KR101332413B1 - 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압을 사용하는 전기철도 인프라에 전력선 통신을 적용하기 위한 신호 결합기로 이미 해당 분야에서 사용 중인 전기철도의 피뢰기를 활용하도록 한 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템에 관한 것으로, 고전압을 이용하는 전기철도의 전차선에 전력선 통신 시스템을 구축하기 위해 필요한 접촉식 신호결합기를 이미 해당 분야에서 다른 용도로 사용되고 있는 피뢰기를 활용하여 구성함으로써 안정성에 대한 검증이 용이한 효과가 있다.

Description

전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템{Power Line Communication System utilizing Arrester for Electric train system}

본 발명은 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 고전압을 사용하는 전기철도 인프라에 전력선 통신을 적용하기 위한 신호 결합기로 이미 해당 분야에서 사용 중인 전기철도의 피뢰기를 활용하도록 한 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템에 관한 것이다.

전기 철도는 전기를 동력으로 운행되는 철도를 의미하는 것으로서, 전동 열차를 안전하게 운행하기 위해서는 상기 전동 열차가 운행하는 레일 주변의 다양한 정보가 필요하다. 따라서, 상기 레일 주변에는 CCTV, 지장물 감시 장치, 건널목 안전 장치 등 다양한 안전 정보 감지 장치들이 마련되어 있다. 상기 감지 장치들에서 수집된 정보는 전용망을 통해 상기 전기 철도를 관제하는 관제 센터나 상기 레일의 안전 업무를 담당하는 지소 등의 관리소로 전달될 수 있다.

최근에는, 일부 철도 분야에서 RF(Radio Frequency) 통신을 이용하여 실시간으로 상기 레일 주변의 안전 정보를 상기 전동 열차로 전송하는 시스템이 운영되고 있으나 상기 전동 열차는 고속으로 주행하므로, 주행 중에 상기 전동 열차와 상기 관리소 간에 신뢰성 있게 상기 안전 정보를 양 방향으로 공유하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 이와 같은 안전 정보의 공유 시스템을 구축하기 위해서는 별도의 전용망이 상기 레일이 위치하는 넓은 지역에 걸쳐 제공되어야 하므로 많은 비용이 필요하다는 문제가 있다.

따라서, 전력선 통신(Power line communication, PLC)과 같이 이미 구축되어 있는 전기 철도의 기본 인프라를 활용하여 안정적으로 통신을 실시할 수 있도록 하는 기술이 연구되고 있다.

상기 전력선 통신은 전기를 공급하는 전력선을 통해 데이터를 송수신하는 기술로서, 일측에서 데이터를 특정 고주파 신호로 형성하여 전력선에 실어 보내면, 타측에서는 상기 특정 고주파 신호를 분리해 상기 데이터를 수신하는 기술이 사용된다.

실질적으로 이러한 전력선 통신은 원격 검침이나 댁내 통신을 위해 개발된 기술로 주로 220V 60Hz AC의 상용 전원에 수~수십V 정도의 데이터를 싣는 방식이 이용되어 왔다. 이러한 비교적 저전압의 전력선 통신을 고전압(25kV)을 이용하는 전기 철도 분야에 적용할 경우 데이터를 전력선에 실을 수 있도록 하는 신호결합기(coupler)를 구성해야 하는데, 해당 기술 분야의 전기적 특성이 모두 고려되어야 한다는 점에서 통신 사업자가 이를 개발하여 고전압을 사용하는 전기 철도 분야에서 안정성을 인정 받기가 쉽지 않다.

고전압을 사용하는 산업은 전력전송의 특성에 따라 각각 다른 방식의 송전 시스템을 구축하고 있다.

전력산업의 송전방식은 AC 154,000V 나 AC 22,900V를 3상 3선식으로 전송하며, 그 중에서 전기철도 분야에서는 AC 25,000V를 단상(전차선)으로 전송하는 방식을 적용하고 있다.

