최종록
(Jong-Rok Choi)
1iD
권호준
(Ho-Jun Kweon)
1iD
김상현
(Sang-Hyeon Kim)
1iD
김재문
(Jae-Moon Kim)
†iD
-
(Doctor’s Course, Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University
of Transportation)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Arrester, Spark Gap, Insulation Coordination
1. 서 론
전기철도는 전기를 동력원으로 하여 급전계통에서는 급전선, 전차선, 레일을 통해 전력을 전기철도차량으로 공급하며, 정상 급전 시 국내 기준에 따라
전차선 전압의 범위가 정해져 있다. 그러나 급전계통에서는 여러 가지 원인에 의해 최고사용전압을 초과하는 과도 전압 발생하게 된다. 이러한 과도현상은
급전계통과 부하설비인 철도차량 모두에서 나타나며, 전기회로의 기기 및 선로는 항상 이 과도전압의 위협에 노출되게 된다.
KTX-산천에서는 주회로차단기(MCB)의 투입과 차단이 빈번하게 이루어짐에 따라 고속차량의 주변압기와 전력변환시스템 계통에 다양한 이상전압으로 인해
장애를 유발하고 있다. 이와 관련된 연구 사례를 보면, 전기철도시스템에서 피뢰기의 절연협조와 산업선 전력품질에 따른 피뢰기 상관관계, 전철급전구분소의
효율적인 전력공급계통 구성 등의 관련 논문이 일부 있으나 전기철도차량에 관련된 절연협조에 대한 연구는 전무한 실정이다.
본 논문에서는 철도차량의 급전계통에서 발생하는 이상전압을 제거하기 위해 KTX-산천에만 적용되어 있는 피뢰기와 스파크 갭(SG)의 동작특성 분석을
통하여 고속철도차량 급전계통에 발생하는 과도현상에 대한 장애를 저감하기 위한 상호 절연협조에 대해 연구하였다
2. 전기철도 이상전압과 절연협조
2.1 전기철도 이상전압
전기철도에서 가공전차선로, 전기차량 및 레일로 구성되는 고전압 급전계통과 계전기를 이용한 신호 궤도회로, 전철기, 열차통신을 위한 각종 무선설비 및
통신 제어 장치 등 전압등급이 상이한 여러 전기설비로 구성되어 있다.
그러나 전력계통에서는 여러 가지 원인에 의해 최고 사용전압을 초과하는 과대한 전압 발생하게 된다. 이러한 과대한 전압을 과전압 또는 이상전압이라 하고
전력회로의 기기 및 선로의 절연은 항상 과전압의 위협에 노출시키게 된다.
전기철도시스템의 급전계통에서 발생하는 이상전압은 외부 이상전압(외뢰)과 내부 이상전압(내뢰)으로 나누어진다. 외부 이상전압은 뇌(雷)로 인해 발생하는
것으로 뇌의 직접 적인 전격에 의한 충격성 이상전압으로 직격뢰 및 뇌운(雷雲)의 정전유도에 의한 유도뢰가 있다. 내부 이상전압은 순간적으로 혹은 단속적으로
정상적인 운전 전압을 넘어서 발생하는 이상전압으로서, 스위치류의 개폐에 동반하는 과도적인 이상전압과 공진현상과 같은 지속적 이상전압으로 구분된다[1].
Table 1은 전기철도 급전계통에서 발생될 수 있는 이상전압의 사례로 개폐 서지인 경우 최고 전압의 2.5배인 70[kV] 이상전압이 발생할 수 있으며, 전차선로
진행파에 의해서는 최고 300[kV]까지 상승될 수 있음을 알 수 있다.
표 1 전기철도 급전시스템의 과도전압
Table 1 Transient Voltage of Electric Railway Feeder System
|
항 목
|
최고사용
전압[kV]
|
이상전압
배수
|
이상전압
[kV]
|
|
개폐 서지에 의한
이상전압
|
27.5
|
2.0~2.5
|
60~70
|
|
팬터그래프의 이선 등에 의한 이상전압
|
1.5~2.0
|
40~60
|
|
뇌 서지 전압
|
유도뢰
|
3.6~5.5
|
100~150
|
|
직격뢰
|
11~88
|
300~500
|
|
전차선로 진행파 전압
|
애자
flashover 전압
|
250~300
|
철도의 경우에는 일반 송전선로에 비해 지상 높이가 낮기 때문에 뇌에 의한 이상전압의 발생빈도는 직격뢰보다도 유도뢰에 의한 것이 많다. 이 유도뢰에
의해서 전차선로에 발생하는 이상전압의 최대치는 150[kV] 정도이며, 직격뢰의 뇌전류는 수[kA]~200[kA]정도에 이른다. 또한 철도차량의 주전력회로에는
차단기, 단로기 등 다양한 종류의 스위치가 설치되어 있고, 이러한 스위치류를 개폐하면 많은 경우 스위치를 개폐한 순간에 과도적인 이상전압 발생한다.
