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전기철도 운행 중 차량 부하 변화에 따른 고조파 발생에 관한 분석
강철* ․ 임재찬* ․ 허재선* ․ 김재철* ․ 이수길** ․ 한성호** ․ 이은규***
숭실대학교* ․ 한국철도기술연구원** ․ 우진산전***
The Analysis about Generating Harmonic by Load Variations during Electric Railway Train Operation
Chul Kang* ․ Jae-Chan Lim* ․ Jae-Sun Huh* ․ Jae-Chul Kim* ․ Su-Gil Lee** ․ Seoung-ho Han** ․ Eun-Kyu Lee***
Soongsil University* ․ Korea Railroad Research Institute** ․ Woojin Industrial Systems***
선 별 운전 구간 총 운전 거리
중앙선 제천 ~ 영주,원주 약 268 [km]
태백선 고한 ~ 쌍용 약 62 [km]
Abstract
-Recently, TTX(Tilting Train eXpress) has operated test.
Electric railways, including the TTX, have electric problems(harmonic etc) that could bring about serious accidents.. Thus, TTX's electrical problems also need leading studies because the new Korean TTX will operate earnestly in 2012.In this paper,
electrical signals in TTX operation were detected to analyze electrical harmonic. The electrical harmonics considered operation modes triparted(coasting, acceleration, braking) were analysed and evaluated.
1. 서 론
에너지의 효율적인 이용과 환경에 대한 높은 관심은 사회 전반에 걸 쳐 저탄소 녹색성장이라는 국가적인 정책과 지원 아래 이에 대한 연구 와 개발이 여러 분야에 걸쳐 활발히 진행되고 있다.
전기철도는 전력을 동력원으로 사용하기 때문에 기존의 디젤전동차 와는 달리 친환경적이며 효율적인 교통수단으로 자리매김하고 있다.[1]
KTX와 같은 초고속열차는 주요 대도시를 잇는 역할을 하고 있는 반 면에 이 밖의 대부분의 지역은 아직도 새마을호를 비롯한 준고속 전동 차가 운행되고 있는 실정이다. 그러나 우리나라는 전체 국토에 걸쳐 산 악 지역이 70[%]이상이라는 지리학적인 한계로 인해 보다 빠르고 편리 한 철도 수송서비스를 제공하는데 어려움이 있었다.
“한빛 200”로 명명된 새롭게 개발되어 현재 시험 운행 중인 한국형 틸팅열차 이러한 국내의 지리학적인 특성을 고려 곡선부에서도 열차 속도의 급격한 감속 없이 운행할 수 있도록 차량의 틸팅 기능으로 차 체를 기울여 곡선부를 속도의 감속 없이 통과함으로써 지존 열차 대비 약20~30[%]의 속도향상을 이룬 국내 기술로 개발된 최신의 준고속 전 동차이다. 또한 최고운행속도도 180[km/h]로 과거 새마을호의 120[km/h] 보다 높아 전체 철도 수송력 향상과 KTX가 운행하기 어려 운 지역에 있어 빠르고 편리한 양질의 철도 서비스를 제공할 것으로 기대를 모으고 있다.
그러나 전기철도 차량 및 급전 계통은 Scott 변압기, AT 변압기, 인 버터, 컨버터 등의 전력변환장치 등 비선형 부하의 사용이 빈번하기 때 문에 고조파 발생으로 인한 전력품질 저하, 보호 장치의 오부동작 등의 문제를 일으킬 수 있으며 특히, 새롭게 개발된 틸틸열차 또한 전력을 동력원으로 사용하므로 열차 운행에 따른 고조파와 같은 전기적인 문 제점에 대한 분석이 필요하다. 또한 틸팅열차는 시간적, 공간적으로 부 하의 변동이 심하며 이로 인해 고조파의 발생 빈도와 왜곡의 강도 또 한 달라진다.
본 논문에서는 기존 준고속 전동차를 대체하여 기존선에 투입될 것 으로 예상되는 한국형 틸팅열차의 직접 탑승하여 열차 운행 중 발생하 는 고조파를 계측하고 이를 분석하였다. 효과적인 고조파 분석을 위해 틸팅열차의 시변부하 특성을 고려하였으며 실제 영업선로 운행 중일 때의 고조파 데이터를 비교분석하였다. 또한 고조파 분석결과를 국내외 고조파 관련 규정을 근거로 하여 이를 평가하였다.
2. 고조파 신호 계측 및 분석
2.1 고조파 계측 구간
틸틸열차는 2009년 5월 현재 총 주행거리 96,449[km]로 2007년 6월 부터 호남선, 중앙선, 태백선 등 전국에 걸쳐 실제 영업선로에서 220회 이상의 시험 운전을 지속하고 있다.
