1. 서 론

전기 철도는 여객 및 화물수송능력, 에너지 효율, 신뢰성에서 많은 장점을 가지고 있다. 전기철도 변전소는 한전으로부터 154[kV] 전력을 수전하여 스코트변압기와 단권변압기(AT: Auto Transformer)를 거쳐 차량으로 공급된다. 우리나라 교류 전기철도의 급전방식에는 AT방식, BT(Booster Transformer)방식 및 직접 방식이 있으며, 국내 철도시스템에서는 유도장해와 장거리 급전을 위하여 AT 급전방식을 도입하고 있다. AT를 급전선로에 8∼12[km] 간격으로 설치하고 변압기의 중성점을 선로에 연결하여 사용한다. 또한, 기계적 보호계전기나 디지털 방식의 IED(Intelligent Electronic Device)를 이용한 다양한 고장감시센서를 설치하여 계통을 실시간으로 감시한다^(1,2).

급전선로에 어떤 원인에 의한 사고가 발생하면 AT로부터 양쪽으로 약 10[km]의 구간 내의 전기적 영향을 받게 되어 시설 및 열차의 운행에 문제가 야기된다. 그러므로 급전선의 단락사고, 지락사고, 전압부족 및 과부하 등의 문제가 발생하는 경우, 급전선의 고장 발생 위치나 고장 원인을 신속히 파악하고 정보를 수집하는 것이 필요하다⁽³⁾.

한전 전력망에서도 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템을 도입하여 전력선의 원격감시제어용 고장감지기 또는 원격단말장치(RTU)를 운용하고 있다^(4,5).

선로의 고장감지기의 전원은 배터리를 이용하는 경우는 자연방전 및 교체의 불편함으로 지양되고 있다. 태양광 패널을 설치하여 전원을 확보하는 방법도 제안되고 있으나, 야간 또는 우기시에 전력 확보가 불확실하고 유지보수 등의 또 다른 문제를 야기하고 있다. 그리하여 급전선로의 AC 전류를 분할변류기(Split Current Transformer)를 이용하여 유도기전력을 받아서 슈퍼 커패시터(Super capacitor)에 충전하고 DC 정전압을 사용함으로써 전원 문제를 해결하는 시도가 되고 있다^(6,7).

전기철도 급전선이나 송전선로의 관리시스템에서 원격 고장감지기는 데이터를 습득하여 전송하는 역할을 수행하고 있다. 이 원격 고장감지기는 송전선 및 급전선로부터 자기유도 현상을 이용하여 전력을 자체적으로 공급하고 있다. 본 논문에서는 원격감시제어시스템을 소개하고 고장감지기의 자기유도 전원의 검증시스템을 구현하고 충전회로를 설계하여 시험하였다.

2. 전력선로 원격감시제어 시스템

그림. 1. 고장감지기와 무선 네트워크를 이용한 원격감시장치 시스템 구성도

Fig. 1. Diagram of remote monitoring device system configuration using fault detector and wireless network

HMI 서버는 게이트웨이와 통신하여 선로 고장구간의 정보를 수신하여 단선도 화면 및 지도화면에 고장구간 선로의 색상을 적색으로 표시하며, 시각적, 청각적 고장경보를 발생하고, 고장정보를 이메일을 통하여 선로보수요원과 관련 기술자에게 자동으로 발송하는 Event-drive Email 전송 기술을 적용한다.

RF Gateway는 센서와 800MHz 대역 및 900MHz 대역의 ISM Band로서 무선통신으로 통신하여 고장정보를 수신하여 HMI 서버에는 Ethernet 신호로 인터넷망을 통하여 보고하며 고장 발생시에는 HMI 서버의 확인 신호 없이 게이트웨이에서 Report 방식으로 마스터 장치인 HMI에 즉시 고장정보를 전송한다.

자기유도전원은 배전선로 부하전류의 자기장으로부터 유도되는 전류를 CT를 통하여 센서 내에서 대용량 커패시터와 반도체로 구성된 자율전원을 생성하여 고장감지기에 별도의 전원공급 없이 센서를 동작시키는 원리이다.

그림 2는 전력선 원격고장감지기의 구성을 보이고 있다. 여기서 자기유도 전원부는 배전선로에 흐르는 전류에 의하여 주위에 자기장이 만들어지고, 이 자기장은 분할변류기(Split Current Transformer)의 철심을 통하여 2차 측의 코일에 유도전류를 흐르게 한다. 또한, 2차 교류전류를 정류하여 직류로 만들고, 직류전류는 Boost 회로에서 전압을 승압하고 이 전압은 콘덴서에 충전하고 평활회로와 정전압회로를 통하여 직류 3.3V를 전원절체부에 공급한다.

