KR101306873B1

KR101306873B1 - 고속철도용 급전선로 시스템

Info

Publication number: KR101306873B1
Application number: KR1020110119168A
Authority: KR
Inventors: 조동호; 정구호; 송보윤; 신승용; 이석환; 신재규; 김양수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-09-10
Also published as: KR20130053644A

Abstract

본 발명의 고속철도용 급전모듈은 소정 간격을 두고 상하에 배치되는 판형의 상부급전부재와 하부급전부재를 포함하는 급전부재; 상기 상부급전부재의 양 측단부와 상기 하부급전부재의 양 측단부에 각각 마련되는 커패시터 연결부재; 상기 상부급전부재와 상기 하부급전부재의 사이에 배치되는 'ㄷ'자 형상의 급전코어; 및 상기 'ㄷ'자 형상의 급전코어의 양 측면에 설치되어 상기 급전부재와 상기 급전코어에서 발생되는 열을 방열시키는 수냉 시스템을 포함한다. 본 발명에 의하면, 고속철도의 레일 사이에 부스바 형태의 급전선로를 설치하고, 급전선로에 다수의 공진 커패시터를 직렬로 연결함으로써 급전선로의 인덕턴스로 인한 전압 강하를 보상해 줄 수 있는 효과가 있다.

Description

고속철도용 급전선로 시스템{POWER SUPPLY LINE SYSTEM FOR HIGH SPEED RAILROAD}

본 발명은 고속철도용 급전선로 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속철도의 레일 사이에 레일의 길이 방향을 따라 설치되어 급전선로에서 발생되는 전압강하를 보상하고 급전선과 급전코어에서 발생되는 열을 방열시키는 부스바 형태의 고속철도용 급전선로 시스템에 관한 것이다.

고속철도의 정의는 시대적 시간가치와 사회적 여건에 따라 다소 차이가 있다. 예를 들면, 1950년대 초반까지는 최고속도 100 km/h 이상이면 고속철도라 했는데, 이는 당시 철도 최고속도가 약 160 km/h일 때를 기술적 한계로 알고 있었기 때문이다.

현재는 바퀴식 철도 최고속도가 350 km/h 이상까지 가능한 기술 수준을 고려할 때 열차 최고속도 200km/h 이상으로 달리는 철도를 고속철도라 한다. 한편 우리나라의 '고속철도건설촉진법'에는 고속철도의 정의를 "열차가 주요구간을 시속 200km 이상으로 주행하는 철도로서 건설교통부장관이 그 노선을 지정, 고시하는 철도를 말한다."고 규정하고 있다.

세계 최초로 개통된 고속철도는 일본의 신칸센(新幹線)이다. 이후 프랑스의 TGV와 이탈리아의 ETR이 1981년, 독일의 ICE가 1988년, 스페인의 AVE가 1992년에 각각 개통되었다.

우리나라는 1992년에 서울~부산 간 경부고속철도 건설계획이 확정되어 프랑스 알스톰사의 떼제베(TGV)가 경부고속철도 차종으로 선정되었으며, 2004년 4월 1일 고속철도(KTX)가 개통되었다. 이러한 고속철도는 선두동력차와 후미동력차로 이루어지는 동력차와, 동력객차 및 객차로 이루어져 있으며, 각각의 동력차, 동력객차 및 객차에는 각각의 시스템을 제어하는 SCU 및 VCU가 설치되어 있으며, 전원의 안정적인 공급을 위하여 복수개의 배터리 차져 모듈이 설치되어 있다. 이러한 배터리 차져 모듈은 시스템 내의 72V 직류 구동전원을 안정적으로 공급하는 것으로서, 복수개 설치하여 전원의 안정적인 공급을 구현토록 하고 있으며, 시스템 내에 670VDC 전압이 정상적으로 인가될 때에는 배터리 차져가 동작하도록 하여 시스템 내에 72V 직류 구동전원이 안정되게 공급되도록 하고 있다.

