Analysis of Tram Feeding System according to Train Diagram Change

열차운행 시격 변경에 따른 트램 급전계통 해석

Abstract

In order to understand phenomenon of the electric railway power feeding system in the construction planning step, analysis of the overall system including electric characteristic of electric railway power feeding system, train running characteristic and power consumption pattern and train operation plan and gradients of railroad and curve radius is required. This paper study the feeder system by analysis of comprehensive system according to train operation plans, line impedance, running characteristic of train, electrical properties of the feeder system. In order to understand phenomenon to the feeder system of tram exactly regarding export of the field railroad preceeding actively recently.

1. 서 론

최근 대중교통수단으로서 전기철도는 도로 교통에 비해 환경 친화척이며, 고속화, 고밀도 운행이 가능하므로 안전성과 신속성, 편의성 측면에서 높이 평가되고 있으며, 이러한 효과로 전철화가 급속하게 증가되고 있다. 또한 철도의 전철화와 기술의 발달로 전기철도차량의 용량 증가에 의한 수송력 증강이 시도되고 있다. 하지만 일반적으로 고속철도차량 등 전기철도차량은 단상 대용량 집중부하이므로 전기적특성의 변화가 심하여 급전계통에 전압강하, 전압 불평형 등 많은 문제점이 발생 할 수 있다.

이에 전철전원의 급전계통에 나타나는 현상을 정확히 파악하기 위해 전기철도 급전계통 이외에도 열차의 주행 특성 및 전력 소비 패턴, 열차 운행 계획에 따른 열차의 공간적 분포, 궤도의 구배 및 곡선반경 등 종합적인 시스템에 대한 분석이 필요하다 [1,2].

전기철도차량 운행 시 변전소에서 공급하는 부하를 산출하기 위해 종래에는 한 대의 열차에 대한 평균 전력에 변전소 공급거리와 열차 밀도를 곱하는 근사적인 방법을 사용해왔으나 국내를 비롯한 철도선진국에서는 급전시뮬레이션 소프트웨어를 개발하여 실무에 적용하고 있는 상태이다. 급전시뮬레이션은 급전 설비의 용량 결정뿐만 아니라 기존 시스템에서 열차의 운행 계획을 변경할 때에 그에 따른 전체 전력 소비량의 변화를 예측하고 급전계통 측면에서 공급이 가능한지를 검토하는 데에도 사용된다. 또한 열차성능 시뮬레이터를 통해 투입되는 전기철도차량의 특성을 분석하여 실측값과 유사한 부하량을 계산할 수 있다[3].

본 논문은 최근 활발히 진행되고 있는 국외 철도분야의 진출과 관련하여 750V 직류철도시스템인 트램 급전계통에서 열차운행 시격 변경에 따른 현상을 파악하기 위해 급전계통 자체의 전기적인 특성 이외에도 열차의 주행 특성 및 전력 소비 패턴, 선로임피던스, 열차 운행 계획에 따른 종합적인 시스템에 대한 해석을 통해 급전 계통을 분석하였다.

 

2. 급전계통 시뮬레이션 주요 요소

전기철도 급전계통에 대한 시뮬레이션을 위해, 우선 검토 대상 선로에 투입될 철도차량의 편성, 성능 및 운행 시격을 설정한다. 그리고 각각에 대한 열차주행 시뮬레이션을 수행하면 운행 구간 내에서 시각별 위치, 속도, 전력소비량 등이 계산된다. 이렇게 계산된 열차 운전곡선을 열차운행 계획에 따라 배열하면 매 순간마다 모든 열차의 위치 및 소비전력이 결정되므로 이를 추출하여 각 변전소마다 공급 구간 내에 있는 열차의 소비전력을 합산하여 변전소 부하를 계산할 수 있고 각 열차 위치에서의 공급전압이 계산된다[4].

그림 1의 점선은 직류구간의 병렬급전선로를 나타낸 것으로 DC 급전계통은 전압강하가 많이 발생하여 전차선로에 급전선로를 병렬로 연결하여 급전하므로 시뮬레이션에 반영하여 수행하였고, 변전소 사고로 연장 급전시는 생략하고 시뮬레이션을 수행하였다.

그림 1급전계통도 및 노선도 Fig. 1 Feeding system diagram and line map

본 논문에서는 열차운행 조건을 고려하여 전철 급전시스템의 전원 안정성을 확인하기 위해 급전시스템 설계에 따른 TOM(Train Operations Model) 시뮬레이션 도구를 사용하였다. 이것은 전기차량의 견인력 및 제동력, 중량, 차량편성, 가속도 등의 데이터를 입력하여 열차의 성능 데이터 산출하기 위한 TPS(Train Performance Simulator), 전철 급전시스템의 구성 및 전차선, 급전선, 변압기 등의 파라미터 값을 입력하는 프로그램으로 전철전력 시스템 정보를 분석할 수 있는 ENS(Electric Network Simulator), 열차 운행 중 전기회로의 전압, 전류, 전력 소비를 계산할 수 있는 TMS(Train Movement Simulator)를 포함하고 있다[5].

