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년 월1993 12

전기통신설비기준연구

부록 2

전력유도전압의 기술동향 분석

한국전자통신연구소

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목 차

제 장 서 론1

제 절 조사기준1

제 절 전력계통의 조건2

제 절 고속철도의 조건3

제 장 유도장해2

제 절 유도의 정의1

제 절 유도잡음의 측정방법2

제 절 유도장해 경감대책3

제 장 전력계통에서의 전력유도3

제 절 국내의 전력계통1

제 절 중성점 접지 방식2

제 절 유도전압 계산 및 처리방법3

제 절 송전선 사고와 통신선의 관계4

제 절 배전계통의 구성5

제 절 배전선에 의한 통신선의 유도장해6

제 절 고조파 유도 및 대책7

제 장 전기철도 및 고속철도 시스템의 유도장해4

제 절 고속철도 전력설비의 구성1

제 절 전기철도 부하 특성2

제 절 교류 급전회로3

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제 절 급전회로의4 AT Amp.

제 절 유도전압 예측 계산5

제 절 예측 계산에 이용되는 차폐계수6

제 절 유도전압 합성7

제 절 고속철도에서의 유도대책8

제 장 고속철도 도입에 따른 전력유도 문제점 및 대책5

제 절 고속철도 부하특성1

제 절 급전방식에서의 문제점2 AT

제 절 고속철도 시스템과 관련된 고조파 유도3

제 절 고속철도 차량의 고조파4

제 절 각국의 고조파 대책5

제 절 경부고속철도의 고조파 문제6

제 장 결 론6

참 고 문 헌

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제 장 서 론l

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제 장 서 론1

정보사회의 발전에 따라 정보의 종류 및 정보 교환의 수효가 급증함으로써 사회 전반에 걸

쳐 통신 서비스의 욕구가 증가하고 있으며 이에 반해 가정용 산업용 과학용 의료용 전기, , , ,

전자 장치에서 발생하는 비의도성 전자파복사로 인한 전파환경의 오염문제는 각종 장치의

수요 증대에 따라 점차적으로 악화되어가고 있는 실정이다.

전력계통은 물론 특히 국내에 처음 건설되는 고속철도 시스템으로부터 발생되는 전력유도

장해는 통신시설에 대한 장해요인이 되므로 이에 대한 기술조사를 수행하며 특히 송 배전, ㆍ

선과 전기철도 및 고속철도의 급전방식에 따른 전력유도 장해 현상으로 통신선로에 유기되

는 유도장해의 제반현상과 장해 내용 유도대책에 관한 분석 및 유도전압 예측 계산식에 따,

른 기술자료를 수집하고자한다.

제 절 조사 기준1

본 기술조사는 다음 부령 고시 권고 등에 기준하여 수행한다, , .

전기통신설비의 기술기준에 관한 규칙 체신부령 제 호- ( 822 , 1990.7.27.)

전력유도 전압의 구체적 산출방법 체신부 고시 제 호- ( 72 , 1990.7.27.)

- CCITT DIRECTIVES

제 절 전력계통의 조건2

송전 방식1.

송전- 154 (60%)

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송전- 345kV (40%)

배전 방식2.

차 배전 상 교류전압- 1 ; 22.9kV 3

차 배전 에서- 2 ; 100/200V 220/380V

제 절 고속철도의 조건3

급전방식1.

단권 변압기 급전방식-

추진 시스템2.

견인 전동기- AC

싸이리스터- GTO

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제 장 유 도 장 해2

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제 장 유 도 장 해2

전기전자 시스템이 외부 시스템 및 인근 전력선으로부터 영향을 받을 경우잡음이 발생하․고 기기자체가 오동작을 일으키거나 심한 경우에는 기기 파손 등의 피해를 입기도 한다 또.

한 공중에 방사된 방송 주파에 의한 장해 도 일으킨다 이외에(Radio frequency interference) .

낙뢰의 전자기적 영향으로부터 받는 장해도 있다 이러한 사항들을 통틀어서 우리는 유도.

내지는 전력유도라는 용어로 지칭하고 있다.

그러나 이는 모든 종류의 전자기적 현상에 의한 통신선의 장해에 관련된 분야를 일컫는 광

의적인 의미에서 통용되는 용어이며 보다 엄밀한 협의적인 관점에서의 유도는 전력선으로,

부터의 정전 및 전자 결합 으로 한정된( :Electrostatic) ( :Electromagnetic) (Coupling)靜電 電磁

다.

이와 같이 유도라는 용어가 서로 다른 범위를 일컫는 말이지만 용어의 사용에 있어서 큰 혼

란은 없으므로 두가지 모두 인정하기로 하고 다만 본 절에서는 협의적 의미에서의 유도 즉, ,

정전유도와 전자유도에 한정하여 이 용어를 사용하기로 한다 원칙적으로 영향을 끼치는 잡.

음원으로부터의 커플링을 방지하면 누화 등 통신시스템의 자체적인 것을 제외하고는 통신선

의 잡음 문제는 발생하지 않는다 그러나 현대의 자동화 시스템에서 전력시설과 신호 통신.

설비를 완벽하게 격리하는 것은 불가능하며 전력유도의 입장에서 주 관심 대상은 통신시스,

템을 전력시스템으로부터 완전히 격리하자는 것이 아니라 시스템을 전력선으로부터 얼마나,

효과적으로 차폐시켜 유도장해를 최소화할 수 있는 것인가에 있다.

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제 절 유도의 정의1

우리나라에서는 지형의 관계상 전력선과 통신선이 근접해서 건설되는 경우가 많다 전력선.

이 통신선에 근접해 있을 경우에는 통신선에 전압 및 전류를 유도해서 여러가지 통신장애를

주게 되며 유도장해는 다음과 같이 분류할 수 있다.

정전유도 전력선과 통신선과의 상호 정전용량에 의해 발생하는 것- :

전자유도 전력선과 통신선과의 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 것- :

고조파 유도 양자의 영향에 의하지만 상용 주파수보다 고조파의 유도에 의한 잡음장해- :

로 되는 것

이중 주로 문제가 되는 것은 정전유도 와 전자유도(Electrostatic induction) (Electromagnetic

의 두가지인데 평상 운전시 에는 정전유도가 문제가 되고 지락 고장시에는 전자induction) ,

유도가 문제가 된다 일반적으로 정전유도와 전자유도는 동시에 발생하겠지만 본 내용을 구.

분하기 위해 분리해서 정의하며 앞에서도 언급하였듯이 우리나라의 형편상 전력선의 루트선

정 중성점의 접지방식의 결정 등에 있어서는 유도장해 문제를 반드시 고려하지 않으면 안,

되며 이에 대한 구체적인 내용은 장에서 취급한다.Ⅲ

정전유도l. (Electrostatic Induction)

그림 정전유도( 2-1)

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정전유도 전압은 전력선의 영상전압과 통신선과의 상호 캐패시턴스의 불평형에 의해서 통신

선에 정전적으로 유도되는 전압으로서 이는 고장시뿐만 아니라 평상시에도 발생하는 것이

다 정전유도는 통신케이블과 전력선 및 전차선 주변의 분포용량 때문에 발생한다고 하여.

용량성 커플링 이라고도 불린다(Capacitive coupling) .

유도대책의 관점에서 정전유도는 두가지 측면을 보아야 하는데 이를 정리하면 표 과< 2-1>

같다.

표 정전 유도< 2-1>

관점 현상 기준제한치 예측계산식

유도잡음 측면 통신선에 유도되는 전압 60 V 식 (2.2)

작업자안전 측면 전력선 주변의 공간전위 5,500 V 식 (2.4)(2.5)

가 유도잡음 측면.

가공 송배전선로에 의해 통신케이블에 전압이 발생하는 현상으로 그림 에 나타낸, ( 2-1)․바와 같이 상 가전선의 전위를3 Ẻa,Ẻb,Ẻc 통신선의 유도전압을. Ẻs 정전용량을, Ca,Cb,Cc 및

C2라고 하면 식 과 식 가 된다(2.1) (2.2)

정전유도 전압은 상이 평형 되고 있을 경우3 (Ẻa=E,Ẻb=α2E,Ẻc= E)α Ẻs의 절대값으로는 식

과 같이 계산된다(2.3) .

( 2.3 )

단, E = V/ 3 는 전력선의 선간 전압(V )

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식 에서 알 수 있는 바와 같이 정전유도 전압은 주파수 및 양 선로의 평행길이와는 관계(2.3)

가 없고 전력선의 대지전압( V/ 3 에 비례하고 있다 또 식 에서) . , (2.3) Ca=Cb=Cc이면

Ẻs 즉 연가가 완전하다면 각 상의 정전용량이 평행하게 되므로 정전 유도전압을 으로=0, 0

할 수 있다 이로부터 연가는 송전선 자체의 평형뿐만 아니라 통신선에서의 유도장해를 없.

앤다는 의미에서도 꼭 필요하나는 것을 알 수 있다 그러나 송전선과 통신선과의 간격이 넓.

어지면 넓어질수록 그만큼 유도전압도 경감된다고 할 수 있다 또한 대부분의 통신케이블은.

금속외피를 갖고 있으며 공법상 이 금속층은 접지된다.

그림 정전 차폐( 2-2)

그림 와 같은 상황에서 이상적일 경우 통신선에 유도되는 전압은 이지만 실제로는( 2-2) , 0

접지선의 임피던스가 이 아니므로 케이블의 금속외피는 완전한 전위가 아니다 따라서 통0 0 .

신선에는 수 의 전압이 유도된다.

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그러나 이 정도의 전압은 통신시스템의 성능에 전혀 영향을 끼치지 못하므로 금속외피는,

정전차폐의 역할을 한다고 볼 수 있다 따라서 금속외피가 확실하게 접지 되어 있을 때 정.

전유도는 케이블 금속외피로 인해 전혀 문제가 되지 않는다고 할 수 있다.

나 작업자 안전 측면.

운용중인 전력선 주변에는 통신케이블 유무에 상관없이 공간전압이 존재한다 그림 은.( 2-3)

송전선 주변의 수평 및 수직 전계의 크기를 이격 거리에 따라 나타낸 그래프이다 공345 .

간전압이 높으면 전기장 내에 있는 작업자는 불쾌감을 느낄 수 있다 그리고 이로 인한 차. 2

사고 즉 추락 사고를 일으킬 가능성도 있다, .

그림 송전선 부근의 전계강도( 2-3) 345

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지면과 평행 하는 전선으로 인한 공간전압을 측정에 의하지 않고 구할 때는 그림 에서( 2-4)

식 와 식 을 이용한다(2.4) (2.5) .

그림 전력선의 분포( 2-4)

따라서 일본에서는 전력선 주변의 공간전압 제한치를 로 규정하고 있으나 우리나라5,500V ,

는 이에 대한 규정이 아직 만들어져 있지 않다.

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전자유도2. (Electromagnetic induction)

가 전자유도의 작용 원리.

송전선에 선 지락사고 등이 발생해서 영상전류가 흐르면 통신선과의 전자적인 결합에 의해1

서 통신선에 커다란 전압 전류를 유도하게 되어 통신용 기기나 통신 종사자에게 손상 및,

피해를 끼치거나 또는 통신이나 통화를 불가능하게 하는 유도장해를 일으킨다.

그림 전자유도( 2-5)

그림 에 나타낸 것처럼 지금 송전선의 각 선에( 2-5) Ỉα,Ỉb,Ỉc 라는 전류가 흐르고 있을 때 이

와 병행해서 가설된 통신선이 받는 전자유도 전압 Em은 송전선의 각 선과 통신선과의 상호

인덕턴스를 완전 연가라고 가정함 라고 하면 식 으로 계산할 수 있다M[H/Km]( ) (2.6) .

식 에서도 알 수 있듯이 평상시의 운전에서는 상 전력선의 각 상전류가 대체로 평행되(2.6) 3

고 있기 때문에 Ỉ0는 극히 작은 값이 되어 전력선으로부터의 유도장해는 거의 없을 정도이

다.

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그러나 송전선에 고장이 발생하였을 때 특히 그중에서도 지락고장이 일어나면 상당히 큰,

Ỉ0가 대지전류로서 흐르게 되어 이것이 통신장해를 일으키게 된다 한편 단락고장일 경우에.

는 대지전류가 흐르지 않기 때문에 통신장해는 문제가 되지 않는다 그러므로 전력회사에서.

송전선을 건설할 때에는 반드시 사전에 그 선로에 지락고장이 일어났을 경우의 고장전류 대(

지 전류 를 계산하고 이것을 사용해서 그 경과 예정지 부근의 통신선에 대한 전자유도전압)

을 산출하여 그 값이 정해진 제한값 현재 우리나라에서는 을 넘지 않도록 필요한( 650[V])

조치를 취하여야만 하게 되어 있다.

단 양선의 병행 길이, l : [ ]

영상 전류 지락 전류 기유도전류: 3 x = = [A]

그러나 이론적인 식 에 의해서 유도전압을 구하기 위해 필요한 을 직접 구할 수 없기(2.6) M

때문에 전자유도전압의 계산은 식 의 이론식을 쓰지 못하고 대신 다음과 같은 여러가지(2.6)

실험식을 사용하고 있다.

