KR100358407B1 - 전철기용 텅레일부 융설장치 - Google Patents

Abstract

날씨 조건에 따라 자동으로 레일을 가열함으로써 철로상의 눈과 얼음을 제거할 수 있는 전철기용 텅레일부 융설장치가 개시되어 있다. 텅레일부 융설장치는 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치를 감지하기 위한 위치센서, 상기 텅 레일과 고정레일 사이에서 눈의 존재여부를 감지하기 위한 눈 감지센서, 선로의 온도를 감지하기 위한 온도센서, 전기장치에 의해 열을 발생하는 히터, 및 상기 위치센서에서 측정된 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치정보, 상기 눈 감지센서에서 측정된 텅레일과 고정레일 사이의 눈의 존재여부에 관한 정보, 및 온도센서에서 측정된 선로의 온도정보를 수신하여 히터의 열 발생 정도를 제어하는 제어부를 포함한다. 눈이 내리지 않는 경우에도 전철기(point)에 쌓인 눈을 제거할 수 있는 장점이 있으며, 텅레일이 고정레일에 인접하게 되는 경우, 상기 두 레일 사이에 눈이 없게 되면 레일을 가열하지 않음으로써 전철기 전열장치를 구동하기 위한 에너지 소모를 줄일 수 있다.

Description

전철기용 텅레일부 융설장치{Electric Heating Device for Switch Points}

본 발명은 철도선로 전환을 위한 분기기의 전철기(point)용 융설장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 히터와 온도 센서를 포함한 히팅장치를 구비하여 제설 및 제빙기능을 갖는 융설장치에 관한 것이다.

열차나 차량은 궤도를 이탈할 수 없는 상태에서 운행이 되므로, 한 궤도에서다른 궤도로 위치를 바꾸기 위하여는 자동차와 같이 차체의 전환기능을 이용하는 것이 아니라 열차나 차량의 운행방향을 결정하는 궤도 자체를 변경하게 된다. 따라서, 궤도와 궤도의 교차점에 궤도의 방향을 잡아주는 분기장치 또는 분기기가 필요하게 된다.

이러한 선로 분기기는 열차가 분기기를 통과할 때의 방향을 기준으로 대향(facing) 분기기와 배향(trailing) 분기기가 있으며, 배향분기기가 운전상의 안전도를 높일 수 있는 장점이 있다. 이러한 배향분기기로서 가장 보편적으로 사용되는 분기기가 궤도를 좌우로 분기하는 보통 분기기로서 가장 대표적인 것이 편개분기기이다. 현재 철도 정거장의 대부분이 이 보통분기기로 시설되어 있으며, 그 구성은 포인트(point:전철기), 크로싱(crossing) 및 리드(lead)의 3부분으로 되어 있다.

도 1은 상술한 종래의 분기기를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 분기기(90)는 철도 선로에서 차량을 이동시키기 위한 전철기(point,10), 상기 전철기에 의해 방향이 변경된 차륜을 곡선부분으로 유도하는 리이드부(20) 및 열차의 좌우 차륜이 완전히 분기하게 되는 크로싱부(30)를 포함한다.

상기 전철기(10)는 철도에서 차량이나 열차를 다른 선로로 이동시키기 위하여 두 선로가 만나는 곳에 장치한 기계장치로서, 선로의 분기점에 열차의 진로변경을 위해 좌우로 움직일 수 있는 첨단선로가 장착되고 상기 첨단선로를 상기 전철기에 의해 조정함으로써 열차의 운행궤도를 수정하게 된다. 운행되는 열차는 상기 전철기에 의해 방향을 바꾸어 상기 리이드부(20)를 통하여 궤도의 곡선부분으로 유도된 후 상기 크로싱부(30)를 거쳐 열차의 좌우 차륜이 완전히 분기함으로써 궤도를 안정하게 수정하게 된다.

