KR102262324B1 - 고무차륜 경전철 해빙 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고무차륜 경전철 해빙 시스템에 관한 것으로, 서리나 결빙으로 인한 아크로부터 고무차륜 경전철에 전기를 공급하는 강체전차선 시스템 설비를 보호하고 경전철 운행의 안전성을 확보하기 위하여 일정한 저항을 갖는 강체 전차선에 루프를 형성할 수 있는 회로를 구성한 후 강체전차선이 감당할 수 있고 결빙을 녹이는데 효과적인 적절한 크기의 해빙 전류를 흘려주어 주울열에 의한 발열로 강체 전차선을 히팅하여 서리나 결빙을 녹이며, 특히 본 발명은 강체전차선의 직병렬 회로 연결을 선택적으로 절환가능하고 정류기 출력 전압을 제어하여 현장 노선 여건에 맞는 실효적인 해빙 루프 구성에 대한 다양한 옵션을 제공할 수 있는 해빙 시스템을 제공한다.

Description

고무차륜 경전철 해빙 시스템 {Anti-frost heating system in Rubber-tire AGT}

본 발명은 고무차륜 경전철 해빙 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극(+) 전차선과 음극(-) 전차선을 갖는 고무차륜 경전철 시스템에서 강체 전차선 표면에 서리가 끼거나 얼음이 형성시 집전슈와 강체전차선 사이에 전기적 불완전 접촉이 생겨 아크가 발생하여 각종 문제점을 야기하는 것을 해소할 수 있도록 강체 전차선에 대전류를 흘려주어 주울열을 발생시켜 얼음을 녹이는 고무차륜 경전철 해빙 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 경전철(Light Rail Transit)이라는 철도교통수단은 건설비용의 합리성 추구 차원에서 주로 고가(Viaduct)로 건설된다. 고무차륜 경전철[Rubber tired AGT(Automated Guidedway Train)] 시스템도 보통 50 ~ 70% 정도가 고가 노선으로 건설된다. 일부는 지상이나 지하 구간으로 건설되기도 한다. 한 노선이 고가와 지하가 혼합 연결되어 건설되기도 한다. 이러한 고무차륜 경전철에 관한 선행기술로 등록특허 제10-1106038호 등이 제안된 바 있다.

이러한 고무차륜 경전철에 전기를 공급하는 강체전차선 시스템은 양극(+) 전차선과 음극(-) 전차선이 측면 벽에 상하로 나란히 설치되는 고정 시설물로서, 차량에 설치된 집전장치(집전슈)가 강체 전차선을 습동(Contact sliding)하여 주행하면서 양극(+) 전차선에서 전기를 차량으로 받아들이고 음극(-) 전차선으로 전기를 고정시설물 쪽(변전소)으로 내보내게 된다.

한편, 우리나라의 가을 ~ 겨울철에는 대기 온도가 내려가면 서리점 근처에서 금속 표면에 서리나 얇은 얼음이 생기게 된다. 이때 서리나 얼음은 절연체이므로 고무차륜 경전철의 집전장치와 강체전차선 사이에 전기적 불완전 접촉 상태를 야기하는데, 이러한 전기적 불완전 접촉은 아크(Arc, Spark)를 발생시키고 순간적으로 몇천도의 고온을 형성하여 집전장치나 전차선을 용융시키거나 열적 손상을 주며, 이것이 누적되면 집전장치나 전차선의 마모가 많아지고 설비의 수명을 단축시킨다.

특히, 고가(高架) 구간에 놓여있는 금속 구조물은 지상으로부터 5~15m 정도 높은 곳에 위치하고, 바람이 지상보다는 강하게 부는 관계로 서리가 끼는 때가 많다.

고무차륜 경전철에서 사용하는 강체 전차선은 커티너리 전차선에 비하여 표면이 넓고 평평해 집전장치(접전슈)와의 접촉 표면이 넓고, 또한 양극과 음극의 두 개 지점에서 전차선-집전장치 사이 직렬연결의 전기회로를 구성하기 때문에, 전차선-집전장치 연결점이 1개소인 일반적인 전기철도시스템에 비하여 서리로 인한 집전 아크 문제점이 발생할 가능성이 2배나 많다.