따라서, 전기철도의 전차선을 전력선으로 하여 전력선 통신망을 구축하기 위해서는 PLC 모뎀을 AC 25,000V의 전차선(조가선)에 직접 연결할 수 있는 신호결합기가 필요하지만 이를 철도법에서 규정하는 정도의 특성을 만족하면서 PLC 통신을 위한 특성을 가지도록 구성하는 것은 상당히 어렵다. 특히, 전기철도의 전차선에 별도의 장비를 부착할 경우 철도 안전법에 따라 애자 등급의 42,000V 내전압에 견딜 수 있는 절연특성이 요구되므로 이러한 규정을 만족하는 구성을 개발하는 것도 어려울 뿐더러, 고전압에 적용되는 것이라는 점에서 안정성에 대한 수많은 시험 과정과 시험 시간 등이 필요하여 이를 필수 구성으로 하는 전력선 통신 시스템의 적용이 대단히 느려진다. 더불어, 이러한 신호결합기는 고전압에 사용되는 장치이므로 그 개발 중에 안전 사고 발생 가능성이 높고, 어느정도 특성을 만족하는 제품이 개발된다 하더라도 이를 안전에 극도로 민감한 전기 절도 시스템에 쉽게 적용하기 어려워 이러한 신호결합기의 신뢰성은 고전압 PLC 통신 활성화를 가로막는 원인 중 하나로 지목되고 있는 실정이다.

한국 공개특허 제10-2010-0022666호 한국 등록특허 제10-1035495호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템은 고전압을 이용하는 전기철도의 전차선에 전력선 통신 시스템을 구축하기 위해 필요한 접촉식 신호결합기를 이미 해당 분야에서 사용되고 있는 피뢰기에 컷 아웃 스위치(Cut Out Switch, COS)를 결합하여 구성한 후 이를 전력선 통신 시스템에 적용함으로써 개발 기간을 크게 단축하면서도 안정성에 대한 검증이 용이하도록 함을 목적으로 한다.

본 발명 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템은 기존에 사용되는 피뢰기를 PLC 통신을 위한 접촉식 신호결합기의 주요 구성으로 사용하는 것으로 매칭 임피던스와 정전용량 조정만으로 쉽게 신호결합기를 개발할 수 있도록하여 개발 비용을 줄이며 개발이나 운영 중 발생되는 각종 안전 사고 발생을 크게 줄일 수 있도록 함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템은, 전기철도의 전차선이나 조가선을 이용한 접촉식 신호결합기를 포함하여 구성된 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템으로서, 상기 접촉식 신호결합기는 PLC 모뎀과 직접 연결되는 전기철도용 피뢰기와; 상기 전기철도용 피뢰기와 일단에서 연결되는 컷 아웃 스위치와; 상기 컷 아웃 스위치의 타단과 상기 전기철도의 전차선이나 조가선을 연결하는 연결선과; 상기 연결선을 상기 전차선이나 조가선과 결합 및 고정하는 클램프를 포함하여 이루어진다.

상기 피뢰기는 전력선 통신을 위한 임피던스와 정전용량 기준을 만족한다.

상기 컷 아웃 스위치에는 퓨즈 단로기(Fuse Disconnecting Switch, FDS)가 더 구성되는 것이 바람직하다.

상기 전기철도용 피뢰기는 선로 방전 등급 3 클래스이며, 42kV 이상의 정격 전압과 34kV 이상의 연속 운전전압, 단락 회로 특성 60kV 이상인 것이 바람직하다.

상기 피뢰기는 상기 접촉식 신호결합기가 설치되는 전신주와 연결된 접지로 쉴드된 동축 케이블을 이용하여 PLC 모뎀과 연결된다.

상기 접촉식 신호결합기가 설치되는 전신주에 상기 피뢰기를 상기 전신주와 절연된 상태로 지지결합하는 신호 결합기 브라켓을 더 포함할 수 있다.

상기 전차선이나 조가선은 AC 25,000V를 단상으로 전송하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템은, 전신주를 지나는 전차선이나 조가선과 연장선을 결합시키는 클램프와; 상기 클램프에 의해 전차선이나 조가선에 고정된 연장선이 일측에 연결되는 컷 아웃 스위치와; 상기 컷 아웃 스위치의 타측과 연결선을 통해 일측이 연결되는 전기철도용 피뢰기와; 쉴드가 상기 전신주와 접지 연결된 동축 케이블을 통해 상기 피뢰기의 타측과 연결되는 PLC 모뎀을 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템은 고전압을 이용하는 전기철도의 전차선에 전력선 통신 시스템을 구축하기 위해 필요한 접촉식 신호결합기를 이미 해당 분야에서 사용되고 있는 피뢰기를 활용하여 구성함으로써 안정성에 대한 검증이 용이한 효과가 있다.

