직류전기철도 급전시스템에서 레일전위 해석을 위한 모델링에 관한 연구 = A Study on the Modeling Analysis of the Rail Potential in DC Traction Power System

국문 초록 (Abstract)

전기에너지를 이용하는 전기철도(직류)에서는 선로를 통하여 수 킬로암페어의 전류가 흐르는 급전시스템을 가지고 있어 인체의 접근이나 직접적인 접촉에 의한 감전 사고나 낙뢰, 지락 및 단락 등의 전력계통 사고에 의하여 급전계통에 이상이 발생하여 전기철도의 정상적인 운행에 심각한 영향을 초래하기도 한다. 이와 같은 급전계통의 사고나 정상적인 운전 상태에서 인체에 영향을 미치지 않으며 전기철도(직류)의 운전에도 영향을 주지 않도록 하기 위한 목적으로 설치되는 것이 접지시스템이다.
본 논문의 내용은 다음과 같이 대별된다.

1) 접지시스템이 인체의 안전에 미치는 영향을 분석하기 위하여 인체의 감전 메카니즘, 접지시스템과 위험전압 등을 살펴보았고 접지전극의 설치방법에 따라 분류하는 독립접지와 공통(통합)접지에 대하여 특성을 비교분석하였으며, 전기철도 시스템에서 일반적으로 채택하고 있는 공통(통합)접지방식에 대하여 요약하였다.
2) 독립접지 방식을 도입하는 경우에 발생할 수 있는 전위간섭문제를 검토하기 위하여 필요한 접지전극에 의한 전위분포를 계산하는 알고리즘을 수립하고 프로그램을 개발하였으며, 봉상접지전극에 접지전류가 흐를 때의 지표면 전위분포를 계산하였다.
시뮬레이션 결과 전위분포는 접지전류의 크기, 접지전극 주변의 토양특성 등에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이러한 측면에서 본다면 독립접지방식이 아닌 공통(통합)접지방식을 도입하여야 할 것으로 판단된다.
일반적으로 직류전기철도 급전시스템에서는 운행용 레일을 귀로 전류(부극성)의 도체로 사용하고 있으므로 레일전위가 발생하고, 특히 차량 운행용 레일과 대지사이의 저항이 작은 경우에는 대지로 흐르는 누설전류가 문제가 된다. 이 레일전위 및 누설전류는 레일 주변에 설치된 지하 매설물에 영향을 미치며, 인체의 안전과도 관련이 있다. 이에 따라 직류전기철도 급전시스템에서 레일전위와 누설전류를 억제하는 것은 전기철도 주변 환경 및 안전 측면에서 중요한 문제이다.

이상과 같은 관점에서, 직류전기철도 급전시스템에 대하여 단독급전 및 병렬급전 상황에서 레일전위와 누설전류를 계산할 수 있는 알고리즘을 제안하였으며, 또한 열차주행시뮬레이션(TPS)과 연동하여 열차주행에 따라 부하전류가 변동되는 상황에서 레일전위와 누설전류를 정량적으로 분석할 수 있도록 하였다. 제안한 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션 프로그램을 개발하였고, 직류전기철도 급전시스템에 대하여 사례연구를 수행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents the analysis of the current as stray current and supplied current of the substation and rail potential rise on the DC railway power system. In DC railway power supply system, the running rails are usually used as the return conductor(negative-polarity) for traction load current. This condition mainly focuses on economic considerations, since it does not require the installation of an additional return conductor. But, problems of low resistance between the running rails for the return conductor and earth allows a significant part of the return load current to leak into the earth. This current is normally called to as leakage or stary current. This stary currents creates serious problems for any electrified matter in the underground. Therefore, reduction of stray current of the DC railway power supply system is also of direct benefit to the operational and safety aspects of the DC railway systems. In this paper, proposed new modeling for analysis of DC railway power supply system. The key idea lies on the nodal analysis method for DC circuits. Proposed modeling for DC railway power supply system is very easy and compact.
Results are demonstrated on the real DC railway system, and the usefulness of the proposed analysis methods is shown.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요 약 ⅰ
• 표 목차 ⅲ
• 그림 목차 ⅳ
• Ⅰ 서 론 1
• Ⅱ 접지시스템과 전위간섭 4
• 1. 인체의 안전전압 한계 6
• 2. 접지시스템과 위험전압 14
• 3. 안전한계 설계기준 24
• 4. 접지시스템과 전위간섭 29
• Ⅲ 접지전극의 전위분포 시뮬레이션 40
• 1. 전위간섭 현상 40
• 2. 전위분포 계산 알고리즘 41
• 3. 전위분포 시뮬레이션 48
• 4. 시뮬레이션 결과 검토 및 고찰 62
• Ⅳ 직류전기철도 접지방식별 레일전위 해석 64
• 1. 접지가 필요한 직류전기철도 설비 64
• 2. 직류전기철도 접지방식 68
• 3. 레일전위 73
• 4. 누설전류 82
• Ⅴ 직류전기철도 레일전위 모델링 및 사례연구 86
• 1. 단독급전 등가회로 모델 87
• 2. 병렬급전 등가회로 모델 89
• 3. 급전시스템 분포상수회로 모델 92
• 4. 사례 연구 96
• Ⅵ 결 론 109
• 참 고 문 헌 111
• ABSTRACT 115
• 감사의 글 117