2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A065 접지방식에따른철도차량의접지고장특성비교 Characteristics of a ground fault of rolling stock according to the ground system 임형순 *, 김연준 *, 최진 *, 이병석 ** Hyeong-Sun Lim *, Yeon-Jun Kim *, Jin Choi *, Byung Suk Lee * Abstract The high voltage circuit and the circuit configuration of a railway vehicle is a rule that can shortcircuit and ground fault protection, lightning, catenary earth fault. If ground fault occurs the electrical shock is generated by the high voltage and fault current. This is the cause of a person s risks and mechanical breakdown. Typically constitutes a ground circuit to protect human life and equipment. This paper is compared with IEC ground system and ground system that have been applied for rolling stock. In addition, this was reviewed earth resistance, fault current in accordance with the contemporary electric shock. Based on this, a simulation was carried out with an equivalent circuit. It was confirmed the validity of the ground circuit applied to a railway vehicle. Keywords : Ground system, Ground fault, short of circuit, railway vehicle, Current electric shock 철도차량에서발생될수있는접지고장은전차선의지락에의한고장, 낙뢰, 고압회로의단락, 접지등이있다. 접지고장이발생되면고전압및고장전류에의해전기적인충격으로부터사람의사상및기기의고장이발생될수있다. 이들로부터인명및기기를보호하기위해서접지회로를구성한다. 본논문에서는국제전기표준회의 (International Electro-technical Commission : IEC) 에서정의된접지방식과고속차량에적용된접지방식에대해서검토하였다. 또한접지저항과고장형태에따른고장루프및감전경로를바탕으로전기적인등가회로를구성하였다. 제안한등가회로를기준으로모델링을수행하여접지방식에의한접지전류, 접촉전압과감전전류를비교하여고속차량에적용된접지회로의타당성을확인하였다. 주요어 : 접지시스템, 접지고장, 회로단락, 철도차량, 감전전류 1. 서론 일반적으로접지란전기설비와대지사이에전기적인연결을통하여접지저항을최소화하는방법을말한다. 이상적으로접지저항이 0 이면지락전류가발생해도전위상승이없지만, 접지저항이존재하면전위가상승하여기기의장해및인명에피해를줄수있다. 접지는전력및전기, 전자, 통신분야에중요한역할을하고있으며, 접지의구분은계통접지, 보호접지, 기능용접지등으로분류된다. 계통및보호접지는기기의손상방지와인체의안전을확보하기위함이고, 기능용접지는전자, 통신설비등의안정된기능을확보하기위한것이다. 또한낙뢰와같은뇌전류나뇌서지로부터안전을확보하기위해피뢰기, SG( 스파크갭 ) 등을설치하여보호한다. 교신저자 : 현대로템 기술연구소책임연구원 (kimyj0105@hyundai-rotem.co.kr) * 현대로템. 기술연구소, 선임연구원, 수석연구원 ** 현대로템, 기술연구소, 이사