본 발명 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템은 기존에 사용되는 피뢰기를 PLC 통신을 위한 접촉식 신호결합기의 주요 구성으로 사용하는 것으로 매칭 임피던스와 정전용량 조정만으로 쉽게 신호결합기를 개발할 수 있어 개발 시간 및 비용을 줄일 수 있으며 개발이나 운영 중 발생되는 각종 안전 사고 발생을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 전력선 통신을 이용하여 전기 철도 관리 시스템의 구성한 예를 보여주는 도면.
도 2는 전력선 통신망의 일 예를 보여주는 도면.
도 3은 전력선 통신을 이용하는 전기 철도 관리 시스템의 예를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템의 예를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 적용한 전기철도 피뢰기의 예를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기철도 전력선 통신 시스템의 구성 예를 보인 도면.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 전력선 통신을 이용하는 전기 철도 관리 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

이렇게 전력선 통신을 전기 철도 관리 시스템에 적용할 경우 기존 RF 방식 등에 비해 뛰어난 신뢰성과 안정성을 보일 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 전기 철도 관리 시스템(10)은 전차선을 이용한 전력선 통신(Power line communication, 이하 PLC) 통신망(20)을 사용하며, 전기 철도의 레일 주변의 정보를 수집하여 상기 PLC 통신망(20)에 상기 수집된 정보를 송신하는 정보 수집부(30)와, 상기 PLC 통신망(20)에 연결되며 상기 정보 수집부(30)에서 수집한 정보를 수신하는 다수 개의 모니터링부(40)를 포함할 수 있다.

상기 모니터링부(40)는 상기 PLC 통신망(20)에 각각 연결되고, 상기 PLC 통신망(20)을 통해 상호 간에 데이터를 송수신할 수 있다. 또한, 상기 모니터링부(40) 중 일부(42, 43)는 인터넷망, 광통신망 등의 전용망으로 연결되어 상기 PLC 통신망(20)을 통하지 않고도 상호 간에 데이터를 송수신할 수도 있다.

상기 정보 수집부(30)는 상기 전동 열차가 주행하는 상기 레일 주변에 설치되며, 상기 전동 열차가 주행하는 전 구간에 걸쳐 다수 개 설치될 수 있다. 상기 정보 수집부(30)는 상기 전동 열차의 주행에 있어서 필요한 정보를 수집하며, 특히 상기 전동 열차의 주행 안전에 영향을 미칠 수 있는 정보들을 수집한다. 예를 들면, 상기 정보 수집부(30)는 철도 건널목의 상황, 레일 주변의 장애물 상황, 상기 전동 열차의 상태 등의 정보를 수집할 수 있다. 상기 정보 수집부(30)는 수집한 정보를 디지털로 변환한 후 이를 상기 전차선에 고주파 신호로 실을 수 있다.

상기 정보 수집부(30)에 의해 상기 전차선에 실린 정보는 상기 전차선을 통해 상기 모니터링부(40)로 전송된다.

상기 모니터링부(40)에서 수신한 정보는 소정의 디스플레이 장치에 연결되어 상기 전동 열차를 운전하는 기관사, 상기 전기 철도의 운영을 관리하는 관제사, 상기 레일 주변의 안전 상태를 관리하는 지소의 안전 관리원 등의 관련 업무 종사자들이 볼 수 있도록 출력될 수 있다.

상기 모니터링부(40) 중 적어도 하나는 상기 기관사가 상기 정보 수집부(30)에서 수집된 안전 정보를 확인할 수 있도록 상기 전동 열차에 제공된다. 상기 전동 열차에 제공되는 모니터링부를 전동 열차용 모니터링부(41)라고 할 수 있다.

