KR100864636B1 - 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출방법 - Google Patents

철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량에 설치되는 고압 연결기의 내부적 불량 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법에 관한 것으로, 고압 연결기의 양단에 각각 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하는 전하량 감지수단과, 상기 고압 연결기를 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류 감지수단과, 상기 전하량 감지수단과 전류 감지수단을 통해 계측된 전위차(△V)와 전류에 대한 정보를 수집하여 상기 고압 연결기의 저항값을 실시간으로 연산하는 데이터 획득수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 철도차량용 고압 연결기의 내부 불량 유무를 작업자가 고압 연결기를 직접 분해하지 않고서도 운행중인 차량에 대해 직접 실시간으로 판별할 수 있는 장점이 있다.
철도차량, 고압 연결기, 고장

Description

철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법{fault detecting system of high voltage connector in rail cars and the method}
도 1은 본 발명에 따른 철도차량의 고압 연결기 연결 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템의 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 전계센서의 설치단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템의 회로 블럭도이고,
도 5는 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 과정을 도시한 도면이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
10: 팬토그라프 20,30: 차량
40,41: 전력용 케이블 50: 고압 연결기
60,61: 전하량 감지수단 60a,61a: 전계 센서
62: 전류 감지수단 66: 데이터 획득수단
68: 디스플레이수단 69: 제1 증폭부
70: 제1 A/D변환부 72: 제2 증폭부
74: 제2 A/D변환부 76: 제어부
78: 조작부 80: 메모리부
본 발명은 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철도차량에 설치되는 고압 연결기의 내부적 불량 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량은 팬토그라프를 통해 가선으로부터 DC 1500V의 가선전압을 인입하여 인접한 차량에 전력을 공급하기 위해 각각의 차량에 고압 연결기가 구비되며 그 양단에는 전력을 공급하는 전력용 케이블이 전기적으로 접속된다.
그런데, 이와 같은 고압 연결기는 설치 및 철도차량의 운행시 고압 연결기 내부의 접점에서 접촉불량에 의해 전류가 일부분으로 집중되어 전류밀도가 높아지게 되고 이에 의한 국부적 온도상승으로 고압 연결기의 몸체가 소손되어 고장이 발생하게 된다.
특히, 고압 연결기가 불량한 상태로 조립되는 경우, 철도차량의 주행시 진동에 의해 전력케이블이 연결되는 접점이 이격될 수 있으며, 그와 같은 접점의 이격은 전기 아크를 발생시켜 고압 연결기의 손상 및 철도차량의 차체로 섬락을 일으켜 중대한 인명 및 큰 경제적 손실을 일으킬 수 있는 요인이 될 수 있다.
그런데 종래에는 고압 연결기의 내부적 불량 상태를 확인하기 위해서는 철도차량에서 고압 연결기를 분해한 후 육안 검사를 통해야만 하므로 그 검수작업이 용이하지 못하고, 별도의 외부적 측정방법이 없는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 이와 같은 종래의 검수방법은 철도차량의 운행중에는 실시간으로 측정할 수 없는 단점도 가지고 있었다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 철도차량의 고압 연결기의 내부저항을 고압 연결기의 분해 없이 측정하고 고압 연결기에서 발생된 전기 아크를 외부의 서지성 신호와 구분되게 측정할 수 있는 시스템을 구축하여 측정의 용이성을 확보하고 복합적이고 정확한 계측을 통하여 고압 연결기의 불량에 따른 불행한 사고로의 파급을 사전에 차단하는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 철도차량의 운행중에도 고압 연결기의 내부적 불량 상태를 실시간(real time)으로 확인할 수 있는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 본 발명은 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템에 관한 것으로;