2.1 급전시뮬레이션 입력데이터

급전계통에 나타나는 현상을 정확히 시뮬레이션하기 위해 알제리 오란 트램 C라인 자료를 활용하였다. 시뮬레이션을 구현하기 위해 정거장, 전철변전소 및 전차선로 임피던스 데이터를 필요로 한다. 표 1은 그림 1에 기초한 알제리 오란 트램 C라인의 정거장을 나타낸 것으로 오란 트램 1호선 연장선 기점을 기준한 데이터 값이며 표 2는 연장선 기점을 기준에 따른 전철변전소의 위치를 나타낸다.

표 1C라인 정거장 Table 1 C-line station

표 2C라인 전철변전소 Table 2 C-line railway substation

한편 표 3은 트램의 급전계통 임피던스로 AC 전원계통의 임피던스와 레일 임피던스를 나타내었다. AC 전원계통은 리액턴스 성분을 포함하며, 레일 임피던스는 시뮬레이션 수행 시 리액턴스 성분은 제외하고 시뮬레이션을 수행하였다.

표 3전력계통 임피던스 데이터 Table 3 Power grid impedance data

전차선로 정수는 자기 임피던스와 상호 임피던스로 나누어 고려될 수 있다. 자기 임피던스 Z는 가선의 지표상 높이와 대지 도 전율 등에 따라 변화하는 외부 임피던스 Zs와 전선 고유의 내부 임피던스 Zi로 구해지며, 식 (1)과 같이 된다[6,7].

여기서, R은 선로저항[Ω], L은 인덕턴스 [H], h는 전선 높이[cm], γ=1.781(Bessel의 정수), w = 2πf

또한 상호 임피던스 ZM [Ω/km]는 지표상 높이가 h1, h2[cm] 이고 수평거리가 b[cm]인 두 전선간의 상호 임피던스로 Carson-Pollaczek의 공식을 이용하여 계산한다.

여기서, h1, h2는 전선 1, 2의 지표면에서의 높이[m], b는 전선 1, 2의 수평거리[m], , σ는 대지도전율(0.1∼0.001)[S/m], γ=1.781(Bessel의 정수), w = 2πf

표 4는 전철 급전계통을 운행하는 5량 1편성인 오란 트램의 제원을 보여준다. 6량 1편성은 견인전동기당 최대 견인력이 21.25[KN]이고 전기 제동력은 23.75[KN]으로 가속도에 비해 감속도가 0.2[m/s2]로 크며 비상시에는 0.3[m/s2]이 크다. 이는 제동력이 빠르게 수렴됨을 의미한다. 승차인원 및 차종별 중량에 따라 철도차량에 유입되는 전류가 변하게 되며, 편성별 철도차량 데이터를 통해 견인력, 제동력 등에 영향을 준다.

표 4오란 트램의 제원 Table 4 Data of Oran tram

2.2 열차운행 계획

오란 트램은 승객수요가 많은 출퇴근 시간대인 첨두시를 최소 4분 시격으로 출발역과 종착역에서의 열차출발 시간의 차이가 0/30/60/90/120[s]로 교차 시행하는 운행계획으로 가정하였다. 열차운행 시간표는 표 5와 같고 교차시행에 따른 출발역(AÉrogare internationale)과 종착역(GARE ROUTIÉRE SIDI)에서 출발시간은 표 6과 같다.

표 5열차운행 시간표 Table 5 Train operation time table

표 6시발역과 종착역 열차 출발 시각 Table 6 Train departure time of starting station and terminal station

2.3 설계 기준

a) 전압강하

IEC 60850 견인시스템 공급전압에 의하면 DC시스템에서 공칭 전압 750V일 경우 지속될 것으로 예상되는 전압의 최저값을 500V로 정하고 있다. 따라서 급전계통 시뮬레이션 집전전압 결과가 500[V]미만으로 출력되는 구간이 있는 경우 열차의 정상적인 운행에 문제가 초래될 수 있다[8,9].

b) 정류기 용량

IEC 146-1-1 Duty Class Ⅵ에서 정하고 있는 표준정격에서는 1시간 최대전력이 정류기의 연속정격(100[%]) 미만이어야 하며 순시최대전력의 120[%]가 정류기의 1분 정격(300[%])을 넘지 않으면 된다. 1시간 최대전력과 순시 최대전력은 식 (4)와 식 (5)와 같이 표현된다.

