KR100821702B1 - 전차선로의 임피던스 측정장치 및 이를 이용한 고장점표정방법 - Google Patents

전차선로의 임피던스 측정장치 및 이를 이용한 고장점표정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트롤리선에 접속하는 집전기와 레일을 통한 접지부를 구비하고, 레일 상을 이동할 수 있는 철차에 탑재되는 전차선로 임피던스 측정장치로서, 과전류 계전기에 의하여 단속되는 입력단 스위치; 상기 입력단 스위치 및 상기 접지부 사이의 선로 상에 상기 과전류 계전기를 경유하여 연결되고 전압, 전류 및 역률을 측정할 수 있는 전력분석부; 및 상기 전력분석부 후단과 상기 접지부 사이에 직렬 연결되는 전류제한기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따르면 동작 중인 실제의 고장전류를 조절하여 전차선로의 임피던스 측정이 가능하도록 하는 효과가 있다.
전차선로, 임피던스 측정, 고장점 표정

Description

전차선로의 임피던스 측정장치 및 이를 이용한 고장점 표정방법{Trolley line impedance detector and Method for locating fault distance using the same}
도 1은 철도 차량의 전체적인 전기배선계통을 도시하고 있다.
도 2는 전차선로의 거리에 따른 임피던스 형태를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전차선로 임피던스 측정장치의 일실시예를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전차선로 임피던스 측정장치의 등가회로를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전차선로 임피던스 측정장치의 다른 실시예를 도시하고 있다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 전차선로 임피던스 측정장치 110 : 전류제한기
T : 트롤리선 R : 레일
F : 급전선 PW : 보호선
CPW : 보호선연결선 P1, Pm : 전력분석부
Rm : 등가저항 Xm : 리액턴스
CB : 입력단 스위치 PT : 전압변성기
OCR : 과전류 계전기
본 발명은 전차선로의 임피던스 측정분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력을 공급하는 배전계통에 지락고장 발생시 고장지점의 검출 및 보호계전기의 고장시에 전력흐름의 변화상태 등의 확인 분석을 위하여 전력계통에 충격없이 실제계통에서 전차선로의 선로정수 실측 및 고장상태의 분석을 가능하게 하는 전차선로 임피던스 측정장치 및 이를 이용한 고장점 표정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전력계통은 항상 가압되어 외부환경에 노출되어 온도, 습도, 바람 등의 변화는 물론 이물질의 접촉, 외부 충격 등에 따라 고장이 발생될 가능성이 상존한다. 특히, 전기철도에 대한 전력계통은 항시적으로 급격한 부하 변화를 겪게 됨에 따라 전력설비가 계속적으로 스트레스를 받게 되므로 일반 전력설비보다 가혹한 조건으로 운전되고 있다.
따라서, 고장발생을 근본적으로 없애는 것은 불가능하지만, 고장 발생시에 그 장애 범위를 최소한으로 국한시키면서 신속하게 고장점을 검출하고 복구하여 신속하게 고장을 제거할 필요가 있다.
그러므로, 변전소에 설치된 거리계전기 또는 고장점 표정장치에 의해 정확한 고장점의 연산이 필요하며, 이를 위하여는 변전소 또는 급전소(SP)에 설치된 거리 계전기 또는 고장점 표정장치에 의하여 기준점부터 고장점까지의 임피던스(R+jX)를 연산하여 단위 거리당 임피던스 값으로 나누어서 고장점까지의 거리를 연산하게 되므로 정확한 고장점을 검출하거나 보호계전기의 정확한 동작을 위하여 정확한 임피던스 값의 확보가 필수적이다.
