이해원
(Hae-Won Lee)
†iD
최장영
(Jang-Young Choi)
1iD
-
(Department of Electrical Engineering at Chungnam National University, Daejeon, Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Harmonic, THD, Harmonic Voltage, voltage unbalanced, System Commissioning
1. 서 론
교류 전기철도 급전계통은 Scott변압기, AT(단권변압기) 등의 전철변전소측의 기기와 전차선로를 통하여 전력을 급전 받는 철도차량에 설치된 주변압기,
견인장치 및 추진제어장치 등으로 구성되며, 특히 추진제어장치는 교류 25 kV를 받아 직류로 변환하고 이를 다시 3상 교류로 변환하기 위하여 컨버터와
인버터가 설치 된다. 이 설비는 전력제어를 위하여 IGBT와 같은 소자를 통하여 전압과 전류를 단속적으로 스위칭하여 원하는 파형으로 변형하는 과정에서
고조파를 발생시키고 있다[1].
철도 건설후 전철변전소 전력품질시험은 철도시설물검증 절차에 따라 전기차를 최고운영속도로 주행하는 조건에서 고조파 및 전압불평형을 측정하여 전력품질을
평가하고 있다[2]. 전력품질시험(고조파 측정)은 전차선로 측에서 발생한 고조파를 전철변전소 수전반에서 측정하도록 절차가 수립되어 있지만 전력회사의 네트워크는 그간
품질의 신뢰에 기반하여 철도 시스템으로 유입되는 고조파는 고려하지 않고 있었다[1].
고조파 측정은 전철변전소 수전단 154kV측에 전력분석기를 연결하여 기본파부터 49차 고조파까지 시행하고 있다[2]. 영천전철변전소에서 인출된 대구선 피더에 대한 측정은 EMU260 및 EL8500 각각 1편성을 시험운행하여 고조파 전압% 측정결과 모두 27차
고조파에서 기준 초과로 평가되었다. 기준 초과 원인분석을 위하여 대구선 부하측 차단기를 모두 개방하고 측정한 결과 전원측으로부터 고조파가 유입됨을
확인하였다.[3] 실제 전기철도 부하측에서 발생하는 고조파 전압%은 기준 이내로 확인되어 시설물검증시험 다음 단계로 진행할 수 있었다. 본 논문에서는 철도건설사업
영천전철변전소의 고조파 측정 사례를 통하여 전원측에서 유입 여부를 고려한 측정값으로 기준 만족 여부를 판단하여야 하는 이유 및 국제표준에 따른 측정기간
및 주기를 명확히하여 전철변전소의 전력품질시험(P-02) 평가기준 개선 필요성과 대안을 제시하였다.
2. 본 론
2.1 고조파와 왜형율
고조파란 기본 주파수의 정수배 차수의 주파수를 갖는 정현파 성분($제n고조파 = n\times f_{1}$)을 말한다. 일반적으로 비정현파 f(t)는
식 (1)과 같이 주파수와 진폭을 달리하는 무수히 많은 여현항(余弦項)과 정현항(正弦項)의 합으로 표시될 수 있으며 이를 퓨리에(Fourier)급수에 의한
전개라고 한다.[4]
식 (1)에서 주파수가 영(Zero)일 때 상수항 $a_{0}$는 여현항 $a_{0}\cos 0t = a_{0}$와 상수항$b_{0}$는 정현항 $b_{0}\sin
0t = 0$ 이다. 모든 동일 주파수($w,\: 2w,\: ...,\: nw,\: ...)$에 대해 여현항과 정현항을 합성하면,
이 된다.
식 (2)에서 $a_{0}$는 시간과 주파수에 무관한 직류성분이고 그 외의 항은 각종 주파수를 갖는 정현파 성분이 된다. 특히 직류성분 외의 성분중 $A_{1}\sin(wt+\phi_{1})$은
비정현파 f(t)와 동일주파수 성분을 갖는 기본파가 되고, 그 외의 $\sum_{n=1}^{\infty}A_{n}\sin(nwt +\phi_{N})$는
기본파의 2, 3,..., n,...배의 주파수
성분을 갖게 되는데 각각 2차 고조파, 3차 고조파, ..., n차 고조파로 부르며[3], 파형은 그림 1과 같이 정의할 수 있다[1].
