A Experimental Study on Train Speed and Wave Propagation Speed of Contact Wire according to the Speed-up

속도향상에 따른 열차속도와 전차선 파동전파속도에 대한 실험적 연구

Abstract

An overhead catenary system is the one of the main subjects for increasing speed in electric railway. When a vehicle increases the speed over 350km/h, vibrations and wave propagation reflections occur severely. Therefore, the system suitable for the speed are needed. A wave propagation speed of contact wire is the main criteria to determine the tension for the system. Therefore, a train speed is restricted below 70% of wave propagation speed of it in European railway code. In this study, we measured a strain and uplift of contact wire while HEMU-430X tain is operated for the speed-up trial test in Kyungbu high-speed railway. The measured strain and uplift are analyzed with wave propagation speed according to the speed-up. The more a train speed reaches to a propagation speed, the more measured strain is high. Through the study, an experimental approach is performed about the code which a train speed is restricted below 70% of wave propagation speed of it.

1. 서 론

전기철도에서 전차선로는 전기철도차량에 전기를 공급하 는 설비로써 열차의 지붕에 설치되어 있는 팬터그래프의 집 전판과 접촉을 하면서 열차에 전기를 공급한다. 열차의 속 도가 높아지면 전차선에 팬터그래프에 의한 파동의 전파 및 반사 등이 격렬히 발생되고 그에 따라 적절한 전차선로 선 종 및 장력의 결정이 필요하다. 전차선의 적정 장력을 결정 하기 위하여 먼저, 운행속도와 식 (1)의 전차선 파동전파속 도와의 관계를 고려하여야 한다. 열차의 속도가 전차선의 파동전파속도에 접근하게 되면 압상량의 증가가 기하급수적 으로 커지는 특성을 보인다[1]. 이와 같은 전차선 압상량 측 면 그리고 전차선과 팬터그래프간의 이선율 측면을 고려하 여 유럽 철도표준규격인 EN50119에서는 열차의 최고속도를 전차선의 파동전파속도의 70% 이하로 결정하도록 요구하고 있다[2].

여기서, c : 파동전파속도 [m/s]

T : 전차선 장력 [kN]

ρ : 전차선 선중량 [kg/m]

전차선은 열차가 최고속도로 운행할 때 제한하는 인터페이스 요소로 곡선당김금구 위치에서의 전차선에 압상량과 변형률이다. 곡선당김금구의 압상되는 양을 제한하는 이유 는 제한 높이 이상으로 곡선당김금구가 압상되면 가동 브래 킷과 충돌이 생기기 때문이고, 전차선의 변형률을 제한하는 이유는 팬터그래프와의 접촉력에 의하여 전차선이 굽힘 피 로 파단이 발생될 있기 때문이다. 경부고속철도의 경우 안 전율을 고려하여 곡선당김금구의 압상량을 200 ㎜로 제한하 고 있고, 전차선 변형률은 팬터그래프에 의한 전차선의 굽힘 피로 파단 때문에 일본의 실험결과[3]를 고려하여 500 με 이하로 제한한다.

본 연구에서는 한국철도기술연구원에서 개발한 차량인 HEMU-430X의 속도향상 시험 시에 측정한 지지점에서의 전차선 압상량 및 변형률을 이용하여 열차속도와 파동전파 속도와의 관계를 실험적으로 고찰하였다. 열차속도가 파동전 파속도의 70% 이상의 속도 시험에서 전차선 측면의 압상량 및 변형률과 같은 인터페이스 요소에 대하여 고찰하였다.

 

2. 본 론

2.1 HEMU-430X 속도향상 시험시 전차선로 조건

곡선당김금구 위치에서 전차선 압상량을 제한하는 할 때 가동브래킷 및 곡선당김금구의 형태에 따라 상이하다. 스토퍼가 있는 설비는 1.5 그리고, 없는 설비는 2의 안전율을 적용하여 압상량을 제한한다[2]. 경부고속철도의 가동브래킷 및 곡선당김금구의 경우 안전율 2를 고려하여 200 mm이하 로 제한한다. 열차 통과 시 팬터그래프에 의한 전차선 변형률이 제한치 보다 크면 피로파단이 발생할 수 있기 때문에 변형률도 전차선 측면에서 중요한 측정 파라미터이다[3]. 장력을 올린상태에서 경부고속철도의 전차선 변형률에 대한 명확한 기준이 없고, 상업운전이 아니라 횟수가 많지 않은 시운전이기 때문에 측정결과만 제시하기로 한다.

경부고속철도 2단계 구간에서 HEMU-430X 시운전시 속도향상을 위하여 전차선 장력을 20 kN에서 23 kN으로 상향 조정하였다. 전차선의 압상량 및 변형률은 상선 305-26호주 (kp 305.6977)에서 측정하였다. 시측정위치의 앞/뒤 경간은 63 m로 경부고속철도 전차선로 경간 중 가장 긴 경간을 선정하였다. 경간의 길이가 길면 지지점의 압상량이 높아지기 때문에 제일 긴 경간을 선택하였다. 측정위치에서 전차선로 조건은 그림 1과 같다.

그림 1측정위치에서의 전차선로 조건 Fig. 1 Conditions of overhead catenary system at the measurement position

그림 2 및 3은 열차 통과시 전차선의 물리량을 측정하기 위한 측정장비 및 센서이다. 전차선 압상량을 측정하기 위한 센서는 줄변위계를 이용하였고, 변형률은 변형률계(strain gauge)를 사용하였다. 각 센서의 사양은 표 1 및 2와 같다.