의 식1) Carson-Pollaczek

단 정수, : 1.7811(Bessel )γ

대지의 전도율:σ (1τ*105)*10-4[cgs.eum]

대지의 고유 저항: [ - ]τ Ω

전력선과 통신선과의 거리d : [ ]

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도면을 사용한 실험식2)

그림 에서 보인 바와 같이 가령 만분의 의 지도에 기설의 통신선로를 그려 놓은 다( 2-6) 5 1

음에 건설하고자 하는 송전선로를 그려 넣어서 이 두개선로의 도면상의 관계 위치로부터 유

도전류 당의 통신선의 유도전압은 다음과 같은 실험식을 사용해서 구한다1[A] .

그림 전자유도 계산의 일례( 2-6)

단 지질 계수 산악 평지, : ( : 0.0002 0.0008, : 0.0004)Κ ～

지락 전류의 주파수:

l2 , , b1 , b2 등은 그럼 참조( 2-6)

em 기유도 전류 당의 유도 전압: 1[A]

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따라서 식 가 성립된다(2.9) .

식 에서 나타낸 바와 같이 전자유도 전압은 전력선과 통신선과의 병행길이 에 비례하(2.6) ℓ

므로 상당히 떨어진 통신선이라 해도 의 값은 까지 계산해 주어야 한다 위의 계산에b 5[ ] .

서 고장점의 위치를 바꾸고 양 선로의 병행 길이를 바꾸어서 어떤 장소에서 지락고장이 일

어나더라도 통신선의 어느 교환국에도 를 넘는 제한전압이 발생하지 않는다는 것을650[V]

확인하여야만 한다 만일 를 넘는 전압이 발생할 경우에는 송전선의 루트를 변경하거. 650[V]

나 필요한 경감대책을 강구해서 어느 경우이건 전자유도전압이 제한전압 이하로 억제되도록

하여야 한다.

나 대지귀로 전류.

대지귀로 전류의 원리1)

그림 대지귀로 전류( 2-7)

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그림 과 같이 전력선이나 통신선이 놓여 있을 때 송전선의 귀로 는 대지( 2-7) , (Return path)

이외에는 없다고 가정해보자 그러면 대지로 흐르는 귀로전류는 대지의 어느 부분을 통해.

흐르는 것일까 대지귀로 전류는 등가적으로 지중의 일정한 곳에 도체가 존재하고 있고 그?

도체를 통해 귀로전류가 흐르는 것과 같은 효과를 갖는다 이 가상도체를 영상도체라 하며.

영상도체의 위치 즉 깊이는 식 을 통해 구할 수 있다, (2.10) .

전력선의 주파수f :

대지도전율:σ

식 에서 변수는 와 밖에 없다 그런데 우리나라의 전력 주파수는 로서 고정이므(2.10) f . 60σ

로 유일한 변수는 즉 대지도전율이다 다시 말하면 대지도전율에 따라 영상도체, , . (Imageσ

의 깊이가 달라진다고 말 할 수 있다conductor) .

표 대지비저항에 따른 영상도체의 깊이< 2-2>

저항(Ω.m) 깊이(m)

1030501002003005001000200030005000

2905006509201300159020602910411050306500

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표 에 일부 선택된 대지비저항값들에 대한 영상도체의 깊이가 나와 있다 흔히 대지< 2-2> .

도전율 보다 대지비저항을 많이 사용하므로 표 에서는 대지비저항값으로 나타내었다< 2-2> .

대지비저항은 대지도전율의 역수이다 여기서 주목할 것은 대지비저항이 클수록 영상도체의.

깊이가 깊어진다는 것이다.

대지귀로 전류와 전자유도2)

전자유도 발생의 주원인은 대지귀로 전류라고 알려져 있다 그 이유를 개념적으로 설명하면.

다음과 같다.

우선 그림 과 같이 대지귀로 전류가 없이 전력선과 중성선만을 통해서 귀로 전류가 흐( 2-8)

르는 시스템을 생각해보자.

그림 전력선과 통신케이블( 2-8)

그림 에서 전력계통이 완전평형이라고 하면( 2-8) IA + IB + IC 이고= 0 IN 이다 전력선= 0 .

각상 선간의 간격은 전력선과 통신선과의 거리에 비해 훨씬 작다 다시 말하면 전력계통. ,

외부에서 보면 순전류 는 이 되므로 전력선에 의해 통신선에 유도된 전압은(Net current) 0

이다0 .

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그러나 실제로는 전력선이 완전 평형 되지 못하므로 중성선이나 대지를 통해 흐르는 귀로전

류는 상시 존재한다 이 귀로전류는 중성선을 통해 약 대지를 통해 정도가 흐른. 40%, 60%

다고 알려져 있다.

그림 영상도체와 대지 귀로전류( 2-9)

그림 에서 전력선과 중성선이 통신선에 미치는 거리에 비해 대지귀로전류가 통신선에( 2-9)

근접해 있는 거리가 훨씬 길다 즉 대지귀로 전류분에서 발생하는 유도전압은 극히 미약하. ,

여 전력선에 의해 발생하는 유도전압을 상쇄하지 못하기 때문에 결과적으로 통신선에는 유,

도전압이 발생하게 된다 이런 원리로 생각하면 대지비저항이 커서 대지귀로 전류가 지중.

깊이 흐르면 흐를수록 유도전압은 더 커짐을 알 수 있다.

결론적으로 말하면 전력선의 불평형은 대지귀로 전류를 발생시키고 대지귀로전류의 양과,

대지비저항의 크기에 비례하여 전자유도 전압이 발생한다고 할 수 있다.

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제 절 유도잡음의 측정 방법2

우리나라는 유도잡음을 전압으로서 규정하고 있는데 표 과 같다< 2-3> .

표 유도 전압 제한치< 2-3>

이상시 유도 위험 전압430V.

단 고안정 송전선의 경우에는, 650V

상시 유도 위험 종전압 60V

기기 오동작 유도 종전압 15V

잡음 전압 1

전압의 측정1.

유도전압을 계산하기 전에 계산의 목표가 정해져야 하며 이때 고려해야 할 사항은 다음과

같다.

통신선로상의 한 점에서 종전압을 측정하는 것인가 전류를 측정하는 것인가o

전압과 전류의 레벨에 관심이 있는가o

통신선로 전구간에 걸쳐서 종전압 및 전류의 분포를 알 필요가 있는가o

관심있는 주파수는 얼마인가o

가 유도 전압의 계산.

Vrs = i1 * Ζ1 * L1 * ( 2.11 )η

유도전압Vrs :

i1 유도원의 전류:

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노출 길이 병행거리L1 : ( )

Ζ1 전력선과 통신선간 상호 임피던스:

차폐 계수:η

나 전류의 측정.

유도를 일으키는 순전류 는 감지선 이나(Net disturbing current) (Probe wire) Exploring coil

을 이용하여 주파수 선택 전압계로 측정한다.

감지선을 이용한 방법1)

유도전압을 측정하는데 있어서는 감지선을 이용하는 방법이 실제의 모든 유도 상황을 재현

할 수 있으므로 가장 정확한 측정법이 되고 있다.

그림 감지선을 이용한 측정법( 2-10)

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을 이용한 측정법2) Exploring coil

이 방법은 교란을 일으키는 자기장을 빠르고 간단하게 측정할 수 있는 방법이다 주파수 분.

석기 와 연결하여 측정할 수 있으나 정확성이 부족하여 주로 유도 장해(Spectrum analyzer)

가 큰 지역 즉 불평형이 심한 지역들을 손쉽게 찾는 방법으로 주로 사용된다, .

그림 을 이용한 측정법( 2-11) Exploring coil

제 절 유도장해 경감 대책3

유도장해 방지 대책1.

정전유도에 대하여서는 전력선측 및 통신선측에 적절한 차폐선을 가설하거나 통신선을 케이

블화해서 그 외피를 접지하면 상당한 효과가 있다.

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그밖에 전력선과 통신선 사이에 가로놓여 있는 수목이나 언덕 같은 것도 상당히 좋은 정전

차폐 효과를 나타내고 있으며 또 피유도 회선을 적당히 접지하면 유도전압이 크게 경감되,

기 때문에 정전 유도 문제는 그다지 큰 문제가 되지 않는다 따라서 여기서는 주로 문제가. ,

되는 전자유도 장해대책에 대해서 설명하기로 한다.

전자유도 전압을 억제하기 위해서는 식 에서도 알 수 있듯이 기유도 전류 대지전류(2.6) ( I0 를)

줄이든지 송전선과 통신선과의 사이 상호 인덕턴스 를 줄이든지 또는 양 선로의 병행길(M)

이 를 줄일 필요가 있고 또 유도장해를 받게 되는 시간을 줄여주는 길밖에 없다( ) , .ℓ

우선 전력선측에서 취하여야 할 유도 장해 방지 대책은 다음과 같다.

가 송전선로는 될 수 있는 대로 통신선로로부터 멀리 떨어져서 건설한다 의 저감. . (M )

나 중성점을 저항 접지할 경우에는 저항값을 가능한 한 큰 값으로 한다 기유도 전류의 억. . (

제)

다 고속도 지락보호 계전방식을 채용해서 고장선을 신속하게 차단하도록 한다 고장 지속. . (

시간의 단축)

라 송전선과 통신선 사이의 차폐선을 가설한다 의 저감. . (M )

통신선로측 방지 대책2.

통신선로측에서의 방지대책은 다음과 같다.

가 통신선의 도중에 중계코일 절연 변압기 을 넣어서 구간을 분할한다 병행 길이의 단축. ( ) . ( )

나 연피 통신케이블을 사용한다 의 저감. . (M )

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다 통신선에 우수한 피뢰기를 설치한다 유도전압을 강제적으로 저감. . ( )

라 배류 코일 중화코일 등으로 통신선을 접지해서 저주파수의 유도전류를 대지로 흘려주도. ,

록 한다 통신잡음의 저감. ( )

차폐선 이론3.

유도 장해 경감 대책으로서 차폐선의 설치가 유효하다고 하였는데 먼저 차폐선(Shielding

이란 그림 에 보인 것처럼 전력선에 접근해서 대지와 단락시킨 전선을 설치한wire) ( 2-12)

것이다.

그림 차폐선( 2-12)

차폐선은 때 처럼 양단에서 단락되어 있으므로 여기에 단락선류(= 2-13) ( Is 가 흐르게 되)

며 이 단락전류에 의해 통신선에 자속 가 발생한다 이 자속 와 송전선전류M' . M' ( Iε 에 의)

해 발생되었던 자속 과는 위상이 반대 곧M 180° ( Iε와 Is는 반대 방향으로 흐르고 있음 이)

므로 의 값을 줄이게 되어 결국 통신선에 생기는 유도전압M Vm은 반정도로 줄어들게 된다.

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그림 에서 을 전력선 를 통신선 를 차폐선이라 하고 각 임피던스는 다음과( 2-13) , ,① ②

같다.

Z12 전력선과 통신선간의 상호 임피던스:

Z1S 전력선과 차폐선간의 상호 임피던스:

Z2S 통신선과 차폐선간의 상호 임피던스:

ZS 차폐선의 자기 임피던스:

그림 차폐선의 차폐 효과( 2-13)

차폐선의 양단이 완전히 접지되어 있다고 하면 통신선에 유도되는 전압 V2 는 다음 식으로

계산된다.

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I0 전력선의 영상전류:

Il 차폐선의 유도전류:

식 에 있어서(2.12) ( -Z12I0 는 차폐선이 없을 경우의 유도전압이기 때문에) (1-Z1sZ2sZsZ12

)는

차폐선을 설치함으로써 유도전압이 이만큼 줄게 된다는 저감비율을 나타내는 것으로서 폐선

의 계수라고 볼 수 있다 이것을 라고 한다면 식 과 같다. (2.13) .λ

만일 차폐선을 전력선에 접근해서 설치할 경우에는 Z12 Z≒ 2S로 되므로 식 는 식 와(2.12) (2.14)

같다.

이 때의 차폐선의 차폐 계수 는 식 와 같다' (2.15) .λ

이번에는 차폐선을 통신선에 접근해서 설치할 경우에는 Z1S Z≒ 12가 되므로 식 과 같(2.16)

다.

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이 때의 차폐계수 는 식 과 같이 된다'' (2.17) .λ

실제로 차폐선은 전력선에 접근시켜서 식 의 차폐계수가 되는 상태로 설치되고 있다(2.15) .

이 식에서 알 수 있듯이 상호 임피던스 Z1S 에 대해서 차폐선의 자기 임피던스 ZS 를 접근

시켜줄수록( ZS Z→ 1S 차폐효과가 점점 커지게 된다 다시 말해서 차폐선의 자기 임피던) .

스를 될 수 있는 대로 작게 해서 차폐선에 흐르는 전류를 크게 하면 그만큼 차폐효과를 더

올릴 수 있게 된다는 것이다.

그림 차폐선의 가설( 2-14)

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다음 차폐선의 가설장소는 그림 에 나타낸 것처럼 송전철탑에 가공지선을 가설하는( 2-14)

장소를 택하고 있는 것이 보통이다 원래 가공지선은 송전선로에 대한 뇌의 직격을 막기 위.

해서 가설되는 것이고 그 재질은 철선이기 때문에 임피던스가 커서 도저히 단락전류를 흘릴

수 없는 것이다 한편 차폐선은 전술한 바와 같이 단락전류를 흘려야 하는 것이므로 철선.

대신에 송전선과 똑같은 알루미늄선이라든지 동선을 사용해서 유도전압 경감과 가공지선으

로서의 역할을 동시에 수행하도록 하고 있다.

