† 교신저자, 한국철도대학, 철도전기제어과 E-mail : [email protected]
* 한국철도대학, 철도전기제어과
분기기 고장 시 열차사고방지를 위한 안전시스템 모델링
A Study on the Safety System Modeling to Prevent Train Accident
by Turn-out Failure
유 광 균† 노 성 찬
*
Kwang-Kiun Yoo
Sung-Chan Rho
ABSTRACTA turnout serves to switch train from one line to another. The turnout consists of a Point which is switchs
the rail to induce direction, and a Crossing which is cross over two line on the plane surface, and a Lead
where is middle section in Point to Crossing.
Point machine, consists of a turnout, is important facilities in railway signal, that is safety issue relates in
derailment of the train.
Recently, train delay and accident frequently occurred because of the turnout include in a point machine
trouble of electrical and mechanical. So in order to prevent train accident the research is advanced, install of
normal and reverse indication lamp in a point machine, development of adherence detector for sensing the
status of adhesion between the stock rails and tongue rails etc.
In this paper investigates the problem which is connected with a turnout trouble, include in a point machine,
occurrence at the time of train accident, and then proposed to the safety system model in order to prevent the
train accident in turnout.
1. 서론 선로전환기를 포함한 분기기는 철도신호에서 안전에 가장 취약하며, 다양한 고장원인을 내재하고 있는 설 비로 그 취급과 유지보수에 각별한 주의가 필요하다. 최근 분기기의 고장으로 인한 열차의 지연과 사고가 자 주 언론에 보도되고 있어 이를 유지보수하고 있는 운영관계자의 주의를 환기 시키고 있다. 분기기는 크로싱부분이 고정되어있는 일반 분기기와 크로싱 부분이 움직이는 노스가동 분기기로 구별된다. 일반 분기기는 주로 기존선과 고속선 측선과 같이 열차의 속도가 낮은 구간에서 주로 사용하며, 노스가동분 기기는 고속선 또는 기존선과 고속선의 연결구간과 같이 열차의 속도가 높은 구간에 주로 사용한다. 분기기에 포함된 선로전환기는 분기기에 전환력을 공급하는 장치로 전기 또는 공압을 사용하여 텅레일을 전환시켜 열차의 진로를 원하는 방향으로 변환하여주는 장치이다. 이중 전기선로전환기는 전기를 동력으로 하여 선로를 전환하는 장치로 사용되는 전원의 종류, 클러치의 동력전달방식, 전환력등에 따라 분류된다. 다음 표는 현재 사용되고있는 국내외의 전기선로전환기의 제원을 나타낸 것이다.
구분 한국 일본 프랑스 스웨덴 형식 NS TS NS-AM MJ81 침목형 개발연도 1964 1967 19901981 1990 사용전원 AC105/220 단상 AC105단상 AC105/220 단상 AC220/380 삼상 AC220단상 /AC220/380삼상
동작전류 8.5[A] 12[A] 8.5[A] 4[A](220V)
1.5[A](380V) 2.5[A]
전환력 300㎏ 600~1000㎏ 400㎏ 200~400㎏ 200~1000㎏
전환시간 6[sec] 8[sec] 6[sec] 5[sec] 4.4~5.5[sec]