이에 제3궤조 타입의 강체전차선이나 단일 선으로 만들어진 커티너리 타입 전차선에서는 겨울철에 서리가 끼거나 전차선 표면에 결빙이 형성되면, 차량의 팬터그래프나 집전슈와 같은 집전장치에 예리한 칼날을 탑재한 칼차를 첫 영업열차 운행전에 운행하여 기계적으로 긁어서 제거하는 방법을 사용한다.

이 경우 서리/결빙의 제거가 불완전하거나 다시 서리/결빙이 될 수 있을 뿐만 아니라, 무리한 기계적 긁힘으로 인하여 전차선 표면에 손상이 발생할 가능성이 있다.

또한, 경전철에서 사용하는 제3궤조 방식의 DC 전차선로에서는 서리나 결빙이 예상되는 때에는 유지보수 인력을 동원하거나 간이 차량을 이용하여 전차선 표면에 결빙방지용 컴파운드나 화학물질을 도포하여 서리나 결빙에 대응하기도 한다. 하지만 이러한 방법은 컴파운드나 화학 물질이 성능 좋은 도전체가 아님에 따라 전차선-집전장치 사이의 전기적 접촉의 성능을 떨어뜨릴 우려가 있고, 컴파운드/화학물질이 선로 주변을 오염시키거나 환경에 나쁜 영향을 미칠 수도 있어 조심해야 한다.

그리고, 서리가 낄 우려가 있을 때마다 컴파운드/화학물질을 도포해야 하므로 유지보수 인력 및 운영 인력이 대량 투입되어야 하므로 경제성 측면과 인력 운영 효율성 측면에서 불리하다.

더욱이 고무차륜 경전철은 양극과 음극의 두 개 지점에서 전차선-집전장치 사이 접촉점이 생기므로 접촉점이 1개소인 일반적인 전기철도시스템에 비하여 서리로 인한 집전 아크 문제점이 발생할 가능성이 2배나 높다.

한편, 경부고속철도의 커티너리 타입 고속 AC 전차선로에는 가공 합성 전차선에 루프 전류를 흘려주어 전차선에 낀 얼음을 녹이는 해빙 시스템이 있다. 이 경우에는 해빙용 단로기 등을 이용하여 상하선 전차선을 직렬 연결하는 폐 루프(Closed loop)로 만들고, 여기에 급전용 전기를 흘려주어 전차선을 녹이는 방식을 사용한다. 이 방식에서는 폐 루프의 길이를 약 50 km 정도로 길게 형성하며, AC 급전계통임에 따라 선로 임피던스가 복잡한 양상을 보이기 때문에 전기적 루프 형성이 까다롭고, 전차선의 국부적 마모 상태도 고려해야 하고, 장력장치의 작동에 따른 동적 움직임 요인과 이에 따른 운행에 주는 돌발적인 지장 가능성도 고려해야 하는 등 여러 고려해야 할 점이 많아, 실제 현장에서는 잘 사용하지 않는 경향이 있다.

아울러 이러한 방식은 해빙을 위한 루프 길이가 일정 길이 이하가 되면 해빙 전류를 인가할 수 없는데, 이는 저항이 작아서 정격 이상의 큰 전류가 흐를 수 있기 때문이다. 이때는 대형 저항기를 설치해야 하지만, 저항기는 설치 비용도 비싸고, 저항기에서 나는 열은 버려지는 것이 되므로 효율성이 떨어진다.

참고문헌 : 등록특허 제10-1106038호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 서리나 결빙으로 인한 아크로부터 고무차륜 경전철에 전기를 공급하는 강체전차선 시스템 설비를 보호하고 경전철 운행의 안전성을 확보하기 위하여 일정한 저항을 갖는 강체전차선에 루프를 형성할 수 있는 회로를 구성한 후 강체전차선이 감당할 수 있고 결빙을 녹이는데 효과적인 적절한 크기의 해빙 전류를 흘려주어 주울열에 의한 발열로 강체 전차선을 히팅하여 서리나 결빙을 녹이는 고무차륜 경전철 해빙 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 강체전차선의 직병렬 회로 연결을 선택적으로 절환가능하고 정류기 출력 전압을 제어하여 현장 노선 여건에 맞는 실효적인 해빙 루프 구성에 대한 다양한 옵션을 제공할 수 있는 고무차륜 경전철 해빙 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

고무차륜 경전철 노선에 설치되는 강체 전차선인 양극 및 음극 전차선을 직병렬 회로로 전환가능한 복수의 단로기와, 상기 단로기를 제어하는 전차선 직병렬제어부와, 전철변전소의 급전 정류기를 3상 반파 운전함으로써 출력전압을 0.866배 낮출 수 있는 반파정류 운전제어부과, 상기 급전 정류기를 1상 결상 운전함으로써 출력전압을 0.667배 낮출 수 있는 결상 운전제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고무차륜 경전철 해빙 시스템을 제공한다.

