KR20140004364A - 교류전기철도 급전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 교류전기철도 급전 시스템에 관한 것으로, 3상 전기를 입력받아 M상과 T상의 단상 전기로 출력하는 스코트 변압기; 상기 스코트 변압기로부터 출력된 상기 M상 단상 전기를 직류전기로 변환하여 출력하는 제1컨버터; 상기 스코트 변압기로부터 출력된 상기 T상 단상 전기를 직류전기로 변환하여 출력하는 제2컨버터; 상기 제1컨버터 및 상기 제2컨버터로부터 출력된 직류전기를 교류전기로 변환하여 전차선에 공급하는 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 전철변전소에서 전차선에 동일한 위상의 전압을 공급하여 절연구간을 제거하여 열차운행의 효율성 증대되고, 전차선의 마모감소로 인한 유지보수비용 감소하고, 급전시스템에 과전압이 발생하는 것을 방지하며, 스코트변압기의 불평형을 해소하여 열차에 공급되는 전력의 품질이 개선되며 일반수용가와 전기사용과 전기사업자의 전기생산의 효율성이 증대된다.

Description

교류전기철도 급전 시스템{ALTERNATING CURRENT ELECTRONIC RAILROAD POWER SYSTEM}

본 발명은, 교류전기철도의 급전 시스템에 관한 것으로, 전철변전소에서 전차선으로 공급되는 전기의 위상을 동일하게 하여, 전차선의 절연구간의 제거와 스코트변압기의 불평형을 해소하는 것이다.

도 1은 종래 사용되고 있는 교류전기철도 급전 시스템의 일부를 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하여 종래 사용되고 있는 교류전기철도 급전 시스템의 동작을 설명한다.

전철변전소(100)는 일정거리마다 설치되어 한전변전소(미도시)를 통해 수전받은 3상 전기를 전기철도의 사용에 알맞은 전압으로 변압하여 전차선(TP1,TP2)에 공급한다. 전압을 변압하기 위하여 스코트(Scott)변압기(110)를 사용하며, 스코트 변압기(110)는 한전변전소로부터 공급받은 3상 전기를 90˚의 위상차이를 갖는 M상과 T상으로 각각 변환하여 분전한다. 도 1을 참조하면 M상은 전철변전소(100)를 기준으로 오른쪽 전차선(TP1,TP2)에 공급되고, T상은 왼쪽 전차선(TP1,TP2)에 공급된다.

급전구분소(SP)는 급전계통을 구분하고, 연장급전을 위하여 전철변전소와 전철변전소의 사이에 설치되는 것으로, 한쪽 전철변전소가 정전이나 고장 등으로 인해 전기 공급이 중단되는 경우 급전구분소(SP)의 차단기를 투입하여 연장 급전을 하여 열차의 운행이 가능하게 한다.

보조급전구분소(SSP)는 전철변전소(100)와 급전구분소(SP)의 간격이 멀어서 전차선 작업이나 장애발생시 정전구간이 길어지게 되면 다른 열차의 운행에 지장을 초래하므로, 정전구간을 한정하기 위해 전차선를 따라 일정간격으로 설치한다.

전철변전소(100) 및 급전구분소(SP)를 기준으로 좌우의 전차선은 M상과 T상의 서로 다른 위상을 가진 전압이 흐르고 있으므로, 전철변전소(100) 및 급전구분소(SP)의 좌우방향의 전차선은 전기적으로 서로 절연되어 있어야 한다. 따라서 전차선을 전기적으로 절연시키기 위해 절연구분장치가 설치되어야 하며, 교류전기철도는 에어섹션(A/S)을 사용하여 절연을 하고 있다. 보조급전구분소(SSP)의 경우에도 전차선의 장애발생시 보수작업등을 의해 필요한 일정구간의 정전을 위해 에어섹션(A/S)이 설치되어 있다.

도 2는 에어섹션을 나타낸 도면으로서 도 2(a)는 에어섹션의 좌우 전차선이 전기적으로 절연되어 있는 상태를 나타낸 것이고 도 2(b)는 에어섹션 좌우 전차선이 전기적으로 연결되어 있는 상태를 나타낸 도면이다.