그러나, 고속철도 시스템 내에 670VDC 전압이 정상적으로 인가될 때 이를 감지하여 자동으로 배터리 차져가 동작하도록 하는 방법이 제공되지 못하였고, 이로 인해 일일이 운전자 또는 승무원이 별도의 스위치를 조작하여 배터리 차져를 동작시켜야만 하였고, 배터리 차져의 동작을 운전자 또는 승무원에 의존함에 따라 전원공급이 안정적으로 이루어지지 못하게 되는 문제점이 있었다.

KR

10-2012-0107802

A

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고속철도의 레일 사이에 레일의 길이 방향을 따라 설치되어 급전선로에서 발생되는 전압강하를 보상하고 부스바 형태 구조의 급전선과 급전코어에서 발생되는 열을 방열시킬 수 있도록 한 고속철도용 급전선로 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고속철도용 급전모듈의 일 측면에 따르면, 소정 간격을 두고 상하에 배치되는 판형의 상부급전부재와 하부급전부재를 포함하는 급전부재; 상기 상부급전부재의 양 측단부와 상기 하부급전부재의 양 측단부에 각각 마련되는 커패시터 연결부재; 상기 상부급전부재와 상기 하부급전부재의 사이에 배치되는 'ㄷ'자 형상의 급전코어; 및 상기 'ㄷ'자 형상의 급전코어의 양 측면에 설치되어 상기 급전부재와 상기 급전코어에서 발생되는 열을 방열시키는 수냉 시스템을 포함한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고속철도용 급전선로 시스템의 일 측면에 따르면, 철도의 선로를 따라 평행하는 두 레일 사이의 공간에 배치되는 복수개의 고속철도용 급전모듈; 철도의 선로를 따라 배치된 상기 급전모듈에서, 복수개의 인접하는 급전모듈을 전기적으로 연결시키는 커패시터; 및 인접하는 급전모듈의 수냉관을 연결하는 연결관을 포함하고, 상기 다수개의 고속철도용 급전모듈에서 종단부 급전모듈의 일단부는 상기 커패시터에 의해 이전 급전모듈과 전기적으로 연결되고, 타단부는 상부급전부재와 하부급전부재가 서로 전기적으로 연결된다.

본 발명에 의하면, 고속철도의 레일 사이에 부스바 형태의 급전선로를 설치하고, 급전선로에 다수의 공진 커패시터를 직렬로 연결함으로써 급전선로의 인덕턴스로 인한 전압 강하를 보상해 줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 부스바 형태의 급전선로에 배치된 다수개의 급전코어의 측면에 수냉 시스템을 설치함으로써 부스바 형태 구조의 급전선과 급전코어에서 발생되는 열을 방열시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고속철도용 급전선로 시스템의 회로 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에서 A 부분의 급전선로의 구조를 나타내는 사시도.
도 3은 도 2에서 수냉 시스템을 제외시킨 경우의 측면도.
도 4는 도 2에서 수냉 시스템을 제외시킨 경우의 평면도.
도 5는 도 2에서 수냉 시스템이 포함된 경우의 측면도.
도 6은 도 2에서 수냉 시스템이 포함된 경우의 평면도.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고속철도용 급전선로 시스템의 회로 구성을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 급전선로에 전원을 공급하는 인버터(10)는 제1 고주파 변압기(20)와 제2 고주파 변압기(30)를 포함한다. 제1 고주파 변압기(20)에는 제1 급전 세그먼트(40)가 연결되고, 제2 고주파 변압기(30)에는 제2 급전 세그먼트(50)가 연결된다. 즉, 고속철 차량의 경우 1대가 200m 이상이며, 이로부터 인버터 1대가 공급해야 할 세그먼트 길이가 최소 200m 이상이어야 한다. 이에 따라 급전선로에 다수의 공진 커패시터(90,100)를 직렬로 연결하여 급전선로의 인덕턴스로 인한 전압강하를 보상한다.

