400km/h급 고속철도용 금구 및 애자사양에 대한 고찰
A Study on Specification of Hardware and Insulator for 400km/h
Class High-speed Railway
조호령† 이기원* 권삼영** 조용현*** 이상식****
Ho-Ryung Cho Ki-won Lee Sam-young Kwon Young-Hyeon Cho Sang-Sik Lee
ABSTRACT
At present, Kyungbu high-speed railway is operated with 300km/h, Honam high-speed railway is being constructed with 350km/h, and the development for the overhead contact line system is to be conducted for the next-generation high-speed railway with the speed of 400km/h. It is necessary to set up the specification and criteria for the key parts such as dropper, termination clamp and tension insulator for the 400km/h railway line.
In this paper, the specification and the criteria for dropper, termination clamp and tension insulator has been reviewed and proposed in order to secure long-term reliability and stability under the maximum speed of 400km/h. Also, the specification, criteria and international standards for 300km/h class and 350km/h class railway line system and the international standards related with the insulators have been reviewed, compared and analysed.
1. 서론 현재 국내에는 경부고속철도가 300km/h급으로 운영되고 있고, 추진 중에 있는 호남고속철도 전 차선로는 350km/h급으로 건설되고 있으며, 국토해양부는 차세대 고속열차를 국내에 적용하고 해 외진출을 목적으로 상시운영속도 400km/h로 운행이 가능한 궤도 및 전차선로 시스템 개발사업을 추진 중에 있다. 관련하여 차세대 400km/h급 고속철도 전차선로 시스템의 핵심부품인 드로퍼와 단말금구와 인류애자를 개발함에 있어 목표사양과 기준을 정립하여야 하는 상황이다. 본 논문에서는 드로퍼, 단말금구 및 인류애자에 대하여 최고속도 400km/h 조건하에서 장 기적인 신뢰성과 안전성을 가질 수 있도록 목표사양과 기준들을 검토하고 제시하였다. 또한, 기존 300km/h급과 350km/h급의 규격 및 사양기준과 고속철도 전차선로 시스템에 관련한 국 제규격, 애자관련 국제규격 등을 검토하고 비교/분석하였다. † 교신저자 : (주) 평일, 기술연구소 E-mail : [email protected] * 한국철도기술연구원, 고속철도인터페이스연구실 ** 한국철도기술연구원, 전철전력연구실 *** 한국철도기술연구원, 기술전략실 **** (주) 평일, 기술연구소
2. 본론 전술한 바와 같이 현재, 국내에서는 호남고속철도를 350km/h급으로 건설 중에 있으며 350km/h급 전차선 공사용 핵심부품의 규격(안)이 정리되어 국산화개발이 진행되고 있는 상 황이다. 관련하여 기존 300km/h급과 350km/h급 사양과 규격에 대하여 살펴보고, 400km/h급 사양 및 규격(안)에 대하여는 관련규격과 자료들을 근거로 균압드로퍼, 전차선용 단말클램 프, 인류애자에 대하여 검토한 내용들을 비교분석 하고자 한다. 2.1 균압드로퍼에 대한 사양(안) 검토 2.1.1 적용 전차선 및 조가선 사양비교 종 별 300km/h급 드로퍼 (KRS PW 1401-m) 350km/h급 드로퍼 (KRS PW 1401-m) 400km/h 급 드로퍼 (000 00 0000-0) 적용 전차선 전차선 Cu 150㎟ 적용 전차선 Cu-Sn 150㎟ 적용 전차선 Cu-Mg0.5% 150㎟ 적용 적용 조가선 조가선 Bz 65.4㎟ 적용 조가선 Bz 116㎟ 적용 조가선 Bz 116㎟ 적용 2.1.2 재료사양 확인 및 비교 구 분 300km/h급 드로퍼 (KRS PW 1401-m) 350km/h급 드로퍼 (KRS PW 1401-m) 400km/h 급 드로퍼 (000 00 0000-0) 드로퍼 클램프 CuAl10Fe3-Y300 또는 CuAl10Fe2-C-GM 좌 동 좌 동 드로퍼 와이어 Bz 12㎟ 적용 Bz 12㎟ 적용 Bz 12㎟ 적용 * 사용재료 관련 검토 (주조용 재료) 구 분 인장강도 (N/㎟) 0.2% 항복강도 (N/㎟) 연신율 (%) 브리넬경도 (HB) 비고 CuAl10Fe2-C-GM 600 250 20 130 EN 1982 CuAl10Fe3-Y300 650 250 20 160 CAC703 590 245 15 - KS D 6024 - KS D 6024(구리 및 구리합금 주물)규격에 CAC703이 있으나 물성차이로 적용이 어려 워 300km/h급에 적용된 EN 1982(Copper and copper alloy - Ingots and castings)의 CuAl10Fe2-C-GM을 적용하는 것이 타당하다 사료됨.