열차가 정상운행되는 경우, 보조급전구분소(SSP)의 좌우 전차선은 서로 전기적으로 연결되어 있어야 하므로 보조급전구분소(SSP)의 에어섹션(A/S)은 도 2(b)와 같이 스위치(SW1,SW2)가 닫힌 상태이어야 한다. 하지만 전차선에 장애가 발생하여 보수가 필요한 경우 보조급전구분소(SSP)의 에어섹션(S/P)은 도 2(a)와 같이 스위치(SW1,SW2)를 개방하여 보수가 필요한 구간을 정전시켜며, 정전구간을 최소화하여 정전으로 인한 다른 열차 운행의 지장을 최소화 한다.

하지만 열차가 정상운행되는 경우 전철변전소(100)와 급전구분소(SP)의 에어섹션(A/S)의 경우에는 이상 전원 간의 상호접촉을 방지하기 위해 서로 절연된 상태이어야 한다. 따라서 도 2(a)와 같이 스위치(SW1,SW2)가 개방된 상태이어야 한다. 반대로 인근 전철변전소가 장애를 일으켜 연장급전이 필요한 경우에는 급전구분소(SP)의 에어섹션(A/S)은 도 2(b)와 같이 스위치(SW1,SW2)를 모두 닫아 장애로 인한 급전 불능상태의 전차선에 연장급전을 실시하여 열차운행의 연속성을 보장하여야 한다.

상기와 같이 스코트변압기(110)의 사용으로 서로 다른 위상을 가진 전압이 동일한 전차선에 공급됨으로 인해, 위상이 변하는 구간에는 절연구분장치인 에어섹션(A/S)이 설치되어야 하나, 열차 전원공급의 연속성을 보장해야 하는 측면에서 절연구간의 존재는 열차운행의 효율성을 저해하는 요소이다. 이는 열차가 절연된 상태에 있는 에어섹션구간에 진입하기 전에 열차의 차단기를 개방하여 전원공급 없이 타행 운행으로 에어섹션구간을 통과하고, 통과 후 차단기를 투입하여 다시 전원을 공급받아 운행하기 때문에 에어섹션구간 전후에서 속도가 줄어들기 때문이다. 또한 이러한 열차 차단기의 개방과 투입은 급전 시스템에 과전압을 발생시키며, 차단기의 개방이 실패하는 경우에는 전차선과 팬터그래프간에 아크가 발생하여 전차선을 손상시켜 유지보수비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한 스코트변압기(110)의 M상과 T상에 동일한 부하가 가해지더라도 위상의 차이에 의해 불평형 전류가 발생하며, 이러한 불평형 전류는 3상측 중선선의 과열과 보호계전기의 오작동으로 인한 전력의 품질 저하 및 변압기 및 선의 손실이 발생하는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 위상이 서로 다른 스코트변압기의 M상과 T상 전기를 컨버터와 인버터를 사용하여 위상을 일치시켜 전차선에 공급하여, 전차선의 절연구간을 제거하는 교류전기철도의 급전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 교류전기철도 급전 시스템은, 3상 전기를 입력받아 M상과 T상의 단상 전기로 출력하는 스코트 변압기; 상기 스코트 변압기로부터 출력된 상기 M상 단상 전기를 직류전기로 변환하여 출력하는 제1컨버터; 상기 스코트 변압기로부터 출력된 상기 T상 단상 전기를 직류전기로 변환하여 출력하는 제2컨버터; 상기 제1컨버터 및 상기 제2컨버터로부터 출력된 직류전기를 교류전기로 변환하여 전차선에 공급하는 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 교류전기철도 급전 시스템은, 상기 인버터의 출력단과 상기 전차선 사이에 설치되어 전차선으로 공급되는 전압을 차단하는 회로차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 교류전기철도 급전 시스템은, 상기 전차선의 정전구간을 나누기 위해 절연기능을 가지는 에어섹션을 구비하는 급전구분소를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 교류전기철도 급전 시스템은, 상기 전차선의 정전구간을 나누기 위해 절연기능을 가지는 에어섹션을 구비하는 보조급전구분소가 전철변전소와 상기 급전구분소 사이에 보강 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 교류전기철도 급전 시스템은, 정상운행시에는 상기 차단기와 상기 에어섹션의 스위치를 닫으며, 비상시에는 상기 차단기 또는 상기 에어섹션 또는 상기 차단기 및 상기 에어섹션의 스위치를 개방하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전철변전소에서 전차선에 동일한 위상의 전압을 공급하여 절연구간을 제거하여 열차운행의 효율성이 증대되고, 전차선의 마모감소로 인한 유지보수비용이 감소하고, 급전시스템에 과전압이 발생하는 것을 방지하며, 스코트변압기의 불평형을 해소하여 열차에 공급되는 전력의 품질이 개선되며 일반수용가와 전기사용과 전기사업자의 전기생산의 효율성이 증대된다.