그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전차선로의 임피던스는 일반 급전선(F)이 거리에 직선적으로 비례하여 증가하는 것(T-F 단락 임피던스)과는 달리, 급전선(F) 중간 중간에 보호선연결선(CPW)(측정점③) 또는 단권변압기(AT)(측정점⑤) 등이 설치되어 있어 직선적으로 비례하여 증가하지 않고 CPW 및 AT 설치점 사이에 산 모양을 띠는 곡선을 그리며 증가(T-R 단락 임피던스)하게 된다. 또한, 급전선(F), 트롤리선(T), 레일(R), 보호선(PW)의 설치방법 및 설치위치에 따라 임피던스 값이 달라져 정확한 연산이 곤란하므로, 거리에 따른 정확한 선로정수 데이터를 얻기 위하여 실측에 의존하는 것이 불가피한 실정이다.
선로정수에는 직렬 임피던스 Z(저항, 인덕턴스), 병렬 어드미턴스 Y(정전용량, 누설 컨덕턴스) 등을 들 수 있으며, 이 중 선로 임피던스(Z)는 전력계통에 직렬 작용하므로 고장전류, 전압강하, 고장점 표정, 보호계전기 정정과 관련된다.
종래에는 선로정수를 측정하기 위하여 동일 주파수의 저압 소전류를 인가하 여 실제로 계통을 단락시키는 방식이 사용되었다. 그러나, 이러한 방법은 전동차량의 운행을 중단하고 시험을 위하여 전압을 낮추어야 하는 단점이 있었다. 또한, 이는 실계통에서 지락고장을 모의하는 것이므로 큰 고장 전류에 의하여 변압기, 변류기(CT) 등 전력설비에 심한 충격을 주게 됨으로써 수명이 단축되고 전력설비 파손의 원인이 되어 왔다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지락고장 전류를 효과적으로 조정하여 전차선로 전구간의 임피던스를 안전하게 측정 검출함은 물론, 고전압을 차단하거나 철도나 전동차의 운행을 중지하지 않고도 전력설비에 충격을 가하는 일 없이 용이하게 선로의 임피던스를 정확히 측정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 구현하기 위하여 본 발명은 트롤리선에 접속하는 집전기와 레일을 통한 접지부를 구비하고, 레일 상을 이동할 수 있는 철차에 탑재되는 전차선로 임피던스 측정장치로서, 상기 집전기와 상기 접지부 사이에 연결되고 전압, 전류 및 역률을 측정할 수 있는 전력분석부; 및 상기 전력분석부 후단과 상기 접지부 사이에 직렬 연결되는 전류제한기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명에 따른 전차선로 임피던스 측정장치는 과전류 계전기에 의하여 단속되는 입력단 스위치를 더 포함하고, 상기 전력분석부는 상기 입력단 스위치 및 상기 접지부 사이의 선로 상에 상기 과전류 계전기를 경유하여 연결되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 전류제한기는 등가저항을 갖는 인덕터로 구성된다.
또한, 상기 인덕터는 다수의 탭을 구비하여 가변 인덕턴스를 제공할 수 있다.
이에 더하여, 상기 전류제한기는 모터부하회로에 연결된 코일에 의하여 변압기가 결합된 등가저항을 갖는 인덕터인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 전차선로 임피던스 측정장치를 이용하여 고장점을 표정하는 방법에 있어서, (a) 상기 전차선로 임피던스 측정장치를 시험지점에 위치시키는 단계; (b) 전차선로의 전력공급단으로부터 전압(V1), 전류(I1), 역율(cosΦ1)을 측정하는 단계; (c) 상기 (b)단계와 동기시켜 장치의 전력분석부(Pm)에 의해 전압(Vm), 전류(Im), 역율(cosΦm)을 측정하는 단계; (d) 상기 시험위치에서 전차선로 임피던스(Z1)를 하기의 관계식으로부터 결정하는 단계;를 포함한다.
