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김용규 | 고속전철기술자문팀 책임연구원 (ygkim@krri.re.kr)
일반적으로 전기 선로 전환기의 주요 목적은 분기기에 전환력을 공급하기 위한 장치로 전기 선로 전환기의 선택은 분기기에 연결되는 간류 구조, 침목, 밀착 쇄정기, 밀착 검지기, 연결간 및 벨 크랭크 등에 따른 제약 사항과 함께 검토된다. 고속, 고밀도 운전 실행시 적용할 고번 분기기의 경우에는 안전 및 유지보수 문제점도 중요한 분기기 선택 요인중의 하나가 된다.
본 논고에서는 한국에서 처음으로 경부고속선 본선과 고속선/기존선 연결부에 사용할 고속용 노스 가동 분기기의 도입에 따라 주어지는 MJ81 전기 선로 전환기에 대한 일반적인 특성 및 국산화에 따른 전기 선로 전환기 시험 결과에 대해 중점적으로 논의한다.
1. 전기 선로 전환기 특성
전기 선로 전환기는 <표 1>, <표 2>에서와 같이 크게 NS, TS, NS-AM, MJ81, 침목형 등으로 주어진다. 일반적으로 MJ81과 침목형은 간류의 수가 적어 기계 작업 및 유지보수가 용이하나 NS형은 년 2회 이상 클러치 조정을 실행해야 하며 TS는 간류가 많기때문에 기계 작업이 곤란한 단점이 있다.
사용 전원 및 전환 시간의 경우, NS, TS는 단상용으로 계전기실에서 공급되는 신호용 전원을 그대로 사용함에 따라 별도의 설비를 부가할 필요가 없다. 그러나 전환 시간이 길며 단상에 의한 소비 전류 증가 및 원격 제어에 따른 전압 강하, 기수 고조파에 의한 신호 시스템 영향 등을 충분히 고려해야 하는 단점이 발생한다. MJ81, 침목형 등은 3상 전원을 사용함에 따라 전원 관련 추가 설비가 요구되지만 전환 시간이 짧고 단상 전원으로 인해 발생되는 문제점이 대부분 제거된다.
또한 제어 및 표시 기능 면에서 NS는 기존 연동장치의 변경 없이 사용 가능하지만 TS, MJ81, 침목형 등은 제어 및 표시 방법이 기존 방식과 상이하기 때문에 연동장치의 제어 회로 및 설비가 일부 보완되어야 한다.
<표 1> 유형별 전기 선로 전화기 특성
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구 분 |
한 국 |
일 본 |
프 랑 스 |
스 웨 덴 |
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형 식 |
NS |
TS |
NS-AM |
MJ81 |
침목형 |
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개발연도 |
1964 |
1967 |
1990 |
1981 |
1990 |
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사용 전력원 |
AC105/220 단상 |
AC105 단상 |
AC105/220 단상 |
AC220/380 삼상 |
AC220단상, AC220/380 삼상 |
|
동작 전류 |
8.5A |
12A |
8.5A |
220V=4A
380V=1.5A |
2.5A |
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전 환 력 |
300KG |
600-1000KG |
400KG |
200-400KG |
200-1000KG |
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전환 시간 |
6 |
8 |
6 |
5 |
4.4-5.5 |
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구동 방식 |
콘덴서
기동형 4극 |
콘덴서
기동형 6극 |
콘덴서
기동형 4극 |
모터 직접 제어 |
비동기형 |
|
클 러 치 |
마찰 |
전자 |
전자 |
마찰 |
전자 |
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동 정 |
동작간 : 185
쇄정간 :130-185 |
동작간 : 200
쇄정간:85-190 |
동작간:185
쇄정간: 130-185 |
110-260 |
60-160 |
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밀착 및 쇄정 검 지 기 능 |
무 |
유 |
무 |
유 |
유 |
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분 기 기 |
F8-F15 |
F12-F18 |
F8-F15 |
F18.5-F65 |
- |
<표 2> 유형별 전기 선로 전화기 장,단점
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종 별 |
일반특성 |
유지보수 특성 |
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MJ81 |
- 고번화 분기기에 적합
- 보통 침목에 설치 가능 |
- 1종 작업에 유리
- 경량, 방수 구조로 설치 및 유지 보수 용이 |
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침목형 |
- 전환력이 크고 전환 시간이 ?음
- 설치, 조정이 난해함 |
- 1종 작업에 유리
- 중량 및 구성기기의 복잡성으로 인해
유지보수에 불리 |
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NS형
NS-AM형 |
- 고속용은 구조 변경이 필요
- 간류의 구조 변경 필요
