Analysis of Contact Loss Arc Spectrum between Contact Wire and Pantograph Material using a Spectrometer

광계측기를 이용한 전차선-팬터그래프 재질별 이선아크 스펙트럼 분석

Abstract

To maintain contact between catenary and pantograph copper is important in order to transmit power smoothly on Current collection system. But, Arc discharge with strong light is generated because of contact loss. Therefore, Arc discharge detection is important measurement factor judging performance of current collection system. In this paper, It is described to results of arc discharge applying UV detection technology using arc generator. And Arc discharge was detected using the most commonly used processing catenary and rigid catenary and pantograph copper of electric rolling stock for securing arc detection instrument reliability. Results of contact loss detection instrument in this paper will be used for maintenance of current collection quality and system.

1. 서 론

세계 철도 선진국 중심으로 고속전철 철도차량의 주행속도는 더욱 증가하고 있으며, 국내에서도 최근 시제차량 시속 430km HEMU (High speed Electric Multiple Unit) 고속전철을 비롯하여 주행속도를 향상시키는 차량시스템 개발이 진행 중에 있다. 이와 같이 전기를 동력원으로 하는 고속전철에서 집전 시스템의 성능은 철도차량의 주행 및 안전에 많은 영향을 미친다. 주행 중인 전기 철도차량은 전기를 공급하는 전차선 (Contact wire)과 전력을 공급받는 장치인 팬터그래프 (Pantograph) 사이의 인터페이스부가 매우 중요하다. 주행 중에 전차선과 팬터그래프 사이에 지속적인 접촉 을 유지하는 것이 중요하지만 철도차량의 속도 증가 및 노선 구배 등의 원인으로 인해 순간적으로 불안정한 접촉상태 또는 개방되는 현상이 간헐적으로 발생하게 되는데, 이를 이선(Contact loss)이라 한다. 이선상태에서 전차선과 팬터그래프사이에 전류가 흐르면서 강한 빛을 동반한 아크 방전이 발생된다[1-3]. 아크 발생은 전차선과 팬터그래프 사이의 동적 관계, 팬터그래프의 품질 이상 및 노후, 전차선의 마모, 온도상승, 피로파단 등 다양한 형태의 성능저하가 나타날 수 있다.

최근 국내에서 고속선 철도차량 운행 등으로 인해 이선에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[4][5]. 아크방전 검출(Arc discharge detection)은 집전 시스템의 성능을 판단하는 주요 측정 인자로 이선 시 발생하는 아크의 정확한 측정 기술이 그 무엇보다 매우 중요하다. 플라스틱 광섬유를 사용한 이선 측정 시스템이 처음 개발되었으나, 아크 방전 측정 시 가시광선 대역의 파장이 측정 데이터의 정확도에 영향을 미치므로 야간이나 터널 구간에서 수행되지만, 빛의 영향을 받는 구역에서 측정이 어려운 측면이 있었다. 유럽에서는 이선에 대한 객관적 규정을 위해 EN 50317 기준을 마련하여 운영하고 있으며, 일본에서도 이선아크와 관련된 측정 장비 개발 등의 연구가 이루어지고 있다.

본 논문에서는 이선 시 정확한 측정이 이루어질 수 있는 장비 개발의 선행연구로 국내 전철화 구간에서 운행되고 있는 철도차량의 팬터그래프 집전판 재질과 전차선 사이의 이선 시 아크방전에 따른 스펙트럼을 고찰하였다. 이를 통해 EN 50317 기준이 국내 실정에 맞는지 여부와 일본 등에서 이루어진 이선 아크시 방전에 따른 스펙트럼 분석이 타당한가에 대한 비교 검토를 하였다. 개발하고자 하는 이선 아크 검측장치의 신뢰성 확보를 위해 국내에서 사용되고 전동차, 전기기관차 및 고속철도차량의 집전판과 전차선 (가공, 강체) 재질별 다양한 경우에 대해 이선 아크시 방전에 대한 스펙트럼 분석을 하였으며, 분석 결과는 향후 개발되는 이선 아크 검측장치 개발에 활용될 것이다.