그림 2가동브래킷에 설치된 텔레메트리 측정장치 Fig. 2 Installed telemetry measuring device on the hinged cantilever

그림 3전차선 변형률 측정을 위한 센서 F i g . 3 Strain gauge on the contact wire

표 1줄변위계 센서사양 Table 1 The specifications of the wire sensor

표 2변형률계 센서사양 Table 2 The specifications of the strain gauge

전차선로의 측정 위치는 25kV 교류전압이 인가되어 있다. 이와 같은 활선 상태에서 측정에 적합하도록 텔레메트리 장비를 이용하여 측정된 신호를 무선으로 지상에 전송할 수 있도록 장치를 구성하였다[4, 5]. 이와 같은 조건에서 열차가 약 410 km/h의 속도로 측정위치를 통과할 때 측정한 결과는 그림 4 및 5와 같다. 측정결과 전원 노이즈 등에 대한 외란 없이 측정되었음을 알 수 있다.

그림 4속도 약 410km/h에서 전차선 압상량 측정결과 F i g . 4 Measurement results of contact wire uplift at a speed of 410km/h

그림 5속도 약 410km/h에서 전차선 변형률 측정결과 F i g . 5 Measurement results of contact wire strain at a speed of 410km/h

2.2 시험결과 및 고찰

2012년 12월부터 약 4달간 HEMU-430X가 약 345 km/h 에서 415 km/h까지 속도향상 시험 시 약 30회 이상 곡선당 김금구 위치(지지점)에서 측정한 전차선 압상량 및 변형률 을 측정하였다. 그림 6 및 7은 측정한 결과를 속도에 따라 정리한 그래프이다. 전차선 허용 압상량인 200 ㎜ 이내로 압상량이 측정되었다. 그리고 열차의 속도가 높아질수록 전 차선 압상량은 점차적으로 높아지는 경향을 보이고 있다. 그러나 속도에 따른 압상량 변화의 산포가 크게 측정되었다. 전차선 변형률의 경우도 열차 속도가 증가함에 따라 급 격히 증가하였다. 변형률과 비교하여 상대적으로 측정 결과의 산포가 작았다.

그림 6속도에 따른 압상량 측정결과 Fig. 6 The measurement results of uplift according to the speed-up

그림 7속도에 따른 변형률 측정결과 Fig. 7 The measurement results of strain according to the speed-up

열차속도가 파동전파속도에 근접해짐에 따라 열차 통과시 전차선의 물리량 변화를 고찰하기 위하여 열차속도와 파동 전파속도와의 관계인 식 (2)의 무차원비[6]를 사용하였다.

여기서, β : 무차원비

V : 열차속도 [m/s]

그림 6 및 7의 결과를 시험구간의 전차선로 조건을 고려 하여 무차원비로 환산한 결과는 그림 8 및 9와 같다. 전차 선 압상량의 경우 무차원비가 0.9에 가까워지면서 점차적으 로 높아지는 경향을 보이지만 상대적으로 압상량이 낮게 측정된 경우도 있었다. 특히 전차선 변형률의 경우에는 무차 원비가 0.9에 가까워지면서 전체적으로 일관되게 급격히 증가하였다. 무차원비가 0.85 이상이 되면서 일본에서 제한하고 있는 변형률인 500με 이상의 측정되었다. 따라서 열차 속도가 증가하여 무차원비가 1에 가까워지면 팬터그래프에 의한 전차선의 파동/반사 등으로 인하여 전차선이 출렁거리고 충격하중이 일관되게 발생하는 것으로 판단된다.

그림 8무차원비 변화에 따른 압상량 측정결과 Fig. 8 The results of uplift according to β variation

그림 9무차원비 변화에 따른 변형률 측정결과 Fig. 9 The results of strain according to β variation

따라서 위와 같은 시험결과를 고려하면 열차의 최고속도를 전차선의 파동전파속도의 70% 이하로 결정하는 것은 전차선 압상량의 증가 측면보다는 팬터그래프에 의한 충격하중으로 인하여 전차선이 파단될 수 있기 때문이라고 판단된다.

 

3. 결 론

본 연구에서는 HEMU-430X 최고속도 시험을 위한 속도 향상에 따른 곡선당김금구 위치에서의 전차선 압상량 및 변형률을 측정하였다. 전차선 압상량의 경우 무차원비가 0.9에 가까워지면서 점차적으로 높아지는 경향을 보이지만 상대적으로 낮게 측정된 경우도 많았고, 압상량 제한치 이내의 결과를 보였다. 전차선 변형률의 경우에는 무차원비가 0.9에 가까워지면서 전체적으로 일관되게 급격히 증가하였고, 무차원비가 0.85 이상이 되면서 일본에서 제한하고 있는 변형률인 500 με 이상으로 측정되었다. 이와 같은 시험결과를 고려하면 열차의 최고속도를 전차선의 파동전파속도의 70% 이하 로 결정하는 것은 전차선 압상량의 증가 측면보다는 팬터그래프에 의한 충격하중으로 인하여 전차선이 파단될 수 있기 때문이라고 판단된다. 본 논문에서 측정된 전차선 분야의 파라미터는 향후 속도향상을 위한 시운전 및 시스템 결정시에 중요한 지침으로 활용될 수 있을것이라고 기대한다.