창상훈
(Sang-Hoon Chang)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Transient Grounding Impedance, Electric Railway Earthing System, AT(Auto Transformer) Feeding System
1. 서 론
전기철도시스템에서 전기철도차량의 용량 증가에 따라 급전계통의 대용량화는 필수적이다. 전기철도시스템의 하나인 전차선로는 자연환경에 그대로 노출되어 낙뢰
빈도가 높고 대지저항이 높으며 복잡한 지역에서는 낙뢰의 영향에 취약하다.
이로 인하여 철도시스템을 구성하고 있는 변전소 및 전기철도 급전구간 주변에 대지전위가 상승하여 변전설비에 절연파괴 등의 장해를 초래하거나 전기철도시스템을
구성하고 있는 통신·신호설비는 물론 전선로에 이상전압을 유기하여 철도시스템의 안정적인 운행과 운영에 지장을 초래하고 있다. 2008년부터 최근 10년간
낙뢰로 인한 전기철도 피해통계에 따르면, 총 45건의 피해사례 중 일반철도 14건(31%), 고속철도 31건(69%)으로 고속철도가 일반철도에 비해
약 2배 이상 발생하였고, 설비별로는 애자 섬락사고가 38건으로 가장 많은 것으로 나타났다.
최근의 낙뢰 사례는 2017년 6월 13일 경부고속철도 신경주역 구내에서 낙뢰로 인하여 울산SS-당리SP 간 전차선로 단전, 현수애자 등의 섬락으로
복구기간 동안 고속철도 운행에 지장을 초래하였다(1).
전기철도 운행구간의 낙뢰 및 서지로 인한 사고의 증가로 전기철도 통합접지시스템의 접지임피던스에 대한 검토의 필요성이 높아지고 있다. 현재 전기철도
운행구간에 적용되고 있는 접지시스템은 60[Hz] 대역의 상용전원 상태에서 지락 또는 단락사고 시 인체의 감전사고 방지 및 설비 보호측면에서 고려되어왔다.
접지임피던스는 접지시스템의 특성을 구분 짓는 중요한 요소이다. 접지시스템의 접지임피던스를 결정하는 중요한 요소들은 접지저항, 접지전극의 형상 및 배치방법,
접지전극 자체의 저항 및 인덕턴스 그리고 토양의 정전용량이다. 최근 철도선로 주변에 시설되어 있는 신호·통신설비의 전자화로 고품질의 전력공급에 대한
기대수준의 향상으로 고주파 대역에서의 접지임피던스 및 과도현상에 대한 기술분석의 필요성이 증가되고 있다(2).
본 논문에서는 교류급전시스템에 낙뢰 전류가 유입되었을 때 매설접지선의 길이와 대지저항률에 따른 접지임피던스 특성을 접지해석용 소프트웨어인 CDEGS(Current
Distribution, Electromagnetic interference, Grounding and Soil structure analysis)를
사용하여 분석하였다(3).
2. 본 론
2.1 접지임피던스의 개념
접지전극에 임펄스 전류를 인가한 후 측정된 전압과 전류를 통하여 접지임피던스를 산정하며, 접지전극이 순수저항성분으로만 이루어져 있다면 전압과 전류의
위상 차이는 없게 되며, 접지임피던스는 고유의 값을 갖게 된다. 접지전극에 포함되어 있는 인덕턴스 성분과 대지의 커패시턴스 성분은 전압과 전류 파형
사이에 위상차를 발생시키게 된다.
접지임피던스는 주파수의 개념이 포함된 교류적 상태를 기준으로 한 것으로 과도적 상태를 쉽게 이해할 수 있으며 문제의 해결방안을 도출하는데 이용할 수
있다.