일반적으로철도차량에서고압을저압으로변환하기위해서는강압용변압기인주변압기가사용되고있으며, 이때변압기의 2 차권선과 3 차권선이차체에접지를하느냐, 하지않으냐에따라접지또는비접지방식으로구분된다. 차량마다접지방식에차이가있으며, 현재국내기술로개발된고속열차의경우는비저지방식을사용하고있다. 본논문에서국제전기표준회의 (International Electro-technical Commission : IEC) 에서정의된저압직류배전계통의접지방식 (TT 계통, TN 계통,IT 계통 ) 에따른접지저항과고장형태에따른고장전류, 감전전류, 인체접촉전압등을검토하고, 등가회로를통해수식적으로표현하였다. 또한등가회로를이용하여시뮬레이션을수행하고, 철도차량에구현된접지방식에대한타당성을검토하였다. 2. 본론 2.1 IEC ( 국제전기표준회의 ) 60364 접지방식분류 저압직류배전계통의접지방식 국제규격인 IEC60364 에규정된접지방식은전원측접지방식과설비의외함접지방식에따라구분한다. 접지방식의구분은 TT 계통, IT 계통, TN-S 계통, TN-C 계통, TN-C-S 계통으로구분된다. 2.1.1 TT 계통전원측계통의한점을직접접지하고설비의노출도전부를전원측계통의접지극과는전기적으로독립된접지극에접속시킨접지방식이다. 2.1.2 TN 계통전원측계통의한점을직접접지하고설비의노출도전부를보호선을이용하여전원측접지극에접속시킨접지방식이다. TN 계통은중간선및보호선의배열에따라 TN-S 계통, TN-C 계통, TN-C- S 계통으로분류되며그림 1 (b) ~ (d) 와같이구성된다. 2.1.3 IT 계통그림 1. (e) 는 IT 계통의접지를나타낸다. 이계통은전원측계통전체를접지로부터절연시키거나한점에높은임피던스를삽입해접지에접속시키고설비의노출도전부를단독혹은일괄접지시킨접지방식이다. 그림 1. IEC 60364 접지계통
2.2 전원측접지방식분류 철도차량의추진장치및보조전원장치의전원공급은 AC-DC, DC-DC, DC-AC 컨버터를이용하여전력을공급하는방식을사용하고있다. 직류시스템에서는전원부의접속지점에따라양극접지, 음극접지, 중간접지로분류되며, 접지시저항삽입여부에따라직접접지, 임피던스접지, 비접지, 전압제한접지등으로세부분류한다. 2.2.1 양극, 음극접지양극및음극선에직접접지하는방식이며, 접지된선로는기준 0 전위가되며나머지선로는 ±V 전위가인가된다. 접지고장발생시에고장전류가반대방향으로발생한다. 2.2.2 중간점접지대지전압을낮추는효과가있으며, 이접지방식을적용할경우에양극및음극선로에각각 ±V/2 가인가된다. 그림 2. 전원측접지방식 2.3 접지방식에의한고장형태 접지방식에따른고장형태를보면, 양극또는음극이접지선과접촉하는접지고장 (PTG : Pole to Ground) 과양극과음극선이접촉되는접지고장 (PTP : Pole to Pole) 으로구분된다. 그림3. 의고장형태를바탕으로전원그림 3. 고장형태측접지방식에따른고장루프형태를보면그림4. 와같다. 이고장루프는고장형태를바탕으로음극및양극접지, 중간접지고장, 양극과음극선고장형태를나타낸것이다. 그림 4. 접지방식에따른고장루프 2.4 접지계통의접지방식에따른인체감전경로분석접지계통에의한접지방식에따른인체의감전경로를그림 5. 에표시하였으며, 철도차량에서는일반적으로 (-) 를접지하는방식을사용하여음극선접지를기준으로검토하였다. 접지계통의접지방식중에 IT 계통은비접지로인해고장루프가형성되지않기때문에접
촉전압및감전전류가거의발생되지않아서, 본논문에서는 TT 계통과 TN-S 계통, TN-C 계통의등가회로를검토하였다. 그림 6.(a) TT 계통의고장시등가회로를보면접지저항 (Z G ) 이고장전류를제한할수있는구조로되어있어, TN-S, TN-C 계통에비해접지저항의크기를조정하여접촉전압및감전전류를제한하는데, 효과적임을알수있다. = = (a) TT 계통 (b) TN-S 계통 그림 5. 접지방식에따른인체감전경로 (c) TN-C 계통 TN-S 계통의경우접지저항은인체임피던스와직렬로연결되고, 보호도체와는병렬로합성된다. 이구조에서고장이발생하였을때, 접지저항이증가함에따라전체임피던스의변화가작게증가하여 TT 계통보다감전전류의크기를효율적으로제한하지못한다. TN-C 계통의등가회로에보호도체와전원선을같은도체를사용하기때문에부하임피던스가고장루프에포함된다. (a) TT 계통의고장시등가회로 (b) TN-S 계통의고장시등가회로 여기서 Z L : 선로임피던스 Z PE : 보호도체임피던스 Z GT : 기기외함접지저항 Z B : 인체임피던스 Z G : 접지저항 Z Load : 부하임피던스 (c) TN-C 계통의고장시등가회로 그림 6. 접지방식에따른고장시등가회로
