2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S295 S-Bond 를이용한 AF 궤도회로특성연구 A Study on Characteristics of AF track circuit using the S-BOND 박동훈 *, 노성찬 *, 유광균 * Dong-Hoon Park *, Sung-Chan Rho *, Kwang-Kiun Yoo * Abstract Recent train signaling system widely used jointless track circuit to improve velocity. Generally track circuit is separated several track sections to keep track train location. To separate track section, S-Bond designed simple hardware and high reliable cable, is applied instead of current impedance bond South Korea. To develop and maintain increased S-Bond, it is required to analyze the concept of S-Bond. This paper describes basic concept of S-Bond and track border characteristics of current feedback and induction caused by train axle. Keywords : S-Bond, AF Track Circuit 초록최근의열차신호시스템에서는운행속도향상을위해서무절연방식의 AF 궤도회로가널리이용되고있다. 일반적으로궤도회로는열차의이동위치를파악하기위하여여러개의궤도구간으로분할하고있다. 이러한궤도구간을분할하기위하여국내에서는기존의중량물형태의임피던스본드대신설치구조물이단순하고부품신뢰도가높은케이블로구성된 S자형태의본드를도입하고있다. 이렇게 S-Bond를사용한궤도회로이용이증가하고있어시스템유지보수및개발을위한 S-Bond 동작원리분석이필요하다. 본논문에서는 S-Bond의기본적인동작원리, 열차차축에의한전류궤환및유도현상을이용한궤도경계구간의특성을분석하고자한다 주요어 : S-Bond, AF 궤도회로 1. 서론 궤도회로의거듭된발전으로기존열차유무의감지이외에운행중인열차에운행정보전달이라는기능을추가되어 Distance to go 방식에서는차상장치연산방식으로발전되었다. 고정폐색방식의 Distance to go 시스템은역방향신호진로제어가가능하도록하는양방향운행기능이기본적으로구성되어있다. 양방향운행은궤도회로의경계점에서송수신의반전을필요로하기기때문에방향성을가진 S-Bond와송수신절체모듈등을설치하여궤도회로시스템을구성할수있다. * 한국교통대학교철도대학철도전기전자공학과 * 교신저자 : 한국교통대학교철도전기전자공학과교수
S-Bond는 pre-shunt( 사전단락 ) 및 post-shunt( 사후단락 ) 의범위를최소화하기위한방안으로개발되어전세계적으로널리구축되어있는신뢰도가높은무절연 AF 궤도회로방식의일종이다. S-Bond를설치함으로써궤도시설물을간소화할수있고, 시스템고장의빈도수가적으며유지보수비용의절감효과가있다. 본논문에서는 S-Bond 기본적인송신및수신부동작원리와해당궤도구간에열차진입하였을때차축에의해이루어지는동작및전류유도현상을분석하고자한다. 2. 본론 2.1 FTGS 궤도회로의 S-Bond S-Bond는자동열차제어장치 (LZB 700M) 에서사용하는궤도회로장치인 FTGS(The Remotefed and Coded Jointless Audio-Frequency Track Circuit) 에설치되어있다. Fig. 1 FTGS Block Diagram FTGS 궤도회로는물리적으로구성된궤도를전기적으로일정구간으로분할을한다. Fig.1 FTGS Block Diagram에서와같이기계적인요소가없이순수하게전기적인궤도구간의분리는 S-Bond라불리는 S자형 Bond에의해이루어지며, 부가적으로 S-Bond는운행선로에서귀선전류의보정을가능하게한다. 