Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd., Korea.)
  2. (Korea Railroad Corporation, Korea.)



TF-R ground fault, AF-R ground fault, AT feeding method, AC electrical railway system, Fault Locator

1. 서 론

교류 전기철도는 AT(Auto Transformer) 급전방식, BT(Booster Transformer) 급전방식, 직접 급전방식을 대표적으로 가지고 있다. 국내에서는 장거리 급전과 유도장해 측면에서 유리한 AT 급전방식을 주로 채택하고 있으며(1), 변전소에서 급전선을 따라 약 8~12[km] 간격마다 AT를 설치하여 변압기 권선의 중성점을 레일에 연결하여 이용하고 있다. 만약 급전선로에 사고가 발생하는 경우, AT 양단의 약 10[km]의 급전 구간 내의 모든 열차에 영향을 미치게되어 해당 구간에서의 열차운행에 문제가 발생한다. 그러므로 사고가 발생하는 경우, 고장 발생 위치 및 고장 유형등의 정보를 이용하여 신속하고 효율적인 복구를 수행할 수 있다.

급전선로에서 애자의 절연파괴, 조류 접촉 등으로 인하여 급전선(AF, Auto-transformer Feeder)이나 전차선(TF, Trolley Feeder)이 접지와 연결된 레일(R, Rail)과 전기적으로 접촉하는 지락사고가 발생하는 경우, 고장점 표정장치를 이용하여 급전구간에 발생한 고장위치를 예측한다(2).

고장점 표정장치는 고장점 표정을 위하여 리액턴스 방식또는 흡상전류비 방식을 이용한다. 리액턴스 방식은 고장저항 영향 없이 고장점을 표정하는 장점이 있으나 거리대비 리액턴스 값이 비선형적이므로 경우에 따라 다수의 고장점을 표시한다는 단점을 가진다. 흡상전류비 방식의 경우, 단권변압기(AT)의 중성점에서 전류를 측정하고, 각 AT의 전류비를 이용하여 고장점을 표정하여 보다 정확한 표정이 가능하지만 AT 중성점 전류 측정 장치와 통신장비 등의 추가 설비가 필요하다는 단점이 있다 (3-5)

전차선에서 발생하는 지락사고(이하, TF 지락)과 급전선에서 발생하는 지락사고(이하, AF 지락)의 경우는 급전선, 전차선, 레일의 임피던스가 모두 다르기 때문에 사고 거리에 따른 흡상전류비 특성이 다르게 나타난다. 하지만 현재의 모든 지락고장을 TF 지락으로 정보를 제공하고 있다. 흡상전류비 방식의 정확한 표정을 위해서 TF 지락과 AF 지락을 구분하는 것이 요구된다.

TF 지락과 AF 지락 고장 시의 흡상전류비 특성을 이용하여 보다 정확한 고장점 표정을 수행할 수 있기 위한 선행 연구로써 본 논문에서는 고장점 표정장치에서 지락사고 유형을 구분할 수 있는 방법을 제시한다.

본 논문에서는 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electro Magnetic Transients including DC System)를 통한 철도 급전계통에서 지락사고 모델링을 이용하여 지락사고 유형별 전류 파형을 분석한다. 전류 파형을 이용하여 TF 지락과 AF 지락을 구분할 수 있는 방법을 제안한다. 제안된 방법을 우선 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 통해 검증하고, 실제 급전계통에 설치된 고장점 표정장치를 이용하여 유효성을 검증하였다.

