5 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR5S99 고속철도무절연궤도회로의경계부특성해석에관한연구 Study on haracteristics of the boundary of track circuit on electrical separation oints 류시출 *, 노성찬 *, 유광균 * Si-hul Ryu *, Sung-han Rho *, Kwang-Kiun Yoo * Abstract UM7 track circuit detects a train by the Audio frequency(af) signal through rails on the KTX. The track circuit does not use a physical insulating oint, but is electrically isolated using a passive filter. The passive filter used in the boundary of the track circuit is composed of the and in series or in parallel to separate the tracks. The filters are selected by using the resonant filter that cut-off or passes frequencies. Therefore, the change in the boundary characteristic of track is generated by changing the line of the track circuit constants and, characteristic of the filters. To analyze the circuit -port network analysis using Transmission line theory and uses Matlab Simulink. Keywords : AF track circuit, track constant, detecting train, track circuit on electrical separation oints 초록고속철도에서사용중인 AF무절연궤도회로 (UM7) 는가청주파수 (Audio Frequency) 신호를궤도에흘려주어열차를검지하는시스템이다. 무절연궤도회로는물리적절연이아닌전기적절연을사용하여궤도회로를구분하며전기적절연은 수동필터를사용한다. 궤도회로의경계부에사용하는수동필터는궤도의선로정수와경계를이루기위한 과 를직렬또는병렬로구성하여궤도주파수의차단과통과를선별하는공진형필터를사용한다. 따라서궤도회로선로정수의변화및, 수동필터의특성변화에의하여경계특성의변화가발생한다. 본논문은궤도회로의경계부에서선로정수변화에따른궤도회로경계부특성변화를분석하고자한다. 이를위하여전송선로이론을이용한 단자회로망해석으로회로를분석하고 Matlab Simulink를활용하여이를확인하고자한다. 주요어 : AF 궤도회로, 선로정수, 열차검지, 무절연궤도회로. 서론 궤도회로 (track circuit) 란결정된궤도구간에다른운송수단이통행하는지를자동으로검지하기위한전기회로이다. 궤도회로가제공하는정보는대부분의철도자동제어에필수적인안전요소이다.[] 교신저자 : 한국교통대학교철도대학철도전기전자공학과 * 한국교통대학교철도대학철도전기전자공학과