 

2. 본 론

2.1 이선 아크 검측 및 국제규격

이선 아크 검측장치는 전차선과 팬터그래프간 이선 중에 발생하는 아크를 검측하여 이를 전기적 신호로 바꾸어 물리적 양을 측정하는 것이다. 이선 아크는 일반적으로 강한 빛을 내면서 전차선과 팬터그래프 집전판 사이에 공극 (Air gap)을 통해 전류가 흐를 때 아크가 발생하게 된다. 순간적으로 공극이 발생하는 시간에 따라 소이선, 중이선, 대이선 으로 나눌 수 있으며, 소이선 이하의 시간동안 공극 (Air Gap)이 발생하는 경우는 이선에 해당되지 않는다. 상기에 언급한 이선 아크를 검측하기 위해 다양한 장치들이 개발되지만, 전차선의 소재인 구리 (Cu) 재질에서 발생 하는 아크 파장은 220~ 225 [nm] 또는 323 ~ 329 [nm]로 자외선 영역이므로 정확한 분석이 어려운 실정이다. 다음은 이선 아크 검측 방법 일례를 기술하였다.

2.1.1 이선 아크 검측장치 일례

전차선과 팬터그래프 사이에서 아크가 발생하게 되면, 그림 1과 같이 아크 검측장치는 수광부, 검출기, 기록장치가 필수적으로 수반된다. 수광부 (Accepter)는 열차 지붕 위에 설치되어 전차선과 팬터그래프 사이에 이선이 발생하게 될 때 아크에 따른 방사되는 빛을 받아들인다. 검출부 (Detector) 및 기록장치 (Recorder)는 열차내부에 설치되어 수광부를 통해 입력되는 빛에서 아크가 발생할 때 생성되는 빛만을 필터링하여 기록장치에 저장하게 된다.

그림 1아크 검측장치 구성의 일례 Fig. 1 A case of schematic of the contact-loss arc detection system

기존 검측장치에서 수광부 (Acceptor)는 플라스틱 광섬유 (Plastic Optical Fiber, 이하 POF), 석영 광섬유 (Silica Optical Fiber, 이하 SOF), 자외선 센서 모듈 이용, 간섭 필터 및 형광유리 이용하는 방법 등이 제시되었다[1].

플라스틱 광섬유를 이용하는 방법은 광섬유로 플라스틱을 사용하고 검출기는 Photomultiplier를 사용하는데, 수광부에서 자외선 및 가시광선을 흡수하기 때문에 감지된 파장은 가시광선 영역이 포함되어 있어 측정환경에 의한 제약이 존재한다. 실리카 광섬유를 이용한 경우는 간섭 필터를 사용 하여 자외선의 파장을 감지한다. 하지만 실리카 광섬유를 이용하는 방법은 검출기로 포토다이오드를 사용하며, 323~329[nm] 파장대역을 검출한다. 그러나 장치가 고가이며 짧게 유지해야 하기 때문에 열차 지붕 위에 검출기를 설치해야 하는 불편함으로 인해 최근에 거의 사용되지 않는다.

한편 자외선 센서 모듈 이용하는 방법은 자외선 (UV) 파장을 검출하는 Photocell을 검출기에 부착하여 아크를 검측한다. 검측장치 가격은 저가이며, 검측 파장범위는 UV (200~279[nm]), 방사조도는 60[uw/㎝2]가 된다. 마지막으로 자외선(UV)를 가시광선으로 변환하는 아크 검측방법은 수광부에서 간섭 필터를 사용하여 아크 빛으로부터 가시광선을 제거하고 통과된 자외선은 형광유리를 통해 가시광선으로 변환한다. 이후 상기에서 언급한 POF 방법인 플라스틱 광섬유를 통해 광전자 증배관을 통해 변환되며, 검출기는 Photomultiplier를 사용한다. 검측장치 가격은 보통이지만, 검측 파장범위는 UV(206~226[nm]), 방사조도는 5[uw/㎝2]가 된다.

2.1.2 이선 아크 국제규격

전기 철도차량에 대한 증가로 이선에 대해 EN 50317(2002)에서 규정하고 있다. 아크율 (NQ)은 식 (1)과 같이 정의하고 있다[6].