또한, 상기 모니터링부(40) 중 일부는 상기 안전 관리원 및 상기 관제사가 상기 정보 수집부(30)에서 수집된 정보를 확인할 수 있도록 지소 및 관제 센터에 제공될 수도 있다. 상기 지소 및 관제 센터에 제공되는 모니터링부를 각각 지소용 모니터링부(42) 및 관제 센터용 모니터링부(43)라고 할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 상기 지소용 모니터링부(42)와 상기 관제 센터용 모니터링부(43)는 전용망을 통해 서로 연결될 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해 상기 정보 수집부(30)에서 수집된 정보는 상기 전차선을 이용한 상기 PLC 통신망을 통해 상기 모니터링부(40)로 전송될 수 있다. 상기 모니터링부(40)로 전송된 상기 수집된 정보는 다양한 형태로 가공되어 상기 관련 업무 종사자들, 즉 다른 모니터링부로 제공될 수도 있다.

도 2는 전기철도에 구성한 PLC 통신망을 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 전동 열차에 전력을 공급하는 전차선(220)은 상기 전동 열차가 주행하는 레일(270)을 따라 연장되며, 변전소(210)에 연결되어 전력을 공급받을 수 있다. 상기 전차선(220)은 복수 개의 구간으로 구획되어 제공될 수 있으며, 각 구간마다 변전소에 연결될 수 있다. 상기 전차선(220)은 카테리나 방식으로 제공되는 것이나, 강체 방식으로 제공될 수도 있다.

상기 전차선(220)은 조가선(230)에 의해 일정한 높이로 제공될 수 있으며, 상기 전동 열차는 팬터그래프(pantograph)에 의해 상기 전차선(220)으로부터 전력을 공급받는다.

상기 전차선(220)은 복수 개의 구간으로 구획되어 제공될 수 있는데, 일 구간의 전차선은 인접한 구간의 전차선과 연결 유닛(240)으로 연결될 수 있다. 상기 연결 유닛(240)은 상기 일 구간의 전차선을 통해 전송되는 고주파의 통신 신호를 필터링하여 얻어낸 후, 이를 다시 상기 인접한 구간의 전차선에 실을 수 있다. 따라서, 상기 레일(270)이 장거리로 연장되더라도, 복수 개의 전차선 구간을 형성하고, 각 구간을 상기 연결 유닛(240)으로 연결함으로써, 전차선을 통해 전송되는 신호는 끊김 없이 연결될 수 있다.

또한, 상기 전차선(220)의 임의의 지점에는 상기 전차선(220)을 통해 전달되는 신호를 증폭시켜주는 리피터(Repeater, 250)가 제공될 수 있다. 디지털 신호는 일정 거리 이상 진행하면 출력이 감쇠하는 성질이 있으므로, 상기 리피터(250)를 상기 전차선(220)에 연결하여 통신 신호의 출력을 유지한다. 상기 리피터(250)는 각 구간마다 적어도 하나 이상 제공될 수 있으며, 일정한 간격으로 배치될 수도 있다. 상기 리피터(250)가 제공됨으로써, 상기 레일(270)이 장거리로 연장되더라도, 통신 신호의 출력 저하 없이 안정된 PLC 통신을 제공할 수 있다.

도 3은 전력선 통신을 이용하는 전기 철도 관리 시스템의 적용예를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 상기 PLC 통신망(20)의 통신 매개체로 상기 전차선(220)이 이용되며, 상기 전차선(220)은 상기 레일(270)을 따라 연장되고, 복수 개의 구간으로 구획되어 설치될 수 있다. 각 구간은 상기 PLC 연결 유닛(240)에 의해 연결되어 있으므로 상기 전차선(220)을 통해 전달되는 통신 신호는 끊기지 않고 전달될 수 있다. 또한, 상기 전차선(220)에는 상기 PLC 리피터(250)가 연결되어 약해진 통신 신호를 증폭시켜준다.

상기 레일(270)의 곳곳에는 전동 열차가 안전하게 운행할 수 있도록 안전 정보를 수집하는 다수 개의 상기 정보 수집부(30)가 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 정보 수집부(30)의 상기 감지 장치(310)로는 지장물 감지 장치나 CCTV가 제공될 수 있다. 상기 감지 장치(310)에서 수집된 데이터는 디지털로 변환되어 상기 PLC 신호 결합기(380)를 통해 상기 전차선(220)에 실린다.

