Analysis of Voltage Drop under Extended Feeding in KyungBu High Speed Line (I)

† 교신저자, 한국철도기술연구원, 광역도시철도연구본부 E-mail : [email protected]

* 한국철도기술연구원, 차세대전동차연구단

경부고속선의 전력공급 안정성 검토를 위한 연장급전 조건의 전압강하

검토 (I)

Analysis of Voltage Drop under Extended Feeding in KyungBu High

Speed Line (I)

김주락† 이장무* 장동욱**

Joorak Kim Changmu Lee Dong-Uk Jang

ABSTRACT

This paper presents the simulation of traction power supply system for the evaluation of voltage drop in Kyungbu high speed line. This simulation is performed in circumstance of extended feeding through vicinity substation. Extended feeding should be considered from design of system. Therefore, voltage drop at extended feeding must be accepted against regulation. In this paper, voltage drop is evaluated under condition of extended feeding targeting section from Shinchungju and Pyungtaek S/S.

1. 서 론 철도는 도시간 또는 도심내 인적·물적 수송을 목적으로 한다.이러한 철도는 주로 전기에너지를 통해 견인력을 공급받는다.따라서 급전시스템은 철도 운행 신뢰도에 매우 중요한 요소가 된다.또한 대규모 자원이 투입되는 철도 건설의 특성상 건설 후 시스템의 변경이 매우 어렵기 때문에 설계 단계에서의 신 중한 검토가 중요하다. 전력공급 안정성 측면의 급전시스템 설계는 두가지 중요 요소가 고려되어야 한다.그중 하나는 부하 용량이고 나머지는 전압 강하 문제이다.물론,이 두 요소는 서로 밀접한 연관이 있는 것이지만 본 논문 에서는 나누어 생각하기로 한다.먼저,부하 용량 측면에서는 전철변전소에서 공급해야할 부하 크기에 대응하는 주변압기 용량 산정을 말한다.즉,주변압기 용량은 부하의 1시간 평균 크기를 만족하도록 설 계한다.전압 강하의 경우 전철변전소에서 공급된 전압이 차량에서 집전될 때 기준값 이상으로 유지 되 도록 변전 용량을 설계한다. 특히 전압 강하의 경우 주변압기 용량이 부하 크기보다 큰 경우에도 발생하게 된다.그 이유는 대용 량의 집중 부하에 약 25km 길이의 선로를 통하여 단방향으로 전력을 공급하기 때문이다.특히,인근 변 전소의 고장에 의한 연장 급전 때에는 한 변전소의 급전거리가 2배로 증가하여 약 50km에 걸쳐 견인 전력을 공급하게 된다.이때에는 급전 구간에 운행 차량의 대수도 증가하기 때문에 부하 전류의 증가와 함께 심각한 전압 강하가 발생할 수 있다.현재 우리나라는 급전시스템 용량 산정의 조건으로 연장 급 전시의 부하 용량을 고려하고 있다.물론,1시간 평균 부하보다 큰 용량으로 기준 이상의 집전 전압이 유지되도록 하고 설계하고 있으나 물류 수요의 증가에 따른 속도 향상 혹은 시격 감소에 따라 전압 강