이 과도적인 이상전압을 개폐 서지 전압이라 하며 스위치의 종류, 회로조건, 차단전류 등에 의해 발생할 때마다 다르며, 전기철도의 급전회로에서 이상전압의
최대치는 정상전압의 2~3배 정도에 이른다[2].
2.2 고속철도차량의 절연협조
그림 1 피뢰기와 스파크 갭 설치 위치
Fig. 1 Arrester and Spark Gap Installation Location
고속철도차량의 부하설비로는 여러 가지 장치들이 있지만, 이상전압으로 인한 장애는 전차선으로부터 전력을 공급 받아 차량으로 공급하는 주회로차단기(MCB),
주변압기, 전력변환장치에서 주로 발생하고 있다.
따라서 이상전압 발생으로부터 차량을 보호하기 위하여 그림 2와 같이 MCB 후단에 피뢰기가 설치되어 있다. 그리고 스파크 갭(SG)이 피뢰기와 병렬로 변압기 1차측 부싱에 설치되어 있다.
2.2.1 피뢰기
고속철도차량 피뢰기 선정에서 우선 고려사항으로 피뢰기의 최대연속 동작전압 (Maximum Continuous Operating Voltage, MCOV)이다.
이 전압에서 피뢰기 전류는 일반적으로 수십[mA]이내이다. 따라서 피뢰기는 MCOV보다 동등 이상으로 선정한다[3].
KTX-산천의 피뢰기 정격은 IEC 60850에 제시된 계통 최대전압 (비지속)이 29[kV]이므로 피뢰기의 MCOV는 계통 최대전압 29[kV]이상이어야
하고 주변압기의 절연레벨인 150[kV]보다는 낮은 보호레벨을 가져야 한다.
2.2.2 스파크 갭(Spark Gap, SG)
스파크 갭은 피뢰기와 병렬로 설치되어 주변압기로 유입되는 서지전압을 피뢰기가 1차적으로 보호하여 방전할 경우 서지전류가 흐르게 된다. 서지전류가 흐르게
되면 피뢰기의 제한전압이 발생하게 되며, 이 제한전압과 접지전위 상승에 의한 과도전압이 발생을 병렬로 연결된 스파크 갭에서 방전시켜 주변압기를 보호한다.
또한 스파크 갭의 절연파괴 충격전압은 피뢰기 제한전압보다는 높고 애자의 절연강도보다는 작은 특성을 가지고 있어, 애자의 절연파괴를 보호할 수 있다[4].
그림 2는 KTX-산천의 고압부싱과 스파크 갭 그림과 외형도를 보여준다. MCB를 통해 인가된 25[kV] 전압을 고압부싱 상부에서 받아 피뢰기에서
제한하지 못한 이상전압을 플랜지 측에 설치된 스파크 갭을 통하여 해소하게 된다[5].
그림 2 KTX-산천 스파크 갭
Fig. 2 KTX-Sancheon Spark-Gap
2.3 피뢰기와 SG의 이상 동작 발생현황
KTX-산천을 운행한 후 현재까지 피뢰기와 스파크 갭 이상동작은 총 14회가 발생하였으며, 그 중 12회가 팬터그래프를 상승한 곳의 반대편 차량의
스파크 갭이 동작하였고, 나머지 2회는 팬터그래프 상승 위치한 같은 곳에서 발생하였다. 10개 편성 중 3개 편성을 제외한 7개 편성에서 스파크 갭의
동작에 따른 지락발생이 확인되었다. 12회에 걸쳐 팬터그래프 상승 후 MCB 투입 시 팬터그래프 상승 위치 차량의 반대쪽 위치 차량에서 SG의 동작에
따른 지락이 발생하였다. 다만, 1회는 차량이 정상 가압된 상태에서 스파크 갭 동작에 따른 지락이 발생되었으며 차량외부로부터의 영향에 따른 것으로
보였다.
3. 시뮬레이션
그림 3은 전기철도 급전계통 구성도로 AT급전시스템과 부하인 전기차량 모델링을 나타낸다. 한전의 3상 전력을 수전 받아 스코트 변압기를 통해 2상(M상,
T상)으로 변환하는 전원계통, 레일에서 유입되는 전류를 전차선과 급전선으로 분류시켜 주는 단권변압기, 전기차량에 전력을 공급해 주는 역할을 하는 전차선로
등이 있다[6][7].