- 장대 침목 필요 |
- 년 2회 클러치 조정이 필요
- 간류가 많아 1종 작업에 불리
- 중량, 방수 문제 유발
- 설치 및 유지보수에 불리 |
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TS형 |
- 전환력 및 전환 시간이 큼
- 간류의 구조 변경 필요
- 장대 침목 필요 |
- 중량, 방수 문제 유발
- 설치 및 유지보수에 불리 |
<그림 1> MJ81 전기 선로 전환기 설치 예
<a> MJ81 외부 구조
<b> 첨단부에 설치된 MJ81
<c> 크로싱부에 설치된 MJ81
<그림 2> MJ81 내부 구조
2. MJ81 구조
경부고속선의 전기 선로 전환기는 1981년에 프랑스 쥐몽(JEUMONT) 회사에 의해 개발된 MJ81형을 사용한다. MJ81은 개발 회사의 첫 번째 문자(J)와 모터의 첫 번째 문자(M)을 의미하며, 81은 개발년도를 나타낸다. 그 후 MJ81 전기 선로 전환기는 알스톰에 의해 제작되었고, 현재는 분기기 제작사인 프랑스 COGIFER에 의해 공급된다. 한국의 경우에는 경부고속선 관련 Eukorail로부터의 기술 이전에 의해 삼성 SDS에서 국산 MJ81을 2001년에 제작하였다.
◆ 기계부
기계부는 안전을 위해 (고장시의) 대체 시스템으로 구성된다. 이는 모터 결함 또는 조정시 매우 유용하게 사용되며, ATC 또는 ATP 신호 시스템에 의해 열차를 정지할 수 있는 특수 쇄정 열쇠(safety key commutator)의 동작을 필요로 한다. 특수 쇄정 열쇠가 전기 선로 전환기 쇄정부에 삽입된 후에는 비상 수동 전환 손잡이에 의한 동작을 실행할 수 있는 수동/자동 전환 스위치를 수동 위치에 고정함으로서 이들 시스템을 조정할 수 있다.
전기 선로 전환기가 비록 Vcc(첨단부 밀착 검지 및 쇄정기)에서 고장이 발생할 지라도 텅 레일의 개방을 허용하지 않는 기계적인 쇄정 장치에 의해 전기 선로 전환기의 Vcc 쇄정을 보완하도록 설계되어 있다. 토오크 조정 장치는 토오크 조정용 특수 공구에 의해 MJ81 모터의 토오크 조정을 실행할 수 있도록 허용한다. 아래의 <표 3>은 MJ81의 일반적인 특성을 나타낸다.
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사용온도 |
-30 ∼ +70℃ |
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중량 |
91㎏ |
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동정 |
110 ∼ 260㎜ 조정 가능 |
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첨단부 |
Vcc = 204㎜ |
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크로싱부 |
Vpm = 181㎜ |
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최대부하 |
400㎏ |
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정상부하 |
200㎏ |
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동작시간 |
5초 |
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몸체크기 |
L*D*H = 700㎜*476㎜*215㎜ |
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사용접점 |
11개 |
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열 저항 |
Option |
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전력원 |
3상 380V(△결선)
220V(Y 결선) |
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모터속도 |
2850 rpm |
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모터소비전력 |
700W |
<표 3> MJ81의 일반적 특성
◆ 전기부
전기부는 MJ81에 전력을 공급하는 전력원, 제어 및 검사를 목적으로 사용하는 내부 전환 스위치인 커넥터, 그리고 추운 계절에 MJ81의 동작을 원활히 하기 위해 사용하는 열 저항으로 주어진다. 열 저항은 반드시 설치할 필요가 없으며, 이는 주로 습기가 많은 겨울에 MJ81 내부에 습기가 발생하는 것을 방지하기 위해 설치된다. 프랑스의 경우에는 겨울에 습기가 많은 일부 구간에서만 의무적으로 사용하고 있지만, 그 외의 구간에서는 사용하지 않는다.
국내에서 제작된 MJ81은 프랑스의 기술을 그대로 이전함으로서 동일한 외형과 동일한 전기적 특성을 갖는다. 극산 MJ81의 전기적 특성에 대한 시험 결과는 <표 4>와 같이 주어지며, 이를 SNCF 규정과 Eukorail의 규정에 적용한 결과, 이들 규격에 잘 부합함을 알 수 있다. <표 4>에서 SNCF, Alsthom의 적용 규격이 다름을 알 수 있다. 이는 공급자 사양이 수요자 사양보다 더욱 엄격하게 적용되었음을 의미한다. 참고로 SNCF에서 사용하는MJ81 전기적 특징은 50Hz 전력 공급원에 기본을 두고 두성되었지만, 한국의 경우에는 60Hz의 전력원이 사용됨을 유의해야 한다.
