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  1. (Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea)



Sectioning Post, Source of harmonics, Harmonic resonance, Harmonics reduction, R-C Bank

1. 서 론

전기철도 급전시스템은 에너지의 효율적 이용이 가능한 친환경 설비로서 수송능력 증강 및 운영효율 증가 등 여러 가지 장점을 가지고 있다. 그러나 전기철도 부하는 SCR, GTO, IGBT 등 전력전자소자를 사용하는 전력변환 장치가 탑재된 전기철도차량으로서 동적으로 매순간 이동하며 고조파를 발생시키는 비선형부하의 특성을 가지고 있다. 또한 전기철도 차량의 특성에 따라 3차, 5차, 7차 등 저차 고조파와 Converter의 변조 주파수에 기인하는 19차, 25차, 27차 등 고차 고조파가 다양하게 발생하게되며, 전원 측으로 유출될 경우 전원파형의 왜곡(歪曲-Distortion)을 초래하는 등 동일 전력계통에 연결된 일반 수용가에 다양한 문제들을 야기한다.

본 연구는 실제 운행선로의 AT급전시스템에서 해당 급전구간 내 투입된 차량의 수와 가·감속 운행에 따른 고조파 발생정도를 측정하여 파형의 왜곡과 발생하는 고조파의 양을 확인하였다. 또한 분포정수회로로 표시되는 급전회로의 정전용량과 고차 주파수에서 병렬 공진하여 고조파가 확대되는 현상에 대하여 이론적으로 고찰하고, 그 대책설비 인 R-C BANK를 이용하여 저감 효과를 확하였다. 유사 연구들을 살펴보면 차량에서의 고조파 발생을 측정·분석하거나(1) 전철화 초기 BT급전구간 변전소에서 고조파의 발생과 RC필터의 효과를 실험한 연구사례(2) 및 RC뱅크의 적정 위치에 관한 연구(3) 등이 있으나 본 연구는 AT변압기 급전구간에서 KTX를 포함한 다양한 차량이 운행하는 선로의 고조파 확대·발생 정도를 R-C BANK를 이용하여 각 조건별로 측정 비교함으로 그 저감 효과를 정량적으로 나타내었다.

2. 본 론

2.1 교류 단권변압기 급전방식

그림 1과 같이 AT변압기(Auto Transformer) 급전방식은 1차와 2차의 권선비가 2:1로 급전 전압이 전차선로 전압의 2배로 되어 급전 선로의 전류는 부하 전류의 1/2이 된다. 그리고 전압 강하율이 전차선 전압 강하의 1/4이 되어 급전 전압강하를 경감하는 효과가 상당하며 결국 급전 할 수 있는 거리가 넓어지게 된다. 동시에 레일에 흐르는 전류를 부하(전기차)의 양측에 설치되어 있는 AT변압기의 중성점을 통하여 TF(전차선)와 AF(급전선)로 흡상(吸上)하므로 레일에 흐르는 전류는 전기차량을 중심으로 반대 방향이 되어 통신선에 대한 유도장애가 서로 상쇄된다. 따라서 레일에 흐르는 전류의 범위가 양방향 AT까지로 제한되어 대지 누설 전류가 대폭 감소된다.

AT변압기는 교류 급전계통에서 약 10km 전후로 설치하며 양단을 전차선과 급전선에 각각 접속하는 방식으로 고속철도와 일반선 전철 구간 등에 널리 적용되고 있다

그림 1 단권변압기(Auto Transformer) 급전방식

Fig. 1 Auto transformer feeding method

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig1.png

2.2 전기철도 고조파 발생원

전기철도에서 주요 고조파 발생원은 SCR, GTO, IGBT 등 전력전자 소자를 사용하는 전력변환장치가 탑재된 전기차량으로 전력변환용 반도체 소자가 전력 변환을 위한 동작 과정에서 생성되는 비선형 특성에 기인한다. 전기철도차량의 고조파 발생은 대전류용 Thyristor 등의 스위칭 동작에 따라 고조파 발생 전원으로 작용함으로 고조파원은 전류원으로 취급된다. 고조파 전류의 특성은 용량성 임피던스가 존재하면 고조파는 확대되어 나타나며 동시에 고조파 전류는 기본 주파수 성분 전류와 같이 임피던스가 적은 쪽으로 흐른다. 구형 EL 8000과 같은 Thyristor 위상제어 방식의 전기철도차량에서는 주로 3차, 5차, 7차 등 저차 고조파가 많이 발생한다. 반면 PWM 제어 방식의 전기철도차량인 경우 1차측 전류는 정현파에 가까우므로 저차 고조파는 적다. 하지만 컨버터의 변조 주파수에 기인하는 19차, 25차, 27차 등 고차 고조파가 많이 발생한다.(4)