그림 3 고속전철 급전시스템 모델링
Fig. 3 Analysis Model of High-Speed Railway Feeder system
전차선로 시스템은 5도체 등가모델을 적용하였으며, 차량부하 및 변전소, 구분소를 모델링하였다. 또한 그림 4와 같이 고속철도 차량은 주변압기, 지붕에 설치된 고압 절연케이블, 피뢰기를 모델링하였으며, 각 기기의 입력데이터는 주변압기 6.2 [MVA], 27.5//36[kV],
고압 인통선 0.4[Ω/km], 0.415[mH/km], 0.226[uF/km]이다.
시뮬레이션은 각 변압기 %Z에 증가에 따른 서지전압 발생현상을 고찰하기 위하여 10개의 경우를 적용하여 수행하였다. 표 2와 표 3은 피뢰기 설치 유무에 따른 MCB 투입 시 차량의 이상전압에 대한 시뮬레이션 결과로 %Z가 증가할수록 전압 최고값이 다소 증가하는 경향을 보이고
있다.
하지만 피뢰기와 스파크 갭(SG)이 설치된 경우보다 설치되지 않은 경우의 이상전압의 최고치가 기준 전압 대비 42~45[\%]로 높게 나타나는 것으로
확인되었다. 따라서 피뢰기와 SG의 유무가 스위치 개폐 서지 이상전압 발생을 저감할 수 있음을 확인하였다.
그림 4 고속전철 등가 모델링
Fig. 4 Equivalent Model of High-Speed Train
표 2 %Z 변화에 따른 시뮬레이션 결과(피뢰기 無)
Table 2 Simulation Result according to %Z Change (without arrester)
|
Case
|
%Z [pu]
|
Vpeak
[kV]PC1
|
Vpeak
[kV]PC2
|
Vpeak
[%]PC1
|
Vpeak
[%]PC2
|
|
Case 1
|
0.1
|
64.480
|
64.598
|
165.84
|
166.15
|
|
Case 2
|
0.2
|
64.677
|
64.806
|
166.35
|
166.68
|
|
Case 3
|
0.3
|
64.855
|
64.994
|
166.81
|
167.17
|
|
Case 4
|
0.4
|
65.019
|
65.166
|
167.23
|
167.61
|
|
Case 5
|
0.5
|
65.168
|
65.324
|
167.61
|
168.01
|
|
Case 6
|
0.6
|
65.305
|
65.469
|
167.97
|
168.39
|
|
Case 7
|
0.7
|
65.432
|
65.603
|
168.29
|
168.73
|
|
Case 8
|
0.8
|
65.550
|
65.728
|
168.60
|
169.05
|
|
Case 9
|
0.9
|
65.659
|
65.843
|
168.88
|
169.35
|
|
Case 10
|
1.0
|
65.760
|
65.950
|
169.14
|
169.62
|
표 3 %Z변화에 따른 시뮬레이션 결과(피뢰기 有)
Table 3 Simulation result according to %Z change (arrester setup)
|
Case
|
%Z [pu]
|
Vpeak
[kV]PC1
|
Vpeak
[kV]PC2
|
Vpeak
[%]PC1
|
Vpeak
[%]PC2
|
|
Case 1
|
0.1
|
48.169
|
48.561
|
123.89
|
124.90
|
|
Case 2
|
0.2
|
48.187
|
48.567
|
123.94
|
124.92
|
|
Case 3
|
0.3
|
48.204
|
48.572
|
123.98
|
124.93
|
|
Case 4
|
0.4
|
48.220
|
48.577
|
124.02
|
124.94
|
|
Case 5
|
0.5
|
48.234
|
48.581
|
124.06
|
124.95
|
|
Case 6
|
0.6
|
48.246
|
48.586
|
124.09
|
124.96
|
|
Case 7
|
0.7
|
48.259
|
48.591
|
124.12
|
124.98
|
|
Case 8
|
0.8
|
48.274
|
48.595
|
124.16
|
124.99
|
|
Case 9
|
0.9
|
48.288
|
48.599
|
124.20
|
125.00
|
|
Case 10
|
1.0
|
48.300
|
48.603
|
124.23
|
125.01
|
그림 5 ~ 그림 7은 %Z 최소, 중간, 최대의 이상전압 파형으로 %Z가 0.5[pu]일 때 절연협조가 없는 경우 PC1, 2의 Vpeak 값은 각각 65.168[kV]와
65.324[kV]이다. 피뢰기 및 SG가 설치된 경우에는 PC1, 2의 Vpeak 값은 각각 48.234[kV]와 48.581[kV]로 기준 값
40[kV] 대비 약 43[\%]가 차이 나는 것으로 나타났다. 즉, 피뢰기와 SG이 없을 경우 보다 있는 경우 이상전압의 변화가 작은 것을 알 수
있다. 또한 %Z 증가에 따라 이상전압의 크기가 기준전압 크기에 비하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그림 5 과도전압 파형(%Z = 0.1[pu])
Fig. 5 Transient Voltage Graph (%Z = 0.1[pu])
그림 6 과도전압 파형(%Z = 0.5[pu])
Fig. 6 Transient Voltage Graph (%Z = 0.5[pu])
그림 7 과도전압 파형(%Z = 1.0[pu])
Fig. 7 Transient Voltage Graph (%Z = 1.0[pu])
한편 진공 차단기는 차단 성능이 좋아 개방할 때 전류 제한에 의한 고주파 전류 소호를 반복하는 재발호 현상을 일으켜 과전압이 발생하는 경우가 있다.
