1. 전력공급시스템의 목적은 제1절에서 제6절까지 제시된 경량전철시스템에 필요한 전력을 경제적, 안정적으로 공급하는 것이다.
2. 전력공급시스템은 본 사업의 목표노선에 적합해야하고 그 적합성을 경량전철시스템 구축(시제차와 시험선)을 통하여 보여주어야 한다.
3. 전력공급시스템의 개념설계, 해석, 모의 및 시험의 과정을 거쳐 전체시스템 및 구성시스템의 설계기준 및 사양이 작성되어야 한다.
4. 국내의 KS 및 국제규격 IEC에 부합되도록 설계되어야 하며 인접시스템과의 협조가 필요할 경우는 인접되는 시스템과 사전 조율한 방안으로 설계되어야 한다.
5. 시스템은 크게 수변전 및 배전설비와 전차선로설비로 구분되며 미래지향적으로 설계되어야 하며 대중교통수단의 특성을 고려하여 1개의 구성품의 고장시에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 신뢰도 높은 시스템이 되어야 한다.
수변전 및 배전설비
1. 한국전력공사의 154kV 변전소로부터 22.9kV로 수전하며, 신뢰도 향상을 위하여 인접 경량전철변전소와의 연락송전망 구성등 수전망을 다중화 한다.
2. 수변전소의 형식과 각 형식의 변전소에서의 모선형식, 정류방식, DC 급전방식, 보호방식, 접지방식등 분야별 설계기준을 작성한다.
3. 고조파, 전압불평형, 역률, 접지, 절연협조, 보호협조등은 한국전력공사의 규제 및 정책에 맞추어 설계되어야 한다
4. 수변전소 및 급전계통의 보호 및 제어방식이 개발되어야 한다. 보호 및 제어방식은 한국전력공사 전력계통의 보호 및 제어방식과 상호 협조가 되어야 하며 차량의 보호 및 제어방식, 차량의 운행방식과도 협조되어야 한다. 또한 후비 보호시스템이 포함되어 어느 한 시스템 실패할 경우에는 후비 보호시스템에 의해 보호되어야 한다.
5. 변전소는 무인으로 운전될 수 있어야 한다
6. 전력계통 SCADA가 설치되어 중앙의 사령실에서 주요기기의 상태 및 전압, 전류 등의 주요 데이터가 감시되고 제어될 수 있어야 한다.
7. 전력계통 SCADA 설계 시에는 주변기기 및 다른 정보시스템과의 통신에 표준이 될 수 있는 S/W 및 H/W를 선정 혹은 개발하여 공개함으로써 누구든지 SCADA 시스템과의 인터페이스 작업을 용이하게 할 수 있어야 한다.
8. 전식 방지 대책이 포함되어야 한다.
9. 고압 배전용 전력은 3상교류 6.6kV를 각 역사 전기실에 공급한다
전차선 시스템
1. 전력공급은 750V DC로 주행레일과 나란히 설치된 제3궤조의 전차선(Conductor Rail, 이후 전차선이라 함)을 통해 급전되며 철제차륜 경량전철은 주행레일을 귀로로 하고 고무차륜 경량전철은 귀로용 전차선을 급전용 전차선과 나란히 설치한다
2. 전차선 및 전차선의 설치를 위한 부수장비의 사양 및 전형적인 설치장소에서의 설치방식 및 도면이 제시되어야 한다. 전형적인 설치장소에는 진입 및 이탈, 전차선 조인트부분, 분기, 곡선구간등이 포함된다.
3. 전차선은 지지브라켓에 취부되며 지지브라켓은 전기적 절연 및 집전장치에 의한 기계적 충격 및 전차선의 중량을 지지하도록 설계되어야 한다
4. 전차선의 설치는 온도에 의한 전차선의 수축 및 팽창이 고려 되어야 한다
5. 전차선은 연속적으로 커버되어 인원의 뜻하지 않은 접촉으로 인한 사고의 방지와 뜻하지 않은 외부물질침입에 대한 적절한 보호대책이 제공되어야 한다.
6. 일반 지역, 터널 및 교량에서의 모든 운전조건 및 기후조건 하에서의 모든 역학적 조건을 충족시키는 설계이어야 한다.