하의 정도가 점점 증가하는 추세에 있다. 이에 따라 본 논문에서는 용량 측면이 아닌 전압 강하 측면에서의 현재 운영중인 전철변전소 용량의 적정성을 판별하기 위하여 급전시스템의 연장급전 시뮬레이션을 수행하여 고찰한다.시뮬레이션 대상은 국내 급전시스템 중 부하 크기가 가장 큰 경부고속철도 1단계 구간으로 하였다.시뮬레이션은 본 연구 진에 의해 개발한 툴을 사용하였다[1]. 2. 연장급전 “연장급전”이라 함은 2개소 이상의 급전점에서 급전할 수 있는 급전구간을 1개소 급전점에서 급전하 는 방식을 말한다[2].즉,인근 변전소의 고장 혹은 장애시에 연장급전이 시행되며,그림 1은 연장급전의 개념을 표현한 것이다. 그림 1. 연장급전 개념도 그림 1에서 보듯이 우측의 변전소 고장으로 SP의 차단기 투입을 통해 좌측의 변전소가 연장급전을 시행하게 되면,급전거리가 2배가 되며,공급 부하도 2배 내외가 되어 공급변전소의 전력공급이 증가하 고,부하전류가 커져 심각한 전압강하가 발생할 수 있다.전압강하는 견인 전력공급에 직접적인 영향을 미친다.따라서 시스템의 설계 단계에서 연장급전에 따른 전압강하를 고려한다.하지만 철도 수요의 증 가에 따라 열차 운행 대수의 증가가 운영 단계에서 요구되면 전압강하에 대한 재검토가 반드시 필요하 다.이에 따라 본 논문에서는 현재 운영중인 선로를 대상으로 연장급전시 전력공급 안정성을 시뮬레이 션을 통하여 검토하고자 한다. 3. 전압강하 시뮬레이션 3.1시뮬레이션 조건 본 논문에서 연장급전에 따른 전압강하를 검토하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.시뮬레이션은 ‘PowerRail’을 이용하였고 대상 계통은 그림 2와 같이 경부고속선 1단계 구간이다.

그림 2. 연장급전 대상 급전계통 위 그림에서 보듯이 대상 계통은 표 1과 같은 특징을 가지고 있다.특히,전원 전압을 최고전압 55kV 가 아닌 53.8kV로 설정한 것은 실제 신청주 전철변전소의 주변압기 2차측(TS)무부하 전압이 실제 53.8kV로 유지되고 있기 때문이다.또,주변압기 용량은 90MVA이지만 평택 방향 T상으로는 45MVA용 량을 이용할 수 있다.표 2는 시뮬레이션 조건을 보인 것이다. 표 1. 시뮬레이션 대상 계통 개요 표 2. 시뮬레이션 조건 항 목 값 급전 거리 53km964 주변압기 용량 90MVA 전원 전압 53.8kV 항 목 값 시뮬레이션 시간 04:00～ 24:00 TimeStep 5초 시뮬레이션의 부하량 산정에 가장 중요한 열차 스케줄은 한국철도공사 홈페이지에서 발췌한 KTX 시 간표(2011년 7월 1일 현재)를 기준으로 반영하였다[3]. 3.2시뮬레이션 결과 본 논문에서는 연장급전에 대비한 시뮬레이션을 수행하였으며,심각한 전압강하 상태를 예측할 수 있 어,변전소 주변압기의 단독 및 2대 병렬 운전을 고려하였다. 3.2.1주변압기 1BANK 단독 운전 시뮬레이션은 신청주 변전소에서 평택 변전소로 전력을 공급하는 조건이다.먼저,주변압기 1대 단독 운전하는 경우의 전압강하 시뮬레이션 결과는 표 3과 같다.표에서 보듯이 신청주 변전소 M상은 대전 방향으로 회덕 구분소까지 정상급전하고 T상은 평택변전소까지 연장급전을 한 결과이다.T상에서 열차 집전 전압은 17.67kV까지 강하된 것으로 계산되었다.부하도 정상급전 대비 2배 이상(1시간 평균 최대 부하 기준)임을 알 수 있다. 그림 3～ 그림 5는 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 것이다.그림들은 각각 연장급전을 하는 T상 의 공급부하,공급전압 및 차량 집전전압 등이다.열차 운행과 직접적인 관련이 되는 집전전압의 경우 최저 17.67kV까지 예상되고,19kV이하로 집전전압이 저하되는 시간은 약 16초 동안인 것으로 계산되었다.

