KR20200049916A - 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치 - Google Patents

에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치에 관한 것으로, 전기철도차량의 팬터그래프에 설치되어, 상기 팬터그래프의 상태를 검측하는 검측부, 상기 팬터그래프의 일 측면에 고정되는 절연지지대, 상기 절연지지대에 의해 지지되고, 상기 전기철도차량의 지붕과 평행하게 배치되는 도체판 상기 도체판을 통해 전기장 에너지를 수집하여 상기 검측부에 전력을 공급하는 하베스터부 및 상기 도체판과 상기 하베스터부를 연결하는 도전성 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치{APPARATUS FOR DETECTING CONDITION OF PANTOGRAPH IN ELECTRICAL RAILWAY VEHICLE USING ENERGY HARVESTING AND POWER SUPPLY APPARATUS FOR THE SAME}
본 발명은 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자기 방식으로 에너지를 수확하여 이용하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적인 전기철도차량는 전기를 동력원으로 하며, 전력을 공급하는 전차선(電車線)으로부터 전동차의 지붕에 설치된 팬터그래프 장치를 통해 전력을 공급받는다.
이러한 팬터그래프는 마름모꼴로 접을 수 있게 짠 틀 위에 상부 가선인 전차선과 접촉하는 집전부를 갖춘 것인데 스프링 또는 압축공기의 힘으로 가선이 밀착하도록 밀어 올리는 구조를 가진다.
이러한 차량 상부의 집전설비인 팬터그래프는 25kV의 고압의 전력을 집전하여 차량 내부에 전달해 주는 역할을 하며, 철도 차량의 차체는 바퀴를 통해 접지되어 있기 때문에 팬터그래프는 차체와 절연애자로 절연이 되어 있다.
팬터그래프는 상부 가선인 전차선과 물리적인 접촉이 일어나는 구조로, 마모와 이선 등의 문제 발생에 주의하여야 하므로, 이에 대한 유지보수가 중요하다.
이에 따라, 팬터그래프의 물리적인 특성을 실시간으로 검측하여 유지보수를 효과적으로 하기 위한 장치들이 개발되고 있다. 그러나 고압 환경인 팬터그래프 위에 설치되는 검측장치(예: 충격검측장치, 이선검측장치)의 경우, 절연을 유지하기 위해 외부에서 전원을 공급받기 어려워 배터리를 사용한다. 그런데, 이러한 검측장치들 중에는 외부와의 무선통신을 수행하는 장치가 많아 전력을 많이 소비하는 경우가 많으며, 이에 따라 대용량 배터리를 사용해야 하고, 배터리의 교체 주기가 수개월 이하로 짧은 경우가 많다.
배터리 교체 시에는 가선의 전력을 차단하고, 사람이 차량 지붕에 올라가 작업해야 하므로, 비용이 많이 들고 안전사고의 위험이 있다.
따라서, 검측장치 자체적인 전력 생산이나 충전 기술에 대한 수요가 늘어나고 있으나, 태양광 발전 장치 등은 배터리의 사용시간을 늘려주지만 근본적으로 유지보수를 없애지 못하며, 배터리의 보조 수단으로 활용되고 있다.
한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1439266호(2014.09.02)에 개시되어 있다.
본 발명은 배터리를 주요 전원으로 이용하지 않고, 전기철도의 집전장치 고압부에서 검측장치에 전력을 공급할 수 있는 장치 및 이러한 전력 공급 장치가 적용된 검측장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치는 전기철도차량의 팬터그래프에 설치되어, 상기 팬터그래프의 상태를 검측하는 검측부; 상기 팬터그래프의 일 측면에 고정되는 절연지지대; 상기 절연지지대에 의해 지지되고, 상기 전기철도차량의 지붕과 평행하게 배치되는 도체판; 상기 도체판을 통해 전기장 에너지를 수집하여 상기 검측부에 전력을 공급하는 하베스터부; 및 상기 도체판과 상기 하베스터부를 연결하는 도전성 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 하베스터부는, 상기 도전성 와이어에 연결된 변압기 및 상기 변압기의 출력을 직류로 변환하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 절연지지대는 상기 팬터그래프의 일 측면에서 외부방향으로 뻗는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 도체판은 상기 팬터그래프의 절연애자보다 높게 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치는 상기 하베스터부에 의해 충전되고, 상기 검측부에 전력을 공급하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 하베스터부는 상기 배터리를 통해 상기 검측부에 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전원 공급 장치는 전기철도차량의 팬터그래프의 일 측면에 고정되는 절연지지대; 상기 절연지지대에 의해 지지되고, 상기 전기철도차량의 지붕과 평행하게 배치되는 도체판; 상기 도체판을 통해 전기장 에너지를 수집하여 외부 장치에 전력을 공급하는 하베스터부; 및 상기 도체판과 상기 하베스터부를 연결하는 도전성 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치에 의하면, 검측장치에 대용량 배터리를 구비할 필요가 없어, 배터리의 교체에 따른 유지보수가 필요하지 않다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치에 의하면, 팬터그래프와 차량지붕의 고압 전위차를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하므로, 전차선에 메인전류가 흐르지 않고 가압만 되어 있어도 전력을 수집할 수 있으므로, 상시 전원을 유지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치의 전력 수집을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치를 위한 전원 공급 장치의 전력 수집을 설명하기 위한 등가회로를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치를 위한 전원 공급 장치를 설명하기 위한 회로를 나타낸 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치는 하베스터부(10), 배터리(20) 및 검측부(30)를 포함할 수 있다.
