2.1 고속철도 전차선로시스템의 피뢰구역

철도시스템에서 낙뢰는 전기철도 급전구간의 전차선로시스템, 전력기기 등에 영향을 주고 있으며, 철도 선로변에 설치된 신호기계실 및 통신실 또는 관련 전기 설비가 설치된 장소에도 드물지만 낙뢰에 의한 충격의 영향을 받고 있다. 전기철도 급전구간에서는 낙뢰 피해를 최소화하기 위해 전차선, 비절연보호선, 비임, 전철주, 선로를 포함하는 광범위한 금속 구조의 통합접지망이 설치되어 보호되고 있다.

KS C IEC 62305-3에서는 구조물에 낙뢰가 침입하였을 때 발생하는 피해를 방지하기 위하여 피뢰구역(Lightning Protection Zone) 개념을 적용하고 있다⁽¹⁰⁾.

그림 1은 전차선로 시설구간의 피뢰구역을 나타낸 것으로 여기서, LPZ OA는 직격뢰의 뇌격을 받을 수 있는 구역으로 전차선로 전철주 상부가 이에 해당한다. LPZ OB는 직격뢰의 뇌격으로부터 보호되는 구역으로 전철주와 전차선로 구조물의 물리적 높이 아래가 이에 해당한다. LPZ 1은 신호설비, 통신설비가 설치된 캐비넷이나 기구함 내부, 즉 유도전류 또는 서지전류에 의해 손상을 받을 우려가 있는 전자설비가 이에 해당한다.

2.2 고속철도 전차선로 공간구조

고속철도 AT급전방식은 전기차에 전력을 공급하기 위한 설비로 크게 송전선로, 변전소, 급전구분소, 병렬급전소로 나눌 수 있다.

그림 2에 고속철도 AT방식 급전계통도를 나타내었다.

그림 3은 전차선로시스템의 기하학적인 구조(장주도)를 나타낸다. 고속철도 전차선로시스템은 14개의 도체로 구성되어 있으나, 전차선과 조가선은 드로퍼로 연결되어있고 상․하행 레일과 가공보호선, 접지선이 공통으로 연결되어 있다. 전차선로 시스템을 14개의 도체로 구성하기보다는 서로 연결된 도체군으로 구성된 시스템으로 서로 연결된 도체들을 그룹핑함으로서 하나의 도체군으로 나타낼 수 있다.

그림. 1. 전차선로 시설구간의 피뢰구역

Fig. 1. Lightning Protection Zone of Traction Construction

그림. 2. AT방식 급전계통도

Fig. 2. Diagram of the AT-fed Circuit

2.3 고속철도 전차선로 낙뢰 보호범위

고속철도 전차선로에 직격뢰가 침입한 경우, 가공지선이 설치되어 있을 경우 전차선로를 보호하는 원리는 유도뢰의 경우와 유사한 도체(전차선, 급전선)와의 전자 결합에 의한 것이다. 가공지선은 1차적으로 뇌격 전류를 분류하여 접지 측으로 흐르는 전류를 감소시키고, 대지전위의 상승을 저감함으로써 애자간 전압을 억제하여 접지 측에서 도체로의 역섬락을 방지하는 역할을 한다.

가공지선이 존재하지 않는 전차선로 지지물에 뇌격이 침입할 경우, 뇌격 전류는 전주의 접지 측으로 흐르기 때문에 대지전위 상승은 (I×R)이 된다. 또한 전차선로(전차선, 급전선)를 지지하고 있는 애자의 단자 간에는 -(I×R)만큼의 전압이 유기된다. 이 때, 이 전압이 절연내력을 초과하면 섬락이 발생하게 된다.⁽¹¹⁾

그림. 3. 고속철도 전차선로의 기하학적 구조(장주도)

Fig. 3. The geometry of the catenary System

그림. 4. 전차선로시스템의 가공지선 및 비절연보호선에 의한 뇌격전류 분류효과

Fig. 4. Division Effect of Lightning current by OGW and FPW

KS C IEC 62305-3 구조물의 물리적 손상 및 인명위험)을 기준으로 전차선로의 안전을 고려하여 피뢰시스템의 레벨Ⅰ~Ⅳ에 대하여 회전구체법에 의한 보호영역 구하여 그림 5에 나타내었다.

고속철도 전차선로시스템은 전철주, 급전선과 조가선 및 전차선은 수평으로 장거리 구간 병행하기 때문에 일반 전력시스템의 송전선로와 유사하나 전차선로시스템이 차지하는 면적이 넓다.

보호영역에 대한 계산결과 피뢰시스템의 Ⅰ등급(회전구체 반지름 20m)을 적용한 경우에도 낙뢰 발생시 가공지선이 설치되어 있지 않은 현재의 전차선로 구성에서는 전차선로 시스템 공간내로 낙뢰가 유입되어 보호가 어려운 것을 분석되었다(그림 5).

다만, 전차선로시스템은 철도주변의 건물과 수목에 비해 낮은 위치에 설치되어 있을 경우 직격뢰에 의한 피해는 많지 않을 것으로 예상되나, 고속철도 운행구간은 교량구간이 비교적 많기 때문에 이 구간에 시설된 전차선로시스템은 낙뢰의 피해가 우려되므로 가공지선을 시설하면 피뢰시스템의 Ⅰ등급(회전구체 반지름 20m)을 적용한 경우에도 보호가 가능한 것으로 분석되었다(그림 6).

