전기시스템과 동양공업전문대학 1/17 전기 철도 왕 문 …ocw.dongyang.ac.kr/cms_ocw/electsystem/4423/note/n4_note...3/17 전기 철도 전기시스템과 왕 문 성

1/17 전기 철도 전기시스템과왕 문 성 동양공업전문대학

DONGYANG TECHNICAL COLLEGE

철도 : 대량, 고속, 안전 → 경제성에너지 사용 효율(열효율) : 증기 → 5%

diesel → 20%전기(1일 100회 이상 운행시 유리) → 26%(화력), 57%(수력)

都市철도 시가철도 - 도로면의 전차 & 트롤리 → 버스로 대체 시내고속철도 - 지하 & 고가 철도 근교철도 - 도시를 중심으로 교외로 뻗은 철도(都)市間철도 - 도시 사이연결 간선철도 - 기간선, 대편성, 고속열차 3상 교류 전원 -> 단상 25kV (스코트 결선)직류식은 3상 22.9 kV → 정류용 변압기 및 정류기 -> 1500DC 1997년 1920 kW (2600HP) 43대 국산화



플랜지

1. 선로(線路)- 로반(路盤)과 궤도(track : rail(궤조(軌條)), 枕木(crosstie, sleeper), 道床)로 구성

(1) rail협궤(옛날 수인선):1067[mm] < 표준 軌間:1435[mm] < 광궤(시베리아 철도 등)rail : 내부결함 있는 경우는 안 됨, 비파괴 검사레일의 중량 : 1[m]당의 무게로 취급

표준(30[kg/m], 20[m]) (30 및 50[kg/m], 25[m])

마모 심한 곳은 망간강(Mn이 3 ~ 11% 포함) 사용100 ~ 200m 용접한 것을, 현장에서 다시 1500m 정도 용접해서 사용* 유간(clearance) : 온도에 따른 rail의 신축에 대응, 10[mm] 정도 간격* 확도(slack) : 곡선부에서 마모, 탈선 방지, 안쪽 rail을 다소 넓게 설치, 보통

30[mm]정도가 한도임.

, R : 곡선반경[m], : 고정 차축거리[m]

* 제3궤조(third rail) → 지하철, 고가철도, 밀림 등 가공선 세우기 곤란한 곳, 고속철도에는 불가능(전선에 탄성이 없어 진동에 약함), 집전화(collective shoe, 集電靴) 사용

* 경동선 : 1.8[⋅], 제 3궤조 : 13[⋅], 궤조 : 20[⋅]

(2) 침목 : 궤간 유지, 차량 진동을 도상으로 전달, 밤나무 & 檜나무나무 → PS(prestressed) concrete, 防振(방진)고무(gum bed)로 콘크리트 파괴 방

지 및 레일의 누설전류 제어복진지(anti creeping) : rail의 열차 진행 방향으로 레일의 이동 방지

(3) 도상 : 지름 1.5 ~ 7.5cm의 쇄석, 20 ~ 30cm의 두께로 노반위에 깐 자갈, 선로에 탄성을 주는 작용, 배수원활 - rail과 대지 사이의 누설 저항 증대

누설 콘덕턴스 : 碎石 : 0.5[/km], 自然石(자갈) : 1 ~ 5[/km]비탄성 도상(콘크리트 쇄목 등) → rail에 파상 마모



x

y

ba

a b

R

R

20m

1o

2. 곡선 및 구배 선로

(1) 곡선표시(a) 20[m]의 현을 이루는 각도 로 표시(b) 반경 R[m]로 표시

, R이 매우 크므로 ≒∩

반경 R의 원둘레 ≒ ×, ∴ → ,

&

(2) 구배(a)

(b) ⇒× : 100m 진행 → 2.5m 고도 상승

(c) ⇒× ‰ : 1000m 진행 → 25m 고도 상승

* 구배의 한도 : 幹線 → 25‰, 地方鐵道 → 35‰, 路面鐵道 → 40‰

* 單曲線(simple curve) : 반경이 일정한 1개의 원호* 緩和곡선(transition curve) : 직선부 → 곡선부 : 반경이 다른 여러 개의 원호를

연결해서 부드럽게 진입 : 입구반경은 크게 차차 반경을 작게* 反向곡선(reverse curve 또는 S curve) : S자 곡선* 從곡선(vertical curve) : 수평궤도에서 경사궤도로 변하는 부분* 곡선부 : 가끔 탈선되지 않도록 안쪽 rail에 guard rail 설치하기도 함.