이때, 상기 전차선 직병렬제어부는 상선의 양극 및 음극 전차선과 하선의 양극 및 음극 전차선을 일괄하여 직류 회로로 구성하거나, 상선의 양극 및 음극 전차선은 직렬회로로 구성하고 하선의 양극 및 음극 전차선도 직렬로 구성하되 상선과 하선은 병렬회로로 구성하도록 직병렬 제어하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 전차선 직병렬제어부와 반파정류 운전제어부 및 결상 운전제어부는 전철변전소에 구비되는 해빙제어부에 의해서 제어되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 해빙제어부는 고무차륜 경전철이 설치된 구간의 대기의 온도, 습도, 바람을 포함하는 서리감지정보를 센싱하는 서리감지부와 연계되며, 상기 해빙제어부는 상기 서리감지부에서 입력되는 서리감지정보를 분석하고 공기의 과냉각 상태를 판단하여 상기 전차선 직병렬제어부와 반파정류 운전제어부 및 결상 운전제어부를 선택 운전 및 정지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 급전 정류기는 출력 전압 제어가 가능하도록 사이리스터(SCR) 정류기나 PWM 제어 정류기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고무차륜 경전철에서 전차선에 서리가 결빙이 생겨 집전시 아크가 생겨 열차 안전 운행에 지장을 주거나 설비가 손상되는 것을 효과적으로 해소할 수 있도록 강체 전차선에 해빙 전류를 직접 흘려주어 주울열을 발생시켜 결빙을 녹일 수 있으며, 노선의 다양한 길이에 맞도록 회로 구성이 가능하고 인가하는 해빙 전압을 상황에 맞게 제어할 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 해빙 루프의 길이가 정해져 있는 조건에서도 해빙 시스템의 구성이 가능한 다양한 옵션을 제공함으로써 효과적인 해빙 시스템 구성이 가능함은 물론, 대형 저항기를 설치하지 않고도 고무차륜 경전철을 위한 해빙 시스템 구성이 가능해 시설비의 절감 및 경제적 경전철 건설 및 운영이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 상하선을 일괄 직렬회로로 연결 경우의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 상하선을 병렬회로로 연결할 때의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 3상 반파 정류 운전 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 3상 전파 및 반파 정류 운전 시 출력 전압(직류) 파형 및 평균 전압의 크기를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 1상 결상 운전 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 1상 결상 운전시 출력 전압(직류) 파형 및 평균 전압의 크기를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 상하선 직병렬 연결 및 정류기 운전방식별 해빙 루프 구성 가능 거리표이다.
도 8은 고무차륜 경전철(AGT) 시스템의 전형적인 단면 레이이웃이다.
도 9은 고무차륜 경전철 노선의 구성 및 길이의 예를 도시한 도면이다.
도 10은 KAGT 경전철에서 사용하는 강체전차선의 전형적인 형상, 치수 및 DC 저항값을 도시한 표이다.

이하, 본 발명에 따른 고무차륜 경전철 해빙 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명에 따른 고무차륜 경전철 해빙 시스템을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 상하선을 일괄 직렬회로로 연결 경우의 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 상하선을 병렬회로로 연결할 때의 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 3상 반파 정류 운전 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 3상 전파 및 반파 정류 운전 시 출력 전압(직류) 파형 및 평균 전압의 크기를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 1상 결상 운전 모식도이고, 도 6은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 1상 결상 운전시 출력 전압(직류) 파형 및 평균 전압의 크기를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 고무차륜경전철 해빙시스템의 상하선 직병렬 연결 및 정류기 운전방식별 해빙 루프 구성 가능 거리표이고, 도 8은 고무차륜 경전철(AGT) 시스템의 전형적인 단면 레이이웃이고, 도 9은 고무차륜 경전철 노선의 구성 및 길이의 예를 도시한 도면이고, 도 10은 KAGT 경전철에서 사용하는 강체전차선의 전형적인 형상, 치수 및 DC 저항값을 도시한 표이다.

