2.2 분야별테스트베드구축계획 2.2.1 환경소음및전차선분야현재까지의고속철도방음시설은 300km/h 운행에대한감음성능및현장평가가이루어져있는상황이다. 그러나 400km/h 고속철도의경우증속에따른소음특성및설치조건변화로인해새로개발될방음시설에대한현장성능평가가이루어져야한다. 또한현재 400km/h의소음특성이명확하지않기때문에소음원의특성과각각의소음기여도분석및소음전파예측모델의개발이요구되며, 개발모델및알고리즘의객관성을확보하기위한테스트베드구간에서의
성능평가계획을수립하였다. Table 2와 Fig 2는테스트베드구간에서의소음측정계측센서설치계획을나타낸것이다. 전차선분야는국내최초로개발되는 400km/h급전차선부품에대해기존의국제규격항목이외에부품의신뢰성을새롭게판단하기위한검측시스템이필요하다. 따라서테스트베드전구간에걸쳐전차선과팬터그래프간의집전성능시험을위한차상구간과전차선로의동적및정적특성을평가하기위한지상구간으로나누어계획하였다. Table 3은전차선로검측항목에대해나타내었다. Table 2 Sound measuring sensor installation plan 구분 방음벽상단장치 흡음블록 소음예측모델 설치위치 (STA.) 3-4 공구 (107k400) : 방음벽설치구간 3-4 공구 (109k700) : 개활지구간 4-2 공구 (121k00) : 터널구간 3-4 공구 (107k400) : 방음벽설치구간 3-4 공구 (109k700) : 개활지구간 마이크로폰설치위치 방음벽전방으로 3m 이격, 레일바닥면 1.5m 높이선로중심으로부터 25m 이격, 지면 1.2m 높이 개활지 : 선로중심으로부터 5m 이격, 지면 1.2m 높이터널 : 터널벽면 1m 및 2m 높이 선로중심으로부터 7.5m 및 25m 이격지면 1.2m 기여도분석시스템 3-4 공구 (107k400) : 개활지구간선로중심으로부터 6~7.5m 이격, 어레이시스템 차상 지상 (a) SRD performance verification (b) SAB performance verification Fig 2 Sound measuring sensor installation plan Table 3 OCL measurement points 구분시험항목세부내용평가항목 집전성능시험 동적특성시험 전차선과팬터그래프간접촉력시험 전차선과팬터그래프간이선아크시험 선로최고속도에서전차선동적상호작용측정 전차선로이상상태모니터링시험 접전성능판단에위해팬터그래프와전차선간접촉상태를실시간으로측정 팬터그래프와전차선간이선시발생하는아크를광학적센서를이용하여측정 최고속도구간전차선로의곡선당김금구지지점의전차선압상량, 변형률등측정 전차선과조가선의전류를 1 개지점에서실시간으로측정하여전류상태를분석이상상태판단 팬터그래프와전차선간접촉력 팬터그래프와전차선간이선율 곡선당김금구압상량전차선변형률전차선 / 조가선온도 이선율 0.2% 에합당접촉율 (CQ) 정적특성시험 전차선로결함을탐지하는시험 조가선, 전차선및애자류등의결함상태를복합검측장치를이용하여검측결함상태판단 전차선온도조가선 / 전선소손애자류 / 전압유기
Table 4 Track measurement sensor installation plan 측정위치설치계획측정대상센서수량 완화곡선부 윤중, 횡압, 응력연직 / 횡변위연직 / 횡가속도 변형률계변위계가속도계 24 원곡선부 윤중, 횡압, 응력연직 / 횡변위연직 / 횡가속도열차하중 변형률계변위계가속도계 FORPS 24 4 직선부 윤중, 횡압, 응력연직 / 횡변위연직 / 횡가속도 변형률계변위계가속도계 24 2.2.2 선로구축물분야선로구축물분야에서는 400km/h급고속철도를위해서는안전성뿐만아니라사용성측면까지도고려하여야한다.[3] 그러나국내외에서는증속에따른주행안전성측면의검토항목은있으나설계관점에서의규명된항목은제한적이라고할수있다. 본연구에서는선로구축물분야에서증속의영향을고려한계획을수립하였다. 궤도에있어서 400km/h급운행속도하에서작용력은윤하중과횡하중에대한극한하중의검토가필요하며, 증속에따른궤도틀림에의한동적충격력증가에대해서도현장측정을통하여비교검토가필요하다. 또한윤하중과횡하중의하중조합에의한레일작용력증가분, 궤도틀림구간에대한증가분등을고려하기위해선형구간별비교검토가필요하다. 따라서 400km/h급운행속도를고려하여 Table 4와같이완화곡선, 원곡선및직선구간에대한계측계획수립하였다. 계측항목중전통적인궤도작용력의측정방법이외에정밀측정을위한방안을강구하여전자기장, 전자파의간섭오류를최소화시킬수있는광섬유레일패드센서 (FORPS) 등을적용할계획이다. 노반에서는열차속도증가에따라주행안전성이불리하게되며, 궤도의불연속면에서큰충격하중이작용하게된다. 따라서고속선에서중요한관리항목은궤도의평탄성유지이며, 이는노반의하중변화, 침하, 내구성등에좌우될것이다. 또한노반분야모니터링은다른구조물과달리성토체내부에센서가매립되어야하기때문에장기적으로안정성을우선확보할수있어야한다. 노반분야계측계획은 Fig 3과같이표준노반, 연약지반및접속부노반에대해하중변화, 침하및내구성등의주요인자들에대한계측항목으로계획하였다.
