2.2.1 고장점표정 장치의 문제점

고장점표정 장치는 전차선로 고장발생시 사고전류를 취득하여 고장 위치를 계산하고 관제근무자 및 유지관리자에 신속하게 고장 정보를 제공한다.

<전차선로 사고 발생시 복구절차>

사고발생 → 고장점표정장치 위치 계산 및 표출 → 유지관리자 고장위치 도착 후 시설물 점검 및 복구

그런데 급전계통 고장발생시 실제 사고지점과 표정거리간 거리차(오차)가 크게 발생되어 복구시간이 지연되는 문제가 발생되었다. 교류급전방식 기준으로 일반선은 같은 거리표정 방식을 사용하여 향후에도 동일한 문제가 발생될 수 있는 소지를 안고 있었다. 또한 성능 확보를 위하여 전국 운영기관에서 매년 오차 보정시험을 시행하고 있으나 정확도의 개선에 어려움을 겪고 있다.

국내 고장점표정장치 운영 현황은 다음과 같다^[8].

고장점표정장치는 급전방식(열차에 전원을 공급)에 따라 분류하고 있으며 2000년대 설치된 국내 단일제품은 기존 일본장치를 국산화하여 전국 운영기관에서 동일한 제품을 사용중이다. 현재 운영중인 장치는 3가지 유형의 고장 중 전차선 고장에 한하여 오차 기준을 만족하고 있다.

운영기관의 고장발생 현황을 담당자별로 문의한 결과 실제 데이터를 받을 수는 없었지만, 아래와 같은 빈도로 고장 발생 유형을 정리할 수 있다^[8].

고장점표정장치 동작 사례 중 표정오차가 매우 크게 발생된 사례는 다음과 같다^[8].

전차선 고장의 경우에만 오차기준을 만족하며 이러한 결과는 고장발생 빈도가 높은 전차선 고장에 특화되도록 설계된 영향이다. 국가철도공단에서 제시한 고장점표정 장치의 오차기준은 200미터 이내(KRSA-3010-R3, 10km±20%이내)이며 AT근접 위치(1km)는 500미터까지 허용된다.

위 사례도 단시간에 연속 발생된 고장시 표정오차 과다로 복구시간 지연과 기기의 신뢰도에 영향을 주었으며 열차운행이 중단되어 해당구간을 이용하는 승객의 큰 불편을 초래하였다. 따라서 표정오차 발생 원인을 분석하여 적절한 오차보정 계수를 산출이 필요하였다.

Fig. 5. Fault locator system line diagram

2.2.2 고장점표정장치 보정계수의 조정

장치는 주장치가 변전소에 설치되며 보조장치가 보조급전구분소에 설치되며 사고시 주장치에서 보조장치의 전류정보를 획득하여 거리를 연산하게 된다.

각 개소별 장치간 광통신 회선을 사용하여 데이터 취득 오차를 최대한 줄이고자 하는데 실제 운영기관에서 개소간 연결망은 전용 광통신망을 이용하지 못하여 표정오차 발생 원인이 된다.

고장점표정 기존 알고리즘은 단순한 옴의 법칙($I=\dfrac{V}{Z}$)을 응용하여 1차 함수 거리로 계산한다^[8].

Fig. 6. Fault locator system section calculation

위 Fig. 6 고장점 표정 계산 알고리즘은 전차선로 임피던스(Z)와 관련된 전류비가 거리에 선형으로 비례한다는 전제시 오차가 발생하지 않는 개념이다. 사고발생시 장치 기동신호는 변전소의 보호계전기의 트립신호를 입력으로 받는다. 동작기능을 자세히 설명하면 다음과 같이 시행된다.

① 사고발생

② 사고전류는 거리에 반비례하여 접지(레일, FPW, CPW 등)을 통해 인근 AT로 귀환(또는 흡상)

③ 주장치가 위치한 변전소에서 각 AT에 흐르는 보조장치 전류값 취득

④ 전류비 연산시행

⑤ 거리계산(보정계수 적용)

2.2.3 고장점표정장치 오차발생 원인분석

보정계수는 선로임피던스식 (5)을 선형적으로 가정하여 1차 함수로 구성되어 있으나 실제 임피던스를 측정한 결과 선형적이지 않아 장치가 연산시에 오차가 발생하였다. 오차발생시 보정계수 조정(Q1↔Q2) 후 동일장소 재현시험에는 오차 기준을 만족하나, 다른 개소에서는 오차가 다시 발생하였다. 또한 보정계수를 산출하기 위하여 임피던스 측정시 전차선을 실제 급전하여 25,000(V)를 인가 후 차단을 반복함에 따라 주변압기(Scott TR) 및 차단기(Feeder CB)에 무리를 주어 시험을 제한적으로 시행할 수밖에 없다^[8].

지상과 지하구간이 혼재되었을 경우 지상(Overhead Catenary)과 지하(R-bar) 시스템이 상이하여 임피던스가 선형적이지 않다. OCW와 R-bar노선의 임피던스를 비교하면 레일과 급전선의 자기임피던스 값은 거의 동일하나 전차선의 자기임피던스는 R값이 OCW가 높고 X값은 R-bar방식이 높다^[10].

