에너지 절감을 고려한 레일 해빙 시스템 구성에 관한 연구 A study on the configuration of
the Rail Heating System for Energy Saving
김 종 철* 김 경 화** 한 성 호***
Kim, Jong-Chul Kim, Kyeong-Hwa Han, Seong-Ho
ABSTRACT
A rail heating system can be classified as the method which uses a natural phenomena change in climate condition and the method which uses electric energy. The former uses a the sunshine and wind for frozen rail or snow. On the other hand, and the latter uses the electric energy. In this paper, to set up an effective thaw system in railway facilities using the electric energy, the component for thaw equipments, the installing method, the method for temperature regulation, and the maintenance technique will be analyzed and compared, which results in an introduction of an effective and economic scheme for respective railway systems. Although the portion of thaw system is not quite large in the entire railway facilities, a significant energy saving and cost reduction can be expected if the proper system is employed.
서론 1.
레일 해빙 시스템은 자연현상 기후 변화 조건을 이용하는 방법과 전기를 사용하는 방법으로 구 분 할 수 있다. 레일의 결빙이나 쌓인 눈을 햇빛과 바람으로 해동시키는 방법과 전기를 공급하면 발열하는 전선을 사용하여 일종의 히터 해동( ) , 해빙하는 방법이 있다. 수 변전설비의 변압기 뱅크 분류, 계절 부하의 분류, 피크전력의 효율적인 관리와 피크 부하를 줄이기 위한 적절한 제어를 실 시하고 있는지, 역율 개선을 최대로 개선하였는지를 검토하고, 배전 설비에서는 배전 전압 방식, 부하가 적절한지, 전압 강하, 전압 변동이 없는지, 부하가 평형이 되었는지를 검토하고, 첨두부하 시나, 중 부하 시에는 발전기를 이용하여 피크제어 목적으로 전기를 공급사용 하고, 사용 중인 전 력의 무효전력을 최대한으로 줄이는 콘덴서를 사용하여 에너지 절감을 최대로 할 수 있도록 하여 야한다.
전기 히터 원리를 이용하여 전차선에 눈이나 얼음을 녹여 주는 전열장치를 전차선 해빙시스템이라고 하고, 선로 전환기에 눈이나 얼음을 녹여주는 히팅 장치를 분기기 히팅 장치라고 한다.
본 논문에서는 철도 시설 운영에서 효과적인 레일 해빙 시스템의 설치를 위하여 설비 구성요소 가운데 특히, 핵심사항인 전선에 대하여 연구하였다. 따라서 전선의 구조, 설치 방법, 유지보수방 법에 대하여 분석하였으며, 간선의 히터부하에 대한 온도 조절 기법 들을 분석 비교함으로서, 철 도 시스템에 가장 효과적이며 경제성이 높은 기법을 제시하였다. 아울러, 수전설비계통측면에서의 효율적인 부하관리 제어방안에 대하여 연구하였다. 비록 효과적인 철도 시설 운영에서 레일 해빙 시스템이 차지하는 비중은 전체적으로 크지는 않더라도 적절한 시스템을 적용하면 전기요금을 절 약하고 투자비도 회수될 수 있는 것으로 많은 관심을 가지고 대처해 나가야 할 분야로 판단된다.
--- 서울산업대학교 철도전문대학원 철도전기신호공학과 석사과정
* ,
서울산업대학교 전기공학과 조교수 정회원
** , , ,
한국철도기술연구원 기존철도기술개발사업단 시스템엔지니어링팀장
*** ,
본론 2.
레일해빙시스템 설계 기술 분석 2.1
레일해빙시스템 기술 분류 2.1.1
레일의 결빙이나 쌓인 눈을 해동시키는 방법으로 자연현상을 이용하는 방법과, 전기를 이용 하는 방법이 있다. 자연현상 기후 변화 조건을 이용하는 방법은 레일의 결빙이나 쌓인 눈을 햇 빛과 바람으로 해동시키는 방법이며, 전기를 사용하는 방법은 전기를 공급하면 발열하는 전선을 사용하여 일종의 히터 해동( ) , 해빙하는 방법이다.
레일해빙시스템 전선의 종류와 기능분석 2.1.2
열을 발생하는 전선의 종류와 기능을 파악하고 온도 조절하는 방법을 제시하여 본다, .