2.1.3 성능비교 구 분 300km/h급 드로퍼 (KRS PW 1401-m) 350km/h급 드로퍼 (KRS PW 1401-m) 400km/h 급 드로퍼 (000 00 0000-0) 슬라이딩
시험 360 daN 360 daN 360 daN
파괴하중 시험 695 daN 695 daN 검토 중 * 기계적 하중특성에 대한 선정검토 - 슬라이딩 하중시험은 드로퍼 와이어가 빠지는 강도를 확인하는 시험으로 단말슬리브 에 드로퍼와이어를 삽입, 압착 조립하여 규정 하중을 인가하여 이상 유무를 확인함. ⇒ 슬라이딩 하중 : 360 daN - 파괴 하중시험은 드로퍼 클램프의 파괴강도를 확인하는 시험으로 단말슬리브에 M6 나사를 내고 드로퍼 와이어대신 나사로드를 조립하여 하중시험을 하며 규정하중을 인 가 시 드로퍼 클램프의 이상 유무를 확인하도록 되어있으나,드로퍼 동적하중 시뮬레 이션(경간 50m,전차선 장력 34kN,조가선 장력 23kN,운영속도 400km/h)결과 동적 하중 결과 값이 그림 1과 같이 600N으로 도출되어 파괴하중에 대한 선정은 전문가와 관련자의 의견수렴이 필요하여 추가 검토할 예정이다. 그림 1. 드로퍼에 작용되는 동적하중 Simulation 결과 (철도기술연구원) * 피로시험 : 위의 Simulation결과와 해외사례 등을 조사하여 검토한 후 시험방법과 기 준을 설정할 예정이다.
* 기존 국내 고속철도 300km/h급 드로퍼와 호남고속철도 350km/h급에 적용예정인 균압 드로퍼 사진과 도면은 다음과 같다.
그림 2. 국내 고속철도 300km/h급 및 350km/h급 드로퍼 사진 - KRS PW 1401-m
F = 파괴하중 695 daN F = Breaking load ? 695 daN
A A 그림 3. 350km/h급 드로퍼 도면 (KRS PW 1401-m) 2.1.4 국외 고속철도용 균압드로퍼 특성 확인 (중국 - 350km/h급) - 드로퍼 및 드로퍼 클램프의 최대 수직 업무 하중 : 130 daN - 드로퍼 클램프의 수직 파괴 하중은 : 390daN 이상 - 드로퍼 선의 파단하중 : 567daN 이상 - 전차선 및 조가선 드로퍼 클램프와 전차선 사이의 미끄럼 하중 : 100daN 이상 - 드로퍼 클램프와 드로퍼 선의 미끄럼 하중은 390daN 이상
그림 4. 중국 350km/h급 고속철도 균압드로퍼 설치 사진 2.2 단말클램프에 대한 사양(안) 검토 2.2.1 적용 전차선 사양비교 종 별 300km/h급 단말클램프 (KRS PW 1711-tm) 350km/h급 단말클램프 (KRS PW 1711-tm) 400km/h 급 단말클램프 (000 00 0000-0) 적용 전차선 전차선 Cu 150㎟ 적용 전차선 Cu-Sn 150㎟ 적용 전차선 Cu-Mg0.5% 150㎟ 적용 2.2.2 재료사양 확인 및 비교 구 분 300km/h급 단말클램프 (KRS PW 1711-tm) 350km/h급 단말클램프 (KRS PW 1711-tm) 400km/h 급 단말클램프 (000 00 0000-0) 재료사양 CuAl10Fe3-Y300 또는 CuAl10Fe2-C-GM 좌 동 좌 동 * 사용재료 관련 검토내용은 균압드로퍼용 재료와 동일함 2.2.3 성능 (최소파괴하중) 검토 종 별 300km/h급 단말클램프 (KRS PW 1711-tm) 350km/h급 단말클램프 (KRS PW 1711-tm) 400km/h 급 단말클램프 (000 00 0000-0) 전차선용 53.7kN Cu 150㎟ 53.7kN Cu-Sn 150㎟ 85kN Cu-Mg0.5% 150㎟ * 전차선용 단말클램프의 최소파괴하중 특성에 대한 선정검토
- EN 50119(Railway applications - Fixed installations - Electric traction overhead contact lines)의 7.8항에 따르면 Working Load의 2.5배 또는 전차선 파괴하중의 85% 적용 ⇒ 34kN(전차선 Working Load) × 2.5 = 85kN
