1. 서 론

국내 철도 노선은 2018년 기준 73%가 넘고 있으며 특히 복선으로 된 주요 노선들은 거의 대부분 전철화 설비가 되어 있다. 전기철도 차량은 전차선으로부터 전류를 공급받아 차량 내부의 전력변환장치를 거쳐 추진제어 등 차량에서 소모한 후 차륜과 레일을 경로로 하여 변전소로 전류를 귀환시키는 루프를 통해 전철화 구간을 운행한다. 이러한 귀환 전류를 귀선 전류라고 한다. 귀선전류는 전기철도 차량 내부에서 전력변환장치를 거치는 동안 고조파가 내재될 수 있으며, 이러한 귀선전류의 고조파로 인해 열차는 물론 변전소 및 지상에 설치되어 있는 신호설비들의 정보 전송에 영향을 줄 수 있다^(1,2,3). 귀선전류의 고조파 영향에 의해 지상의 신호설비로부터 정보가 전송되지 않거나 잘못된 정보가 전송된다면 차상장치는 열차를 비상 정지시키거나 오동작을 일으켜 열차운행의 지연 또는 중단 등과 같은 문제를 발생시킬 수 있다^(4,5,6,7,8).

특히 철도안전의 확보와 철도안전관리체계 확립을 위해 철도안전법이 발효되면서 신규 노선 및 개량 노선의 경우 철도 시설물 성능검증시험지침에 따라 시험을 하여야 한다.

이러한 시설물 성능검증시험의 일환으로 자동열차정지장치(ATS : Automatic Train Stop) 또한 전기철도 차량 운행에 따른 귀선전류 고조파로부터 영향을 받는 지에 대한 시험이 수행되어야 하지만 기존에는 이러한 시험을 수행하지 않았기 때문에 시험방법 및 절차, 평가방법 등이 구비되어 있지 않았다. 본 논문에서는 이러한 ATS 장치의 귀선전류 고조파 영향을 확인하기 위한 시험 방법 및 절차, 기준을 제시하고, 시설물성능검증시험을 통해 수행된 ATS 장치의 고조파 시험 결과를 분석하였다.

2. 귀선전류 고조파에 의한 ATS 장치의 측정방법 및 기준

기존에는 지상 ATS 장치를 설치 한 이후 ATS 지상자 시험기를 이용한 응동주파수와 Q값을 확인하고, 해당구간에 열차를 운행시키면서 신호현시가 적합하게 이루어지는 지 확인하는 것이었지만 시설물성능검증시험을 통해 확인하여야 하는 사항은 전기철도 차량 운행에 따라 발생되는 귀선전류 고조파에 의해 ATS 지상자의 응동 주파수가 영향을 받는 지의 여부로 정의할 수 있다.

ATS 장치를 이용한 철도의 5현시 신호체계는 R(적색등 현시, 정지), YY(황색등 2등 현시, 경계, 25km/h이하), Y(황색등 1등 현시, 주의, 65km/h이하), YG(황색등 녹색등 현시, 감속, 105km/h이하), G(녹색등 현시, 진행) 신호로 구성되어 열차를 운행시킨다. 따라서 귀선전류 고조파에 의한 ATS 지상자의 응동 주파수가 영향을 받는 지 확인하기 위해서는 R 신호를을제외한 YY, Y, YG, G의 4개 신호 현시에 대해 각각 전기철도 차량을 운행시키면서 시험을 하여야 한다. R 신호 현시의 경우는 열차운행을 할 수 없는 정지 신호 상태이기 때문에 시험을 할 수 없는 조건임으로 고려하지 않아도 된다.