접지시스템의 과도접지임피던스 특성에 대한 면밀한 검토가 요구되며, 규약임피던스로 평가할 필요가 있다. 접지전극에 임펄스전류가 유입될 때에는 단순히
저항만이 아니라 인덕턴스(L)나 정전용량(C)의 영향 때문에 일반적으로 접지전극과 무한 원점사이에는 전압이 나타난다. 이때 전압과 전류의 피크값의
비Vp/Ip를 규약접지임피던스(Conventional grounding impedance)라 하며, 접지시스템이 임펄스 전류에 대한 과도적인 특성은
간이적으로 나타낸 것이다. 규약접지임피던스가 낮은 것이 뇌격전류가 흐를 때 전위상승이 낮으므로 성능이 양호한 접지시스템이라고 볼 수 있다(4)-(6).
최근 통합접지시스템의 적용이 일반화되면서 낮은 접지저항은 물론 고주파수에 대한 양호한 성능과 낮은 과도접지임피던스 특성이 요구되고 있다(7), (8).
뇌임펄스 전류에 대한 응답 특성이 양호한 탄소혼합물 접지전극을 대형 접지전극과 병용하여 고주파수에서 접지임피던스가 낮은 통합접지시스템의 구현이 합리적인
접지 설계의 방법 중의 하나로 제안되고 있다(9).
2.2 AT급전방식 모델링
교류전기철도 AT급전방식은 전기차에 전력을 공급하기 위한 설비로 크게 송전선로, 변전소, 급전구분소, 보조급전구분소 또는 병렬급전소로 나눌 수 있고,
변전소는 한국전력공사로부터 수전한 3상 154[kV]를 단상 55[kV]의 전력으로 변환하여 전기차에 전기를 공급하는 장소이며, 급전구분소는 변전소와
변전소간 동상의 전기를 구분하며, 병렬급전소는 전압강화 보상 및 회생제동을 최대한 사용하기 위하여 상하선을 연결하여 주는 장소로 모든 장소에 단권변압기를
설치하고 있다.
아래 그림 1은 AT급전방식의 계통을 나타낸 것이다.
그림. 1. AT방식 급전계통 모델
Fig. 1. Circuit model of the rail system including the Auto Transformers
2.3 전차선로의 기하학적 구조 및 모델링
AT 급전방식의 전차선로는 일반적으로 상․하행선 별로 급전선, 전차선, 조가선, 레일, 가공보호선으로 구성되어 있다. 이들 전차선로는 상․하행선 별로
전차선과 조가선이 수 미터마다 드로퍼로 연결되어 있고 상․하행선 레일, 가공보호선이 서로 연결되어 있다. 이런 시스템을 실제적으로 해석하기 위해서는
이들 도체들을 서로 연결되지 않은 도체로 가정하는 것 보다 상행 급전선, 하행 급전선, 상․하행 각각의 전차선 도체군(전차선+조가선), 레일 도체군(상․하행
레일, 상․하행 가공보호선)의 등가 도체군으로 모델링하는 것이 현실적이다. 그림 2는 전차선로 시스템의 기하학적인 구조를 나타낸다. 이 전차선의 각 트랙은 하나의 전차선(4, 6), 조가선(3, 5), 급전선(1, 2), 가공 보호선(11,
12), 접지선(13, 14), 두 조의 레일(7, 8과 9, 10)로 구성된다. 전차선로 시스템은 14개의 도체로 구성되어 있으나 전차선과 조가선은
드로퍼로 연결되어있고 상․하행 레일과 가공보호선, 접지선이 공통으로 연결되어 있다. 결국, 전차선로 시스템을 14개의 도체로 구성하기보다는 서로 연결된
도체군으로 구성된 시스템으로 생각해야 될 것이다. 따라서 서로 연결된 도체들을 그룹핑함으로서 하나의 도체군으로 나타낼 수 있다.