구동방식 콘덴서기동형 4극 콘덴서기동형 6극 콘덴서기동형 4극 모터직접제어 비동기형 클러치 마찰 전자 전자 마찰 전자 사용분기기 F8~F15 F12~F18 F8~F15 F18~F65 [표 1] 전기선로전환기의 종류 및 특성 2. 전기 선로전환기의 장애현황 분기부의 선로전환기 장애는 기타의 신호장치의 장애에 비하여 사고의 위험성이 높고 빈번하게 발생한다. 2000년부터 2010년까지 최근 10년간의 장애현황을 살펴보면 선로전환기 장애가 119건으로 전체 신호장치 장애의 27[%]를 차지하고 있다. 이는 철도 신호장치의 장애 발생 빈도로 보았을 때 기타 원인이 불분명한 장애를 제외하고 가장 높은 수치로 선로전환기에 의한 장애가 빈번하게 발생하고 있음을 나타낸다. 구 분 ‘00 ‘01 ‘02 ‘03 ‘04 ‘05 ‘06 ‘07 ‘08 ‘09 ‘10 계 계 31 75 57 44 43 57 39 29 25 24 23 447 신호기 1 6 - 3 3 - 1 - - - - 14 선로전환기 5 25 14 7 16 17 5 7 6 9 8 119 궤도회로 5 18 10 11 5 6 2 1 2 1 5 66 전원장치 2 2 2 1 2 - 1 5 4 1 1 21 연동장치 11 12 14 9 - 12 2 2 4 7 6 79 ATC장치 - - - 7 5 - - - - 12 안전설비 - - - 7 3 1 - - - 11 전선로 - - - 1 1 2 기 타 7 12 17 13 17 8 20 13 9 5 2 123 [표 2] 2000년부터 2010년까지 철도 신호장치 장애 현황 3% 27% 15% 5% 18% 3% 2% 27% 0% 신호기 선로전환기 궤도회로 전원장치 연동장치 ATC장치 안전설비 전선로 기 타 [그림 1] 2000년부터 2010년까지 철도 신호장치 장애 현황
3. 선로전환기 장애에 의한 철도사고 및 운행 장애 “철도사고 등의 보고 및 조사에 관한 지침”에 의하면 철도사고는 “철도운영 또는 철도시설관리와 관련하여 발생한 사람의 사상 또는 물건이 망가진 것을 말하며 철도교통사고 및 철도안전사고로 구분한다.”고 규정하고 있으며, 운행장애는 “ 철도차량의 운행에 지장을 초래하는 것으로서 철도사고에 해당하지 아니하는 것을 말하 며 위험사건 및 지연운행으로 구분한다.”로 규정하고 있다. 선로전환기의 장애는 철도사고 또는 운행장애로 이어지는 경우가 많다. 2001년 11월에는 한국철도공사 경 인선 주안역구내에서, 2002년 6월에는 중앙선 판대역 구내에서 선로전환기 도중전환으로 인한 탈선사고가 발 생하였다. 최근 2011년 2월에는 경부고속선 광명역구내에서도 선로전환기 장애로 인하여 고속열차가 탈선하 는 사고가 발생하였다. 이와 같은 분기기 관련 철도사고 및 운행 장애를 유형별로 분석하면 분기기 할출, 할입 사고가 1998년에서 2007년까지의 통계에서 124건으로 가장 많이 발생하고 있으며, 다음으로 선로전환기 불일치가 117건이다. 또한 입환 시 도중전환 사고가 31건이며 전기적 고장에 의한 선로전환기 전환불능에 의한 사고가 26건으로 그 뒤를 잇고 있다. 다음 표는 분기기 사고를 유형별로 분석한 결과이다. 년도 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 과밀착 3 궤간확장 1 2 1 도중전환 6 7 3 4 3 3 1 2 1 1 레일절손 1 1 부상 탈선 4 1 7 3 2 3 3 불일치 5 7 7 15 21 14 15 14 9 10 전환불능 2 6 11 3 3 1 할출 할입 13 9 18 7 14 16 10 20 7 10 해정불능 1 1 1 1 기타 1 1 1 5 4 계 28 26 35 43 43 43 30 39 30 29 [표 3] 1998년부터 2007년까지 유형별 분기기 사고 분석 1% 1% 9% 1% 7% 34% 8% 35% 1% 3% 과밀착 궤간확장 도중전환 레일절손 부상탈선 불일치 전환불능 할출 할입 해정불능 기타 [그림 2] 1998년부터 2007년까지 유형별 분기기 사고 분석 분기기의 장애로 인하여 발생한 차량탈선사고건수는 연평균 14건 정도로 발생하는 것으로 조사되었다. 년도 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 차량탈선 사고 19 13 18 12 12 18 12 19 10 10 [표 4] 1998년부터 2007년까지 차량탈선 사고현황
