A Study on the Development of Harmonic Limit Device for Stabilizing Main Circuit Equipment of Train

열차운행 안정화를 위한 주회로 기기의 고조파 제한장치 개발에 관한 연구

This paper proposes the application of harmonic constraints to address the problems caused by abnormal voltage increases when electric railway vehicles are running. The AC line that supplies the train with power during operation is used to provide electricity of 25kV/60 Hz, but gradually the size and frequency of harmonics involved in the line are varied with the technological evolution of the railroad vehicle electrical equipment. An increase in heat losses due to the failure of the instrument transformer (PT), the main circuit device, which is a serious problem with the recent train safety operation, or to the main displacement voltage. When high frequency components are introduced through low frequency Transformers of the main circuit device, the high intensity of the components is caused by the high intensity of the core and the current flow of the parasitic core is increased, thus generating heat. To solve this problem, the recent adjustment of the sequence has applied artificial NOTCH OFF of the power converter. However, the method of receiving and controlling the OFF signal operates by interaction between the ground and the vehicle's devices, thus it is invalid in the event of failure, and an actual accident is occurring. Therefore, the harmonic currents were required to prevent possible flow of harmonics, and conducted a study to prevent accidental occurrence of train accidents and to verify feasibility of the device through the simulations of the train's experimental analysis and the simulations of the train for safe operation.

본 논문에서는 전기철도차량이 운행할 때 이상 전압상승에 의한 문제점을 해결할 수 있는 고조파 제한장치의 적용을 제안한다. 운행 중 열차에 전력을 공급하는 교류가선은 25kV/60Hz의 전기를 공급하기 위하여 사용되지만 철도차량 전기장치의 기술발전에 따라 점차 가선에 포함되는 고조파의 크기 및 주파수의 변형이 다양해지고 있다. 최근 열차안전운행에 심각한 문제가 되고 있는 주회로 기기인계기용변압기(Potential Transformer, PT)의 파손이나 주변압기 등의 열손증가는 가선 전원의 고조파로 인한 순간적인 무효전류의 증가로 생기는 현상이다. 주회로 기기의 저주파형 트랜스포머로 고주파수 성분이 유입되면 트랜스 코어의 히스테리시스에 의한 철손 증가 및 기생 커패시턴스에 흐르는 전류가 증가하므로 발열이 발생하게 된다. 이러한 문제 해결을 위해 최근 시퀀스의 조정으로 전력변환 장치의 인위적인 NOTCH OFF가 적용되었다. 그러나, OFF 신호를 받아 제어하는 방식은 지상과 차상 장치의 상호작용으로 동작하므로 불량 발생 시 무효화 되며, 실제 사고가 발생되고 있다. 따라서, 근본적인 문제해결을 위한 방법으로 고조파 전류가 가급적 변압기에 유입되지 않도록 하는 것이 필요하며, 고조파 전류의 유입으로 인해 빈번하게 발생되고 있는 열차사고를 방지하고 안전한 운행을 위해 열차의 실험 분석과 고조파 제한장치의 시뮬레이션을 통한 장치의 타당성 검증을 위한 연구를 수행하였다.