마지막으로 유도전압의 제한값인데 이것은 종래부터 전력선측과 통신선측과의 이해가 엇갈

려서 좀처럼 합의를 보지 못하고 곳에 따라서는 로 제한되고 있다 그러나 최근에는, 300[V] . ,

보호계전기의 성능이 향상되어서 사이클 초 동작도 가능해졌고 그에 따라 차단기도1 (1/60 ) 3

사이클 차단이 가능하게 되었으므로 이상의 송전선에서는 초의 고속도 차단을 할100[ ] 0.1

수 있다는 전제에서 이 제한값을 에서 보다 높은 수준으로 격상시키고 있는300[V] 650V]

실정이다.

우리나라도 앞서 소개한 바와 같이 지난 년 계통을 종전의 소호리액터 접지방식1968 154[ ]

으로부터 직접 접지방식으로 전환하면서 이 유도전압 제한값을 로 끌어올려서 이650[V]

한도 내에서 여러 가지 대책을 강구하고 있다.

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제 장 전력계통에서의 전력유도3

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제 장 전력계통에서의 전력유도3

전력유도 문제에 대한 원인과 대책을 위해 전력회사측과 협의하기 위해서는 자체 시스템은

물론 전력계통에 대한 정확한 이해를 필요로 한다 특히 우리나라에서는 지형 관계상 송전.

선과 통신선이 근접해서 건설될 경우가 많으며 전력선이 통신선에 근접해 있을 경우에는,

통신선에 전압 및 전류를 유도해서 통신장애를 주게 된다 따라서 전력계통에 필요한 유도.

대책을 위해 장의 일반적 현상에 부가적으로 국내의 전력계통과 그 구성요소 전력계통에,Ⅱ

서 전력유도가 발생하는 상황에 대해서 논한다.

제 절 국내의 전력계통1

전력은 발전에서부터 가정에 이르기까지 계통을 갖는데 이러한 전력계통의 단계는 그림(

과 같으며 그림 는 계측 통신 제어 보호 개폐 등 부설 설비를 제외한 발전기3-1) , ( 3-2) , , , , ,

변압기 및 조상설비만 표시한 송배전 계통의 일례도이다.

그림 전력계통의 단계( 3-1)

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이와 같이 조직적으로 결합된 여러 설비를 전력계통 이라 부른다(Electric power system) .

이와 같은 계통에서 실제로는 발전단에서 송전 전압을 몇 로 승압하고 이것을 몇 단계[ ]

에 걸쳐서 강압해 갈 것인가 하는 것은 계통에 따라 다르지만 일반적으로 수력 화력 또는,

원자력 발전소에서 발전되는 전력은 발전기가 회전기이며 발전기의 회전자는 의 각을120°

갖도록 배치되어 있기 때문에 그 전압은 상 교류로서 정도로 낮은 것이 보통3 6.6-24[ ]

이다.

그림 송배전 계통의 예( 3-2)

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그러나 이 정도의 낮은 발전전압을 가지고는 대전력을 먼 지점까지 송전하기가 부적당하다.

그러므로 일반적으로는 발전단에 승압변압기 를 설치해서 대전력의, (Step-up transformer)

장거리 송전에 적당한 전압 즉 또는 그 이상의 초고압으로 송전단 전압을 승압, 66-345[ ]

하여 이것을 송전선로 차 송전 를 통해서 수용지 부근의 변전소 차 변전소 에 일괄해서(1 ) (1 )

송전하게 된다 부하에 따라서는 직접 높은 전압으로 수전하는 경우도 있으나 일반적으로는.

변전소에서 정도의 전압으로 강압하고 다시 차 송전선로를 거쳐서 수용지에22-154[ ] 2

가까운 차 변전소에 보내게 되며 여기서 다시 정도로 강압하게 된다 차 변2 , 11-66[ ] . 2

전소로부터는 다시 차 송전선로에 의해서 수용지역에 있는 배전용 변전소 차 변전소 로3 (3 )

송전되고 여기서 최종적으로 또는 정도의 전압으로 낮추어진 후 배전선로라3.3[ ] 6.6[ ]

든가 배전용 변압기를 사용해서 수용가에게 직접 공급하게 된다 오늘날 송배전 계통은 주.

로 상 선식 교류 을 많이 채용하고 있기 때문에 이들 송배전선로는 어느 것이나 모두3 3 ( ) 3․상 선식으로 되어 있지만 그림 에서는 이것을 생략해서 선으로 표시하였다3 ( 3-2) 1 .

발전1.

전기는 자기장내를 회전하는 코일에 의해 정현파의 형태로 생산되어 고압송전을 위해 변압

기로 승압된다 그림 은 가장 보편적인 발전 형태인 상 전력의 생성을 보여준다 발전. ( 3-3) 3 .

기 내부코일의 결선 형태는 그림 와 같이 두 종류가 있다( 3-4) .

변압기의 결합형태도 발전기의 경우와 마찬가지로 위의 기본적인 두가지 결선방식으로 구성

된다 그런데 나 권선만으로는 변압기가 결선이 되어 선로에는 제 고조파. 345 154 Y-Y 3

전류가 발생하게 되므로 변압기에는 에 접속된 차 권선(Odd tripple harmonics) 3⊿이 설치되어 있다 이 차 권선은 고조파 전류의 억제만이 아니고 계통(Tertiary winding) . 3 ,

의 조상설비 전력용 콘덴서 의 접속에도 이용된다( : Capacitor bank) .

그림 상 전압의 발생( 3-3) 3

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그림 상 결선 방식( 3-4) 3

그림 차 권선의 이용( 3-5) 3

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송 전2.

우리나라의 전력계통은 년부터 거듭된 전원개발 개년 계획의 성공적인 달성으로 급격1962 5

한 발전을 보게 되었다 우선 양적인 면에서는 당시 만 도 채 못된 규모로부터 년. 40 [kW] 25

이 지난 년 말에는 배가 넘는 만 로 대폭적인 확충을 보게 되었다 전원개발1987 47 1900 [kW] .

내용도 당시의 수만 정도의 소단위 발전소의 건설로부터 이제는 만 에 이르[kW] 30-50 [kW]

는 대단위 고효율 신예 화력발전소가 대종을 이루게 되었으며 특히 지난 년 만, 1977 57 [kW]

의 고리 원자력 호기의 가동을 시작으로 현재 만 급 원자력발전소가 기나 운1 60-100 [kW] 9

전되고 있다.

따라서 년대 초의 송전계통은 전원과 부하를 송전선로로 연결하는 극히 간단한1960 154[ ]

방사상 계통을 이루고 있었다 그러나 전술한 발전설비의 급격한 팽창과 때를 같이 하여 우. ,

선 년대 초에는 송전계통의 확충을 서두르게 되었고 이들 대전력을 안정하게1970 154[ ]

공급하기 위하여 선로의 루프망 형성이 추진되어 종전보다 훨씬 안정된 계통 운용154[ ]

을 기할 수 있게 되었다.

그리고 지난 년 월에는 계통의 중성점 접지방식이 종전의 리액터 접지방식으, 1968 11 154[ ]

로부터 직접 접지방식으로 전환되었으며 선로 보호방식도 거리 계전방식으로부터 보다 신,

뢰성이 높은 반송 계전방식으로 개선됨에 따라 계통의 안정도가 한층 더 향상되었다 이 밖.

에도 도심지구에의 원활한 전력공급을 위하여 년대 초부터 지중케이블1970 154[ ] (600[ ]

단심 케이블 가닥 이 계속 건설되어 현재 에 가까운 지중선 계통이 운전 중에OF 3 ) 300[ ]

있고 이러한 추세는 해를 더할수록 더욱 더 급격하게 진전되어 나가고 있다.

년대로 접어들면서 계속된 전원개발과 대용량 발전기의 단일 발전소 집중화 및 원자력1970

발전소의 건설 등으로 수 만 단위에서 만 가 넘는 대전력 수송을 원활하게 이룩10 [ ] 100 [ ]

하기 위해서 초고압 송전선로의 건설이 추진되어 현재는 그림 에서 보는 바345[ ] ( 3-6)

와 같이 이들 초고압 계통이 우리나라 송전계통의 근간을 이루고 있다345[ ] .

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그림 우리나라 송전 계통( 3-6)

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국내에서는 현재 가 약 송전이 약 정도를 차지하고 있으나 년대154 60%, 345 40% 90

후반부터는 점차 로 대체될 전망이다 한편 미국은 가 일반적인 송전전압이며765 . , 765

까지도 개발 시험중이다1.100 , .

송전선이 인구 집중지역을 지날 때의 가장 큰 문제는 코로나 효과 즉 아크 잡음 및 정전기

방전이다 따라서 이것에 의한 피해를 방지하기 위하여 고압송전선이 통과하는 부근의 지상.

및 지중 금속 구조체가 접지 되는 것이 바람직하다.

설치형태로서는 고압 송전선의 경우 가공 설치형태가 가장 바람직하며 지중 혹은 해저에 설

치할 경우 각 상 전력선간의 거리가 짧으므로 선간 정전용량에 특별히 관심을 기울여야 한,

다.

우리나라의 송전시스템은 소위 고안정 송전선 방식을 채택하고 있는데 이는 다음 요건을" " ,

갖춘 송전선을 말한다.

고장시 전류 제거시간이 초 이내일 것0.1 .∘송전시설의 기계적 전기적 특성은 도체 지지물 애자 부속물 및 기타 구조물 등의 칫수, , ,∘

와 성능이 선로의 자연적인 요건이 최악인 상태에서 충분히 견디어야 하며 절연 파괴를 일

으키지 아니할 것.

도체의 대지절연 간격은 정격전압 및 내부전압에 대하여 섬락을 일으키지 아니할 것.∘지리적으로는 선로가 번개 오염 및 눈이 많은 지역 등 사고발생의 우려가 있는 지역을,∘

통과하지 아니할 것.

배 전3.

일반적으로 배전선로 라는 것은 발변전소 또는 송전선으로부터 직접 수(Distribution line) ․용장소에 이르는 전선로를 말한다 즉 전송된 전력은 보통 송전계통의 말단에 있는 배전용. ,

변전소에 일단 들어가고 여기서 송전전압이 배전

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전압 고압 으로 낮추어진 다음 적당한 회선수의 고압 배전선로에 의해서 다시 인출된다 이( ) .

선로에 따라서 적당한 장소마다 배전변압기 주상에 설치될 경우(Distribution transformer :

가 많기 때문에 주상변압기 라고도 불림 를 설치해서 다시 이 변압기로 전(Pole transformer) )

압을 적당히 낮추어서 저압 배전선로에 접속하고 있다.

배전선로를 사용해서 직접 수용가에게 전력을 공급하는 것을 배전이라고 한다 배전선로는.

대전력을 먼 거리에 일괄해서 전송하는 송전선로와는 달리 각각의 장소에 분산된 수용가에

게 부하전력을 직접 배분 공급하는 관계상 전선로는 짧고 저전압 소전력이면서 회선수가ㆍ

많고 각 선로 전류도 불평형을 이루는 경우가 많다는 등 여러가지 특징이 있다.

한편 배전 설비는 수용가와 직결되어 있는 관계상 무정전 양질의 전기 공급이라는 서비스,

면에서의 요구가 높기 때문에 특히 그 시설과 운용면에 대하여서는 충분히 고려할 필요가,

있다 또 배전용 공작물은 시가지의 도로상에 건설될 경우가 많기 때문에 전기 공작물 규. ,

정 등에 의한 제한 외에 교통 및 건축물과의 관계 도시의 미관 화재 풍수해 등 비상시의, , ,

보안면에 대해서도 충분히 고려하지 않으면 안 된다.

일반적으로 배전 선로는 고압선과 저압선으로 나눌 수 있는데 여기서 저압 고압은 다음과,

같이 규정되고 있다 현행 전기설비기준기준령 제 조. ( 3 )

저압 직류에서는 이하 교류에서는 이하의 전압: 750[V] , 600[V] .

고압 직류에서는 교류에서는 를 넘고 이하의 전압: 750[V], 600[V] 700[V] .

특별고압 를 넘는 전압: 700[V] .

우리나라에서 이제까지 사용되어온 고압선은 보통 공칭전압 의 비접지 상 선식이며300[V] 3 3

말단에서의 저압선은 일반 가정의 전등용으로 의 단상 선식 전동기용으로100[V] 2 , 200[V]

의 상 선식 이었다3 3 .

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그러나 지난 년대 초부터는 부하 증대에 따른 전압 개선 및 전력손실 경감을 위해서 고, 70

압선은 상 선식으로 저압선은 상 선식으로 승압해 나가고 있22.9[ ] 3 3 , 220/380[V] 3 3

다.

전력유도의 관점에서 볼 때 고압송전선의 경우 통신케이블이 송전선 부근에 노출되는 경우,

가 드물고 상 각상이 잘 평형 되어 있어서 유도문제를 잘 일으키지 않지만 배전선의 경우3 ,

는 이와 달라서 전력유도의 측면에서는 주관심 대상이 된다 즉 통신케이블은 배전선의 영. ,

향권에 노출되는 경우가 빈번하며 배전계통이 불평형 되기가 쉬워 전력유도 문제를 일으키,

기 쉽다는 것이다.

수용가 부하4.

최종 가입자가 인입 되는 전압은 동력용 가정용 가 일반적이다 수용가380/200V, 220/110V .

