3.1 180 km/h급 터널 내 집전성능 검증 사례 분석

본 연구에서는 250 km/h 이하 속도에서 터널구간 집전 성능 평가 기준 및 시험 방법 마련을 위해 국내에서 시행된 시설물 검증 시험 결과를 분석하였다. 그림 1은 수도권광역급행철도 A (GTX-A, Capital Region Metropolitan Express Train Line)에 설치된 비디오 및 아크 검측 장치이다. 그림 1(a)과 같이 집전성능 검측을 위해 차량 상부에 아크 검출 센서, 비디오카메라 및 조명을 각각 고정한 이후에 그림 2(b)와 같이 차량 내에서 시험 결과를 실시간으로 분석한다.

Fig. 1. Picture of video and arc measurement system application on GTX-A

Fig. 2. Real-time analysis screen of video & arc test on the GTX-A from Seongnam to Suseo

그림 2에 GTX-A 구간의 수서-성남 구간의 운행 중 비디오 모니터링과 아크 검출시험 실시간 모니터링 시험 결과를 나타내었다.비디오 모니터링에 사용된 카메라는 1936 × 1216 해상도로 약 235만 화소이며, 1/1.2" 이미지 센서를 탑재한 산업용 카메라로 GigE Vision 인터페이스를 지원하여 고속 데이터 전송이 가능하다^[11].

그림 2에 나타난 바와 같이 아크 시험 결과는 실시간으로 표 2에 따라 NQ가 계산되며 열차의 속도, 아크 발생 횟수, 최대 아크 지속 시간, 검측기 운영시간, 이선 시간 및 이선율(%)등 다양한 정보를 현시하게 된다. 표 3에 GTX-A 노선에서 최고속도 상선과 하선에서 150 km/h 및 171 km/h 각각 운행 시험 결과를 각각 나타내었다. 표 3과 같이 아크의 발생의 종합적인 결과 이외에 아크 발생 시 발생지점인 KP (Kilometer Post)와 아크 발생 시간을 별도로 도출된다. 이는 표 1에 나타낸 반복적인 아크 발생지점을 판별하기 위한 것으로 전차선의 물리적 탈락과 같은 중대한 결함, 오버랩, 이행구간 등 시공 오차 발견이 가능한 것으로 보고되고 있다^[12]. 그러나 지하구간은 팬터그래프에 흐르는 전류, 열차의 속도와 풍속, 온도, 습도, 지하 구간에서의 먼지 등과 연계되어 반복적인 아크 발생지점 외에 아크 발생 간격을 검출하여 연속적으로 발생하는 아크를 나타내는 것이 필요할 것으로 판단된다. 국내에서는 이선율(%)의 제한치를 1% 미만으로 제한하고 있으나 아크 발생 빈도와 시간에 대한 기준치는 현재 나타나 있지 않다. 국제적으로도 이선율(%)은 IEC 62486에서 정의되며 일부 국가에서는 단일 아크의 최대 지속시간, 아크 발생 간격인 연속 아크를 고려하여 기준거리에서의 발생 횟수를 제한하고 있어 터널구간에서의 다양한 시험을 열차 운행의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있는 기준 마련이 필요한 것으로 판단된다^[13].

3.2 180 km/h급 터널내 팬터그래프와 비디오 모니터링 결과 분석

그림 3에 GTX-A 전차선/팬터습동 비디오 모니터링 중 발생한 아크 발생 결과를 각각 나타내었다. 그림 3과 같이 비디오 모니터링에서 적정 편위를 구별하도록 집전판에 위치를 마크한 것을 알 수 있으며 이를 이용하여 나타내며 육안으로 습동 상태를 확인하게 된다. 이는 터널구간의 특성상 낮은 조도로 인해 명확한 습동 상태를 구분하기 위한 것으로 보이며 전차선의 접촉점과 형상은 잘 나타나고 있다. 일반적으로 이선아크의 크기가 클수록 비디오에 나타난 발광의 크기가 커질 수 있으나 아크 검출기는 40,000 samples/sec로 샘플링 간격이 25 ㎲ 이내이며 비디오 모니터링 장치는 30 fps로 33.33 ms이며 노출 시간을 고려하더라도 최대 40 ms로 5 ms에서 10 ms의 아크를 비디오로 명확히 검출은 어렵다. 특히 본 논문에서 검출 최대 속도는 170 km/h 이며 이는 초당 47.22 m를 이동하는 것으로 노출 시간을 1 ms로 가정하면 열차는 47.22 ㎜를 이동하므로, 아크검출기와의 상대적인 위치 변화가 발생 되어 정밀한 검출은 어렵다. 그러나 고속 촬영 카메라 사용하여 프레임 속도를 향상하는 경우 비용과 데이터 용량 증가로 현실적인 어려움이 있으나 5 ms 의 아크를 판별하기 위해 최소 프레임은 400 fps로 향후 비디오 모니터링과 관련 시스템 설계 시 고려할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 1에 나타난 바와 같이 카메라는 열차의 지붕 위에 설치되어 팬터그래프와 전차선 간의 습동상태를 검출한다. 카메라가 팬터그래프 집전판과 전차선의 움직임을 모두 검출하는데 필요한 해상도, 시야각 계산을 위해 팬터그래프 중심부와 비디오 장치 간의 거리를 EN 50317에 나타난 2,400 ㎜로 가정하였다. 또한 비디오 모니터링 장치의 설치 높이는 GTA-A 차량의 높이와 동일한 3,750 ㎜로 하였다. 해상도의 가로 부분은 팬터그래프의 일반적 가동 길이인 980 ㎜를 포함하는 1,200 ㎜를 모두 검토할 수 있도록 가정하였다. 세로 부분은 전차선의 최소 및 최대 4,750 ㎜에서 5,400 ㎜를 모두 포함하는 650 ㎜보다 큰 800 ㎜로 가정하였다. 픽셀 크기 및 해상도 계산을 위해 센서의 크기는 1/2.8" (6.2 ㎜ x 4.6 ㎜) 라고 가정하였다. 본 논문에서 사용된 비디오의 해상도는 1936 x 1216 이므로, 이때 팬터그래프와 전차선간의 접촉 변화를 육안으로 검출할 최소 크기 dmin을 식 (1)과 같이 계산된다.

Fig. 3. Results of arc occurrences during pantograph/OCL sliding video monitoring on GTX-A

${d}_{min}$ : 최소 검출 가능 결함 크기 (㎜)

$W$ : 촬영 대상의 수평 시야 범위 (㎜)

$N_{w}$ : 영상의 수평 해상도 (px)

식 (1)에 다라 수평 방향의 최소 검출크기는 0.6198 ㎜/픽셀로 수직 방향의 최소 검출 크기는 0.6579 ㎜/픽셀로 나타났다. 이는 팬터그래프와 전차선 간의 접촉 변화를 육안으로 검출할 수 있는 최소 크기는 수평 방향으로 약 0.62 ㎜, 수직 방향으로 약 0.66 ㎜인 것으로 식 (2)와 같이 렌즈는 28∘의 수평 시야각을 가진 렌즈가 필요한 것으로 분석되었다. 팬터그래프와 전차선간의 습동상태는 수 ㎜의 변화를 실질적으로 분석할 수 있어야 하므로 해상도는 1936 x 1216 이상의 크기가 적정한 것으로 판단된다.