그림 1. 기본파와 고조파(3rd)의 파형(예)
Fig. 1. Wave of fundamental and harmonics(ex)
고조파 왜형율은 전압 및 전류 고조파 파형의 왜곡된 정도를 나타내며, 모든 고조파에 의한 열 효과(thermal effect)를 정량화 한 것으로
비정현파 전압에서 기본파 전압에 대하여 고조파 성분의 포함 정도를 나타내는 고조파 지표이다. 각 조파별 전압왜형율은 전압의 각 조파별 전압을 기본파
전압으로 나눈 값의 백분율로 식 (3)과 같이 나타 낸다.[4]
종합 전압왜형율(THD : Total Harmonic Distortion)은 각 조파별 전압왜형율을 이용하여 기본파 주파수 성분의 실효값에 대한 특정
차수(H차=최대 50차)까지의 모든 고조파 성분에 대한 실효값 총합의 비율이며 식 (4)과 같이 정의 한다.[5][6]
2.2 전기철도에서 고조파 발생
전기철도시스템에서의 고조파 발생은 대부분 부하설비인 전기차량에서 발생한다. 전기차량의 구동시스템에는 컨버터와 인버터가 포함되고 사이리스터 위상제어
또는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터제어에 의해 고조파를 발생시킨다. 또한 최근의 전기차는 회생제동시
발생된 전력을 전원측에 공급할때도 고조파를 발생시킨다[4].
시험 차량과 유사한 수도권 전철에서 운영중인 VVVF전동차를 예를 들면, 전차선으로부터 인가된 교류전압을 PWM컨버터에 의해 정류 시키고 VVVF인버터에서
가변전압/가변주파수 제어방식에 의해 3상 교류로 변환하여 유도전동기의 속도제어를 수행한다. VVVF 전동차의 고조파 전류함유율 분포는 싸이리스터 위상제어를
수행하는 전기기관차와 달리 주파수가 높은 영역에서 PWM반송파 주파수에 기인하는 고조파 성분이 발생한다. 일반적으로 PWM컨버터의 가선측에 발생하는
고조파 전류의 주파수($f_{h}$)는 식 (5)와 같이 표현 된다[4].
고조파 발생 차수는 전력변환방식에 따라 Thyristor 위상제어방식의 전기차에서는 주로 3차, 5차, 7차 등 저차 고조파가 많이 발생하고, PWM제어방식의
차량에서는 19차, 25차, 27차 등 고차 고조파가 많이 발생한다[7].
고조파는 주로 전력계통에서 직렬과 병렬공진에 의한 고조파 성분의 증폭, 전력의 생성, 전송 및 소비하는데 있어서의 효율저하, 전기적인 설비부품의 절연을
저하시키거나 수명을 단축시키고 설비의 오동작을 유발한다[3]. 최근의 생산되는 한국 철도차량은 정부에서 지정하는 기관에서 형식승인을 반드시 득해야 하며, 고조파 평가 기준에 부합하도록 규정하고 있어 전원측
네트워크에 영향이 미치지 않도록 제작되고 있다.
2.3 전철변전소 고조파 허용기준과 측정기준
2.3.1 고조파 허용기준
한국철도의 전철변전소 급전설비와 전차선로에 대하여 시설물검증 절차에서 전력품질시험은 고조파 및 전압불평형 측정하여 ․평가하며 그 기준은 전기를 공급하는
사업자(KEPCO)측의“송전계통 고조파 관리기준, 한전 기본공급약관 및 시행세칙”등을 인용하여 규정하고 있으며, 교류 전기철도시스템이 해당되는 계통전압
66kV이상 시스템에서 고조파 전압% 허용기준은 표 1과 같다[8].