E

W R

PG

분기각

기준선

가아드 레일(호륜궤조)

크로싱 부분

리드 부분

포인트 부분

첨단 궤조(전철기)

포인트

연결 바

철차부(crossing)

분기선

도입궤조(lead rail)

(3) 고도(cant) : 무게 w와 원심력 P의 합력 R이 지면과 수직일 때 안정 운전질량 m[kg], 속도 v[m/sec], 회전반경 R[m],

G : 궤간[mm]

, ≒

차량 무게 w[kg], 속도 V[km/h]

×××

⇒

∴ ×

또는

* 철차각 - 선로가 분기하거나 교차할 때, 전철기, 철차, 도입궤도, 호륜궤도* 철차각 번호

≒ : N이 작을수록 가 커지므로 N이 작은 곳을 통과하는

경우에는 속도에 제한을 둬야 함



3. 전기급전설비(전원 → 변전소 → 전기차): 고속 주행하는 전기차에 전원에서 안정된 전기 공급을 위한 설비

* 전철용 변전소직류 모선 변전소 : 특고압 → 고압(회전변류기 또는 정류기) → 직류

급전용 스위치로 고속도차단기 사용 : 운전전류 중 지락 & 단락 전류

내에 차단

단위 변전소 : 주 변압기 1대, 작은 간격, 변전소 정전과 무관이동 변전소 : 변전설비 모두를 차량에 적재, 고장 시 임시 변전소로 활용

교류방식의 변전소 : 주변압기를 Scott결선 (T결선)

→ 2개의 단상 귀전력을 변성해서 3상 전력으로 변환, 급전 계통이 3상일 때 계통에 생기는 불평형을 없애기 위하여 사용하는 결선

급전계통의 보호 : 거리계전기

* 전차선 ↔ rail간의 전자유도에 의한 잡음전압 발생 : 통신장애 발생: 흡상변압기(대지 누설 전류 흡수), 단권변압기, 통신선의 배류 코일 사용, 전차선

로의 고조파성분 경감



Scott 결선

Rail과 연결 상행선

하행선

* 전압강하평균 % 최대 %

시가 8 10교외 10 15시간 12 25간선 10 25

교류철도 10 20

* 이선율 이내 실운전시간이선시간

×

* 보통 급전계통내의 전압변동률은 팬터그래프 수전점에서 최대 20[%] 이내, 평균 ± 이내가 되도록 함.

* 변전소 간격 (교류용) : 40 ~ 50km로 가능한 짧게 시설(전압 강하 적게) (직류용) : 3 ~ 15km

* 회전 변류기 - 난조(hunting) 및 섬락(flash over)이 있고 보수 불편, 효율 나쁨, 직류정류용 수은정류기보다 효율 나쁨, 그러나 회생제동 가능(전력 절약), 역률 조정 가능, 연속 과부하 내력이 강함 - 지금은 SCR 정류기 이용

* inverter : 직류 → 교류 변환가능, 반대는 불가능

* 변전소 공칭정력 - 정력출력 연속 사용 후 150%의 과부하를 2시간 연속 사용하고 다시 계속해서 200% 과부하에 1분 견딤

* 중부하 공칭정격 - 300% 과부하에 1분간 견딤



Rail 절연

계전기신호전류

차량진입시 여자력 감소

차량 바퀴

G

R

* Impedance Bond일반적으로 rail은 전력의 귀로(직류)로 사용됨, 그

러나 자동폐쇄 신호를 사용할 경우 신호用 회로(교류)로 사용되기도 함. 임피던스 본드는 귀로전류를 흐르게 하면서(rail 절연부를 통과하도록), 신호 전류는 다른 rail로 흐르지 않게 하는 연결 장치(교류)

cross bond(횡 bond) 귀電流 회로(궤도 저항을 줄이기 위해 양 궤도간을 연결하는 bond임) - 폐쇄신호 계전기를 동작시킬 수 없음

용접본드 - 아예 용접



messenger

trolly선 hanger

* 조가방식① 직접가선 - 트롤리선을 ear(트롤리선을 잡는

금속)에 직접 가설, span선, 이도가 크고, 고속에서 이선률 크고, 마모 심함, 잘 안 씀

② Catenary식 - 전주간 거리를 길게하여 전주의 수를 줄임. 고속도 대용량 (hanger), 경간 45 ~ 50m에 행거 10 개 정도 사용