이러한 5현시 신호체계에 있어서 ATS 지상자의 사용주파수는 다음의 표 1과 같다

전기철도 차량이 ATS 지상자를 통과할 때 위의 표 1에 해당하는 신호 주파수가 차상안테나로 응동되어 기관사에게 해당 구간에 대한 신호를 현시함으로서 안전한 열차운행이 이루어진다. ATS 지상장치의 귀선전류 고조파에 의한 영향분석을 위한 시험은 측정개소로 선택된 ATS 지상자와 연결된 ATS 계전기 랙에 다음의 그림 1 및 2와 같이 측정장치를 구성하여 데이터 수집을 위한 프로그램이 설치된 노트북 컴퓨터에 연결하여 측정하였다. ATS 지상장치의 귀선전류 고조파에 의한 영향분석 시험은 전기철도 차량이 운행하면서 이루어져야 되기 때문에 ATS 시험기로 시험을 할 수가 없다. 그림 1에서 보이듯이 선로 사이에 설치된 ATS 지상장치에 선행열차의 위치에 따라 해당 구간에 적합한 신호 현시를 하기 위해 선로변에 그림 1 및 2와 같이 계전기 랙으로 연결되어 있다. 따라서 그림 2와 같이 ATS 지상장치와 연결된 계전기 랙의 해당 신호 단자에 각각 측정 프로브를 설치하여 측정할 수 있다. 그림 3은 실제 시험이 수행된 현장을 보여주고 있다.

그림. 1. 자동열차정지장치(ATS) 시험구성도

Fig. 1. Test Diagram of ATS

그림. 2. 자동열차정지장치(ATS) 시험 측정위치

Fig. 2. Test point of ATS

그림. 3. 자동열차정지장치(ATS) 고조파 시험사진

Fig. 3. Test picture of ATS harmonic frequency

ATS 지상장치 및 차상장치에 대한 한국철도표준규격(KRS)은 KRS SG 0059 – 14R ATS 지상장치, KRS SG 0058 – 16R ATS 지상자시험기, KRS CS 0002 – 14R 정보형 ATS 차상장치 등이 있으며^(9,10,11), ATS 지상자시험기로 시험하는 경우 각 신호별로 ATS 지상자로부터 응동되는 주파수가 ±1kHz 내에 있어야 하지만, ATS 지상장치 및 차상장치에 대한 KRS 규격을 검토해 본 결과 차상 안테나로 수신하는 경우에는 각 신호별로 ATS 지상자로부터 응동되는 주파수가 ±3kHz 내로 측정되면 적합함을 알 수 있었다.

한국철도표준규격을 토대로 검토한 결과 ATS 지상장치에 대한 귀선전류 고조파 영향 분석 시험의 경우 열차가 없는 상태에서 ATS 지상장치 시험기를 활용하여 측정하여 시험 대상체가 적합하게 설치되어 있는 지 확인한 이후 R을 제외한 4가지 신호가 현시되도록 설정하고 전기철도차량을 운행하면서 측정한 결과가 다음의 표 2와 같이 해당 응동주파수의 ±3kHz 내에 있는 지 확인하여야 한다.

3. 귀선전류 고조파에 의한 ATS 장치 측정결과 및 분석

3.1 귀선전류 고조파에 의한 ATS 장치 측정결과

열차가 운행할 수 없는 정지신호인 R을 제외하고 YY, Y, YG, G 4개의 각 신호에 대하여 해당 신호별 제한속도(25, 65, 105, 140km/h)로 전기철도차량이 운행될 때 그림 1 및 2의 위치에서 각 2회 측정하였으며 다음의 표 3에서는 측정결과를 요약해서 보여주고 있으며, 그림 3부터 10까지에서 각 신호현시별 시험기와 열차통과시로 구분하여 측정한 그래프를 보여주고 있다.