표 3. MTr. 단독 운전 시뮬레이션 결과 전압 공급전압 [kV] 차량전압 [kV] 최대 최소 최대 최소 M상 55.56 50.81 28.35 24.76 T상 56.58 44.14 29.37 17.67 전력[MVA] 1시간 15분 1분 순시 M상 7.382 11.182 31.32 41.754 T상 18.99 24.515 52.954 60.485 그림 3. 공급부하 계산 결과(MTr. 단독) 그림 4. 공급전압 계산 결과(MTr. 단독) 이 결과는 한국철도시설공단의 ‘전철전력시설지침’의 최소 전압 규정(19kV)보다는 작고 KS C IEC 60850의 비지속성 최저전압(17.5kV)보다는 큰 값이다[4].그 원인은 그림 6과 같다.그림 6은 최저 집전 전압이 계산된 시점의 열차 운행 다이어그램을 도시한 것이다.그림에서 보듯이 최저 집전 전압은 신청 주 S/S의 말단에 상․하행 열차가 진입하였고,계통의 최대 임피던스 지점에 열차가 위치해 전압강하가 발생한 것이다.특히,말단 두 열차는 최대 전력으로 견인하고 있기 때문에 과도한 전압강하가 계산된 것이다.

그림 5. 차량 최저 전압 계산 결과(MTr. 단독) 그림 6. 최대 전압강하 시점의 열차 운행 다이어그램 3.2.2.주변압기 2BANK 병렬 운전 1Bank 단독운전 시뮬레이션 결과 19kV 이하의 전압강하가 계산되었기 때문에 주변압기 2대의 병렬 운전 조건에서는 어떤 변화가 발생하는지 검토하였다.주변압기 병렬 운전 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. 표 4. MTr. 병렬 운전 시뮬레이션 결과 전압 [kV] 공급전압 차량전압 최대 최소 최대 최소 M상 55.17 51.83 28.16 25.29 T상 55.88 48.54 29.08 20.54 전력[MVA] 1시간 15분 1분 순시 M상 7.38 11.18 31.299 41.707 T상 18.941 24.458 52.415 59.545 표에서 보듯이 주변압기 병렬 운전에 의해 최소 집전전압은 17.76kV에서 20.54kV로 약 3kV 상승했으

그림 7. 공급부하 계산 결과(MTr. 병렬) 그림 8. 공급전압 계산 결과(MTr. 병렬) 그림 9. 차량최저전압 계산 결과(MTr. 병렬) 최저 집전전압 20.54kV는 한국철도시설공단의 ‘전철전력시설지침’의 최소 전압 규정 및 KS C IEC 60850의 지속성 최저전압(19kV)도 만족하여,주변압기 2대 병렬 운전 조건에서는 연장급전 운영에도 지 장이 없을 것으로 예측되었다.

4. 결 론 본 논문에서는 급전시스템의 운영 안정성에 직결되고 있는 전압강하에 대해 시뮬레이션을 통한 검토 결과를 제시하였다.시뮬레이션은 ‘PowerRail’프로그램을 이용하였으며,국내 철도 중 가장 부하 크기가 높은 경부고속선 1단계 구간을 대상으로 하였다.또한,주변압기의 병렬 운전 영향 검토도 포함하여 단 독 운전과 병렬 운전 조건을 상정하여 각각의 계산 결과를 살펴보았다. 시뮬레이션 결과 주변압기 단독운전의 경우,지속 시간이 없는 19kV 규정을 적용하였을 때 규정 이하 의 전압강하는 16초간 발생한 것으로 나타났으며,지속시간이 포함된 국제 규격에는 적합하다는 결론을 얻을 수 있었다.또한,주변압기 2대를 동시에 투입하였을 때에는 모든 규정 이상으로 집전전압이 유지 되는 것으로 예측되었다. 그러나 이와 같은 전압강하 규정은 차량의 운행에 지장이 있다면 그 의미가 없는 것이기 때문에 본 논문의 시뮬레이션 결과를 기반으로 현장 측정에 의한 재검토가 필요할 것으로 판단된다. 참고문헌 1. 김주락 외, “윈도우즈 기반의 교류 전기철도 급전시스템 통합 시뮬레이터 개발” 대한전기학회 논문 집, 59권, 1호, pp.76-81, 2010. 2. 건설교통부, ‘고속철도급전제어지침’, 2004. 12. 30. 3. http://www.korail.com 4. 한국표준협회, ‘철도용 견인시스템의 공급전압 KS C IEC 60850’, 2002. 5. 이장무 외, “고속철도 운행증가에 따른 전압강하 예측 및 대책”, 2006년 전기학회 하계학술대회 논문 집