이때 발생한 고주파 재발호 진동은 변압기의 내부 공진에 의한 전압의 확대 현상을 유발할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 차단기에서 발생할 수 있는 고주파 진동 현상에 대해 모의하고, 그에 대한 대책으로 커패시터 C와 저항 R의 직렬 회로로 구성된
RC bank의 효과를 시뮬레이션을 통하여 검토하였다.
그림 8 고주파 공진회로 등가모델
Fig. 8 High-Frequency Resonant Circuit Equivalent Model
그림 8은 고주파 공진회로 등가모델로 전원부는 수전모선 및 송전선로의 저항, 리액턴스 및 어드미턴스를 포함한다. 변압기부는 주변압기와 단권변압기의 저항,
리액턴스 및 어드미턴스를 포함하며, 차량부는 진공차단기의 고주파 회로 저항 및 차량 주변압기의 저항, 리액턴스 및 어드미턴스를 포함하여 등가화 하였다.
시뮬레이션에 입력된 각 회로 요소들의 정수 값들은 표 4와 같다.
표 4 고주파 공진회로 시뮬레이션 입력데이터
Table 4 Simulation Input Data of High-Frequency Resonant Circuit
|
종 류
|
저항
$R(\Omega)$
|
인덕턴스
$X(m H)$
|
정전용량
$C(\mu F)$
|
|
전 원
|
0.02
|
0.60
|
2.2
|
|
급전용 변압기, AT
|
0.148
|
5.1
|
0.005
|
|
고주파 회로 저항
|
10.0
|
|
|
|
0.001
|
-
|
-
|
|
0.001
|
|
|
|
차량 주변압기
|
22.5
|
553.7
|
0.0045
|
|
RC Bank
|
0~300
|
-
|
0.1~0.5
|
시뮬레이션은 진공차단기의 투입 시 양단의 고주파 진동 회로와 계통의 임피던스에 의해 발생하는 공진점을 찾아 그 크기를 예측하였다. 또한 공진점에서
발생한 고주파 진동 성분을 억제하기 위하여 RC Bank를 추가하였을 때 억제 현상을 모의하였다.
그림 9는 고주파 진동 특성 그래프로 1.9[kHz] 내외에서 공진이 발생하며 확대율이 약 21배로 나타난다. 이는 진공차단기 양단에서 발생한 전압차가 주변압기
양단에서 고주파 전압이 21배가 확대된다는 것을 의미한다.
그림 10은 공진주파수에서의 전압파형으로 1.9[kHz]의 공진주파수에서 고주파 전압을 확인하면 기본 전압에 비하여 약 20배의 전압이 발생하는 것을 확인할
수 있다. 이렇게 공진 전압이 차량 주변압기 양단에 걸리게 되면 스파크 갭 또는 피뢰기가 동작하게 되며, 그렇지 못할 경우 주변압기의 소손이 우려된다.
따라서 본 논문에서는 공진된 고주파 전압의 진동을 억제하기 위해 RC Bank를 고려하였다.
그림 9 고주파 공진특성 곡선
Fig. 9 High-Frequency Resonant Characteristics Graph
그림 10 공진주파수에서 전압파형
Fig. 10 High-Frequency Voltage Graph at Resonant Frequency
그림 10은 RC Bank가 포함된 고주파 공진회로 등가모델로 RC Bank의 입력 데이터를 저항의 경우 150[Ω]으로, 커패시턴스의 경우 0.25[㎌]으로
산정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
그림 11. RC뱅크를 갖는 고주파 공진회로 등가모델
Fig. 11 High-Frequency Resonant Circuit Equivalent Model with RC Bank
그림 12 공진주파수에서 고주파 전압파형(RC 뱅크)
Fig. 12 High-Frequency Voltage Graph with RC Bank at Resonant Frequency
Fig. 12는 RC Bank가 적용된 공진주파수에서의 전압파형으로 1.9[kHz]에서 공진되어 진동하던 전압이 그래프와 같이 공진이 없어졌음을 알 수 있다.