그림. 2. 전차선로의 기하학적 구조
Fig. 2. The geometry of the catenary System
표 1. AT급전회로의 선종
Table 1. wire type of AT Feeding System
|
선종류
|
규격
|
도체직경
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전기저항
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보호선
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ACSR 95 $mm^{2}$
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13.5 mm
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0.301 Ω/km
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급전선
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ACSR 160 $mm^{2}$
|
18.2 mm
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0.182 Ω/km
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전차선
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CU 110 $mm^{2}$
|
12.34 mm
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0.1592 Ω/km
|
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조가선
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CDCU 70 $mm^{2}$
|
10.5 mm
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0.3315 Ω/km
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레일
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50kg/m
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90.4 mm
|
0.017 Ω/km
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매설지선
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접지선 38 $mm^{2}$
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6.956 mm
|
-
|
전차선로는 도체군의 자기임피던스 뿐만 아니라 상호임피던스 및 선간 어드미턴스를 포함하고 있다. 따라서 전차선로의 단위 길이당 선로정수를 T형등가 회로의
단자망으로 표현하면 다음 그림 3과 같다(10).
그림. 3. 전차선로에 대한 T형 등가회로
Fig. 3. T-type equivalent circuit for catenary system
그림 4는 CDEGS의 선로정수 계산모듈인 TRALIN(Line and Cable Constants & Induction Analysis)을 이용하여 AT
급전시스템을 구성하는 도체의 제원과 위치를 입력하는 화면을 보인 것이다.
그림. 4. 전차선로 임피던스 계산을 위한 데이터 입력(TRALIN)
Fig. 4. Data input for catenary impedance analysis(TRALIN)
TRALIN을 이용하여 60[Hz] 대역 급전회로의 자기 임피던스와 상호 임피던스, 정전용량 등 선로정수를 계산한 결과는 그림 5와 같다.
그림. 5. 전차선로 임피던스 계산 결과
Fig. 5. Calculation result of catenary system impedance
2.4 매설접지선 모델링
그림 6은 주파수에 따른 매설접지선 임피던스를 계산할 수 있는 CDEGS-HIFREQ(Electromagnetic Fields Analysis) 모듈을 이용하여
매설접지선의 주파수별 임피던스를 계산하는 모델을 보인 것이다. 접지 인출점에 가변 주파수의 1A 전류를 주입했을 때 인입점의 전압을 계산함으로써 접지임피던스를
계산하였다. 토양저항률은 100~1000[Ω·m] 범위에서 가변하는 것으로 고려하였다 (그림 7참조).
그림. 6. 매설접지선 모델
Fig. 6. Model of buried earth wire
그림. 7. 토양 모델(100～1000[Ω·m])
Fig. 7. Soil model(100～1000[Ω·m])
3. 주파수별 접지임피던스 특성 해석
3.1 주파수별 접지임피던스 특성 계산
그림 8은 주파수 영역에서 과도현상 해석하는 절차를 보인 것이다. 먼저 HIFREQ 모듈을 이용하여 주파수별 임피던스를 계산하고 inverse Fourier
transform 수행 모듈인 FFTSES(Automated Fast Fourier Transform Analysis)를 이용하여 시간영역 파형을
역산한다.
그림. 8. 주파수별 접지임피던스 특성 계산 절차
Fig. 8. Calculation procedure for ground impedance characteristics by frequency band
3.2 접지임피던스 특성 해석 결과
그림 9~11은 대지저항률을 100, 500, 1000[Ω·m]의 3가지 경우를 가정하고, 매설지선의 길이를 100~5000[m] 범위에서 변동했을 때 주파수별
접지임피던스를 계산한 결과를 보인 것이다. 주파수 대역은 10[Hz]~1[MHz]를 적용하였다.
그림 9에서 매설지선의 길이가 길어질수록 저주파수 대역에서 접지 임피던스(저항)가 감소하나, 주파수가 10[kHz] 이상 대역에서는 매설지선의 길이를 증가하더라도
접지 임피던스가 감소하지 않는 것을 볼 수 있다. 즉, 100[Ω·m] 의 낮은 대지저항률에서는 10[kHz] 초과하는 주파수 대역에서는 100[m]
접지도체나, 5[km] 접지도체의 임피던스가 같으며, 따라서 접지선 길이 증가에 따른 임피던스 저감 유효거리가 약 100[m]임을 알 수 있다.