실제 급전시 단락전류가 커서 운영시와 동일한 조건으로 시험하게 된다면 상하선 복선 운영에 따른 타선 흡상현상이 생겨 고장점표정에 오차로 작용하게 된다^[1,9].

Fig. 7. Measure impedance by section

Fig. 7의 급전선의 보정계수는 값의 차이가 미미할 것으로 생각되어 전차선과 동일하게 적용하였으나 급전선 임피던스(전류비) 측정결과 전차선과 상이하여 오차발생 원인으로 작용하였다. 다른 원인으로는 변전소 주장치에서 보조장치의 전류값을 취득시 시간 지연으로 전류값이 변동하여 오차가 발생했다. 전류값은 통신 지연 등에 의한 요소로 사고 발생시점의 전류값이 아닌 감소된 전류값 취득으로 전류비 계산시 오류가 발생된다^[10].

Fig. 8. Accident current trend chart

위 Fig. 8에서 표시된 사고전류는 역지수함수 형태로 감쇄되어 발생 2.2ms만에 50%로 감소되는 현상을 보여준다.

또한 분기선의 인근에서 고장발생시 고장위치 표시의 중복으로 운영자의 복구과정에 혼란을 초래하는 문제가 확인되었다.

Fig. 9. Fault location of branch(connection) line

표시기능 오류로 고장표정 오차범위 200미터 이내에 분기선이 들어올 경우 차량기지 방향과 본선 방향 중 고장구간이 어디인지 판별하지 못하는 상황이 발생되었다.

2.3.1 저압 단락임피던스 측정방법 적용

기존의 정상 급전전압을 인가하여 측정된 전류비를 통한 보정계수 산출방법은 상기와 같이 문제점을 내포하고 있다. 따라서 시스템에 영향을 최소화하고 다양한 지점에서 단락시험이 가능하도록 저압인가 임피던스 측정 시험장치를 통하여 단락임피던스를 측정하였다.

Fig. 10. Low voltage short circuit impedance test device

저압단락임피던스 측정을 통하여 다수의 단락임피던스를 용이하게 취득하였으며 실 가압시험(지락시험)과 비교데이터를 확보하였다.

Fig. 11. Low voltage short impedance measurement

저압 단락시험을 통한 고장점 성능검증 시험은 야간에 열차 시운전을 통하여 선로 임피던스의 특성을 파악하였으며 1차 380(V)부터 1,500(V)까지 단계적으로 승압하여 단락임피던스를 취득하였다. 최종적으로 25,000(V) 실제 가압시험을 통하여 산출된 보정계수의 성능을 검증하였다^[8].

2.3.2 고장위치 표시오류 개선

기존의 고장표시는 운영자가 볼 수 있는 대형표시반에 고장거리를 단순히 표시하는 기능으로 구현되었다. 이번 오차저감 방안을 적용시 운영자가 고장위치를 더욱 빠르게 판별할 수 있는 그래픽과 운영자컴퓨터 내 별도의 고장점 페이지를 통해 고장거리와 사고전류 등 부가정보를 표시할 수 있도록 변경하였다. 또한 연결선의 고장표시의 중복 문제를 해결하기 위해 별도의 판단식 프로그램을 적용하였다^[8].

Fig. 12. Conversion of connection line fault location

2.3.3 표정오차 저감시험 결과분석

◦ 1차 성능검증(1,500V) 시험 비교

각 시험별 오차기준(200미터 이내)내 들어온 결과값을 보면 전차선 지락시험(10개소)시 기존장치 30%, 개선된 요소를 적용한 결과 90%, 급전선 지락시험(6개소)시 기존장치는 17%, 개선된 요소를 적용한 결과 90%로 매우 양호한 수준이다. 기존장치의 평균오차는 전차선 및 급전선 모두 기준 밖이며, 특히 급전선의 오차는 기준값의 4.5배로 매우 높은 수준이다.

◦ 2차 성능검증(25,000(V)~50,000(V)) 시험 비교

Table 8 2nd performance verification test results

2차 시험별 오차기준(200미터 이내)내 들어온 결과값을 보면 전차선 지락시험(5개소)시 기존장치 60%, 개선된 요소를 적용한 결과 80%이며, 급전선 지락시험(6개소)시 기존장치는 50%로 낮으며, 개선된 요소를 적용시 100% 만족률을 보인다. 전차선-급전선의 단락시험(3개소) 경우 기존장치는 0%, 개선된 요소를 적용시 100% 오차기준 이내로 확인되었다. 기존장치의 평균오차는 전차선 및 급전선 모두 기준밖이며, 특히 전차선-급전선 단락 오차는 평균 25km로 기준값의 125배에 달하는 높은 수준이었다. 즉 개선된 요소를 적용시 기존장치보다 양호한 성능으로 판단할 수 있다.