2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S035

유도 와전류를 이용한 전차선의 손상 탐지 기술 개발 Development of Inspection Technology to Detect Damage of Trolley Wire by Using

Induced Eddy Current

서승삼*, 한성우*, 장문섭*, 심재규*, 이성식**†, 유성태**, 유영일**, 변기식***

Seung-Sam Seo*, Sung-Woo Han*, Moon-Soeb Jang*, Jae-Gyu Shim*

Sung Sik Lee**†, Seongtae Yoo**, Yeong-Il Yoo**, Gi-Sig Byun***

Abstract Has been reported recent urban railway trains catenary rupture accident due to the line aging but, because inspection of the railroad track can not be fill detect repeated load fatigue cracks due to friction and Fanta graph depending on the most visually by inspection , development of train lines can be non-destructive inspection technology detection of cracks for soundness and train safe operation of the train line was required. In this study, by using the induced eddy currents, and the business downtime easily portable vortex optimized by performing a scan for the presence of damage to the contact line may be issued by detecting the real-time current inspection midnight I have developed a surface probe. The result of applying the developed eddy currents checker and sprue part Busan city rail contact line, it can be caused by detecting normal to the crack defect diameter ratio of 10% of the depth.

Keywords : Catenary, Aging, Eddy current Checker, Probe, Crack detection

초 록 최근 도시철도 전차선로 노후화에 따른 전차선 파단 사고가 보고되고 있으나

전차선로의 점검은 대부분 육안에 의한 점검에 의존하여 판타그래프와의 마찰에 의한

반복하중 피로 균열을 탐지해낼 수 없으므로 전차선의 건전성 확보 및 전동차의 안전운행을

위해 전차선 균열 탐지가 가능한 비파괴검사 기술의 개발이 필요하였다. 본 연구에서는 유도

와전류를 이용, 심야의 영업정지 시간에 간편하게 검사를 수행하여 전차선의 손상 여부를

실시간으로 탐지해 낼 수 있는 최적화된 휴대용 와전류 검사기와 표면형 프루브를 개발하였다.

개발한 와전류 검사기와 프루부를 부산도시철도 전차선에 적용한 결과 직경 대비 10% 깊이의

균열 결함까지 성공적으로 탐지해 낼 수 있었다.

주요어 : 전차선, 노후화, 와전류검사기, 프루브, 균열검출

† 교신저자: 세이프텍㈜(sslee-9@hanmail.net)

* 부산교통공사 기술연구원

** 세이프텍㈜,

*** 부경대학교 제어계측공학과

1. 서 론

전차선의 집전장치(판타그래프)와 접촉하여 전동차에 전기를 공급하는 전차선이 단선되

면 열차 운행이 중단되게 되고 홈 발생 등의 부분 파손 시에도 판타그래프의 습동판을 손상

시켜 전기공급의 불안정성을 초래하게 된다[1].따라서 전동차의 안전운행을 위하여 전차선

로의 건전성을 유지하는 것이 매우 중요하지만 국내의 경우 아직 육안검사에 의한 표면 상

태 점검에 의존하고 있으며, 일본의 경우에는 Vision 카메라를 이용한 전차선의 표면 상태

및 전차선로의 구조 해석에 기반한 손상 평가 시스템을 적용해 오고 있다. 따라서 전차선로

에 발생할 수 있는 균열 등의 손상을 직접 검출해내는 기술은 아직 구현된 바가 없으므로

본 연구에서는 유도 와전류 원리를 이용하여, 전차선로의 외부에서 와전류 센서로 직접

주사하여 전차선로에 균열 등의 손상이 발생하였을 경우 직경 대비 손상의 정도를 판단할

수 있도록 와전류 탐상기와 센서를 개발하였다.

2. 전차선 와전류 탐상

2.1 이론적 배경

패러데이의 유도전자기 법칙에 기반하고 있는 와전류탐상기술은 부품소재의 신뢰성 확보

를 위한 비파괴검사에 폭넓게 사용되고 있다. 센서 코일에 교류를 인가하면 인접한 도체에

유도 와전류가 유도된다. 인가(driving) 교류가 흐르는 센서 코일의 임피던스와 유도 와전

류가 흐르는 순간 도체의 임피던스가 결합된 총 임피던스(coupled total impedance)는 도체

에 균열 등의 결함이 존재할 경우, 그 위치에서 결합 임피던스의 값을 변화시킨다. 이때 변

화하는 임피던스는 진폭과 위상을 갖는 리사쥬 신호로 도시되며, 리샤쥬 신호의 진폭과 위

상은 도체에 존재하는 결함의 크기와 깊이와의 함수 관계를 갖는다.

한편, 구동센서 코일에 근접한 도체에 유도되는 와전류의 전류밀도는 표면에서 최대가 되

고 센서 코일에서 멀어질수록 지수함수적으로 감소하게 된다. 그리고 유도 와전류의 위상

또한 센서 코일에서 멀어질수록 위상이 지연되는 phase lag 현상이 나타난다[2].

f1

fx (1)

식 (1)에서δ는 유도 와전류의 표준침투깊이(skin depth), f는 주파수, σ는 도체의 전기

전도도, μ는 투자율이며, θ는 위상지연(phase lag)이며, x는 도체의 두께이다. 따라서 주

파수가 높을수록 유도되는 와전류의 밀도는 표면에 집중되어 표면 결함에 대한감도가 커지

며, 위상지연(phase lag) 효과 또한 증가하여 결함에 대한 분해능이 커지게 된다. 반면에

고 주파수에서는 침투 깊이가 얕기 때문에 내부의 결함에 대한 탐지 감도는 떨어지게 된다.