(a) Standard embank roadbed (b) Soft ground foundation roadbed (c) Bridge/Earthwork transition roadbed Fig 3 Roadbed field of sensor installation plan Table 5 Track measurement sensor installation plan 측정위치설치계획센서수량 연정교 ( 소수주형 ) 변위계가속도계가속도계 ( 차량 ) 7 5 3 연정교 (PSC Box) 변위계가속도계가속도계 ( 차량 ) 7 5 3 정지고가교 (E/D) 변위계가속도계가속도계 ( 차량 ) 10 3 교량모니터링은대표적교량들인 PSC-Box교, 소수주형교및 Extradosed교를선정하였다. 현재교량의응답에의한주행안전성및승차감검토기준은전세계적으로 360km/h 이하의설계속도에대한기준이므로, 그이상의속도대역에서는교량통과시차량의응답에의한직접적인상호작용검토가필요하다.[1] 따라서이들교량에대해동적설계기준의동적응답관련항목에해당하는연직변위, 교량상판진동가속도, 면틀림을기본항목으로고려하였으며, 교량의
거동과차량의승차감에대한연관성을검토하기위한차상및교량상가속도계를추가적으로계획하였다. 또한차상신호와교량상신호의상호작용분석을위해설치된센서는 GPS Clock을이용한 GPS 동기화방법을통해상시 0.5ms이내까지동기화하도록계획하였다. 3. 결론 미래의녹색성장동력의하나로추진되고있는 400km/h급고속철도인프라시범적용기술개발과관련하여현재호남고속철도에추진중인테스트베드구간에대해현황을검토하였다. 환경소음분야에서는소음저감을위한방음벽상단장치와흡음블록의성능테스트와 400km/h의소음기여도분석및소음전파예측모델에대한객관성을확보하기위한성능평가계획을 4개소에대해수립하였다. 전차선분야에서는전차선과팬터그래프간의집전성능시험을위한차상구간과전차선로의동적및정적특성을평가하기위한지상구간으로나누어테스트베드전구간에걸쳐계획하였다. 선로구축물중궤도분야에서는호남고속선선형에따른응답검토와궤도작용력확인을위해원곡선, 완화곡선, 직선구간에대해계측계획을수립하였으며, 노반분야에서는운행차량증속에따른지반의하중변화, 침하및내구성등을평가하기위해표준노반, 연약지반및교량접속부구간에대해모니터링계획을수립하였다. 교량에대해서는동적응답항목및교량거동과차량의승차감에대한연관성을검토하기위하여 PSC-Box교, 소수주형교및 Extradosed교를선정하여계측계획을수립하였다. 본연구를통해국내에서처음으로시도되고있는고속철도테스트베드구축계획은향후 400km/h급인프라시스템의구축과운영을통해고속철도의핵심기술확보에기여할것이다. 후기 이논문은국토해양부에서지원한 400km/h 급고속철도인프라시범적용기술개발 과제에의해수행되었습니다. 참고문헌 [1] K.Y. Eum, Y.S. Kang, J.H. Yun (2011) The status of technology development for 400km/h HSR infrasystem to increase speed, Journal of Korean Society of Steel Construction, 23(6), pp. 63-67. [2] K.Y. Eum, et al. (2011) Korea Railroad Research Institute, Development of infrastructure technology for 400km/h high speed rail, Research report [3] Y.S. Kang, et al. (2011) Korea Railroad Research Institute, Study on design standards of track systems for the high-speed railway at 400km/h, Research report