이와 같이 차량의 진공 차단기에서 발생하는 이상 전압이 급전계통과 차량의 임피던스 특성에 의해 공진 특성을 보일 경우 BC Bank가 진동하는 고주파
전압을 억제할 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
4. 결 론
전기철도차량은 동력원을 전기에 두고 있으므로 전차선을 통하여 전원을 공급 받아야 한다. 하지만 최대성능을 발휘하기 위해서는 정격 전압과 전류를 공급
받아 추진제어장치를 동작해야 하는데 여기에는 과도현상에 따른 이상전압이 항시 존재하게 되기 때문에 이를 해소할 수 있도록 보호기기간의 절연협조가 필요하다.
본 논문에서는 KTX-산천 차량의 MCB 투입 동작 시 Swit- ching Surge로 인해 차량 및 가선에서 이상전압이 발생을 확인하였고, 시뮬레이션을
통해 피뢰기와 SG의 설치로 과도현상 저감 효과를 모의하였으며, 125\% 내외로 차량의 이상전압이 제한됨을 알 수 있었다. 또한 변압기 권선은 인덕턴스와
분포 정전용량으로 이루어져 있어 진공 차단기 재점호 발생 시 고주파 전압에 대해 공진 발생하게 되므로 공진주파수에서 고주파 전압이 확대율에 따라 증가되기
때문에 확대율의 감소 또는 RC Bank 설치를 통해 공진주파수에서 고주파 전압을 저감할 수 있도록 절연협조가 필요하다는 것을 확인하였다.
따라서 싱글암을 사용하는 고속철도차량과 같이 전두의 전원을 후부의 동력차에 전원을 공급하는 방식에는 피뢰기가 1차적 보호기능을 수행하지만 집전동력차
상대차량은 피뢰기의 보호동작 용량을 넘어서는 부가적인 보호를 위해 스파크 갭을 사용함으로 피뢰기에 대한 보호효과를 높일 수 있음을 확인하였다.
References
YM Lee, 2015, A Study on the Common Grounding System for the Abnormal Voltage Countermeasure
of the Electric Railway, Chosun University, pp. 3~4-
Song KY, 2018, Power Transmission &Power Distribution, Dongil publishing Co., pp.
362-393
GW Lee, 2012, A Study on the Insulation Coordination of Lightning Arrester in Electrical
Rail System, Hongik Univ., pp. 28-30
2009, Review (Detailed Design) Rooftop High Pressure Device Protection Operation,,
Hyundai Rotem Co., Ltd., Review Report (Document No.- REDU101640)-
2012, KTX-Sancheon Spark Gap Validation and Analysis Report of Abnormal Operation,
Korea Railroad Research Institute
JR Choi, 2016, A Study on the Insulation Coordination of Arrester and Spark-Gap in
High-Speed Electric Railway Vehicle, Korea National Univ. of Transportation, pp. 15-20
Sang-hoon Chang, Kwang-Ha Oh, Joo-Rak Kim, Jung- Hoon Kim, 2002, Harmonic Analysis
of Electric Railway Feeding System Using 6-Terminal Network Circuit Model, The Institute
of Electrical Engineers, Vol. 51, No. 6, pp. 255-261
저자소개
2002년 한국방송대학교. 2016년 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과 졸업(석사)
2016년~2019년 동 대학원 교통정책교통시스템공학과 박사과정
1983년~현재 철도공사 인재개발원 근무
1994년 명지대학교 전기공학과. 2018년 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템 공학과 졸업(석사).
2019년 동 대학원 교통정책교통시스템공학과 박사과정
1994년~현재 철도공사 인재개발원 근무
2014년 한양대학교 공학대학원 졸업(석사)
2017년 한국 교통대학교 교통대학원 교통정책교통시스템공학과 박사과정
1985년~2004년 철도청, 대구지하철공사
2005년~현재 ㈜네오트랜스 근무
1994년 성균관대 전기공학과 졸업
2000년 2월 동 대학원 졸업(공박)
2000년~2004년 현대모비스(주) 기술연구소 선임연구원
2006년~현재 국토교통부 철도기술 전문위원
2004년 3월~현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과/철도전기전자공학과 교수
E-mail : goldmoon@ut.ac.kr