철도 전차선 해빙시스템의 이론해석 및 실증에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 기존선 전철화 구간에서 동절기에 전차선에 생기는 서리와 같은 결빙으로 인해 전기차의 집전이 장해를 받는 것을 방지하기 위하여, 전차선의 결빙을 제거하는 전차선 해빙시스템, 서리감지기 및 운용 소프트웨어에 대해 연구하였다. 기존 전차선에 대한 해빙전류에 따른 전차선의 해빙효과는 선로 주변의 온도, 전차선온도, 풍속, 일사량 등의 모든 영향 변수를 고려하였으며, 또한 넓은 구간에 걸친 전차선의 특성을 고려하여 개활지, 교량, 터널 등 지리적 환경을 고려하여 수치해석적 방법으로 시뮬레이션 하였다. 전차선 해빙시스템의 시뮬레이션 결과, 전차선 온도상승은 전류 및 풍속에 따라 민감하게 변화하며, 전차선보다 조가선의 온도가 더욱 빠르게 증가하는 것으로 관찰되었다. 인가전압이 증가함에 따라 전차선의 해빙임피던스 및 단위 거리에 대한 임피던스가 증가하는 경향을 나타내었으며, 최대 인가전압 150[V]에서 각각 31.139[Ω]과 0.307[Ω]을 나타내었다. 전원 전압을 150[V] 인가한 경우 전차선과 조가선의 전류 분류비는 53.22[%] : 46.78[%]로 실측되었으며, 이론값에 대해 최대 5[%] 이내의 오차범위를 가지는 우수한 특성을 나타내었다. 해빙시스템의 급전반 전압과 전류는 실측값이 예측값에 대해 각각 99.01[%], 96.72[%]를 나타내는 매우 우수한 특성을 나타내었다. Carson-Pollaczek 식을 이용하여 계산한 해빙회로의 임피던스와 실측한 임피던스 값은 각각 35.9339∠70.6°[Ω]와 31.139∠68.3°[Ω]을 나타내었다. 전차선의 온도는 풍속이 증가할수록 감소하였으며, 초기온도에 의해 민감하게 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 장력 추 길이의 변화는 설치된 위치 및 주위 기상상태에 대해 매우 큰 의존성을 나타내었다. 300[A] 이하의 인가전류에서는 10[℃]이상 온도가 상승하지 않으며, 전차선의 온도는 인가전류에 대해 지수함수적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 초기 온도가 0[℃]이며, 인가 전류가 350[A]의 경우 약 15분 내에 온도가 10[℃] 이상 상승하였다. 해빙시스템의 디지털 통신장치와 전력 원격감시 제어 설비 및 소규모 원격감시 제어장치와의 통신은 RS232C 3포트 및 RS 485/422 2포트로 통신을 할 수 있도록 하였다.; In this paper, deicing system, frost sensor and management software installed on express rail catenary were investigated in order to preserve the current collection at the contact wire/collecting strips of pantograph interface. Generally, frost and freezing on contact wire in winter are very serious problems and cause shocks at the mechanical interface such as the collecting strips of the pantograph and the contact wire. The deicing of the express rail catenary with variation of current were investigated as a function of the track temperature, catenary temperature and wind speed. And also, it was simulated by the numerical analysis method with taking into consideration the geographic environment such as the wider sectors, bridges and tunnels. As the results of the simulations, the temperature of catenary was sensitively changed with current and wind speed. The temperature of messenger wire was faster increased than that of the catenary. The deicing impedance and impedance of unit length for the catenary were increased with increasing the applied voltage, 31.139[Ω] and 0.307[Ω] at maximum applied voltage of 150[V], respectively. The current ratio for the catenary and the messenger wire was measured in 53.22[%] and 46.78[%] at applied voltage of 150[V]. It was a very good property with up to 5% tolerance of the theoretical value. The measured voltage and current of the feeder line in the deicing system were about 99.01[%], 96.72[%], compared to estimated values, respectively. The impedance, calculated by using the Carson-Pollaczek relation, of the deicing circuit were measured as 35.9339∠70.6° and 31.139∠68.3°, respectively. The temperature of the catenary are decreased accordingas the wind speed is increased and it was sensitively changed by the initial temperature. The pendulum length of tension represented a very large dependence of the location and weather conditions. The temperature of catenary didn't rise more than 10[℃] when the applied current is less than 300[A], and temperature exponentially increased with increasing the applied current. The temperature of catenary rose more than 10[℃] within 15[min] approximately with the initial temperature of 0[℃] and the applied current of 350[A]. RS232C with 3ports and RS 485/422 with 2ports are used for the communications between several devices such as digital communication devices, supervisory control and data acquisition (SCADA) and small scale remote monitor/control devices of the deicing system.