도시철도의 일종으로 차량시스템, 전력공급시스템, 신호시스템, 선로구축물 등 시스템의 구성 분야별 기능이 상호 통합․연계된 체계 내에서 여러 편성의 열차가 운행계획에 따라 시간․방향당 30,000명까지 승객을 수송하는 시스템으로서 최고 운행속도 70km/h까지 무인운전이 가능한 교통시스템
LIM(Linear Induction Motor)
회전운동을 하는 일반 전동기와 달리 회전운동 감속장치를 필요로 하지 않고 직선 구동력을 직접 발생시키는 전동기
AGT(Automated Guideway Transit)
2량 1편성 단위로 6량까지 증결 편성될 수 있고 정밀․자동화된 무인운전이 가능한 교통시스템
목표노선
개발되는 경량전철시스템의 종합성능을 구현할 수 있는 국내 지형의 대표성을 갖는 노선
시험선로(pilot plant)
개발되는 경량전철시스템의 목표사양에서 실용화를 위한 최소한의 항목에 대하여 시험․평가할 수 있는 제한된 길이와 형태의 시험노선
차량시스템(train system)
차체와 설비, 대차, 차량전기장치, 제동장치, 차상 신호장치 및 승객서비스장치 등으로 구성되어 승객을 수송하는 시스템으로 열차시스템의 구성단위
차량(car)
차량시스템을 구성하는 기본단위로서 차량시스템에 요구되는 승객 수송기능을 담당하는 차량시스템의 개별 구성단위
열차(train, train-set)
종합된 승객수송 기능을 수행하도록 여러 대의 차량을 연결, 편성한 수송형태로서 운행 계획․관리의 대상이 되는 운행단위
주행저항(running resistance)
열차가 궤도를 따라 주행할 때 기계적 마찰 및 공기역학적 저항으로 받는 힘
상용제동(service braking)
정상적인 운행조건에서 주행중인 열차가 운행신호에 따라 정해진 거리 내에 정차하기 위해 회생제동과 공기제동 등을 적절히 혼합하여 일정한 승차감을 유지하며 열차를 감속시키는 기능
비상제동(emergency braking)
열차가 비정상적인 운전 등으로 인해 제한속도를 초과하거나 종합운행장치에 적절히 반응하지 않는 경우 등, 예상되는 선행 열차와의 추․충돌 위험성을 방지하기 위하여 열차가 가진 점착한계 내에서 최대의 감속도로 열차를 정차시키는 기능
MTBSF(Mean Time Between Service Failure)
service failure는 전체 운행구간을 기준으로 시스템의 운행을 계획된 시간보다 10분 이상 지연시키거나 기지에서 계획된 열차가 스케쥴 대로 운행에 투입되지 못하고 운행이 취소되는 시스템의 고장이나 이상발생을 의미하며, MTBSF는 service failure가 발생하는 시간 간격의 통계적 평균
vital
동작의 정확성이 승객, 승무원 및 장비의 안전에 중대한 영향을 미치는 기능, 또는 비정상적인 동작의 결과가 시스템에 나쁜 영향을 미치게 되어 즉시 또는 점진적으로 승객, 승무원 및 장비의 안전에 위험한 상황을 초래하는 기능
fail-safe
시스템을 구성하는 하드웨어 또는 소프트웨어의 고장이 발생하여 기능이 저하되거나 정지하여도 당해 시스템 또는 상위시스템은 안전한 쪽으로 유지되는 것.
경량전철은 Light Rail Transit으로 통칭되지만 상세한 정의는 각 나라마다 다소 차이는 있다. 미국의 대중교통협회(American Public Transportation Association : APTA)에서는 『중량철도(지하철)와 비교하여 적은 수송량을 가진 전기철도로서 독립되거나 공유된 전용노선을 갖는 도시철도 시스템이다. 또한 이것은 ’streetcar', 'trolley car', 'tramway'로도 알려져 있다.』라고 정의하고 있다. 또한 Transportation Research Board(TRB)에서는 『지면, 고가구조물, 지하에 독립된 전용노선을 갖거나 기존 도로 상에 공유노선을 가지며, 1량 또는 다량편성 운행이 가능한 도시 전기철도 시스템이다.』로 정의하고 있다.
국내에서는 경량전철에 대해 『버스와 중량전철(지하철)의 중간 규모(5,000～25,000명/방향/시간)의 수송능력을 가지고, 유연한 노선계획이 가능하여 도시 환경친화적인 첨단 궤도교통시스템이다.』라고 정의하고 있다.
분류방법에 따라 다소 차이가 있지만 차량의 구동원리 및 운행방법에 따라 고무차륜 AGT(Automated Guideway Transit), 철제차륜 AGT, LIM AGT, 모노레일, 노면전차, 자기부상열차, PRT(Personal Rapid Transit) 등으로 분류되고 있다.
다양한 경량전철시스템 중에서 국내에서 영업노선으로 건설 중이면서, 가장 주목받고 있는 고무차륜 AGT 시스템은 일반적으로는 고가궤도를 전용노선으로 사용하며, 기존 철도와는 달리 고무타이어를 주행륜으로 사용하고 별도의 안내장치 및 분기장치를 가지며, 소형·경량화된 차량이 무인운전으로 운행되는 경량전철 시스템이다.
고무타이어를 사용하므로 저소음/저진동의 환경친화적인 주행특성을 가지며 급구배, 급곡선에 대한 대응성이 우수하여 도심지 노선 또는 신도시 개발지역에 적합하다. 또한 우수한 점착특성으로 가감속도를 향상시킬 수 있지만 적설과 결빙에 대한 대책이 요구되고 분기방식이 기존의 철도보다 복잡하는 것이 단점이다.
인체 안전을 위해 필요로 하거나 원하거나 간에 몇 가지 종류의 보호기기를 포함하고 있는 직류 전철변전소에서의 직류용 구조물 및 외함의 접지시공은 대부분의 사용자에 의해 더 이상 의문이 없다. 해결되지 않은 문제는 외함이 고저항의 보호장치를 통해 접지되어야 하는지 또는 저저항의 보호장치를 통해서 접지되어야 하는가이다.
NEMA SG-5에서는 275V 이상의 단극직류회로를 포함하고 있는 구조물은 접지하지 말아야 하고 비교적 높은 저항의 보호 또는 표시기기에 의해서만 대지로 연결하도록 권고하고 있다. NEC 250-42(a)항에서는 전류가 통할 수 있는 노출된 비통전의 금속부는 접지면으로 부터 수직으로 8피트 또는 수평으로 5피트이내라면 접지되어야 한다고 규정하고 있다. 고저항 보호장치와 저저항 보호장치를 비교하면 다음과 같다.