우선 본 발명은 고무차륜 경전철 노선의 길이가 짧게 계획되는 경우에도 해빙시스템의 전류 루프 구성이 가능하도록 하기 위하여, 강체전차선인 양극 및 음극 전차선과 상하선 복선 전차선을 직병렬 회로로 전환가능한 복수의 단로기(31 ~ 36)와, 상기 단로기(31 ~ 36)를 제어하는 전차선 직병렬제어부(60)와, 전철변전소(21,22)의 급전 정류기(10)를 3상 반파 운전함으로써 출력전압을 0.866배 낮출 수 있는 반파정류 운전제어부(40)과, 상기 급전 정류기(10)를 1상 결상 운전함으로써 출력전압을 0.667배 낮출 수 있는 결상 운전제어부(50)를 포함함으로써, 추가적인 대형 저항기 설치 없이도 해빙시스템 전류 루프를 다양한 노선 길이에 맞게 구성 가능한 시스템이다.

즉, 본 발명은 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)을 각각 갖는 고무차륜 경전철 시스템에서, 열차가 운행하지 않는 때에 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)에 대전류를 흘려주어 주울열로 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14) 표면의 얼음을 녹인다.

이를 위해 전차선 직병렬제어부(60)를 제어하여 일정 구간 길이를 선정하여 상선의 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선의 양극 및 음극 전차선(13,14)을 일괄하여 직류 회로로 구성하거나, 상선의 양극 및 음극 전차선(11,12)은 직렬회로로 구성하고 하선의 양극 및 음극 전차선(13,14)도 직렬로 구성하되 상선과 하선은 병렬회로로 구성하는 등 직병렬을 선택제어할 수 있다.

이 경우 직렬 및 병렬로 연결하는 회로에서 안전을 위하여 직병렬 회로 사이에 동시 투입이 불가능하도록 인터록 메커니즘을 더 구비함이 바람직하다.

아울러 반파정류 운전제어부(40)를 제어하여 직류 전철변전소(21,22)의 3상 급전 정류기(10)를 3상 반파 정류회로로 만들어 전차선 전압을 다운(Down)시켜 운전하거나, 결상 운전제어부(50)를 제어하여 직류 전철변전소(21,22)의 3상 급전 정류기(10)를 1상 결상(Phase open) 회로로 만들어 전차선 전압을 다운시켜 운전할 수 있다.

이러한 전차선 직병렬제어부(60)와 반파정류 운전제어부(40) 및 결상 운전제어부(50)는 전철변전소(21,22) 등에 구비되는 해빙제어부(70)에 의해서 제어함이 바람직하다. 아울러 이러한 해빙제어부(70)는 고무차륜 경전철이 설치된 구간의 대기의 온도, 습도, 바람 등을 포함하는 서리감지정보를 센싱하는 서리감지부(80)와 연계운영된다.

이를 통해 상기 해빙제어부(70)는 서리감지부(80)에서 입력되는 서리감지정보를 분석하여 공기의 과냉각 상태를 판단하여 해빙 시스템의 전차선 직병렬제어부(60)와 반파정류 운전제어부(40) 및 결상 운전제어부(50)를 자동으로 선택 운전 및 정지한다.

아울러 상기 전철변전소 3상 급전 정류기(10)를 PWN 제어 정류기를 사용하는 경우, 반파정류 운전제어부(40) 또는 결상 운전제어부(50)를 사용하는 옵션에 덧붙이거나 또는 단독으로 출력 전압을 추가로 임의 조정할 수 있는 제어회로를 사용함이 바람직하다.

이하 본 발명의 각 구성을 구체적으로 설명한다.

우선, 고무차륜 경전철(AGT)은 한번에 승객을 소량 이송하되 자주 운행하는 것을 목표로 저렴하게 건설하는 것을 특징으로 하는 철도 교통수단이다. 경전철은 차량(T)이 2 ~ 4량 정도만 연결되는 가벼운 교통수단이기 때문에 전기적 소모량이 일반 철도에 비해 적어서 제3궤조라는 강체 전차선 시스템 타입을 주로 사용하고, 전압은 DC 750V를 대부분 채용한다.

이러한 고무차륜 경전철의 노선은 지상 구간도 있고 지하 구간도 있으며, 차량기지 등은 대부분 지상 구간에 설치된다. 이러한 경전철노선의 구성 및 길이는 일 예로 도 9에 도시된 바와 같다. 전차선 해빙 시스템 측면에서 보면 지하 구간은 결빙이 안 생기므로 해빙 루프를 구성할 필요가 없다.