* 가공차선(수평 유지 중요)트롤리선 - 경동선 , ℃ , 의 장력

170[mm2], 15[℃], 1000[kg]의 장력메신저 - 구리, 카드뮴 합금 연선 60[mm2]

* 자동장력조정장치 - messenger에 보통 보도 block처럼 생긴 콘크리트 판 여러 장 매달아서 사용

* 집전 장치Pantagraph - 압상력이 크면 이선률이 작지만 전선 마모가 심해짐. 따라서 압상력은

3-5[kg]정도, 120[km/h]의 속도록 운행 가능. 이선률이 3% 이하가 되도록 함.Bügel collector - 60km/hTrolly pole - 40km/h



* 電蝕(electrolytic corrosion & electrolysis) : 레일과 변전소 사이의 전위차가 매우 크거나, rail 접속부가 고저항 또는 대지와 레일의 절연이 불량할 경우 rail에 흐르는 전류가 大地로 누설되어 부근의 수도, gas관, cable등의 지하 매설물을 통해서 흐름, 電解작용, 관이 얇아짐. 누설전류가 흐르면 전해작용 발생 → 전류가 유출하는 쪽의 전극이 전식됨.

전위가 높은 (→ 대개 금속) 물질이 +극성이므로 大地(-)로 전류 유출 → 양극에서 전식이 일어나는 것으로 보면 됨. 1A가 1年간 흐른다면 철(궤조, 수도관) 9kg, 납(전력선 또는 통신 케이블) 34kg정도 부식, 구리(본드, 보조 귀선)

* 전식 방지법 → 직류식에서는전기 철도측 : (a) 누설 전류를 적게 하는 방법(전차선의 전압 승압, 귀선 저항의

감소(궤조 본드, 이음의 용접), 해수 이용, 궤조의 절연을 양호하게, 보조 귀선 설치, 변전소 구간 단축)

(b) 귀선의 극성을 정기적으로 바꿈 : 전식 개소를 분산함매설관측에는 : (a) 배류법(매설 금속체에서 흙으로 유출하는 전류를 적게하기 위

함으로 선택 배류법(매설 금속체에서 전류의 유출이 많은 곳에 레일과 직접 접속), 강제 배류법(매설 금속체에 외부에서 직류 역전압을 가해서 주위보다 (-) 전위로 유지))

(b) 매설 금속체를 대지와 고무, 비닐 등으로 절연 또는 차폐, (c) 표준 전위가 더 낮은 저전위 금속을 접속 →



* 차량 車輛(rolling stock) 車體(car body), 대차(truck)* 성능 : 기관차 機關車, electric locomotive, 전동기, 附瀡車 견인 전동차(電動車 motor car) : 전동기, 승객, 화물도 실을 수 있음 제어차(制御車 control car) : 전동기 없음, 제어기․운전실이 있음 부수차(trailer car) : 운전실, 전동기, 제어기 없음, 객차, 화차* 대차 : 4륜차(차축 2개), 보기차(일반적, 차축 4개), 관절차

* 주 전동기(p.390) : 보통 DC 1500[V], 4대, 기관차 4 ~ 8대, 50 kg/HP 감속기어 - 소형화를 위해서 보극 - 역회전 방지 보통 2대 - 직병렬 속도제어

* 마찰계수 : 속도가 클수록, 제륜자의 온도가 상승할수록, 제륜자를 누르는 압력이 클수록 → 마찰계수가 감소함, 속도, 제륜자의 재질, 접촉면의 온도, 제동시간에 영향 받음, 중량과는 관계없음

* 회생제동 - 제동 완료 때까지 시간이 많이 걸림.