전선 의 종류 및 기능
o (RWA HEATER(Rail Web Heater) 전선의 종류
1)
사용 - RDT HEATER(Third Rail Heater): Power -limiting heating cable 600 to 900 Vdc
사용 - RWA HEATER(Rail Web Heater): 240 to 480Vac or 600 to785 Vdc
사용 - SRF HEATER(Switch Rod Heater): 240 to 480Vac or 600 to785 Vdc
사용 - TS HEATER(Train Stop Heater): 240 to 480Vac or 600 to785 Vdc
사용 - PGS HEATER(Pantograph Shoe Heater): 600 to 800 Vdc
- SNOTRAC(Snow and Ice Melting Heater): Skin Effect System for Snow and Ice Melting - SMT HEATER(Snow and Ice Melting Heater): 208 to 480 Vac
- HTEK HEATER(Snow and Ice Melting Heater): Series Constant Watt Heating Cable 575 Vdc - FP HEATER(Snow and Ice Melting Heater): Parallel Constant Watt Heating Cable 120/240 Vac
의 특징 2) RWA HEATER(Rail Web Heater)
혹한과 폭설 속에서 발생되는 눈과 얼음은 철로의 본선과 중계선로에(switch rail)쌓여서 중계선로(switch 의 동작을 방해하므로 철로의 안전운행에 큰 문제를 일으킬 수 있다 따라서 혹한과 폭설이 빈번한 지
rail) .
역에서는 눈과 얼음이 철로의 중계선로에 없도록 하여야하며 THERMON 의 RWA HEATER제품은 이러한 문제를 해결하기위해 제작되었다.
전선의 구조 3) RWA
병렬 형 발열체를 기본으로 습기와 철로에서 발생되는 고온으로부터 보호할 수 있도록 고온용 실리콘 고무 와 고온 발열에 적합한 강화성 유리섬유(Fiberglass)를 사용하여 만들어 졌다 또 철로의 이동 중에 발생되. 는 충격 진동 마찰에 견딜 수 있도록, , RWA FLEX PLATE 사용하였고 또 상시 노출로 발생될 수 있는 부식을 막기 위하여 부식에 강한 강 탄성의 알루미늄으로 외장 되어 제작되었다 그리고. RWA히터는 직렬 형 히터와 형 히터의 단점인 회로 이상시 히터가 동작되지 않는 문제와 히터 동작 시 철로에 열전달의 문제점을 완 SECT
전히 보완하여 회로 이상 시 문제되어진 히터만 동작하지 않으므로 회로를 안정적으로 운용할 수 있고 발열
부분이 철로 표면에 넓고 완전히 밀착 되도록 제작 설치할 수 있어 열 손실이 매우 적어 최상의 효율을 얻, 을 수 있다.
전선의 설치 방법
4) RWA :
히터는 폭 와 길이 로 제작되어 선로의 조건에 맞는 히터를 선
RWA 76mm 203mm, 254mm, 305mm, 610mm, 762mm
택 작업을 할 수 있어 선로의 장애물에 따라서 제작되어지는 시간을 줄일 수 있도록 고강도 고탄력 성분의, 클립과 히터와 히터간의 전원연결 부가(NEC규정방식 매우 간단하여 철로의 운용에 전혀 지장을 주지 않고) 1 시간 안에 모두 설치 완료할 수 있다.
전선의 유지보수 방법
5) RWA :
각기의 독립된 히터로 회로가 구성되어 유지 부수 시 선로의 이동과 침목의 수정이 필요 없고 또 철로의 운행중단 없이 손쉽게 전원 연결부를 해체하여 히터를 분리할 수 있어 유지보수가 매우 간단하고 보수비용이 매우 저렴하다.
제안된 간선의 레일온도 조절기법 2.2
배전 설비의 온도 조절 방법으로는 전선에 전기를 지속적으로 공급하여 레일의 온도를 유지하는 방법 온, 도 센서를 이용하여 선택된 온도에 도달되면 전기가 차단이 되고 온도가 낮으면 전기가 투입이 되어 히터가, 동작이 되어 레일의 온도를 유지하는 방법이 있다 히터부하를 조절하는 방법은 그림 에서 그림 까지 예를. 1 6 들어 제시하였으나 그림4,5에서 온도를 선택 조절하는 방법이 효율적 안전성 측면에서 적용하는 것이 바람, 직하다 제작비용은 그림. 4,5가 그림1,2,3에 비해 많이 소요된다(TIC 비용추가됨)
지속적으로 전기를 공급하는 방법 일반적으로 히터를 연결 조절 사용하는 것과 같은 방법
1) : .
N O T E : M C C B : 배 선 용 차 단 기 E L B : 누 전 차 단 기
동 작 개 념 : 해 당 되 는 각 각 부 하 의 누 전 차 단 기 를 투 입 하 면 히 터 가 동 작 된 다
그림1 지속적으로 전기를 공급하는 방법 회로도
전자 접촉기를 사용하여 온도를 조절하는 방법 차단기에 전자 접촉기를 사용하여 부하 측 전체를
2) : Main
콘트롤하는 방법.
동 작 개 념 :부 하 측 의 누 전 차 단 기 를 투 입 하 여 놓 고 전 자 접 촉 기 로 O N ,O F F 제 어 를 하 여 전 체 부 하 관 리 한 다 .