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 차 량 탈 선 사 고 건 수 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 년도 [그림 3] 1998년부터 2007년까지 차량탈선 사고현황 이와 같이 분기기에서 장애가 발생하면 철도사고 또는 운행 장애로 이어지는 경우가 많다. 이는 열차운행 이 이루어지는 선로에 설치된 설비로 열차진동, 온도변화 등에 직접 노출되어 있어 유지보수 환경이 열악하 며, 장애 발생 시 상황파악을 위한 현장접근이 신속하게 이루어지지 않고 있기 때문으로 사료된다. 4. 선로전환기 장애 발생 시 조치현황 선로전환기는 전기에너지를 기계에너지로 전환하여 선로를 전환하는 장치로 전기적인 요소뿐만 아니라 기 계적인 요소들이 복합적으로 존재하고 있어 장애발생의 우려가 높고, 열차의 진로와 직접적으로 관계가 있는 시설물로 안전을 가장 우선적으로 고려하여야 하며, 장애 발생 시 정해진 규정에 따라 취급되어야 한다. 또한 설치장소가 선로에 있어 진동과 외부 충격에 충분하게 견딜 수 있도록 제작되고 설치되어야 한다. 다음 그림은 선로전환기 장애 발생을 FTA에 의하여 도시한 것이다. 선로전환기 장애 기계적 장애 전기적 장애 케이블 불량 기기 불량 감속기어장치불량 전환쇄정장치불량 간류 불량 밀 착 조 절 간 불 량 외란 및 조정불량 첨 단 간 불 량 브 라 케 트 불 량 조 절 나 사 불 량 접 속 간 불 량 클 러 치 불 량 중 간 기 어 불 량 전 환 기 어 불 량 쇄 정 자 불 량 동 작 간 불 량 로 크 로 드 불 량 쇄 정 조 정 불 량 밀 착 조 정 불 량 클 러 치 조 정 불 량 첨 단 이 물 질 삽 입 진 동 에 의 한 각 부 이 완 전 원 회 선 불 량 제 어 회 선 불 량 표 시 회 선 불 량 선 로 전 환 기 기 내 배 선 불 량 전 동 기 불 량 콘 덴 서 불 량 계 전 기 불 량 계 전 기 잭 불 량 밀 착 검 지 기 불 량 [그림 4] 선로전환기 장애 발생 원인
일반적으로 선로전환기가 장애를 일으키는 가장 큰 원인은 기계적 장애의 외란 및 조정불량에 의한 것으로 파악된다. 각종 간류의 온도변화에 의한 조정불량, 진동에 의한 조정불량, 첨단의 이물질 삽입으로 인한 쇄정 상태의 불량이 가장 많은 것으로 조사되었다. 선로전환기의 장애가 발생하면 한국철도공사의 경우 지연운전취급규정 제284조 “선로전환기 장애발생 시 조치규정”에 의거하여 운전취급이 이루어지며, 동 규정 별표 21 “선로전환기 수동전환요령”에 의거 선로전환 기를 수동으로 취급한다. 또 동 규정 제77조 “선로전환기의 잠금”에는 수동으로 전기선로전환기를 전환한 경 우에는 첨단밀착 및 쇄정창의 쇄정상태를 확인하고 이를 확인할 수 없을 경우에는 키볼트를 사용하여 텅레일 을 잠그도록 규정하고 있다. 다음 그림은 한국철도공사에서 선로전환기 장애 발생 시 일반적으로 장애 및 사고를 복구하는 흐름을 나타 낸 그림이다. 선로전환기 장애가 발생되면 관제실 및 현장역에서 상황을 접수하여 유지보수자에게 연락한다. 역무원과 유지보수자는 현장으로 출동하여 현장상황을 파악하고 현장상황을 관제실 또는 운전실에 보고한 후 단기간에 장애가 복구될 수 있으면 선로전환기를 수동취급 후 밀착 및 쇄정상태를 확인 한 후 수신호 또는 열차무선을 이용하여 열차를 서행운행 통과시키며, 단기간 장애복구가 불가능하다고 판단 될 경우 첨단레일 을 키볼트를 이용하여 기계적으로 쇄정시킨 후 수신호를 시행하여 열차를 운행 시킨다. 그 후 선로전환기 장 애를 복구하고 열차를 정상운행 시킨 후 보고서를 작성하여 사령실에 보고한 후 상황을 종료한다. - 상황접수 및 현장확인 단시간 조치 및 복구가능여부 - 수동전환 - 수동키 삽입 - 개통 방향 확인 - 밀착 및 쇄정상태 확인 - 수신호 또는 대용신호로 운행 - 수동전환 - 첨단레일 기계쇄정(키 볼트) - 수신호 또는 대용신호로 운행 장애복구 - 환경정비 - 열차 정상 운행 - 피해 상황 파악 상황보고 상황 종료 선로전환기 장애 발생 Yes No [그림 5] 선로전환기 장애발생 시 처리 흐름도 5. 선로전환기 장애 시 사고 모델 그림 6은 철도신호에서 선로전환기 장애에 의한 철도사고가 발생할 수 있는 경우를 도시한 그림이다.