고저항 접지 시스템
정류기반과 직류배전반의 구조물은 저저항 접지용에서와 같이 똑같은 방법으로 지면으로부터 절연되어야 한다. 보통 절연변압기, 다이오드 브릿지, 저항분압기 및 2개의 전류감지 계전기로 구성되는 계전기 시스템이 사용된다. 일정한 전압이 외함과 대지 사이에 인가된다. 이 전압은 64M계전기가 여자되도록 64M계전기에 전류를 발생시킨다.이 계전기로의 제어전압의 상실 또는 외함에서 대지까지의 고장은 64M계전기를 소자시키는 원인이 되고 계전기가 여자될때 열려있는 접점은 외함이 접지되었거나 전원이 상실되었음을 표시하기 위해 닫힌다.
바닥 및 벽면 절연비용이 높음 ; 바닥 및 벽면 절연에 의존하는 인명에 대한 부적절한 안전성
벽면절연이 제공되지 않으면 접지된 장비와 고저항으로 접지된 장비간에 필요한 거리 때문에 변전소의 Size가 커짐
고장이 직류급전용 차단기 후단인 경우 이웃한 변전소의 트립이 곤란함
양극에서 프레임으로의 고장인 경우에 부극용 단로기가 개방되어 있으면 트립되지 않음
큐비클의 고전위 시험중에 제어회로가 파손될 우려가 있음
저저항 접지 시스템
유럽에서는 저저항 보호장치가 사용된다. 정류기 큐비클과 직류 차단기반 구조물은 지면으로부터 절연된다. 모든 외함은 순시과전류 계전기를 통해 대지에 연결된다.양극에서 큐비클까지의 고장인 경우에는 이들 과전류계전기가 고장전류를 검출하고, 이 고장전류는 부극과 대지사이의 저항에 의해 제한되며 모든 교류 및 직류 차단기를 트립시킨다. 더우기 60-120V의 설정범위를 갖고 있는 전압계전기는 부극에서 대지까지의 모든 위험전압을 검출하고 또한 교류 및 직류 차단기를 트립시키기 위해 부극과 대지 사이에 연결한다.
사업주는 인력으로 들어올리는 작업에 근로자를 종사하도록 하는 때에는 과도한 중량으로 인하여 근로자의 목 허리 등 근골격계에 무리한 부담을 주지 아니하도록 최대한 노력하여야 한다.
○ 사업주는 근로자가 항상 수작업으로 물건을 취급하는 경우에는 동 물건의 중량이 남자 근로자인 경우 체중의 40% 이하, 여자 근로자인 경우 체중의 24% 이하가 되도록 노력하여야 한다. 중량물의 폭은 일반적으로 75센티미터 이상이 되지 않도록 하고, 부자연스러운 자세 및 동작을 피할 수 있도록 하기 위하여 작업공간을 충분히 확보해야 함
※ [출처] 지침 1. 직업성요통 예방을 위한 작업관리지침(KOSHA CODE H-5-1998)
○ 사업주는 수작업으로 중량물을 취급하게 하는 경우에는 가급적 근로자 2인 이상이 함께 작업하도록 하되, 각 근로자에게 중량 부하가 균일하게 전달되도록 노력
■ 중량물 취급작업의 조건(보건규칙 제150조)
사업주는 근로자가 취급하는 물품의 중량, 취급빈도, 운반거리, 운반속도 등 인체에 부담을 주는 작업의 조건에 따라 작업시간과 휴식시간 등을 적정하게 배분하여야 한다.
○ 사업주는 중량물 취급작업을 연속적으로 수행하는 근로자에 대하여 1회 연속작업의 시간이 1시간을 넘지 않도록 하고 연속작업 1시간에 대하여 10분 이상의 휴식시간을 제공하고, 동 휴식시간을 근로자가 적절히 활용할 수 있도록 휴식장소와 요통예방 프로그램 등을 제공할 수 있도록 노력
※ [출처] 지침 1. 직업성요통 예방을 위한 작업관리지침(KOSHA CODE H-5-1998)
○ 사업주는 중량물 취급작업을 연속적으로 수행하는 근로자에 대하여 중량물 취급작업 이외의 작업을 중간에 수행케 하거나 다른 근로자로 교대실시 하는 등의 방법으로 중량물 취급작업이 장기간의 연속작업이 되지 않도록 노력
※ [출처] 지침 1. 직업성요통 예방을 위한 작업관리지침(KOSHA CODE H-5-1998)
■ 중량의 표시 등(보건규칙 제151조)
사업주는 5kg 이상의 중량물을 들어올리는 작업에 근로자를 종사하도록 하는 때에는 다음 각호의 조치를 하여야 한다.
1. 주로 취급하는 물품에 대하여 근로자가 쉽게 알 수 있도록 물품의 중량과 무게중심에 대하여 작업장 주변에 안내표시 할 것
2. 취급하기 곤란한 물품에 대하여 손잡이를 붙이거나 갈고리, 진공빨판 등 적절한 보조도구를 활용할 것
○ 사업주는 일상적으로 근로자가 수작업으로 5kg 이상의 물품을 들어 올리는 작업을 하는 경우에는 근로자가 작업위치에서 쉽게 볼 수 있는 작업장 주변 등에 해당 물품의 중량 및 무게중심에 대한 안내표시를 하여야 한다.