표 1 고조파 허용기준(66kV 이상의 경우)
Table 1 Harmonic tolerancr standard(66kV above case)
|
3의 배수가 아닌 기수 고조파
|
3의 배수인 기수 고조파
|
우수고조파
|
|
차수h
|
고조파전압%
|
차수h
|
고조파전압%
|
차수h
|
고조파전압%
|
|
5
|
1.8
|
3
|
1.5
|
2
|
0.6
|
|
7
|
1.5
|
9
|
0.5
|
4
|
0.3
|
|
11
|
1.1
|
15
|
0.1
|
6
|
0.2
|
|
13
|
0.9
|
21
|
0.1
|
8
|
0.2
|
|
17
|
0.6
|
27
|
0.1
|
10
|
0.1
|
|
19
|
0.5
|
33
|
0.1
|
12
|
0.1
|
|
23
|
0.4
|
39
|
0.1
|
14
|
0.1
|
|
25
|
0.4
|
45
|
0.1
|
16
|
0.1
|
|
29
|
0.3
|
|
18
|
0.1
|
|
31
|
0.3
|
20
|
0.1
|
|
35
|
0.2
|
22
|
0.1
|
|
37
|
0.2
|
24
|
0.1
|
|
41
|
0.2
|
26
|
0.1
|
|
43
|
0.2
|
28
|
0.1
|
|
47
|
0.2
|
30
|
0.1
|
|
49
|
0.2
|
32
|
0.1
|
|
|
34
|
0.1
|
|
36
|
0.1
|
|
38
|
0.1
|
|
40
|
0.1
|
이 표에서 허용기준은“부하(철도)측의 고조파 전압 목표 수준이며, 부하의 접속으로 인해 변동 가능한 고조파 전압% 허용 수준을 의미 한다”고 규정하고
있으며, 산정된 고조파 전류 유출 제한값을 초과할 경우 전기사업자는 고객측(전력수용가=철도)에 고조파 저감을 위한 대책을 추가로 요구 하도록 규정하고
있다[8].
2.3.2 고조파 측정 및 평가기준
전기철도 전철변전소의 고조파 측정은 열차가 운행되는 실제상황에서 전압 불평형을 측정하므로 측정 구간에 대하여 이상이 없는 열차가 운행된 상태에서 측정되어야
한다. 또한 선로의 조건, 신호상태, 대상선로구간에서의 작업여부 등 열차의 운행과 관련된 안전이 확보되어야 하며, 시험속도는 해당구간의 최고운행속도에서
시행하여야 한다[2].
표 2 전류 고조파 측정 기준과 주기[6][8]
Table 2 Measurements criteria of current harmonic
|
period
|
Measurememt
|
contents
|
|
a day
|
3초 측정값
|
누적확률 95%값이 차수별 유출 제한값 이하
|
|
a week
|
10분 측정값
|
차수별 최대값이 유출 제한값 이하
|
|
a week
|
3초 측정값
|
차수별 최대값이 유출
제한값의 1.5배 이하
|
고조파의 측정은 일반적으로 개별 설비별로 부하량과 부하 패턴은 주중과 주말에 서로 상이하기 때문에 각 설비별 고조파 전류는 공통접속점에서 시행하며
IEEE Std 519 및 IEC규격(61000-3-6, 61000-4-7, 61000-4-30)에 의거 측정하고 있으며 표 2와 같다[6]. 다만, KNR시험절차에서는 측정 주기 및 기간에 대하여 별도로 규정하고 있지 않고 있다.
고조파의 통계적 평가는 표 2와 그림 2에서와 같이 3초(Very short time)측정과 10분(Short time) 측정 방법이 있으며, 3초 측정시 12사이클(0.2초) 간격으로
15번 측정하여 표 2의 기준에 따라 3초마다 기록된 데이타를 누적확률 95%값이 기준을 초과하는지 분석한다. 10분간 측정은 180사이클(3초) 간격으로 200번 측정하며
최대값과 유출제한갑을 비교 분석하며 측정값은 1일과 1주일간 누적된 값으로 평가한다[3][5][9].