철도차량에 설치되되 그 양단에 전력용 케이블이 연결되는 고압 연결기에 있어서, 상기 고압 연결기의 양단에 각각 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하는 전하량 감지수단과, 상기 고압 연결기를 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류 감지수단과, 상기 전하량 감지수단과 전류 감지수단을 통해 계측된 전위차(△V)와 전류에 대한 정보를 수집하여 상기 고압 연결기의 저항값을 실시간으로 연산하는 데이터 획득수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 데이터 획득수단에 획득된 실시간 저항값을 표시하는 디스플레이수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전하량 감지수단은 전계센서인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류 감지수단은 전류센서인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 데이터 획득수단은 상기 전하량 감지수단으로 부터 수집된 전하량의 차이(△Q)값을 신호증폭하는 제1 증폭부와, 그 제1 증폭부를 통해 증폭된 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 A/D변환부와, 상기 전류 감지수단으로 부터 수집된 전류값을 신호증폭하는 제2 증폭부와, 그 제2 증폭부를 통해 증폭된 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 A/D변환부와, 상기 제1 및 제2 A/D변환부를 통해 변환된 디지털 데이터를 이용하여 저항값을 연산하는 제어부와, 상기 고압 연결기의 기준저항값 데이터가 저장되는 메모리부로 이루어지 는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 방법에 관한 것으로;
철도차량용 고압 연결기의 양단에서 전하량 감지수단을 이용하여 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하는 단계와, 상기 고압 연결기에서 전류 감지수단을 이용하여 전류값을 계측하는 단계와, 상기 데이터 획득수단에 수집된 전위차와 전류값을 이용하여 고압 연결기의 저항값을 산출하여 설정 기준저항값과 비교하는 단계와, 상기 데이터 획득수단의 연산결과를 디스플레이수단을 통해 표시하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이때, 도 1은 본 발명에 따른 철도차량의 고압 연결기 연결 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전계센서의 설치단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템의 회로 블럭도이고, 도 5는 본 발명에 따른 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 과정을 도시한 도면이다.
도 1에 의하면, 철도차량은 팬토그라프(10)가 구비되어 가선으로부터 DC 1500V의 가선전압을 인가받으며 차량구동장치가 설치된 차량(20)과, 차량구동장치만이 설치되어 상기 차량(20)으로 부터 가선전압을 공급받는 차량(30) 등으로 이루어진다.
이때, 상기 차량(20)에는 팬토그라프(10)로부터 전력을 공급받아 인접한 차량(30)으로 전송하기 위한 전력용 케이블(40,41)의 단자가 연결되는 부분인 전부 차량의 후부와 인접한 차량의 전부에는 고압 연결기(50)가 구비되어 상기 전력용 케이블들(40,41)을 전기적으로 접속시켜주며, 이를 통해 팬토그라프(10)를 통해 유입된 전력을 인접한 차량(30)으로 전송시켜 주게 된다.
이와 같은 고압 연결기(50)에는 도 2에 도시한 바와 같이 고압 연결기(50)의 양단에 각각 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하는 전하량 감지수단(60,61)과, 고압 연결기(50) 및 전력용 케이블들(40,41)을 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류 감지수단(62)이 구비되며, 그와 같은 전하량 감지수단(60,61)과 전류 감지수단(62)을 통해 계측된 전위차(△V)와 전류에 대한 정보를 수집하는 데이터 획득수단(66)과, 이를 그래프 및 수치화하여 철도차량의 운전자는 물론 검수자가 확인할 수 있도록 디스플레이하는 디스플레이수단(68)으로 이루어진다.
이때, 상기 전하량 감지수단(60,61)은 전계 센서(60a)를 사용하게 되는데 상기 전계센서(60a)는 고압 연결기(50)의 양단에 연결되는 전력용 케이블(40,41)에 각각 1개씩 구비하여 전력용 케이블(40,41)에 걸리는 전압에 의해 유기되는 축적전하량의 차이(△Q)를 이용하여 전위차(△V)를 계측한다.
한편, 상기 전계 센서(60a)는 커패시터(C)를 구성하는 두개의 전극 사이에 축적되는 전하량의 차이(△Q)를 외부 단자에서 감지하여 이를 다시 전압(△V=△Q/C)의 변화로 환산하는 원리를 이용한 것으로, 도 3에 도시한 바와 같이 센서부(60b)의 안쪽 면과 바깥면에는 가요성을 가진 전도성 도체가 붙게 되고 센서부(60b)의 중앙에는 전력용 케이블(40)의 절연피복(40a)이 위치하여 동심선(40b)에 전압이 걸리는 경우 양면에 유기된 축적전하량의 차이(△Q)값을 계측하는 센서로서, 이를 이용하여 전압을 측정하게 된다. 이때, 센서부(60b)의 상하 양단부에 위치한 2개의 단자(60c,60d)는 전력용 케이블(40)로부터 유기된 전하량의 차이(△Q)를 데이터 획득수단(66)으로 보내기 위한 신호선(60e,60f)이 연결된다. 물론 상기 전력용 케이블(41)에도 전계 센서(61a)가 구비되나 동일한 구성과 원리를 이용한 것으로 이에 대한 설명은 생략한다.