<그림 3> MJ81 전기 결선도
<그림 4> 선로 접점 위치와 텅 레일의 관계
<a> 선로의 진로를 좌측으로 할 경우
(1) MJ81이 우측에 위치한 경우 (2) MJ81이 좌측에 위치한 경우
<b> 선로의 진로를 좌측으로 할 경우
(1) MJ81이 우측에 위치한 경우 (2) MJ81이 좌측에 위치한 경우
3. MJ81 동작 특성
◆ 전력원
SNCF는 MJ81에 대한 전력원으로 3상 380V △ 결선 방식을 사용한다. 이러한 경우, 각각의 선로 전류는 1.35A이며, 각각의 최대 선로 저항은 50Ω까지 허용된다. 만약 단상 220V를 MJ81에 적용시 전력 공급선에 흐르는 전류는 4A까지 증가하며 이에 따른 전력 공급선의 굵기는 원격 제어에 따른 전압 강하를 고려하여 적어도 2㎟ 이상으로 주어진다.
◆ 원격 조정을 위한 전력 공급원과 MJ81간의 적정 거리
일반적으로 삼상 전력원의 각각의 상에 대한 전력 공급선을 2㎟ 동선으로 실행할 경우 관련 선로 저항(임피던스)은 약 10Ω/㎞로 추정된다. 이러한 경우에 계산된 전력 공급원과 원격 조정용 MJ81 간의 거리는 약 5㎞가 된다. SNCF의 규정에 의하면 상(phase)간의 규칙적인 전압 강하에 대한 최대 전압은 10%(약 40V)로 주어진다. 따라서 각각의 선로 저항은 40/1.35 = 30Ω을 초과하지 말아야 한다.
이러한 사항을 고려할 경우, 전력 공급원과 원격 조정 전철기 사이의 거리는 약 3㎞가 된다(3상 380V의 경우). 그러나, 전력 공급이 상간에 220V로 주어지는 특수한 경우(3상 220V)에는 MJ81 모터에 대해 3상 Y 결선을 적용한다. 이러한 경우에는 각각의 선로에 대한 최대 전류값이 3A까지 도달하게 되며, 전력 공급원과 원격 조정용 MJ81 간의 거리는 2㎞를 초과하지 않도록 유의해야 한다.
◆ MJ81 제어
첨단부와 크로싱부에 사용하는 MJ81 전기 선로 전환기의 전력 공급 및 제어를 위해 SNCF는 단지 1㎟ 다중 선로 케이블(22 pairs, 8 pairs, 4 pairs..)을 사용하며 각각의 상(phase)에 대해 두 개의 전력 공급선을 적용한다(2×1㎟). 이는 동일 케이블 속에 24V DC 선로(제어용)와 380V AC 선로(선로 전환기 전력 공급원)를 함께 포함하며 IEC(연동기계실)와 선로 전환기 기구함의 다른 케이블과 함께 트로프에 매설하도록 설계된다. 이러한 경우, 관련 케이블은 적어도 유도 방지(anti-inducted)를 실행할 수 있는 금속 보호막으로 설계되어야 한다.
<그림 5>은 경부고속선 시험선 구간(IEC 24)에서의 연동장치(IXL)에 의한 MJ81 제어 관련 회로도를 나타낸다. IEC 24와 CB2406간에는 22 pairs(44선로)용 ZPAU 케이블이, CB2404와 PKS2408간에는 ZPAU 4 pairs가, 그리고 MJ81과 CB2408간에는 ZPAU 7 Pairs가 사용되었음을 알 수 있다. 만약 ZPAU 케이블의 일부가 파손되어 내장 케이블의 일부 또는 전체가 절단될 경우에는 <그림 5>의 IEC에 위치한 계전기에 전류가 흐르지 않기 때문에 계전기가 동작하지 않게 된다. 그 결과 계전기의 동작이 Vital 동작에 연관됨에 따라 이러한 결함은 즉각적으로 CTC 또는 IEC에서 검출된다.
MJ81은 IEC/IXL에 의해 제어되며 MJ81 제어를 위한 IEC의 주요 구성 요소는 선로 전환기의 방향 및 위치 전환을 위해 3상 중 2상에 연결된 스위칭 계전기와 텅 레일의 동작을 위해 단지 5∼6초간 전기 선로 전환기의 모터에 상 전류를 공급하는 시접점(time contactor) 스위치로 구성된다. <그림 5>에서 IEC의 전력원(3상 380V)은 퓨즈 L1, L2, L3을 통해 분기기 조정 계전기에 공급된다. 여기서 L1에 의해 MJ81 에 연결된 단자 "11"에는 전류가 흐르지 않는다. 이는 단지 MJ81 전기 선로 전환기 내부의 모터 제어시 적용된다.