그림 2. 고조파 측정기간 및 주기(3s, 10min)
Fig. 2. Measurement Periods and cycle (3s and 10min)
고조파 전압%은 rms(root mean square, 실효값)로 계산하며 rms는 규정된 시간 간격과 규정된 대역폭에서 취한 어떤 양의 순시값(Fn)
제곱의 산술 평균 제곱근이다. Very short time(3초) 및 Short time(10분)으로 측정한 rms대표값은 각각 식 (6), 식 (7)으로 계산된다[3][5][8].
고조파 전압 기준 제한값($E_{Uhi}$)은 실계통에서 다수의 고조파 발생원이 같은 모선에 연계되면 고조파의 크기는 일반적으로 각 고조파 발생원별
최대값의 산술적인 합보다 작아지므로, 식 (8)에 표 3의 고조파 합성지수를 적용하여 산정하고 있다[6].
표 3 고조파 합성지수
Table 3 Composite index of harmonic wave
|
$\alpha$
|
Harmonic order
|
|
1
|
h ＜ 5
|
|
1.4
|
5 ≤ h ≤ 10
|
|
2
|
10 ＜ h
|
2.4 전철변전소 고조파 측정
2.4.1 고조파 측정
대구선 영천전철변전소(M상)의 전력품질(고조파) 측정은 정상급전 조건에서 수전단 154 kV측에 설치된 PT 2차측에 병렬로 결선 및 전류는 CT의
2차측에 클램프 형식의 전류 센서(최소 5A 이상, 5Hz ~ 5kHz 이상의 주파수 특성)를 각각 결선하고, 전원측의 전력계통과 전기철도 부하측
계통이 연결된 상태에서 그림 3과 같이 전력품질분석기 Dewetron DEWE-571(차분형 아날로그 입력 16ch, Sampling rate 250 kS/s)를 연결하여 기본파
및 차수별로 49차까지 측정하였다[3].
그림 3. 전철변전소 고조파의 측정(154kV, 55kV)
Fig. 3. Measurement of Harmonics(154kV, 55kV)
측정 절차는 시설물검증시험(1차)과 영업시운전(2차)에서 철도차량을 시험 운행하면서 약 4시간 동안 3초 샘플링(Very short time)값으로
하였으며, 10분(Short time) 측정은 전철제어반에 설치된 전력감시분석장치 Janitza UMG-511(전압,전류 THD 측정범위 Up to
2.5kHz, Scanning 주파수 20kH/상)로 12cycle마다 측정하도록 설정하고 결과값을 분석하였다[3].
그림 4. 영천SS 전철제어반 전력감시분석장치(Janitza UMG 511)
Fig. 4. Power Monitoring & Analyzer(Janitza UMG 511)
철도설비 시설물검증시험은 철도안전법령 등에 따라신설 또는 개량된 철도노선을 개통하기 전 시험열차를 투입, 단계별로 속도를 증속시키면서 △철도시설물
안전상태 △전기철도차량의 운행 적합성 △차량과 시설물의 인터페이스 등을 종합 검증하는 법정 절차이다[2].
2.4.2 EMU260 운행시 측정 결과
EMU260 1편성(4M2T)을 본 시험 선로의 최고속도 200km/h로 운행시 측정(2021.4.14 00:15~03:55)하였다. 영천SS 대구선
M상 피더의 고조파 측정 결과는 표 4과 같으며, 27차 고조파 전압이 0.15% 측정되어 기준(0.1%)대비 0.05%초과 하였다[2][10]. EMU260차량의 견인제어방식은 전압형 PWM제어차량으로 정격전압은 AC25kV 60Hz이다.