궤도회로를구성하기위해인접궤도회로의구분을위한궤조절연장치설치여부에따라유절연궤도회로방식과무절연궤도회로방식이있다. 유절연궤도회로는전기적회로를구성하기위해궤도를적당한구간으로구분하여인접궤도회로와전기적으로절연하기위하여궤조절연을설치한다. 무절연궤도회로는궤조절연을사용하지않고궤도에일정한주파수를갖는전기신호를전송하여전기적절연장치를통하여궤도를구분하는궤도회로를말한다. 본논문은무절연궤도회로에서전기적절연구간, 즉경계부의선로정수변화에따른전기적절연장치의특성변화에대해알아보고자한다.[]. 본론. UM7 궤도회로원리및특성.. 고속철도 UM7 궤도회로의경계부특성무절연접속부는궤도회로의전기적인구분을위하여일종의 공진회로로서동작한다. 개의동조유니트 (BU, Tunning Unit) 와그사이의공심인덕터 (SVA, Air ore Inductor) 로구성되어있다. 두개의동조유니트는각각직렬공진회로와병렬공진회로로작용한다. F 주파수에대해동조유니트 F은대역통과필터로서동작하고동조유니트 F는대역차단필터로동작하게된다. 따라서인접한궤도구간의궤도신호는무절연접속부에서서로중첩되므로열차검지의연속성을보장받을수있다. Fig.는주파수에대한무절연접속부의주파수차단및통과특성을나타낸것이다.[3] Fig. 주파수에따른무절연접속부의주파수차단특성 인접한궤도회로의궤도주파수 F에대하여직렬공진동조유니트 (F) 은극점 (Pole) 으로동작하고, 병렬공진동조유니트 (F) 는영점 (Zero) 으로동작하는직렬회로가된다. 그리고반대편궤도회로의궤도주파수 F에대하여병렬공진동조유니트 (F) 가극점 (Pole) 으로동작하고, 직렬공진동조유니트 (F) 는영점 (Zero) 으로동작한다. 따라서주파수 F의궤도신호는직렬공진동조유니트 (F) 에는전류가거의흐르지않고병렬공진동조유니트 (F) 와공심인덕터 (SVA) 를거쳐귀환한다. 마찬가지로주파수 F의궤도신호는병렬공진동조유니트
(F) 에서전류가거의흐르지않고직렬공진동조유니트 (F) 와공심인덕터 (SVA) 를거쳐귀환한다. [][5].. UM7 궤도회로모델링전기적절연구간의특성을해석하기위해전기적절연구간을간략하게회로화하면다음과같다. 주파수 F과주파수 F에대한해석방식은동일하다. Fig. 전기적절연구간의등가회로 주파수 F에대하여직렬공진동조유니트는주파수 F에서극점 (Pole) 으로동작하고, 병렬공진동조유니트에서는영점으로동작하는공진회로가된다. 그리고반대편궤도회로의궤도주파수 F에대하여병렬공진동조유니트가극점으로동작하고직렬공진동조유니트는영점으로동작한다. 따라서주파수 F의궤도신호는직렬공진동조유니트에는전류가거의흐르지않고병렬공진동조유니트와공심인턱터를거쳐귀환하게된다. Fig.3 주파수 F 공진회로동작시등가회로 Fig. 회로의임피던스를계산하기위해레일과 SVA의인덕턴스의합을 로두고전체합성임피던스를계산하면 Fig. 주파수 F 공진회로동작시등가회로 ( 합성 )
Z, Z 각각의임피던스를구하면 Z () Z () 전체합성임피던스 Z TOTA Z Z Z Z Z TOTA Z TOTA (3) 대역소거필터로서동작할때의주파수를알기위해 TOTA Z 의최소값을구하면 f f () 식 () 에서등가회로임피던스가영점 (Zero) 으로동작시의영점주파수는 에따라결정된다. 이를통해동조유니트 (F) 이외의, 의변화가대역소거필터 ( 극점, pole) 의주파수에는영향을주지않음을알수있다. 한편, 대역통과필터의주파수를알기위해 TOTA Z 최대값의주파수를구하면
X X X X X 라면 f () 위식에서 ω > 이고, 실수값이므로 f (5) 단, > 이다. 변경요인으로는 의값이되고이에따른대역통과필터로동작하는주파수변화가크게발생한다. 식 (3) 에서 이라한다면식을좀더간소화할수있다. f (6). 경계부의전기적특성시뮬레이션.. Matlab 시뮬레이션기본등가회로무절연궤도회로의경계부구성품의변화에따른전기적특성변화를시뮬레이션을통하여알아보기위하여 Matlab 을이용하여케이블길이, 즉 값의변화할때의각 BU 에서의임피던스변화를확인하려한다.