본 논문에서는 중앙선과 태백선 구간에 걸쳐서 실제 틸팅열차에 탑 승하여 운행 중 발생하는 고조파를 계측하였다. 중앙선과 태백선 구간 은 향후 틸팅열차가 실제 투입되어 운행될 곳으로 예상되는 구간으로
이 구간에서 발생하는 고조파의 비교
・
분석이 필요하겠다.표 1은 고조파 계측 구간인 호남선과 태백선 구간에 대한 설명으로 틸팅열차의 운전 구간과 운전 거리를 나타낸 표이다.
<표 1> 고조파 계측 구간
2.2 고조파 계측점 및 계측 장비
틸팅열차에서 발생하는 고조파를 계측하기 위해 주회로 시스템의 주 변압기 1차측에 계측 장비를 설치하여 고조파 신호를 계측하였다. 그 림 1은 이러한 고조파 계측 위치를 나타낸 그림으로써 전압은 차량 옥 상에 설치된 PT(Potential Transformer)를 통해, 전류는 로고스키 코일 을 사용하였다. 각각 계측된 전압, 전류 데이터는 전력품질 계측 장비 인 1760 PQ analyzer에 기록되게 된다.
<그림 1> 고조파 신호 계측 위치 단선도
고조파 신호 계측에 사용된 고조파를 비롯한 전력품질 측정 전문 장 비인 1760 PQ analyzer의 고조파를 비롯한 전압, 전류 데이터의 저장 간격은 0.2초로 설정되어 있으며 해당 장비의 샘플링 주파수는 10,24[kHz]로 보통 60[Hz] 기본파 대비 50조파까지 계측하는 고조파 신 호 계측에는 적합한 장비이다.
2.2 고조파 분석
계측된 전압, 전류의 고조파는 각각 THD(Total Harmonic Distortion), TDD(Total Demand Distortion)를 사용하여 분석하였다.
전류의 경우 THD 사용 시 차량 부하의 변동에 상관없이 그 크기가 크게 나타남으로 차량의 최대부하를 기준으로 고조파 왜곡을 계산하는 TDD 방법이 적합하다.
그림 2는 중앙선 구간에서 계측된 전류와 전류 고조파를 TDD로 계 산하여 나타낸 값을 보여준다. 그림 2에서 알 수 있듯이 틸팅열차의 부하는 시간적, 공간적 변화에 따라 지속적으로 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서 기존의 일반적인 방법으로 틸팅열차에서 발생하는 고조 파를 분석한다면 정확한 고조파 평가 결과를 얻기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 열차의 부하 변화를 고려하여 틸팅열차의 운전 상태를 고 려하여 타행, 가속, 회생 제동의 3단계로 구분하여 각각의 운전 상황에
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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시험구간
전압 THD 한전의 전압 THD
규제치 (66kV이하)
전류 TDD IEEE 519-1992의
전류 TDD 규제치 (120~69,000V) 10분 측정
[%]
10분 측정 [%]
중앙선
타행 2.64
3 [%]
0.83
5 [%]
가속 4.43 6.47
회생제동 4.66 6.95
태백선
타행 9.23 2.77
가속 7.47 6.91
회생제동 8.90 8.60
따른 고조파 분석을 수행하였다. 그림 3은 중앙선 구간에서 틸팅열차 가 가속 운전 시의 전압, 전류의 계측 파형이며 그림 4는 이때의 전류 의 조파별 크기를 나타낸 그래프이다. 그림 4와 같은 방법으로 틸팅열 차가 각각 타행, 회생 제동일 때의 전류 고조파에 대한 분석을 하였다.
<그림 2> 틸팅열차 운행 중 전류 및 전류 TDD의 시간 경향(중앙선)
<그림 3> 틸팅열차 가속 운전 시 전압, 전류 파형(중앙선)
<그림 4> 틸팅열차 가속 운전 시 고조파 전류(중앙선)
전류의 차수별 고조파 및 TDD에 대한 제한치는 IEEE Std.519-1992를 근거로 하여 적용하였다[2]. 전류 고조파에 대한 차수별 분 석 결과 중앙선, 태백선 두 구간 모두 틸팅열차 가속 시 3조파 전류가 제한치를 초과하였으며 4n±1(n=1,2,3...)조파가 많이 발생하였다. 이는 타행 운전 때와는 달리 가속 시 주변압기외에 견인 전동기를 구동하기 위한 인버터, 컨버터 등의 전력변환장치의 동작이 최대가 되기 때문이 다. 그 결과 타행 시에는 크게 발생하지 않았던 전류 TDD가 가속 운 전 시에는 매우 큰 값을 나타냈다.