여기서, tarc는 1[ms] 이상 아크 지속기간, ttotal은 공칭전류의 30%보다 큰 전류 측정시간

아크를 측정할 때 일반적인 샘플링 시간은 10[kHz]이며 저주파 필터(Low Pass Filter)를 사용하며 접촉력은 최소한 교류 구간용 팬터그래프는 0~500[N], 직류구간용 팬터그래프는 0~700[N] 측정범위를 갖는다.

한편 아크 측정에 따른 일반적인 사항을 살펴보면, 아크 검출기는 구리 (Cu) 재질에 의해 방사되는 빛 파장에 민감해야 한다. 구리 (Cu)과 구리 (Cu) 합금 전차선 파장 범위인 220 [nm]~225 [nm] 또는 323 [nm]~329[nm]에 적용되어야 한다. 두 개의 파장대역은 실질적인 구리 (Cu) 방사율을 갖고 있어 검측시스템은 330 [nm]이상 되는 가시광선 파장대역에서는 둔감해야 한다. 상기와 같은 조건을 만족하는 아크 검측기를 이용하기 위해서는 아래와 같은 조건을 가져야 한다.

(1) 높은 감광도를 얻기 위해 팬터그래프와 매우 근접한다. (2) 철도차량의 세로축에 최대한 가깝게 한다. (3) 차량의 진행방향에 따라 팬터그래프 후면에 위치한다. (4) 집전장치의 팬터그래프의 집전판을 향하게 한다. (5) 팬터그래프 동작범위의 영역에서 허용오차가 10% 이내로 한다. (6) 시작과 끝이 100[us]미만인 아크를 감지해야한다. (7) 최소 아크 측정에 따라 임계점을 측정해야한다.

그림 2아크 검측장치 위치 Fig. 2 Position of the contact-loss arc detection system

아크가 발생하는 위치와 측정 장비의 거리에 따라 임계점은 달라진다. 그림 2는 이선시 아크 검출을 위한 검측장치 설치 위치를 보여준다.

2.2 방사조도

방사조도란 방사원에서 떨어진 곳에 있어서의 복합 방사의 방사량의 하나이며, 그 점을 포함한 면적 요소를 ΔA, 이면적에 입사하는 방사속을 ΔΦe 할 때, 방사 조도 ΔEe (또는 E)는 식 (2)와 같다.

즉 단위 면적당의 방사속을 뜻하며, 면적에 반비례함을 뜻한다. 면적은 거리의 제곱과 같은 단위를 가지므로 방사 조도는 거리의 제곱에 반비례하게 된다.

 

3. 이선 아크 시험

3.1 이선 아크 검측장치 구성

본 논문에서는 이선시의 아크 특성을 정확하게 검측하기 위해 그림 3과 같이 모의 이선시 아크 스펙트럼 분석장치를 구성하였다. 입력전원 220[V]는 전차선 역할을 하는 회전체와 팬터그래프를 통해 저항부하로 연결된다. 이선시에 최대 30[A]까지 흐르게 되며, 팬터그래프에 설치되는 집전판 재질과 회전체에 전차선 재질 종류에 따라 상이하게 흐른다.

집전 시스템의 전차선과 팬터그래프 집전판이 포함된 이선 발생장치는 이선발생 신호에 따라 전차선에 진동을 발생하여 전차선과 팬터그래프 집전판의 집전부를 이선시켜 아크를 발생시킨다. 발생된 아크 방전은 UV 센서모듈이 포함된 검출기를 통해 분광기 (Spectrometer)에서 스펙트럼을 분석하였다. 분광기의 파장대역은 200~1100[nm], 해상도는 0.05～20[nm]이다. 측정 환경의 밝기에 영향을 받지 않고 이선 측정의 정확도를 향상시키기 위해 어두운 실내에서 실험하였다.