그림. 2. 전력선용 원격 고장감지기 구성도

Fig. 2. Diagram of remote fault detector for power transmission line

RF(Radio Frequency) 송․수신부 MCU의 프로그램에 따라서 필요한 데이터를 RF로 송․수신하는 모듈로 평상시에 수신 모드로 동작하고 FD 자신의 Address ID와 일치하는 데이터를 수신하면 데이터의 명령에 따라 송신하고 FD 자신이 임의로 송신하지는 않는다. FD 간의 통신방식은 Peer to Peer 중계방식이다.

MCU(Micro Control Unit)는 FD의 제어부로서 입력전류의 실시간 측정, 전원절체부의 제어, RF송수신부의 송신 제어와 데이터 명령의 처리를 수행한다. 프로그램에 의한 주요기능은 첫째로 HMI로부터 명령을 게이트웨이를 통하여 수신한 데이터의 명령을 실행 처리한다. 둘째로 FD간 통신제어 및 실시간 배전선의 전류 측정한다. 셋째로는 고장전류 감지(Pickup)로 FD에 Setting된 전류 값과 감지된 전류를 연속적으로 비교하여 고장전류가 설정 값 이상이면 Fault Flag를 setting 한다. 넷째로 게이트웨이는 배전선로의 각 상별 1번 FD를 5초 간격으로 Polling (1번 FD가 고장전류를 감지하였는지 확인 통신) 한다. 마지막으로 게이트웨이가 고장 구간 탐색 명령을 1번 FD에 송신하면 FD는 탐색 명령을 하위 2번 FD에 데이터 송신을 수행한다⁽⁷⁾.

그림 3은 전기선로에 설치되어 전류를 탐지하는 원격 고장감지기의 외형과 내부 구성을 보이고 있다. 이 고장감지기의 자기유도현상을 이용하여 에너지 하비스터(Energy Harvester)형 자체 전원을 확보하는 방법은 태양광 패널을 이용하는 방법이나 저압 전원을 사용하는 방법보다 신뢰성이 우수하다.

그림. 3. 원격 고장감지기의 외형 및 내부 구성

Fig. 3. External appearance and internal composition of remote fault detector

3. 모의시험 선로의 CT를 이용한 자가 전원 충전회로 설계 및 제작

고장감지기의 자체 전원 확보를 위하여 철도 급전선로나 송전선로를 모의 시험하기 위하여 대전류 발생을 위한 모의 선로를 제작하고 충전회로를 설계하여 시험하였다.

3.1 강압용 변압기 및 계측용 변류기

모의 선로에 대전류를 공급하기 위하여 강압변압기를 이용하여 100A 이상의 전류를 발생시켰다. 또한, 선로의 전류측정을 위한 분할형 변류기는 그림 5와 같이 KBJ-25 모델로 설정하였다. 표 1의 전류 증폭을 위한 강압변압기의 구체적인 사양이고 표 2는 분할변류기의 세부사양이다.

표 1. 강압 변압기의 사양

Table 1. Specifications of step-down transformer

Parameter	Value[Unit]	Parameter	Value[Unit]
Type	Compound	Capacity	600[VA]
Primary	200-240[V]	Secondary	4[V]/150[A]
Phase	$\phi$	Rated frequency	50/60[Hz]
Insulation class	A	Weight	25[Kg]

표 2. 분할형 변류기의 사양

Table 2. Specifications of split type current transformer

Parameter	Value[Unit]	Parameter	Value[Unit]
Ratio	100:5	Inner Dia. of core	25.0 [mm]
Class	1.0	Outer Dia. of core	66.0 [mm]
Frequency	50/60 [Hz]	Width of core	35.0 [mm]
2nd current	5 [A]	Housing size	84.0 [mm]
Burden	5[VA]	Weight	320 [g]
Max. voltage	1,150 [V]	Withstand voltage	4 [kV]/[min]

그림 4(a)는 상용전원 220[V]를 4[V]로 강압하기 위한 기성품 변압기 이고 그림(b)는 전류가 흐르는 선로의 유도현상에 의한 유도전압을 얻기 위한 CT로 유도전압이 작으므로 2개의 CT를 설치하여 직렬 연결을 통하여 커패시터 인입전류를 크게 하였다.