표 4 영천전철변전소(대구선 피더) 고조파 측정 결과(EMU260)
Table 4 Harmonic measurement result of Yong-Chon SS(EMU260)
|
3의 배수가 아닌 기수 고조파
|
3의 배수인 기수 고조파
|
우수고조파
|
|
차수h
|
고조파전압%
|
차수h
|
고조파전압%
|
차수h
|
고조파전압%
|
|
기준
|
측정
|
기준
|
측정
|
기준
|
측정
|
|
5
|
1.8
|
0.37
|
3
|
1.5
|
0.30
|
2
|
0.6
|
0.02
|
|
7
|
1.5
|
0.23
|
9
|
0.5
|
0.06
|
4
|
0.3
|
0.02
|
|
11
|
1.1
|
0.04
|
15
|
0.1
|
0.02
|
6
|
0.2
|
0.02
|
|
13
|
0.9
|
0.07
|
21
|
0.1
|
0.01
|
8
|
0.2
|
0.01
|
|
17
|
0.6
|
0.06
|
27
|
0.1
|
0.15
|
10
|
0.1
|
0.01
|
|
19
|
0.5
|
0.03
|
33
|
0.1
|
0.01
|
12
|
0.1
|
0.00
|
|
23
|
0.4
|
0.04
|
39
|
0.1
|
0.00
|
14
|
0.1
|
0.00
|
|
25
|
0.4
|
0.28
|
45
|
0.1
|
0.00
|
16
|
0.1
|
0.01
|
|
29
|
0.3
|
0.09
|
|
18
|
0.1
|
0.01
|
|
31
|
0.3
|
0.05
|
20
|
0.1
|
0.01
|
|
35
|
0.2
|
0.02
|
22
|
0.1
|
0.01
|
|
37
|
0.2
|
0.02
|
24
|
0.1
|
0.01
|
|
41
|
0.2
|
0.01
|
26
|
0.1
|
0.01
|
|
43
|
0.2
|
0.00
|
28
|
0.1
|
0.04
|
|
47
|
0.2
|
0.01
|
30
|
0.1
|
0.04
|
|
49
|
0.2
|
0.01
|
32
|
0.1
|
0.03
|
|
|
34
|
0.1
|
0.02
|
|
36
|
0.1
|
0.01
|
|
38
|
0.1
|
0.01
|
|
40
|
0.1
|
0.00
|
27차 고조파 전압% 측정 그래프는 그림 5에서와 같이 M상측에 연결된 154kV 전원측 A상과 C상에서만 나타났으며, 전기철도차량에서 발생한 고조파가 전철변전소로 그대로 유입된 것으로 판단되었고
전기사업자측의 전기공급을 위한 관련 규정에 따라 철도 건설기관은 고조파 저감 대책이 필요한 상황이 되었다[1][3].
EMU(Electric Multiple Unit)260은 동력분산식 열차로 AC 25kV 설계속도는 286km/h, 영업속도는 260km/h이다.
동력이 없는 객차를 자유롭게 편성 가능하고, 동력원이 분산되어 차량의 무게가 줄어 가감속이 용이하다. 특히 고상홈 및 저상홈 모두 적용 가능하도록
최근 개발 되어“KTX-이음”으로 운행을 시작 하였다[10].
27차 고조파 전압% 측정 그래프는 그림 5에서와 같이 M상측에 연결된 154kV 전원측 A상과 C상에서만 나타났으며, 전기철도차량에서 발생한 고조파가 전철변전소로 그대로 유입된 것으로 판단되었고
전기사업자측의 전기공급을 위한 관련 규정에 따라 철도 건설기관은 고조파 저감 대책이 필요한 상황이 되었다[1][3].
그림 5. 영천SS A,C,상 27차 고조파 측정 그래프(EMU260)
Fig. 5. 27th Harmonics graph(EMU260, Young-Chon SS)
2.4.3 EL8500운행시 측정결과
2차 시험은 영업시운전시(철도 영업시와 동일한 조건) EL8500(객차 3량)으로 운행중 고조파 측정(2021.7.6. 13:15 ~16:50) 결과
A, B, C상의 고조파 전압%은 그림 6과 같이 나타 났으며, 27차 고조파 전압은 그림 7의 영업시운전 시간대에 0.19%로 기준(0.1%) 대비 0.09%초과한 것으로 나타났다. 그러나 영업시운전을 하지 않은(주변압기또는 전차선로 가압을
하지 않음)시간대의 고조파의 형태도 크게 차이가 없음을 알수 있다[1][3].