N O T E :M C C B :배 선 용 차 단 기 E L B :누 전 차 단 기 M C :전 자 접 촉 기
그림2 전자 접촉기를 사용하여 온도를 조절하는 방법의 회로도
기기의 부하 측에 각각 전자 접촉기를 사용하여 온도를 조절하는 방법
3) .
N O T E :M C C B :배 선 용 차 단 기 E L B :누 전 차 단 기 M C :전 자 접 촉 기
동 작 개 념 :각 각 의 부 하 측 에 전 자 접 촉 기 를 사 용 하 여 개 별 O N ,O F F 제 어 를 하 여 개 별 부 하 관 리 를 한 다 .
그림 3. 기기의 부하 측에 각각 전자 접촉기를 사용하여 온도를 조절하는 방법.
온도지시조절 계를 부하 측에 각각 사용하여 온도를 조절하는 방 4) TIC(Temperature Indicator Controller)
법.
선택한 온도를 제어를 할 수 있어 효율적이나, 그림1.2.3에 비해 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
온도에 맞추어 ON,OFF제어를 하여 부하관리를 한다.
동작개념:각각의 부하측에 전자접촉기와 온도지시 조절계를 사용하여 원하는 온도를 선택하면 자동으로
MC:전자접촉기 TIC:온도지시 조절계 ELB:누전차단기 NOTE:MCCB:배선용차단기
그림4 TIC 를 부하 측에 각각 사용하여 온도를 조절하는 방법 회로도
온도지시조절 계를 측에 사용하여 온도를 조절하는 방법 5) TIC(Temperature Indicator Controller) Main .
동작개념: 각각 부하측에 전자접촉기를 사용하여 개별ON,OFF를 하고 MAIN에서 온도 설정에 의해서 자동으로 부하관리를 한다.
ELB:누전차단기 NOTE:MCCB:배선용차단기
MC:전자접촉기 TIC:온도지시 조절계
그림 5 TIC를 Main측에 사용하여 온도를 조절하는 방법 회로도
중요한 지점이나 설비에 대한 비상대책으로 개념이나 개념으로 사용하는 것을 검토한다
6) spare redundant .
동작개념: 각각 부하측에 전자접촉기를 사용하여 개별ON,OFF를 하고 MAIN에서 온도 설정에 의해서
NOTE:MCCB:배선용차단기 ELB:누전차단기
자동으로 부하관리를 한다.기존 부하에 과부하나 사고시에 예비용으로 사용할 수 있도록
MC:전자접촉기 TIC:온도지시 조절계
구성하고,#A와 #B를 선택하여 REDUNDANT개념을 적용시켜 부하관리를 한다.
전원이 항상 공급되어야하는 중요한 설비에 적용하는것으로 비용이 2배로 가중되는 단점이 있지만 부하관리 측면에서는 안전성이 확보되는 장점이 있다.
그림 6 spare, redundant개념을 적용하여 온도를 조절하는 회로도
수전설비의 효율적인 부하관리 제어기술 제시 2.3
수전 설비의 변압기 뱅크 분류와 계절용 부하를 분리하여 피크전력의 효율적인 관리 제어를 검토한다
o , .
경부하용은 일반 동력부하에 연결사용 한다
a) .
그림 7 경부하시 수전계통 구성도
중부하용에는 를
b) MOF 별도로 분리하여 계절용 부하 전기요금을 적용시키는 방법을 사용한다.
경전철에 적용 가능 유리
( )
그림 8 중부하시 수전계통 구성도
결 론 3.
효과적인 철도 시설 운영에서 레일 해빙 시스템이 차지하는 비중은 전체적으로 보아 크지는 않 지만 적절한 시스템을 적용하는 것이 경제적인 측면에서 매우 중요하다. 따라서 부하의 효율적인 관리와 온도조절기법을 사용하므로써 전기요금을 절약하고 투자비도 회수될 수 있을 것이다. 본 논문에서는 연구결과로서 그림 을 적용하여 운용하는 것을 제안한다8 . 본 연구에서는 경제성 분석 을 위하여 중부하시 수전계통 구성을 계절용 부하로 사용하여 하절기에 전기요금을 산출하는 조건 에서 실시하였다. 분석 결과 그림 7의 수전설비 계통도의 경우와 그림 의 경우를 비교하여 볼 때8 초기 투자비 측면에서는 전자의 비용이 적었으며 반면 후자는 많은 비용의 지출이 예상되었다. 또 한 부하용량면에서는 그림 7의 경우 경 부하, 그림 의 경우 중 부하로 나타났으며8 , 향후 적용 범 위로서는 전자의 경우는 전철, 역 분기기 구간에 후자의 경우는 경전철, 고속철도분야에 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
참고 자료 4.
한국전력공사 전기 공급약관 1)
2) www.thermon.com(electric heat tracing system) 최신 전기철도개론 의제
3) ,
한국철도기술 테미기획 해외동향 년 월 월호
4) , , 2005 1 ,2
