팬터그래프와 전차선 간 아크 발생 유지보수 신뢰성에 관한 연구

Abstract

The most important performance indicator is the quality of current collection between pantograph and contact wire in order to increase the speed of high speed railway. Basic condition of contact wire during operation in the high-speed train is to maintain the ideal height and it shall be possible to operate safely with a constant touch with the collector's pantograph. The interaction between the pantograph and contact wire is distinguished by mechanical and electrical characteristics, but generally due to the complex characteristics. Mechanical properties are caused by rapid wear and thermal fatigue due to the friction between contact wire and pantograph. The electrical characteristics are caused by an increase in temperature by electric arc and over-current, and the facility increases fatigue levels, resulting in local wear. Arcing between pantograph and contact wire can cause local wear, temperature rise, open circuit etc. of contact wire and affect the power system such as abnormal voltage for high-speed train. The slip phenomenon of the dropper clamp, which causes deformation at the height and surface of the contact wire, can cause an arc by creating an unsafe contact between the pantograph and the contact wire. In addition, even if the dropper clamp is adjusted to the correct target value according to the maintenance standards, it is changed to intervention value again, which is fatal to the reliability of maintenance. In this thesis, the criteria for dropper clamps were reviewed and several experiments have led to the need to establish new test standards to prevent slip from occurring. It is deemed that the establishment of these test standards will mitigate the occurrence of arcs between contact wire and pantograph due to the dropper clamp slip phenomenon. |우리나라에서는 1898년 12월에 미국인 H. Collblen과 H. D. Hostwick가 청량리∼서대문 간에 선로를 부설하여 1899년 5월 4일 직류 600[V] 방식의 전차가 철도의 시작이었다.[8] 이후 1970년대 고도 경제성장의 진입으로 산업 물자의 이동에 필요한 운송 수요 증가에 적절히 대처하기 위하여 중앙선, 태백선 등 산업선의 전철화를 이루었고, 수도권에서는 도시 교통의 혼잡 완화와 도심지 인구 분산을 도모하기 위하여 국철 및 지하철 구간을 개통하면서 본격적인 철도가 활성화되기 시작하였다.[8] 경제가 발전하고 산업이 고도화 되면서 대규모 고속 운송수단이 필요하게 되었고, 안전하고 쾌적하며 신속성 등이 요구되고 있는 것이 세계적인 추세다. 이러한 시대적 요구에 부응하기 위하여 우리나라에서도 2004년 4월 1일 서울∼부산 간 경부고속철도가 개통하였다. 그리고 11년 후 2015년 4월 1일 주요 자재를 우리 기술로 100% 국산화한 오송∼광주송정 간 호남고속철도가 개통되었다. 고속철도의 개통으로 우리나라의 인구 및 경제활동 분산, 지역주민의 교통편의 제공 등 전국을 일일 생활권으로 묶는 교통 혁신을 이루었으며 도시 및 지역간 대량 운송 체계를 구축하여 신속한 인적, 물적 교류로 인하여 우리나라의 균형있는 지역 발전에 기여하였다. 또한 꾸준한 기술 개발로 우리나라 고속철도는 최고 속도 421.4km/h를 기록하여 프랑스, 중국, 일본에 이어 세계에서 4번째로 높은 최고 속도의 고속철도 기술 보유국이 되었다. 고속철도의 속도 향상은 타 교통수단과 비교해서 신속하고 안전하게 인적, 물적 이동이 가능하게 하여 경제 발전에 큰 기여를 하고 있으며, 공기오염 물질이 없고 소음이 적은 환경 친화적인 교통수단으로 재조명 받고 있다. 이러한 시점에서 최고속도가 증가함에 따라 속도에 가장 큰 영향을 미치는 팬터그래프와 전차선 간 전기 공급의 중요성이 대두되고 있으며 속도향상을 위하여 전차선로 특성에 대한 연구가 필수적으로 요구된다.[2] 팬터그래프와 전차선 간의 상호 운영은 기계 및 전기적 특성으로 구분되지만 일반적으로 복합적 특성에 의해 다양한 상호작용이 나타난다. 기계적 특성은 전차선과 집전장치의 접촉에 따른 급격한 마모, 열적 피로에 의해 발생되며 재료의 재질을 변화시킴에 따라 전차선로의 국부적 형상변화가 발생된다. 전기적 특성은 아크와 과전류에 의한 온도 상승으로 이루어지며 전차선로를 구성하는 설비에 피로도를 높이고 국부적인 변형을 발생시킨다.[2] 이러한 열차의 속도 향상을 위하여 확보해야 할 가장 중요한 성능 지표는 집전장치와 전차선 사이의 집전 성능이다. 집전 성능을 측정할 수 있는 방법은 집전장치와 전차선 사이의 접촉력을 측정하거나 전차선이 이선 현상이 발생 되었을 때 발생하는 아크를 측정 할 수 있다. 아크는 전차선의 국부 마모, 온도 상승, 단선 등을 유발 시킬 수 있으며, 고속철도 차량의 이상전압과 동력 계통에 영향을 미칠 수 있다.[2] 현재 아크 검측 차량의 운용으로 아크 발생 개소에 대한 검측을 주기적으로 시행하고 그 데이터를 바탕으로 유지보수에 활용하고 있다. 전차선 아크에 관한 현상은 그동안 많이 연구 및 논의 되어 왔으나 최종적으로 유지 보수 측면의 현장에서 물리적인 점검 및 보수가 아크 현상을 개선하였다. 이러한 측면에서 전차선로 시스템은 이론보다는 현장 운용 경험과 시험을 통하여 발전되어 왔다고 할 수 있다. 이에 따라 본 연구는 호남고속철도에서 발생한 전차선 아크 유지 보수 결과를 바탕으로 실험을 통하여 전차선 아크 발생을 감소시킬 수 있는 방안을 제시하고 유지보수의 신뢰성을 향상시키고자 한다.