선 로 전 환 기 장 애 열 차 운 행 상 오 판 유 지 보 수 상 오 판 열 차 운 행 상 오 조 작 유 지 보 수 상 오 조 작 선 로 이 상 차 량 이 상 이 례 취 급 신 호 모 진 오 판 오조 작 선로전환기 장애에 의한 철도사고 [그림 6] 선로전환기 장애에 의한 철도사고 발생 모델링 위 그림에서 선로전환기 장애가 사고로 이어지는 원인을 살펴보면, 선로전환기 장애를 정해진 규정에 의거 처리하였을 경우 운행 장애는 발생할 수 있으나 인명과 시설물의 손실을 일으키는 철도사고로 이어지는 경우 는 드물다 할 수 있다. 하지만 KTX열차의 경우 정규 도착시간의 20분에서 40분미만으로 지연될 경우 요금 의 12.5[%], 40에서 60분 미만인 경우 25[%], 60분이상은 50[%]를, 새마을호, 무궁화호, 누리로, 통근열차 등은 40분 이상 80분미만의 경우 12.5[%], 80분 이상 120분미만은 25[%], 120분 이상은 50[%]를 현금 보상하도록 명시하고 있어 장애 발생 시 유지 보수자가 느끼는 부담감이 가중될 수 있다. 따라서 선로전환기 장애 시 유지보수자 또는 역무원의 오판 및 오조작의 가능성이 존재할 수 있다. 또한 한국철도공사에 시설된 전기선로전환기 8,681대 중 밀착검지기를 8,441개소에 설치하여 운행하고 있 으나 밀착검지기의 검지상태를 선로전환기의 표시회로의 일부로만 사용하고 있어 선로전환기 쇄정불량 장애 시 밀착검지기가 있어도 첨단레일의 밀착여부를 확인할 수 없는 구조로 되어 있다. 따라서 선로전환기의 장애 발생 시 기존의 표시조건과 상관없이 텅레일의 밀착상태를 확인할 수 있도록 밀 착검지기의 표시를 독립적으로 구성할 필요가 있다. 마지막으로 선로전환기 장애 시 텅레일을 선로전환기에 기계적으로 고정하기 위하여 키볼트를 이용하여 고 정한다. 키볼트는 역 운전실에 비치되어 있으며 역무원이 장애 상황을 판단하고 공구를 사용하여 취부한다. 키볼트는 수동으로, 스패너와 같은 공구를 사용하여 설치하므로 이를 취부하는데 상당한 시간이 소요된다. 또 한 역무원은 키볼트를 취부한 후 수신호를 현시하기 위하여 이동하여야 한다. 따라서 이때에 상당한 시간이 소요되므로 열차를 운행하는 데 많은 지연시간이 발생한다. 따라서 키볼트 장치를 개선하여 텅레일을 고정하 는데 소요되는 시간을 최소화 하여야 한다. 6. 결 론 선로전환기는 철도신호에서 열차의 진로를 현장에서 직접 제어하는 설비로 장애 및 사고의 위험이 가장 높 다고 말할 수 있다. 본 논문은 선로전환기의 장애 발생 원인을 조사하고, 선로전환기 장애가 사고로 이어지는 경우를 모델링하 여 보았다.
조사결과 최근 10년 동안 선로전환기로 인한 장애가 전체 신호설비 장애의 27[%]를 차지하고 있으며 선 로전환기 장애로 인한 탈선사고도 년 평균 14건 정도로 높게 나타났다. 또한 선로전환기 장애가 사고로 이어지는 경우를 모델링하여 선로전환기 장애가 사고로 이어지는 철도사고 의 원인을 파악하고자 하였다. 이 모델에서 철도사고가 발생하는 주요한 요소는 선로전환기 장애 시에 조작 자나 유지보수자의 오판 및 오조작, 신호모진, 이례적인 취급 등이 철도사고로 이어짐을 추정할 수 있었다. 이는 열차지연과 같은 운전 장애를 최소화하기 위하여 조작자나 유지보수자가 오판과 오조작, 이례적인 취급 이 이루어지는 것으로 추정된다. 또한 선로전환기 장애 시 키볼트 등과 같은 기계적인 쇄정장치를 이용한 선 로의 쇄정이 빠르고 단순하게 이루어지지 않는 것도 한 원인일 것으로 추정된다. 선로전환기 장애 시 키볼트를 이용하여 텅레일을 기본레일에 쇄정시키는 경우, 수동 키볼트가 아닌 전동기 의 동력을 이용하는 전동 키볼트를 개발하여 사용함으로, 빠르고 단순하게 선로전환기 쇄정이 이루어 질 수 있도록 해야 할 것이다. 또한 유지보수자의 억측 취급을 방지하기 위하여 선로전환기 장애 시 발생할 수 있는 가장 단순화된 처리 절차를 제공하고 교육하여 맡은 임무에 충실하도록 하는 것이 필요하다. 참고문헌 1. 한국철도공사 전기기술단 , “전기업무자료,” 한국철도공사 전기기술단, 제17호, 2010. 2. 유재현, "철도선로전환기 기계식 밀착검지기 개발을 통한 장애경감에 관한 연구," 서울산업대학교 산 업대학원, 석사학위논문, 2008. 3. 윤동수, "간선철도 분기기 취약원인분석 및 대책에 관한 연구," 우송대학교 공학대학원, 석사학위논문, 2009. 4. 박재영, 홍원식, 전병록, "철도신호공학," 동일출판사, 2007.