반면에 500[Ω·m]의 토양에서는 50[kHz] 이상, 1000[Ω·m] 토양에서는 100[kHz] 이상 주파수 대역에서 매설접지선 길이 증가의
접지임피던스 감소 효과가 없다는 것을 볼 수 있다.
이는 고주파수 대역에서는 매설지선 길이를 증가해도 접지 성능 개선효과가 제한적이라는 것을 의미하는 것이다. 이를 정리하면 다음과 같다.
(1) 100[Ω·m] 토양에서 매설지선의 접지임피던스 특성
주파수가 증가할수록 매설지선 인덕턴스의 영향으로 접지임피던스의 크기 증가하며, 매설지선의 길이가 증가하는 경우 저주파수 대역의 접지임피던스는 감소하나
고주파수 대역(>10kHz)에서는 접지임피던스 특성이 개선되지 않는다.
(2) 500[Ω·m] 토양에서 매설지선의 접지임피던스 특성
주파수가 증가할수록 매설지선 인덕턴스의 영향으로 접지임피던스의 크기 증가하며, 매설지선의 길이가 증가하는 경우 저주파수 대역의 접지임피던스는 감소하나
고주파수 대역(>50kHz)에서는 접지임피던스 특성이 개선되지 않는다.
(3) 1.000[Ω·m] 토양에서 매설지선의 접지임피던스 특성
주파수가 증가할수록 매설지선 인덕턴스의 영향으로 접지임피던스의 크기 증가하며, 매설지선의 길이가 증가하는 경우 저주파수 대역의 접지임피던스는 감소하나
고주파수 대역(>100kHz)에서는 접지임피던스 특성이 개선되지 않는다.
그림. 9. 주파수별 접지임피던스 특성(100[[Ω·m])
Fig. 9. Ground Impedance Characteristics by Frequency band(100[[Ω·m])
그림. 10. 주파수별 접지임피던스 특성(500[[Ω·m])
Fig. 10. Ground Impedance Characteristics by Frequency band(500[[Ω·m])
그림. 11. 주파수별 접지임피던스 특성(1,000[[Ω·m])
Fig. 11. Ground Impedance Characteristics by Frequency band(1,000[[Ω·m])
4. 결 론
본 논문에서는 전기철도 AT급전방식의 통합접지시스템에서의 대지저항률을 100, 500, 1000[Ω·m]의 3가지 경우를 가정하고, 매설지선의 길이를
100~5000[m] 범위에서 변동했을 때 주파수별 접지임피던스를 계산한 결과로, 주파수 대역은 10[Hz]~ 1[MHz]를 적용하였다.
특성 해석결과 각 케이스 별로 주파수가 증가할수록 매설접지선 인덕턴스의 영향으로 접지임피던스의 크기 증가하며, 매설접지선의 길이가 증가하는 경우 저주파수
대역의 접지임피던스는 감소하나, 고주파수 대역에서는 접지임피던스 특성이 개선되지 않는 것으로 분석되었다.
현재 전기철도 운행구간에 적용되고 있는 접지시스템은 60Hz 대역의 상용전원 상태에서 지락 또는 단락사고 시 인체의 감전사고 방지 및 설비보호측면에서
고려되어 왔다.
낙뢰 및 서지전류에 대한 전기철도시스템 보호를 위한 접지시스템의 성능은 접지임피던스의 주파수 의존성으로 평가되어야 하므로 이에 대한 체계적인 연구가
이루어져야 한다.
Acknowledgements
This research was supported by a grant from the R&D program of the Woosong University,
Republic of Korea.
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저자소개
He received the M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from the Yonsei niversity
and Hongik University, Seoul, Korea, respectively.
From 1994 to 2019, he was a Chief Researcher with Korea Railroad Research In Institute,
Uiwang, Korea.
He is currently a Professor with the Department of Railroad Electrical System Engineering,
Woosong University, Daejeon, Korea.
His main research interests include traction power supply system design and electrical
railroad system analysis.