KR102165324B1 - 철도 직류급전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 철도 직류급전 시스템은, 철도차량에 전원을 공급하기 위해 양 변전소 사이에 연결된 레일 및 전차선; 상기 레일과 병렬로 연결되는 급전선; 및 상기 양 변전소 사이에 상기 레일, 전차선 및 상기 급전선과 병렬로 연결되며, 상기 레일 및 전차선 사이의 전압차와 상기 레일 및 급전선 사이의 전압차를 동일하게 유지하는 둘 이상의 컨버터부를 포함한다.

Description

철도 직류급전 시스템{TRAIN POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 귀선전류 및 전압강하를 저감할 수 있는 철도 직류급전 시스템에 관한 것이다.
철도 직류급전 시스템은 철도차량에 전력을 공급하기 위해 전차선과 레일을 귀로로 하는 직접급전방식을 사용하고 있다. 또한 교류와는 달리 직류는 위상을 갖고 있지 않기 때문에 변전소간을 서로 연결하는 병렬급전을 하기 때문에 양단의 전원공급에 따른 전압강하 보상 및 레일전류가 분류되는 구성이 필요하다.
도 1을 참조하면, 종래의 철도 직류급전 시스템(10)은 양 변전소(11) 각각에 다이오드 정류기를 구비하고, 변전소(11)의 일단이 전차선(EL)에 타단이 레일(RL)과 연결되어 철도차량(TN)에 전력을 공급하고 있다. 직류계통은 위상차가 없기 때문에 절연구분을 하지않고 변전소간을 연결하여 병렬운전을 하고 있어 철도차량(TN) 부하에 의한 전압강하에 유리하다.
그럼에도 불구하고, 양 변전소 사이의 구간에서 누설전류 및 전압강하가 발생하여, 변전소 사이 구간이 길수록 전력손실이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 변전소가 설치되는 구간을 짧게 하면 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 귀선전류 및 전압강하를 저감할 수 있는 철도 직류급전 시스템을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 철도 직류급전 시스템은, 철도차량에 전력을 공급하기 위한 변전소; 두 변전소 사이에 연결된 레일 및 전차선; 상기 레일과 병렬로 연결되는 급전선; 및 상기 양 변전소 사이에 상기 레일, 전차선 및 상기 급전선과 병렬로 연결되며, 상기 레일 및 전차선 사이의 전압차와 상기 레일 및 급전선 사이의 전압차를 동일하게 유지하는 둘 이상의 컨버터부를 포함한다.
또한, 상기 변전소, 상기 전차선 및 상기 컨버터부와 연결되는 제1 노드와, 상기 변전소, 상기 레일 및 상기 컨버터부와 연결되는 제2 노드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨버터부는 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드 사이에 연결되는 제1 커패시터와, 상기 제2 노드 및 상기 급전선 사이에 연결되는 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레일 및 상기 제2 노드는 접지 전위일 수 있다.
또한, 상기 양 변전소 사이의 구간을 n개로 구획하기 위해 상기 컨버터부는 n+1개 구비될 수 있다.
또한, 상기 n+1개의 컨버터부는 양 변전소 사이에 등간격으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 철도차량은 상기 레일 및 전차선과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 컨버터부는 Buck-Boost 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 변전소는 다이오드 정류기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 철도 직류급전 시스템은, 양 변전소 사이에 급전선과 병렬로 연결되며, 변전소로부터 제공되는 전압을 변환 공급하는 둘 이상의 컨버터부를 이용해 단권변압기(autotransformer) 기능을 구현함으로써, 귀선전류 및 전압강하를 저감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 철도 직류급전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 철도 직류급전 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 직류급전 시스템의 등가 회로도이다.
본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다," "포함할 수 있다." 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작, 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작, 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 철도 직류급전 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 직류급전 시스템의 등가 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 직류급전 시스템(100)은 변전소(110), 레일(RL), 전차선(EL1), 급전선(EL2), 둘 이상의 컨버터부(120)를 포함할 수 있다.
변전소(110)는 철도차량(TN)에 전력을 공급하기 위해 철도차량(TN)의 경로 상에 구비된다. 변전소(110)는 외부로부터 공급되는 교류 전류를 직류 전류로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 변전소(110)는 다이오드 정류기를 포함할 수 있다.
레일(RL)과 전차선(EL1)은 두 변전소(110) 사이에 연결된다. 예컨대, 전차선(EL1)은 변전소(110)의 양극 측에 연결되고, 레일(RL)은 변전소(110)의 음극 측에 연결될 수 있다.
또한, 레일(RL) 및 전차선(EL1)은 철도차량(TN)과 전기적으로 연결된다. 레일(RL)은 철도차량(TN)의 경로로서, 철도차량(TN)의 바퀴와 맞닿을 수 있다. 레일(RL)은 도체로 이루어지며 접지 전위일 수 있다. 전차선(EL1)은 철도차량(TN)에 소정 전위의 전력을 공급하며, 철도차량(TN)의 상부와 전기적으로 연결된다. 예컨대, 전차선(EL1)에 공급되는 전력은 750V, 1500V 또는 3000V의 직류 전압일 수 있다.
변전소(110)는 레일(RL)을 따라 일정한 간격으로 설치될 수 있다. 그런데, 변전소(110) 간 구간이 길수록 누설전류 및 전압강하가 발생하여, 전력손실이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 변전소 사이 구간을 짧게 하면 변전소 설치 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 철도 직류급전 시스템은 변전소(110) 사이에 별도의 급전선(EL2)과, 둘 이상의 컨버터부(120)를 이용해 단권변압기(autotransformer) 기능을 구현함으로써, 귀선전류 및 전압강하를 저감할 수 있다.
급전선(EL2)은 레일(RL)과 병렬로 연결된다. 급전선(EL2)은 철도차량(TN) 상단부에 전차선(EL1)과 복선으로 나란히 설치될 수 있다.
컨버터부(120)는 양 변전소(110) 사이에 레일(RL), 전차선(EL1) 및 급전선(EL2)과 병렬로 연결된다. 컨버터부(120)는 레일(RL) 및 전차선(EL1) 사이의 전압차와 레일(RL) 및 급전선(EL2) 사이의 전압차를 동일하게 유지한다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 철도 직류급전 시스템(100)의 등가 회로는 변전소(110), 전차선(EL1) 및 컨버터부(120)와 연결되는 제1 노드(N1)와, 변전소(110), 레일(RL) 및 컨버터부(120)와 연결되는 제2 노드(N2)를 더 포함한다. 레일(RL)이 접지 전위이므로, 제2 노드(N2)는 접지 전위이다.
그리고, 컨버터부(120)는 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2) 사이에 연결되는 제1 커패시터(C1)와, 제2 노드(N2) 및 급전선(EL2) 사이에 연결되는 제2 커패시터(C2)를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)는 동일한 정전용량일 수 있다.
양 변전소 사이의 구간을 n개로 구획하기 위해 컨버터부(120)는 n+1개 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 4개의 컨버터부(120) 즉, 제1 내지 제4 컨버터부(121, 122, 123, 124)를 이용해 변전소 사이 구간을 3개로 구획함을 예로서 설명하기로 한다. 그리고, 변전소 사이 구간(d)은 등간격 구획되어 3개의 구간을 제1 내지 제3 구간(d1, d2, d3)으로 지칭하기로 한다. 또한, 전차선(EL1), 급전선(EL2), 레일(RL)의 저항이 동일하고, 철도차량(TN)이 제2 구간(d2)에서 전류(Is)를 소비하고 있다고 가정한다.
레일(RL)에 흐르는 전류의 경우, 제1 구간(d1) 및 제3 구간(d3)의 전류는 평형이 되어 0이 되고, 철도차량(TN)이 위치한 제2 구간(d2)에서만 전류가 흐르게 되며, 레일(RL)에 인가되는 전압은 종래보다 절반으로 감소하게 된다.
이 경우, 컨버터부(120)는 전원측 전압 대비 부하측 전압이 반으로 강압되는 단권변압기(autotransformer)로서 기능한다. 따라서, 귀선전류 및 전압강하를 저감할 수 있다.
구체적으로 도시되지 않았으나, 컨버터부(120)는 제1 및 제2 커패시터(C1, C2) 사이에 병렬 접속되는 인덕터(미도시)와, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 충방전을 위한 복수의 스위칭 소자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한, 컨버터부(120)는 Buck-Boost 컨버터로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 컨버터부(120)는 공지된 다양한 컨버터 회로로 구현될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 철도 직류급전 시스템은, 양 변전소 사이에 급전선과 병렬로 연결되며, 변전소로부터 제공되는 전압을 변환 공급하는 둘 이상의 컨버터부를 이용해 단권변압기(autotransformer) 기능을 구현함으로써, 귀선전류 및 전압강하를 저감할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 본 발명의 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 철도 직류급전 시스템
110: 변전소
120: 컨버터부
RL: 레일
EL1: 전차선
EL2: 급전선