2.5 고장시등가회로에대한시뮬레이션결과 표1. 임의의모델링변수 위에제시한접지방식에따른고장시등가회로를기 변수명 값 준으로시뮬레이션모델을그림7. 과같이작성하였 접지저항 10 Ω 기기접지저항 10 Ω 다. 이모델에표1에제시된각변수값을입력하여인체저항 1,400 Ω TT 계통접지, TN-S 계통접지, TN-C 계통접지방식 선로임피던스 0.185 Ω/km 을적용한상태에서접지고장이발생했을때, 고장 부하의소모전력 3kW ( 저항성부하 ) 전류에대해서비교하였다. 그림8. 의시뮬레이션결과를보면, 접지단에걸리는전압의큰차이는없지만, 고장전류 는큰차이를보임을알수있다. 고장전류의크기는 TT 계통모델이고장전류가가장작 고, TN-S 계통의고장전류가가장큼을알수있다. (a) TT 계통모델 (b) TN-S 계통모델 (c) TN-C 계통모델 그림 7. 고장시등가회로에대한시뮬레이션모델 (a) 고장전류파형 (c) 인체감전전류파형 (b) 고장전압파형 인체에흐르는감전전류는 TT 계통이가장작고, TN-C 계통이가장크게흐름을알수있다. 각가의고장전류, 전압, 감전전류를비교하면아래와같다. 고장전류비교 : TN-S > TN-C > TT 고장전압비교 : TT > TN-C > TN-S 감전전류비교 : TN-C > TN-S > TT 그림 8. 고장시등가회로에대한시뮬레이션파형 3. 결론 본논문에서는접지방식에따른고장특성및고장전류, 인체에흐르는감전전류에대해서임의의임피던스변수값을대입하여검증하였다. IEC 접지방식에따라외함접지고장발생시에감전전류의특성을보면, TT 계통접지는접지저항을통하여접촉전압과감전전류의크기를줄이는데용이하다. 반면에 TN 계통접지는보호도체임피던스 (Z PE ) 와병렬로접지저항 (Z G ) 이연결되어접지저항변화에크게영향을받지않으며고장및감전전류가크게발생됨을알수있다. 비접지방식인 IT 계통은접지고장이발생하여도매우작은크기의접촉전압과감전전류가흐르게된다. 이와같이전원측접지방식및접지저항에따라고장및감전전류의크기가변경되므로철도차량에적용할접지방식을선택할때에
는각접지방식의특성을분석하여적절한방식을선택해야할것이다. 특히철도차량의경우는인명을운송하고, 주기적인점검등을수행하게되어사람이접근하기쉬운점을고려하여인체안전을고려한적절한접지방식을적용하여야한다. 현재고속전철시스템은접지고장이발생하여도매우작은접촉전압과감전및고장전류가흐르는비접지방식인 IT 방식을적용하고있으며, 접지검지는별도의검지회로에의해접지고장을검지하고있다. 참고문헌 [1] Dong-Woo Kim (2016). Protection Techniques Against Electric Shock in Low Voltage DC Grounding Systems Depending on the Analysis of Earth Fault Current Paths. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol, 65, No.1, pp. 232~238. [2] In-Ho Baek (2015).Analysis of Fault Characteristics by the Type of Grounding Scheme in Low Voltage DC Distribution System. Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers. 29(1): 103~112 [3] Navigant Research Report, Direct Current Distribution Networks 2013 [4] E. Amiri. S.H.H. Sadeghi, R. Moini, A Probabilistic Approach for Human Safety Evaluation of Grounding Grids in the Transient Regime, IEEE Transactions on Power Deliver, Vol 27, No. pp. 945~952, 2012 [5] Hirose. K, Tanaka. T, Babasaki. T, Person. S, Foucault. O, (2011). Grounding concept considerations and recommendations for 400VDC distribution system, Telecommunications Energy Conference, pp 1~8