검측부(30)는 팬터그래프(300)에 설치되어, 팬터그래프(300)의 상태를 검측할 수 있다. 이를 위해 검측부(30)는 센서부, 제어부, 통신부 등이 구비될 수 있다. 검측부(30)는 팬터그래프(300)의 충격, 진동, 이선 등을 검측할 수 있으며, 이들 중 하나 또는 복수개의 인자(상태)를 검측하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 센서부에는 카메라, 아크 검출 센서, 진동 검출 센서, 충격 검출 센서 등이 구비될 수 있다.
제어부는 센서부 및 통신부를 제어할 수 있으며, 통신부는 센서부에서 검출된 정보를 외부의 제어 장치, 분석 장치 등에 무선 통신으로 전달할 수 있다.
이러한 구성 이외에도 팬터그래프(300)의 다양한 상태를 검측할 수 있는 구성이 본 실시예에 적용될 수 있으며, 이미 널리 사용되고 있는 검측장치의 구성을 차용해서 활용할 수 있다.
하베스터부(10)는 에너지 하베스팅을 수행하여 에너지를 수집할 수 있다. 하베스터부(10)는 후술할 도체판(100)의 구성을 이용하여 전기장 에너지를 수집하고, 이를 사용 가능한 형태로 변환할 수 있다. 이러한 하베스터부(10)의 구체적인 동작은 후술하기로 한다.
하베스터부(10)는 수집된 에너지를 사용하여 배터리(20)를 충전할 수 있다. 또한 일부 실시예에서 하베스터부(10)는 검측부(30)에 전원을 직접 공급할 수 있다. 따라서 일부 실시예에서 검측장치는 배터리(20)를 구비하지 않을 수 있다. 다른 실시예에서 하베스터부(10)는 배터리(20)의 충전만을 수행하고, 검측부(30)는 배터리를 통해 전원을 공급받는 형태로 장치가 구성될 수도 있다. 또 다른 실시예에서 검측부(30)는 하베스터부(10)로부터 전원을 공급받되, 부족한 전원을 배터리(20)에서 공급받는 형태로 구성될 수 있다.
이렇게 검측장치는 하베스터부(10)를 통해 수집된 전력을 이용하여 동작할 수 있으므로, 기존의 검측장치와 같이 고용량의 배터리를 구비할 필요가 없다.
도 2에서 확인할 수 있듯이, 검측장치는 절연지지대(110)를 통해 팬터그래프(300)의 일 측면에 지지된 도체판(100)을 포함한다.
절연지지대(110)는 팬터그래프의 일 측면에 고정되고, 외부방향으로 뻗는 형태로 구성된다.
팬터그래프(300)는 절연애자를 통해 차량지붕에 고정되며, 차량지붕 기준 도체판(100)의 높이는 절연애자의 높이랑 같거나, 이보다 높을 수 있다. 이는 철도차량의 절연 성능을 만족하기 위함이다.
도체판(100)은 절연지지대(110)를 통해 팬터그래프(300) 및 차량 지붕과 전기적으로 분리될 수 있다.
도체판(100)은 바람직하게 차량지붕과 평행하게 배치되어, 전차선 및 팬터그래프(300)에 추가적인 캐피시턴스를 형성할 수 있다. 이를 위해 도체판(100)은 철, 구리, 알루미늄 등의 금속 재료로 구성될 수 있다.
여기서 평행하게 배치된다함은, 차량지붕과 도체판(100)이 대략 180도 내외의 각도로 배치됨을 의미한다.