<그림 5>에서 선로 전환기를 왼쪽으로 전환시(계전 스위치가 “L”에 연결), L2는 앞에서 주어진 접점 9에, L3는 접점 10에 연결된 후, 시접점기에 의해 5∼6초간 전압이 접점 “10”과 “9”에 인가되어 MJ81의 모터가 회전한다(<그림 2> 참조). 실제로 선로 전환기의 전환이 완전히 종료되는데는 <표 4>에서와 같이 단지 3.5초가 소요(최대 4.4초)되지만, 시접점 스위치의 동작이 완료될 때까지 전력은 모터에 계속 공급된다. 만약 선로 전환기의 동작을 명령하였음에도 불구하고 MJ81의 모터가 동작하지 않는 경우에는 작은 자갈 등에 의한 첨단부 밀착 검지기(Vcc) 결함 및 뽈베(Paulve) 검지기 결함 등으로 간주된다. 이러한 경우에는 모터 전압이 증가하지 않고 경보 장치에 의해 MJ81의 모터가 정지하게 된다.
한 예로 Vcc(그림 4의 “L”)에 결함이 발생한 경우 : “A” 차단 → “B” 차단 → “C” 차단(선로 전환기 왼쪽 위치 검지 관련 계전기)이 순차적으로 실행된다. 그 결과 “G”, “H”, “I”, “J”로 주어지는 모든 스위치가 차단된다. 여기서 두 개의 차단 스위치가 병렬로 동작하는 이유는 안전의 개념에 의해 이중화(Redundant)로 설계되어 있기 때문이다. IEC, IEC 제어실, 또는 CTC에서 이러한 결함이 현시되며, 몇 초 후, 경보 신호가 주어지게 된다. 이에 따라, 담당자는 유지보수 요원에게 결함을 확인하도록 요청한다.
만약 즉각적으로 유지보수 요원이 투입될 수 없는 경우, IXL 관련 시스템은 선로 전환기를 전환 이전 상태로 귀환하도록 명령을 인가한다. 같은 방법으로 분기기를 구성하는 다른 전기 부분(오른쪽 Vcc, 좌측, 우측 Paulve 검지기..)에 연관된 결함에 대해서도 동일한 원리에 의해 동작하게 된다.
<그림 5> MJ81 선로 전환기 관련 정보 전송
◆ MJ81의 토오크 조정
<그림 6>에서 모터가 쇄기 모양으로 된 영역에 위치할 경우(쇄정 위치), 와셔는 유동 가능하며, 토오크를 측정하는 동안, 모터 기어의 회전은 금지되어야 한다. 이러한 경우에 주어지는 토오크 조정은 다음과 같은 절차에 의해 실행된다.
1) 토오크 조절용 특수 공구를 토오크 조절기에 삽입한다.
2) 토오크 조절용 특수 공구의 조절 손잡이에 그림과 같이 힘을 인가함으로서 마찰 구동장치(Friction driver cage)의 회전을 실행한다.
3) 이때 회전이 주어질 경우, 인가된 힘을 측정한다. 회전력은 SNCF 규정에 따라 약 0.15∼0.2 mdaN으로 주어져야 한다.
4) 힘의 크기에 따라 마찰 조절 스프링의 힘을 조정한다.
<그림 6> 토오크 조정
결 론
본 논고에는 MJ81 전기 선로 전환기에 대한 전반적인 사항을 언급하였다. 경부고속선에 적용되는 MJ81은 프랑스의 노스 가동 분기기와 함께 취급됨에 따라, 하나의 노스 가동 분기기에 두 개의 MJ81이 사용된다(첨단부와 크로싱부). 또한 설치에 따른 기술적인 문제점은 고려할 필요가 없지만, 한국의 신호 전력원이 단상 220V로 주어지는데 반해, MJ81은 3상 380V을 사용하기 때문에 이에 대한 전력 공급원의 구성을 필요로 한다.
만약 단상 220V의 전력원을 MJ81에 적용할 경우에는 우선적으로 MJ81 모터 및 적정 케이블의 규격를 상세하게 검토해야 할 것으로 예상된다. 이는 향후 노스 가동 분기기의 사용이 증대되는 경우까지도 충분히 고려되어야 할 것이다. | )
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