한국형 고속열차 전력시스템 특성 연구 A Study of Characteristics of Power System
for Korean High Speed Train
이태형* 박춘수** 박찬경**
Lee,Tae-Hyung Park,Choon-Soo Park,Chang-Kyung
--- ABSTRACT
The railway electrical environment is much more severe than that found in commercial and domestic environments. However, in many instances the railway runs very close to such environments. In this paper we measure the harmonic, the strength of electromagnetic fields and the consumption energy for Korean High Speed Train and compare that with the past result and evaluate the result according to domestic and international guideline.
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서론 1.
전기철도차량의 전력시스템은 견인전동기를 제어하여 차량의 추진 및 전기제동을 수행하는 주 전력변환장치와 차량내 전기기기 전원 공급 및 객차 서비스를 위한 조명설비 냉난방설비에 필요 , 한 전원을 공급하는 보조전원장치로 구성된다 전력변환시스템은 전력전자기술 고속 대용량 반도 . , 체소자 및 마이크로프로세서의 기술발달에 힘입어 높은 성능과 승차감 효율 안전성 에너지 소 , , , 비측면에서 뛰어난 제어능력을 갖추게 되었다 하지만 고속 스위칭소자를 사용함에 따라 발생하는 . 고조파로 인해 전기차량은 물론 변전소 신호시스템 데이터 전송 및 감시시스템에 영향을 주게 , , 된다 [1]. 또한 전기에너지를 사용하는 환경에서 발생되는 문제 중의 하나는 최근 여러 가지 전자 기기나 정보통신기기가 폭발적으로 보급됨에 따라 대두되는 기기 상호간의 전자적인 간섭 문제와 인체 건강에 미치는 영향이다 전기철도 환경에 존재하는 기기 상호간의 전자적인 간섭 문제는 기 . 기에서 발생하는 불요 전자계가 인근 환경의 무선통신 방송의 수신장해나 전기철도 내외에서 사 , 용하는 기기의 동작불량 원인이 되는 경우가 있다[2].
본 고에서는 급전계통 및 타 고속열차를 고려한 고조파 해석을 위하여 현재 고속선 및 기존 선 구간에서 신뢰성시험과 안정화시험 중인 한국형 고속열차를 대상으로 350km/h 주행시 차량에 서 발생하는 고조파를 측정하고 등가방해전류 [3] 로 영향을 평가한 결과와 차량 내부 각 위치에서 전자계 강도를 측정하고 인체 건강 영향 관련하여 제시된 가이드라인 [4] 을 기준으로 평가를 수행 한 결과와 소비에너지 계산 결과를 소개한다.
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책임저자 한국철도기술연구원 선임연구원 정회원* : ,
한국철도기술연구원 책임연구원 정회원
* ,
고조파 계측 2.
그림 1 은 350km/h 주행시 차량내 변압기 1 차측에서 측정한 고조파 전류 파형이다 . 10 조파 이 하와 30 ~ 40 조파 사이에서 고조파가 발생하는 것을 알 수 있다 그림 . 2 는 속도별 측정한 고조 파 전류를 사용하여 등가방해전류 (Psophometric Current) 를 속도별로 도시한 결과를 보인 것이 다 등가방해전류 계산식은 아래 식 . (1) 과 같으며 여기서 , 은 각 조파별 등가방해전류, 은 국제전기통신연합 (ITU) 의 잡음평가계수 , 은 고조파 전류, 는 등가방해전류이다 그림 . 3 은 부 하전류를 도시한 것이다 부하전류는 식 . (2) 를 사용하여 RMS 로 계산하였다 그림 . 4 는 본선 시운전 시험에서 30 여분동안 350km/h 의 속도로 한국형 고속열차를 운행하면서 전차선 전압을 전영역에 걸쳐 측정한 결과이다 전차선 전압이 순간적으로 떨어진 이유는 사구간 절연구간 을 통과할 때 . ( ) 가선으로부터 전압을 급전 받지 못하기 때문이다.
(1)
(2)
10 20 30 40 50 60
0 1 2 3 4 190 200 210
350km/h
Current Harmonic , A
Harmonic rank
그림 1 350km/h 주행시 고조파 전류
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 1 2 3 4 3.8
Psophometric Current, A
Speed, km/h
그림 2 속도별 등가방해전류
00:57 01:04 01:12 01:19 01:26 01:33 01:40 0
100 200 300 400 500 600
Current[A]
time[hh:mm]
TP1_Cur (RMS_Max) TP2_Cur (RMS_Max) TM5_Cur (RMS_Max) TotalMax
그림 3 350km/h 주행시 부하전류 그림 4 350km/h 주행시 전차선 전압
전자계 강도 3.
그림 5 와 6 은 350km/h 주행시 차량의 각 위치 객실 동력실 문앞 에서 측정한 전자계강도를 ( , ) 도시한 것이다. 차량내 각 위치에서 측정한 연속 및 순시 전자계강도 측정을 추가로 수행하였다.