2. 교류 전기철도 급전계통의 급전선 지락고장 분석

2.1 PSCAD/EMTDC를 이용한 교류 전기철도 급전계통 급전선 지락고장 시뮬레이션

TF 지락과 AF 지락 발생 시 고장 파형을 분석하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용한 AT 분리급전계통 모델링하였다. 전철변전소(SS, Substation) 1개소, 급전구분소(SP, Sectioning Post) 1개소, 보조구분소(SSP, Sub-Sectioning Post) 1개소로 Fig. 1과 같이 구성하였다. 3상 154kV 전압원(100[MVA])로부터 수전받는 철도변전소에서 스코트변압기(45[MVA])와 단권변압기(AT, Auto-Transformer, 10[MVA])를 통해 단상 27.5kV를 공급하도록 구성하였으며, 상세 파라미터는 (6)을 참조하여 적용하였다. SS와 SP 간, SP와 SSP간의 간격의 각각 10km로 구성하였다. 급전선로계수는 TF의 경우, 0.1076 + j0.2614[Ω/km], 레일의 경우, 0.1052 + j0.4736[Ω/km], 급전선(AF)의 경우, 0.1180 + j0.4519[Ω/km]로 적용하였다(7).

그림 1. PSCAD/EMTDC를 이용한 교류 전기철도 급전계통 급전선 지락고장 시뮬레이션 모델링

Fig. 1. Simulation Model of PSCAD/EMTDC for Railway System of AT Feeding Method.

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig1.png

그림 2. 교류 전기철도 급전계통 급전선 지락고장 시뮬레이션을 위한 시스템 구성

Fig. 2. System Configuration of Simulation Model for Railway System of AT Feeding Method.

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig2.png

국내 AT 분리급전계통에 설치된 각 AT는 중성점은 접지되어 있어, 회로도를 기반으로 한 회로해석 및 분석을 수행하기 어렵다(8). 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 수집된 전류 데이터를 이용하여, TF 지락 및 AF 지락 발생 시의 고장 전류 특성을 추출하고 그 특성을 통한 지락고장 유형 분석방법을 제시하고자 한다. Fig. 2과 같이 TF 지락 및 AF 지락을 발생시킨 후, SS, SP, SSP의 TF 전류와 AT 중성점 전류를 측정하였다. 급전선 지락고장은 SS와 SP 사이(Zone 1)의 구간, SP와 SSP 사이(Zone 2)의 구간에서 TF 지락고장과 AF 지락고장을 각각 발생하여 시험을 수행하였다.

그림 3. TF 지락 시 전류 파형(Zone 1, 3[km], 상행)

Fig. 3. Current Waveforms in case of TF-fault(Zone 1, 3[km], Up Line).

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig3.png

Fig. 3, 4은 SS와 SP 사이(Zone 1)의 상행선로 3[km] 지점에서 TF 지락, AF 지락 모의 결과이다. 정상 운전시에는 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 동일하며, Fig. 3의 결과에서도 알 수 있다시피 TF 지락 발생하는 경우 전철변전소(SS) 상행선로의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 거의 동상이다. 그리고 AF 지락이 발생하는 경우 상행선로에 위치한 SS의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 반대인 것을 확인할 수 있다.

그림 4. AF 지락 시 전류 파형(Zone 1, 3[km], 상행)

Fig. 4. Current Waveforms in case of AF-fault (Zone 1, 3[km], Up Line).

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig4.png

Fig. 5, 6는 SP와 SSP 사이(Zone 2)의 하행선로 13[km] 지점에서 TF 지락, AF 지락 모의 결과이며, TF 지락 발생하는 경우 하행선로의 SP와 SSP의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 거의 동상이며 AF 지락이 발생하는 경우는 하행선로의 SP와 SSP의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 반대인 것을 확인할 수 있다.

그림 5. TF 지락 시 전류 파형(Zone 2, 13[km], 하행)

Fig. 5. Current Waveforms in case of TF-fault(Zone 2, 13[km], Down Line).

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig5.png

그림 6. AF 지락 시 전류 파형(Zone 2, 13[km], 하행)

Fig. 6. Current Waveforms in case of AF-fault(Zone 2, 13[km], Down Line).

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig6.png

상행선로에서 지락고장이 발생한 경우에는 상행선로의 SS의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이, 하행선로에서 지락고장이 발생한 경우에는 하행선로의 SS의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 지락 고장 유형에 따라 구분되는 것을 확인할 수 있었다.