도 1은 종래 사용되고 있는 교류전기철도 급전 시스템의 일부분을 나타낸 구성도이고,
도 2(a)는 에어섹션의 좌우 전차선이 전기적으로 절연되어 있는 상태를 나타낸 도면이고,
도 2(b)는 에어섹션 좌우 전차선이 전기적으로 연결되어 있는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전기철도 급전 시스템의 일부분을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전기철도 급전 시스템의 제어부를 나타낸 블럭도이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전기철도 급전 시스템의 일부를 나타낸 구성도인바, 이를 참조해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 교류전기철도 급전 시스템은 3상 교류전압을 입력받아 전차선에 공급하는 전철변전소(100')와 급전구분소(SP) 및 보조급전구분소(SSP)를 포함한다.

전철변전소(100')는 3상 전기를 수전받아 M상과 T상의 단상 전압으로 변압하여 출력하는 스코트변압기(110)와, 스코트변압기(110)의 T상 출력을 입력받아 직류전기로 변환하여 출력하는 제1컨버터(CON1)와, M상 출력을 입력받아 직류전기로 변환하여 출력하는 제2컨버터(CON2)와, 제1컨버터(CON1)와 제2컨버터(CON2)의 출력을 입력받아 교류전기로 변환하여 전차선(TP1,TP2)에 교류전기로를 공급하는 인버터(INV)를 포함한다. 인버터(INV)의 출력단과 전차선(TP1,TP2) 사이에 설치되어 전차선에 공급되는 교류전기를 차단하기 위한 차단기(CB)를 더 포함할 수도 있다. 차단기(CB)는 전차선의 보수 또는 사고 발생시 전차선에 공급되는 전원을 차단하여야 할 필요가 있는 경우 차단기를 개방하여 전원공급을 중단한다.

스코트변압기(110)의 M상과 T상의 단상 전압은 제1컨버터(CON1)와 제2컨버터(CON2) 및 인버터(INV)를 거쳐 전차선(TP1,TP2)에 동일한 위상의 단상 교류전기를 공급한다. 전철변전소(100')는 일정한 거리마다 위치하여 전차선에 교류전기를 공급하는데, 상기와 같이 컨버터와 인버터를 이용하면 각 전철변전소(100')에서 전차선에 동일한 위상의 교류전압을 공급할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전기철도 급전 시스템에 의할 경우, 열차가 정상운행되는 경우에도 급전구분소(SP)와 전철변전소(100')에 위치한 에어섹션(A/S)의 스위치(SW1,SW2)가 닫힌 상태에 있어, 도 2(b)와 같이 에어섹션(A/S) 양단의 전차선(TP1)이 전기적으로 서로 연결되어 있는 상태가 된다. 따라서 열차가 급전구분소(SP)와 전철변전소(100')를 통과하는 경우에도 열차의 차단기를 개방 및 투입하지 않아도 된다. 전철변전소(100')에서 전차선(TP1,TP2)에 공급하는 교류전압의 위상을 일치시킴으로 인해, 종래의 열차 차단기의 잦은 개방과 투입에 의한 열차의 속도 감소에 따른 운용효율의 저감과 전차선의 마모에 따른 보수비용 증가 및 급전 시스템에 일시적인 과전압이 발생하는 등의 문제점이 해결될 수 있다.

또한 열차가 정상운행되고 있을 경우에는 전차선(TP1,TP2)이 모두 전기적으로 연결되어 있으므로, 특정 전철변전소에서 장애가 발생하여 전차선으로 전압의 공급이 이루어지지 않는 경우에도 인근에 위치한 전철변전소에서 전기의 공급이 이루어지므로, 종래의 경우와 같이 연장급전을 위해 급전구분소(SP)에 위치한 에어섹션(A/S)의 스위치를 닫을 필요가 없다. 따라서 전철변전소의 장애로 인해 해당 전철변전소에서 전기의 공급이 중단될 경우에도 특별한 조치를 취할 필요가 없게 되어 열차가 차질없이 운행될 수 있게 한다.