한편, 상기 전하량 감지수단(60,61)인 전계센서(60a,61a)를 이용하여 고압 연결기(50)에서 발생하는 아크에 의한 펄스를 좌측과 우측의 위상비교를 통해 위상차이가 발생하지 않는 경우로서 확인할 수 있다. 예를 들어, 아크(arc)에 의한 펄스가 외부에서 주입되는 경우 좌측 또는 우측 전계센서(60a,61a)에서 계측되는 펄스는 우측 또는 좌측 전계센서(61a,60a)의 배치간격만큼 위상지연을 발생시키므로 위상 비교측정에 의해 외부에서 유입되는 펄스의 방향성도 확인할 수 있게 된다.
한편, 상기 전류 감지수단(62)은 전류센서로 구성되는데, 이는 고압 연결기(50) 및 전력용 케이블(40,41)에 흐르는 전류를 측정하여 데이터 획득수단(66)으로 입력된다. 물론, 상기 전류센서는 내/외부에서의 아크의 발생으로 인한 아크성 전류도 계측하게 되어 고압 연결기(50) 및 전력용 케이블(40,41) 등으로 이루어지는 전력계통의 이상 유무의 판단자료로 사용하게 된다.
따라서, 상기 전하량 감지수단(60,61)인 전계센서(60a,61a)를 통해 계측되는 전하량의 차이(△Q)값과 상기 전류 감지수단(62)인 전류센서를 통해 계측되는 전류값은 데이터 획득수단(66)으로 수집되어 내부연산을 통해 저항값을 계산하여 고압 연결기(50)의 내부저항을 고압 연결기(50)의 분해 없이 측정함과 동시에 위상비교를 통한 아크의 존재유무도 함께 검출하게 된다.
한편, 이와 같은 데이터 획득수단(66)은 도 4에 도시한 바와 같이 상기 전하량 감지수단(60,61)으로 부터 수집된 전하량의 차이(△Q)값을 일정 비율로 신호를 증폭하는 제1 증폭부(69)와, 그 제1 증폭부(69)를 통해 증폭된 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 A/D변환부(70)와, 상기 전류 감지수단(62)으로 부터 수집된 전류값을 일정 비율로 신호를 증폭하는 제2 증폭부(72)와, 그 제2 증폭부(72)를 통해 증폭된 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 A/D변환부(74)와, 상기 제1 및 제2 A/D변환부(70,74)를 통해 변환된 디지털 데이터를 이용하여 연산처리하는 제어부(76)와, 인위적인 테이터 변환 및 기능제어를 위한 조작부(78)와, 상기 고압 연결기(50)의 저항값 및 연산을 위한 데이터 등이 저장되는 메모리부(80)로 이루어진다.
이때, 상기 조작부(78)는 다수의 입력키를 가지는 키패드로 이루어지며, 상기 제어부(76)를 통해 연산 및 처리된 정보는 그래프 및 수치화하여 디스플레이수 단(68)으로 표시되는데, 상기 디스플레이수단(68)은 CRT모니터 또는 LCD 등과 같은 다양한 수단으로 이루어지게 된다.
그리고, 상기 메모리부(80)는 상기 계측된 전하량 및 전류값들을 계속적으로 데이터베이스화하여 관리하게 된다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참고로 본 발명에 따른 본 발명은 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 과정을 상세히 설명한다.
먼저 철도차량이 운행하게 되면 팬토그라프(10)를 통해 가선으로부터 DC 1500V의 가선전압을 인가받고 이는 전력용 케이블(40)과 고압 연결기(50) 및 전력용 케이블(41)을 순차적으로 거치면서 인접한 차량으로 전력을 전송시켜 주게 된다.
이때, 고압 연결기(50)의 양단 전력용 케이블(40,41)에 전하량 감지수단(60,61)인 전계센서(60a,61a)가 구비되어 있어 이를 통해 고압 연결기(50)의 양단에 각각 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하게 되는데 이는 데이터 획득수단(66)의 제1 증폭부(69)를 통해 증폭되고 제1 A/D변환부(70)를 거쳐 디지털화된 데이터값으로 변환되어 제어부(76)의 연산을 거쳐 실시간으로 고압 연결기(50) 양단의 전위차(△V)를 연산하게 되며, 이는 디스플레이수단(68)을 통해 표시해주게 된다. (s100)
이때, 상기 전계센서(60a,61a)는 외부에서 아크가 발생되는 경우 어느 일측의 전계센서(60a)에서 계측되는 펄스와 다른 전계센서(61a)에서 계측되는 펄스의 위상지연을 이용하여 유입되는 펄스의 방향성도 확인이 가능하다.
