1. 서 론
고속철도 전차선로는 KTX (Korea Train eXpress)에 전원을 공급하는 전기철도 핵심설비로 국내의 경우 한국전력공사로부터 154 kV를 수전 받아 고속철도 전철변전소에서 25 kV로 전압을 변환하여 철도차량에 전원을 공급하고 있다[1]. 전기철도에서 전철변전소는 일정 간격으로 건설되어 철도차량에 전기를 공급하며 이때 변전소간 교류 전차선로 구간의 이상 (different phase) 전원을 구분하기 위하여 전철변전소 및 급전구분소의 급전 인출구 등의 개소에 절연구분장치 (Neutral section)를 설치하여 운용하고 있다[2]. 특히 절연구분장치는 전차선로를 전기적으로 분리하고 기계적으로 연결하여 팬터그래프 (Pantograph)가 통과하는데 문제가 없어야 한다[1, 2]. 또한, 직류 1,500 V가 공급되는 직류 (DC, direct current)구간과 교류 (AC, alternating current) 25 kV가 공급되는 교류구간도 전기적으로 구분되어야 한다. 교류 전차선로 구간에서 이상 (異相) 간의 전원을 구분하기 위한 절연구분장치 설치방식은 크게 이중절연방식과 절연체를 이용한 절연방식으로 나눌 수 있다.
이중절연방식은 절연체를 사용하지 않고 전차선만으로 구성되어 있는데 경부고속철도와 같은 고속구간에서 사용하고 있다. 국내의 경우 절연체를 이용한 방식의 경우는 수도권 및 호남선 등 기존선 구간에서 사용하고 있다[1, 3]. 전기철도구간의 절연구분 장치 설치위치에 대하여는 곡선반경 R=800 m이상, 선로구배 5 이하가 규정화[2] 되어 있으나, 광역철도구간에서의 정차역 간격, 일반철도 구간의 선로구배 등을 고려하여 선로 곡선반경, 선로 기울기, 신호기 위치, 급전조건, 차량의 성능 등을 고려하여 열차 타력운행이 가능한 위치 등을 운영기관과 협의하여 선정하게 되어있다. 전기철도 차량이 절연구간을 통과할 때 이상발생에 따라 국내의 경우 전기차량의 견인특성이 변화되어 이에 따른 다양한 분석이 요구되어지고 있다[4]. 본 논문에서는 고속철도 전차선로 절연구간에 전기철도 차량 통과 시 발생되는 모터블럭 차단현상에 대한 원인과 문제점을 분석하기 위하여 김천전철변전소 절연구간 KTX 운행시 변전소 및 전기차량에서의 전압, 전류, 주 파수 측정과 모터블럭 (motor block) 차단특성 및 절연구간 설치 위치와 KTX 운행 속도에 따른 이상발생 현상을 분석하여 전기 철도 차량의 견인특성과 속도에 따른 상관관계를 분석하였다. 본 논문에서 제안한 KTX 운행 중 모터블럭의 특성분석은 향후 절 연구간 위치선정과 철도차량의 안정적 전원공급을 위한 설계 및 운영기술에 사용될 것으로 기대된다.
2. KTX 모터블럭 동작특성
2.1 전차선로 절연구분장치
전차선로는 전기차량의 동력원인 전기를 공급하는 특수한 전기철도 설비이다. 전기설비로서 전기적인 특성상 서로 다른 전기와 접속할 경우 두 전기간에 서로 마주치지 않도록 절연을 시켜야 하는데 이 필수적인 설비를 일반적으로 절연구간이라 한다. 절연구간은 크게 나누어 교류/직류 절연구간과 서로 다른 위상(位相)을 가지고 있는 교류/교류 절연구간이 있다[1]. 그림 1에 전기철도 급전계통 및 절연구간을 나타내었다. 그림에서와 같이 절연구간은 교류의 경우 상간 구분을 위해 절연을 하며 교류와 직류간의 경계에도 전기적구분을 위해 사용되고 있다[5, 6].
그림 1전기철도 급전계통 및 절연구간[1] Fig. 1 Electric railway power supply systems and Neutral section
국내의 경우 경부고속철도 구간에는 전동차가 병행 운행하는 금천구청~광명역간에는 전동차 팬터그래프 간격을 고려하여 절연체 삽입방식인 FRP 22 M 절연구분장치를, 나머지 구간에는 이중절연방식의 절연구분장치를 설치하여 운용하고 있다[1].