그림 3이선 아크 검측장치 구성 Fig. 3 Schematic of the contact-loss arc detection system

표 1사용된 시험편 Table 1 Used test materials

이선 아크 검측의 신뢰성 확보를 위해 표 1에서 보듯이 전차선은 현재 국내 철도분야에서 가장 많이 가선되어 있는 고속선 가공 전차선과 전동차 지하구간에 적용되고 있는 T bar 강체 전차선을 사용하였다. 그리고 팬터그래프 집전판은 현재 운행되고 있는 고속철도차량 (KTX-1), 8200호대 전기기관차, 누리로 집전판, VVVF 전동차의 집전판을 실험 재료로 이용하여 재질에 따른 아크 방전을 분석하였다.

집전판의 특성을 살펴보면 고속철도차량, 전기기관차, 누리로의 집전판은 메탈 소결합금으로 이루어져 있는 철 (Fe) 계의 합금으로 강도가 강하고, VVVF 전동차의 집전판은 빈빈한 기동 및 정지를 반복하므로 강도가 약한 카본 소결합금으로 이루어져 있는 탄소 (C)계의 합금이다. 그림 4는 아크 검측장치 집전 시스템 시험편을 보여준다.

그림 4이선 아크 검측장치 집전 시스템 시험편 Fig. 4 Test pieces of the contact-loss arc detection system

3.2 모의시험

이선 모의시험은 고속선에 사용되고 있는 가공 전차선을 기준으로 KTX-1, 8200호대 전기기관차, 누리로, 전동차의 팬터그래프 집전판 시편을 순서대로 바꿔가면서 이선시의 아크 스펙트럼을 분석하였다. 또한 전동차가 운행하는 지하 구간 T bar 강체 전차선도 동일한 조건으로 집전판 시편을 바꿔가면서 재질에 따른 스펙트럼의 파장범위에 대해서 분석하였다.

그림 5는 이선시의 강한 빛을 내면서 아크가 발생하는 현상을 보여준다.

그림 5이선 아크 검측장치 모의시험 Fig. 5 Test of the contact-loss arc detection system

모의시험에 사용된 광계측 장비는 USL2048 Avaspec - type으로 파장측정범위 (Wavelength Range)는 200~1100[nm]이다. 분광기 (Spectrometer)는 빛을 분산시켜서 얻게 되는 스펙트럼을 측정하는 장치로 모의시험에서는 자외선의 파장에 따라 금속 면으로부터의 반사율이 다른 특성을 이용하여 금속 내의 전자의 변화량을 추정한다. 분광기의 특성을 이용 이선 아크 검출기를 통해 분광기에 전달된 신호는 크기 및 파장에 따라 분광기를 통해 노트북에 디스플레이 된다. 그림 6은 이선시 아크가 발생할 때 컴퓨터에 디스플레이 된 파형의 일례로 x축은 파장 (Wavelength)[nm], y축은 방사조도 (Absolute Irradiance)[uW/㎝2/nm]로 나타난다.

그림 6이선 아크 검측 시험 결과 파형 Fig. 6 Result wave of the contact-loss arc detection

그림 7햇빛에 대한 방사조도 측정 Fig. 7 Measurement of irradiance on sunlight

그림 7은 이선 아크 검측장비를 이용하여 햇빛에 노출된 실외 (대기온도 25° )에서 측정한 파장을 보여준다. 햇빛방향을 기준으로 정면 (0° ), 90° , 180° 로 수광부(Acceptor)의 위치를 변경하면서 파장대역[nm]별 방사조도[uW/㎝2/nm]의 세기를 측정하였다. 햇빛방향에서 수광부의 위치를 틀게 되면 방사조도의 세기가 급격히 떨어짐을 확인할 수 있었고, 햇빛과 정면에 수광부가 위치한 경우 200[nm]에서 250[nm]까지 지수함수 형태로 방사조도가 떨어지고 이후 305[nm]인 지점을 지나게 되면서 방사조도가 증가하는 양상을 보였다. EN 50317 기준에 따르면, 파장 범위인 220[nm]~225[nm] 또는 323[nm]~329[nm]에서 아크 검측장비가 적용되어야 한다.

따라서 그림 7을 기준으로 이선 아크 검측장비를 개발하고자 할 때는 파장범위를 벗어난 대역에서는 필터 적용을 고려해야 할 것이다.