2.2 와전류 탐상기 개발

개발된 장비는 8채널 기반이며, 검사 결과 응답 신호를 XY 그래프와 리사쥬 그래프 창으

로 도시한다. ECT 신호 감도는 0-52dB 내에서 1dB 씩 조정이 가능하며, lift-off 신호를 조

정하기 위하여 위상을 360도 범위까지 2도씩 조정이 가능하다. 문턱 값은 원과 타원으로 설

정하며 가용 주파수의 범위는 4-70 kHz 이다. TCP/IP와 RS232 통신이 가능하며, 프루브는

Drive pick-up, Differential, Absolute type 사용이 가능하다.

Fig. 1 Developed ECT equipment to inspect trolley wire

Fig. 2 Inside configuration of drive pick up coil(left) and assembled ECT probe(right)

2.3 와전류 프루브 개발

감도를 고려하여 Drive pick-up 코일로 제작하였다. 센서의 탈, 부착이 가능하고 두 개의

코일이 각각 전차선의 상부와 하부를 절반씩 주사할 수 있도록 설계 제작하였다.

2.4 성능 평가 실험

Fig. 3은 전선으로 사용되는 구리 봉재의 품질 확보를 위해 적용되는 ASTM 규격[3]에 기초

하여 인공 결함을 기계 가공하였다. A-1은 직경 6.35mm의 드릴로 표면에서 0.25mm 깊이로 가

공한 결함이며, A-2는 직경 0.635mm 드릴로 1.9mm 깊이의 구멍을 가동한 것이다.

Fig. 4와 같이 현장에서 손상이 확인되어 철거된 전차선로에 Fig.3과 같이 방전 가공으로

균열을 모사한 두 개의 결함을 가공하였다. 전차선로의 직경은 10 mm, 재질은 구리 합금강이

며 인공 결함은 폭을 0.1mm로 하여 깊이를 각각 1mm, 0.5mm로 달리하였다.

Fig. 3 Two artificial defects( A-1, A-2)are machined on Cupper redraw rod based on ASTM E1606-09

Fig. 4 Two notches ( B-1, B-2)are fabricated by EDM in trolley wire having natural metal loss damage(B-3).

Fig. 5 Configuration of two artificial notches(left : B-1, right : B-2) fabricated by EDM

.

2.5 실험 결과

Fig. 6은 전선으로 사용되는 직경 10mm의 구리 봉재에 직경 6.35mm의 드릴로 표면에서

No. 4 cut 으로 0.25mm 깊이 까지 가공된 노치 결함(A-1)에 대한 실험 결과이다. 개발 장

비와 프루브로 쉽게 검출이 가능하였다. Fig. 7은 직경 0.635mm 드릴로 1.9mm 깊이의 구멍

결함에 대한 실험 결과이다. Fig. 6과 비교하면, 인공 결함의 체적이 더 작으므로 검출된

신호의 크기는 작아졌지만 뚜렷한 결함 검출 신호는 얻을 수 있었다.

Fig.8은 폭 0.1mm, 깊이 1mm로 방전 가공한 인공 결함 B-1에 대해 개발 장비와 센서로

실험한 결과이다. XY 그래프에서 감도는 낮으나, 리샤주 그래프에서는 뚜렷한 결함 신호를

얻을수 있었다.

Fig.9는 폭 0.1mm, 깊이 0.5mm로 방전 가공한 인공 결함 B-2에 대한 실험 결과이다. 결

함의 깊이가 0.5mm 에 불과하여 검출 감도는 B-1과 비교하여 낮으나 리샤주 그래프에서는

결함 신호의 패턴이 확인 가능하였다. Fig. 10는 자연 결함에 대한 실험 결과이다. 자연

결함의 길이가 대략 100mm 에 이르고 깊이는 최대 5mm에 이르므로 쉽게 검출이 되었지만,

프루브 코일의 간격 치수를 초과하는 결함이라 와전류 신호는 전형적인 리샤주 패턴을 벗

어나는 형태를 보였다.

Fig. 6 ECT signal measured at A-1 artificial notch (6.35mm diameter No. 4 cutting,

0.25mm depth )

Fig. 7 ECT signal measured at A-2 artificial hole (0.635mm diameter, 1.9mm depth

drilling )

Fig. 8 ECT signal measured at 1mm depth artificial notch(B-1)

Fig. 9 ECT signal measured at 0.5mm depth artificial notch(B-2)

Fig. 10 ECT signal measured at naturally damaged part(B-3)

3. 결 론

와전류 검사기와 drive pick up type의 ECT 프루브를 개발하여, 인공결함이 가공된 구리

봉재와 현장에서 채취된 전차선을 대상으로 시험한 결과 직경 10mm의 전차선에서 폭

0.1mm, 깊이 1mm의 인공 결함의 검출이 가능하였다. 향후의 과제는 전차선과 조가선과의

지지 점에서도 막힘 없이 자동 주사가 가능한 지그 개발로 현장에서 간편하게 사용 가능하게

하는 것이다.

후 기

본 연구는 중소기업청의 2014년 구매조건부 신제품개발사업의 지원을 받아 수행되었습니다.

참고문헌 [1] 김양수, 유해출 “전기철도공학”, 동일출판사 [2] Satish S. Udpa, Patrick O. Moore, “Electromagnetic Testing”, Vol. 5, NDT Handbook, 3rd Edition, ASNT, pp.214.

[3] ASTM Designation: E1606-09, Standard Practice for Electromagnetic(Eddy-Current) Examination of

Copper Redraw Rod for Electrical Purposes