차량 바닥면과 천정 중심으로부터 일정거리에서 측정하는 것을 포함하였는데 이는 전자계 발생 , 원인인 하부 전장품기기와 차량 천정의 전력선에서 발생하는 전자계를 더욱 정밀하게 측정하기 위함이다 또한 직류자계도 포함시켰는데 이는 하부 전장품 기기중에는 직류전원을 사용하는 것 . , 이 있기 때문이다 각각 차량별 측정 위치를 그림 . 7 부터 그림 10 에 정리하였으며 시험결과는 표 , 과 표 에 정리하였다 시험결과 차량 내의 전자계 발생원을 고려하여 위치를 선정 및 측정하였
1 2 .
으나 전체적으로 전자계 강도 참고치에 비해 현저히 낮은 수준의 결과를 보였다 그림 , . 11 과 그림 는 지금까지 수행한 전자계 관련 신뢰성 관련 시험결과를 종합하여 각 속도별 전자계 강도를 12
보여주고 있다.
그림 5 350km/h 주행시 자계 강도 그림 6 350km/h 주행시 전계 강도
①
그림 7 TP1 측정위치
Tr
HVAC BCU
BCU
④
③
그림 8 TM1 측정위치
HVAC
Tr
BCU
Bat
Bat
BCh ⑤
그림 9 TT3 측정위치
HVAC
Tr
BCU
Inv
⑥
그림 10 TT4 측정위치
측정위치 전계
[kV/m]
직류자계 [uT]
교류자계 [uT]
운전실바닥면( ) ① 0.006 7800 0.26
운전실바닥면 60cm 높이 ( ) ① 0.0059 7400 0.31
동력객차의 객실 바닥면
② 0.0068 7600 0.04
③ 0.0041 7700 0.02
④ 0.0119 7600 0.04
동력객차의 객실 바닥면 60cm 높이
② 0.0009 7400 0.04
③ 0.0020 7800 0.03
④ 0.0014 7400 0.03
부수객차의 객실 바닥면 ⑤ 0.0037 7800 0.04
⑥ 0.0834 7900 0.25 부수객차의 객실 바닥면 60cm 높이 ⑤ 0.0002 7800 0.05
⑥ 0.0006 7900 0.18 부수객차의 천정 중심으로부터 30cm 아래높이 0.00018 7900 1.39 연결통로의 천정 중심으로부터 30cm 아래높이 0.0089 7600 0.75 객차 측창으로부터 30cm 안쪽 객실바닥면 , 60cm 높이 0.0034 7900 0.29
표 1 정차시의 각 부위 전자계 강도
구분 측정위치 전계 [kV/m]
직류자계 [uT]
교류자계 [uT]
고속선 광명 ( - 서대전 구간)
운전실바닥면( ) ① 0.0381 7400 2.51
운전실바닥면 60cm 높이 ( ) ① 0.0066 7400 5.89
동력객차의 객실 바닥면
② 0.0546 7900 0.66
③ 0.2670 8200 1.54
④ 0.0901 8000 1.77
동력객차의 객실 바닥면 60cm 높이
② 0.0049 7900 1.30
③ 0.0045 8200 2.08
④ 0.0051 8000 1.06
부수객차의 객실 바닥면 ⑤ 0.3030 7900 0.72
⑥ 0.0814 8000 2.89 부수객차의 객실 바닥면 60cm 높이 ⑤ 0.0022 7900 0.80
⑥ 0.0020 7800 1.93 부수객차의 천정 중심으로부터 30cm 아래높이 0.00005 8100 1.77 연결통로의 천정 중심으로부터 30cm 아래높이 0.0070 7700 34.9 객차 측창으로부터 30cm 안쪽 객실바닥면 , 110cm 높이 0.0043 7700 3.03
기존선 서대전
( -
목포 구간)
운전실바닥면( ) ① 0.0661 8000 4.12
운전실바닥면 60cm 높이 ( ) ① 0.0072 8000 3.4
동력객차의 객실 바닥면
② 0.0222 8100 0.82
③ 0.0156 7700 0.56
④ 0.0135 7800 0.96
동력객차의 객실 바닥면 60cm 높이
② 0.0034 8000 0.76
③ 0.0029 8000 1.54
④ 0.0027 7900 0.52
부수객차의 객실 바닥면 ⑤ 0.0208 7800 0.56
⑥ 0.0933 7800 1.62 부수객차의 객실 바닥면 60cm 높이 ⑤ 0.0034 7800 0.53
⑥ 0.0037 7700 2.96 부수객차의 천정 중심으로부터 30cm 아래높이 0.0013 7800 0.80 연결통로의 천정 중심으로부터 30cm 아래높이 0.0032 8000 18.99 객차 측창으로부터 30cm 안쪽 객실바닥면 , 110cm 높이 0.0023 7800 3.98
표 2 주행시의 각 부위 전자계 강도
Cabin Driver Room Power Room Gang W ay 0
5 10 15 600
Electric Field[V/m]
Measurement Position 150km/h (20021019)
300km/h (20040603) 340km/h (20041123) 350km/h (20041216)
그림 11 각 속도별 전계 강도
Cabin Driver Room Power Room Gang W ay 0
3 6 9 12 15
Magnetic Field[uT]
Measurement Position 150km/h (20021019)
300km/h (20040603) 340km/h (20041123) 350km/h (20041216)
