2.1 전철설비의 비전기반 검측 시스템

전철설비의 집전상태는 전차선과 팬터그래프간의 이선아크를 검측하여 이선율과 모니터링을 통해 판단된다. 이선율은 아크지속시간(t_arc)을 유효시간의 합계(t_total)로 나누어서 백윤율하므로 계산되며 운행속도, 팬터그래프 전류의 30 % 이상 값으로 유효시간을 측정한다. 아크지속시간은 국외 규격인 IEC62486에 따라 5ms와 국내의 경부고속철도 시험기준인 10ms 이상의 값으로 검측되며 1ms 이상의 이아크는 상대적으로 증가하므로 연속아크가 많이 발생된다^(10,12).

그림 1은 집전상태 상시모니터링 시스템의 구성을 나타내었으며 상시모니터링 장치와 운영 컨트롤러로 구분된다. 차량 상부에 설치되는 상시모니터링 장치는 카메라, 터널과 야간 모니터링이 가능한 조명, 이선아크 검측을 위한 광학센서로 구성되며 장치간의 간섭을 최소화하기 위해 각 장비의 형상에 따라 지그를 제작하였다. 카메라는 운영 프로그램의 호환성을 위한 720 × 480의 해상도, GigE 인터페이스 방식이며 49000 Lumens의 조명으로 구성하였다. 센서는 신뢰성 확보를 위해 EN50317의 따라 측정파장범위, 센서응답과 파워밀도(㎼/cm2), 최소아크응답속도, 허용오차 시험을 수행하였으며 각 항목의 시험은 220 nm에서 225 nm 까지의 파장대역의 반응, 광원에서 발생하는 빛의 파워밀도와 센서의 출력범위를 동일하게 교정, 100 ㎲ 미만의 아크광 반응, 팬터그래프 작동범위에 따른 민감도의 허용오차가 10 % 미만이 되도록 수행하였다⁽¹³⁾. 차량 내부에 설치되는 운영 컨트롤러는 접이식 19 inch 슬라이딩 모니터 (1920 X 1080), I7-5930의 산업용 PC, 차량내의 무정전을 대비한 2 kVA의 UPS (Unwireless Power Supply)로 구성하였다. 아크 검측을 위해 차상시스템의 센서로부터 아크발생시간의 정보를 데이터 수집 보드를 통해 100k sample/sec로 전달 받았다.속도와 전류는 차량 내의 TCMS (Train Control and Monitoring Sysem)로부터 데이터를 받도록 구성하였다. 또한 운영 컨트롤러의 10 Tb 이상의 저장공간을 확보하여 50 fps (frame/sec)의 고화질 영상을 획득하도록 구성하였다. 운영 프로그램은 연산 알고리즘를 적용하여 실시간 계측과 데이터 저장을 동시에 할 수 있다. 또한 팬터그래프 정격전류의 30%, 시험속도, 출발위치 (Kilometric Position)를 직접 설정하도록 구성하였다.

그림. 1. 집전상태 상시모니터링 시스템의 구성⁽¹⁰⁾

Fig. 1. Configuration of Overhead Contact Line Inspection System⁽¹⁰⁾

그림 2는 KTX-산천의 설치된 상시모니터링 장치의 사진을 나타내었으며 차상의 설치된 모니터링 장치는 차량의 정상운행 상태를 검측하기 위해 운행 방향의 후방 팬터그래프와 전차선의 집전상태를 확인할 수 있도록 설치하였다. 또한 아크광으로부터 민감도를 높이기 위해 반복되는 터널과 개활지 구간의 전차선 높이 차이를 계산하였으며 그 결과 평균 집전높이인 약 2.4 m를 고려하여 이선아크 검측과 집전상태를 상시모니터링 할 수 있도록 설치하였다.