그림 6. 영천SS A,B,C상 고조파 전압% 측정(EL8500)
Fig. 6. Harmonics Graph of SS R,S,T(EL8500, Yong-Chon SS)
EL 8500호대 전기기관차는 AC 25kV, 출력 6,600kW 이며, VVVF-IGBT 제어방식으로 3상 유도전동기를 구동하여 설계속도 165km/h,
영업속도 150km/h이다[10].
그림 7. 영천SS A,B,C상 27th 고조파 전압% 측정 결과(EL8500)
Fig. 7. 27th Harmonics Graph of SS(EL8500)
2차 시험에서도 기준 초과로 측정됨에 따라 저감 대책이 필요한 상황에서 그동안 특별히 시행하지 않았던 동일 시간대 무부하(열차 미운행)상태에서 측정을
시행한 결과 그림 8와 같이 나타났으며, 앞서 부하상태에서 측정한 그림 6과 비교해 보면 매우 유사한 크기와 패턴을 보이고 있음을 재차 확인 하였다[3].
이에 따라 열차 운행과 상관없이 전원측 수전전원으로부터 기준을 초과한 고조파가 유입되고 있는 것으로 생각할 수 있으므로, 전철변전소 주변압기(Mtr)
1차측을 개방하고 측정해 볼 필요가 있다.
그림 8. 영천SS A,B,C상 고조파 측정 그래프(열차없는 무부하)
Fig. 8. 27th Harmonics Graph of YC-SS(non Train)
2.4.4 전원측 유입 고조파 측정
대구선 영천전철변전소에서 주변압기(Mtr)를 가압하지 않은 상태(수전 차단기 52R1 개방)에서 주변압기 1차측(154kV)에서 24시간 동안 고조파를
측정하였다. 주변압기(Scotte TR) 및 전차선로에 부하(전기차량)가 연결되지 않은 경우에도 계통 전원측에서 고조파가 그림 8과 같이유입됨을 확인하였고 측정값은 표 5와 같다. 각 상별 측정값은 0.184%(A상), 0.168%(B상), 0.174%(C상)으로 이미 기준을 초과하여 유입되고 있음을 확인할 수 있었다.
이는 영업시운전중 측정된 27차 고조파 전압 0.19%는 한전 유입 고조파가 최대 0.184%를 포함한 값으로 철도 전기차량 운행에 따른 고조파의
발생은 0.006% 또는 0.1%미만으로 기준을 만족한 것으로 판단 하였다. 측정 시간으로 확인해보면 고조파 유출 시간은 01:00~05:00 이후에
발생하였으며 01:00~ 05:00시간 대에는 기준을 초과하는 고조파가 나타나지 않았다. 이것은 주간시간대 계통 어디에서가 본 영천전철변전소 수전선로를
통하여 유입되고 있음을 의미 한다[3].
표 5 전원측 유입 고조파 측정 결과
Table 5 Harmonics measurement of power source
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Category
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154kV KEPCO
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27th-A
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27th-B
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27th-C
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Cirterion
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0.1%
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0.1%
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0.1%
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Maximum
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0.184%
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0.168%
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0.174%
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Judge
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기준초과
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기준초과
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기준초과
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그림 9. 영천SS 전원측 A,B,C상 27차 고조파 전압% 측정 그래프
Fig. 9. 27th Harmonics graph of power source of YC-SS
2.5 전력품질시험 측정 절차 개선의 필요성
2.5.1 고조파 측정의 문제점
철도건설사업 전철변전소의 고조파 측정 기준은 당초 전원측에서의 고조파 유입을 고려하지 않고 전기철도 부하(전기차량)측에서 발생 여부만을 상정하고 측정점의
고조파 전압% 측정값을 적합/부적합으로 판단하고 기준 초과시 예외없이 시험관리기관(정부)은 철도건설기관에 대책 마련을 요구함에 따라 철도종합시험 기관간
갈등 우려가 있는 것이 사실이다.
