Analysis of Return Current Effect for Track Circuit on Ho-Nam high Speed Line

Depending on the operating characteristics, track circuit is installed for the purpose of direct or indirect control of the signal device, point switch machine and other security device. These are mainly used for train detection, transmission of information, broken rail detection and transmission of return current. Especially, the return current is related to signal system, power system and catenary line, and track circuit systems. It is one of the most important component shall be dealt for the safety of track side staff and for the protection of railway-related electrical system according to electrification. Therefore, an accurate analysis of the return current is needed to prevent the return current unbalance and the system induced disorder and failure due to an over current condition. Also, if the malfunction occurred by the return current harmonics, it can cause problems including train operation interruption. In this paper, we presented measurement and analysis method at return current and it's harmonics by high speed train operation on the honam high speed line. ※ 본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업으로 수행되었습니다. ° First and Corresponding Author : Korea Railroad Research Institute, Train Control & Communication Research Team, jhbaek@krri.re.kr, 정회원 논문번호:KICS2017-03-074, Received March 14, 2017; Revised April 28, 2017; Accepted April 28, 2017 논문 / 고속열차 운행에 따른 호남고속철도 궤도회로 귀선전류 영향 분석 1111 그림 1. 귀선전류 및 귀선전류 고조파 측정 시험 구성도 Fig. 1. Test block diagram of return current and harmonic frequency 그림 2. 귀선전류 및 귀선전류 고조파 측정 사진 Fig. 2. Measured photo of return current and harmonic frequency I. 서 론 국내 철도 노선은 거의 전철화가 되어 있으며, 이러 한 전철화 구간을 통과 시 전차선을 통해 공급된 전류 를 차량에서 소모한 후 변전소로 귀환하는 전류를 귀 선 전류라고 한다. 전기철도 차량에 의해 발생되는 귀 선전류는 유지보수자의 안전과 전력계통 및 신호시스 템의 보호를 위해 적정하게 관리되어야 한다. 또한 전 철화 노선의 궤도회로 구성품 중 임피던스 본드의 용 량, 변전소, 급전 구분소 등 철도 전력 계통 시스템들 의 위치 설정과 밀접한 관련을 가지는 것이 귀선전류 이다. 국내 일반 및 고속 철도 노선은 대부분 AF 무절 연 궤도회로가 설치되어 있기 때문에 귀선전류의 불 평형 및 과전류상태가 발생하면 시스템 유도장애나 고장 등이 발생할 우려가 있다. 열차 내부의 전력변환 장치로 인한 부하전류에는 고조파가 내재되고 이러한 고조파로 인해 열차는 물론 변전소 및 신호시스템의 궤도회로 데이터 전송에 영향을 줄 수 있다 . 귀선 전류 고조파 영향에 의해 궤도회로로부터 데이터를 전송받지 못해 열차제어시스템이 오동작을 일으키는 경우, 열차운행의 중단 등과 같은 문제를 발생시킬 수 있다. 기존의 논문들을 살펴보면 귀선전류의 접지유형 및 크기, 고조파 분석에 대한 연구 내용과 결과가 주 를 이루고 있다 . 특히 철도안전법과 관련된 시설물검증시험의 하나 로서 신규 노선 및 개량 노선에서 궤도회로에 대한 귀 선전류가 적합한지 여부를 확인하는 시험을 시행하여 합격하여야 한다. 본 논문에서는 호남고속철도 개통 전 시설물성능검증시험의 일환으로 시행된 귀선전류 및 귀선전류 고조파 시험을 바탕으로 측정 방법 및 기 준을 제시하고, 이에 따른 시험 결과를 토대로 영향 분석을 하였다. II. 호남고속철도 귀선전류 및 귀선전류 고조파 측정방법 및 기준 호남고속철도 노선 중 귀선전류가 최대치를 나타낼 것으로 예상되는 변전소 및 전력구분소 부근 중 측정 이 용이한 노령 변전소 인근 임피던스 본드 각 2개소 에서 KTX 열차를 대상으로 귀선전류 및 귀선전류 고 조파를 측정하였다. 열차운행모드는 시험개소 각각 차 량 정상상태 및 비정상상태(추진장치 1계 차단)에 대 하여 열차운행속도 170km/h 2회, 270km/h 2회, 비정 상상태에 대하여 170km/h 1회, 270km/h 1회 시험하 였다. 귀선전류 및 귀선전류 고조파 시험은 측정개소 인근에 위치한 임피던스 본드에 그림 1 및 그림 2와 같이 계측시스템을 구성하여 계측용 데이터 수집 프 로그램이 설치된 노트북 컴퓨터에 연결하였다. 또한 좌우측 레일에 흐르는 귀선전류의 불평형을 동시에 측정하기 위하여 임피던스 본드와 레일 사이의 좌/우 측을 구분하여 측정하였다. 특히 귀선전류가 최대치를 나타낼 것으로 예상되는 변전소 및 전력구분소의 임 피던스 본드 귀선케이블에서 귀선전류 및 귀선전류 고조파 측정을 수행하여 궤도회로장치에 대한 귀선전 류의 한계치를 초과하는지 여부와 고조파 간섭 및 영 향 여부를 확인하였다. 귀선전류의 시험항목 및 기준은 귀선전류의 측정치 가 430A 이하여야 하며 임피던스본드 귀선 케이블에 서 측정된 좌/우측의 귀선전류의 경우 국내에는 규정 이 없기 때문에 프랑스 SNCF의 좌/우측의 귀선전류 차이가 총 귀선전류의 10% 이상일 경우 불평형을 해 소하기 위해 유지보수를 시행하는 규정을 참고하여 불평형이 총 귀선전류의 10% 이상일 경우에는 좌/우 측의 불평형을 기록하였다. 귀선전류 고조파 시험의 경우, 사용되고 있는 궤도 회로 기준 주파수(2040Hz, 2400Hz, 2760Hz, The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '17-05 Vol.42 No.05 1112 Track circuit frequency 2040Hz 2400Hz 2760Hz 3120Hz Harmonic frequency of central band(F0) 228mA 192mA 156mA 121mA Harmonic frequency of side band(F0±25Hz) 80mA 60mA 52mA 45mA 표 1. 궤도회로 주파수별 고조파 제한치 Table. 1. Harmonic limits of track circuit frequency Item Criteria Measured value Result T1 T2 First (Normal) Maximum 333.5A 108.8A Accept Imbalance 0.04% (0.13A) 0.44% (0.48A) Accept Second (Normal) Maximum 334.9A 121.3A Accept Imbalance 0.06% (0.2A) 0.49% (0.59A) Accept Third (Abnormal) Maximum 257.3A 86.3A Accept Imbalance 0.05% (0.12A) 0.42% (0.36A) Accept 표 2. 170km/h 주행 시 귀선전류 측정 결과 Table. 2. Return current measured value in 170km/h operation 그림 3. 귀선전류 1회 측정결과 Fig. 3. The first return current measured value 그림 4. 귀선전류 2회 측정결과 Fig. 4. The second return current measured value 그림 5. 귀선전류 3회 측정결과 Fig. 5. The third return current measured value 3120Hz)별로 중심주파수와 측면주파수(F0±25Hz)에 서 측정된 고조파가 표 1의 궤도회로 주파수별 고조 파 제한치를 중심주파수와 양 측면주파수 세 곳에서 동시에 1초 이상 지속적으로 초과하지 않아야 한다. III. 귀선전류와 귀선전류 고조파 측정결과 및 분석