본 논문에서는 고속철도 전차선로 드롭퍼 와이어의 파단현상에 대해 분석을 통하여 철도운행의 안정성 향상을 위한 기초연구를 수행하였다. 300km/h로 주행하는 KTX의 판토그래프와 전차선이 직접 접촉하면서 발생되는 기계적 피로도의 누적으로 인한 증가로 경부고속선 전차선로 시스템의 장애사고 예방을 목적으로 하고 있다. 추후, 고속철도 전차선로 드롭퍼 수명한계 측정으로 유지보수관리 체계 효율화와 분석된 파단원인을 바탕으로 드롭퍼 구조개선 방안을 마련하여 합리적 개량방안 수립을 하고자 한다.
본 논문은 경부 고속선과 같이 사전이도가 주어지는 기설 전차선로에서 전차선 장력만을 증가시켜 임시적인 속도 향상 도모하는 경우에 팬터그래프와 습동하는 전차선의 접촉 평면상의 기하학적 형상의 변화가 어떻게 될 것인가를 검토한 것이다. 검토를 위하여 우선 사전이도가 있는 경우에도 정확히 드로퍼 길이를 계산해 낼 수 있는 드로퍼 길이 계산 수식에 대하여 알아보았다. 다음으로 드로퍼 길이 계산 수식을 프로그램화한 전용계산 프로그램을 이용하여 경부고속선 전차선로의 49.5m 경간을 대상으로 전차선 장력을 20kN에서 23kN 및 25kN으로 증가시켰을 때 사전이도량의 변화를 계산하여보았다. 그리고 경부 2단계 구간 현장에서 실제 장력 증가 실험을 실시하여 사전이도량의 변화를 측정하였다. 측정 결과는 계산 값과 비교 검토를 수행하였으며, 결론적으로 전차선 장력을 증가시켜도 기하학적 형상의 변화는 미미하며 집전 성능에 별 영향이 없을 것임을 확인하였다.
전차선은 철도 전기차량에 전기를 안정적으로 공급하기 위한 시설물로서, 차량이나 외부요인에 의한 전차선의 변형 및 파손을 검지하여 전기철도 시설물 규정에 따라 최적의 상태로 유지해야 할 필요성이 있다. 본 논문에서는 전차선 마킹을 위한 라인레이저와 고속카메라 간에 기하학적 구성을 이용하여 3차선 거리측정방식으로 전차선 높이와 편위를 측정하기 위한 시스템 개발에 관하여 기술하였다. 전차선 거리 측정방법은 이미지 상에 마킹된 전차선 프로파일의 픽셀위치를 삼각함수 기법을 적용하여 카메라와의 전차선간에 각도를 계산하였으며, 카메라는 랜즈 왜곡 및 심도, 원금감 등에 따라 측정대상에 대한 픽셀 해상도가 다르므로 전차선 위치변화에 따른 픽셀당 각도 분해능을 적용하였다. 또한 전차선은 조가선과 급전선등과 같은 다른 전기배선보다 가장 아래에 설비되어 있는 특징을 이용하여 FPGA 상에서 전차선에 마킹된 레이저 프로파일 데이터를 고속으로 추출하여 처리하였다. 개발시스템은 전차선 시설물 평가기준에 따라 전차선 높이, 편위 측정데이터를 실시간 분석하여 이상구간에 대한 실시간 자동화 진단기능을 수행토록 하였다.
팬터그래프와 전차선 사이의 이선을 유발하는 주요 요인은 팬터그래프로 인하여 전차선에 야기되는 파동의 전파와 반사 그리고 열차 진행방향의 전차선로 강성변화이다. 본 논문의 목적은 200km/h급 일반철도와 300km/h급 고속철도에서 이선을 효과적으로 줄이기 위하여 앞서 언급하였던 두 가지 요인 중에서 어느 쪽을 중요하게 고려해야 하는지를 분석하는 것이다. 고속철도 경우에는 파동의 전파와 반사가 강성 변화에 비하여 집전성능에 영향을 더 크게 미친다. 증속을 위해서는 드로퍼 경량화와 전차선 고 장력 부여를 위한 고 강도 전차선 개발이 필요하다. 파동전파속도를 향상하기 위하여 조가선의 장력을 증가시키면 오히려 집전성능을 악화할 수 있음에 유의해야 한다. 200km/h급 일반철도의 경우에는 전차선로 강성 변화가 파동 전파 및 반사에 비하여 집전성능에 영향을 더 미치므로 강성변화를 완화시키기 위하여 경간길이 축소, 전차선로의 장력 증가 및 드로퍼배치 최적화가 필요하다.