도 2는 도 1에서 A 부분의 급전선로의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2에서 수냉 시스템을 제외시킨 경우의 측면도이며, 도 4는 도 2에서 수냉 시스템을 제외시킨 경우의 평면도이고, 도 5는 도 2에서 수냉 시스템이 포함된 경우의 측면도이고, 도 6은 도 2에서 수냉 시스템이 포함된 경우의 평면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 고속철도용 급전선로는 고속철도의 레일과 레일 사이의 침목 위에 레일의 길이 방향을 따라 설치된다. 침목(미도시됨)과 급전부재의 사이에는 절연체(60)가 삽입된다. 하기에서는 본 발명의 급전부재와 급전코어의 구조에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

급전부재는 부스바(판형) 형태의 상부 급전부재(70)와 하부 급전부재(80)가 모듈 단위로 구성되어 다수개의 모듈이 연장된다. 이와 같이 연장되는 다수개의 모듈에서 상부 급전부재(70)의 양측단부에는 각각 상부 커패시터 연결부재(71)가 연결되고, 하부 급전부재(80)의 양측단부에는 각각 하부 커패시터 연결부재(81)가 연결된다. 상부 커패시터 연결부재(71)와 하부 커패시터 연결부재(81)는 상호간에 소정의 거리를 두고 이격된 구조를 갖는다.

전압보상 커패시터는 모듈 단위로 연장되는 급전부재에서 모듈과 모듈 사이에는 상부 커패시터 연결부재(71)에 의해 연결되는 다수개의 상부 전압보상 커패시터(90)와, 하부 커패시터 연결부재(81)에 의해 연결되는 다수개의 하부 전압보상 커패시터(100)로 구성된다. 이와 같이 모듈 단위로 연장되는 부스바 형태의 급전부재에 소정 간격마다 연결되는 전압보상 커패시터는 급전부재에서 발생되는 전압강하를 보상하며, 급전부재의 길이에 따른 전압강하에 따라 커패시터의 개수는 조정될 수 있다.

이와 같이 모듈 단위로 연장되는 부스바 형태의 급전부재의 말단부 모듈은 상부 급전부재(110)와 하부 급전부재(120)의 일단부가 각각 상부 커패시터 연결부재(111)와 하부 커패시터 연결부재(121)가 연결된 구조이고, 상부 급전부재(110)와 하부 급전부재(120)의 타단부는 전기적으로 연결된 구조를 갖는다.

급전코어(130)는 'ㄷ'자 형상을 갖는 판형 구조의 코어로서, 모듈 단위로 연장되는 부스바 형태의 급전부재의 내부에 다수개의 코어가 소정 간격을 두고 배치된다. 본 발명의 일실시예에서는 'ㄷ'자 형상을 갖는 판형 구조의 급전코어(130) 다수개가 소정 간격을 두고 급전부재의 내부에 배치되는 것으로 설명하였으나, 'ㄷ'자 형상으로 연장되는 판형 구조의 단일 급전코어를 사용할 수도 있다. 모듈 단위로 연장되는 부스바 형태의 급전부재와 다수개의 급전코어(130)의 사이에는 판형 구조의 절연체(140)가 삽입된다.

전술한 본 발명의 급전선로는 모듈 단위의 급전부재가 다수개의 전압보상 커패시터에 의해 연결되어 연장되는 컨베이어 벨트형 구조로서, 전류용량을 높이고자 하는 경우에는 급전부재와 급전코어를 적층형 타입으로 구성함으로써 전류용량을 높일 수 있다. 이러한 구조에서는 적층된 부스바 형태의 급전부재의 사이에 절연체가 삽입된다.

수냉 시스템은 모듈 단위로 연장되는 부스바 형태의 급전부재와 급전코어(130)에서 발생되는 열을 방열시키기 위한 시스템으로서, 모듈 단위로 연장되는 급전부재의 내부에 배치되는 다수개의 급전코어(130)의 양측면부에 모듈 단위로 설치된다.