Figure 112006068216205-pat00001
여기서,
Figure 112006068216205-pat00002
Figure 112006068216205-pat00003
이에 더하여, 시험대상 선로 구간 상에 시험점을 복수개 선정하여 상기 (a)단계 내지 (d)단계를 반복하여 수행하는 단계; 및 상기 대상 선로 구간에서 거리에 따른 선로 임피던스의 함수로 작성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 고장발생시 상기 전력공급단에서 선로 임피던스를 측정하고 상기 함수에서 대응되는 거리를 읽음으로써 고장지점을 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아래에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제공한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공하는 것이고, 본 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 철도 차량의 전체적인 전기배선계통을 나타낸다. 좌측은 전력공급단인 공급 변전소를 표시하고 우측은 전차선로를 나타내며, 위로부터 트롤리선(T), 레일(R), 급전선(F) 및 보호선(PW)을 도시하였다. 통상 급전전압은 5만 볼트가 인가되며 전차선 인가전압으로는 2만 5천 볼트가 사용된다. 도 1에 보인 바와 같이 전기차량 전차선로에는 주기적인 간격으로 단권변압기(AT)가 설치되며, 레일(R)은 보호선(PW)과 접속되는 보호선연결선(CPW)을 갖는다.
전차선로의 시작점을 기준 위치로 하여 트롤리선(T)의 선로정수(임피던스)를 측정하면 통상적으로 거리에 따라 증가하나 도 2에서와 같이, 급전선(F) 중간 중간에 단권변압기(AT) 또는 보호선연결선(CPW) 등의 영향으로 철도차량 선로의 거리에 따른 임피던스 형태를 보여주는 굴곡을 가지면서 전차선로의 임피던스가 증가한다. 따라서, 전차선로의 임피던스는 이와 같이 일반 급전선(F)이 거리에 직선적으로 비례하여 증가하는 것과는 다르므로 연산에 의한 산출이 곤란하여 직접 계측을 통하여 거리에 따른 선로 임피던스를 미리 측정하여 함수로 작성하여 두면, 고장발생시에 이를 활용하여 고장지점을 정확히 검출할 수 있다.
그러나, 2만 5천 볼트급의 전압을 직접 지락시키면 수천 암페어의 큰 고장전류가 흘러 전력설비에 큰 충격을 주게 되므로 수회 시험시 기기의 수명 단축, 폭발 등 매우 위험한 결과를 초래할 수 있다.
따라서, 도 3에서와 같이, 본 발명에 따른 전차선로 임피던스 측정장치(100)는 트롤리선(T)에 접속하기 위한 집전기(pantagraph)와 레일(R)을 통한 접지부를 구비한 철차에 탑재되는 것으로써, 상기 집전기와 접지부 사이에 흐르는 전류량을 조정할 수 있는 전류제한기(110)를 두어 적정전류를 이용하여 임피던스를 측정할 수 있도록 구성된다. 이와 같은 전차선로 임피던스 측정은 철차의 운행 중에 실시하는 것이 가능하므로 사용되는 주파수는 상용주파수인 것이 바람직하다.
전류제한기(110)는 전력분석부(Pm) 후단과 접지부 사이에 직렬 연결되는 등가저항(Rm) 및 인덕터로 구성된다. 인덕터는 인덕턴스를 발생시켜 하기에서 설명될 리액턴스(Xm)를 제공한다. 전류제한기(110)는 집전기와 접지부 사이에 직렬 접속되 며, 가변 인덕턴스를 제공할 수 있도록 탭(tap)을 형성하여 전류량을 제한함으로써 집전기로부터 접지부로 흐르는 전류량을 한정할 수 있게 하였다.
전차선로 임피던스 측정장치(100)는 트롤리선(T)에 접속하는 집전기 하부에 높은 교류전압을 낮은 표준전압으로 바꾸는 전압변성기(PT)와 과전류 계전기(OCR)에 의하여 단속되는 입력단 스위치(CB)를 두어 측정장치(100)를 과전류로부터 보호할 수 있도록 구성하고, 입력단 스위치(CB) 및 접지부 사이의 선로 상에 과전류 계전기(OCR)를 경유하여 연결되는 전력분석부(Pm)를 구비하여 전압(Vm), 전류(Im), 역율(cosΦm)을 각각 측정할 수 있도록 한다.