⇒ 81kN(전차선 파괴하중=전차선단면적×인장강도) × 0.85 = 68.85kN - 위의 결과를 기준으로 하여 높은 값인 85kN을 적용함
⇒ 클레비스부 최소 단면적 × 재료의 인장강도 = 205.8 × 600 = 123.48 kN ⇒ 목표사양 85kN 대비 약 1.45배의 안전율을 가짐 2.2.4 국외 고속철도용 단말클램프 특성 확인 (중국-350km/h급) 종 별 최대 업무하중 (Working Load) 파괴하중 (Breaking Load) 비 고 전차선용 150㎟ 33kN 99kN 파괴하중은 최대 업무 하중의 3배 그림 5. 중국 고속철도용 조가선 및 전차선 단말클램프 사진 2.3 인류애자에 대한 사양(안) 검토 2.3.1 고속철도용 인류애자 명칭 및 구분 종 별 명 칭 규 격 비 고 인류애자 고속철도용 고분자 인류애자 고속철도용 고분자 전차선,조가선 인류용 2.3.2 인류애자 형상 및 치수확인 그림 6. 400km/h급 고속철도용 인류애자 그림
2.3.3 사용재료 검토
구 성 취부 금구 Housing FRP Core 비 고
재 료 GCD 450-10 Silicone Rubber Glass Fiber+에폭시수지
2.3.4 인류애자의 성능비교 검토 특 성 단 위 300km/h급 (KRS PW 0057-09) 400km/h급 치 수 취부길이 ㎜ 700 ± 10 700 ± 10 최소 표면누설거리 ㎜ 1,300 이상 1,300 이상 기계적 성 능 인장파괴하중 kN 110 130 인장검수시험 하중 kN 55 65 전기적 성 능 상용주파 주수 내전압치 ㎸ 95 95 뇌충격 내전압치 ㎸ 250 250 전파장해 전압 상용주파 대지간 r.m.s ㎸ 27.5 27.5 최대 전파장해전압 ㎶ at 1000㎑ 10 10 * 인류애자의 누설거리 선정 검토 - 300km/h급과 선로전압이 동일하므로 기존 고속철도용 고분자애자(KRS PW 0057-09 “고속철도용 현수애자 T-sx” 한국철도표준규격) 누설거리 기준 1,300mm를 동일하게 적용하였다. * 규정인장하중(SML) 선정 검토 - KS C IEC 61109(공칭 전압이 1000V를 초과하는 a.c. 가공선용 고분자 애자 - 정의, 시험법 및 합격기준)의 부속서 A(참고) 고분자애자에 대한 규정인장하중은 다음그림 7의 사용자의 하중-시간 직선과 절연체의 내성-시간 곡선의 비교에 따라 다음과 같 이 정하였다. ⇒ OML :일반기계하중(전차선 장력)=34kN ⇒ MML : 최대기계하중(사용 중 발생 최대하중) = 34kN/0.33 = 103kN ⇒ SML : 규정인장하중 = MML x 여유율(20% 적용) = 123.6kN - KS C IEC 61109 기준에 의거하여 검토된 123.6kN에 여유를 더하여 130kN 적용
그림 7. 사용자의 하중-시간 직선과 절연체의 내성-시간 곡선의 비교 * 전기적 특성치 선정 검토
- EN 50151(Railway applications - Fixed installations - Electric traction - Special requirements for composite insulators)의 Table 1 - System voltages에 따라 전기적 특성치 선정
Table 1 - System voltages Nominal voltages a (Un) kV Highest permanent voltage a kV Minimum value of rated insulation voltage b (UNm) kV Rated impulse voltage b kV Wet power frequency withstand voltage b kV 0.6 0.72 0.72 8 4.3 0.75 0.9 0.9 12 6.5 1.5 1.8 1.8 18 10 3 3.6 3.6 25 12 15 17.25 36 c 170 70 25 27.5 52 c 200 95 25 36 52 c 250 95 a in accordance with EN 50163. b in accordance with EN 50124. c see EN 50124-1, Table D.1, Note.