3.2.1 가공 전차선-팬터그래프 시험

경부선 및 호남선 고속전철 등 가공전차선에 적용되는 재질은 구리 (Cu)으로 이선시 아크 모의시험은 그림 4에서 보듯이 전차선 재질은 원형 구리 (Cu)을 사용하였고 팬터그래프 집전판 (Contact strip)을 바꿔가면서 동일 조건에서 수행하였다. 그림 8은 이선 모의시험시 아크 발생에 따른 재질별 파장대역에 대한 방사조도의 세기를 보여준다. 광계측기를 통해 스펙트럼을 분석하면 아크 검출 파장대역이 220~240 [nm], 323~329 [nm], 340~390 [nm]에서 방사조도의 세기가 타 대역에 비해 크다는 것을 알 수 있다. 또한 파장 대역이 커질수록 방사조도의 세기가 작아짐을 알 수 있다. 이는 경동 전차선 및 철제합금, 구리합금, 탄소계열의 집전판에서의 아크 빛은 200~240[nm], 320~340[nm]의 각 파장 대역에서 강한 스펙트럼을 가지고 있기 때문이다. 또한 방사조도의 세기 측면에서 살펴보면 차량별로 차이가 있는 것을 볼 수 있는데 가공전차선과 집전판 사이에 흐르는 전류가 이선이 발생 전 얼마나 흐르고 있었느냐에 따라 상이하다는 것을 의미한다. 즉 이선 모의시험을 하는 조건은 실험 조건상 최대 30[A]이내이므로 전류가 많이 흐를수록 방사조도의 세기도 커진다.

그림 8이선시 재질별 방사조도 측정(가공 전차선) Fig. 8 Measurement of irradiance on materials(contact strip) during contact-loss arc in catenary

3.2.2 강체 전차선 시험

도시철도차량이 운행하는 지하구간이나 터널 내에 사용되는 강체가선의 재질인 T bar 구리 (Cu)을 사용하여 국내에서 운행되고 있는 전기철도 차량이 운행 시 발생할 수 있는 이선에 따른 아크를 분석하였다. 그림 9는 강체가선을 기준으로 이선 모의시험시 아크발생에 따른 재질별 파장대역에 대한 방사조도의 세기를 보여준다.

그림 9이선시 재질별 방사조도 측정(가공 전차선) Fig. 9 Measurement of irradiance on materials(contact strip) during contact-loss arc in rigid bar catenary

그림 9의 이선시 재질별 방사조도를 분석해보면, 그림 8과 유사한 특성을 보인다. 다만 370[nm]~390[nm] 파장대역이 320[nm]~340[nm]보다 커지는 차이점을 볼 수 있다. 그리고 전반적으로 이선시 아크에 따른 파장대역은 그림 8과 거의 동일대역이지만, 방사조도의 세기는 작다. 이는 가공전 차선을 사용한 것에 비해 강체가선인 경우 전류가 적게 흐른 것에 기인한다.

 

4. 결 론

본 논문에서는 팬터그래프-전차선간 이선에 따른 검측장치를 개발하는데 있어 선행연구로 각 차량별 팬터그래프 집전판 재질에 따른 가공전차선과 강체가선사이의 이선시 파장대역별 방사조도의 세기를 측정하여 분석하였다.

측정결과 EN 50317 기준에서 제시한 파장 범위인 220[nm]~225[nm] 또는 323[nm]~329[nm]에서 타 파장대역보다 방사조도의 세기가 커짐을 확인할 수 있었다.

햇빛에 노출된 상태의 방사조도와 이선시 방사조도를 비교해보면 햇빛에 노출된 상태에서가 상대적으로 크다는 것을 알 수 있으나, 실제 운행 중인 철도차량인 경우 수 백 [A]의 전류가 흐르게 됨으로 방사조도의 세기가 매우 크다. 다만 EN 기준에서 제시된 파장대역에서 검측장치를 개발하고자 할 때 EN 규격 기준을 만족할 수 있는 필터 설계도 고려되어야 할 것으로 보인다.