그림 7. 매 1km 지점에서 지락고장 발생 시, TF 전류와 AT 전류의 위상 차 (상행)

Fig. 7. Angle Difference between TF and AT Current when Ground Faults Generate Every 1km (Up Line).

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig7.png

그림 8. 매 1km 지점에서 지락고장 발생 시, TF 전류와 AT 전류의 위상 차 (하행)

Fig. 8. Angle Difference between TF and AT Current when Ground Faults Generate Every 1km (Down Line).

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig8.png

Fig. 7, 8는 급전선 지락고장은 SS와 SP 사이(Zone 1)의 구간, SP와 SSP 사이(Zone 2)의 구간에서 TF 지락고장과 AF 지락고장을 매 1[km] 마다 지락고장을 발생시켜 고장 거리별 TF 전류 위상과 AT 전류 위상의 차이를 나타낸 결과이다.

3. 위상각을 이용한 급전선 지락 고장 유형 판단

3.1 PSCAD/EMTDC를 이용한 지락 고장 유형 판단 방법검증

Fig. 7, 8에서 알 수 있다시피 TF 지락고장 발생 시는 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 거의 동일하고, AF 지락고장 발생 시 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 반대인 성질을 이용하여 급전선 지락고장 유형을 구분할 수 있다. Fig. 9과 같이 TF 전류와 AT 전류의 위상차가 0~90[°] 혹은 270~360[°] 사이에 해당하는 경우 TF 지락으로 판정하고, 90~270[°] 사이에 해당하는 경우 AF 지락으로 판정한다.

그림 9. TF 전류와 AT 전류 위상차를 이용한 지락 고장 유형 구분 방법

Fig. 9. Distinguishing Method of Ground Fault Type Using Angle Difference between TF and AT Current.

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig9.png

3.2 위상각을 이용한 급전선 지락고장 실계통 시험

실제 급전계통에 설치된 AT흡상전류비 방식의 고장점 표정장치에 위상각을 이용한 급전선 지락고장 유형 판단 기능을 추가하여 해당 방법의 유효성을 검증하였다. AT흡상전류비 방식은 단권변압기(AT)의 중성점에서 전류를 측정하여 그 전류들의 비(ratio)로 고장점을 검출하므로 AT 중성점 전류를 측정 가능하다. 리액턴스 방식이 아닌 AT흡상전류비 방식의 고장점 표정장치에 위상각을 이용한 급전선 지락고장 유형 판단 기능을 적용하여 시험을 수행하였다.

Fig. 10, 11은 실제 철도 급전계통에서 발생한 TF 지락 및 AF 지락 시의 변전소의 상행 TF 전류(I-1), 하행 TF 전류(I-2), 상행 AT 전류(I-3), 하행 AT 전류(I-4) 파형을 나타낸 것이다.

그림 10. 실제 전기철도 급전계통에서 TF 지락고장 발생 시의 전류 파형

Fig. 10. Current Waveforms in case of TF-fault in Real-field Railway System of AT Feeding Method.

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig10.png

앞서 설명했던 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 결과와 동일하게 실제 계통에서도 TF 지락 발생하는 경우 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 거의 동상이며 AF 지락이 발생하는 경우는 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 반대인 것을 확인하였고, TF 지락(TF-R), AF 지락(AF-R)을 구분하는 것을 확인할 수 있었다.

그림 11. 실제 전기철도 급전계통에서 AF 지락고장 발생 시의 전류 파형

Fig. 11. Current Waveforms in case of AF-fault in Real-field Railway System of AT Feeding Method.

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/fig11.png

위상각을 이용한 급전선 지락고장 유형 판단 방식의 경우 고장점 표정장치 모장치(Master)에서 TF 전류와 AT 전류의 크기, 위상을 측정한다면 고장점 표정장치 모장치(Master)와 자장치(Slave)간의 데이터 동기화를 요구하지 않으므로 별도의 추가 장비가 요구되지 않으므로 고장점 표정장치 모장치(Master)의 기능만 추가하여 구현 가능하므로 기능 추가에 소요되는 비용은 크지 않을 것으로 판단된다.