대구선(동대구~영천간) 시설물검증시험 및 영업시운전과정에서 전기철도차량(EMU-260, EL8500) 시운전진행중 측정에서 기준을 초과한 고조파 전압%이
도출되어, 추가로 무부하(Mtr 1차 CB개방)상태로 고조파 측정 결과 전원측 수전계통에서 전철변전소로 유입된것으로 분석되었음에도 건설기관에 책임론을
제기하고 대책을 수립을 요구하였다. 이에 따라 향후 고조파 발생원인(전원측 또는 전기차) 분석이 우선이며, 원인자측에서 조치가 필요하며 종합왜형율(THD)
평가 등 국제표준을 반영한 고조파 측정 기준과 절차의 개선이 필요하다.
2.5.2 고조파 측정 후 발생원 검토 사례
설계속도 250km/h급으로 건설된 원주~강릉(만종~강릉)선 산악지형 상구배구간(Max 24.7‰)에서 2018.4월 고속차량 운행중 고조파에 의한
주 전력변환장치가 차단되었다 재기동되면서 부하 불균형 현상이 발생한 것에 대하여 운영기관에서는 건설기관에 고조파 저감 대책을 요구한 사항에 대하여,
고조파에 의한 주전력 변환장치 이상 현상은 차량에서 발생한 것으로 판정되었고, 모터블럭의 컨버터 스위칭 주파수를 11펄스 소프트웨어 적용으로 해결
한바 있다. 또한 중앙선 원주~제천 복선전철화 사업에서 15차, 21차수에서 각각 0.02%, 0.01%초과한 것으로 측정되었으나, 이는 미승인 시험차량
투입이 원인으로 분석되어 이후 형식승인된 차량(EMU-260)으로 재 측정하여 문제 없음이 확인되었다. 또한 본 논문에서 제시된 바와 같이 전원측
유입된 고조파 전압%의 추가 측정을 통하여 문제를 해결 하였다[11].
2.5.3 전철변전소 고조파 측정 절차 개선
전철전력설비 시설물검증시 고조파 측정은 철도종합시험운행 시행지침(정부고시)에 의하여 규정된 법정 시험 항목으로 고조파 측정시험 절차는 그림10의 좌측과
같이 규정되어 있으며, 절차 개선은 우측(점선)과 같다[4].
그림 10. 고조파 측정 절차의 개선 전,후(안) 흐름도
Fig. 10. Improve of Harmonics measurement Process
개선의 핵심 내용은 전기철도차량 운행시 전철변전소 수전측에서 고조파 차수별 3상 전압을 추출하고 기본파 대비 각 차수별 함유율 계산 결과 고조파 전압%이
기준을 초과하는 결과가 나올 경우 개선(안)의 절차를 추가로 시행하여 전원측 전력 네트워크로부터 유입되는 고조파에 대하여도 측정을 고려하여야 할 것이다.
즉, 고조파 측정후 데이터를 추출하여 고조파 전압% 평가후 기준을 초과하였다면, 전철계통의 주변압기(Mtr) 1차측 차단기를 개방후 무부하 조건으로
측정을 하는 것이다[3][4].
고조파 평가 기준의 개선은 기존과 같이 전기사업자의 전력 기본공급약관 시행세칙에서 규정하는 고조파 전압%을 그대로 적용하며, 전철변전소별로 고조파
전압%에 상응하는 고조파 전류 계획 레벨을 제시하는 데 어려움이 있으므로 전기사업자가 제시하는 고조파 전압%와 함께 IEEE Std 519에서 규정하고
있는 종합 전압왜형율(THD)의 계획 레벨은 표 6에서 제시하는 154kV 수전 전철변전소에 해당하는 값[5][12]으로 구체화 할 필요가 있다.
표 6 전압 왜형율 제한[5]
Table 6 Voltage distortion limits
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Bus voltage V at PCC
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Individual harmonic(%)
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Total harmonic distortion THD(%)
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V ≤ 1.0 kV
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5.0
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8.0
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1 kV < V ≤ 69 kV
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3.0
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5.0
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69 kV < V ≤ 161 kV
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1.5
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2.5
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161 kV < V
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1.0
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1.5
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고조파의 측정 기간 및 주기는 KS C IEC 61000-3-6에 따라 1일 기준 3초 주기 측정 또는 1주일 기준 10분 측정 주기중 철도선로 시험여건에
따라 선택을 절차서에 명문화 하고[3], 전원측 유입 고조파 원인에 대하여 전력네트워크에 연결된 매우 다양한 부하에서 기인하므로 특정하기엔 매우 어렵지만, 설계과정에서 주변 산업단지 여부,
부하의 특징을 파악하는 것도 필요하다.