궤도회로로송신되는교류를귀선전류의고조파로인한전류적간섭으로부터보호하기위해 FSK (frequency shift keying: 주파수편이변조 ) 가이루어진다. 각각의궤도회로에송신되는교류는궤도회로주파수라하며, 인접궤도와다른 AC전류를반송주파수로송신하며 8개의주파수에의해궤도회로구분이가능하다. FTGS-917에서사용하는궤도회로주파수는 9.5KHz, 10.5KHz, 11.5KHz, 12.5KHz, 13.5KHz, 14.5KHz, 15.5KHz, 16.5KHz 이다. 운행중인열차의차축에의하여궤도회로릴레이가단락되면수신전압은감소하게되면이것을전자연동장치에서판단하여궤도점유상태로판단하게된다. 점유시에는열차로의열차운행정보 (Telegram) 송신은 PSK(phase shift keying: 위상편이변조 ) 방식이된다 2.2 S-Bond 의동작원리및경계특성 2.2.1 S-Bond 송신측특성궤도회로의방향성이란궤도의송신측전류가이웃하고있는다른궤도회로로흐르지않고수신측으로만흐르게하는것을말한다. 만약, 송신전류가이웃하는궤도로흐르게되면, 차상신호장치가지상장치의궤도회로장치로부터지상장치열차운행정보를받는과정에서
오류를범할수있다. 궤도회로의구분은주파수에의하여구별하지만, 두개의주파수가동시에송신되면차상신호장치는두개중레벨이높은것을선택하게되어있다. Fig. 2 S-Bond transmitter operating principle S-Bond의 "md" 구간에서송신전류 is 에의한유도전류에의하여이웃궤도로의전류를차단하여송신전류의방향성을얻는다. 전류 is 에의한유도전류 -is 는전류 ib 와주파수가같고방향이서로반대이므로상쇄된다. "md" 구간은케이블을레일에최대한밀착하여유도결합을높이기위한구조로되어있다. 이러한구조로는유도전류 -is 의크기가전류 ib 에미치지못하므로 ib 를완전히상쇄시키지못한다. 유도전류는결합계수에비례하고 1차측전류에비례하므로, 유도전류를높일수있는다른방법으로 1차측전류를높이는방법이있다. 즉, Fig.2 에서전류 is 를크게해서유도된전류 -is 가 ib 를상쇄시킬수있게한다. 이렇게 1차측 is 전류를크게함으로서 2차측의궤도에흐르는전류 ib 를상쇄시킨다. 2.2.2 S-Bond 수신측특성 Fig.3 에서 102T의수신주파수에대하여수신 Tuning Unit을조정하여공진이되게하면 a, m 간에최대전압을수신할수있다. 이때의수신전류 it 는병렬공진시의전류이므로최소가된다. 본드를통하여흐르는 ir 는저항이작으므로거의모든수신전류가이곳으로흐른다. 전류 ix 는 100T 궤도를돌아오는전류로궤도임피던스에의하여미세하게흐른다. Fig. 3 S-Bond receiver operating principle md" 구간에서전류 is 와 ia 는방향이서로반대이므로유도되어결합한다. cm" 구간에서살펴보면, 전류 ir 는 ix 보다전류의세기가크고방향이같으므로 ir 에의한유도전류 -ir 는 ix 의크기만큼상쇄되고 100T쪽방향으로미세하게흐른다.
2.2.3 차축이 S-Bond 경계구간에접근시특성 Fig. 4 Axle approach to S-Bond Track Border Fig.4과같이열차가 100T에서 S-Bond 수신부로이동함에따라차축에의한궤도단락으로궤도임피던스가작아지므로전류 ix 가점점커지며전류 ir 는반대로점점작아지게된다. 이에따라 ir 의유도전류 -ir 가 ix 를상쇄시키고흐르던것이, 반대로레일전류 ix 에의해유도된전류 -ix 가본드전류 ir 을상쇄시키고 ix 전류와합해진다. 전류 iv 가변화하지않으면 102T수신 Tuning Unit 으로유입되는전류 it 가변화하지않으므로 102T수신전압이변하지않는다. 2.2.4 차축이 S-Bond 경계구간에있을떄특성 Fig. 5 Axle on the S-Bond Track Border Fig. 5에서는열차의차축이 "cm" 구간에진입하여 102T 궤도경계중심으로접근함에따라, "cm" 구간의레일전류와본드전류가상호유도하는거리가짧아진다. 따라서, ix 에의해유도되는전류 -ix 가점점작아지고전류 ix 에대한보상전류도줄어들므로전류 iv 가증가하고 it 가감소하여 102T 수신전압이감소하면, 102T는단락상태로전환된다. 2.3 S-Bond 동작특성측정 S-Bond 송수신부및 Tuning Unit으로전달되는지는전류및주파수를조사하기위하여, 측정을시행하였다. 측정방법은 Fig. 6에보이는것처럼 Oscilloscope와 AC Current probe를이용