그림. 4. 모의선로에 사용된 강압변압기 및 분할변류기

Fig. 4. Step-down transformer and split CT used in simulated transmission lines

그림. 5. 실험에 사용된 전선용 변류기

Fig. 5. Current transformer for wires used in the experiment

3.2 전압조정 회로 및 충전 커패시터

그림 6은 분할변류기로부터 획득한 전압을 증폭시켜 DC 12[V]로 변환하는 전압조정회로와 선로의 순환전류를 소모하기 위한 저항성 부하로 니크롬 저항을 직렬로 구성하였다.

벅(Buck) 컨버터의 장점은 입력전력을 거의 모두 출력할 수 있는 장점이 있어 전압변환 손실이 적어야 하는 경우 사용한다. 반면 스위칭 노이즈가 발생하는 단점이 있다. 따라서 회로 설계할 때에 아트웍에 신경을 써야한다. 본 연구에서는 벅회로의 출력을 암페어 메터의 전원으로 사용하였다. 벅 부스트(Buck-Boost) 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 특징을 모두 갖고 있으며, 벅 컨버터와 비교해보면 인덕터와 다이오드의 위치와 극성이 반대일 것을 볼 수 있다^(8,9). 여기서는 이 컨버터의 출력을 충전 커패시터의 충전 전원으로 사용하였다. 그림 7은 선로로부터 변압기와 정류회로를 거쳐 벅 컨버터와 벅-부스트 컨버터의 조합으로 된 전체 회로를 보이고 있다.

전압조정 회로에서 나오는 출력을 시중에서 구할 수 있는 상용 충전지에 충전을 시도하였다. 다양한 충전 특성을 알아보기 위하여 니켈-수소 충전지((Ni-MH)와 리튬-폴리머(Li-Polymer) 충전지를 각각 다른 용량으로 채택하여 실험에 사용하였다.

그림. 6. 분할변류기의 전압조정회로와 선로의 저항 부하

Fig. 6. Voltage regulation circuit of split current transformer and resistive load of simulation transmission line

그림. 7. 분할변류기의 유도기전력 정류 및 증폭을 위한 전압 조정 회로

Fig. 7. Voltage regulation circuit for rectifying and amplifying induced electromotive force of split current transformer

니켈-수소 전지는 양극에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알카리 수용액을 사용한 충전과 방전을 계속하는 2차 전지이다. 고용량화가 가능하고 작고 가벼우며 과방전, 과충전에 잘 견디고 충전 가능 횟수가 많아 널리 사용되고 있다. 단위부피당 에너지 밀도가 니켈-카드뮴전지에 비해 2배에 가깝다. 니켈-카드뮴전지보다 고용량화가 가능하고 과방전 및 과충전에 잘 견딘다. 급속 충전과 방전, 소형·경량화가 가능하고 충·방전 사이클 수명이 길어 500회 이상 충전 및 방전이 가능하다⁽¹⁰⁾.

리튬-폴리머 전지는 자연 방전이 거의 없고 메모리 효과가 없는 점은 리튬 이온과 비슷하지만 리튬 이온보다 더 안정적인 구조로 되어 있으며 동일한 부피의 리튬 이온 배터리보다 가볍고 배터리 형태를 얇게 제작할 수 있어 점차 사용이 늘어나는 추세이다⁽¹¹⁾.

그림 8은 충전시험에 사용된 니켈-수소전지와 니튬-폴리머 전지의 실물 사진이다. 또한 표 3 두 종류의 전지의 사양을 나타내었다.

그림. 8. 충전시험에 사용된 충전지

Fig. 8. Rechargeable capacitor used in the charging test

표 3. 충전용 전지의 사양

Table 3. Specifications of charged capacitor

Type	Ni-MH	Li-Polymer
Size	AA	3/5AAA
Output voltage	1.2 [V]	7.4 [V]
Capacity	2,200 [mAh]	400 [mAh]

3.3 모의선로 구성 및 충전실험

송전선로 또는 전철 급전선의 교류전원으로부터 고장감지기의 자가전원 확보를 위한 모의시험 선로를 제작하여 충전시험을 수행하였다. 그림 9은 분할변류기를 이용한 커패시터 충전지 모의실험 장치이다. 그림 10는 선로의 전류를 표시하는 디스플레이부와 CT의 유도기전력을 변환하는 전압조정 회로부의 전면과 측면이다. 본 모의 충전시험 선로의 개발목표로는 출력전압을 2～15[V]로 충전용량은 3.6[V], 9[Ah]를 목표로 하였다. 개발내용으로는 CT의 2차 교류전류(유도기전력)를 전파 정류회로를 통하여 직류로 만들고, 직류 전류는 벅-부스트 회로에서 전압을 승압하였다. 이 전압은 슈퍼콘덴서에 충전하고 평활회로와 정전압 회로를 통하여 직류 3.3V를 전원절체부에 공급하였다. 표 4는 모의 충전시험선로 개발을 위한 구체적인 명세이다.