이러한 전차선로 임피던스 측정장치(100)를 이용하면, 전력공급단의 전력분석부(P1)에 의하여 전압(V1), 전류(I1), 역율(cosΦ1)을 측정하고, 임피던스 측정장치(100) 내의 전력분석부(Pm)를 통해 전압(Vm), 전류(Im), 역율(cosΦm)을 측정하여 다음과 같은 방법으로 전차선로 임피던스(Z1=R1+jX1)를 결정할 수가 있다.
도 4는 전력분석부(Pm)가 포함된 전차선로 임피던스 측정장치가 접속된 상태에서의 간략화된 임피던스 등가회로를 도시하고 있다. 전력분석부 P1과 Pm에서 각각 측정된 전압, 전류, 역율을 각각 V1, I1, cosΦ1 및 Vm, Im, cosΦm이라 하면
Figure 112006068216205-pat00004
Figure 112006068216205-pat00005
의 관계식이 성립하고, I1=Im이므로,
Figure 112006068216205-pat00006
Figure 112006068216205-pat00007
의 관계를 이용하면,
Figure 112006068216205-pat00008
Figure 112006068216205-pat00009
가 되므로 이로부터 전차선로 임피던스(Z1=R1+jX1)는 측정된 V1, I1, cosΦ1 및 Vm, Im, cosΦm을 사용하여 결정된다.
상기 전차선로 임피던스 측정장치(100)를 이용하여 선로의 고장점을 표정하 는 방법은 다음과 같다.
먼저, 전차선로 임피던스 측정장치의 탭을 조정하여 검측장치에 흐르는 전류량을 일정하게 제한하여 집전기 및 접지부에 접속한다. 이 후, (a)전차선로 임피던스 측정장치가 시험지점에 위치하면, (b)전차선로의 전력공급단 전력분석부(P1)으로부터 전압(V1), 전류(I1), 역율(cosΦ1)을 측정한다. 이 때, (c)전차선로 임피던스 측정장치는 전력분석부(Pm)에 의해 전압(Vm), 전류(Im), 역율(cosΦm)을 측정한다.
이 후, (d)전력분석부(P1, Pm)에서 측정된 전압, 전류, 역율에 의한 상관 관계식인 수학식 3 및 4에 의하여 이동위치의 선로 임피던스(Z1=R1+jX1)를 결정한다.
이 때, 시험대상 선로 구간 상에 시험점을 복수개 선정하여 상기 (a)단계 내지 (d)단계를 반복 수행하여, 대상 선로 구간에서 거리에 따른 선로 임피던스의 함수로 작성해 둘 수 있다. 이 경우, 고장발생시 전력공급단에서 선로 임피던스를 측정하고 상기 함수에서 대응되는 거리를 읽음으로써 고장지점을 판단하는 것이 가능하다.
전력공급단의 전력분석부(P1)와 임피던스 측정장치의 전력분석부(Pm)는 시간 동기하여 운용하며, 전력분석부(P1) 값은 통신에 의해 임피던스 측정장치의 전력분석부(Pm)에서 실시간으로 전송받아 전차선로 임피던스 측정장치 통과지점의 임피던스를 연산하는 기능을 보유하게 한다. 한편, 상기와는 반대로 측정장치의 전력분석 부(Pm) 데이터를 변전소의 전력분석부(P1)에서 연산할 수도 있으며, 변전소의 전력분석부(P1)와 측정장치의 전력분석부(Pm)의 시간은 동기시키고 각각의 필요 데이터를 별도로 받아 나중에 연산하는 것도 가능하다.
또한, 연산된 각 해당지점의 거리별 임피던스 값을 거리-임피던스의 그래프로 작성하여 실계통의 임피던스 궤적으로 사용할 수 있으며, 임피던스 값은 고조파 차수별로 연산도 가능하다.
본 발명의 전차선로 임피던스 측정장치는 상기에서와 같이 별도의 철차에 설치하여 검측할 수도 있으며, 운전 중인 전동차에 본 측정장치를 부설하여 전차선로 임피던스를 측정하는 방법이 모두 가능하다.