상기 전차선(220)에 실린 데이터는 상기 전차선(220)을 통해 모니터링부(40)로 전송된다.

상기 모니터링부(40) 중 일부(41)는 상기 전동 열차에 제공된다. 상기 전동 열차에는, 팬터그래프와 연결되어 전력을 제공받는 변압기가 설치될 수 있으며, 상기 PLC 신호 결합기(480)는 상기 팬터그래프와 상기 변압기를 연결하는 라인에 설치될 수 있다. 그리고, 상기 전동 열차에는 상기 PLC 신호 결합기(480)에서 추출된 신호를 수신하는 상기 PLC 모뎀(420) 및 상기 안전 정보를 기관사가 인식할 수 있도록 표시하는 디스플레이부(430)가 제공된다.

또한, 상기 모니터링부(40) 중 일부(42)는 상기 레일(270) 및 상기 전동 열차의 신호 등을 관리하는 지소에 제공될 수 있다. 따라서, 상기 지소에 근무하는 안전 관리원도 상기 안전 정보를 확인할 수 있다.

또한, 상기 모니터링부(40) 중 일부(43)는 상기 전기 철도의 운행을 관제하는 관제소에 제공될 수도 있다. 따라서, 관제사들도 상기 안전 정보를 확인할 수 있다.

또한, 상기 모니터링부(40)들은 상기 전차선(220)을 이용한 상기 PLC 통신망(20)을 통해 서로 데이터를 송수신하도록 구성될 수도 있다. 또한, 상기 지소나 상기 관제소에 제공된 모니터링부들(42, 43)은 상기 PLC 통신망과는 별도로 제공되는 전용 통신망을 통해 데이터를 송수신할 수도 있다.

특히, 상기 PLC 신호 결합기(380, 480)로 비접촉식 신호 결합기를 사용할 수도 있는데, 이 경우 일정한 수준의 절연 조건(예를 들면, 건조섬락 180kV)을 충족시켜야 하므로 통신 사업자가 분야가 상이한 고전압 제품을 설계하는 것이 용이하지 않으며, 고전압의 특성상 안전성을 위한 검증과 신뢰성의 인정을 위한 시간과 비용 부담이 크기 때문에 이러한 신호 결합기를 구성하는 것은 상당히 어려운 일이 된다. 또한, 절연체를 상기 전차선(220)에 설치하는 경우, 상기 전차선(220)의 물성에 의해 절연체의 하중과 부피에 제한을 받게 되므로 설계가 어렵고 그 설치에 따른 전차선 관리 위험성이 커지며, 고압의 전기가 흐르고 있는 상기 전차선(220)에 장치를 테스트나 운용을 위해 설치하여 관리하는 것은 매우 큰 위험을 내포하고 있을 뿐만 아니라, 번개 등 예기치 못하는 외부 환경 변화에 대응하기 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 실질적으로 고압의 전차선(220)이나 조가선(230)에 대한 하중을 최소화하는 측면에서 직접 접촉식 신호결합기를 적용하는 것이 바람직하지만, 이 경우 고전압 선로에 직접 연결되는 장치라는 점에서 철도 안전법에 따른 더욱 강화된 기준을 만족해야 하므로 그 설계와 시험 및 적용을 위한 검증이 쉽지 않은 실정이다. 특히, 전기철도의 경우 차량의 운행 중 차단기의 동작이나 팬토그라프와 전차선의 이동 접촉 등에 의해 전차선의 전압 파형 변화가 심하고 각종 서지의 발생 빈도가 높기 때문에 그 기준은 대단히 엄격한 실정이다.

그에 따라, 본 발명의 실시예에서는 접촉식 신호결합기를 전기 철도 기술 분야에서 이미 검증이 완료되어 일반적으로 사용되고 있는 피뢰기를 접촉식 신호결합기를 구성하는 주요 구성으로 적용함으로써 이러한 개발과 검증에 대한 부담을 줄여 효과적으로 PLC 통신 시스템을 구축할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 접촉식 신호결합기(50)를 적용한 PLC 통신 시스템의 예를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 접촉식으로 PLC 모뎀(420)과 조가선(230)을 연결하는 접촉식 신호결합기(50)를 전기철도 분야에서 사용되는 피뢰기(510)와 안전을 위한 컷 오프 스위치(Cut Off Switch, COS)(520) 및 클램프(530)로 구성한 것이다.