동일 작업장내의 여러 작업장소에서 다수의 근로자가 5kg 이상의 물품을 들어올리는 수작업을 하는 경우에는 다수의 근로자가 쉽게 볼 수 있는 장소를 선정하여 해당 물품의 중량 및 무게중심에 대한 안내표시를 부착
※ [용어] “주로 취급하는 물품”이란 “단위작업장소를 기준으로 개별 근로자가 아닌 다수의 근로자가 일상적으로 취급하는 물품”을 의미
○ 안내표시는 형태·규격 등에 제한이 없으나 작업장의 특성에 맞도록 근로자가 해당 물품의 중량과 무게중심에 대해 쉽게 알 수 있도록 작성하여야 하며, 주로 취급하는 물품의 무게중심이 수시로 바뀔 경우에는 주된 작업에 따른 무게중심을 표시하되 작업에 따라 무게중심이 바뀐다는 사실을 근로자에게 주지시켜야 함
○ 보조도구의 제공 : 사업주는 전용 운반용구를 사용하지 않는 등 근로자가 취급하기 곤란한 5kg 이상의 물품에 대하여는 손잡이를 붙이거나 갈고리, 진공빨판 등 적절한 보조도구를 제공하여야 함
■ 작업자세 등(보건규칙 제152조)
사업주는 중량물을 들어올리는 작업에 근로자를 종사하도록 하는 때에는 무게중심을 낮추거나 대상물에 몸을 밀착하도록 하는 등 신체에 부담을 감소시킬 수 있는 자세에 대하여 널리 알려야 한다.
○ 사업주는 5kg 이상의 중량물을 수작업으로 들어올리는 작업에 근로자를 종사하도록 하는 경우에는 신체에 부담을 감소시킬 수 있는 작업자세에 대하여 알려주어야 함
※ 올바른 중량물 작업자세 : 중량물 취급 시에는 다음 각호와 같이 어깨와 등을 펴고 무릎을 굽힌 다음 가능한 한 중량물을 몸체에 가깝게 잡아당겨 들어올리는 자세를 취하여야 함
① 중량물은 몸에 가깝게 할 것 ② 발을 어깨넓이 정도로 벌리고 몸은 정확하게 균형을 유지할 것 ③ 무릎을 굽힐 것 ④ 목과 등이 거의 일직선이 되도록 할 것 ⑤ 등을 반듯이 유지하면서 다리를 펼 것 ⑥ 가능하면 중량물을 양손으로 잡을 것
※ [출처] 지침 1. 직업성요통 예방을 위한 작업관리지침(KOSHA CODE H-5-1998)
위의 그림은 3상 전파 정류 회로를 보여준다. 이 브리지 회로는 그림에서 보듯이 2개 이상의 다이오드로 구성되어 있으며 우측 위쪽의 그림은 øA, øB, øC의 3개의 위상을 갖는 3상 전원을 표시한다. 그림에서 3ø 전압 파형의 수직선은 어떤 임의에 시간에 대한 전압의 크기를 보여주는데, 이 시간에서 A상은 3상중 가장(＋)값이고 C상은 가장(－)값이다. 이 경우 다이오드는 순방향 바이어스 되고 부하에 전력을 공급하게 된다.
이 때 A상에 연결된 (＋)측 다이오드가 도통을 개시하게 되고 3상중 다른 상에 (＋) 전압이 A상 전압보다 높아질 때까지 도통상태를 유지하게 된다. 그래서 전원 전압을 보면 단상전원의 경우엔 180°도통을 하지만 3상 전원의 경우에는 120°동안만 도통되는 것을 알 수 있다. 따라서 브리지를 구성하고 있는 다이오드 중 어느 하나는 최대 120°동안만 순방향 바이어스가 된다.
3상 전원을 전파정류 시켰을 때의 부하 양단의 전압이 그림의 우측 아래그림이다. 이 그림을 보면 전원 전압의 6배의 주파수가 맥류로 나타나며 각 맥류 파형간의 위상은 60°가 된다.
6상 전파 12펄스 정류기는 두 개의 3상 브리지 회로로 구성되어 있다. 위의 그림에서 보듯이 한 쪽 브리지는 △결선 된 변압기에 의해 전력이 공급되고 나머지 하나는 Y결선 된 변압기에 의해 공급되며 △변압기와 Y변압기에 의해 공급되는 두 개의 3상 전원간의 위상차는 30°가 된다. 따라서 각 브리지의 출력은 각각 30°씩 위상이 이동되어 있다. 그래서 전원 전압의 12배의 주파수가 맥류로 나타나게 된다. 이 방식은 필터가 없이도 상당히 평활한 DC 전압을 얻을 수가 있으며 따라서 필터의 용량을 현저히 줄일 수 있는 장점과 훨씬 우수한 안정도 및 입력 측에 적은 고조파의 발생과 빠른 응답 특성을 갖는다.
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DIODE의 올바른 교체를 위하여 편향 게이지(클램프 게이지 또는 PIP 게이지)가 반드시 필요하다.
DIODE를 제거하기 위해 우선 방열판 전면에 부착된 SNUBBER의 선을 제거한다. 또한 FUSE용 보조 스위치의 양쪽 선을 제거한다.
방열판으로부터 FUSE를 제거한다. 볼트 양쪽에 있는 FLAT 및 BELLVILLE WASHER의 수량 및 위치와 방향을 WASHER를 제거하기 전과 같이 정확하게 교환하기 위해 기록해 둔다.
DIODE의 전면 방열판을 고정하는 두 개의 클램프 볼트를 조심하여 푼다. 볼트는 양쪽을 서로 번갈아 가며 1/2 바퀴씩 풀어야만 한다.
전면 방열판과 DIODE를 분리시킨다. DIODE에 표시된 DIODE 심벌을 참고하여 후면 방열판의 돌출부에 연결된 극성을 기록하여 둔다. 새로운 DIODE는 같은 방법으로 재결합하여야 한다.