한편, 상기 전류 감지수단(62)인 전류센서는 일측 전력용 케이블(41)에 흐르는 전류를 측정하게 되는데 이는 데이터 획득수단(66)의 제2 증폭부(72)를 통해 증폭되고 제2 A/D변환부(74)를 거쳐 디지털화된 데이터값으로 변환되어 제어부(76)의 연산을 거쳐 실시간으로 고압 연결기(50)를 통해 흐르는 전류를 연산하게 되며, 이 역시 디스플레이수단(68)을 통해 표시해주게 된다. (s200)
그리고, 상기 제어부(76)는 전하량 감지수단(60,61)에 의해 계측된 전하량차이를 이용하여 연산한 전위차(△V)와 전류값을 이용하여 고압 연결기(50)의 저항값을 연산해주며 이는 메모리부(80)에 기저장되어 있는 설정된 기준저항값과 실시간으로 비교하게 된다.(s300)
이와 같이 계측된 데이터를 이용하여 실시간으로 산출된 저항값이 설정된 기준저항값의 오차범위를 벗어나는 경우 이를 디스플레이수단(68)으로 표시해줌으로서 고압 연결기(50)의 분해 없이 고압 연결기의 불량정도를 판단할 수 있게 됨과 동시에 위상비교를 통한 아크의 존재유무도 함께 검출하게 된다. (s400)
이상에서 본 발명에 의한 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템 및 고장 검출 방법에 대해 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그리고, 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 철도차량용 고압 연결기의 내부 불량 유무를 작업자가 고압 연결기를 직접 분해하지 않고서도 운행중인 차량에 대해 직접 실시간으로 판별할 수 있는 장점이 있다.
이울러, 전하량 감지수단과 전류 감지수단을 통해 획득한 계측데이터 및 연산데이터를 데이터 획득수단에 별도로 저장하여 추후에 측정될 고압 연결기들에 대한 참고자료로 활용할 수 있는 장점을 가진다.

Claims (6)

  1. 철도차량에 설치되되 그 양단에 전력용 케이블이 연결되는 고압 연결기에 있어서;
    상기 고압 연결기의 양단에 각각 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하는 전하량 감지수단과;
    상기 고압 연결기를 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류 감지수단과;
    상기 전하량 감지수단과 전류 감지수단을 통해 계측된 전위차(△V)와 전류에 대한 정보를 수집하여 상기 고압 연결기의 저항값을 실시간으로 연산하는 데이터 획득수단;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 획득수단에 획득된 실시간 저항값을 표시하는 디스플레이수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전하량 감지수단은 전계센서인 것을 특징으로 하는 철도차량용 고압 연 결기의 고장 검출 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 감지수단은 전류센서인 것을 특징으로 하는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 데이터 획득수단은;
    상기 전하량 감지수단으로 부터 수집된 전하량의 차이(△Q)값을 신호증폭하는 제1 증폭부와, 그 제1 증폭부를 통해 증폭된 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 A/D변환부와, 상기 전류 감지수단으로 부터 수집된 전류값을 신호증폭하는 제2 증폭부와, 그 제2 증폭부를 통해 증폭된 아날로그 형태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 A/D변환부와, 상기 제1 및 제2 A/D변환부를 통해 변환된 디지털 데이터를 이용하여 저항값을 연산하는 제어부와, 상기 고압 연결기의 기준저항값 데이터가 저장되는 메모리부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 시스템.
  6. 철도차량용 고압 연결기의 양단에서 전하량 감지수단을 이용하여 유기되는 전하량의 차이(△Q)를 계측하는 단계;
    상기 고압 연결기에서 전류 감지수단을 이용하여 전류값을 계측하는 단계;
    데이터 획득수단에 수집된 전위차와 전류값을 이용하여 고압 연결기의 저항값을 산출하여 설정 기준저항값과 비교하는 단계;
    상기 데이터 획득수단의 연산결과를 디스플레이수단을 통해 표시하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 고압 연결기의 고장 검출 방법.
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