Claims (9)

  1. 철도차량에 전력을 공급하기 위한 변전소;
    두 변전소 사이에 연결된 레일 및 전차선;
    상기 레일과 병렬로 연결되는 급전선; 및
    상기 양 변전소 사이에 상기 레일, 전차선 및 상기 급전선과 병렬로 연결되며, 상기 레일 및 전차선 사이의 전압차와 상기 레일 및 급전선 사이의 전압차를 동일하게 유지하는 둘 이상의 컨버터부를 포함하되,
    상기 컨버터부는
    상기 전차선과 상기 레일 사이에 연결되는 제1 커패시터와,
    상기 레일과 상기 급전선 사이에 연결되는 제2 커패시터와,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터 사이에 병렬 접속되는 인덕터와,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 충방전을 위한 복수의 스위칭 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변전소, 상기 전차선 및 상기 컨버터부와 연결되는 제1 노드와,
    상기 변전소, 상기 레일 및 상기 컨버터부와 연결되는 제2 노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는,
    상기 제1 노드 및 상기 제2 노드 사이에 연결되고,
    상기 제2 커패시터는,
    상기 제2 노드 및 상기 급전선 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 레일 및 상기 제2 노드는 접지 전위인 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양 변전소 사이의 구간을 n개로 구획하기 위해 상기 컨버터부는 n+1개 구비되는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 n+1개의 컨버터부는 양 변전소 사이에 등간격으로 구비되는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 철도차량은 상기 레일 및 전차선과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는 Buck-Boost 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 변전소는 다이오드 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 직류급전 시스템.
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