표 1절연구분장치 설치현황[1, 3] Table 1 Status of Neutral section Installation
경부고속철도에 적용하여 사용하고 있는 그림 2와 같은 이중절연방식은 절연체를 사용하지 않고 전차선만으로 이상 전원 간 상호 접촉되지 않도록 무 가압 중성구간 (Neutral Section, 47m)을 삽입하고, 이 중성구간 양쪽에는 에어섹션 (Air-section)을 설치하여 구분장치를 구성하고 있어서 속도에 제한이 없다. 전기적으로는 순간적으로 단전되나 기계적으로는 연속적으로 습동 할 수 있도록 구성되어 있다[1, 3].
그림 2이중절연방식[1, 3] Fig. 2 Double over-lap neutral section system
이중절연방식은 절연체를 사용하고 있는 구분장치에 비해 기능상으로나 운용 보수여건으로 볼 때 시설의 Maintenance Free에 크게 기여할 수 있어서 고속화 구간에는 이 장치의 사용이 적합하다. 그러나, 절연구간을 포함하여 차량의 타행거리가 약 700 m 이상이 필요하기 때문에 기존선과 같은 경우에 평탄선로가 많지 않고 구배 및 곡선개소로 인하여 이 방식의 적용에는 한계가 있다[1, 3].
김천전철변전소 절연구분장치는 경부고속철도 2단계 개통당시 김천구미역이 신설됨에 따라 KTX 정차위치와 근접하여 기 설치된 절연구간에서는 전기차의 타력운행이 불가능하여 부산방면으로 약 1.5 ㎞를 이설하여 설치되었으며 김천변전소 절연구간 설치위치를 그림 3에 나타내었다[3, 4].
그림 3김천변전소 절연구간 설치위치[4] Fig. 3 Location of neutral section at Kim-cheon substation
2.2 절연구간 운행시 KTX 모터블럭 (motor block) 특성분석
KTX는 전차선로의 가선전압 AC 25 kV 전기를 팬터그래프에서 집전하여 주차단기 (MCB)를 거쳐 주변압기 (MTF)에서 전기를 강압하여 모터블럭에 전기를 공급한다. 모터블럭은 강압된 전압을 컨버터를 통해 직류 전압원으로 변환 후 다시 인버터를 통해 주 견인전동기가 견인 할 수 있도록 적절한 전원을 공급하여 견인전동기를 기동하여 차륜을 구동시키는 것으로 구성되어 있으며 KTX 차량 동력 전달 순서를 그림 4에 나타내었다[4, 7].
그림 4KTX차량 동력전달 계통[4] Fig. 4 Traction power transmission system of KTX train
KTX 동력차량 전기 공급회로 구성은 그림 5와 같다[4, 8].
그림 5KTX 동력차량 전기공급 회로[4, 8, 10] Fig. 5 Power supply circuit of KTX Power car
KTX차량은 속도제어를 단계별로 자동제어 하도록 되어있으며, KTX에 장착된 인버터는 두 가지 전환모드로 SCR 싸이리스터 제어를 시행하여 그림 6과 같이 운전모드를 강제전환 모드와 자연 전환 모드로 구분한다.
그림 6KTX 인버터 전환모드[4] Fig. 6 Inverter switching mode of KTX
1) 강제전환 모드 : ZONE 1, ZONE 2, ZONE 3 (인버터 제어카드 전원으로 SCR 싸이리스터를 turn on/off 제어) 2) 자연전환 모드 : ZONE 4 (견인전동기 역기전력으로 SCR 싸이리스터를 turn on/off 제어)
경부고속철도에서 발생하는 KTX 모터블럭 차단현상은 운행 중 과전류 또는 과전압, 주파수 오류, 전차선 이선 등 이례사항 발생 시 모터블록을 일시적으로 차단하는 일시차단 현상과 KTX 운행 중 모터블럭에 치명적 손상을 유발하는 장애발생시 또는 견인 중 일시적 차단이 2분내 2회 이상 발생 시 모터블록을 차단하는 완전차단 현상이 발생한다.