여기서, I1시간 는 정류기 1시간 최대 실효전류값, Vnominal는 공칭전압, Ipeak는 정류기 순시 최대전류값이다.

 

3. 급전계통 시뮬레이션

급전계통 시뮬레이션 시 상세히 검토해야 할 사항은 급전계통의 전압강하이다. 열차가 주행하는 데에 충분한 성능을 보장하기 위하여 전차선의 전압이 적정하게 유지되어야 하지만 여러 대의 열차가 운행하는 상황에서는 전압의 변동이 심하게 나타나기 때문에 시뮬레이션을 통하여 변전소의 위치 및 용량, 급전선로의 용량 등의 설계 시에 이를 반영하여야 한다. 또한 열차운행 계획의 변경 시에도 급전계통 측면에서 전력 수요가 용량 범위 내에 있는지와 전압 유지가 가능한지 검토해야 한다.

본 논문에서는 우선적으로 레일 임피던스 적용 시 집전전압의 변동유무를 확인하였으며 0/30/60/90/120[s]로 교차시행 운행계획으로 가정하여 정상상태에서 1시간 RMS 전류(AC 측), 집전전압, 첨두 1시간 정류기 전류에 대해 시뮬레이션을 하였다.

3.1 레일 임피던스 고려시

표 7은 레일 임피던스 적용 전후 전압을 보여준다. TOM 프로그램은 선로를 운행하는 각 각의 투입열차 급전전압을 변전소로 귀선하는 레일을 기준으로 급전전압을 취득하기 때문에 임피던스를 제외한 결과값과 포함한 결과값의 차이를 비교하여 최대 전압 강하 조건을 고려하기 위하여 두가지 조건을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다.

표 7레일 임피던스 적용 전후 전압 Table 7 Voltage with and without rail impedance

시뮬레이션 결과는 SST-C1이 정상일 경우의 전압과 SST-C2 고장시 SST-C1측의 전압, SST-C1 고장시 SST-C2측의 전압을 나타낸다. 운행은 교차시행 0[s]을 기준으로 시뮬레이션을 수행하였으며 레일 임피던스를 적용하여 출력된 시뮬레이션 결과 값이 레일 임피던스를 적용하지 않는 결과 값에 비해 전압강하가 크게 발생된 것을 확인하였다.

3.2 교차시격별 시뮬레이션

a) Case 1 : 0[s] 교차시행 인 경우

표 8은 0[s] 교차시행 시의 AC측 1시간 RMS 용량, 집전전압, 첨두시 1시간 정류기의 전류를 나타내었다. 정상시에 비해 전철 변전소 고장시의 RMS 용량과 첨두 1시간 정류기의 전류는 더 크게 나타났으며 집전전압의 경우는 전압이 강하되었다. AC측 1시간의 RMS 최대 용량은 SST-C2 고장시 SST-C1 지점의 RMS 용량이며 576.1[kVA]이다. 집전전압의 전압강하가 가장 크게 발생한 곳의 전압은 599[VDC]이다. 첨두시 1시간 정류의 최대전류는 SST-C2 고장시 SST-C1지점의 816[A]이다.

표 80[s] 교차시행 시뮬레이션 결과 Table 8 Simulation result of cross-performing in 0 seconds

b) Case 2 : 30[s] 교차시행 인 경우

표 9는 30[s] 교차시행 시의 AC측 시간 RMS 용량, 집전전압, 첨두시 1시간 정류기의 전류를 나타내었다. AC측 1시간의 RMS 최대 용량은 SST-C2 고장시 SST-C1 지점의 RMS 용량이며 596.4[kVA]이다. 집전전압의 전압강하가 가장 크게 발생한 곳의 전압은 548[VDC]이다. 첨두시 1시간 정류의 최대전류는 SST-C2 고장시 SST-C1지점의 855[A]이다.

표 930[s] 교차시행 시뮬레이션 결과 Table 9 Simulation result of cross-performing in 30 seconds

c) Case 3 : 60[s] 교차시행 인 경우

표 10은 60[s] 교차시행 시의 AC측 시간 RMS 용량, 집전전압, 첨두시 1시간 정류기의 전류를 나타내었다. AC측 1시간의 RMS 최대 용량은 SST-C2 고장시 SST-C1 지점의 RMS 용량이며 573.7[kVA]이다. 집전전압의 전압강하가 가장 크게 발생한 곳의 전압은 530[VDC]이다. 첨두시 1시간 정류의 최대전류는 SST-C2 고장시 SST-C1지점의 829[A]이다.