이때, 상기 전철기(10)는 두 선로의 갈림점이기 때문에 열차나 차량이 안전하게 이동되기 위하여는 전철기의 성능이 완벽하고 구조가 견고하여야 한다. 상기 전철기(10)에 오류가 발생하는 경우 열차의 탈선 또는 전복의 위험을 가져올 수 있으므로 기능상태를 수시로 점검할 것이 강조되고 있다.

한편, 기온이 떨어지는 경우를 대비하여 상기 전철기에는 자체 히팅장치가 구비되어 있다. 간단한 경우에 있어서, 전철기 히팅장치는 히터로 전원을 공급하기 위한 제어장치와 절연 제어유닛을 포함한다.(예를 들면, Ye. V., Pirin V. I Removal of ice and snow from the pointwork by means of the stationary devices. M. ‘Transport’, 1973, 26쪽) 이때, 히팅회로의 절연정도가 떨어지고, 레일회로(rails circuit)에 누설전류가 발생하면 상기 절연제어유닛(ICU)은 히터를 끊는다.

상기 전철기 히터로의 전원공급을 제어하기 위한 종래의 전원공급 제어유닛은 수동으로 작동되는 컨택터 스타터(contactor stater)로 통상 알려져 있는 것으로서, 허용할 수 없을 정도로 전기에너지를 많이 소모함으로써 상기 히터를 그만큼 더 빠르게 파손시킨다. 이와 같은 종래 전원공급 제어유닛에 있어서의 문제점은 너무나 명백하여 히터작동을 자동으로 제어하기 위한 전혀 다른 시스템이나 장치로 대체되고 있다.

이중 가장 많이 알려져 있는 것이 프로그래밍 가능한 써모스위치(thermoswitch)인 TVP이다(참조 : Technical description and the operations manual, 36253-100-00 TO, Ministry of Railroad Transport, 1991) 상기 TVP는 선로의 온도를 감지하기 위한 온도센서 및 상기 온도센서와 연결되며 제어유닛을 통하여 히터를 작동(turning on)하기 위한 출력장치를 구비하고 있다.

이때, 상기 제어유닛은 그 자체에 부착된 프로그램 스위치 장치와의 자동조절 프로그램을 위한 기억장치, 트리거(trigger)의 분리된 입력부에 부착되어 레일의 고온과 저온을 프로그램된 값과 비교하기 위한 2개의 비교기 및 자체 오실레이터를 구비하여 레일의 냉각시간을 측정하기 위한 카운터를 포함한다.

냉각시간은 기후와 온도조건에 좌우되기 때문에, 서로 다른 온도와 시간 값을 갖는 수 개의 프로그램이 상기 메모리 장치 내에 주입된다. 상기 TVP 작동의 특정 프로그램은 특정조건에 따라 결정된다.

그러나, 상기한 TVP 장치는 다음과 같은 문제가 있다.

전철기용 전열장치의 사용을 추천하는 자료에 따르면(The report of the scientific and research work of the Novosibirsk Institute of the railroad transport. Ministry of Railroad Transport, 1990), 전열장치(electric heating device, EHD)로의 전원공급(온/오프)은 디스패처(dispatcher)에 의해 작동되는 것이 바람직하다고 한다. 이렇게 권고하는 이유는 상기 전열장치가 4가지 서로 다른 동작에 의해 기능하기 때문이다.

1) 트레인(train) 서비스 : 전열의 on/off

2) 레일(rail) 서비스 : EHD의 작동과 수선

3) 신호 및 통신 서비스 : ICU의 작동, 블록 콘택트

4) 전기화 및 에너지 서비스 : 케이블 작업이나 솔레노이드 스타터에 의한 에너지 변환 서비스

시스템을 실질적으로 관찰할 수 없게 만드는 것이 파손을 야기한다. 게다가, 실행해 보면 알 수 있듯이, 장치기능의 기초로서 형성된 선로의 온도정보(냉각시간)는 불충분하다. 그래서, 폭설이 내리는 경우 전철기의 텅레일이 한 위치에서 다른 위치로 움직이게 되면 텅레일과 고정레일 사이의 눈을 퍼서 눌러버리는 스크래퍼(scraper)로서 기능하게 되고, 녹지 않은 눈은 두꺼운 얼음으로 변하게 된다. 이에 따라, 날개는 작동을 멈추고 레일에 단단히 결합하게 되고 열차운행의 지장을 초래하게 된다.