이처럼 대부분 전기철도차량의 추진장치는 PWM 컨버터 및 VVVF인버터로 구성된 주변환장치에 의해 유도전동기를 구동하는 시스템으로 필연적으로 다양한 차수의 고조파를 발생시켜 전력품질에 영향을 미치게 된다.

그림 2 철도차량의 주 변환장치 구성 예

Fig. 2 Example of Main converter of railway vehicle

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig2.png

2.3 고조파의 표현 및 규제

전기철도 차량에서 발생된 고조파 전류는 선로의 용량성과 유도성 임피던스로 인하여 특정 조파에서 공진되어 고조파 전류 확대 현상을 일으키며 이로 인해 정현파를 왜곡하게 되는 원인이 된다. 아래의 식 (1)과 같이 고조파 전압 Un은 주파수 fn의 고조파 전류와 선로에 있는 인덕턴스 Ls 및 전류 In으로 표현된다.

(1)
Un=In2πfnLs

또한 고조파의 발생 정도는 종합고조파 왜형률(THD)로 표현되며 전압 왜형율은 식 (2)식 (3)과 같이 고조파 전류 또는 전압 실효치와 기본파 실효치의 비로 표현된다.

(2)
VTHD=22+23++2nV1=ni=2V2iV1

(3)
ITHD=ni=2I2iI1

등가방해전류(EDC : Equivalant Distortion Current)는 식 (4)와 같이 표현되며 통신선에 영향을 주는 고조파 전류로 규제하고 있다.

(4)
IEDC=n=1(S2n×I2n)

여기서 Sn : 잡음평가계수, In : 고조파 전류

차량에서 발생된 고조파는 인접통신선에 유도장애를 일으키거나 연계된 전력계통에서 각 종 기기의 오동작과 소손을 일으키는 등 다양한 부작용을 발생시킨다. 따라서 미국의 IEEE std. 519 등 각 국에서는 고조파 관리 규정을 두어 관리하고 있다.(5) 국내에서는 한국전력공사 전기설비 이용 규정에 표 1과 같이 규정되어 있으며 그 적용은 한전과 수요자의 접속점 PCC(Point of common coupling)을 기준으로 한다.

표 1 국내 고조파 허용 기준치

Table 1 Domestic harmonic tolerance level

구 분

지중선로가 있는 변전소 에서 공급하는 고객

가공선로가 있는 변전소 에서 공급하는 고객

전압

왜형률(%)

등가

방해전류(A)

전압

왜형률(%)

등가

방해전류(A)

66KV 이하

3

-

3

-

154KV 이상

1.5

3.8

1.5

-

2.4 R-C BANK의 고조파 저감 원리

전기철도 급전계통은 분포정수회로로 표시될 수 있으며 전원 변압기를 포함한 전원측 임피던스는 유도성으로 급전계통의 정전용량과 고차 주파수에서 병렬 공진하는 문제가 발생한다.(6) 이 고조파는 급전계통의 조건에 따라 공진 대역에서 고조파 전류가 상승한다. 즉 병렬공진은 변전소 임피던스 ZSS 와 전차선로 정전용량의 임피던스 ZC 가 같은 조건에서 발생하므로 공진 발생 조건은 아래와 같이 식 (5), 공진 주파수는 식 (6)으로 나타낼 수 있다.

(5)
ZS+Z0coth(γELL)=0

여기서 ZS : 전원 임피던스(전용 변압기 임피던스 포함)

Z0: 선로 특성임피던스(Z0=ZY)

Z: 선로 임피던스

Y: 선로 어드미턴스(= jωC)

: 선로의 전파 정수(=ZY)

ELL: 선로의 긍장

공진 주파수는 선로 긍장이 비교적 짧고, γ1 이라고 볼 수 있는 범위 이내에서는 식 (6)과 같다.