따라서, 경전철 노선중 해빙 시스템이 필요한 고가 구간이나 지상 구간이 토막토막 구간으로 형성되는 경우가 있고, 그 구간의 길이가 짧거나 긴 구간 등 다양한 구간 길이가 존재하며, 이는 단선인 경우는 물론 복선인 경우도 있다.

이때, 경전철노선을 따라 설치되는 강체전차선인 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)의 해빙은 주울열 히팅시스템을 운영하여야 하며 이를 위해 DC 전철변전소(21,22)으로부터 전기를 공급받으며, 이러한 경전철 시스템에서 DC 변전소 간격은 대략 2.5 ~ 4.5km 정도이고, 평균 3.0km 내외이다. 결국 경전철에서 해빙 시스템을 적용함에 있어서 전류 루프를 구성해야 하는 구간의 길이는 다양하다.

한편, 고무차륜 경전철의 전차선은 강체전차선으로서, 도 10을 참고하면 양극(+) 전차선(11,13)과 음극(-) 전차선(12,14)을 갖는다. 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)은 재질, 형상이 똑같으므로 DC 전기저항도 같다. 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)은 직렬 회로를 구성하므로 회로의 저항은 단일 전차선의 2배가 된다.

아울러 고무차륜 경전철은 도 8을 참고하면 양극과 음극의 두 개 지점에서 전차선(11 ~ 14)과 집전장치(T1) 사이 접촉점이 생기므로 접촉점이 1개소인 일반적인 전기철도시스템에 비하여 서리로 인한 집전 아크 문제점이 발생할 가능성이 2배나 높다.

이러한 전차선(11 ~ 14)의 실효적인 해빙을 위해서는 전차선(11 ~ 14)에 일정 크기 이상의 전류를 흘려주어야 하지만 정격 전류 이상을 흘릴 수는 없고, 대략 정격 전류의 90~100%를 흘려주는 것이 적당하다. 해빙 전류를 공급하는 전철변전소(21,22)의 급전 정류기(10) 출력 전압은 DC 750V로 고정되어 있어, 노선과 변전소 간격이 정해져 있는 상황에서 따라서 원하는 크기의 해빙 전류를 얻기가 쉽지 않다. 이를 해소하는 방법으로 저항기를 설치할 수 있지만 비용이 많이 들고 에너지는 버려지므로, 본 발명에서는 효과적인 대안으로 직병렬 회로로의 선택적 절환을 통하여 해빙을 위한 루프의 길이를 조정하거나, 급전 정류기(10)의 출력 전압을 제어할 수 있다.

한편, 대기 온도가 0℃ 근처로 떨어지면 전차선(11 ~ 14) 표면에 서리나 얇은 얼음이 생기게 된다. 좀더 구체적으로 설명하면 서리는 온도와 습도, 바람, 대기압 등의 함수인 서리점 이하에서 생기는데, 전차선(11 ~ 14)에 서리나 결빙은 아크를 야기하므로 이를 없애야 하며, 전차선(11 ~ 14)에 해빙 전류를 흘려주어 주울열로 녹이는 해빙 시스템이 가장 효과적이다.

우리나라 경전철의 노선과 지역, 주위온도 등을 분석하여 볼 때 주로 결빙 문제는 대기 온도가 -10 ~ 5℃ 사이에 일어나고, 열차 운행을 장시간 중지하였다가 재개하는 때인 첫차운행시인 것으로 분석되었다. 열차가 다니지 않으면 전차선(11 ~ 14)에는 전류가 흐르지 않으므로 전차선(11 ~ 14)의 히팅은 불가능하다.

이러한 도체인 전차선(11 ~ 14)의 재원과 풍속, 일사량, 해빙시간 등 영향변수를 넣어 도체에서의 열평형 방정식을 수립하여 주울열에 의한 온도상승 효과를 시뮬레이션 해보면, 우리나라 경전철의 현황에서 첫 열차 운행전 30분 이내에 해빙을 완료하는 것을 목표시 해빙이 효과적으로 이루어지려면 주울열로 10℃ 이상 도체온도를 상승시키는 것이 필요하다. 이를 위해 전차선(11 ~ 14)에 투입하는 해빙 전류는 전차선 정격전류의 90 ~ 100% 정도를 투입해야 하는 것으로 분석되었다.