부하는 일개의 가정에서부터 대단위 공단에 이르기까지 그 용량이 다양하며 부하의 종류도

저항성 유도성 등으로 일정치 않으므로 전력계통의 불평형 및 고조파 발생의 주원인이 되,

고 있다.

전력 계통의 기타 요소들5.

가 보호계전기 및 차단기.

차단기는 반드시 사고 전류만이 아니라 과부하일 때도 전력시스템을 보호하기 위해 설치된

다 차단기는 보호계전기에 의해 동작한다. .

나 스위치.

발전소와 송전선간 또는 송전선과 다른 계통의 한쪽 또는 양쪽의 회로를 접속시키거나 차단

하기 위하여 사용된다 때로는 유지보수 및 사고방지를 위해 스위치를 이용하여 특정지역의.

계통을 분리시키거나 고립시키기도 한다 특히 루프 형 전력 계통에서 유용하다. (Loop) .

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다 조상설비. (Capacitor bank)

계통의 역률개선을 위하여 변전소에 설치되는 콘덴서이다 전력계통에서 콘덴서는 마치 그.

것이 고조파의 주원인인 것처럼 오인되고 있으나 사실은 그렇지 않다 콘덴서가 대지에 대.

한 고조파전압을 생성하기는 하지만 그것은 전력계통의 어디에서나 있는 것이지 반드시 콘

덴서 때문만은 아니다 전력계통에서 콘덴서는 전압을 상승시키거나 배전선의 역률을 개선.

하는데 사용된다.

제 절 중성점 접지 방식2

송전계통은 상 선식을 채택하고 있으므로 상변압기를 사용해서 전압을 높여 주기도 하고3 3 3

또는 이를 적당한 값으로 낮추어서 수용가에게 안전하게 전력을 공급하고 있다 이처럼 송.

전계통은 송전방식으로서 상 선식을 채택하고 있는 이상 변압기의 결선의 상접속점인3 3 Y 3

중성점을 어떻게 처리하느냐 하는 중성점의 접지문제는 송전선 및 기기의 절연설계 송전선,

으로부터 통신선에의 유도장해 고장구간의 검출을 위한 보호 계전기의 동작 차단용량 피, , ,

뢰기의 동작 및 계통의 안정도 등에 커다란 영향을 미친다.

변압기의 결선으로는 우선 권선변압기일 경우만 해도 등 여러2 - , -Y, Y- , Y-Y⊿ ⊿ ⊿ ⊿가지의 결선법이 있고 다시 권선변압기를 사용할 경우에는 더 많은 조합의 결선법이 존재3

하게 된다 저전압 단거리 송전선로에서는 중성점을 접지하지 않더라도 별지장이 없으나 고.

전압 장거리 송전선로에서는 비접지일 경우 여러 가지 장애가 생기므로 중성점은 가능한 한

접지 하도록 하고 있다 여기서 발생하는 장해란 가령 선 지락 고장시의 이상 전압으로 기. 1

기 및 선로의 절연이 파괴된다거나 또는 지락 고장의 검출이 불가능해서 고장 상태가 오래

지속된다는 것 등이다.

따라서 중성점을 접지 하는 목적은 다음과 같다.

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지락고장시 대지전위 상승을 억제하여 전선로 및 기기의 절연 레벨을 경감시킨다- .

뇌 아크 지락 기타에 의한 이상 전압의 경감 및 발생을 방지한다- , , .

지락 고장시 접지계전기의 동작을 확실하게 한다- .

소호리액터 접지방식에서는 선지락시의 아크지락을 재빨리 소멸시켜 그대로 송전을 계- 1

속 할 수 있게 한다.

송전선의 고장은 거의 대부분이 선지락으로부터 시작된다 이때 이것을 빨리 제거해 주지l .

않으면 고장은 다시 선지락이라든가 상단락으로 진전되어 나가는 경우가 많다 같은 전압2 3 .

의 송전선일지라도 선 지락의 고장시에 건전상에 생기는 전압상승의 값은 중성점의 접지1

임피던스값의 크기에 따라 달라진다 이때 건전상의 전압상승이 평상시의 전압의 배를. , Y 1.3

넘지 않도록 접지 임피던스를 조절해서 접지 하는 것을 특히 유효접지(Effective grounding)

라고 부르고 있다.

중성점 접지방식은 그림 에 보는 바와 같이 중성점을 접지 하는 접지임피던스 의 종( 3-7) Zn

류와 그 크기에 따라 다음과 같은 여러 가지 방식으로 나누어진다.

비접지 방식-

직접 접지방식-

저항 접지방식 저저항 및 고저항 접지방식이 있다- ( )

리액터 접지방식 리액터 및 소호리액터 접지방식이 있다- ( )

어떤 접지방식을 채택하는가는 송전계통의 안정도 통신선의 유도장해 보호기의 동작 등, ,

여러 가지 요소를 고려하여 행해지지만 대략적으로 다음과 같다, .

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저임피던스 접지는 접지를 통하여 대전류가 흐를 수 있으므로-

이상전압 발생의 방지ㆍ

선로 및 기기의 절연 레벨의 저감ㆍ

보호 단전기 동작의 확실성 등의 목적에 유리하고ㆍ

고임피던스 접지일 경우 고장시 접지전류는 저임피던스 접지의 경우보다 크지 않기 때문-

에 다음 사항에서 장점을 갖는다.

과도 안정도의 향상ㆍ

고장점의 손상방지ㆍ

기기의 전기적 충격 방지ㆍ

차단기의 차단용량 증가ㆍ

그림 중성점 접지( 3-7)

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접지 방식에 따른 특징은 표 과 같다< 3-1> .

표 중성점 접지 방식의 비교< 3-1>

항목 비접지 직접접지 고저항 접지 소호리액터 접지

지락사고시의1.전압상승

크다.장거리송전선의경우 이상전압을발생

작다.평상시와 거의차이가 없다.

약간 크다.비접지의 경우보다 약간 작은편이다.

크다.적어도 루트 배3까지 올라간다.

절연레벨2. ,애자계수,변압기

감소불능 최고,전절연

감소시킬 수있다.단절연 가능

감소불능전절연 비접지,보다 낮은편이다.

감소불능전절연 비접지,보다 낮다.

지락전류3. 작다.송전 거리가 길어지면 상당히 큼

최대 중간정도중성점 접지저항으로 달라진다.(100~300[A])

최소

보호계전기4.동작

곤란 가장 확실 확실 불가능

선 지락시5. 1통신선에의 유도장애

작다. 최대.단 고속차단으,로 고장계속시간의 최소화 가능초(0.1 )

중간정도 최소

과도 안정도6. 크다 최소.단 고속도 차단, ,고속도개폐로방식으로 향상가능

크다 크다

일반적으로 송전선로에 발생하는 이상전압의 억제 전선로라든가 기기의 절연경감 피뢰기, ,

및 차단기 동작의 신뢰성 및 확실성 등의 관점에서는 될 수 있는 대로 저임피던스로 중성점

을 접지해서 고장시 중성점을 통해서 흐르는 중성점 전류의 값을 크게 하는 것이 바람직하

다 그러나 과도안정도의 증대나 전자유도 장해의 경감 고장점의 손상 저하 및 차단 용량의. ,

감소화라는 관점에서는 될 수 있는 대로 고임피던스로 중성점을 접지해서 고장시 중성점을

통해서 흐르는 중성점 전류의 값을 작게 할 필요가 있다.

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이와 같이 저임피던스와 고임피던스의 접지방식에서는 서로 상반되는 내용을 포함하고 있기

때문에 각 계통의 중성점 접지방식의 선정에 있어서는 이들의 사항을 충분히 검토해서 각

계통의 실정에 가장 알맞은 방식을 채택하지 않으면 안 된다 또 이 중성점 접지방식은 통. ,

신선에 대한 유도장해와 밀접한 관계가 있으므로 본 장에서는 이 두 가지를 함께 설명하기

로 한다.

비접지 방식1.

이 방식은 그럼 에 보인 것처럼 중성점을 접지하지 않는 방식이다 이것은 주로 선로( 3-8) .

의 길이가 짧거나 전압이 낮은 계통 정도 이하 에 한정되며 대지 정전용량이 작기 때(33[ ] )

문에 대리충전 전류는 크지 않다 비접지 방식을 채택할 때 선지락 고장시 송전 가능하고. 1

변압기고장이나 수리작업시 송전 가능한 반면 선로의 길이가 긴 계통에 부적합 선 지락고, (1

장시 이상 전압 발생 하다 또한 상 결선의 전력유도 정도는 각 상 전류의 크기 및 전력) . 3

선과 통신선과의 위치 관계의 함수이며 대체로 각 상전류는 평형을 이루고 있어 전력유도,

의 문제를 거의 일으키지 않는다.

그림 비접지 방식( 3-8)

저항 접지 방식2.

이것은 중성점을 그림 와 같이 저항으로 접지 하는 방식인데 이때의 저항 값에 따라( 3-9)

다음의 두 가지로 나누어진다.

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저저항 접지방식 정도- : R = 30[ ]Ω

고저항 접지방식 정도- : R =100 1000[ ]～ Ω

접지저항 의 값이 너무 낮으면 고장발생시 통신선에의 유도장해가 커지고 반대로 너무 높R

으면 지락 계전기의 동작이 곤란해짐과 동시에 건전상의 대지 전압상승을 초래하게 된다.

접지 개소의 수는 한 군데에서만 하는 단일저항 접지보다도 개소 이상의 중성점을 동시에2

접지 하는 복저항 접지가 지락 전류를 개소 이상으로 분산시켜서 유도전압을 감소시키고2

또 접지계전기의 병행 회선 선택을 쉽게 할 수 있다는 잇점이 있어 채용되는 경우가 많다2

고 하나 직접 접지방식에 의한 경제성 추구라는 측면에서 현재 이 저항방식은 대부분이 직,

접 접지방식으로 전환되는 추세에 있다.

그림 저항접지 계통의 지락고장( 3-9)

리액터 접지방식3.

중성점에 저항기 대신에 리액터를 사용하는 방식으로서 한류 리액터 접지방식 또는 보상 리

액터 접지방식이라고 한다 등의 장거리 가공 송전선을 접속할 경우 또는 최근처럼. 154[ ] ,

등의 지중 케이블이 증가해서 이것을 가공선 계통과 연결하게 되면 대지154[ ], 66[ ]

충전 전류 때문에 직접 접지계통이나 저저항 접지계통으로 하기에는 통신선의 유도장해면에

서 제약을 받게 된다.

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그러므로 이러한 경우에는 케이블 계통에 속하는 변압기의 중성점 저항과 병렬로 선로의 충

전전류에 상당하는 분만큼 보상하는 리액터를 설치하는 방식을 이용한다.

저저항 접지방식과 마찬가지로 지락전류를 제한하고 과도 안정도를 향상시킨다는 목적으로

저리액터로 접지하는 경우도 있다 이 한류 리액터의 리액턴스값은 소호리액터보다 그 값이.

훨씬 작은 것이다 이 방식은 미국에서 일부 사용되고 있다. ( )

소호리액터 접지방식4.

이 방식은 계통에 접속된 변압기의 중성점을 송전선로의 대지용량과 공진하는 리액터를 통

해서 접지 하는 방식이다 보통 이 리액터는 발명자인 독일의 페터센 씨의 이름을. (Petersen)

붙여 페터센 코일 또는 소호리액터라고 부르고 있다 이 방식의 원리는 교(Petersen coil) .

류 이론의 병렬 공진을 응용한 것으로서 선과 대지간의 정전용량의 배 곧 와 리L, C 1 3 , 3C

액터 에 의한 공진 조건 이 만족되면 고장점에서 본 합성 리액턴스가 이상적으L 1/3 C= Lω ω

로는 무한대로 되어 선지락 고장이 발생하더라도 지락전류 고장 전류 는 실제로는 최소1 ( ) 0,

로 된다는 것을 이용하고 있다 따라서 고장점의 아크는 지락전류의 영점 통과로 자연히 소.

멸되어 선 지락 고장발생에도 불구하고 정전 없이 송전을 계속할 수 있다는 특징이 있다1 .

중성선 다중접지 결선5. Y

그림 과 같이 변전소측 변압기의 중성점이 접지 되고 이 점과 수용가측 변압기 사이( 3-10)

는 중성선으로 연결되며 중성선을 일정한 간격 약 간격 마다 접지 시키는 방식이다, ( 200m ) .

다중 접지 된 중성선은 전력선 흔촉 등의 대단위 사고 전류가 흐를 때 저임피던스 경로를,

형성하여 짧은 시간내에 이를 방전시키는 기능을 한다.

- 47 -

이 방식은 전력 및 통신 계통의 보호 및 안전의 측면에서는 최적의 방식으로 여겨지고 있

다 그러나 다중 접지를 통해 대지로 흐르는 전류로 인해 유도전압 문제를 일으킬 수 있으.

므로 전력유도의 측면에서는 상대적으로 불리한 방식이다.

그림 다중 접지 결선법( 3-10) Y

직접 접지방식6.

직접 접지방식은 계통에 접속된 변압기의 중성점을 금속선으로 직접 접지 하는 방식이다.

그림 은 이 방식의 선지락시 고장전류 분포의 개념을 보인 것이다( 3-l1) 1 .

이 방식의 잇점은 다음과 같다.