(6)
f=12πLC

여기서 L : 전원측 인덕턴스 (Zs=jωL)

C : 표류(Stray) 정전용량(Y=jωC)

즉, 공진 주파수는 선로 긍장 l에 대해 1ELL에 거의 반비례하므로 급전거리가 길면 공진주파수는 작아진다.

또한 γELL1경우 coth(γELL)=1이 되므로

Zs + Z0 = 0이 된다.

또한 전기차가 있는 위치에서의 급전구분소 방향(Sectioning Post)의 임피던스를 ZSP 라고 할 때 다음과 같이 된다.

(7)
ZSP=Z0tanh(r2+θsp)

여기서, θSP=tanh1ZCR/Z0 이다. 즉 R-C BANK를 이용하여 임피던스 ZCR을 특성임피던스 Z0와 같게 하면 θSP=가 되어 전기차량의 위치에 상관없이 특성 임피던스는 공진 현상을 일으키지 않게 된다.

이와 같이 급전회로의 고차 공진은 공진이 현저히 확대되는 급전 말단 개소에서 선로의 특성 임피던스와 같은 값의 저항으로 단락하면 억제 효과를 볼 수 있다.(7) 이에 따라 국내에서는 급전구분소에서 전차선과 레일 사이에 R-C Bank를 연결하여 공진에 따른 고차 고조파의 확대에 대응하고 있다.

그림 3 국내 R-C Bank 결선 예

Fig. 3 The example of R-C Bank connection

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig3.png

2.5 급전구간의 고조파 측정

해당 급전구간의 계통 임피던스 및 설비용량은 표 2와 같고 급전구분소 내 고조파 측정 위치를 그림 4에 제시하였다.

표 2 측정 선로의 임피던스 및 설비용량

Table 2 Impedance and facility capacity of the measuring line

구 분

상선

하선

거리(㎞)

30.23㎞

30.23㎞

임피던스

(TF-R)

Z

23.23

24.02

θ

70.73

70.73

R

7.67

7.93

X

21.93

22.67

Z/㎞

0.768

0.794

설비용량

M.TR

45/60[MVA]

AT

7500[KVA]

R-C Bank

R:550[Ω], C: 0.21[μF]

해당 급전구간 차량의 운행으로 나타나는 고조파 발생량을 분석하기 위하여 급전구분소의 제어반 PTT에 고조파 분석 장비를 설치하여 고조파(THD)를 측정하였다.

그림 4 급전구분소 내 고조파(THD) 측정위치

Fig. 4 Harmonic (THD) measurement location in the sectioning post

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig4.png

2.6 조건별 고조파 크기 측정 및 비교

2.6.1 AT변압기 및 RC-BANK가 운전 정지된 경우

국내 교류 전철변전소의 급전방식은 M상 또는 T상 전원을 각 방면별로 공급하는 시스템이다. 급전구분소(Sectioning Post) 앞에는 절연구간을 두어 양쪽 변전소에서 공급되는 이상(異相) 전원을 구분하고 있다. 또한 급전구분소는 차단기를 통해 양쪽 변전소의 서로 다른 전원을 구분하는 역할을 하고, 이례 상황 시 차단기를 투입하여 연장급전을 한다. 그림 5는 급전계통 말단이 되는 급전구분소에서 AT변압기의 운전이 정지된 상태 및 R-C Bank도 운전이 정지된 무대책 상태에서 해당 구간 내 차량의 이동에 따른 전압THD를 측정한 그래프이다. 55㎸ 급전계통은 최소 51.69[㎸], 최대 56.32[㎸]로 부하에 따라 변화를 보인다. 무대책에서 측정된 고조파 크기는 표 3과 같으며 전기철도차량에서 발생되는 고조파가 증폭되어 매우 높게 나타남을 볼 수 있다.