3. 결 론 현재, 국토해양부는 차세대 고속열차를 국내에 적용하고 해외진출을 목적으로 “400km/h급 고속철 도인프라 시범적용개발”사업을 진행하고 있다. 본 논문은 앞의 개발사업의 제4세부과제로 진행 중인 “증속에 따른 시스템 기술개발”과제로 추진하고 있는 “400km/h급 균압드로퍼/단말금구/인류애자 개 발연구에 있어 목표사양과 기술기준을 정립하기 위하여 기존 300km/h급과 350km/h급 고속철도 전차 선로 시스템에 관련한 국제규격, 애자관련규격과 국외의 고속철도전차선 자재에 대한 규격들을 검 토하고 400km/h급 균압드로퍼/단말금구/인류애자의 규격(안)과 비교분석한 내용에 관한 것이다. 위와 같이 기존 고속철도와 해외의 고속철도 전차선로 전차선로 핵심자재규격에 대한 비교검 토를 통하여 제시된 400km/h급 균압드로퍼/단말금구/인류애자 규격(안)에 대해서는 향후, 관련분 야의 전문가와 수요처의 사용 및 운영경험이 있는 관계자의 의견들을 수렴하여 제대로 정립한 다음, 여러 가지의 검증시험을 통하여 확립되어야 할 것으로 판단된다. 감사의 글 본 연구는 국토해양부 “400km/h급 고속철도 인프라 시범적용 기술개발”사업의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 참고문헌 1. KRS PW 0005-06 “홈붙이 경동 전차선” 한국철도표준규격 2. KRS PW 1201-tm “전차선용 연동전선” 한국철도표준규격 3. KRS PW 1203-tm “무할로겐 피복 조가선” 한국철도표준규격 4. KRS PW 1711-tm “클레비스형 전선 단말 클램프” 한국철도표준규격 5. KRS PW 1401-tm “드로퍼클램프” 한국철도표준규격 6. KRS PW 1304-tm “고분자 인류 애자” 한국철도표준규격 7. KRS PW 0057-09 “고속철도용 현수애자 T-sx” 한국철도표준규격 8. KRS PW 1002-tm “고속 전차선로 자재용 구리-알루미늄 합금 주조품-기술명세서”
9. EN 50119 "Railway applications - Fixed installations - Electric traction overhead contact lines" 10. EN 1982 "Copper and copper alloy - Ingots and castings"
11. EN 50151 "Railway applications - Fixed installations - Electric traction - Special requirements for composite insulators"
12. KS C IEC 61109 “공칭 전압이 1000V를 초과하는 a.c. 가공선용 고분자애자 - 정의, 시험 법 및 합격기준”
13. TB/T2075.7-2010 "Integrated dropper and dropper clamp (드로퍼 및 드로퍼 클램프)" 중국규격 14. TB/T2075.5-2010 "Terminal anchor clamp (단말 앵커 클램프)" 중국규격