가 선지락시에 상전압의 대지전압은 거의 상승하지 않고 또 비접지방식에서와 같이 아아. 1 ,

크에 의한 이상전압이나 차단기의 개폐 서지 등도 낮으므로 선로의 애자 갯수를 감(Surge)

소시키고 또한 기기의 절연레벨도 경감시킬 수 있다 이 효과는 전압이 높아질수록 현저해.

진다.

- 48 -

나 차단기의 개폐 서어지를 저하시킬 수 있으므로 피뢰기의 부담이 경감될 뿐 아니라 피. ,

뢰기의 효과를 증진시킬 수 있다 즉 정격전압이 낮은 피뢰기를 사용할 수 있다. .

다 변압기의 중성점은 항상 영전위 부근에 유지되기 때문에 선로측으로부터 중성점에 이르.

는 전위분포를 직선적으로 설계하여 변압기의 권선의 절연을 선로측으로부터 중성점으로 가

까이 접근함에 따라 점차적으로 낮출 수 있는 단절연이 가능하고 따라서 설비의 중량과 가,

격을 저하시킬 수 있다.

라 선지락 사고시에는 상이 단락상태로 되어 지락전류가 커지기 때문에 접지 차단기의. 1 1

동작이 용이하게 되어 고장의 선택차단을 확실하게 할 수 있다.

그림 직접 접지방식( 3-11)

반면 이 방식의 결점으로서는 다음과 같은 것이 있다.

가 지락전류가 저역률의 대전류이기 때문에 과도 안정도가 나빠진다. .

나 지락고장시에 병행 통신선에 전자유도 장해를 크게 미치게 된다. .

- 49 -

단 직접 접지 계통에서는 고속 차단을 실현할 수 있으므로 큰 영향은 주지 않는다 그밖에, .

평상시에 있어서도 불평형 전류 및 변압기의 제 고조파로 유도장해를 줄 위험성이 있다3 .

다 지락전류는 단락전류가 마찬가지로 크기 때문에 기기에 큰 충격을 주어 손상을 준다. .

라 지락고장 장소의 손상은 매우 크므로 애자 파손 전선의 용단 등이 생긴다. , .

마 대용량의 차단기가 필요하다 계통사고의 가 선 지락사고임. .( 70-80[%] 1 )

본 방식의 특징은 이상과 같으며 유도장해의 입장에서 볼 때에는 사고시 대지귀로 전류가

매우 커서 짧은 시간이나마 통신선로가 받는 유도장해가 크다 이러한 통신선에 대한 유도.

장해에 대해서는 통신선에 차폐선을 설치하고 과도안정도 문제에 대해서는 우수한 보호 계

전기와 고속도의 차단기를 설치함으로써 고장을 고속차단 할 수 있는 것도 해결의 한 방법

이다.

우리나라에서도 지난 년 가을부터 송전선로를 당시의 소호리액터 접지로부터1968 154[ ]

이 직접 접지방식으로 전환하였으며 그 후 건설된 초고압 송전계통은 중성점 접지345[ ]

방식으로서 모두 이 직접 접지방식을 채용하고 있다.

제 절 유도전압 계산 및 처리방법3

유도장해업무 지침에서 정한 유도검토 대상 시설 검토시기 및 유도전압의 구체적인 산출방

법은 다음과 같다.

유도 검토대상 시설의 범위1.

- 50 -

전력선과 전기통신 시설의 조사는 전력유도를 일으키는 시설의 설치자 또는 전력유도를 받

는 시설의 설치자가 조사하여 쌍방 검토 확인한다 다만 실무경험을 토대로 할 때 실제. ,ㆍ

적용시는 다음 범위내의 시설에 대하여 우선 검토 계산함을 원칙으로 하고 아래 사항에 해,

당하지 아니하는 전기통신시설이라도 위의 계산 결과로 보아 유도전압 예측 계산치 또는 실

측치가 제한치를 초과할 우려가 있는 경우는 검토를 하여야 한다.

가 가공송전선 저항접지 및 이상 직접 접지계의 특별 고압 송전선 과 이내. (66 154 ) 5km

의 이격거리로 이상 병행하는 통신선1km .

나 지중송전선 저항접지 및 이상 직접 접지계의 특별고압 지중 송전선 과. (66 154 ) 50m

이내의 이격거리로 이상 병행하는 통신선5km .

다 가공배전선 과 이내의 이격거리로 이상 병행하는 통신선. (22.9 ) 100m 1km

라 지중배전선 직접접지 방식의 고압 또는 특고압 배전선 과 이내의 이격거리로 이. ( ) 50m 5km

상 병행하는 통신선.

유도장해 검토 요청시기2.

가 송전선 한국전력 유도담당부서 검토. ( )

가공선로 경과지 측량전 검토 요청1) :

지중선로 관로공사 경과지 측량 설계전 검토 요청2) :

가공 지중 혼합선로 가공선로 유도검토 요청시 지중선로 포함 동시요청3) , :

나 배전선 한국전력 배전사업소 자체 검토. ( )

가공선로 경과지 선정 후 설계전 검토1) :

- 51 -

지중선로 관로 공사 경과지 측량 설계전 검토2) :

가공 지중 혼합선로 가공선 검토시 지중선 포함 검토3) , :

제 절 송전선 사고와 통신선의 관계4

송전선로와 통신선이 인접해 있는 경우 송전선로의 사고로 인한 대지전위상승 등에 의해 통

신선에 미치는 유도현상에 대해 검토하고 대책에 대해 조사한다.

송전선 사고시 통신선에 대한 영향1.

송전선로 사고시 약전류 회로에 미치는 영향은 크게 가지로 나눌 수 있다 그 하나는 대지2 .

전위 상승에 의한 약전류 회로의 절연파괴이고 또 하나는 유도전압에 의한 약전류 회로의

절연파괴이다.

대지전위 상승에 의한 영향2.

송전선의 지락 사고시 대지전위 상승에 의한 인축 사고와 기기의 절연파괴 등의 위험이 있

다 여기서는 송전선의 지락 사고시 대지전위 상승에 의한 통신선의 영향과 규제치를 검토.

하기로 한다.

가 송전선의 지락사고와 대지전위 상승 관계식.

송전선이 철탑을 통하여 지락 되면 대지면 전위상승곡선은 그림 와 같다( 3-12) .

송전선 사고시 대지전위 상승은 지락이 일어난 지점이 최대로 되고 지락점에서 멀어질수록

대지전위는 줄어들게 된다 어떤 원인으로 전기설비의 접지계통에 임의의 사고전류가 흘려.

졌을 때 전위상승이 생긴다.

- 52 -

이 전위상승은 오옴의 법칙에 의하여 사고 전류와 접지계통의 전기저항의 곱으로 표현된다.

여기서 전위상승을 최소한으로 억제하기 위하여 낮은 접지저항을 필요로 한다.

그림 송전선의 지락사고에 따른 전위 상승곡선( 3-12)

전력선의 지락 사고시 지락점의 대지전위 상승으로 통신케이블 통신기 등의 절연이 파괴되,

는 장해가 있으며 이의 관계식은 체신부고시 제 호 제 조 대지전위상승에 의한 이상시 유72 6 (

도 위험 전압 산출 방법 에 식 과 같이 정의되어있다) (3.1) .

전력선의 접지체 송 배전선로의 접지시설 발전소 또는 변전소의 기기장치를 말한다D : ( , )ㆍ

와 전기통신시설의 접지체 전주의 접지점 케이블의 접속점 선로의 배단자함 전신전화국의( , , ,

신시설을 말한다 와의 거리) (m)

대지 고유저항: ( .m)ρ Ω

지락고장점의 대지 유입전류 로서 송전시설의 경우 고장전류의 분의 로 가공I : (A) 10 1(0.1) ,

배시설의 경우는 분의 로 하고 지중송 배전선 시설인 경우는 접지개소의 분류효과를2 1(0.5)

감안한 값으로 한다.

- 53 -

이의 관계식은 다음과 같이 표현하기도 한다.

V E 지락 사고시 통신케이블의 대지전위 상승 전압: (V)

K E 지락전류 분산계수로 배전선의 지락 사고시는 를 송전선의 지락 사고시는 를: 0.5 , 0.1

적용한다.

대지 고유저항 으로 대지도전율의 역수이며 보통 을 적용한다: ( .m) 100 .ρ Ω

I g 지락 사고점의 대지 유입전류: (A)

전력선의 접지체 송 배전선로의 접지시설 발전소 또는 변전소의 기기 장치를 말한다D : ( , )ㆍ

와 전기통신시설의 접지체 전주의 접지점 케이블의 접속점 통신케이블의 금속외피 접지체( , , ,

전신전화국의 통신시설 및 기타 약전류 회로의 접지체 및 시설을 말한다 와의 거리) (m)

나 송전선의 대지전위 상승과 규제치 및 통신선의 영향.

식 에서 고장전류가 커지면 대지전위가 상승하게 됨을 알 수 있다 즉 대지전위 상승을(3.1) .

억제하기 위해서는 고장전류를 억제하는 것이 중요하다 해외에서는 전기규격을 제정하여.

고장전류를 규제하고 있으며 일반적으로 전압상승에 따라 고장전류도 커지게 된다 일본의.

경우 에서는 이하에서는 이하에서는 로 제한하고300 500 50 , 240 40 , 84 31.5～

있다 우리나라의 현재 송전전압은 등이 있고 앞으로 차기 초고. 66 , 154 , 345 800

압도 검토하고 있다 이들 송전전압에 따른 고장전류 제한치를 표 에 나타내었다. < 3-2> .

- 54 -

즉 식 의 는 표 의 값을 넘지 않게 된다 그리고 대지전위 상승에 의한 규제치(3.1) I < 3-2> .

를 체신부 고시 제 호 및 호 제 조 대지전위 상승에 의한 이상시 유도위험전압 산출방70 72 6 (

법 에 의하여 로 제한하고 있다 여기에서 송전전압별로 송전선과 약전류 회로의 최소) 650V .

이격거리를 식 과 표 에 의하여 산출하면 표 과 같다 이는 여기에서 산출(3.1) < 3-2> < 3-3> .

된 대지전위 상승치가 에 이르는 거리를 명시한 것이다650V .

표 송전전압별 고장전류 제한치< 3-2>

송전전압( ) 고장전류제한치 ( )

66154345800

20504063

주 향후 대전력수송을 위한 장기계통구성대책에 관한 연구( )

표 대지전위 상승에 따른 송전전압별 약전류 회로 최소 이격거리< 3-3>

전압( ) 이격거리 (m)

66154345800

4912298154

표 에 의하면 약전류 회로가 송전선로의 사고시 위험전압 에 이르지 않기 위해< 3-2> 650V

서는 앞으로 건설될 선로와는 이상 기존의 선로와는 각각800 154m , 345 , 154 , 66

이상의 이격 거리를 유지해야 함을 알 수 있다 계산시 예측했던 것처럼98m, 122m, 49m .

고장전류의 허용치가 클수록 최소 이격 거리도 커짐을 알 수 있다.

- 55 -

전자유도에 의한 통신선의 영향3.

송전선로의 지락 사고시에는 상당한 전류가 송전선에 흐르게 되고 이 전류에 의하여 인근

약전류 회로에 유도전압이 발생하게 되어 위험전압 이상이 되면 절연파괴에 이르게 된다.

여기에서는 송전선의 지락 사고시 전자유도에 의한 약전류 회로의 영향 및 규제치를 검토하

기로 한다.

가 송전선의 지락사고와 전자유도 관계식.

송전선의 지락사고가 발생하면 대지전위 상승과 함께 전자유도에 의한 유도전압이 사고점

인근의 약전류 회로에 유기 된다 이는 약전류 회로의 유도장해를 발생시키는 원인이 된다. .

일반적으로 유도장해라 함은 강전류 전력선에 의하여 약전류 회로에 이상전압 또는 전류를

흐르게 하여 약전류 회로의 정상 소통에 장해를 일으키는 현상을 말한다 유도장해를 일으.

키는 원인으로서는 직접접지 다중접지 저항접지 소호리액터 접지방식 등 포함 방식의 전( , , )

력선 교류방식의 전기철도 등이 있다, .

그림 약전류 회로의 전자유도( 3-13)

- 56 -

특히 요즈음의 약전류 회로는 전기적 충격에 민감한 전자회로가 많이 채용되고 있으며 정,

보통신 등의 급속한 팽창과 함께 다중 회선망이 구성되고 있어 유도장해는 극복해야 할 커

다란 요소중의 하나가 되고 있다 송전선의 지락사고에 의한 유도전압은 다음의 원리에 의.

해서 구해진다 그림 과 같이 전력선과 약전류회로 사이의 상호 인덕턴스.( 3-13) (Mutual

에 의해 발생하는 유도로서 전자유도 전류를 나타나게 한다 여기에는 파라데이inductance) .

법칙 과 렌쯔의 법칙 이 적용된다(Faraday's law) (Lenz's law) .

유기기전력 는 식 로 표현할 수 있다e (3.2) .

또 식 를 벡터로 표시하면 식 과 같다(3.2) (3.3) .

e =- jwMI(V ) ( 3.3 )

식 이 전자유도 전압을 나타내는 기본식이다 이 기본식에 차폐효과를 나타내는 차폐계(3.3) .

수를 반영하면 유도전압의 산출이 가능하게 된다 차폐효과란 전력선과 약전류 회로 사이에.

접지 된 타 도체가 있게 되면 전자유도에 의해 약전류 회로에 발생하는 유도전압이 감쇄하

게 되는 효과를 말한다 차폐계수 관계식은 식 와 같다. (3.4) .