표 3 고조파왜형율(AT변압기, RC-BANK 분리)

Table 3 THD (AT transformer and RC-Bank OFF)

구 분

최소

최대

전압THD[%]

1.47

21.65

그림 5 급전계통 전압 및 고조파(AT, R-C Bank OFF)

Fig. 5 Feeding voltage and Harmonic in case of AT, R-C Bank OFF

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig5.png

2.6.2 AT변압기 운전정지 및 RC-BANK 투입한 경우

그림 6(b)는 급전구분소에서 R-C Bank는 투입하고 AT변압기는 운전이 정지된 상태에서 해당 구간 내 차량의 이동에 따른 전압 THD의 발생을 측정한 그래프이다. 차량에서 발생된 고조파 전류는 급전계통의 임피던스에 의해 특정 조파에서 공진되어 고조파전류 확대 현상을 일으킨다. AT변압기의 운전을 정지한 상태는 특수한 경우로서 본 연구에서 측정을 통해 AT변압기의 운전과 정지에 따른 고조파의 변화를 확인하고자 하였다. 측정에서 알 수 있듯이 AT변압기의 운전 여부는 고조파의 발생 및 공진에 큰 영향을 미치지 않았으며 R-C Bank가 투입된 상태에서 고조파의 크기가 당초보다 저감 되었음을 알 수 있다. 그림 6(a)는 AT변압기가 운전 정지 상태에서 측정한 것으로 55㎸ 계통의 전압은 최소 52.80[㎸], 최대 58.66[㎸]로 부하에 연동하여 전압은 변화를 보였으며 이때 발생한 전압THD는 최소 1.30, 최대 12.02로 그림 5의 조건에 비해 고조파의 증폭이 감소됨을 알 수 있다.

표 4 고조파왜형율(AT변압기 분리, RC-BANK 투입)

Table 4 THD (AT transformer-OFF, RC-Bank ON)

구 분

최소

최대

전압THD[%]

1.30

12.02

그림 6 급전계통 전압 및 고조파(AT OFF and R-C Bank ON)

Fig. 6 Feeding voltage and Harmonic in case of AT OFF and R-C Bank ON

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig6.png

2.6.3 AT변압기 및 R-C Bank를 모두 투입한 경우

그림 7은 급전구분소의 AT 변압기 및 R-C Bank를 모두 투입한 정상상태에서 측정한 결과이다. R-C Bank의 저감 효과를 확인하기 위해 급전구간 내 운행하는 열차의 종류와 운행 편성 수가 유사한 시간대에 맞춰 측정하였으며, 영업운행 차량을 임의 조절할 수 없어 차량운행 속도와 패턴에는 차이가 있음을 전제로 했다. 그래프에서 볼 수 있듯이 55㎸ 계통의 전압은 최소 50.19[㎸], 최대 59.05[㎸]로 부하에 따라 변화를 보였다. 측정 과정에서 차량의 가속 운전 시 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작에 따른 고조파의 발생과 파형의 왜곡이 발생했으나 그 정도가 상당히 감소했으며, AT 변압기 및 R-C Bank가 모두 투입된 정상 상태에서 고조파 전압의 변화는 AT 변압기와 R-C Bank가 모두 Off 되었을 경우에 비하여 고조파의 확대가 상당히 저감됨을 확인할 수 있었다.

표 5 고조파왜형율(AT변압기 투입, RC-BANK 투입)

Table 5 THD (AT transformer-ON, RC-Bank ON)

구 분

최소

최대

전압THD[%]

1.17

9.32

그림 7 급전계통 전압 및 고조파(AT ON and R-C Bank ON)

Fig. 7 Feeding voltage and Harmonic in case of AT ON and R-C Bank ON

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig7.png

2.6.4 R-C Bank의 고조파 저감효과 비교

그림 8 R-C Bank 투입 전, 후 전압 THD 비교

Fig. 8 Comparison of THD before and after R-C Bank

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/fig8.png

그림 8은 R-C Bank와 AT변압기 투입 전, 후 각 조건별 고조파 크기에 대한 측정 결과를 비교하여 나타낸 것으로 R-C Bank 동작 전, 무대책 상태의 고조파 크기와 R-C Bank 동작 조건에서 고조파의 크기를 B, C(점선)로 나타내었다. 그래프에서 볼 수 있듯이 측정구간 내 유사한 열차운행 조건에서 R-C Bank 운전에 따라 고조파의 확대가 상당 수 감소함을 알 수 있다.

3. 결 론

기존 전철화 초기 BT급전구간 시스템에서 차량운행에 따른 고조파의 공진과 필터설비의 효과성을 검토한 유사연구들을 토대로 본 연구는 최근 AT급전시스템 운행선로에서 AT변압기 운전 정지를 상태를 포함하여 R-C BANK의 투입과 개방 전, 후로 차량의 고조파의 발생 및 확대에 대한 저감 효과를 정량적으로 나타내었다. R-C Bank의 투입 전, 전압 THD는 최대 21.65%로 나타났으나 유사한 열차 운행의 조건에서 R-C Bank 투입 후 최대 9.32%로 상당한 감소 효과를 확인 할 수 있었다.