후면의 큰 알루미늄 방열판은 대체 버팀쇠를 사용하여 클램프 설치 장력에 견딜 수 있도록 도움을 주는 후면 방열판 뒤쪽에 고정되어 있기 때문에 제거하지 않는다.
양쪽 방열판의 표면을 보플이 없는 천으로 깨끗하게 닦아낸다. 필요하면 방열판의 컴파운드 잔여물을 제거하기 위해 알코올이나 다른 용재를 이용 표면을 깨끗하게 한다.
돌출 및 전면 방열판 양쪽에 규격에 맞는 방열판용 열 컴파운드를 사용한다. 제조사 설명에 따라 컴파운드나 그에 상응하는 것을 사용하여 골고루 얇게 코팅한다. 적은 양만을 사용하고 고무 롤러나 그에 상응하는 것을 이용 골고루 펼친다.
돌출된 방열판에 접하여 마찬가지로 같은 방열판에 새로운 DIODE의 CATHODE가 위치하게 한다.(같은 열에 있는 다른 DIODE의 방향을 참고한다.) 방열판 전면을 DIODE의 다른 면에 위치하도록 하고 클램프 BOLT를 삽입한 후 손으로 볼트 양쪽을 단단히 조인다. 볼트는 동등하게 맞물려져 있고 DIODE는 가이드 핀에 알맞게 자리 잡으면 어떠한 잘못된 배열도 일어나지 않는다.
각각의 클램프 볼트를 1/4씩 돌려서 총 1.5바퀴를 번갈아 가며 단단히 조인다. 클램프 게이지를 사용하여 클램프 스프링의 편향을 확인하고 클램프 스프링의 3°편향을 얻기 위해 클램프 볼트를 단단히 조인다.
방열판 전면에 FUSE를 다시 취부한다. FUSE BOLT의 토오크는 45foot․lbs(620kgf․cm)이다.
FUSE용 보조 SWITCH 선과 SNUBBER 선을 다시 연결한다.
DIODE 고유의 장하가 훌륭한 열적성능을 보증하기 위해 필요하다는 것을 인식하여야 한다.
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1. 사용전검사 결과 합격판정을 받고 운전중(시설물 변동사항 없음) 정기검사에 의하여 지적된 사항에 대한 판정기준
2. 전력계통은 우리공사에서는 합리적 시설로 시공 운용되고 있는 바, 귀 공사의 전기설비기술기준의 판정기준에 관한 사항
회 신
1. 고압 또는 특별고압과 저압 전로를 결합하는 변압기는 혼촉에 의한 위험방지시설로서 혼촉한 경우에 변압기를 전로로부터 차단하기 위한 보호장치를 시공 또는 혼촉방지판부 변압기를 사용하거나 저압측 중성점에 제2종 접지공사를 시설하여야 합니다.
2. 다만, 전기설비기술기준 제26조 제⑤항에 의하여 상시 전로의 일부를 대지로부터 절연하지 않고 사용하는 부하에 공급하는 전용의 변압기를 시설한 경우 또는 전기설비기술기준 제4조의 규정에 의하여 산업자원부장관 또는 시․도지사의 인가를 받은 경우는 혼촉에 의한 위험방지시설로 제2종접지를 시공하지 않을 수 있습니다.
3. 질의하신 변압기의 경우 상기"2"에 해당될 수 있습니다. 그러나 도시철도가 다중이 이용하는 공공시설임을 고려하여 변압기 2차측과 정류기 사이에 서지흡수기를 설치하는 등 혼촉에 의한 위험방지시설을 보완하여 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 통보한 것으로 판단되니 양지하시기 바랍니다.
<검사판정기준에 대한 검토>
1. 전기설비기술기준
가. 제26조[고압 또는 특별고압과 저압의 혼촉에 의한 위험방지시설]
① 고압의 전로 또는 특별고압전로와 저압전로를 결합하는 변압기의 저압측 중성점에는 제2종 접지공사를 하여야 한다. 다만, 저압전로의 사용전압이 300V 이하인 경우에 변압기 저압측 1단자에 시행할 수 있다.
※ 혼촉방지판에 제2종 접지공사를 시행한 변압기와 철도 및 궤도의 신호용 변압기를 제외
②～④ 생 략
⑤ 직류단선식 전기철도용 회전변류기․전기로․전기보일러 기타 상시 전로의 일부를 대지로부터 절연하지 아니하고 사용하는 부하에 공급하는 전용의 변압기를 시설한 경우는 제①항의 규정에 의하지 않을 수 있다.
☞ 해 설
○ 제⑤항의 부하는 본질적으로 전로의 일부를 대지로부터 절연하지 않고 사용하는 것이며, 송전단(특별고압측)에서 고장이 발견되고 사용시에는 이들 자체의 접지저항치가 낮으며, 사용하지 않을 때에는 전용변압기인 관계로 보통 변압기 1차측에서 전로가 떨어져 나가는 결과가 되어 안전하기 때문에 이와 같은 상태의 것을 별도로 접지공사를 시행하면 오히려 이것에 횡류가 흘러 좋지 않은 결과가 나타나는 등의 이유로 특별히 제2종 접지공사를 시행하는 것을 생략하여도 되는 것으로 한 것이다.
○ 여기에서 전기철도용 정류기로써 종래에는 회전변류기와 수은정류기가 사용되었지만 1958년경부터 실리콘정류기가 출현하고 이후 신설되는 것에는 거의 실리콘 또는 싸이리스터정류기가 사용되고 있다.