도체판(100)은 도전성 와이어(120)를 통해 검측장치 본체(200)에 위치한 하베스터부(10)에 연결될 수 있다.
한편 이러한 도체판(100), 절연지지대(110), 도전성 와이어(120) 및 하베스터부(10)를 포함하는 구성은 팬터그래프 상태 검측장치를 위한 전원 공급 장치로서 구성될 수 있다. 일부 실시예에서 이러한 전원 공급 장치에 배터리(20)가 더 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치의 전력 수집을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치를 위한 전원 공급 장치의 전력 수집을 설명하기 위한 등가회로를 나타낸 예시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치를 위한 전원 공급 장치를 설명하기 위한 회로를 나타낸 예시도이다.
도 3에 도시된 것과 같이, 도체판(100)의 전력 수집 방식은 전기장 에너지에 형성되는 캐패시턴스로 등가화 하여 설명할 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 차량 상부의 집전설비에 도체판(100)이 존재하면 기존에 존재하는 캐패시턴스 (C1-1, C1-2)외에 C2-1, C2-2, C3가 생성된다. C1-1은 전차선과 차량지붕 사이에 존재하는 캐패시턴스이고, C1-2는 팬터그래프(300)와 차량지붕 사이에 존재하는 캐패시터를 의미한다. C2-1는 도체판(100)과 팬터그래프(300) 사이의 캐패시턴스이고, C2-2는 전차선과 도체판(100) 사이의 캐패시턴스, C3은 도체판(100)과 차량지붕 사이의 캐패시턴스이다.
이를 등가회로로 표현하면 도 4에 도시된 회로와 같다. 이때 VS는 가선의 전압을 의미하며 일반적으로 교류가선에서는 25kVrms가 가해진다.
병렬로 연결되는 C1-1, C1-2과 C2-1, C2-2은 각각 한 개의 캐패시터로 표현이 가능하며, 이를 C1, C2로 나타내고, 검측장치 본체(200)에 위치한 하베스터부(10)와 전원공급을 받는 부하(CL, RL)(배터리(20), 검측부(30))를 회로로 표현하면, 도 5와 같다.
하베스터부(10)에 포함된 변압기(TF)는 도체판(100)에 수집되는 전기 에너지의 전압을 필요한 수준으로 낮춰주는 역할을 하며, 하베스터부(10)에 포함된 정류기는 변압기의 출력을 직류로 변환할 수 있다. 본 실시예에서는 하베스터부(10)가 이와 같은 변압기와 정류기로 구성되는 것으로 설명하였으나, 부하에서 요구하는 전압/전류 조건을 만족시키는 다른 구성의 사용도 가능하다.
도체판(100)에 의해 수집되는 전력량은 변압기에 얼마나 큰 전압/전류가 가해지는지에 따라 결정된다. 먼저 25kV의 전압은 C2, 변압기의 병렬임피던스와 C3에 의해 분배가 된다. 변압기 1, 2차측이 고려된 등가 임피던스를 ZTF라 하면, 다음과 같은 관계식이 정립된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
VTF는 변압기에 분배되는 전압을 의미하며, C3가 클수록 높아짐을 알 수 있다. 또한 전류는 먼저 VS에서 나오는 전류(IS)가 I1과 I3로 분배되는데 I3는 C1의 임피던스와 a점선의 왼쪽에 해당하는 등가 임피던스에 의해 결정된다.
이때 C3는 C2, 변압기와 직렬로 연결되어 있어 C3의 임피던스 값(=
Figure pat00003
)이 높으면 변압기의 임피던스에 관계없이 높은 전류를 흘릴 수 없다. 따라서 C3의 임피던스 값이 낮아야 하며, 이때에도 C3의 값이 높아야 한다.
최종적으로 변압기에 흐르는 전류(ITF)는 I3에서 I2로 흘러들어간 전류를 빼주어야 하는데, C2의 값이 매우 작은 경우 임피던스가 커지게 되어 ITF로 대부분의 전류가 흐르게 된다. 도 3에서 확인할 수 있듯이, 도체판(100)과 팬터그래프(300)는 수평으로 배치되어 마주보는 형태가 아니므로, C2에 해당하는 캐패시턴스가 크게 형성되지 않는다.
따라서 변압기에 전달되는 전력은 C3의 값이 클수록 높게 나타난다. C3은 도체판(100)과 차량지붕 사이의 캐패시턴스를 의미하며, C3의 값으로 큰 값을 얻기 위해서는 도체판(100)의 면적을 크게 해주거나, 캐패시턴스를 향상시킬 수 있는 구조를 적용하면 된다.