일반적으로 전기철도용 변전소와 급전계통, 전동차 등의 전력설비에는 낙뢰와 같은 외부 요인이나, 급전계통 운영에 요구되는 차단기의 동작이나 팬토그라프와 전차선의 이동 접촉, 인버터 등의 전력 변환기 사용에 따른 개폐 과전압 등의 내부 요인에 의해 과도한 과전압이 일상적으로 발생하고 있는데, 이러한 과도과전압(transient overvoltage)은 정상적인 운전전압에 비해 수~수십배에 달하므로 계통에 연계되어 있는 절연선, 애자, 부싱, 변압기, 차단기, 인버터 등의 전력설비와 각종 저압용 기기(전자, 전기, 신호, 통신)의 절연을 위협하게 된다. 이러한 과도과전압에 대한 각종 설비와 기기의 보호를 위해 전압-전류의 비선형 저항특성이 우수한 피뢰기(arrester)를 사용하고 있다.

이러한 피뢰기는 제조시 결함이나 사용에 따른 열화 등에 의해 문제가 발생할 경우 피뢰기 단락에 의한 전력공급 중단, 화재 등의 심각한 2차 문제를 유발하며, 특히 전기철도의 경우 피뢰기가 손상되면 해당 동일 계통에서 급전을 받는 차량의 운행이 중단되기 때문에 대단히 높은 수준의 기준을 만족해야 할 뿐만 아니라 엄격한 검수를 거쳐 사용되고 있다.

따라서, 실제 계통에 직렬 혹은 병렬로 연결되어 사용되는 전기철도용 피뢰기의 경우 그 위험성과 중요성에 의해 오랜 시간 연구가 진행되어 왔으며 그에 따라 현재 상용화된 제품은 높은 신뢰성을 가진다.

한편, 전기철도용 피뢰기의 경우 적절한 절연체 재로와 안정적인 절연형상, 누설 거리 등을 고려한 절연설계, 단시간 대전력 방전을 위한 전극과 바리스터 소자의 기밀설계를 포함한 구조설계, 고장전류에 대한 방폭설계, 계면/접착설계가 포괄적으로 고려되어 최종적인 제품 설계가 이루어지게 된다. 이러한 설계의 결과 일반적으로 사용되는 전기철도용 피뢰기는 바리스터 소자를 절연체로 둘러싼 구성을 내외손을 가진 외부 하우징으로 감싼 형태를 적층한 구조를 가지게 된다.

이러한 설계기준에 따라 설계된 상기 일반적인 전기철도용 피뢰기는 도 5와 같으며, 그 적용 용도상 정격전압, 연속 운전전압, 정격주파수, 선로 방전등급, 단락회로 특성, 표면 누설 거리 등이 주요 특성이 된다.

예를 들어, 도 5의 전기철도용 피뢰기는 다음과 같은 특성을 가질 수 있다.

No	구 분	사 양
1	정격전압	42kV
2	연속운전전압	34kV
3	정격주파수	60Hz
4	공칭방전전류	10kA
5	선로방전등급	3 class(IEC60099-4)
6	단락회로특성	65kA
7	표면누설거리	2390mm
8	절연재료 및 색상	Grey Sillicon
9	방전계수기 (누설전류계 포함)

즉, 상기 표 1과 같은 피뢰기는 일반적으로 25kV의 전압이 흐르는 전차선에 직병렬 연결할 수 있도록 개발된 것이므로 이를 접촉식 신호 결합기로 활용할 경우 고전압에 의한 각종 충격이나 과도과전압으로부터 후속단(PLC 모뎀)을 안전하게 보호할 수 있게 된다.

한편, 기존의 전기철도용 피뢰기의 경우 고려되지 않았지만 이를 PLC 통신용 신호 결합기로 활용하기 위해서 고려해야 할 부분이 있는데, 정전용량과 임피던스 매칭 부분이다.