모듈 단위로 연장되는 급전 부재에 설치되는 수냉 시스템은 부스바 형태의 급전부재의 내부에 소정 간격으로 배치된 다수개의 급전코어(130)의 양 측면에 설치되는 금속판(150)과, 급전코어(130)의 양 측면에 설치된 금속판(150)의 측면에 각각 설치되는 다수개의 수냉관(160)과, 다수개의 수냉관(160)을 금속판(150)에 고정시키기 위하여 금속판(150)의 양 측부에 설치되는 이음관(170)으로 구성된다. 금속판(150)은 급전코어(130)에서 발생되는 열을 방열시키고, 또한 접지 역할을 수행한다. 이와 같이 모듈 단위로 연장되는 급전 부재에 설치되는 수냉 시스템의 각 수냉관(160)은 다수개의 연결관(180)에 의해 각각 연결된다.

이와 같이 모듈 단위로 구성되어 연장되는 수냉 시스템은 수냉 혹은 액체를 이용하여 부스바 형태의 급전부재와 급전코어(130)에서 발생되는 열을 방열시킨다. 또한, 모듈 단위로 연장되는 급전 부재의 상부측에도 필요에 따라 전술한 구조의 수냉 시스템이 설치될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 인버터 20,30 : 고주파 변압기
40, 50 : 급전 세그먼트 60,140 : 절연체
70 : 상부 급전부재 80 : 하부 급전부재
90,100 : 공진 커패시터 110 : 상부 급전부재
120 : 하부 급전부재 130 : 급전코어
150 : 금속판 160 : 수냉관
170 : 이음관 180 : 연결관

Claims

고속철도용 급전모듈로서,
소정 간격을 두고 상하에 배치되는 판형의 상부급전부재와 하부급전부재를 포함하는 급전부재;
상기 상부급전부재의 양 측단부와 상기 하부급전부재의 양 측단부에 각각 마련되는 커패시터 연결부재;
상기 상부급전부재와 상기 하부급전부재의 사이에 배치되는 'ㄷ'자 형상의 급전코어; 및
상기 'ㄷ'자 형상의 급전코어의 양 측면에 설치되어 상기 급전부재와 상기 급전코어에서 발생되는 열을 방열시키는 수냉 시스템을 포함하며,
상기 수냉 시스템은, 상기 'ㄷ'자 형상의 급전코어의 양 측면에 설치되는 금속판; 상기 금속판의 측면에 설치되는 다수개의 수냉관; 및 상기 다수개의 수냉관을 상기 금속판에 고정시키기 위하여 상기 금속판의 양 측부에 설치되는 이음부재를 포함하는 고속철도용 급전모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 급전코어는 'ㄷ'자 형상으로 연장되는 판형의 단일 코어인
것을 특징으로 하는 고속철도용 급전모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 'ㄷ'자 형상의 급전코어는 다수개가 상기 상부급전부재와 상기 하부급전부재의 사이에 소정 간격을 두고 배치되는
것을 특징으로 하는 고속철도용 급전모듈.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 금속판은 상기 급전코어에서 발생되는 열을 방열시키고, 접지 역할을 수행하는
것을 특징으로 하는 고속철도용 급전모듈.
고속철도용 급전선로 시스템으로서,
철도의 선로를 따라 평행하는 두 레일 사이의 공간에 배치되는 복수개의 청구항 1에 기재된 고속철도용 급전모듈;
철도의 선로를 따라 배치된 상기 급전모듈에서, 복수개의 인접하는 급전모듈을 전기적으로 연결시키는 커패시터; 및
인접하는 급전모듈의 수냉관을 연결하는 연결관을 포함하고,
상기 다수개의 고속철도용 급전모듈에서 종단부 급전모듈의 일단부는 상기 커패시터에 의해 이전 급전모듈과 전기적으로 연결되고, 타단부는 상부급전부재와 하부급전부재가 서로 전기적으로 연결되는 고속철도용 급전선로 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 커패시터는,
상기 고속철도용 급전모듈의 상부급전부재 상호간을 전기적으로 연결시키는 상부커패시터; 및
상기 고속철도용 급전모듈의 하부급전부재 상호간을 전기적으로 연결시키는 하부커패시터를 포함하는
것을 특징으로 하는 고속철도용 급전선로 시스템.