4. 차량 운전

열차저항주행 抵抗 - 기계적 저항 → 베어링 저항, 궤도 저항

공기저항 → 평면형>원호형>포물선형출발저항(기동 저항) 5 ~ 7[kg/t]곡선저항 Fc=

구배저항 Fg = s[kg/t], s[‰] : 구배

出發抵抗 : 列車가 정지 상태에서 출발할 경우 베어링에 기름의 ‘유막’이 형성되는데 까지 드는 힘, 겨울철 기름막의 경화, 速度 10[km/h] 이상 되면 유막 형성됨, 오래 정차할수록 커짐, 보통 5 ~ 10[kg/t](5:화차, 10:전기기관차)



가속에 요하는 힘 , 무게 , 가속도 인 경우

×

,

x : 관성계수 전동차 객화차 전기기관차

0.10.05

0.12～0.15

가속도 감속도보통 3.2 4 특급

전기기관차최고허용도

1.41.0 ~ 1.5

40.7 ~ 1.5

4 ~ 5

실제 : 전동차, : 부수차열차저항 주행 곡선 구배

전동기의 견인력 T > Ft : 가속, T < Ft : 감속, T = Ft : 등속 , ∴

ex) , 직선, , 평탄, 주행저항 , 견인력 일 때 가속도는?→

× ×

×

≒

if 0.5[%]의 상승구배? ×× , ∴ ∴ ×

≒



최대 견인력 , : 점착 계수(coefficient of adhesion), : 중량[kg] : 점착 인장력, 보통 레일에 모래 뿌림(크게), : 0.1 ~ 0.3정도

ex) 의 전동차, 3% 구배, , 상승, 부수차 무게?, 주행 저항 , =0.2

×× , ×≒

∴ → , ∴

ex) 의 전동차, , 기동 후 15초 후의 속도, 주행거리는? 단, 열차저항은

× ,

≒ , ∴ ×

×××

≒



* Brake(제동) 수동제동 - 사람이 핸들을 잡아당기는 힘이 30[kg] 정도 공기제동 - 압축공기

, →

에 의 감속도 → 후에 정지

×

, 의 브레이크 력으로 달린 후 정지 시 에너지

×

≒ , ∴

감속력의 최대치 ,

가속도 감속도보통 3.2특급 1.4전기 기관차 1.0～1.5최고 허용도

44

0.7～1.54～5



ex) , 의 열차를 정차시킬 경우 브레이크 편 압력 , 브레이크 거리 를 구하라. 단, 브레이크 마찰계수 = 0.2, 점착계수 = 0.2이다.

이용할 수 있는 최대 브레이크 力은 ×× ×

×

ex) 주행저항 인 의 열차가 구배를 로 하강할 경우, 브레이크

力 을 구하라.(1) 등속도일 경우

구배는 ×‰⇒

××

당연히 브레이크가 필요함, 그러나 열차저항이 있기 때문에 ×

(2) 지나기 전에 정지시키려면 ×

× , ∴



* 전동기 출력의 식

, × , ∙ , (견인력)∴

․

∙

․ ⇒ , ∴ ∙∙

×

대 효율 → 대당 용량은

ex) , 효율 0.95인 전동기 4대, 2% 구배 상승, 주행저항 , 속도 , 가속도 일 때 각 전동기의 출력은 얼마인가?

열차저항 × →× 가속에 요하는 힘 ×× 따라서 필요한 전체 견인력은 ∴ ××

×



n개

간격 L...

정차시간 t, 전체 주행시간 T

전기 철도용 주전동기 : 기동 토크가 클 것(속도 상승 시 토크 감소, 직원 특성), 올라가는 구배에서 과부하로 되지 않고 토크의 저하가 적을 것(회전수가 줄어들면 회전력이 커질 것), 병렬운전 가능, 운전 시 불평형 작을 것, 소형, 경량, 방수, 방진, 방설

동력은 직접 차축에 연결하지 않고 기어를 사용함(동일 출력 시 속도가 클수록 회전력은 작아도 됨. 전동기를 소형, 경량화 할 수 있음)

전동기 1[kW]당 중량 5[kg](기관차는 마력 당 50[kg] 정도)전기 차의 바닥 면을 이용하기 위해 전기 차의 바닥 아래에 장치]

* 표정속도(schedule speed) 정차시간을 포함하고 속도를 계산 총 주행거리 = L (n-1), 정차시간 = (n-2)t ∴표정속도

* 比電力消費量 : 變電所 구역 내의 鐵道거리[km] 및 전차 重量[ton]으로 供給變電所의 電力量[Wh]을 나눈 값[Wh/t-km]

노면전차 : 40 ~ 90, 교외전차 : 25 ~ 70, 시간철도 : 35 ~ 80시내고속도 : 50 ~ 100, 간선(객차) : 15 ~ 35, (화차) : 10 ~ 30

* 부하율(負荷率)路面電車 : 50%, 市間鐵道 : 40%, 幹線鐵道 : 30%

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