도 5에서는 운전 중인 전동차에 본 측정장치를 부설한 예를 도시한 것으로서, 전동차의 모터부하회로에 코일에 의하여 변압기가 결합된 등가저항을 갖는 인덕터로 구성된 전류제한기(110)가 연결되어 있다. 전동차 내의 제어장치에 취부된 변압기(PT), 변류기(CT)를 겸용으로 사용하여 전력분석부(Pm)로 전동차의 부하전류와 부하역율을 부하단의 전압으로부터 변전소에 설치한 전력분석부(P1)의 데이터와 비교하여 전차선로 임피던스 측정방법과 동일한 방법으로 전동차 통과지점과 P1 설치지점(변전소) 구간의 전차선로 합성 임피던스를 연산하고 전동차 통과지점과 기점 간의 거리와 상호 연계 각 지점마다 거리별 임피던스 값을 연산하여 임피던스 궤적을 작성하여 활용하게 된다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 동작 중인 실제의 고장전류를 조절하여 전차선로의 임피던스 측정이 가능하도록 하는 효과가 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 동작 중인 실제의 고장전류를 조절하여 전차선로의 임피던스 측정이 가능하도록 하는 효과가 있다. 특히, 전기철도와 같은 급전계통은 선로 임피던스 계산이 곤란하므로 본 발명에 의한 장치와 방법을 사용하여 고장시 나타날 선로 저항과 리액턴스를 검출하여 각 지점에 대응되는 임피던스를 데이터베이스화함으로써 고장 발생시 고장지점의 정확한 검출과 거리계전기의 보호구간을 확실하게 보호할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 전기 차량 배전계통뿐만 아니라 통상적인 고전압 배전계통에도 유용하게 적용 가능함은 당업자에게 자명한 사항이다.

Claims (7)

  1. 트롤리선에 접속하는 집전기와 레일을 통한 접지부를 구비하고, 레일 상을 이동할 수 있는 철차에 탑재되는 전차선로 임피던스 측정장치로서,
    상기 집전기와 상기 접지부의 사이에 연결되고 전압, 전류 및 역률을 측정할 수 있는 전력분석부; 및 상기 전력분석부 후단과 상기 접지부 사이에 직렬 연결되는 전류제한기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전차선로 임피던스 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전차선로 임피던스 측정장치는 과전류 계전기에 의하여 단속되는 입력단 스위치를 더 포함하고, 상기 전력분석부는 상기 입력단 스위치 및 상기 접지부 사이의 선로 상에 상기 과전류 계전기를 경유하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전차선로 임피던스 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전류제한기는 등가저항을 갖는 인덕터로 구성된 전차선로 임피던스 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전류제한기는 모터부하회로에 연결된 코일에 의하여 변압기가 결합된 등가저항을 갖는 인덕터인 전차선로 임피던스 측정장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 의한 전차선로 임피던스 측정장치를 이용하여 고장점을 표정하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 전차선로 임피던스 측정장치를 시험지점에 위치시키는 단계;
    (b) 전차선로의 전력공급단으로부터 전압(V1), 전류(I1), 역율(cosΦ1)을 측정하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계와 동기시켜 장치의 전력분석부(Pm)에 의해 전압(Vm), 전류(Im), 역율(cosΦm)을 측정하는 단계;
    (d) 상기 시험위치에서 전차선로 임피던스(Z1)를 하기의 관계식으로부터 결정하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고장점 표정방법.
    Figure 112006068216205-pat00010
    여기서,
    Figure 112006068216205-pat00011
    Figure 112006068216205-pat00012
  6. 제 5항에 있어서,
    시험대상 선로 구간 상에 시험점을 복수개 선정하여 상기 (a)단계 내지 (d)단계를 반복하여 수행하는 단계; 및
    상기 대상 선로 구간에서 거리에 따른 선로 임피던스의 함수로 작성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고정점 표정방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    고장발생시 상기 전력공급단에서 선로 임피던스를 측정하고 상기 함수에서 대응되는 거리를 읽음으로써 고장지점을 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.
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