K = V'/ V ( 3.4 )

차폐계수K :

차폐체가 있을 때 통신선 유도전압V' : (V)

차폐체가 없을 때 통신선 유도 전압V : (V)

- 57 -

이러한 원리에 의하여 산출된 송전선사고시 유도위험전압 예측계산식은 체신부고시 제 호72

제 조에 다음 식 와 같이 공시되어 있다3 (3.5) .

본 장에서는 평상시 유도전압에 관한 내용은 다루지 않았으며 각종 차폐계수에 대하여 상세

한 내역을 기술한다 여기에서 전력선 이라 함은 기유도원이 되는 접지방식의 송 배전선. “ ” ㆍ

가공 및 지중선을 포함한다 을 말하며 또 대지귀로 전류 라 함은 전력선의 지락지점으로( .) , “ ”

부터 대지를 통하여 발전소 또는 변전소로 흐르는 전류를 말한다 또한 기유도 전류 라 함. " "

은 유도원이 되는 전류를 말한다.

가공송전선에 의한 이상시 유도위험전압 예측계산식1)

V F 지락고장시 유도위험전압: (V)

이격도 구절에 대한 유도위험전압: 1 (V)

에 대한 각속도: 60 (2 f)ω π

기유도 전류의 주파수: ( )

에 대한 구절의 전력선과 약전류 회로의 상호 인덕턴스M : 60 1

로서 아래 계산식 에 의하여 산출한다(Carson Pollaczek) .

가 일 때) kd<0.5

M = (21n2/k/d-0.1544-j /2)*10π -4(Henry/ )

K : (4 *10πωσ -7)1/2

- 58 -

대지도전전율: ( /m)σ Ω

이격도 구절의 평균 이격거리d : 1 (m)

대지고유저항: ( -m) = 1/ρ Ω σ

이 때 대지고유저항은 표 과 같다< 3-4> .

표 지역별 대지고유저항< 3-4>

지역별 대지고유저항( -m)Ω

시 또는 읍사무소의 소재지역그 외 지역

100300

나 일 때) kd>0.5

M=[4kei'(kd)/kd-j4ꍔker'(kd)/kd+1/(kd)²ꍕ]*10￣⁴(H/)

여기에서 kei(kd),ker'(kd)는 변형 함수이다 다만 이격거리가 이내일 경우에Bessel . 300m

는 다음의 계산식을 이용한다 한국전력공사 유도장해 실무해설집.( , , 1989)

또는: 60 , 800

도전율: ( /m)σ Ω

전력선과 통신선의 이격거리d : (m)

전력선과 약전류 전선의 병행거리I : (km)

Ig 전력선 지락고장시 고장전류: (A)

로 다음 계산식에 의하여 산정한다 이 고장전류도 표 의 값을 넘지 못한다. < 3-2> .

- 59 -

Ig = 300*105/ 31/2/ E / (%Z1+%Z2+%Z+3RF)

%Z1 고장점으로부터 발 변전소까지의 정상임피던스를 기준 임피던스로 나타: 100MVA %ㆍ

낸 것

%Z2 고장점으로부터 발 변전소까지의 역상임피던스를 기준 임피던스로 나타: 100MVA %ㆍ

낸 것

%Z0 고장점으로부터 발 변전소까지의 정상임피던스를 기준 임피던스로 나: 100MVA %ㆍ

타낸 것.

RF 고장점의 지락저항으로 그 적용사항은 표 체신부고시 제 호 와 같고 이를: < 3-5>( 72 ) %

로 환산하여 적용한다.

송전선로의 공청선간전압E : ( )

표 고장점에 따른 지락점 저항값< 3-5> ( )Ω

구분발 변전소로부터 고장점까지의 거리. ( )

미만10 이상10

가공 송 배전선ㆍ 0 5

지중 송 배전선ㆍ 0 1

다 차폐계수)

가공송전선의 차폐 분류계수에 대한 고시사항은 다음과 같다, .

가공선의 차폐계수(K① l1 는 철탑종별 가공지선의 종별 및 대지 도전율에 따라 다음 계산) ,

식에 의하여 산정한 값으로 한다.

- 60 -

Zm 송전선과 가공선간의 대지귀로 상호 임피던스: ( / )Ω

Zs 가공지선의 대지귀로 자기 임피던스: ( / )Ω

여기에서 Zm과 Zs는 각각 다음과 같이 계산한다.

Zm=j [2/ 4.6logω 10(4 *10π -7/p)1/2D -j /2]*10π -4

전력선과 중성선간의 기하학적 평균거리D : (m)

Zs = R1*R2/(R1+R2) +j [4.6log 2/(4 /p*l0ω πω -7*( d)α 1/2) +1/4-j /2)]*10π 4

가공지선의 반경: (m)α

가공지선과 타 가공지선간의 거리b : (m)

R1 가공지선 도체의 직류저항: ( / )Ω

R2 타 가공지선의 직류저항: ( / )Ω

가공지선의 분류계수(K② 12 는 송전선 고장지점이 발 변전소로부터 거리가 이상인 경) 10ㆍ

우는 을 적용하고 미만인 경우는 다음 계산식에 의하여 산정한 값으로 한다1.0 10 .

Ig 지락고장점에서 가까운 발 변전소로부터 고장전류: (A)₁ ㆍ

- 61 -

Ig 지락고장점에서 먼 발 변전소로부터의 고장전류: (A)₂ ㆍ

가공지선의 대지귀로 전파정수: (γ Zs*G) ( P/ +jRAD/ )≠

Zs 가공지선의 대지귀로 자기 임피던스: ( / )Ω

가공지선의 대지 콘덕턴스G : ( / )Ω

지락고장 지점에서 가까운 발 변전소까지의 거리: ( )ㆍ

가까운 발 변전소로부터 전기통신시설의 먼 곳까지의 거리: ( )₁ ㆍ

쌍곡선 함수: Cosh, Sinh:₂

통신선의 차폐계수에서 시 차폐계수K : 60 , K③ ₃ 3n 시 차폐계수이며 표 과: 800 < 3-6>

같다.

표 약전류회로의 차폐계수< 3-6>

구분 선종별차폐계수

K3 K3n

가공선로차폐충이 없는 것 나선 옥외 전화선 외피케이블을 말한다1. ( , , PE )차폐층이 있는 것 연피 웨만텔 스탈페스 케이블 등을 말한다2. ( , , )

1.0 1.0

강대외장케이블

및 동축케이블 이외의 케이블3. 4.4 9.5 0.6 0.1

및 동축케이블의 코아4. 4.4 9.5 0.2 0.03

및 동축케이블의 평형케이블심선5. 4.4 9.5 0.6 0.1

관로내케이블

경질 비닐관 또는 토관내에 위 에 해당되는 케이블을 수용한6. 2경우

0.95 0.15

맨홀에서 관 상호간을 전기적으로 접속한 강철관내에 위 및7. 1 2에 해당하는 케이블을 수용하는 경우로서 긍장 이상2km

0.6 0.1

맨홀에서 관 상호간을 전기적으로 접속한 주철관내에 위 에8. 2해당하는 케이블을 수용한 경우로서 긍장 이상2km

0.2 0.03

맨홀에서 관 상호간을 전기적으로 접속한 주철관내에 위 에9. 1해당하는 케이블을 수용한 경우로서 긍장 상2km lㅇ

0.6 0.1

- 62 -

전기통신선 케이블 조수에 의한 유도경감계수 K7은 표 과 같다< 3-7> .

표 통신케이블 조수에 의한 유도 저감계수< 3-7>

구분통신케이블 조수

1 2 3 4 5 6 7 8 9

지하관로 케이블 1 .95 .9 .85 .8 .75 .7 .65 .6

강대 케이블 .85 .75

지중 송전선에 의한 이상시 유도위험전압 예측2.

지중 송전선은 근접되어 있으므로 상시 유도전압 및 상시 유도잡음전압을 계산해야 하며,

체신부고시 제 조 항에 다음과 같이 고시되어 있다3 3 .

가 지락 고장시 유도위험전압 기준 송전선. [ : 650V( )]

지중 송 배전선의 일선 지락고장시 유도위험전압: (V)ㆍ

K31 지중 송 배전선의 차폐계수: ㆍ

K32 지중 송 배전선의 외피의 분류계수: ㆍ

나 상시유도 종전압.

Vℓ 지중 송 배전선의 합성유도 종전압: (V)ㆍ

Vεℓ 정상운전시 부하전류에 의한 유도 종전압: (V)

Vsℓ 정상운전시 대지귀로 외피 전류에 의한 유도 종전압: (V)

Vσℓ 정상운전시 영상전류에 의한 유도 종전압: (V)

- 63 -

정상 운전시 부하전류에 의한 유도 종전압1) (V)

Veℓ = j (Mω∑ a+ ²Mα b+ Mα c) Ie Kℓ 31K3K7 (V)

Ma, Mb, Mc 에서 지중 전력선의 각 심선과 전기 통신선간의 호 인덕턴스: 60 (H/ )

α = -12+ j

32α ² = -

12- j

32

Ie 지중 전력선의 상전류 지중 전력선의 정상 운전시 그 계획 전류값: ( )(A)

정상 운전시 대지귀로 외피전류에 의한 유도 종전압2)

Vsℓ =(j M Iω ℓ sK3K7) (V)

Is 대지귀로 외피전류: (A)

정상운전시 영상전류에 의한 유도 종전압3)

Voℓ = (j M Iω∑ ℓ oKsoK3K7) (V)

Io 정상운전시 영상전류 회선 당 계통 허용전류의 로 한다: (1 6% .)

Kso 정상 운전시 영상전류에 대한 지중 전력선의 차폐계수다 상시 유도잡음전압: .

( 3.8 )

Vn 합성유도 잡음전압: (mV)

Ven 정상 운전시 부하전류에 의한 유도잡음전압: (mV)

Vsn 정상 운전시 대지귀로 외피전류에 의한 잡음전압: (mV)

- 64 -

Von 정상운전시 영상전류에 의한 유도잡음전압: (mV)

정상 운전시 영상전류에 의한 잡음전압1)

Ven= jω∑ n(Man+ ²Mα bn+ Mα em) Iℓ enKnK3n) *(mV)

ωn 에 대한 각 속도: 800

Man, Mbn, Mcn 에서의 지중 전력선 차폐계수: 800Hz

Ien 에서의 전기통신선 차폐계수: 800Hz

K3n 에서의 전기통신선 차폐계수: 800

정상 운전시 대지귀로 외피전류에 의한 유도잡음전압2)

Ven= jω∑ nMn+ Iℓ enK3n) *10³(mV)

Mn 에 대한 지중 전력선과 전기 통신선간의 상호 인덕턴스: 800Hz (H/ )

Ien 대지귀로 외피전류의 등가 방해전류: (A)

정상 운전시 영상전류에 의한 유도잡음전압3)

Ven= jω∑ nMn+ Iℓ en KonK3n) *10³(mV)

Ion 영상전류의 등가 방해전류: (A)

Kon 에서의 영상전류에 대한 지중 전력선의 차폐계수: 800

여기에서 은 지중 송전선의 차폐계수로서 케이블의 종류에 따라 표 표K31 < 3-8> <～

과 같은 값을 적용하며 정상 운전시 영상전류에 대한 차폐계수 는 표3-10> , (Kso, Kon) <

과 같다3-11> .

- 65 -

표 케이블의 차폐계수< 3-8> O. F (K31)

구 분회전수

삼각 포설시 수평 포설시

비연가 연가 비연가 연가

회선1 0.023 0.023 0.029 0.024

회선2 0.015 0.013 0.024 0.013

회선3 0.013 0.011 0.020 0.011

표 케이블의 차폐계수< 3-9> P.O.F (K31)

회선수 고장전류 차폐계수

회선1내지 까지5KA 17KA 0.005

내지 까지18KA 22KA 0.007

회선2 내지 까지5KA 22KA 0.05

표 케이블의 차폐계수< 3-10> C.A.Z.V (K31)

(Corrugated aluminum sheathed and vynilcovered cable)

구분회전수

삼각 포설시 수평 포설시

비연가 연가 비연가 연가

회선1 0.019 0.019 0.026 0.020

회선2 0.013 0.011 0.023 0.011

회선3 0.012 0.090 0.020 0.009

표 송전용 케이블< 3-11>

주파수회전수

케이블O.F. 케이블P.O.F. 케이블C.A.Z.V.

60Hz 80Hz 60Hz 800Hz 60Hz 800Hz

회선1 0.024 0.002 0.021 0.0046 0.019 0.002

회선2 0.013 0.001 0.021 0.0046 0.010 0.001

회선3 0.010 0.001 0.021 0.0046 0.007 0.001

또한 는 지중 송전선 외피의 분류계수로 와 같이 적용한다 이외의 다른 계수들은K22 K12 .

가공송전선에 의한 이상시 유도위험전압 예측 계산식의 값과 같다.

- 66 -

제 절 배전 계통의 구성5

급전선 간선 및 분기선1. ,

배전용 변전소로부터 부하에 전력을 공급할 경우 여러 가지 방식이 있지만 우선 먼저 그 기

본으로서 선로전류의 대소에 따라 급전선 간선 및 분기선으로 나눌 수 있다 급전선, .