그림. 9. 분할변류기가 설치된 모의선로 충전시험 세트

Fig. 9. Simulation transmission line charging test set installed split current transformer

그림. 10. 분할변류기와 전압조정 회로부

Fig. 10. Split transformer and voltage regulation circuit unit

표 4. 모의 충전시험 선로 개발을 위한 명세서

Table 4. Specification for development of simulated charging test line

Spec.	Capacity	Unit
Model	AC-DC Charging type
Input volt.	AC 220-25,000	V
Charge cutoff volt.	DC 10	V
Charging current	3	A
Conversion efficiency	90	%
Capacitor capacity	19	AH
Invertor	Buck-Boost
Transformer	AC to AC	V
Rectifier	AC 220 - DC 12	V
Housing	Closed type

모의 충전시험 선로를 제작하고 분할변류기를 설치한 다음 변류기의 2차 전압을 측정하여 그림 11에 나타내었다. 출력 전압은 1차 전원과 같은 60[Hz] 주파수를 가지며 정현파 전압에 고조파가 많이 함유된 형태의 측정값이다. 출력파형에 고조파가 포함된 것은 1차 전원의 유도장해 고조파가 반영되었거나 강압변압기나 CT 코어의 자기포화(비선형성) 특성 및 계측장비의 노이즈로 생각되며 이를 위해 고조파 감소에 대한 연구도 필요하다. 출력전압의 크기는 변류기의 권선비에 따라 다르며 2차 권회수가 작을수록 작게 나타난다. 표 5에는 모의 선로에서 니켈-수소전지와 리튬-폴리머전지의 충전시험을 수 차례 반복하여 그 결과를 나타내었다.

그림. 11. 분할변류기의 2차 전압(EMF : 유기기전력)의 측정값

Fig. 11. Measured value of the secondary voltage(EMF: Electromotive force) of the split current transformer

모의 충전시험 선로에 충전지 종류별로 지속적으로 전압을 인가하여 충전시험을 수행하였다. 표 5에 충전지 종류별로 5회의 시험을 수행하여 평균값과 같이 나타내었다. 충전정지의 판단은 정전류에서 정전압으로 이동하는 제어방식인 정전류정전압 방식으로 완전충전 근처까지 전지의 전압이 상승했다면 충전을 멈추었다. 충전시험 결과를 보면 충전지마다 충전시간의 편차가 조금 크고 의미를 부여하기 힘든 결과를 보이고 있다. 본 시험에서 사용한 CT의 사양에 의해 발생된 유기기전력으로 충전시간을 유추하는 자료로 활용될 수 있어 CT의 용량 산정 및 설계에 사용될 수 있다.

표 5. 모의선로에서 충전시간 시험

Table 5. Charging time test on simulated transmission line

No.	Changing time[Hr]		Full charge judgment
	Ni-MH	Li-Polymer
1	18.2	5.2	CVCC: Constant voltage constant current
2	17.2	5.7
3	15.2	6.2
4	22.2	8.5
5	23.2	4.4
Average	19.20	5.80

4. 결 론

전기철도의 급전선이나 송전선로의 사고예방 및 고장 진단을 위하여 원격감시장치 시스템이 제안되고 있다. 본 연구에서는 전력선로의 원격감시제어시스템에 대하여 설명하였다. 여기서 원격감시장치의 전원을 확보하기 위하여 감시 대상 선로의 교류전원을 분할변류기로 관통시켜 유기기전력을 얻고, 이 2차 전압으로 충전지를 충전시키는 모의시험선로를 제작하고 테스트를 수행하였다.

충전시험은 니켈-수소전지와 리튬-폴리머전지를 채택하여 서로 다른 충전지 용량에 대하여 충전시간을 반복 측정하였다. 본 시험에서 제안한 이중 설치 변류기의 경우 니켈-수소전지는 평균 19.2[Hr], 니튬-폴리머전지는 평균 5.8[Hr]이 측정되었다. 이는 고장감지기의 자가전원을 설계할 경우, 변류기의 치수나 용량 등을 산정할 때 유용한 자료로 활용될 수 있으며, 향후 자가전원의 효용성과 경제성에 대한 구체적인 연구가 필요하다.