나. 제33조[특별고압을 직접 저압으로 변성하는 변압기의 시설] 특별고압을 직접저압으로 변성하는 변압기는 다음 각호의 것 이외에는 시설하여서는 아니 된다.
① 전기로 등 전류가 큰 전기를 소비하기 위한 변압기
②～⑥ 생 략
☞ 해 설
○ 저압과 특별고압과를 직접 결합시킬 경우 사고발생시 저압전로에 특별고압이 흘러 들어가는 일이 있어 위험하며, 일반 옥내배선에 사용될 경우 인명, 재산과 밀접한 관계가 있으며, 또 그 전로의 절연내력도 그에 상응하여 낮기 때문에 특별고압에서 고압으로 변성하고 다시 고압에서 저압으로 변성하는 것이 안전하다. 그러나 특별한 경우의 변압기에 대해서는 이와 같은 단계를 거치는 것이 기술적으로나 경제적으로 반드시 적당하다고 할 수 없는 경우가 있기 때문에 이에 대해 규정한 것이다.
○ 전기로와 같이 대전류를 필요로 하는 것은 그만큼 대전력을 소비하기 때문에 변압기를 2단으로 설치하여 중간에 고압의 단계를 거치는 것은 기기, 배선뿐만 아니라 전력손실, 기타에서 등 현저하게 비경제적이며, 저압회로는 일반적으로 대지에 대하여 절연되어 있지 않기 때문에 변압기 내부에서 특별고압과 저압이 혼촉하여도 저압측의 전위상승은 비교적 경미하며, 또 특별고압측에서 보호장치가 바로 동작하게 된다
2. 전기철도의 정류기용 전용변압기
가. 계통도
나. 몰드절연의 열화(劣化)
○ 몰드변압기의 열화요인은 열(熱), 전압(전계), 응력 및 환경 등이며, 열열화(熱劣化), 전압열화, 응력열화는 주로 절연물 내부의 열화이며, 환경열화는 절연물 표면의 열화가 주체임.
○ 이들 절연열화는 각기 단독으로 일어나는 경우도 있으나 보통은 상호 강력한 관련을 갖게 되며, 예로써 응력열화에 의하여 클라크나 박리(剝離) 등의 보이드가 발생하면 그것은 부분방전열화의 요인이 될 수 있음.
절연열화의 종류
요 인
진 행 과 정
열열화(熱劣化)
열
산화,열분해 → 기계강도저하,흡습성 증대
전계
열화
부분방전열화
보이드(크랙,박리,기포)
산화, 천공 → 절연두께 감소
→ 관통파괴
트 리
돌기(突起), 이물(異物)
응력열화
열응력, 히트싸이클,
진동응력
크랙, 박리등, 보이드발생․진전
→ 전압열화
환경열화
습기, 먼지 등
오손, 흡습 → 절연저항저하
몰드절연의 절연열화와 진행과정
3. 검토 결과
가. 전기철도의 정류기 전용의 변압기의 2차측에는 특별고압 및 고압과 저압의 혼촉에 의한 위험방지시설을 하는 것이 원칙으로 이화전기의 몰드변압기(함침형)는 몰드 절연물의 열화로 절연파괴가 일어나 특별고압과 저압의 혼촉사고가 발생할 수 있으며 정류기는 부하설비임.
나. 다만, 전기철도의 변압기는 전로의 일부를 대지로부터 절연하지 않고(철도레일을 귀선(-극)으로 사용) 사용하는 정류기에 전용으로 전기를 공급하는 변압기로써 수전단(특별고압측)에서 고장이 발견되고 사용시에는 이들 자체의 접지저항치가 낮으며, 변압기 내부에서 특별고압과 저압이 혼촉하여도 저압측의 전위상승은 비교적 경미하므로 이와 같은 상태의 것을 별도로 접지공사를 시행하면 오히려 이것에 횡류가 흘러 좋지 않은 결과가 나타나는 등의 이유로 특별히 제2종 접지공사를 시행하는 것을 생략하여도 되는 것으로 전기설비기술기준 제26조제5항에 규정하고 있음.
다. 따라서, 전기철도의 정류기 전용의 변압기는 특별고압과 저압의 혼촉에 의한 위험방지시설로 제2종접지를 시공하지 않을 수 있으나 실리콘 정류기의 특성상 역내전압을 넘는 이상전압이 인가되면 파괴될 염려가 있으므로 변압기 2차측과 정류기 사이에 서지흡수기를 시설하는 것이 바람직하여 정기검사시에 지적한 것으로 사료됨.
파워 서플라이 PCB는 DC 24～110V의 전원이 입력되면 변환하여 DC 30V의 전원을 입․출력 변환 PCB의 2차회로에 공급한다. 파워 서플라이 PCB의 1차와 2차회로 사이의 절연은 변압기에 의해서 이루어진다.
입․출력 변환 PCB는 션트에 연결된 입력단자 IN1과 IN2에서 측정된 신호를 스위치(60mV, 90mV 또는 150mV)에 의해 선택된 이득에 따라 증폭한다. 증폭된 신호는 주파수 변환이 된 다음에 광섬유로 보내어진다. 이어서 전압으로 변환되고 출력단자 OUT1과 OUT2에 인가되기 전에 여과되고 증폭된다. 스위치(S1)를 90mV로 선택시 90mV가 입력되면 5V를 출력한다. 입․출력 변환 PCB의 1차와 2차회로사이의 절연은 광섬유케이블에 의해서 이루어진다.