종래 전철기에서의 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 날씨센서(강설센서)가 제공된다. 그러나, 강설 초기단계의 열량을 감지하는 날씨센서의 사용은 정상적인 전철기의 작동을 보장하지 않는다. 왜냐하면, 눈이 내리지 않는 경우에도 지나가는 열차에 의해 눈은 전철기(point)까지 쌓일 수 있다. 따라서, 전열장치를 가동시키는 원칙을 결정하려고 할 때, 다른 원칙이 이용되어져야 한다. 즉, 종래의 날씨 센서와 같은 방식을 이용하되 센싱하는 위치에 있어서는 일반적인 강설이 아니라, 텅레일과 고정레일 사이에서의 눈의 존재가 새로운 원칙이 되어야 한다.

한편, 전철기 운용에 적정한 조건에서 텅레일이 고정레일에 인접하게 되는 경우, 이 두 레일사이에는 더 이상 눈이 없게 되면, 결과적으로 레일을 가열하는에너지는 낭비된다. 개별적인 모든 철도 정거장에서 전철기를 가열하게 되면 전기 에너지의 총 소비량은 너무 높아서 전철기를 녹이기 위한 가스버너 시스템이나 압축공기 시스템과 같은 복잡하고 어색한 시스템의 정상적인 운전비용보다 몇 배나 더 초과한다. 따라서, 낮은 초기비용과 각 역에서의 조립의 편리함과 단순함 같은 전철기의 전열 시스템에 대한 분명한 장점들은 엄청난 전력비용에 의해 상실되어 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 강설센서의 디텍팅 대상을 달리하는 레일 온도센서를 구비하는 전철기용 융설장치를 제공하는 것이다.

도 1은 상술한 종래의 분기기를 개략적으로 나타내는 도면이다

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전철기용 텅레일부 융설장치의 개략적인 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 변환 케이스 2 : 마이크로 콘트롤러

3 : 발열체 4 : 선로온도 센서

5 : 눈 감지 센서 6 : 텅레일 위치 센서

7 : 모뎀 8 : 파워 케이블

9 : 휴대용 컨트롤러

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치를 감지하기 위한 위치센서, 상기 텅 레일과 고정레일 사이에서 눈의 존재여부를 감지하기 위한 눈 감지센서, 선로의 온도를 감지하기 위한 온도센서, 전기장치에 의해 열을 발생하는 히터, 및 상기 위치센서에서 측정된 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치정보, 상기 눈 감지센서에서 측정된 텅레일과 고정레일 사이의 눈의 존재여부에 관한 정보 및 온도센서에서 측정된 선로의 온도정보를 수신하여 히터의 열 발생 정도를 제어하는 제어부를 포함하는 전철기용 텅레일부 융설장치를 제공한다.

이때, 상기 제어장치는 상기 본 발명의 융설장치가 설치되는 디스패칭 전철기(dispatching point)를 구비하는 통신장비와 연결되고 프로그램 가능한 싱글칩 마이크로 콘트롤러를 포함한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선로 전철기용 텅레일부 융설장치의 개략적인 구성도이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

응용 기술적인 해결 전에, 문제점은 전열장치의 작동과정에서 소비되는 전기에너지의 양을 최대한 낮추는 것으로 설정되었다. 상기 설정된 문제점은 상기 제어유닛에 부착된 일군의 선로 온도 센서와 열전 히터(thermoelectric heater)를 구비하는 전철기 전열장치가 제안되는 방식으로 구성된다.

제안되는 장치에서 새로운 것은 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치를 측정하기 위한 위치센서와 상기 텅레일과 고정레일사이에서 눈의 존재를 인식할 수 있는 눈감지센서(인디케이터)가 상기 제어장치에 부착되어 있다는 것이다.