동일한 위상의 교류기가 전차선에 공급됨으로 인해 종래 위상이 다른 M상과 T상 간의 부하 불균형에 의해 발생하는 일반수용가와 전기사업자에 대한 영향이 감소하게 된다. 즉 전압불평형에 의해 일반수용가의 3상유도전동기의 출력감소 및 과열 발생과 전력계통의 발전기, 조상기 등의 국부적 열발생에 의한 절연열화 및 유기전압파형 변형발생 및 적산전력계의 오차 및 보호계전기의 오작동의 문제와, 전기사업자(한국전력)의 3상전력계통에 유입된 역상전류에 의해 역상회전자계가 발생하여 발전기 효율 및 출력 감소와 역상전류에 의한 제2고조파 전류를 발생시켜 발전기의 전압파형을 나쁘게 하고 회전자 도체의 온도가 상승되는 문제점이 감소하게 된다.

급전선에 장애가 발생하여 수리가 필요한 경우 수리가 필요한 구간을 한정하여 정전을 시켜야 한다. 이 경우에는 보조급전구분소(SSP)나 급전구분소(SP)에 위치한 에어섹션(A/S)의 스위치(SW1,SW2)를 개방시켜 해당구간을 정전시킨다. 가능한 짧은 구간을 정전시킴으로 인해 수리로 인한 타 열차의 운행에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전기철도 급전 시스템의 제어부를 나타낸 블럭도이며, 본 발명에 따른 교류전기철도 급전 시스템은 전철변전소(100')와 급전구분소(SP) 및 보조급전구분소(SSP)를 감시, 제어, 운용하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 제어부는 전력계통 및 상태변화를 감시·제어하여 상황발생시 신속하게 대처한다. 예를 들면 열차가 정상운행되는 경우에는 차단기 및 에어섹션의 스위치를 모두 닫아서 전차선에 전기공급을 해주어 열차의 운행이 가능하게 한다. 하지만 전차선의 특정 지점에서 고장이 발생하여 수리를 위하여 특정지점을 포함한 일정한 구간을 정전시켜야 하는 비상운행시에는 고장이 발생한 지점의 좌·우방향으로 가장 가까운 전철변전소(100')의 차단기(CB)나 에어섹션(A/S) 또는 급전구분소(SP) 와 보조급전구분소(SSP)의 에어섹션(A/S)의 스위치(SW1,SW2)를 선택적으로 개방하여 일정구간의 전기공급을 제어하여 일정한 구간을 정전시킨다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

100,100'; 전철변전소 110; 스코트변압기 CON1; 제1컨버터
CON2; 제2컨버터 INV; 인버터 CB; 차단기
SP; 급전구분소 SSP; 보조급전구분소 A/S; 에어섹션
TP1,TP2; 전차선 SW1,SW2; 스위치

Claims (5)

1. 3상 전기를 입력받아 M상과 T상의 단상 전기로 출력하는 스코트 변압기;
   상기 스코트 변압기로부터 출력된 상기 M상 단상 전기를 직류전기로 변환하여 출력하는 제1컨버터;
   상기 스코트 변압기로부터 출력된 상기 T상 단상 전기를 직류전기로 변환하여 출력하는 제2컨버터;
   상기 제1컨버터 및 상기 제2컨버터로부터 출력된 직류전기를 교류전기로 변환하여 전차선에 공급하는 인버터;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전기철도 급전 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 인버터의 출력단과 상기 전차선 사이에 설치되어 전차선에 공급되는 전압을 차단하는 차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전기철도 급전 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 전차선은 정전구간을 나누기 위해 절연기능을 가지는 에어섹션을 구비하는 급전구분소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전기철도 급전 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 전차선은 정전구간을 나누기 위해 절연기능을 가지는 에어섹션을 구비하는 보조급전구분소가 전철변전소와 상기 급전구분소 사이에 보강 구비되는 것을 특징으로 하는 교류전기철도 급전 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   정상운행시에는 상기 차단기와 상기 에어섹션의 스위치를 닫으며, 비상운행시에는 상기 차단기 또는 상기 에어섹션 또는 상기 차단기 및 에어섹션의 스위치를 개방하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교류전기철도 급전 시스템.

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