전기철도에 있어서 열차의 운행속도향상은 지속적으로 추구해야할 당면한 과제이며, 이를 위해서는 철도시스템 전반에 걸친 검토가 이루어져야 한다. 열차의 고속화는 차량기술 뿐만 아니라, 선로 구축물, 신호시스템, 운영기술, 전차선로, 급전시스템 등이 상호 연계되어 종합적으로 경제성을 고려하여 추진되어야 한다. 특히, 전기철도 급전계통의 경우만 보더라도 고속열차가 기존운영선로에 투입될 경우 차량의 집전성능향상, 전압강하대책, 설비용량대책, 궤도노반, 분기기, 신호의 고속화, 전차선로 구조물 검토 등 여러 가지 기술검토가 반드시 수반되어야 한다. 본 논문에서는 이 가운데 AT급전계통에서의 신규의 고속화 열차 투입에 따른 급전계통의 기술검토에 대한 접근방안을 제시하고 실 계통을 대상으로 부하용량 변화의 정도를 예측함으로써, 향후 국내 노선의 전반에 걸쳐 적용 가능함을 입증할 수 있었다.
972년 태백선을 시작으로 우리나라에 전기철도가 도입된 이래 수도권에 전기철도가 건설되어 운행되어왔고 최근에는 수도권 광역 전철망, 충북선 전철화, 경부선 전구간의 전철화 등 기존철도의 전철화 사업이 지속적으로 추진되고 있다 한편으로 경부고속철도의 건설과 함께 기존철도의 운행속도 향상, 시스템 보호 및 유지 보수의 현대화 등이 과제로 등장하였고 이를 해결하기 위하여 최신 전차선로 설비의 도입 등과 함께 전철 시스템의 전반적 기술검토의 필요성이 제기되었다.(중략)
지금까지의 전차선 검측 시스템은 검측차량을 이용하여 검사구간을 주행 한 후 결과를 산출하였다. 이것은 아열대기후로의 변화에 인한 자연 환경의 급변과 450Km/h급 고속철도 차량의 등장으로 변화가 요구된다. 이에 고속 주행환경과 노반정보를 반영하는 융합 가변형 전차선 검측시스템의 구조를 연구하였다. 기존의 시스템은 전차선에 한정하여 마모의 정도를 판단하였다. 이에 비해 본 논문에서는 검지를 위하여 참조하는 정보를 검측대상의 영상정보에 추가하여 음향정보를 융합하였고, 지형정보에 따라 검지빈도와 정밀도를 가변적으로 적용함으로써 시설물 검측에 대한 기본적인 모델을 제안하였다.
팬터그래프(Pantograph)와 전차선간의 동적 상호작용인 접촉력(contact force)은 차량에 대한 안정적 전원공급 특성인 집전성능을 평가하는 중요한 지표이다. 본 연구에서는 동력분산형 고속열차 시험차량인 HEMU-430X(High-speed Electric Multiple Unit - 430km/h eXperiment) 차량의 팬터그래프 동적 접촉력 특성을 전차선 장력에 따라 분석하였고, 이를 팬터그래프-전차선 동적 상호작용 모델을 이용한 해석결과와 비교하였다. 시험결과와 해석결과를 비교한 결과, 주요 동적접촉력 특성인 평균접촉력 및 접촉력 표준편차가 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다. 또한 해석모델을 이용하여 전차선 장력과 접촉력과의 상관관계를 차량 운행속도에 따라 제시하였으며, 이를 이용하여 각 운영속도별 최적 전차선 장력을 제시하였고 이를 국제규격과 비교하였다. 그 결과 해석을 통해 도출된 결과와 국제 규격에서 권장하는 전차선 장력이 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
본 논문은 고속선에서 전차선 귀선전류를 측정하여 UM71-C 궤도회로의 유지보수를 향상하고자한다. KTX 36호에 구축된 차상 검측시스템 중 귀선전류 검측시스템에서 레일 좌/우에 흐르는 전차선 귀선전류 및 레일 간의 귀선전류 차를 검측하여 불평형 상태를 비교 및 분석하였다. 이러한 결과는 궤도회로 설비들에 대한 구성요소의 기능저하를 사전 예측하여 열차의 안전운행을 확보하기 위한 자료로 활용하고, 또한 검측시스템에서 얻어진 데이터들과 비를 통해 향후 유지보수에 활용 가능한 지침 및 분석기준을 마련하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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