이란 배전 변전소 또는 발전소로부터 배전 간선에 이르기까지의 도중에 부하가 접(Feeder)

속되어 있지 않은 부분이다 즉 이것은 배전 구역까지의 송전선이라고도 할 수 있는 선로로. ,

서 급진선이라고도 부르고 있다 간선 이란 급전선에 접속된 수용 지. (Distributing main line)

역에서의 배전선로 가운데에서 부하의 분포 상태에 따라서 배전 하거나 또는 분기선을 내어

서 배전을 하는 주간 부분을 말하는데 이것은 마치 발전소의 모선에 상당하는 것이라고 생

각하면 된다 또 급전선과 배전간선과의 접속점을 궤전점 이라고 한다 한편. , (Feeding point) .

분기선 이란 간선으로부터 분기해서 변압기에 이르기까지의 부분을 말한다 그(Branch line) .(

림 는 이들 고압 배전선로의 구성에 관한 일례를 보인 것이다3-14) .

그림 배전 선로의 구성( 3-14)

- 67 -

배전 선로의 전기 방식2.

가 고압 배전 선로의 전기방식.

우리나라 고압배전선은 의 상 선식 이었으나 전력수요의 증가에 따3.3[ ], 6.6[ ], 22[ ] 3 3

라 전압강하 및 전력손실의 경감을 도모하기 위하여 이들을 모두 으로 통일 승압22.9[ ] ,

하고 있다.

상 선식1) 3 3

그림 에 이 방식의 결선을 보인다 중성점 비접지식은 배전선에서 가장 많이 일어나( 3-15) .

는 지락 사고에 대해서 지락전류가 작다는 장점이 있어 이 방식을 쓰는 경우가 많다 변전.

소에서는 주변압기의 차측은 결선 주상변압기의 동력용은 주로 결선으로 하고 있다2 , V .

그림 상 선식 중성점 비접지 방식( 3-15) 3 3 ( )

상 선식2) 3 4

변전소의 주변압기의 차측을 결선으로 해서 중성점을 접지 하는 방식으로 접지방식에 따2 Y

라 중성선 대지이용 방식 중성선 단일 접지방식 공통 중성선 다중접지 방식 등이 있다, , .

- 68 -

중성선 접지방식에서는 선의 지락사고는 상의 단락과 같으므로 지락전류는 거서 고저압1 1

선 혼촉시에 저압선의 전위 상승이 높아지고 또한 통신선에 유도장해를 줄 우려가 있다 그.(

림 은 공통 중성선 접지방식을 보인 것인데 중성 선을 가설하고 그 접지를 변전소 뿐3-16)

만 아니라 주상변압기의 제 종 접지공사와 공용으로 해서 전선로에 걸쳐 여러 곳에서 다중2

접지하고 있다 이 방식에서는 모든 사고는 단락사고로 되기 때문에 휴즈 또는 과전류 계전.

기로 보호할 수 있다는 특징이 있다 미국에서는 이 방식이 널리 채용되고 있으며 보안상의.

문제도 해결되고 있다 우리나라에서도 배전 계통의 승압화에 따라 점차 상 선. 22.9[ ] 3 4

식이 확대되어 나가고 있다.

그림 상 선식( 3-16) 3 4

나 저압배 전선.

종래의 저압배전선은 전등 수용가에 대해서는 단상 선식 동력 수용가에 대해서는2 100(V),

상 선식 였으나 전력수요의 증가에 따라 전압강하 전력 손실의 경감을 목적으로3 3 200(V) , 3

상 선식 로 승압 되고 있으며 일부에서는 승압 이행의 과도조치로서4 220/380[V

양용 전압공급을 위한 단상 선식도 실시되고 있다105/210(V) 3 .

- 69 -

단상 선식1) 2

단상 선식은 그림 에 나타낸 바와 같이 단상교류 전력을 전선 가닥으로 배전 하는2 ( 3-17) 2

것으로서 전등용 저압 배전에 가장 많이 쓰이고 있다 이 방식은 전선수가 적고 가선 공사.

가 간단하다는 것 그리고 공사비가 저렴하다는 둥의 특징이 있다 변압기 저압 측의 단자, . 1

는 고 저압선의 혼촉에 의한 저압선의 전위상승의 위험을 방지하기 위하여 접지하고 있다.

그림 단상 선식( 3-17) 2

단상 선식2) 3

이 방식은 그림 에 나타낸 바와 같이 주상변압기 저 압축에 개의 권선을 직렬로 하( 3-18) 2

고 그 접속의 중간점으로부터 중성선 을 끌어내어서 전선 가닥으로 배전하는(Neutral line) 3

방식이다.

그림 단상 선식( 3-18) 3

- 70 -

이 방식에서는 중성선과 외선간에 부하 전등 수요 를 바깥쪽의 양외 선간에100[V] ( ) ,

부하 동력부하 를 공급하도록 한다 현재 우리나라에서도 승압공사200[V] ( ) . 220/380[V]

추진에서의 잠정적인 방안으로서 양용 전압공급을 위해서 이 단상 선식을 활105/210[V] 3

용하고 있다.

단상 선식은 단상 선식에 비해 다음과 같은 특징이 있다3 2 .

전압강하 전력손실이 평형부하의 경우 로 감소한다, 1/4 .

소요 전선량이 적어도 된다.

부하 외에 부하의 사용이 가능하다10[V] 200[V] .

상시의 부하에 불평형이 있으면 부하전압은 불평형으로 된다.

중성선이 단선 하면 불평형 부하일 경우 부하전압에 심한 불평형이 발생한다 가 거의. (V

배 로 상승한다2 ( 2V) )≒

중성점과 전압선 외선 이 단락 하면 단락하지 않은 쪽의 부하전압이 이상 상승한다( ) .

이상과 같이 단상 선식에서는 양측 부하의 불평형에 의한 부하 전압의 불평형이 큰 문제3 ,

가 되기 때문에 일반적으로는 이러한 전압 불평형을 줄이기 위한 대책으로서 저압선의 말단

에 밸런서 를 설치하고 있다(balancer) .

밸런서는 그림 에 보인 바와 같이 주상변압기의 고압권 선을 생략한 권선비 의 단( 3-19) 1

상변압기로서 전압에의 불평형분은 그 누설 임피던스를 통해서 단락 되어 상시 및 고장시의

전압 불평형을 대폭 경감시키는 작용을 한다 또 이 방식에서는 중성선에 자동차단기 휴즈. (

를 포함 를 삽입하지 않도록 하고 있는데 그 이유는 부하가 불평형일 때 중성선이 단선사고)

를 일으키면 부하에 평상시의 배 가까운 과전압이 걸리게 되기 때문이다2 .

- 71 -

밸런서의 구조 밸런서의 사용 예(a) (b)

그림 밸런서( 3-19)

상 선식3) 3 3

상 선식은 널리 사용되고 있는 배전 방식으로서 그림 에 나타낸 바와 같이 상 교3 3 ( 3-20) 3

류를 가닥의 전선을 사용해서 배전 하는 것이다 이 경우단상 부하는 전체로서 서로 평형3 .

되게끔 조합과 접속 방법에 주의하여야 한다.

배전 변압기의 차측 결선에는 그림 에 나타낸 바와 같이 종류가 있는데 비교적 용2 ( 3-21) 3

량이 콜 때에는 단상 변압기 대를 처럼 결선으로 해서 사용하는 경우가 많다 그러나3 (a) . ,

경우에 따라서는 처럼 변압기 대만 가지고 결선으로 쓰다가 부하가 늘어날 때 한 대(b) 2 V

더 증설해서 결선으로 사용하는 경우도 많다 물론 단상 변압기 대신에 상 변압기를 그. 3

대로 사용하는 경우도 있다.

- 72 -

결선(a)⊿ 결선(b) V 결선(c) Y

그림 상 선식( 3-20) 3 3

상 선식4) 3 4

상 선식은 그림 에 나타낸 바와 같이 변압기의 차측을 접속하고 그 중성점으로부3 4 ( 3-21) 2 Y

터 중성선을 인출해서 선식의 전선 가닥과 조합시킴으로써 가지 전압을 공급할 수 있게3 3 2

한 것이다 즉 중성점과 각 상간의 전압을 라고 하면 선간 전압은 로 된다 가령 주. , E 3E .√

상변압기의 차측 단자를 접속하면 로 되어 두 가지 진압을 회선으로2 220[V] Y 3E=381[V] 1√

동시에 배전 할 수 있게 된다 현재 우리나라에서 추진하고 있는 승압은 바로 이. 220/380[V]

상 선식을 채택해서 추진하고 있는 것이다3 4 .

그림 상 선식( 3-21) 3 4

- 73 -

결선(a) V (b) ⊿결선그림 상 선식의 특수 결선( 3-22) 3 4

그림 전등 동력 공용 방식( 3-23)

상 선식에는 그림 에 나타낸 바와 같은 특수한 결선방법도 있다 이 방법은 저압배3 4 ( 3-22) .

전선의 일원화 즉 전등동력 공용방식으로서 중성점이 접지 되어 있는 변압기에 단상부하를,

접속하고 상의 선간에 동력부하를 접속하는 방식이다3 .

- 74 -

현재 외국에서 많이 사용하고 있는 이 전등동력 공용방식은 일반적으로 부하에 대100[V]

해서는 단상 선식으로 상부하에 대해서는 단상변압기 대를 결선해서 공급하고 있다3 , 3 2 V .

따라서 그림 에서와 같이 공용변압기에는 전등 부하전류 과 동력 부하전류 가( 3-23) Ι Ι₁ ₃

함께 흐르고 동력전용 변압기에는 동력부하전류 만이 흐르게 되므로 공용변압기 쪽의 용Ι₃

량을 동력전용 변압기의 용량보다 크게 하고 있다.

제 절 배전선에 의한 통신선의 유도장해6

배전 선로의 유도장해는 크게 나누어 전자유도 장해 정전유도 장해 고조파유도 장해의, , 3

가지로 구분된다 고압 배전선로는 시가지 또는 도로상에 건설되는 경우가 대부분이므로 통.

신선에 접근해서 운전되기 때문에 통신선에 대한 유도장해는 무시할 수 없다.

전자유도는 지락 사고시의 자락 전류에 의한 유도장해로서 지락전류가 클수록 장해도 커진

다 배전 선로가 비 접지 방식으로 운전될 경우에는 지락 전류가 별로 크지 않지만 특히 우.

리나라의 계통처럼 중성점 접지의 상 선식 배전 선로일 경우에는 상당히 큰 지22.9[ ] Y 3 4

락 전류가 흐르기 때문에 유도장해 문제가 심각해진다 한편 전자유도 장해는 배전선의 지.

락 사고시에만 발생하는 것이므로 사고의 신속한 검출과 사고구간의 고속차단으로 어느 정

도 대처할 수 있다.

가공배전선에 의한 유도전압1.

가공 배전선에 의한 유도전압 예측 계산식은 다음과 같이 고시되어 있으며 이에 따른 계산,

식은 송전선에서 다루었으므로 본 절에서는 고시사항을 중심으로 설명한다.

- 75 -

가 지락 고장시 유도위험전압.

= (j M g Kω Ι∑ ㆍ ㆍ ㆍℓㆍ ㆍ 21ㆍK22ㆍK3ㆍK7) (3.9)

가공 배전선 선 지락 고장시 유도위험전압: 1 (V)

K21 배전선 중성선의 차폐계수: ㆍ

K22 배전선 중성선의 분류계수:

나 상시 유도 종전압.

Vℓ = (j M g Kω Ι∑ ㆍ ㆍ ㆍℓㆍ ㆍ 21ㆍK3ㆍK7) (3.10)

Vℓ 배전선 정상 운전시 유도 종전압: (V)

Ιn 배전선 중성선에 흐르는 불 평형전류: (A)

다 유도잡음 전압.

Vn = (V ŋ *:10α β λ∑ ₁ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ -3) (mV) (3.11)

Vn 배전선 정상운전시 유도잡음 전압: (mV)

평가잡음 함유율ŋ :

유도잡음 경감계수, :α β

통신회선의 평형도:λ

라 차폐계수.

위의 계산식에 필요한 가공배전선의 각종 계수는 다음과 같다.

중성선 차폐계수1) (K21)

표 중성선 차폐계수< 3-12> (K21)

중성선 ( mm²) 차폐계수( K21 )

ASCR160 0.63

ASCR 95 0.65

ASCR 58 0.68

ASCR 32 0.75

- 76 -

가공지선 설치시의 유도 차폐계수2) (K21)

중성선이 조이거나 가공지선을 시설하였을 경우 차폐계수는 다음과 같이 계산하여 적용한2

다 단 표준장주의 경우는 다음 표 과 같다.( < 3-13> )

표 유도차폐 계수< 3-13> (K2l)

배전상태 상 선식3 4 상 선식1 2

장주 형태 회전 장주1 회전 장주2 회전 장주1

대지 고유저항 100 300 100 300 100 300

중성 ACSR 58

가공지선 ACSR 320.4045 0.3846 0.4213 0.3946 0.4330 0.4120

중성 ACSR 58

가공지선 ACSR 320.4830 0.4616 0.4934 0.4712 0.5024 0.4805

중성 ACSR 32

가공지선 ACSR 320.5763 0.5547 05858 0.5637 0.5877 0.5658

K21 = 1-ZmZs

(3.12)

Zm : 중성선과 전력선간의 상호 임피던스

Zs 중성선의 대지귀로 자기 임피던스:

대지 고유저항: ( -m)ρ Ω

전력선과 중상선 간의 기하 평균거리D : (m)

- 77 -

증성선의 반경: (m)α

중성선과 타중성선 가공지선 간의 거리d : ( ) (m)

중성선 도체의 직류저항R : ( / )₁ Ω

타중성선 가공지선 의 직류저항R : ( ) ( / )₂ Ω

중성선의 분류계수3) (K22 는 다음 표 와 같이 한다) < 3-14> .

