가청주파수 궤도회로의 고조파분석에 의한 최적화 방안 연구

Abstract

From the point of view in the development of high-speed rail technology, change of the relationship between South korea and North Korea, and the saturation of road traffic. the 21st century is the era of railways. Korea Railroad is also continuing to move forwards to advance and upgrade of the world`s railway technology, and is facing an era of continental railways that will revolutionize transportation, including logistics. In railway infrastructure, signal control devices are representative facilities that measure the level of railroad technology in the country, which is very important for securing safety and efficiency of train operation. Signalling facilities that can improve train safety, speed, and track capacity are the final aggregation of railway technology that can realize railway abnormalities. Among them, the train control system plays an very important role in improving the safe operation of trains and the transportation capacity, and even small errors in the train control system cause the train to stop running, but usually cause a collision or a rear collision. In such a train control system, the track circuit device for detecting the train position or transmitting train running information is installed adjacent to the track, so it is often caused of component failure due to weather conditions and vibration occurring when train is running. In particular, the return current and harmonics that affect the track circuit through the operation of electric trains such as KTX are important factors that require technical review for stable operation of the track circuit. In this paper, an optimized method was presented for eliminating the obstacles in the track circuit through analysis and test of the return current harmonic characteristic. To do this, we measured the harmonics due to the return current of the track circuit using in the domestic conventional line, and to analyzed the problems associated with the failure of the AF track circuit. As a result, the immunity to harmonics of the AF track circuit was improved by 20% or more, and the data error rate during signal demodulation was reduced Therefore, the research results of this paper are expected to contribute to ensuring safe operation of trains and safety of signaling facilities as well as to improving reliability of the train control system. |철도신호란 열차의 운행조건을 제시하여 열차의 진행 가부 및 위험의 유무 등을 알려주는 것으로 열차 또는 차량운행의 안전을 확보하고, 정확성과 신속성으로 수송능률의 향상을 도모하기 위하여 설정한 것이 곧 열차제어시스템이다[1,2,3]. 