표 1060[s] 교차시행 시뮬레이션 결과 Table 10 Simulation result of cross-performing in 60 seconds

d) Case 4 : 90[s] 교차시행 인 경우

표 11은 90[s] 교차시행 시의 AC측 시간 RMS 용량, 집전전압, 첨두시 1시간 정류기의 전류를 나타내었다. AC측 1시간의 RMS 최대 용량은 SST-C2 고장시 SST-C1 지점의 RMS 용량이며 601.3[kVA]이다. 집전전압의 전압강하가 가장 크게 발생한 곳의 전압은 578[VDC]이다. 첨두시 1시간 정류의 최대전류는 SST-C2 고장시 SST-C1지점의 847[A]이다.

표 1190[s] 교차시행 시뮬레이션 결과 Table 11 Simulation result of cross-performing in 90 seconds

e) Case 5 : 120[s] 교차시행 인 경우

표 12는 120[s] 교차시행 시의 AC측 시간 RMS 용량, 집전전압, 첨두시 1시간 정류기의 전류를 나타내었다. AC측 1시간의 RMS 최대 용량은 SST-C2 고장시 SST-C1 지점의 RMS 용량이며 554.7[kVA]이다. 집전전압의 전압강하가 가장 크게 발생한 곳의 전압은 569[VDC]이다. 첨두시 1시간 정류의 최대전류는 SST-C2 고장시 SST-C1지점의 798[A]이다.

표 12120[s] 교차시행 시뮬레이션 결과 Table 12 Simulation result of cross-performing in 120 seconds

3.3 시뮬레이션 결과 비교

그림 2는 교차시행별 AC측 시간 RMS 용량을 나타내었다. 각 교차시행 중 AC측 1시간의 RMS 최대 용량은 교차시행 90[s]에서 SST-C2 고장시 SST-C1 지점의 RMS 용량인 601.3[kVA] 결과를 보였다.

그림 2교차시행에 따른 AC측 1시간 RMS 용량 [kVA] Fig. 2 1 hours RMS power capacity in AC side in case of cross-performing

한편 그림 3은 교차시행 별 첨두시 1시간 정류기 전류를 나타내었다. 각 교차시행 중 교차시행 30[s]에서 855[A]로 가장 큰 전류가 흘렀다. 또한 그림 4에서 보듯이 각 교차시행 중 집전전압이 가장 낮은 부분은 530[VDC]으로 측정되었다.

그림 3교차시행에 따른 첨두시 1시간 정류기 전류 [A] Fig. 3 1 hours rectifier current in peak hour in case of cross-performing

그림 4교차시행 별 집전전압 [VDC] Fig. 4 Collecting voltage by case of cross-performing

전압강하 측면에서 볼때 최소 500[V]이상 되어야 하며 본 시뮬레이션 결과 최저전압은 교행시차 60[s]일 때 SST-2 고장시 509[V]로 전압강하로 인한 트램의 정상적인 운행에는 지장을 주지 않을 것으로 보인다. 또한 시뮬레이션의 정류기 용량을 검토해 보면, 1시간 최대전력이 정류기의 연속정격(100[%]) 미만이어야 한다.

시뮬레이션의 결과, 최대 순시전류값은 교행시차 30[s]에서 855[A]로 SST-C2 고장시 SST-C1에서 발생하는 것으로 나타났다. 그리고 교행시차별 정류기 순시 최대전류값은표 13과 같으며 교행시차 60[s]에서 가장 큰 순시전류가 발생하였으며 그림 5에서 보듯이 2,761[A]이다.

표 13교차시행별 시뮬레이션 결과 Table 13 Simulation result of cross-performing in 120 seconds

그림 5교차시행 60[s] SST-C2 고장시 SST-C1의 전류 Fig. 5 Current of SST-C2 in the failure of SST-C2 in 60[s]

따라서 식 (4)와 식 (5)에 의하면, 1시간 최대전력은 641.25[kW] 이상으로 설계를 수행하여야 한다. 그리고 순시 최대 전력은 120[%]인 2,485[kW]의 3분 1이상이 되어야 정상적인 운영이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

 

4. 결 론

본 논문에서는 열차운행 다이아와 선로 임피던스를 고려하여 해외 철도 데이터를 토대로 오란트램 급전계통을 해석하였다. 선로임피던스에 적용에 따라 급전계통 집전전압의 결과가 달라지며 최적설계를 위해서는 선로 임피던스를 고려해야함을 확인하였다. 또한 운전시격에 변화에 따른 급전계통 시뮬레이션 결과값이 다르게 출력되므로 여러 가지 교차시행을 통하여 발생할 수 있는 최악 조건을 만족하는 설계가 이루어져야한다.

향후 철도 시스템의 최적설계 또는 설계 검증을 위하여 본 논문에서 제시하고 있는 해석 방법과 결과 분석 과정을 활용할 필요가 있다. 또한 차후 현재 사용하는 타 시뮬레이션 툴과 결과값을 비교하여 TOM 시뮬레이션의 신뢰성을 확보할 계획이다.