그림. 5. 회전구체법에 의한 고속철도 전차선로시스템의 낙뢰 보호범위(가공지선 미설치)

Fig. 5. Lightning Protection Range of Catenary System by rolling sphere method(OHGW not installation)

그림. 6. 회전구체법에 의한 고속철도 전차선로시스템의 낙뢰 보호범위(가공지선 설치)

Fig. 6. Lightning Protection Range of Catenary System by rolling sphere method(OHGW installation)

3.1 낙뢰전류 모델

그림 7은 상승 및 하강 때 slope를 갖는 전류원을 모의하기 위한 서지 입력화면을 보인 것이다. 본 논문에서는 낙뢰전류가 피크점까지 상승하는 시간은 1 [μs], 피크의 50 [%] 지점까지

그림. 7. 낙뢰전류 파형

Fig. 7. Waveform of Lightning Current

떨어지는 시간을 70 [μs]을 가정하였으며, 낙뢰전류의 피크값을 가변하면서 가공전선 유무에 따른 절연애자 섬락발생 여부를 모의하였다.

3.2 전차선로 모델

그림 8은 ATPDraw에서 LCC(Line/Cable Constant) 모듈의 각 노드를 원하는 위치에 매핑하기 위한 입력화면을 보인 것이다. 처음 3개 도체는 상행선, 다음 3개 도체는 하행선을 나타내며, 다음 2개 도체는 상하행선은 레일을 각각 표시하도록 노드를 구성하였다.

그림. 8. 전차선로 모델

Fig. 8. Phase number mapping per conductor of catenary (ATPDraw)

3.3 고속철도 전차선로시스템의 낙뢰 유입 해석모델

그림 9는 AT 급전시스템 낙뢰 과전압 시뮬레이션 모델을 보인 것이다. 매설접지선과 비절연보호선의 접속간격은 200 [m], 매설접지선, 보호선 및 레일의 접속간격은 1.2 [km]를 상정하였으며, 선로 중간에 낙뢰가 유입되는 경우를 상정하였다. 과도상태 전위상승은 낙뢰 유입점에서 가장 가혹할 것이므로 애자 섬락모델은 낙뢰 유입점만 고려하였고, 대지저항률은 통합접지 저항값에 직접적인 영향을 주는 사암 및 암반지대의 1,000 [Ω·m]를 적용하였다.

그림. 9. AT 급전회로 낙뢰유입 해석모델 (ATPDraw)

Fig. 9. Lightning inflow simulation model of AT-fed

3.2 낙뢰유입시 전차선로 절연애자 섬락특성 해석 결과

3.2.1 가공지선이 없는 경우

아래 그림 10은 가공지선이 없고, 전차선로 절연애자의 뇌충격 내전압은 250[kV]인 조건에서 낙뢰전류를 1~30 [kA]로 가변했을 때 애자의 누설전류를 분석한 결과이다.

애자 섬락이 발생하면 전류가 흐르므로 이때 섬락이 발생한 것으로 보고 분석하였다. 비절연보호선(FPW)에서 교량구간의 접지인출선 길이를 16[m]로 하였을 경우에는 낙뢰전류 8 [kA] 초과시 섬락이 발생하는 것으로 해석되었다.

그림. 10. 낙뢰유입시 최소 섬락전류 계산결과

Fig. 10. Calculation result of minimum flashover current when lightning strikes in AT-fed circuit[Insulator’s lightning impulse withstand voltage 250(kV)]

그림 11은 가공지선은 없고, 전차선로의 절연애자의 뇌충격 내전압은 380 [kV]인 조건에서 낙뢰전류를 1~30 [kA]로 가변했을 때 애자의 누설전류를 계산한 결과이다. 낙뢰전류 피크가 14 [kA] 초과시 섬락이 발생하는 것으로 계산되었다.

그림. 11. 낙뢰유입시 최소 섬락전류 계산결과

Fig. 11. Calculation result of minimum flashover current when lightning strikes in AT-fed circuit[Insulator’s lightning impulse withstand voltage 380(kV)]

3.2.2 가공지선이 설치된 경우

그림 12는 대지저항률은 1000 [Ω·m] 이며, 가공지선은 설치하고, 애자의 뇌충격 내전압은 250[kV]인 조건에서 낙뢰전류를 1~30 [kA]로 가변했을 때 애자의 누설전류를 계산한 결과이다.

애자 섬락이 발생하면 전류가 흐르므로 이때 섬락이 발생한 것으로 보고 분석하였다. 비절연보호선(FPW)에서 교량구간의 접지인출선 길이를 16[m]로 하였을 경우에는 낙뢰전류 10 [kA] 초과시 섬락이 발생하는 것으로 해석되었다.

그림. 12. 낙뢰유입시 최소 섬락전류 계산결과

Fig. 12. Calculation result of minimum flashover current when lightning strikes in AT-fed circuit[Insulator’s lightning impulse withstand voltage 250(kV)]

그림 13은 동일조건에서 애자의 뇌충격 내전압은 380 [kV]인 조건에서 낙뢰전류를 1~30 [kA]로 가변했을 때 애자의 누설전류를 계산한 결과이다. 교량구간 등 접지인출선 길이가 16 [m]가 되면 낙뢰전류 피크가 17 [kA] 초과시 섬락이 발생하였다.

그림. 13. 낙뢰유입시 최소 섬락전류 계산결과

Fig. 13. Calculation result of minimum flashover current when lightning strikes in AT-fed circuit[Insulator’s lightning impulse withstand voltage 380(kV)]

그림 14는 대지저항률이 1000 [Ω·m]인 경우, 내뢰성능이 우수한 순서, 즉 최소 섬락전류가 큰 순서로 정리한 결과를 나타낸 것이다. 애자의 뇌충격 내전압이 크고, 가공지선을 설치한 경우에 최소 섬락전류가 가장 크고 내뢰성능이 가장 우수한 것으로 계산되었다.

그림. 14. 낙뢰 대책별 최소 섬락전류 계산결과

Fig. 14. Minimum flashover current calculation results for each lightning strike measure