PLC 통신을 위한 접촉식 신호결합기는 전송 매체에 대한 전송 특성을 높이기 위해 매칭 임피던스 설정과 수nF의 정전용량(바람직하게는 2 nF ~5 nF)을 필요로 한다. 이러한 매칭 임피던스 설정과 정전용량 설정은 적절한 매칭 임피던스와 정전용량을 제공하는 전기철도용 피뢰기를 선정하거나, 전기철도용 피뢰기를 구성하는 단위 구조체의 수를 조절하거나, 절연설계/구조설계/방폭설계/접착설계 중 적어도 하나의 설계 단계에서 해당 매칭 임피던스와 정전용량이 반영되도록 함으로써 전기철도용 피뢰기 설계 기준을 유지한 상태에서 추가적으로 통신을 위한 매칭과 정전용량 기준도 반영하도록 할 수 있다.

즉, 전기철도용 피뢰기 설계에 대한 완성된 설계 규정과 시험 결과를 만족하는 피뢰기 설계 및 제조 시 매칭 임피던스와 정전용량 기준을 더 만족하도록 하는 것은 비교적 간단한 작업에 해당하기 때문에 접촉식 신호결합기를 새로운 규격과 구조로 새롭게 설계하여 이를 전기철도 분야에서 안정적 장비로 승인받는 경우에 비해 훨씬 효율적인 제품 생산이 가능하게 된다.

상기와 같은 추가적인 설계 파라미터들인 임피던스와 정전용량이 더 적용되었다 하더라도, 전기철도용 피뢰기를 위한 기준을 우선 만족하도록 설계되기 때문에 이러한 구성은 전기철도용 피뢰기로도 안정적으로 동작하게 되므로 이는 전기철도용 피뢰기로 취급될 수 있다.

이렇게 PLC 통신용 신호결합기의 특성이 반영된 전기철도용 피뢰기를 이용하여 접촉식 신호결합기를 구성한 더욱 상세한 구조는 도 6의 실시예와 같다.

도 6은 본 발명의 접촉식 신호결합기가 적용된 전기철도 전력선 통신 시스템의 예를 보인 것이다.

도시한 바와 같이 전력선 통신 시스템은 PLC 모뎀(420)과, 전차선이나 조가선과 직접 접촉 방식으로 연결되어 상기 PLC 모뎀(420)의 신호를 상기 전차선이나 조가선에 싣는 접촉식 신호결합기와, 상기 접촉식 신호결합기를 지지하는 전신주(501)와, 상기 전신주와 상기 접촉식 신호결합기를 구성하는 피뢰기(510) 및 COS(520)를 상기 전신주와 절연된 상태로 지지결합하는 브라켓(511, 521)을 포함한다. 상기 전신주(501)는 전차선이나 조가선을 지지하기 위한 전신주와 동일한 것일 수 있다.

상기 접촉식 신호결합기는 PLC 모뎀(420)과 직접 연결되는 전기철도용 피뢰기(510)와, 상기 전기철도용 피뢰기(510)와 연결선(512)를 통해 연결되는 컷 아웃 스위치(COS)(520)와, 상기 컷 아웃 스위치(520)에 연결된 연장선(523)을 상기 전차선이나 조가선과 결합시켜 고정하는 클램프(530)를 포함한다.

상기 컷 아웃 스위치(520)는 상기 피뢰기(510) 및 그와 연결되는 PLC 모뎀(420)을 추가적으로 보호하기 위한 것으로, 상기 컷 아웃 스위치(520) 내에 퓨즈 단로기(Fuse Disconnecting Switch, FDS)(522)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이를 통해서 전차선이나 조가선에 대한 물리적 영향을 최소화하면서 PLC 신호를 송수신할 수 있고, 전차선이나 조가선으로부터 유입되는 전기적 충격을 PLC 모뎀(420)과 분리시킬 뿐만 아니라 전차선이나 조가선에 대한 연결 장비 특성을 규정한 전기 철도법 상의 기준을 쉽게 만족시킬 수 있다.