3. 결 론
철도 전철변전소에서 통상적 고조파 측정시 운행중인 전기철도차량만을 대상으로 하였으나, 전원측 전력네트워크에서 유입되는 것을 고려하여야 한다는 것을
이번 대구선 철도개통사업 시설물검증시험 과정에서 확인되었다. 전철변전소 건설후 고조파 측정과 평가 기준 적용에서 전기사업자(전원측) 기준을 인용한
것은 전원측 전기설비에 지장을 미치거나 미칠 우려가 있을 경우를 대비하여 전력공급 조건으로 규정하고 있기 때문이며, 전기철도 부하설비 접속으로 인하여
변동 가능한 고조파 전압% 허용수준으로 하고 있다. 즉 전원측에서 유입 고조파(무부하시) 및 열차부하 운전시 각 측정값을 비교하여 적합여부를 판단하여야
할 것이다.
전철변전소에서 고조파 측정후 기준치 초과시는 발생 원인측(전기차량 또는 전원측 유입)을 판별 할 수 있도록 고조파 측정절차, 평가기준 및 측정결과
처리 등 개선안을 마련한다면 전철전원설비 분야와의 갈등을 해소하고 책임 한계가 명확하여 전철전력설비 시설물검증시험이 원만히 진행 될수 있을 것이다.
References
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Service,” pp. 20-30, 2021.
KNR, Railway Comprehensive Test Operation Procedure (P- Construction Management-20),
Transmission and Transfo rmation-02(Power Quality Test), 2019.
KNR, KRRI, “Report of Harmonics Measurement at Yong- Chon SS in Dae-Gu Line,” 2021.7.
KNR, “A Study on the Effects and Countermeasures of Electromagnetic Waves and Harmonics
in the Electrification Section,” pp. 3-4, pp. 219-220, pp. 224, pp. 227, 2002.
IEEE Std.519, “IEEE Recommended Pratice and Requirements for Harmonic Control in Electric
Power System,” P.1 (1.overview), pp. 4-6, 2014.
KEPCO, “Transmission System Harmonic Management Standards(H0-기공-standard-11),” pp.
5, 2012.
J, C, Kim, “Interpretation of Feeding System and Understanding of Korea Railway Electric,”
Kidari Book, pp. 508, 2008.
KEPCO, “Basic power supply stipulation article39, detailed enforcement regulations
of Basic power supply stipulation article26,” 2023.
KS C IEC 61000-3-6, “Limits-Assessment of emission limits for the connection of distorting
installations to MV, HV and EHV power systems,” pp. 8, 2008.
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2024)
KNR, “Improvement plan of Facility Verification Test Standards in Transmission and
Transformation (No-7181),” 2021.
KEA, KEC(Korea Electrical Code) Hand-Book, pp. 815-816, 2021.
저자소개
1967년 3월 12일 생. 1994년 원광대학교 전기공학과 학사 졸업. 2003년 전기철도기술사 취득. 2010년 충남대학교 산업대학원 전기공학과
석사 졸업. 2013년 충남대학교 대학원 전기공학과 박사 수료. 2022.4∼현재 우송정보대학 철도교통학부 초빙교수
Tel : 042-629-6367.
E-mail : Lhw312@wsi.ac.kr
1976년 10월 20일 생. 2003년 충남대학교 전기공학과 학사 졸업. 2005년 동 대학원 전기공학과 석사 졸업. 2009년 동 대학원 전기공학과
박사 졸업. 2009년 1월~2009년 8월 (주) 한라공조 기술연구소. 2009년 9월~현재 충남대학교 전기공학과 교수.
Tel : 042-821-7610.
E-mail : choi_jy@cnu.ac.kr