본 논문에서는 그림 7과 같이 약 4개월간 경부고속선에서 발생한 KTX 모터블럭 차단현상을 분석하였다. 분석 결과 완전차단은 3개월간 일일평균 0.98건이 발생하였으나 3개월 분석 후 0.67건으로 32%가 감소되었으며, 일시차단은 3개월간 일일평균 2.5건에서 4월 들어 8.8건으로 339% 증가하였다[3]. 모터블럭 차단원인 분석결과 완전차단 감소는 모터블럭 차단시 고장처리 기술력 향상으로 중복고장을 예방한 효과가 있었던 것으로 분석되며, 일시차단 증가는 천안아산~광명역구간 90 ㎞/h 속도제한으로 동 구간에서 발생한 일시차단이 급격히 증가한 것으로 분석되었다[4].
그림 7모터불럭 차단 발생분석[4] Fig. 7 Analysis of Motor block shutdown
3월 10일부터 31일까지 20일간 김천전철변전소 절연구간에서 발생한 모터블럭 차단현상은 총 10건으로 모두 김천구미역을 정차한 KTX (KTX-산천제외)가 절연구간을 타력으로 통과한 후 KTX 인버터 전환모드가 ZONE 3에서 ZONE 4로 변경되면서 발생하였다.
그림 8과 같이 김천전철변전소 절연구간 운행순간 KTX 모터블럭 동작상태를 분석해 보면 김천구미역에 정차한 KTX열차가 김천구미역 출발 후 운행속도 1 ㎞/h 지점에서 인버터 전환모드가 ZONE 1에서 ZONE 2로 전환되었고, 운행속도 30 ㎞/h 지점에서 ZONE 3로 변경되었으며, 이후 지속적으로 속도를 상승하며 진행하다가 절연구간 전방 타력운행 시작 전 119 ㎞/h 지점에서 ZONE 4로 전환되었으나 122 ㎞/h 속도에서 선로조건 15의 상구배 구간을 타력으로 운행하기 시작하면서 속도가 감소되어 114 ㎞/h 지점에서 다시 ZONE 3로 변경되면서 절연구간을 통과하였고, 절연구간 통과 후 운행속도 98 ㎞/h지점에서 역행운전을 시작하면서 119 ㎞/h 지점에서 인버터 전환모드가 다시 ZONE 3에서 ZONE 4로 변경되었다. 또한 이 지점에서 모터블럭 차단현상이 지속적으로 발생되는 것을 확인하였다[4].
그림 8김천SS 절연구간 통과시 KTX차량 동작상태 분석[4] Fig. 8 Operational status analysis when KTX train pass through neutral section of Gim-cheon substation
2.3 김천SS 및 KTX 차량의 전압, 전류, 고조파측정
김천구미역을 정차 한 KTX가 출발 후 약 2 ㎞ 떨어진 김천전철변전소 절연구간 통과 시 가선전압 및 부하전류의 변화와 고조파 발생여부 등 차량에 공급되는 전차선로 전력품질을 측정하기 위하여 김천전철변전소 급전 측 F1, F2, F3, F4 4개 Feeder에 전력분석기 (PNA-600)를 설치하여 급전측 전압, 전류를 측정하였고, 동 시간대 경부고속철도 서울~부산간을 운행하는 KTX 열차에 전력분석기 (DEWE-571)를 설치하여 가선전압 및 부하전류, 고조파 등을 측정하고 분석한다.
2.3.1 김천SS 최대 부하시 전압, 전류 측정결과
김천전철변전소 급전구간을 운행하는 KTX 최대 부하 시 전압, 전류 측정결과 표 2와 같이 가선전압의 최소값은 AC 23.97 ㎸로 급전전압의 기준 값 범위가 19～29 ㎸에 적합한 것으로 확인되었으며, 가선전류는 운행다이아에 따라 지속적으로 변동되어 약 9 초정도 500 A 이상 유지하였으나 최대 값은 521 A로 변전소 급전측 과전류 설정치 1,106 A의 약 47% 수준으로 적합한 것으로 확인 되었다. 그림 9는 최대 부하 시 김천전철변전소 전압 및 전류측정치를 그래프로 표현하였으며, 또한 최근 3년간 운용데이터를 기준으로 전철변전소의 부하율과 수용률을 분석한 결과 평균 20~30% 수준으로 설비용량은 열차운행에 큰 영향이 없는 것으로 분석되었다[4, 9].