상기 접촉식 신호결합기를 구성하는 전기철도용 피뢰기(510)와 컷 아웃 스위치(520)를 지지하는 상기 전신주(501)는 실질적으로 어스(earth)되어 있으므로 상기 전기철도용 피뢰기(510)와 컷 아웃 스위치(520)는 상기 전신주(501)와 전기적으로 분리(isolation)되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 전기철도용 피뢰기(510)를 전신주에 지지결합하는 상기 피뢰기용 브라켓(511)과 상기 컷 아웃 스위치(520)를 전신주에 지지결합하는 컷 아웃 스위치용 브라켓(521)은 절연 구성인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 전기철도용 피뢰기(510)는 전력선 통신을 위한 신호결합기로서 임피던스와 정전용량 기준을 만족하도록 구성되어야 하며 동시에 전기철도용 피뢰기로서의 성능도 만족시켜야 한다. 예를 들어, 상기 전기철도용 피뢰기(510)는 선로 방전 등급 3 클래스, 42kV 이상의 정격 전압과 34kV 이상의 연속 운전전압, 단락 회로 특성 60kV 이상 등과 같은 피뢰기로서의 성능을 만족시켜야 하며, 이는 적용되는 전력선 종류 및 해당 전력선의 적용 용도에 따라 해당 전력선에 적합한 수준으로 설정될 수 있다.

상기 PLC 모뎀(420)은 상기 전기철도용 피뢰기(510)와 신호 송수신을 위해서 동축 케이블(421)로 연결되는데, 상기 동축 케이블(421)을 구성하는 쉴드선은 상기 전신주(501)와 연결되어 접지(422)되는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

10 : 전기 철도 관리 시스템 20 : PLC 통신망
30 : 정보 수집부 40 : 모니터링부
41 : 전동열차 모니터링부 42 : 지소 모니터링부
43 : 관제센터 모니터링부 50 : 접촉식 신호결합기
220 : 전차선 230 : 조가선
240 : PLC 연결 유닛 250 : PLC 리피터
270 : 레일 310 : 감지장치
420 : PLC 모뎀 430 : 디스플레이부
501: 전신주 510 : 전기철도용 피뢰기
511, 521: 브라켓 512, 523: 연장선
520: 컷 아웃 스위치 522 : 퓨즈 단로기
530: 클램프

Claims (11)

1. 전기철도의 전차선이나 조가선을 이용한 접촉식 신호결합기를 포함하여 구성된 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템으로서,
   상기 접촉식 신호결합기는
   PLC 모뎀과 직접 연결되는 전기철도용 피뢰기와;
   상기 전기철도용 피뢰기와 일단에서 연결되는 컷 아웃 스위치와;
   상기 컷 아웃 스위치의 타단과 상기 전기철도의 전차선이나 조가선을 연결하는 연결선과;
   상기 연결선을 상기 전차선이나 조가선과 결합 및 고정하는 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 피뢰기는 전력선 통신을 위한 임피던스와 정전용량 기준을 만족하는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 컷 아웃 스위치에는 퓨즈 단로기가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 전기철도용 피뢰기는 선로 방전 등급 3 클래스인 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 전기철도용 피뢰기는 42kV 이상의 정격 전압과 34kV 이상의 연속 운전전압을 가지는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 전기철도용 피뢰기는 단락 회로 특성이 60kV 이상인 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 피뢰기는 상기 접촉식 신호결합기가 설치되는 전신주와 연결된 접지로 쉴드된 동축 케이블을 이용하여 PLC 모뎀과 연결되는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
8. 청구항 1에 있어서, 상기 접촉식 신호결합기가 설치되는 전신주에 상기 피뢰기를 상기 전신주와 절연된 상태로 지지결합하는 신호 결합기 브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
9. 전신주를 지나는 전차선이나 조가선과 연장선을 결합시키는 클램프와;
   상기 클램프에 의해 전차선이나 조가선에 고정된 연장선이 일측에 연결되는 컷 아웃 스위치와;
   상기 컷 아웃 스위치의 타측과 연결선을 통해 일측이 연결되는 전기철도용 피뢰기와;
   쉴드가 상기 전신주와 접지 연결된 동축 케이블을 통해 상기 피뢰기의 타측과 연결되는 PLC 모뎀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 컷 아웃 스위치에는 퓨즈 단로기가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.
    
11. 청구항 9에 있어서, 상기 피뢰기는 전력선 통신을 위한 임피던스와 정전용량 기준을 만족하는 것을 특징으로 하는 전기철도 피뢰기를 이용한 전기철도 전력선 통신 시스템.

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