응용장치의 제어유닛은 프로그램 가능한 단일칩으로 구성되어 디스패칭 전철기(dispatching point)에 따른 통신장비와 연결된 마이크로 콘트롤러를 구비하고 있다. 상기 응용장치를 사용함으로써 작동에너지 소모량을 현저히 줄이고 서로 다른 기후와 날씨 조건에서 전철기 운전의 안정성을 증가할 수 있다. 응용장치의 구성을 살펴보면, 상기 응용장치는 적절한 전철기의 근처에 설치된 변환 케이스(1)의 형태로 설치된다. 상기 변환 케이스(1)의 바닥부에는 프로그램 가능한 단일칩의 마이크로 콘트롤러(2)를 갖는 제어유닛이 위치한다. 상기 마이크로 콘트롤러(2)에는 발열체(3, 모든 전철기에서 발열체의 온도가 거의 선로온도 4번까지 높다), 선로 온도 센서(4), 텅레일과 고정레일 사이의 눈(snow)을 감지할 수 있는 눈감지센서(센서, 5), 고정레일에 대한 텅레일의 상대위치를 측정할 수 있는 텅레일 위치 센서(6) 등이 선로위에서 조립되어 부착된다.상기 눈 감지센서(5)는 센싱업계에서 널리 알려진 리액턴스 방식으로 작동되는 센서로서 내부에 서로 대향하게 배치되는 한 쌍의 금속성 판으로 형성된 평행판 축전기와 상기 평행판 축전기를 요소로 하는 교류회로를 구비한다. 따라서, 외부와 연통된 상기 눈 감지센서(5)의 개구부를 통하여 상기 한 쌍의 금속성 판 사이에 눈이 존재하게 되면 유전율의 변화로 상기 축전기의 정전용량이 변화하게 되고 상기 교류회로에서 이에 따른 전류변화 값을 측정함으로써 눈의 존재여부를 검출한다.또한, 상기 텅레일 위치센서(6)는 전철기 액츄에이터에 구비된 일군의 컨택트(contact)를 이용하여 고정레일에 대한 텅레일의 접촉여부를 감지하여 텅레일의 위치를 판단한다. 상기 전철기 액츄에이터에는 상기 고정레일과 상기 텅레일이 접촉하는 경우 일정한 전기신호를 발생하는 구조를 갖는다. 좌측 고정레일과 텅레일이 가까워지게 되면, 우측 고정레일과 텅레일은 멀어지게 되고, 좌측 고정레일과 텅레일이 멀어지게 되면, 우측 고정레일과 텅레일은 가까워지게 되므로, 상기 전철기 액츄에이터에서 발생하는 전기신호는 우측 고정레일 또는 좌측 고정레일의 한쪽에서만 발생하게 되고, 이를 근거로 제어부에서는 텅레일과 근접하는 고정레일 쪽에 위치하는 히터에 대한 전력공급을 경감시키거나 중단시키게 된다. 따라서, 상기 위치센서에서 검출된 상기 텅레일의 위치정보에 따라 상기 제어부는 전력공급을 제어함으로써 히터에서의 열발생을 제어하게 된다.하나의 전철기에 탑재되는 상기 센서들(4, 5, 6)의 수는 전철기와 센서기 양자의 구성적 특징에 기반한 개별적인 상황에서 결정된다. 상기 콘트롤러(2)와 연결된 모뎀(7)은 디스페칭 전철기(dispatching point, 미도시)를 구비하는 제어유닛의 통신수단과 관련되며, 상기 전철기(point work)의 발열체(220V)를 가열하기 위하여 파워 케이블(8)로 향하는 출력을 갖는다. 즉, 디스페칭 전철기와 제어유닛 사이의 정보교환을 위한 별도의 통신채널은 필요하지 않게 된다. 이는, 상기 콘트롤러(2)를 다점 급단절 소켓(quick disconnect multipoint socket)을 통하여 국부 제어부의 휴대용 콘솔(9)과 연결함으로써 구현할 수 있다.