틸팅열차가 타행 운전 시에는 전류 TDD와 차수별 전류 고조파가 제한치 미만의 매우 낮은 값의 결과를 보였다. 이는 최대부하전류를 기준으로 하는 전류 고조파 평가 결과 타행 시 부하의 사용이 매우 적 기 때문이다. 반면 전압 고조파에 대한 평가 결과 타행 운전 시 태백 선 구간에서 운행 시 한전의 제한치인 3[%]을 훨씬 초과하는 9.23[%]
의 THD값을 보였다. 이는 계통의 전원 상태가 매우 좋지 못함을 의미 한다. 회생 운전 시에는 전류 고조파는 가속 운전 시와 비슷한 패턴의 4n±1(n=1,2,3...) 조파가 많이 발생하였으며 전류 크기가 가속에 비해
작은 값임에도 불구하고 가속 시의 전류 TDD 보다 더 크게 나타났다.
이는 실질적으로 고조파 왜곡이 회생 제동 시 가장 크게 발생하는 것 을 의미한다. 또한 역률 측면에서도 회생 제동 시 가속 때보다 역률이 낮기 때문에 이러한 고조파 왜곡이 더 심하게 발생하는 것으로 사료된 다. 표 2이는 중앙선, 태백선 구간에서 틸팅열차 운행 중 발생하는 고 조파를 분석한 결과로써 한전과 IEEE Std. 519-1992를 근거로하여 평 가한 결과를 나타낸 표이다[2][3].
<표 2> 고조파 분석 결과
표 2의 고조파 분석 결과에서 알 수 있듯이 태백선 구간에서 틸팅열 차가 운행 시 더 많은 고조파 왜곡이 발생하는 것을 알 수 있으며 두 구간 모두 열차가 가속과 회생 제동 운전 시 높은 고조파 왜곡이 발생 하는 것을 알 수 있다. 이는 차량 내 주변압기 외에 인버터, 컨버터를 비롯한 전력변환장치의 동작이 빈번하기 때문으로 사료된다.
3. 결 론
본 논문에서는 중앙선과 태백선 구간에서 틸팅열차 운행 중 발생하 는 고조파를 계측하고 분석하였다. 고조파 분석 방법은 시간적, 공간적 으로 부하 변동이 심한 틸팅열차의 특성을 고려 일반적인 시간 경향의 고조파 분석이 아닌 틸팅열차의 부하 변동 특성을 고려하여 운전 모드 즉, 타행, 가속, 회생 제동으로 각각 분류하여 이에 따른 고조파 특징을 분석하였다. 전압, 전류의 고조파 분석 결과 각각의 운전 상태에 따라 다른 고조파 특징을 나타냈으며 분석된 결과는 국내외 규정을 근거로 하여 전압, 전류를 평가하였다.
고조파 분석 결과 전력변환장치의 동작이 거의 없는 타행 운전 시 태백선 구간에서 매우 높은 전압 THD값을 보였는데 이것은 태백선 구간의 전원의 상태가 매우 좋지 못함을 의미하며 태백선 급전 계통의 전력품질 개선이 필요하겠다. 가속 및 회생 제동 시에는 두 구간 모두 에서 높은 전류 TDD 값을 나타냈으며 태백선 구간에서는 회생 제동 시 8.60[%]의 TDD 값을 가졌다. 이는 전력변환장치의 사용이 빈번한 열차 상태였기 때문에 나타난 결과이며 역시 계통의 전원 상태가 좋지 않기 때문에 더욱 높은 고조파 왜곡이 나타난 것으로 사료된다. 또한 가속 및 회생 제동 시 전류의 차수별 고조파 분석 결과 전류 고조파는 4n±1(n=1,2,3...)조파 순으로 크게 나타났다.
틸팅열차의 운전 모드를 고려한 고조파 분석을 통해 틸팅열차의 상 태 평가와 해당 시험 운전 구간에서의 계통의 상태를 알 수 있었다.
이러한 분석 결과는 통해 향후 실제 영업 선로에 투입될 틸팅열차의 안정화에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부의 지원에 의하여 한국철도기술연구원 주관으로 수행된 과제임
[참 고 문 헌]
[1] 강철 외 6명, “틸팅열차 운행 중 고조파 측정 및 분석에 관한 연 구”, pp 297-300, 2009
[2] IEEE Std. 519-1992, "IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonics Control in Electrical Power System", 1993
[3] 한국철도공사 전기기술단, “전기업무자료(15호)”, 한국철도공사 전 기기술단, 11-151000-000058-10, 2008