각 노선별 운행차량이 다양해지고, 신규 차량이 도입되는 만큼 고조파의 공진 확대를 방지하고 저감 효과를 높이기 위해 기존의 정형화된 R-C 필터의 적용 보다는 현장 실측을 통해 계통의 임피던스에 기반한 맞춤형 필터의 적용 등 추가 연구의 필요성이 있다.

아울러 최근 국내에서 신규노선 건설에 따른 EMU 320 동력분산식 차량 및 KTX 이음 등 신조 차량이 제작되고 있어 지상의 저감 필터와 함께 고조파 발생원이 되는 차량 측에서 그 특성에 맞는 억제 설비를 갖추는 것이 급전시스템의 근본적인 고조파 대책으로 요구된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국전력공사의 2019년 선정 기초연구개발과제 연구비에 의해 지원되었음 (과제번호: R19XO01-48)

References

1 
Chul Kang, Jae-Chan Lim, Jae-Sun Huh, Jae-Chul Kim, Su-Gil Lee, Soung-Ho Han, 2009, A Study on Harmonic Analysis and Evaluation According to Operating Mode During Operation of the Tilting Train Express, The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 58, No. 4, pp. 416-421Google Search
2 
M. S. Han, S. Y. Kwon, Y. K. Kim, 2001, A experimental study on harmonic reduction in electric railway, The Korean Institute of Electrical Engineer, pp. 436-438Google Search
3 
H.M. Lee, K.H. Oh, S.H. Chang, 2001, Optimal Location of RC bank limiting Harmonics in Electric Railway System, The Korean Institute of Electrical Engineer, pp. 1254-1256Google Search
4 
Korea National Railway, 2007.10, power quality measurement and countermeasures research reportGoogle Search
5 
IEEE std 519, 2014, harmonic control in electric power system, pp. 85 table 11.1Google Search
6 
Jeong-cheol Kim, 2008, Analysis of power supply system and understanding of Korea Electric Railway, , pp. 556Google Search
7 
IEEE std 519, 1997. 10, Railway Technical Research Institute, electrical system technical course, pp. 12Google Search

저자소개

손국현 (Guk-Hyun Son)
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2000년 서울과학기술대학교 전기공학과 졸업.

2012년 동 대학원 철도전기·신호공학과 졸업(석사).

현재 한국교통대학교 교통대학원 철도시스템공학과 박사과정, 2015년~현재 ㈜에스알 근무

최용은 (Yong-Eun Choi)
../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/au2.png

2019년 광주대학교 전기전자공학과 졸업.

2022년 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과 졸업(석사).

현재 동 대학원 교통정책ㆍ시스템공학과 박사과정

김철환 (Cheol-Hwan Kim)
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1996년 서울과학기술대학교 전기공학과 졸업.

2002년 서울시립대 산업대학원 전자전기공학과 졸업(석사).

2018년 우송대학교 대학원 철도전기시스템학과(공박),

2019년~현재 국토교통부 근무

하태길 (Tae-Gil Ha)
../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.5.783/au2.png

1993년 철도대학교 전기신호학 졸업.

2016년 우송대 철도대학원 철도전기정보통신공학 철도전기제어공학과 졸업(석사).

현재 한국교통대학교 교통대학원 철도스마트시스템공학과 박사과정, 1993년~현재 국가철도공단 근무

강정원 (Jeong-Won Kang)
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2002년 02월 중앙대학교 졸업(공박).

2006년 03월~2007년 02월 California at Riverside 대학교 박사 후 과정.

2007년 10월~2008년 02월 LG Siltron 선임연구원.

2008년 03월~2013년 08월 한국교통대학교 컴퓨터공학과 교수.

2013년 09월~현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과 교수

김재문 (Jae-Moon Kim)
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1994년 성균관대 전기공학과 졸업.

2000년 2월 동 대학원 졸업(공박).

2000년∼2004년 현대모비스㈜ 기술연구소 선임연구원.

2006년∼현재 국토교통부 철도기술 전문 위원, 2004년 3월∼2012년 2월 한국철도대학 철도차량전기과 2013년 3월∼현재 한국교통대학교 교통시스템공학과 교수