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전동차에 DC 1500V를 공급하는 전차선은 이웃하고 있는 2개 변전소의 고속도차단기를 통하여 병렬급전된다. 따라서, 전차선로 고장발생시 양 변전소의 고속도차단기가 동시 차단되어야만 전차선의 전원공급이 중단되어 사고파급을 줄일 수 있다.
예를 들어 어느 한 변전소 고속도차단기의 전류증가율계전기(50F)가 고장을 감지하여 동작하면 당해 차단기가 트립됨과 동시에 동일구간 전차선에 마주보고 급전하던 상대단측 변전소의 고속도차단기에도 인터트립 신호를 보내어 차단되게끔 되어 있다. 그러나, 이웃하고 있는 변전소 중 어느 변전소의 고속도차단기도 선로고장을 감지하지 않았음에도 불구하고 고속도차단기가 수차례 인터트립되는 장애가 발생하여 원인분석 및 대책수립한 사례를 소개하고자 한다.
2. 변전소 전력공급계통
지하철의 변전소 전력공급계통은 아래의 그림과 같이 한전으로부터 AC 22.9㎸를 수전하여 정류용변압기 및 정류기를 거쳐 1500V로 변성된 직류전원을 전차선에 공급한다.
[ 변전소 전력공급계통 ]
[ 전차선로 병렬급전 ]
3. 고속도차단기 인터트립회로
3.1 인터트립 개요
급전용 고속도차단기의 보호감시장치(PCU6000, SEPCOS)에서 전차선로 고장을 검출하면 당해 차단기를 트립시킴과 동시에 동일구간에 DC1500V를 공급하는 상대단측 변전소 고속도차단기에 인터트립 신호를 전송하여 사고구간의 전원공급을 완전히 차단한다.
A 변전소 B 변전소
(인터트립) (전차선로 고장감지)
[ B 변전소에서 전차선로 고장 감지시 인터트립 흐름도]
3.2 인터트립 동작설명
3.2.1 정상시 인터트립 회로
평상시에는 표시선이 폐로되어 있어 A 변전소 인터트립 인 계전기가 동작하지 않는다.
[ 정상시 인터트립 회로]
3.2.2 사고시 인터트립 회로
B 변전소에서 선로고장 감지시에는 인터트립 아웃 계전기의 접점이 개방되어 표시선이 개로됨으로써 A 변전소 인터트립 인 계전기를 동작시키게 된다.
[ 사고시 인터트립 회로]
3.3 인터트립 장애발생건수
변전소의 보호감시장치의 전차선로 고장 검출이 없는 상태(즉, 인터트립 아웃 계전기 동작하지 않은 상태)에서 인터트립되는 장애가 1999년부터 발생하였으며 점차 증가하는 추세를 나타내고 있다.
4. 인터트립 장애원인분석
4.1 인터트립 인 계전기
4.1.1 계전기 사양
◦ 제 조 사 : Bristol Babcock S.A.(France)
◦ 형 식 : TEC 2328
◦ 정격전압 : DC 48V (동작범위는 정격전압의 0.85 ∼ 1.1배)
◦ 표 시 선 : 저항 최대 300Ω, 입력 전류 0.4㎃
[ 인터트립 인 계전기]
4.1.2 계전기 내부회로
표시선이 폐로되어 있으면 Tr1의 베이스와 이미터 사이에 바이어스전압이 인가되지 않아 off 상태가 되고, 따라서 전류가 Tr2의 베이스로 흘러 릴레이(RY)를 여자시킴(인터트립 인 계전기는 신호출력용으로 b접점을 사용하는 상시여자형으로서 릴레이(RY) 소자시 인터트립 동작상태가 됨).
[ 인터트립 인 계전기 내부회로 ]
4.2 장애원인분석을 위한 시험 및 측정
4.2.1 인터트립 인 계전기 동작시험
인터트립 인 계전기가 동작하는 표시선 루프(⑥번단자 - ①번단자) 임계저항값을 검출하기 위해 표시선에 가변저항을 설치하고 저항값을 서서히 증가시키면서 시험한 결과 표시선 루프 저항값이 4.2㏀일 때 인터트립 인 계전기가 동작하는 것을 확인.
[ 인터트립 인 계전기 동작시험 ]
4.2.2 인터트립 장애발생시 표시선로 저항값 측정
상시 0V인 표시선 루프 전압을 메모리레코더(NEC OmniAce RT3200N)를 사용하여 감시․측정하던 중 B 변전소 고속도차단기반 보호감시장치의 전차선로 고장 검출없이 A 변전소 고속도차단기가 인터트립되는 장애 발생.
메모리레코더 전압파형 분석결과 A 변전소 인터트립시 B 변전소 고속도차단기반의 인터트립 아웃 계전기 접점 양단의 전압이 순간적으로 0.84V로 상승한 것으로 측정되었으며 이를 저항으로 환산하면 약 4.0㏀(0.84V/0.21mA)이 되고 앞서 시험한 표시선 루프 임계저항값 4.2㏀에 근접함.
[ 메모리레코더 전압파형 ]
4.2.3 장애원인분석결과
표시선 루프에 인가되는 전압이 수십㎷에 불과하고 인터트립 아웃 계전기의 가동접점과 고정접점 사이에 쌓인 먼지, 제어선 기름 등의 오염물질과 전동차 운행 및 급배기팬 가동 시 발생하는 진동 등의 복합적인 요인으로 인해 접점 접촉저항이 순간적으로 4.2㏀ 이상으로 증가함으로써 계전기 접점 개방과 유사한 고저항 상태가 되어 상대단 변전소 인터트립 인 계전기가 동작하여 인터트립장애가 발생한 것으로 판단됨.