5. 결 론

급전선로에서 애자의 절연파괴, 조류 접촉 등으로 인하여 AF나 TF 선이 접지와 연결된 레일선과 전기적으로 접촉하는 지락사고가 발생하는 경우, AT 양단의 약 10[km]의 급전 구간 내의 모든 열차에 영향을 미치게되어 해당 구간에서의 열차운행에 문제가 발생한다. 신속하고 효율적인 사고 고장복구에 도움을 줄 수 있는 다양한 정보가 요구된다. 본 논문에서는 고장 발생 시의 사고 전류를 이용한 지락고장 판별법을 제시하기 위해 PSCAD/EMTDC를 통한 철도 급전계통에서 지락사고 모델링을 수행하여 지락사고 유형별 전류 파형을 분석하였다. TF 지락 발생 시는 TF 전류와 AT 전류 위상이 거의 동일하고, AF 지락 발생 시 TF 전류와 AT 전류 위상은 반대인 특성을 도출하였다. TF 전류와 AT 전류의 위상차를 이용한 지락사고 유형을 구분할 수 있는 방법을 제시한다. 지락고장 판별법은 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션과 실선로 시험을 통해 해당 기능을 검증하여 정상적 동작을 확인하였다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 21RTRP-B146034-04).

References

1 
M. S. Kim, S. H. Choe, J. W. Lee, 2011, A Study on the Voltage Drop and Earth Leakage Current according to Interval of AT in the AT Feeding Method, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 60, No. 9, pp. 1708-1714DOI
2 
S.-H. Chang, J.-M. Lee, 1998, The Analysis of Protection Characteristics and Fault-Locator Simulation on the Electrical Railway, Journal of the Korean Society for Railway Fall Conference, pp. 262-269Google Search
3 
Yusuke Hayashi, 2006, Real Time Fault Detection of Railway Vehicles and Tracks, The Institution of Engineering and Technology International Conference, pp. 20-25DOI
4 
W. I. Kim, K. S. Lee, N. G. Jung, J. M. Kim, 2018, Performance verification on the Impedance Relay Method using Failure Simulator of AT Feeding System, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 67, No. 2, pp. 325-330DOI
5 
H. S. Jung, Y. Park, H. C. Kim, M. H. Min, 2011, A Study on Fault Location Estimation Technique Using the distribution Ratio of Catenary Current in AC Feeding System, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 14, No. 5, pp. 404-410DOI
6 
N.G. Jung, H.S. Jung, K.W. Koo, J. M. Kim, 2014, The Analysis of Short Current on Actual System through Power Analysis of AT Feeder System for Electric Railway, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63, No. 11, pp. 1582-1587DOI
7 
Y. J. Jeon, J. C. Kim, 2017, Study on the Railway Fault Locator Impedance Prediction Method using Field Synchronized Power Measured Data, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 20, No. 5, pp. 595-601DOI
8 
G. J. Cho, K. S. Ryu, H. D. Lee, S. H. Heo, 2015, The Analysis of Trolley-Rail Short Circuit Current in a Single Track AT Feeding System, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 64, No. 12, pp. 1659-1665DOI

저자소개

이지혜(Jihye Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/au1.png

She received MS degree in electric engineering from Seoul National Univ. of Science & Technology.

She is currently a research engineer with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd.

Her research interests are power system protection engineering and its digital processing algorithms.

민명환(Myung-Hwan Min)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/au2.png

He received MS degree in electric engineering from Sungkyunkwan University.

He is currently a senior research engineer with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd.

His research interests are protection algorithms for power electric system and its analysis.

안태풍(Tae-Pung An)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/au3.png

He received BS degree in electric engineering from Sungkyunkwan University.

He is currently a senior research engineer with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd.

His research interests are protection, control, communication monitoring system for power electric system.

이병곤(Byeong-Gon Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1737/au4.png

He received MS degree in electric engineering from Chungnam University.

He is currently a head of power feeding system research group, Korea Railroad Corporation.

His research interests are electro-railway system operation techniques and its management.