이를위하여 Matlab Simulink를이용하여궤도회로경계구간에대해 9.8m의중복단락구간을 SVA 중심으로양쪽에설치하는선로정수와양단 BU의기존파라미터를이용하여무절연궤도회로의경계부회로를구성하였다. 이때 BU, SVA는궤도와.8m 케이블로연결되어있어이를포함하였다. 주파수 F 공진회로동작시등가회로 Fig.3에서와같이주파수 Hz(F) 에서공진회로로동작하는등가회를구성하여 BU 의주파수에따른임피던스의변화를확인하였다. 이때 BU3의 직렬회로는영점 (Zero) 동작하고레일의저항과인덕턴스를추가하여회로를구성하였다. Fig.5은 Matlab Simulink 시뮬레이션구현회로를나타낸것이다. Fig.5 Matlab 시뮬레이션등가회로 Table Matlab 시뮬레이션 ( 케이블추가 ) 등가회로파라미터 Materials Properties 37. H BU 69.577 F. F - 3 F BU3-6. F SVA 33 H R.56 m / m.35 H Rail(9.8m) S.76 S / m.8 nf R. m / m able.5 H / m - 경부고속선궤도회로설치당시의선로정수평균값참조 (999년) - 당시이평균값을이용하여궤도회로절연구간 (JES) 의적정길이를산출하였음
Fig.6 BU 의임피던스변화와위상변화 Fig.6은주파수를 X축으로하여 Y축에임피던스변화를나타낸것이다. BU의경우 3Hz에서임피던스최저를나타내고 36Hz에서임피던스최고점을이루고있다. 위의그림 Fig.6은 BU의위상변화를통한필터의성능을보여주는그림이다. 임피던스최저점인 3Hz에서임피던스의위상이 -9 에서 +9 로변화하였으며, 36Hz에서위상이 를나타내고있다. 기본적으로임피던스최고점을 Hz에서이루어져야 의위상을나타내어야하나, 중복단락구간의궤도정수에따라임피던스최고점의주파수가변화하고있음을알수있다... Matlab 시뮬레이션기본등가회로경계부의선로정수가변화가발생할경우에대해확인하고자한다. 선로정수에대한변화요인으로는크게저항, 레일및케이블의인덕턴스등이있다. 이중필터기능에영향을주는요인으로는레일및케이블의인덕턴스가큰영향을준다. 따라서 BU를선로외측으로위치이동을가정하고안정적으로동작이가능한거리로 6M를산정후시뮬레이션한다. " 철도의건설기준에관한규정 " 제5조 ( 시공기면의폭 ) 에서설계속도에따라최소시공기면의폭을규정하고있는데 ~3km/h의경우최소.5m로규정하고있다.( 시공기면 : 토공구간에서궤도중심으로부터시공기면의한쪽비탈머리까지의거리를말함 ). 따라서시공기
면의바깥부분에구성품을설치한다고했을때최소.5m 이상이요구되고최대 6m가요구되어최대길이로산정하였다. Fig.7 값변경 ( 케이블추가 ) 에따른 Matlab 시뮬레이션등가회로 아래 Fig.8은 BU3에케이블의길이를 6M로연장하여 BU의임피던스를측정한결과를나타낸것이다. Fig.8 케이블 () 추가후 BU 의임피던스변화와위상변화
BU의경우케이블의길이가연장되면서중복단락구간의임피던스가변화하였으나, 대역소거필터의주파수는 3Hz로변화하지않았으나대역통과필터의대역통과주파수는 36Hz에서 6Hz로 99Hz 변화함을알수있다. 따라서 Hz에서의임피던스가낮아져서전압강하가크게발생하여착전전압또는송전전압이감쇠함을예측할수있다. 3. 결론본논문은경부고속철도에서사용하고있는 UM7 AF무절연궤도회로의경계특성에관하여회로해석및시뮬레이션을통한특성을파악하였다. 경계부의선로인덕턴스의변화에따른경계특성의변화에대한임피던스합성식을구하고시뮬레이션을통하여경계특성의영향에대해알아보았다. 시뮬레이션결과궤도회로경계부의중복단락구간은선로인덕턴스의변화로대역차단주파수에영향을주지못하지만임피던스극점변화로대역통과주파수에큰영향을미치는것을확인하였다. 특히중복단락구간의대역통과주파수에변화를주어기존설계의대역통과주파수에서임피던스가크게감소하였다. 이로인해전압강하가크게발생하고착전전압의감쇠로인한열차검지기능에장애를발생시킬수있다. 고속철도무절연궤도회로를구성하는 DB, BU, SVA 등의시설물이유지보수의어려움으로인한위치변경필요시에인덕턴스변화로인한임피던스극점이동에대해고려해야한다.
참고문헌 [] F.Fessant () Modelisation electrique du circuit de voie, element du systeme de transmission voiemachine des TGV, Revue 3El n 7. pp.6-5. [] Jae-young Park, W.S. Hong, B.R Jeon(7), "railway signal engineering [3] Alain Gros (3), Hardware Architecture Guide Book:UM7, SEE, pp.58-59. [] orrective maintenance sheet(), Train ontrol System, Eukorail [5] Preventive orrective maintenance sheet(), Train ontrol System, Eukorail