5. 장애대책수립
인터트립 장애를 예방하려면 인터트립 아웃 계전기의 접점 접촉저항을 증가시키는 요인인 먼지 등의 오염물질 제거와 전동차에 의한 진동을 방지하는 것이 가장 바람직한 것으로 판단되지만, 이는 현실적으로 거의 불가능하여 실현가능한 차선책을 검토하게 되었다. 인터트립 인 계전기 동작의 경우 인터트립 아웃 계전기의 접점이 개로된 상태 즉, 표시선 루프 저항값이 ∞일 때 동작하도록 하면 된다는 점에 착안하여 임계저항값을 높이기 위해 내부회로 변경을 검토하였다.
5.1 인터트립 인 계전기 내부회로 변경
5.1.1 제너다이오드 삽입
아래의 그림과 같이 인터트립 인 계전기 내부회로에 2.4V 제너다이오드를 삽입한 후 가변저항을 이용하여 표시선 루프의 저항값을 서서히 증가시켜본 결과 15.6㏀에서 인터트립 인 계전기 동작하는 것을 확인하였고, 표시선 루프의 임계저항값을 4.2㏀에서 15.6㏀로 4배 가까이 높임으로써 계전기 접점 접촉저항 증가로 인한 인터트립 장애발생건수를 현격히 감소시키게 되었다.
[ 인터트립 인 계전기 내부회로 변경 ]
5.1.2 제너다이오드 항복전압(Vz)을 2.4V로 선정한 이유
PCB 회로 상 트랜지스터 Tr1과 Tr2는 인터록으로 되어있어 Tr1이 on되면 Tr2가 off되어 릴레이가 소자되면서 인터트립이 동작하게 된다. 그러나, 3V 이상의 제너다이오드를 삽입할 경우 Tr1이 on되어도 Tr2의 베이스에 인가되는 전압이 높아져 Tr2가 off되지 않고 on상태를 유지하게 됨으로써 인터트립이 동작하지 않게 된다.
[ 2.4V 제너다이오드 삽입모습(적색 원내) ]
5.2 표시선회로 상의 계전기 직렬접점 축소 및 병렬접점 추가
5.2.1 표시선회로 상의 계전기 직렬접점 축소
실제 표시선회로 상에는 아래 그림과 같이 DC 록아웃계전기 접점, 당해 급전용 (FEEDER) 고속도차단기 인터트립 아웃 계전기 접점 및 예비용(STAND-BY) 고속도차단기 절체시 인터트립 아웃 계전기 접점 등 여러 접점이 직렬로 구성되어 있어 이 접점들이 표시선 루프 저항값의 상승요인이 되고 있다.
[ 개선 전 표시선로 회로구성 ]
다음의 그림은 표시선회로에 있던 접점들을 이설하여 ‘통합 인터트립 아웃 계전기’ 여자 조건으로 사용함으로써 개선 후의 표시선회로는 ‘통합 인터트립 아웃 계전기’의 a접점 하나로만 구성된다. 따라서, 여러 접점이 직렬로 연결된 개선 전의 표시선회로 방식보다는 인터트립 장애가 발생할 확률이 낮아질 것으로 기대된다.
[ 개선 후 표시선로 회로구성 ]
5.2.2 표시선로 상의 계전기 병렬접점 추가
아래의 그림은 하선 전차선로 인터트립 장애발생시 메모리레코더에 검출된 표시선로 전압그래프이다. 하선 전차선로의 표시선 루프의 전압은 최고 0.8V까지 상승하여 인터트립이 발생하였지만, 상선 전차선로의 표시선 루프의 전압은 0V에서 거의 변화가 없다. 이 그래프에서 알 수 있듯이 동일 변전소, 동일 배전반 내에 있는 계전기일지라도 접점 접촉저항값은 서로 상이하다는 것이다.
[ 인터트립 장애발생시 표시선로 상․하선 전압비교]
변압기 권선온도 측정시 사용하는 백금측온센서(Pt-100Ω)의 경우에도 제어선 저항에 의한 변동을 제거하기 위해 센서 양단에 2개의 도선을 접속하는 것처럼 인터트립 아웃 계전기의 접점도 2개를 병렬로 사용하면 접점 접촉저항에 의한 표시선 루프 저항값의 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 계전기에 예비접점이 있어 활용하면 손쉽게 시행가능한 인터트립 방지대책이 되며, 예비접이 없다면 보조접점을 설치하여 활용하면 된다.
[ 인터트립 아웃 계전기 병렬접점 추가 ]
6. 맺음말
앞서 살펴본 바와 같이 인터트립 장애는 표시선회로 상의 계전기 접점의 먼지, 기름, 진동 등의 여러가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생하였으며, 근본적인 해결방안을 수립하기는 현실적으로 어렵다고 판단된다.
인터트립 인 계전기 내부에 제너다이오드를 삽입하여 동작 임계저항값을 높이는 대책을 강구하여 장애발생빈도를 낮추고 있으나, 시간이 경과하면서 접점 접촉저항이 상승하게 되면 효과는 점차 감소되리라 추정된다. 따라서, 인터트립 인 계전기가 동작하는 임계저항값만 높일 것이 아니라, 직렬접점을 줄이고 병렬접점을 늘이는 대책도 동시에 수립하여 표시선회로 자체의 저항 변동요인을 제거할 수 있다면 보다 효과적으로 인터트립 장애를 예방할 수 있을 것으로 보인다.
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