표 2김천SS 전압, 전류 측정결과[4] Table 2 Voltage and current measurements result of Gimcheon substation
그림 9김천SS 최대 부하시 전압, 전류그래프[4] Fig. 9 Voltage and current graphs of Gim-cheon substation at the maximum load
2.3.2 KTX 차량에서의 전압, 전류 및 고조파 측정결과
경부고속철도 서울~부산간을 운행하는 KTX 차량에서 전력분석기 (DEWE-571)를 이용하여 김천전철변전소 통과시 최대전압, 실효전압 및 실효전류, 주파수 파형을 측정하였다. 시험당시 KTX 차량에서 모터블럭 차단현상이 발생하지 않아 정확한 분석은 어려우나 측정결과, 그림 10과 같이 기준 값 이내에서 정상적으로 측정되어 전차선로의 급전시스템은 차량의 모터블럭 차단 발생여부와 관계없이 정상적인 급전상태를 유지하고 있었음을 알 수 있었다.
그림 10김천SS 절연구간 통과시 KTX 차량의 전압, 전류그래프[4] Fig. 10 Voltage and current graphs of KTX train when train pass through the neutral section of Gimcheon substation
경부고속철도에서 운행하는 KTX 등 전기차량은 차량용 주변압기 및 컨버터, 인버터 등을 사용하여 단상교류를 직류 및 3상교류로 변환하는 다양한 전력변환장치를 사용하는 관계로 기본파 이외의 다양한 차수의 고조파를 발생하며, 이 고조파는 고조파를 발생시키는 기기의 효율을 감소시키는 것은 물론 계통에 연결되어 있는 다른 기기에도 영향을 미친다.
김천전철변전소 절연구간 통과 전 정상운전 상태에서 KTX 차량에서 발생하는 전압, 전류에 포함된 고조파 성분을 측정한 결과 그림 11과 같이 3차, 5차 고조파 등 홀수 고조파가 발생하고 있으나 0~30% 수준으로 모터블럭 등 전력기기에 영향을 줄 정도의 고조파는 발생하지 않았으며, KTX 차량의 모터블럭 차단현상이 발생하는 인버터 전환모드 ZONE 3에서 ZONE 4로 변환되는 시점의 고조파 측정결과 그림 12에서와 같이 0~35% 수준으로 정상적인 운전상태와 크게 다르지 않았다. 그러므로 KTX 차량이 김천전철변전소 절연구간 통과시 가선전압, 부하전류, 고조파 왜형율 등의 전력품질은 차량시스템에 영향을 주지 않는 것으로 분석되었다.
그림 11절연구간 진입 전 전력품질 분석결과[4] Fig. 11 Analysis of the power quality before entering the Neutral Section
그림 12절연구간 통과 후 ZONE 4 변환시 전력품질 분석결과[4] Fig. 12 Analysis of the power quality in the conversion to Zone 4 after passing through the Neutral Section
3. 결 론
본 논문에서는 김천전철변전소 절연구간 통과 시 KTX차량에서 발생되는 모터블럭 차단현상에 대하여 분석하였다.
KTX 차량의 모터블럭 차단현상은 경부고속철도 2단계구간 개통 시 신설된 김천구미역으로 인해 절연구간 변경 후 김천구미역을 정차한 후 최대한 가속하여 120~130 ㎞/h로 절연구간을 통과한 KTX편성 차량에서만 공통적으로 발생되었다.
KTX차량의 모터블럭 차단은 절연구간 통과 후 역행 시 119 ㎞/h 지점에서 인버터 전환모드가 ZONE 3에서 ZONE 4대역으로 전환되면서 집중적으로 발생하였고, 이러한 모터불럭 차단현상은 경부고속선 천안아산~광명역 등 일부구간 선로작업을 위한 90 ㎞/h 서행운전 구간에서도 간헐적으로 발생되는 것으로 분석되었다.
김천전철변전소 절연구간 통과시 발생되는 KTX 차량의 모터블럭 차단현상은 김천전철변전소 및 KTX차량에서 전력품질 측정 결과 전기차에 전기를 공급하는 전차선로의 전력품질이나 절연구간의 문제점은 아닌 것으로 판단되며, KTX 차량의 차량견인특성인 인버터 전환모드 ZONE 3에서 ZONE 4로 전환하는 과정에서 발생되는 것으로서 원전차단 예방을 위해서는 차량 기술력 확보로 정확한 원인분석을 통한 모터블럭 차단사례 해소가 필요하고, 또한 프랑스와 같이 ZONE 3 속도대역을 30~80 ㎞/h로 변경하는 것을 연구할 필요가 있다. 또한, 향후 KTX 운행구간에서는 절연구간 위치선정시 차량견인특성이 변경되는 115~120 ㎞/h 속도대역에의 설치를 지양할 필요가 있을 것으로 판단된다.