그림. 4. ATS 시험기 이용 시험시 측정 그래프(YY신호 현시)

Fig. 4. Measurement graph of test using ATS tester(YY signal)

표 3. 귀선전류 고조파에 대한 ATS 지상자 시험 측정결과

Table 3. Measurement results of ATS ground equipment for the return current harmonics

Signal	Speed Limit	Criteria	Used Tester	Train Pass	Judgment
YY	Signal Speed Limit (25km/h)	122±1kHz (Tester), 122±3kHz (Train)	121.838 kHz	121.915 kHz	Pass
				121.781 kHz	Pass
Y	Signal Speed Limit (65km/h)	114±1kHz (Tester), 114±3kHz (Train)	113.843 kHz	111.046 kHz	Pass
				111.032 kHz	Pass
YG	Signal Speed Limit (105km/h)	106±1kHz (Tester), 106±3kHz (Train)	105.725 kHz	105.01 kHz	Pass
				105.01 kHz	Pass
G	Signal Speed Limit (140km/h)	98±1kHz (Tester), 98±3kHz (Train)	97.888 kHz	98.618 kHz	Pass
				98.538 kHz	Pass
Note: For each signal of YY, Y, YG, G, measure twice each time the train operating at the speed limit (25, 65, 105, 140 kph) for each signal passes.

그림. 5. ATS 열차 통과 시험시 측정 그래프(YY신호 현시)

Fig. 5. Measurement graph at ATS train pass test(YY signal)

그림. 6. ATS 시험기 이용 시험시 측정 그래프(G신호 현시)

Fig. 6. Measurement graph of test using ATS tester(G signal)]

그림. 7. ATS 열차 통과 시험시 측정 그래프(G신호 현시)

Fig. 7. Measurement graph at ATS train pass test(G signal)

그림. 8. ATS 시험기 이용 시험시 측정 그래프(Y신호 현시)

Fig. 8. Measurement graph of test using ATS tester(Y signal)

그림. 9. ATS 열차 통과 시험시 측정 그래프(Y신호 현시)

Fig. 9. Measurement graph at ATS train pass test(Y signal)

그림. 10. ATS 시험기 이용 시험시 측정 그래프(YG신호 현시)

Fig. 10. Measurement graph of test using ATS tester(YG signal)

그림. 11. ATS 열차 통과 시험시 측정 그래프(YG신호 현시)

Fig. 11. Measurement graph at ATS train pass test(YG signal)

4. 결 론

국내 철도노선의 전철화가 지속적으로 진행되면서 복선의 경우는 95%가 넘어서고 있다. 친환경 에너지인 전기를 이용하는 철도는 여러 가지 장점을 가지지만 전기철도 차량과 지상의 신호시설물 사이의 귀선전류 고조파 등을 포함한 전자파 간섭으로 신호시설물의 오동작 등 안전에 영향을 줄 수 있는 우려가 커지고 있다. 이에 대한 대책으로 철도안전법의 하위 규칙으로 시설물성능검증시험 지침이 제정되어 노선을 신설하는 경우나 주요한 개량을 하는 경우 전기철도차량에 의해서 발생되는 귀선전류 고조파가 선로의 신호시설물에 영향을 줄 수 있는 지 확인하는 시험을 수행하여 적합함을 확인하여야 한다. 이러한 시험에는 궤도회로에 대한 귀선전류 확인, 귀선전류 고조파 영향, 전자연동장치 고조파 영향, ATP 장치 고조파 영향 시험을 비롯하여 ATS 장치에 대한 고조파 영향 시험 등이 포함되어 있다.

앞에서도 언급하였듯이 기존에는 ATS 지상장치를 설치한 이후 시험기를 이용한 설치 확인시험만 하였으나 시설물성능검증지침에 따라 귀선전류 고조파 영향 시험을 수행하여야 한다. 그러나 이러한 시험에 대한 측정방법과 기준이 없었기 때문에 본 논문에서는 ATS 지상장치에 대한 귀선전류 고조파 영향 시험을 위한 측정방법 및 기준을 제시하였고, 본론에서 제시한 측정방법 및 기준을 활용하여 측정한 결과 전기철도차량에서 발생되는 귀선전류 고조파가 시험 대상 개소의 ATS 지상장치에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.

향후 ATS 지상장치를 신설하거나 개량하는 노선에서의 시설물성능검증시험시 본 논문에서 제시한 측정방법, 기준, 분석방법 등이 유효하게 적용될 수 있을 것이다.