이 경우 고무차륜 경전철이 운행되는 전차선(11 ~ 14)의 정력전류는 1700A이므로 효과적인 해빙을 위하여 정격전류의 90 ~ 100%를 흘려준다는 것은 1500 ~ 1700A를 흘려주어야 한다는 것을 의미한다.

한편, 전기회로 이론에서 전류의 크기(I)는 다음의 식(1)에서와 같이 전압(V)과 임피던스(X)의 역수의 곱으로 표현된다.

------(1)

이 경우 직류(DC) 전기 시스템은 교류(AC) 전기 시스템과는 달리 전압의 파형이 시간에 따라 변하지 않는다. 따라서, 다음의 식(2)에서와 같이 저항 성분과 리액턴스 성분의 복소수 합으로 표현되는 선로 임피던스(X)는 저항 성분(R)은 유효하되 리액턴스 성분(D)은 '0'이 된다

------(2)

결론적으로, DC에서는 전압의 크기가 정해져 있는 경우 전류의 크기는 저항의 크기에 의해서만 결정됨을 알 수 있다.

상기 고무차륜 경전철은 직류 급전 시스템임에 따라 전차선(11 ~ 14)의 저항은 DC 저항 성분만을 가지며, 저항은 강체 전차선(11 ~ 14)의 크기(치수) 및 재질에 따라 결정된다. 고무차륜 경전철에서 사용하는 전차선(11 ~ 14)의 형상과 재질은 도 10과 같으며, 이의 저항은 0.0248Ω/km 이다.

본 발명은 강체 전차선(11 ~ 14)이 일정한 저항값을 갖고 있는 점을 이용하여, 강체 전차선(11 ~ 14)이 루프를 형성할 수 있는 회로를 구성한 후, 결빙을 녹이는데 효과적인 적절한 크기의 해빙 전류를 흘려주어, 주울열에 의한 발열로 강체 전차선(11 ~ 14)을 히팅하여 서리나 결빙을 녹이게 된다.

특히, 해빙시스템을 열차가 다니지 않는 시간대에 가동하는 것을 전제로 한다면, 급전계통의 구성을 그대로 활용하되 열차가 다니지 않으면 급전 전류가 흐르지 않으므로, 열차가 다니지 않는 때에 양극 및 음극 전차선(11 ~ 14)을 단락시키는 단로기(31 ~ 36)를 제어하고 급전 전압을 공급하는 것이 효율적이다.

이 경우 고무차륜 경전철의 급전 전압은 DC 750V로 고정되므로 1500 ~ 1700A의 해빙 전류를 흘려주기 위해서는 저항을 조정하는 수밖에 없다. 즉, 해빙 루프의 저항을 0.5 ~ 0.44Ω으로 맞추어야 한다. 전차선(11 ~ 14)의 단위 저항이 0.0248Ω/km이므로 해빙 루프를 0.5 ~ 0.44Ω으로 하려면 해빙 루프의 길이가 17.7km에서 20.1km 사이가 되어야 함을 알 수 있다. 해빙 시스템이 필요한 시기는 거의 첫 열차 운행전 1시간 이내이다.

따라서, 해빙 시스템의 가동은 열차가 다니지 않는 상태에서 수행하는 것을 전제로 할 수 있다. 이를 전제한다면 다양한 시스템 구성과 급전 전압의 조정 등이 가능할 것이며, 따라서 본 발명에서는 열차가 운행되지 않는 조건에서 시행함을 전제로 한다.

상기 고무차륜 경전철에 전기를 공급하는 강체전차선 시스템은 도 8에서와 같이, 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)이 측면 벽에 상하로 나란히 설치되는 고정시설물이다. 차량(T)에 설치된 집전장치(집전슈)(T1)가 강체 전차선(11 ~ 14)을 습동(contact sliding)하여 주행하면서 양극 전차선(11,13)에서 전기를 차량으로 받아들이고 음극 전차선(12,14)으로 전기를 고정시설물 쪽으로(변전소로) 내보내게 된다.

따라서, 양극 전차선(11,13)과 음극 전차선(12,14)은 전기적으로 직렬로 연결되는 시스템이므로 급전거리(어느 지점에서 어느 지점까지의 전기 공급 거리를 의미)로 따지면 양극 전차선(11,13) 또는 음극 전차선(12,14)의 거리 만큼에 해당하나 전기저항 측면에서는 2배가 된다.