열차제어시스템은 열차의 안전운행뿐만 아니라 수송능률의 향상을 도모하는데 매우 중요한 역할을 한다. 또한 철도수송에 있어서 수송력의 증강과 경영의 합리화를 이루게 하는 한편 열차속도의 향상, 열차운행의 횟수 및 수송단위의 증가가 급속하게 이루어지는데 기여하고 있다[4]. 무엇보다도 철도수송은 대량수송을 할 수 있다는 특징이 있는데 여기에는 반드시 안전, 정확, 신속, 쾌적함이 뒷받침 되어야 한다. 따라서 철도수송에 있어서 가장 중요한 열차의 안전운행을 확보하고, 열차소통의 원활을 기하기 위하여 열차제어시스템이 필요하다. 1개의 선로에 1개의 열차만이 운행된다면 열차제어시스템의 필요성은 그리 큰 문제는 없겠으나 제한된 선로에 다수의 열차를 운행하게 함으로서 발생하는 사고 즉, 선로의 이상이나 선로의 개통 여부, 선행열차의 운행상태 등을 알 수 없는 상태에서 운행한다면 열차의 추·충돌 등과 같은 중대한 운전상의 사고가 일어나게 된다. 그러므로 열차가 진입 또는 진행할 레일 위의 이상 유·무, 선행열차의 레일 점유상태, 분기기의 개통 및 밀착상태 등을 파악하여 하나의 신호로 집약한 다음 기관사에게 운행조건을 제시하여 사고의 예방과 열차의 운용효율을 높일 수 있는 체계를 갖추어야 한다. 최근에는 이동폐색시스템(MBS : Moving Block System), 열차자동제어장치(ATC : Automatic Train Control), 열차자동방호장치(ATP : Automatic Train Protection), 열차집중제어장치(CTC : Centralized Traffic Control System), 전자연동장치(EI : Electronic Interlocking System) 등 컴퓨터를 이용한 첨단기술의 열차제어시스템이 설치되면서 철도신호의 자동화, 전산화가 이루어지고 있다[5]. 열차제어시스템은 신호기장치, 선로전환기장치, 궤도회로장치, 폐색장치, 연동장치, 건널목보안장치, 열차자동정지장치(ATS : Automatic Train Stop), 열차자동제어장치(ATC), 열차집중제어장치(CTC), 열차자동방호장치(ATP), 열차자동운전장치(ATO : Automatic Train Operation), 통신기반열차제어장치(CBTC : Communication Based Train Control), 안전설비 등으로 구성되며, 열차 또는 차량의 안전운행과 수송능력 향상을 목적으로 설치한 종합적인 시설을 말한다[6,7]. 이중 궤도회로는 신호기장치, 선로전환기장치, 기타 신호보안장치를 위해 레일을 전기회로의 일부로 사용하여 회로를 구성하고, 그 회로를 차량의 차축에 의해 레일을 단락함에 따라 신호기장치, 선로전환기장치, 기타 보안장치를 직접 또는 간접으로 제어할 목적으로 설치되어 열차의 유무를 검지하기 위한 전기회로이다[8]. 열차위치를 검지하기 위한 궤도회로장치는 19세기 미국에서 처음 개발되었으며, 그 이후로 점차 새로운 방식의 궤도회로가 개발되어 현재는 안전한 열차 운행에 없어서는 안 될 중요한 철도신호 보안장치가 되었다. 궤도회로에 사용하는 전원의 종류도 초창기의 직류궤도회로에서 상용 주파수의 교류궤도회로로 바뀌어 졌으며, 이로 인하여 열차 유무의 검지 외에 열차로의 정보 전달이라는 기능을 추가하게 되었다. 궤도회로의 절연방식도 유절연 궤도회로방식에서 무절연 궤도회로 방식으로 개선되고, 무절연 궤도회로 방식은 레일을 절단하여 물리적인 절연물을 삽입하여 궤도회로를 분리하지 않고 전기적으로 인접 궤도회로와의 분리를 하는 방식으로 발전하여 열차의 고속운전과 쾌적한 열차운행이 가능하게 되었다[9,10,11]. 신호제어설비인 궤도회로장치는 실시간으로 열차의 운행 위치 파악을 통한 신호기 및 선로전환기 제어, 열차 간격 조정, 열차접근 예고를 통한 추돌사고 예방 등 안전운행을 위한 필수적인 신호시스템이다. 