가로 (mm) 세로 (mm) 캐패시턴스 (pF)
10 10 1.2
50 50 2.7
100 100 5.4
150 150 7.9
200 200 10.6
300 300 16.8
400 400 24.3
500 500 31.8
상기 표는 차량지붕에서 350 mm 떨어진 평행 도체판(100)의 캐패시턴스를 측정한 결과이며, 이 값을 바탕으로 부하(RL)에 전달되는 전력을 계산할 수 있다. 여기서 C1은 계산 결과에 영향을 주지 않으며, C2는 1pF의 낮은 값으로, 변압기의 비율은 900:1로 설정하였다.
계산을 수행하면, C3가 5pF 일 때에 약 1W의 전력이 전달되고, 30pF 일 때, 약 6W의 전력이 전달됨을 확인할 수 있다. 또한 전달되는 전력은 C3의 값과 비례한 결과를 얻을 수 있다. 현재 사용되고 있는 검측장치에서 사용하는 전력은 수 W 미만이므로, 본 실시예에 따른 전원 공급 장치를 통해 검측장치를 구동하고 충전할 수 있는 충분한 전력을 수집할 수 있다.
한편 상술한 내용은 전차선에 가압만 되어 있는 조건을 나타낸 것이며, 이는 실제 전차선-팬터그래프(300)에 메인전류가 흐를 때에도 동일하게 적용될 수 있다. 차량에서 전력을 소비하는 경우에 그림 5의 구조에서 C1과 병렬로 차량에서 소비하는 만큼의 등가 가변저항을 연결할 수 있다. 따라서 어떤 저항값이 오더라도 도체판(100)에 가해지는 전압은 변하지 않으므로 동일한 설명이 가능하다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 전원 공급 장치는 전차선에 가압만 되어 있는 경우와 전차선-팬터그래프(300)에 메인전류가 흐르는 경우에 동일한 전력 수집 결과를 얻을 수 있으므로, 상시 전원으로 동작하는 것이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 하베스터부
20: 배터리
30: 검측부
100: 도체판
110: 절연지지대
120: 도전성 와이어
200: 검측장치 본체
300: 팬터그래프

Claims (12)

  1. 전기철도차량의 팬터그래프에 설치되어, 상기 팬터그래프의 상태를 검측하는 검측부;
    상기 팬터그래프의 일 측면에 고정되는 절연지지대;
    상기 절연지지대에 의해 지지되고, 상기 전기철도차량의 지붕과 평행하게 배치되는 도체판;
    상기 도체판을 통해 전기장 에너지를 수집하여 상기 검측부에 전력을 공급하는 하베스터부; 및
    상기 도체판과 상기 하베스터부를 연결하는 도전성 와이어를 포함하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하베스터부는, 상기 도전성 와이어에 연결된 변압기 및 상기 변압기의 출력을 직류로 변환하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연지지대는 상기 팬터그래프의 일 측면에서 외부방향으로 뻗는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도체판은 상기 팬터그래프의 절연애자보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하베스터부에 의해 충전되고, 상기 검측부에 전력을 공급하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하베스터부는 상기 배터리를 통해 상기 검측부에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치.
  7. 전기철도차량의 팬터그래프의 일 측면에 고정되는 절연지지대;
    상기 절연지지대에 의해 지지되고, 상기 전기철도차량의 지붕과 평행하게 배치되는 도체판;
    상기 도체판을 통해 전기장 에너지를 수집하여 외부 장치에 전력을 공급하는 하베스터부; 및
    상기 도체판과 상기 하베스터부를 연결하는 도전성 와이어를 포함하는 전원 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하베스터부는, 상기 도전성 와이어에 연결된 변압기 및 상기 변압기의 출력을 직류로 변환하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 절연지지대는 상기 팬터그래프의 일 측면에서 외부방향으로 뻗는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 도체판은 상기 팬터그래프의 절연애자보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 하베스터부에 의해 충전되고, 상기 외부 장치에 전력을 공급하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하베스터부는 상기 배터리를 통해 상기 외부 장치에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.
KR1020180129478A 2018-10-29 2018-10-29 에너지 하베스팅을 이용한 전기철도차량의 팬터그래프 상태 검측장치 및 이를 위한 전원 공급 장치 KR102148922B1 (ko)

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WO2024056636A1 (de) * 2022-09-16 2024-03-21 Schunk Transit Systems Gmbh Stromabnehmer mit sensoreinrichtung und verfahren zum betrieb

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