그림. 2. KTX-산천의 설치된 상시모니터링 장치⁽¹⁴⁾

Fig. 2. Vedio device of KTX-Sancheon⁽¹⁴⁾

2.2 250km/h급 고속철도의 전철설비 현장시험

250km/h급 고속철도는 34개의 터널로 구성되며 KTX-산천의 차량으로 운행된다. 전 구간 아크 분석을 위해 만종역을 출발하여 강릉역에 도착하는 하행방향의 데이터를 1ms의 아크지속시간으로 분석하였다. 이 중 검측거리 긴 30.22km의 아크 발생에 데이터를 바탕으로 총 21km의 대관령 터널의 아크 발생을 속도 250km/h, 전류 108 A의 운행조건에서 분석하였다. 또한 터널의 고속 강체전차로 Test-bed 구간을 고려하여 80km부터 100km까지의 거리의 아크를 분석하였다. 그림 3은 하행방향 대관령 터널의 5ms 이상의 아크 발생을 나타내었으며 총 7개의 아크가 발생하였다. 최대아크지속시간은 86.38km에서 약 7.8ms이며. 그림 4는 전 구간 아크 검측 결과 중 국내 최장 터널인 대관령 터널의 1ms 이상 아크 검측 결과를 나타내었으며 약 103km에서 약 17ms의 최대아크가 발생하였다. 그림 4는 하향방향 대관령 터널의 1ms 이상 아크를 나타내었으며 최소아크지속시간은 거리 84.68km에서 1ms의 아크가 발생하였다. 거리가 약 83km부터 약 87km까지 48개, 약 88km부터 약 91km 까지 29개, 약 96km부터 약 98km까지 21개이며, 총 3곳에서 연속아크를 나타내었다.

그림. 3. 하행방향 대관령 터널의 5ms 이상 아크 검측 결과

Fig. 3. Arc detection results over 5ms in Daegwanryong Tunnel (From Manjong to Gangnueng)

그림. 4. 하행방향 대관령 터널의 1ms 이상 아크 검측 결과

Fig. 4. Arc detection results over 1ms in Daegwanryong Tunnel (From Manjong to Gangnueng)

2.3 250km/h급 고속철도의 전철설비 모니터링 결과 분석

그림 3과 4와 같이 5ms 이상과 1ms 이상의 아크횟수는 차이가 있다. 그러나 최소 200 fps의 비디오 모니터링 검측 사양이 필요하나 모든 차량에 상시모니터링을 위해 고속카메라를 설치하고 이를 저장하는 시스템을 구성하는 것은 한계가 있다. 국제 규격인 IEC62486에 따라 5ms 이하의 아크의 경우 이선율 기준값에 포함되지 않는다⁽¹¹⁾. 따라서 상시모니터링 장치도 5ms 이상의 아크지속시간만 측정하여도 된다. 그러나 본 논문는 비디오 시스템의 최소성능조건을 분석하기 위해 각 비디오 이미지(frame)와 1ms 이상 아크지속시간의 시간간격을 비교하였다. 표 1은 그림 4에 나타낸 대관령 터널의 1ms 이상 연속아크의 세부 결과이며 그림 4와 같이 연속아크가 3곳에서 발생하였으며 이 중 아크횟수가 많은 초록색박스 부분의 대한 결과를 나타내었다.

이미지 번호는 74235, 74541, 75028, 75527에서 각 2개의 이미지가 발생하였으며 아크지속시간을 제외한 속도, 전류 등 모두 동일함을 나타내었다. 아크발생 후 다음 발생 시간은 평균 1.13 sec 이며 최대 6.86 sec에서 최소 0.02 sec의 차이를 나타내었다. 이미지 간격은 평균 56.53이며 최소 1, 최대 343 이며 평균 이미지와 시간 간격을 나누면 약 50 fps의 초당 이미지를 나타내었다. 표 2는 대관령 터널의 5ms 이상 연속아크의 세부 결과이며 그림 3과 같이 1ms 이상 조건보다 상대적으로 적은 아크가 발생하므로 대관령 터널의 전체거리의 대해 나타내었다. 아크 발생 시간 간격은 평균 11.5sec이며 최대 26.38 sec에서 최소 0.08 sec의 간격을 나타내었다. 이미지 간격은 평균 689.5, 최소 4, 최대 2218 이며 평균 이미지와 평균 아크 발생 시간 간격을 나누면 약 60fps(720×480)의 초당 이미지를 나타내었다. 50fps (720×480) 값을 최소성능조건으로 설정할 경우 상시모니터링을 통한 취약구간의 유지보수가 가능할 것으로 사료된다. 비디오 장치의 경우 25ms 이상의 아크가 유지보수의 기준값이므로 5ms 이상으로 분석된 50 fps으로 상시모니터링 하는 것이 바람직하다⁽¹⁵⁾.

표 3은 만종에서 강릉구간의 5ms와 10ms 이상 아크 발생 횟수이며 총 6번의 250km/h 운행시험에서 10ms 이상의 최대 아크 발생 횟수는 16개 이며 각 각의 평균은 57개, 6개로 나타내였다. 아크 발생 횟수는 전차선로의 오버랩, 터널 등 구간별 시공상태를 확인할 수 있으며 연속 아크 발생은 전차선과 접촉하는 팬터그래프의 집전판 마모에 영향을 주는 것으로 사료된다^(10,14).