PSCAD/EMTDC를 이용한 전기철도 계통해석

소개글

2005년 교토의정서를 공식 발효함과 동시에 세계적으로 여러 산업에 걸쳐 이산화탄소와 같은 온실가스를 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있다. 교통문제 또한 예외가 아니다. 대표적인 교통수단인 자동차는 화석연료를 기반으로 하기 때문에 문제 해결이 불가피한 것이 사실이다. 그래서 대중교통의 중요성이 대두되었고, 그 중에서도 전기철도는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 대표적인 교통수단으로써 그 입지를 넓혀가고 있다.
최근 많은 이슈를 낳고 있는 GTX는 경기도와 서울 구간 뿐만 아니라, 서울 내부 구간도 고속 운행되어 대중교통의 중요성을 더욱 부각시키고 있으며, 신재생에너지와 스마트그리드 등과 같은 저탄소 녹색성장의 새로운 동력으로 자리매김 할 것이다.
광역급행철도 건설에 따라 광역권 철도 통행시간은 현재 지하철에 비해 45∼60%, 서울시 내부통행의 경우는 50∼70% 정도의 감소효과를 기대하고 있다. 이에 따라 서울시 내부통행의 철도수송 분담률도 23.9%에서 25.1%로 향상된다고 한다. 그래서 GTX 사업 시행시 광역통행의 수송 분담률 증가뿐만 아니라 서울시 내부통행의 철도수송 분담률도 증가하여 수도권 전체의 대중교통 문제를 해결할 수 있을 것이다.
하지만 전기철도에서 발생하는 여러 가지 문제점은 지속적으로 해결해야 할 과제이다. 1899년 이후로 110년 동안 철도의 지속적인 발전 뒤에는 보이지 않는 문제점들이 아직까지도 남아있다. 따라서, 본 논문에서는 전기철도 급전계통을 이해하고 PSCAD/EMTDC를 이용하여 계통을 해석해 보았다. 이것을 토대로 앞으로 전기철도에 대한 문제점을 심층적으로 분석, 해결하는데 도움이 될 것이라고 사료된다.

목차

國文抄錄

제 1 장 서 론

제 2 장 전기철도 시스템
2.1 Scott 변압기
2.1.1 Scott 결선과 전압 벡터
2.1.2 전류 분포
2.1.3 Scott 변압기 임피던스
2.2 AT 변압기
2.3 선로의 임피던스 모델
2.3.1 자기 임피던스
2.3.2 상호 임피던스
2.3.3 레일의 대지 귀로 임피던스
2.3.4 AT 전차선로 임피던스의 유도
2.4 AT 급전 계통
2.4.1 AT 급전 방식의 구성
2.4.2 AT 계통에서의 부하 전류 분포

제 3 장 철도계통의 PSCAD/EMTDC 모델링
3.1 전기철도 급전계통 모델링
3.2 전원 모델링
3.3 Scott 변압기 모델링
3.4 AT 변압기 모델링
3.5 선로 모델링



제 4 장 철도계통의 PSCAD/EMTDC 해석
4.1 무부하시 전기철도 급전계통 해석
4.1.1 전원부 각 상과 T상, M상의 전압
4.1.2 T상, M상의 전차선, 레일, 급전선의 전압
4.1.3 T상, M상의 전차선, 레일, 급전선의 전류
4.2 부하시 전기철도 급전계통 해석
4.2.1 전원부 각 상과 T상, M상의 전압
4.2.2 T상, M상의 전차선, 레일, 급전선의 전압
4.2.3 T상, M상의 전차선, 레일, 급전선의 전류
4.3 각 상, 각 위치에 전차가 있을 때의 전기철도 급전계통 해석
4.3.1 전차가 T상에서 0 위치에 있을 때의 전류
4.3.2 전차가 T상에서 10 위치에 있을 때의 전류
4.3.3 전차가 T상에서 20 위치에 있을 때의 전류
4.3.4 전차가 T상에서 30 위치에 있을 때의 전류

제 5 장 결 론

參考文獻

본문내용

제 2 장 전기철도 시스템


2.1 Scott 변압기
Scott 변압기는 3상에서 단상을 얻기 위하여 단상 변압기 2대를 T결선하여 3상 전원에서 상차각 90°인 단상 2회선을 공급할 수 있도록 만든 변압기이다. [그림 2-1]을 보면 T상이 M상 권선의 중앙에 결선되어 T상의 전류가 M상 좌우 권선에 균등하게 흐르게 되어 M상 철심에는 Ampere-Turn수가 같고 방향이 반대인 자속이 발생하여 상쇄된다. 그렇기 때문에 M상 변압기 임피던스는 T상 변압기 전류의 흐름에 영향을 미치지 않게 된다.


(a) 3상 일괄 Scott (b) 단상 외부결선 Scott
[그림 2-1] Scott 변압기의 구조

2.1.1 Scott 결선과 전압 벡터
변압기의 M상 1차 권선수를 N, 2차 권선수를 n이라고 하면 Scott 변압기의 1, 2차 권선수는 [표 2-1]과 같다.



[표 2-1] Scott 변압기의 권선수

구분
1차 권선수
2차 권선수
M상 변압기
N
n
T상 변압기
0.866N = N
n


(a) Scott 결선도 (b) 전압 벡터도
[그림 2-2] Scott 결선도와 전압 벡터도

[그림 2-2]를 보면 1, 2차의 권선수의 비가 N : n인 단상 변압기(M상 변압기)와 N : n인 단상 변압기(T상 변압기)를 M상 변압기 1차 권선의 중앙점 O에 T형으로 결선한 형태이다.
전압은 M상의 2차 전압 VM은 변압기 1차 선간전압 Vbc와, T상의 2차 전압 VT는 A상 1차 상전압 Va와 동상이 된다. 그러므로 VM과 VT는 벡터상으로 90°가 된다. 따라서, A상을 기준 벡터로 하였을 때 식 (2-1), 식 (2-2)와 같다.

(2-1)
(2-2)

상차각은 A상을 기준 벡터로 하였을 때 Va와 Vbc는 90°이고 Va와 Vab는 30°이므로 Vbc와 Vab는 120°가 되고, 나머지 선간전압도 각각 120°가 되므로 1차 전압은 3상 평형이 이루어진다.
2.1.2 전류 분포
기준 벡터를 Va로 하고 부하 역률을 1로 두면 M상 2차 전류를 IM, T상 2차 전류를 IT, 각 상의 1차 환산 전류를 각각 I1M, I1T라고 할 때 식 (2-3), 식 (2-4)와 같다.

(2-3)
(2-4)

이제 A상을 기준 벡터로 하고 M, T상에 같은 크기의 부하가 걸렸을 때 변압기의 각 상 1차 전류를 계산하여 보면 [표 2-2]와 같다.

참고 자료

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[4] 최준호, 문종필, 이재경, “교류급전시스템 고장해석 및 철도배전계통 보호시 스템 체계화”, 숭실대학교 보고서,
[5] 박수만, “전기철도 AT 급전계통의 고조파 해석에 관한 연구”, 숭실대학교 보고서, 2004. 2.
[6] 창상훈, “전기철도 급전시스템의 보호 및 자동감시 제어기술”, 기초전력연구 원, 2009. 8.
[7] 김정철, 급전계통 해석과 한국철도전기의 이해, (주)기다리, 2008. 8.