상기 응용장치에서 사용된 프로그램 가능한 단일 칩 마이크로 콘트롤러는 종래 장치의 다중요소 회로를 대체하며 PIC 16/17 계열의 마이크로 컨트롤러를 구비하여 에너지 소모는 최소화 할 수 있으며, 예외적인 동작(exceptive performance) 및 강력한 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 아키텍쳐를 구현한다. 또한, 저비용으로 최소의 캐비넷 사이즈를 형성할 수 있다. 이러한 마이크로 콘트롤러의 추천 응용분야는 인공지능 센서(intellectual sensors), 엔진의 전자제어회로, 생산 공정(production works) 등이다.(참조, ‘Electronic components, Single-Chip micro-controllers’, MICROCHIP PIC 16c8x. Riga, ORMICX, 1997)

상기 응용장치는 상기 컨트롤러(2)에 의해 상기 센서들(4, 5, 6)의 신호를 수신하여 상기 콘트롤러(2)에 내장된 프로그램을 따라 그룹 3의 발열체를 제어함으로써 작동된다. 따라서, 특정 시점에서 전철기의 작업량에 영향을 미치지 않는 발열체에 대한 전원공급을 차단할 수 있을 뿐 아니라, 모든 발열체가 작동하지 않는 경우에는 잔여 발열체로 전원을 공급함으로써 전철기의 작업량은 동일하게 유지하면서 전력소모는 최소화 할 수 있다.

비록 이 장치가 자동모드의 전철기용으로 제공될지라도, 그것의 작동은 중앙제어부의 디스페처 전철기(dispatcher point)(PCC)로부터 수정될 수 있다. 로컬 제어용 전철기(PLC, 9)는 정보의 입출력 장치로서 키보드와 모니터를 가지며, 상기 PCC를 부분적으로 대체할 수 있다. 상기 PLC를 이용하여 상기 콘트롤러(2)를 직접적으로 즉시 제어할 수 있고, 구동 알고리즘을 변경할 수 있으며, 구동불량을 추적할 수 있다.

1999∼2000년 기간동안 anisovskaya of Privolzhskaya 철도사의 대체기술 트랙 유지보수 부서의 수행 프로그램에서, 상기 응용장치를 포함하는 전열시스템에 대한 평가가 실시되었다. 평가결과에 의하면, 대체적으로 상기 응용장치의 효율이 높은 것으로 나타났으며 특히 구동전력이 현격히 절약되었다. 이에 따라, 2000 - 2001년에 걸쳐, 상기 응용장치는 대량으로 공정수행에 이용될 계획이다.

본 발명에 의하면, 텅레일과 고정레일 사이에서의 눈의 존재를 감지할 수 있는 눈감지 센서 외에 레일온도를 감지하는 센서에 의해, 눈(snow)이 내리지 않는 경우에도 전철기(point)에 쌓인 눈을 제거할 수 있는 장점이 있으며, 텅레일이 고정레일에 인접하게 되는 경우, 상기 두 레일 사이에 눈이 없게 되면, 레일을 가열하지 않음으로써 전철기 전열장치를 구동하기 위한 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. a) 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치를 감지하기 위한 위치센서;

   b) 상기 텅 레일과 고정레일 사이에서 눈의 존재여부를 감지하기 위한 눈 감지센서;

   c) 선로의 온도를 감지하기 위한 온도센서;

   d) 전기장치에 의해 열을 발생하는 히터; 및

   e) 상기 위치센서에서 측정된 고정레일에 대한 전철기 텅레일의 위치정보, 상기 눈 감지센서에서 측정된 텅레일과 고정레일 사이의 눈의 존재여부에 관한 정보, 및 온도센서에서 측정된 선로의 온도정보를 수신하여 히터의 열 발생 정도를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전철기용 텅레일부 융설장치.
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