예를 들면, 급전거리(또는 열차 영업거리)가 10km이면 전차선(11 ~ 14)은 20km이고, 전체 전기저항은 0.0248Ω/km ㅧ20km = 0.496Ω이 된다. 이것은 상선용 전차선(11,12) 또는 하선용 전차선(13,14)만의 계산이고, 만일 도 1에서와 같이 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)을 직결 연결한다면 전기저항은 0.0248Ω/km ㅧ40km = 0.992Ω이 된다.

상기 계산에 착안하여, 해빙 루프를 상하선을 직렬로 연결하는 옵션을 고안한다. 전철변전소(21,22)에서는 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)을 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있는 복수의 단로기(31 ~ 36)를 시설하는 것이 용이하므로, 일반적으로는 도 2와 같이 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)을 각각 병렬로 연결하여 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)의 해빙 루프를 별도로 구성하는 방식을 택하지만, 해빙 루프의 길이를 길게 하기가 어려운 경우에는 도 1과 같이 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)을 모두 직렬 연결하여 해빙 루프의 길이를 줄일 수 있도록 하는 옵션을 제공한다.

이를 위해 본 발명은 도 1과 도 2에서와 같이 강체 전차선인 상하선 복선 전차선(11 ~ 14)을 직병렬회로로 전환가능하도록 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)을 직병렬회로로 전환가능한 복수의 단로기(31 ~ 36)와, 상기 단로기(31 ~ 36)를 제어하는 전차선 직병렬제어부(60)를 포함한다.

이때, 상기 단로기(31 ~ 36)와 전차선 직병렬제어부(60)는 전철변전소(21,22)에 위치한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)의 일측에는 전철변전소(21)가 위치하고 타측에는 전철변전소(22)가 위치하여 전차선 직병렬제어부(60)에 의해 복수의 제1 내지 제6 단로기(DS1 ~DS6)를 제어하여 상기 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)을 직렬 또는 병렬 연결한다. 이 경우 제1 내지 제3 단로기(31,32,33)는 전철변전소(21)에 구비하고, 제4 내지 제6 단로기(34,35,36)는 전철변전소(22)에 구비한다.

이러한 구성에 의하면 상기 전차선 직병렬제어부(60)는 전철변전소(21,22)에 위치한 제1 내지 제6단로기(31 ~ 36)를 제어하여 도 1에서와 같이 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)를 직렬연결하거나 도 2에서와 같이 상선용 양극 및 음극 전차선(11,12)과 하선용 양극 및 음극 전차선(13,14)를 병렬로 연결한다.

이 경우 단로기(31 ~ 36)를 제어하여 해빙 루프 회로를 상하선 직렬로 할 것인지 상하선 병렬로 할 것인지의 선택에 맞춰 일괄 제어하는 역할을 함과 동시에, 단로기 투입 개방에 있어서 금지된 회로로의 구성은 원천적으로 차단하는 메커니즘, 즉 인터록(interlocking) 회로를 더 구비한다.

한편, 이러한 전차선 직병렬제어부(60)만으로는 해빙 루프구성이 불충분하다. 이는 도 7의 계산 결과를 보면 모두 직렬연결하는 경우 아직도 최소 해빙 루프는 4.85km로서, 경전철 변전소 평균 간격이 3.0km인 점 등을 고려해 볼 때, 이보다 작은 거리로 해빙 루프를 구성해야 하는 곳이 많이 있기 때문이다.

결국, 더 짧은 구간에 해빙 루프를 형성하기 위해서는 전철변전소(21,22)의 급전 정류기(10) 출력 전압을 내려서 맞추어야 하며, 이를 위해 고무차륜 경전철 전철변전소(21,22)의 급전계통은 교류(AC) 3상 전원을 급전 정류기(10)로 3상 전파(full wave) 정류하여 직류(DC) 750V로 변환하여 급전계통에 전원을 공급한다. 현재 급전 정류기(10)에서는 출력 전압 750V는 고정적이며 전압을 조정하는 회로는 없다. 그러나, 급전 정류기(10)는 사이리스터(SCR) 정류기나 PWM 제어 정류기로서 게이트 제어를 통하여 출력 전압 제어가 가능하다.