Fig. 6 S-Bond operating characteristics measured 하여 S-Bond의 주요부분에 궤도 단락 및 S-Bond 일부분을 레일에서 일부 분리하여 이격 시키는 조건으로 실측을 하였다. Table 1 에서는 각각의 조건별 T3 수신모듈에 실측한 측정한 값을 보여주고 있다. Table 1. Waveform and current value of S-Bond 1. 정상상태에서 T3 수신파형 2. H 부근 단락으로 T3점유 시 T3 수신파형 11.5Khz,5A/V, 200mV 측정치: 148mV - 740mA 11.5 khz, 5A/V, 200mV 측정치: 40mV- 200mA 3. E와 F 본드를 레일에서 이탈 시 T3 수신파형 4. H 단락으로 T3 점유와 E와 F 본드를 레일에서 이탈 시 T3 수신파형 11.5kHz, 5A/V, 200mV 측정치: 225mV - 1125mA 11.5kHz, 5A/V, 200mV 측정치: 80mV - 400mA
3. 결론 S-Bond 송수신부및 Tuning Unit으로전달되는지는전류및주파수특성에관해서분석하고자총 38가지의경우의수에대해서파형측정을실시하였으나본연구에서는 T3 궤도에수신 Tuning Unit 에서의수신파형값위주로파악하였다. S-Bond는정상상태에서 T3 궤도의수신파형이 148mV - 740mA 이며, T3 점유시에는 40mV- 200 ma, E와 F 부분에서본드를레일에서이탈한경우에는 225mV - 1125mA 이며, T3 점유와 E와 F 부분에서본드를레일에서이탈시키는조건에서는 80mV - 400mA 로각각실측되었다. 이결과로확인된사항은첫번째조건에서열차의차축이 S-Bond 에위치하게되면열차차축으로흐르는전류가점차증대하여수신모듈로유입되는전류값이감소하여궤도가단락상태로유지되는것을확인하였으며, 두번째조건는 S-Bond 를레일에서이탈한경우에는전류값이증대하였다. 이것은 S-Bond가레일에밀착되어있는경우에는유도전류가발생되어이웃궤도로흘러가는유기되는전압을상쇄하나이결합이사라지면상쇄하지못하고이웃궤도유기전류가유입되어전류값이상승하는결과가나왔다. 마지막으로단락과 S- Bond 를레일에서이탈한조건을동시에한경우에서는궤도단락조건에의해기본적으로수신되어지는전류및전압값이감소하고유도결합에의한유도전류발생이이루어지지않아상쇄전류가생성되지않아전류값이상승하는결과가나왔다. 종합적으로정리하면 S-Bond의동작특성은레일및 S-Bond 에전류가흐를때의상호유도작용의유도및상쇄작용을이용하여송신부에서는이웃궤도로의전류흐름을차단하여궤도회로의방향성을확보하고, 수신에서는차축에흐르는전류를궤환하여수신 Tuning Unit로흐르는전류감소를억제하여궤도경계구간의 pre-shunt 및 post-shunt 범위를최소화하기위해설계된구조이다. 향후에는이번분석에서다루지못한인덕턴스, 임피던스, 주파수, 레일저항값등의추가적인자료를확보하고상호연관관계를고려한조사의확장및정밀한분석이필요하다. 참고문헌 [1] G. DAddio, P. Ferrari, A. Mariscotti, P. Pozzobon, INTEGRATED MODELLING OF AUDIOFREQUENCY TRACK CIRCUITS [2] Siemens FTG S Track Circuit Maintenance Manual [3] Siemens FTG S Track Circuit Tunning Adjusting instructions Manual [4] Siemens LZB700M Maintenance Manual