따라서 철도차량과 궤도회로의 전자기파 적합성(EMC : Electromagnetic Compatibility)의 확인은 철도차량의 운행에 있어서 필수적인 사항으로 철도차량과 궤도회로의 전자기파 적합성을 위해 전자기파 노이즈의 발생원(發生源)인 차량의 전자파/고조파 특성 및 전자파의 영향권에 있는 궤도회로의 전자파 특성 분석이 필요하다[12,13]. KTX와 같은 전기차량에서 발생된 고조파전류는 급전계통의 임피던스 특성에 의해 특정 주파수에서 공진되고, 고조파 전류 확대현상을 일으켜 인접 궤도회로의 부정 낙하와 같은 각종 문제를 야기 시킬 수도 있으며, 고조파 전류는 인접 통신선에서의 유도장애를 일으켜서 철도신호 장애 원인이 될 뿐만 아니라 전원계통에 유입되는 경우에는 전력용 콘덴서의 과열 및 진동을 유발시키고, 해당 계전기를 오동작 시킬 위험성을 지니고 있다[14,15,16,17]. 열차검지용 궤도회로는 전원, 회로구성 방법, 궤도절연 설치방법 등에 따라 분류하고 있으며, 그 종류로는 직류궤도회로, 교류궤도회로, 정류궤도회로, 코드궤도회로, 고전압 임펄스궤도회로, AF(Audio Frequency) 궤도회로 등을 들 수 있다[5]. AF궤도회로는‘무절연’형으로 인접 궤도회로와 2개의 Tuning unit을 사용하여 전기적으로 분리하여 약 20m 궤도구간에 인덕턴스 동조회로를 구성한다. 또한 B1, B2 본드를 궤도회로에 설치하여 AF궤도회로 신호전류는 차단하고, 전기차량에서 발생하는 고조파 귀선전류는 접지와 연결된 임피던스 본드를 통해 흘러 나간다. 따라서 귀선전류와 궤도회로 신호전류는 상호 전자파 간섭을 일으키지 않도록 설계한다[18,19]. 현재 우리나라의 경부 및 호남고속선 궤도회로는 프랑스 Ansaldo사의 UM71 AF 궤도회로로 열차검지와 함께 선로에서 차량으로 열차운행 관련 정보를 전송하는 방식을 사용하고 있으며, 일반선 전철화구간의 궤도회로는 스웨덴 Bombardier사의 TI21 AF 궤도회로로 단지 열차의 검지역할만 하는 방식을 사용하고 있다[20,21]. 한국철도공사에서 운영 중인 궤도회로 중 최근 3년간 AF궤도회로 고장(장애)으로 일반선 및 고속선에서 열차지연 등 중대 장애가 발생한 사례는 총 82건이고, 특히, KTX 산천 운행시 인접 궤도회로 오동작을 유발할 수 있는 수신모듈, 송신모듈, 전원모듈 장애는 총 65건으로 전체의 79%를 차지하고 있다[22]. 건설구간(호남선 및 강릉선)에서는 KTX 산천이 상행선으로 운행시 열차가 없는 하행선 AF궤도회로(C-type) 구간이 비정상적으로 궤도가 점유되는 장애현상이 발생하였는데 만약, 궤도점유구간에 열차가 진입하였을 경우 안전 측 동작으로 열차는 비상 제동하여 자동으로 정지되는 긴급 상황이 발생하였을 것이나 다행히 그 당시 반대편 열차가 운행하지 않아 비상 정차하는 사례는 없었다. 이와 같은 KTX 산천 운행시 외부에서 유입되는 불명확한 특정주파수 등 외부요인에 의한 인접 궤도회로의 오동작을 개선하고자 분석 및 연구하여 수신모듈의 디지털방식 적용 및 운영소프트웨어 개선, 특정주파수의 감응시간 조정, 귀선전류와 궤도주파수의 상관관계 합리성 개선 등으로 궤도회로의 문제점을 일부 개선하여 운영하고 있다[15,23]. 본 논문은 궤도회로와 밀접한 관계를 갖는 열차제어시스템과의 관계를 고려하여 제2장에서는 열차제어시스템에 대한 정의와 열차제어시스템의 종류에 대한 사항과 열차제어시스템의 핵심기술인 궤도회로장치의 원리, 역할, 구성 및 종류에 대하여 검토하였으며, 제3장에서는 AF 궤도회로의 고조파 및 귀선전류, 한국철도공사에서 운영 중인 구간과 건설구간에서의 고조파 측정 및 장애사례를 고찰하였으며, 제4장에서는 송수신기의 기존 모델인 FSK(Frequency Shift Keying) 방식과 개선(안)으로 검토된 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 방식을 비교분석 하였고 분석된 데이터를 기초로 최적화된 시스템 설계 방안을 모색하였다. 이를 위해 본 논문에서는 호남선 AF 궤도회로에서 KTX 산천 운행 중 인접 궤도회로의 부정낙하 및 오동작에 관한 분석을 통해 향후 차량과 신호설비간 인터페이스를 안정적으로 운영할 수 있는 발전방향을 제시하려고 한다. 구체적으로는“KTX 산천 운행시 발생되는 전자파 노이즈에 대한 AF 궤도회로 신뢰성 확보방안 기술연구[12]”, “KTX 산천과 무절연 AF 궤도회로간 귀선전류 고조파 이동경로 분석연구[16]” 등 관련 논문의 사례연구를 통하여 KTX 산천 차량에서 발생하는 고조파와 궤도회로에서 사용하는 신호주파수에 대한 국내외 전자기파 상호 적합성을 검토하고, 궤도계전기 부정동작의 원인인 KTX 산천 열차의 고조파가 어떤 경로로 유입이 되어 장애를 일으키는지에 대한 검토를 통하여 고조파 영향으로 인한 궤도회로 부정 낙하 방지를 위한 개선방안을 검토하고 최적화된 시스템 개발을 통해 열차안전운행 및 신호설비의 안전성을 확보하고자 한다.