이에 따라 본 발명은 전철변전소(21,22)의 급전 정류기(10)를 3상 반파 운전함으로써 출력 전압을 0.866배 낮출 수 있는 반파정류 운전제어부(40)를 더 포함한다. 도 3을 참고하면 상기 반파정류 운전제어부(40)는 급전 정류기(10)의 사이리스터(D4, D5, D6)를 정전압 및 역전압 파형이 걸리는 동안에도 계속 도통하지 않도록 제어함으로 3상 전파(full wave) 정류회로를 3상 반파(half wave) 정류로 만들 수 있다. 급전 정류기(10)를 제어하여 3상 반파 정류하면 DC 평균전압 차원에서 출력 전압은 도 4에서와 같이 3상 전파 정류에 비하여 0.866배로 다운된다.

그리고, 본 발명은 상기 급전 정류기(10)를 1상 결상 운전함으로써 출력전압을 0.667배 낮출 수 있는 결상 운전제어부(50)를 더 포함한다. 도 5를 참고하면 상기 결상 운전제어부(50)는 정전압 및 역전압 파형이 걸리는 동안에도 3상 입력 전압의 T상에 걸려있는 사이리스터(D3, D6)를 계속 도통하지 않도록 제어함으로 3상 전파 정류회로를 1상 결상(no phase) 회로로 만들 수 있다. 1상 결상 운전하면 DC 평균전압 차원에서 출력 전압은 도 6에서와 같이 3상 전파 정류에 비하여 0.667배로 다운되며, 3상 반파 정류 운전 중일 때 1상 결상 운전을 같이 시행하면 3상 전파 정류에 비하여 0.577배로 다운된다.

전철변전소(21,22)의 급전 정류기(10)를 3상 반파나 1상 결상으로 운전하면 출력 전압의 DC 파형이 3상 전파 정류 때 보다 찌그러지고 AC 성분이 증가하게 되는데, 이때는 열차에 전력을 공급하는 상황이 아니고 해빙 시스템을 위한 전원이며 주울열 발생을 위한 전원이므로 해빙 작동이 가능하다. 1상 결상 운전은 급전 정류기(10)의 입력 3상 전원(R상, S상, T상) 중 1상(일 예로 대부분 T상을 선정)을 결상하는 것이며, T상 결상은 T상 입력 전원이 개방된 것과 같은 효과로서, 급전 정류기(10)의 T상에 연결된 사이리스터의 도통을 막음으로써 얻을 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 급전 정류기 11 ~ 14: 전차선
21,22: 전철변전소 31 ~ 36: 단로기
40: 반파정류 운전제어부 50: 결상 운전제어부
60: 전차선 직병렬제어부 70: 해빙제어부
80: 서리감지부 D1 ~ D6: 사이리스터
T: 차량 T1: 집전장치

Claims (5)

1. 고무차륜 경전철 노선에 설치되는 강체 전차선인 양극 및 음극 전차선을 직병렬 회로로 전환가능한 복수의 단로기와, 상기 단로기를 제어하는 전차선 직병렬제어부와, 전철변전소의 급전 정류기를 3상 반파 운전함으로써 출력전압을 0.866배 낮출 수 있는 반파정류 운전제어부과, 상기 급전 정류기를 1상 결상 운전함으로써 출력전압을 0.667배 낮출 수 있는 결상 운전제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고무차륜 경전철 해빙 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전차선 직병렬제어부는 상선의 양극 및 음극 전차선과 하선의 양극 및 음극 전차선을 일괄하여 직류 회로로 구성하거나, 상선의 양극 및 음극 전차선은 직렬회로로 구성하고 하선의 양극 및 음극 전차선도 직렬로 구성하되 상선과 하선은 병렬회로로 구성하도록 직병렬 제어하는 것을 특징으로 하는 고무차륜 경전철 해빙 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전차선 직병렬제어부와 반파정류 운전제어부 및 결상 운전제어부는 전철변전소에 구비되는 해빙제어부에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 고무차륜 경전철 해빙 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 해빙제어부는 고무차륜 경전철이 설치된 구간의 대기의 온도, 습도, 바람을 포함하는 서리감지정보를 센싱하는 서리감지부와 연계되며,
   상기 해빙제어부는 상기 서리감지부에서 입력되는 서리감지정보를 분석하고 공기의 과냉각 상태를 판단하여 상기 전차선 직병렬제어부와 반파정류 운전제어부 및 결상 운전제어부를 선택 운전 및 정지하는 것을 특징으로 하는 고무차륜 경전철 해빙 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 급전 정류기는 출력 전압 제어가 가능하도록 사이리스터(SCR) 정류기나 PWM 제어 정류기로 구성되는 것을 특징으로 하는 고무차륜 경전철 해빙 시스템.

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