표 중성선 분류계수< 3-14> (K22)

구 간 K22

발.변전소로부터 지점까지5km 0.6

발.변전소로부터 지점까지10km 0.8

발.변전소로부터 초과지역10km 1.0

중성선의 불평형 전류 는 다음 표 와 같다4) (In) < 3-l5> .

표 중성선의 불평형 전류< 3-15>

전력선의 방식 In

단상 또는 상 부하선로의 경우2상부하선로의 경우3

상전류상전류

표 에서 상전류는 정상운전시 그 계획 최대 전류 값으로 하며 다만 그 중 중성선을< 3-15>

이용하지 않는 부하는 제의한다.

평가 잡음 함유계수 는 주파수 에서 를 적용한다5) (7) 60Hz 0.12 .

잡음 차폐 저감율 은 통신선의 나선일 경우는 으로 하고 케이블일 경우는 로6) ( ) 1.0 0.1αβ

한다.

전기통신회선의 평형도 는 표 과 같이 한다7) ( ) < 3-16> .λ

- 78 -

표 전기통신회선의 평형도< 3-16>

선로의 구분 평형도( )λ

교환기와 선로간에 중계선륜이 삽입된 시외회선(R/T)신호방식회선 및 교류다이얼 신호방식회선 등

케이블 1/1000(60 )

옥외 전화선 1/1000(60 )

나선 1/200 (46 )

자석식교환기에 접속된 가입자회선

케이블 1/1000(60 )

옥외 전화선 1/1000(60 )

나선 1/200 (46 )

자동 및 공전식 교환기에 접속된 가입자 회선 및 시외회선

케이블 1/100 (40 )

지중 배전선에 의한 유도전압2.

지중 배전선에 대한 유도전압 계산식은 지중 송전선에서와 동일하며 지중 배전선의 유도전

압을 계산하기 위한 부가적인 계수는 다음과 같다.

가 배전용 케이블의 차폐계수. C.N.C.V (K31)

표 케이블의 차폐계수< 3-17> C.N.C.V (K31)

나 정상운전시 영상전류에 대한 계수 는 표 과 같이 한다. (Kso, Ksn) < 3-18> .

표 배전용 케이블< 3-18> (C.N.C.V)

- 79 -

다 에 있어서 지중 전력선의 차폐계수 는 정상 운전시 영상전류의 에 대. 800Hz (Kln) 800Hz

한 차폐계수 (Kon 값을 적용한다) .

라 대지귀로 외피전류 는 표 와 같이 한다. (1s) < 3-19> .

표 대지귀로 외피전류< 3-19>

케이블배치회선수

순상단독 역상단독

회선1 부하전류 * 0.01 부하전류 * 0.01

회선2 부하전류 * 0.02 부하전류 * 0.02

회선3 부하전류 * 0.03 부하전류 *0.03

마 정상 운전시 등가 방해전류는 표 과 같다. < 3-20> .

표 등가 방해전류< 3-20>

구분전력선부하상황

부하 전류에 대한등가 방해 전류(Ien)

대지귀로외피전류에 대한 등가방해 전류(Ien)

영상전류에 대한등가방해 전류(Ien)

일반부하가 대부분인 지중선 조명등 부하( )

1.9A 의 계수1.9A *Is *1.25 회선당0.22A/

일반부하와 일부 특수부하가 있는 지중선 조명등 및(동력부하)

3.8A 의 계수3.8A *Is *1.25 회선당0.44A/

큰 특수부하에 직접 공급하는 지중선 동력부하( )

실측 실측 실측

- 80 -

제 절 고조파 유도 및 대책7

전력 계통에서의 전압 전류 파형은 정현파를 표준으로 하고 있는데 정류기 등의 교환기, ,

아크노 등의 비선형기기에 전력을 공급하였을 경우에는 이들의 기기로부터 고조파가 발생

해서 전원계통에 고조파 성분이 포함되게 된다.

종래 고조파에 의한 장해는 별로 문제가 되지 않았으나 근년에는 싸이리스터 변환기의 눈부

신 발달에 따라 이것이 여러 방면에서 이용되고 또한 대용량화됨에 따라 일부지역에서는 교

류측에서 각종 문제가 발생하게 되었으므로 배전 선로에 있어서도 고조파가 주는 영향을 충

분히 고려할 필요가 있다.

전력 계통의 전압 및 전류의 파형을 일그러뜨리는 원인이 되고 있는 고조파 발생기기를 열

거하면

회전기기-

변압기-

각종 변환기 부하-

아크노 등의 각종 전기노 부하-

형광등 등의 기구- , TV

등으로 다양하므로 이들 대형 기기의 공급에 있어서는 고조파의 영향을 검토하여야 한다.

이중에서 특히 싸이리스터를 사용한 대형 변환기 및 아크노의 대용량화가 문제되고 있다.

이러한 고조파 발생에 따른 전압 전류파형의 전파가 미치는 영향은 다음과 같다, .

통신선에의 유도장해-

일반 기기에의 장해-

기기에 대한 장해의 예는 전력용 콘덴서 설비의 과부하 회전기 변압기의 손실 증대 과열, , ( )

에 따른 용량저감 전력 케이블의 용량저감 형광등 안정기의 과열 소손 보호계전기 특히, , , , (

정지형의 것 특성의 영향 및 오동작 지시 계기 적산 계기의 오차 기타 전자회로에의 영) , , ,

향을 들 수 있다.

- 81 -

이중에서도 특히 영향을 많이 받는 것은 전력용 콘덴서 설비로서 이에 대한 장해 방지 대책

이 크게 요망되고 있는 실정이다.

전력계통의 평형과 고조파1. (Harmonics)

가 단상 전력계통.

대지귀로 전류1)

단상 전력계통에서는 대지귀로 전류가 중성선 대지 그리고MGN(Mulit-Grounded Neutral) , ,

강연선 및 차폐선 등 전류의 경로가 될 수 있는 모든 도체의 총합 병렬경로를 통해 흐른다.

중성선2)

전력선의 각 상선을 통해 흐르지 않는 전류 중 통상 약 정도의 귀로 전류만이 중성선40%

을 통해 흐른다고 알려져 있다 반면 나머지 는 앞에서 언급한 병렬경로 즉 대지 강연. , 60% , ,

선 차폐선 등의 경로를 통해 흐른다 그 중각 경로를 통해 흐르는 전류의 양은 각 경로의, .

임피던스의 크기에 반비례한다.

고조파3)

단상 전력계통에서는 기본파 및 고조파 중 어느 것도 상쇄되어 없어지지 않으므로 모든 고

조파를 고려 대상에 포함시켜야 한다.

나 상 전력계통. 3

상 전력계통의 각 상들은 이론과는 달리 좀처럼 평형이 이루어지지 않는다 그 원인은 주3 .

로 수용가 부하측에 있는데 수용가 부하의 크기 및 부하의 종류 등을 전력회사가 마음대로,

조정할 수 없기 때문이다.

- 82 -

송전계통의 경우는 비교적 평형 상태가 양호한 편이나 배전선의 경우는 불평형인 상태가 일

반적이다.

결선 계통1)

이 계통에서는 중성선이 없으므로 모든 귀로전류는 각 상을 통해 흘러서 대지를 통해 흐르

는 전류는 없다 따라서 계통에서는 유도장해가 그리 심각하지 않다 그러나 이것 역시 부하. .

불평형으로 인해 발생하는 상전류의 불평형은 생긴다 이것이 유도의 원인이 되기는 하지만.

아주 심각한 경우를 제의하고는 유도장해 문제는 무시 가능할 정도로 미약하다.

결선 계통2) Y

이상적인 경우 결선에서도 계통이 완전하거나 평형을 이루면 중성선에 전류가 흐르지 않, Y

는다 이때는 결선과 같은 상황이어서 유도 문제가 발생하지 않는다 그러나 계통의 불평. .

형은 대지귀로 전류를 발생시키고 이것이 상시 유도장해의 주원인이 된다.

고조파3) (Harmonics)

대칭인 상 전력 계통에서는 짝수 고조파는 상쇄되어 없어진다 그러므로 대체로 짝수 고3 . ,

조파는 무시 가능하지만 비대칭으로 인해 발생하는 짝수고조파가 정류기의 측에 유입되DC

고 이 신호가 통신선에 유입할 소지는 있다 한편 홀수 고조파의 경우를 보면 평형이 잘. , ,

이루어진 계통에서 배수 홀수 고조파 제 고조파 제 고조파 제3 (Odd tripple harmonics : 3 , 9 ,

고조파 이는 해당 는 상쇄되지 않을 뿐 아니라 오히려 서로5 ..... 180Hz, 540Hz, 900Hz... )

더해진다.

한편 배수가 아닌 홀수 고조파 제 고조파 제 고조파 제 고조파 는 서로 상쇄된다 따, 3 ( 5 . 7 , 11 ...) .

라서 전력유도에서 중요한 고조파는 배수 홀수 고조파가 주요 관심사가 된다3 .

- 83 -

이중에서 특히 전화의 주파수 대역 내에 포함 되면서 진폭이 큰 고조파(300Hz 3,400Hz)～

인 와 가 가장 큰 문제 및 관심사가 되는 고조파이다540Hz 900Hz .

그림 기본파와 배수 홀수 고조파의 관계( 3-24) 3

다 고조파의 발생원.

전력계통에서 이외의 원하지 않는 고조파의 발생원은 크게60Hz

전통계통 자체 발전기 변압기( , )ㆍ

수용가 부하ㆍ

로 대별된다.

- 84 -

발전기1)

발전기는 고조파를 발생시키지만 발전기 외부로 유출되는 고조파는 거의 없다 왜냐하면 발.

전기는 기본적으로 내부에 델타 결선 내지는 제 권선 이 있어서 고조파의3 (Tertiary winding)

외부유출을 억제하는 역할을 하기 때문이다.

변압기2)

발전기에 비해 변압기는 고조파의 큰 발생원이자 전파원이다 배전 계통의 변압기는 비선형.

장치이므로 그림 에서 보듯이 파형이 왜곡되어 고조파를 발생시킨다 여기서 변압기( 3-25) . ,

에 대한 큰 오해중의 하나는 변압기의 과부하 전류 과다 가 고조파의 원인이라고(Overload: )

알려져 있는 것인데 사실은 그렇지 않다 과여기 전압 과다 가 변압기 고조파. (Over-excited: )

의 주원인이며 대략 정도의 여기전압 증가는 약 정도의 고조파 증가를 초래한다고5% 8dB

알려져 있다.

그림 변압기의 자화 특성 곡선에 의해 왜곡되는 전류파형( 3-25)

- 85 -

수용가 부하3)

동기전동기 및 유도전동기는 고조파를 발생시키지만 대부분 전동기가 설계될 때 고조파 문

제는 거의 없게 제작된다 그러므로 교환기 전송장치 컴퓨터 그리고 부하측에서의 가장 큰. , ,

고조파 발생원은 역시 대표적인 비선형 장치인 정류기라고 볼 수 있다 가정용. TV, VTR

등 전자회로가 들어가는 모든 장비는 기본적으로 직류를 사용하므로 전체 부하 중 정류기가

차지하는 비중은 막대하다.

따라서 전력계통에서 볼 때 정류기에서 발생하는 고조파는 전체 고조파 중 가장 큰 부분을

차지한다 정류기에서 발생하는 고조파는 정류기의 상수 에 따라 달라지. (Number of phase)

는데 이를 증가시키면 고조파는 줄어든다 전형적인 상 전파정류에서 발생하는 고조파는, . 3

표 과 같다< 3-21> .

표 상 전파정류기에서의 고조파< 3-21> 3

한편 최근에는 다이오드 등 비선형소자의 사용이 증가하면서 이들도 고조파 발생원이, , SCR

되고 있다 이밖에도 전기용접 전동기 제어회로 가로등도 고조파를 발생시킨다. , , .

고조파 이외의 교란의 발생원4)

방송주파신호 및 저전기 방전과 같은 전력계통 외부 요인에서부터 누화 및 접속점 불량 등

통신 내부적 요인도 교란의 주요 원인이 된다.

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제 장 전기철도 및 고속철도 시스템의 유도4

장해

- 87 -

제 장 전기철도 및 고속철도 시스템의 유도장해4

우리나라의 교류전철화에 대한 통신설비 유도대책은 급전방식으로 계획된 산업선 전철BT

화와 동시에 시작하여 급전방식의 수도권 전철 중앙선 경원선 및 안산선까지 계속되AT , ,

어 고속철도 건설에까지 이르렀다.

국내 지형 여건상 전철화사업이 계획되면 필수적으로 선행되는 것이 통신설비에 대한 유도

대책이며 특히 교류전철화에 대해서는 고도의 기술과 풍부한 경험을 필요로 하게 된다 이.

는 전력계통에 대한 유도대책과는 달리 구간에서도 연속적인 부하 알차 의 이동으로 구간1 ( ) 1

단위 소구간마다 많은 변수가 발생하고 부하에 의해 발생하는 고조파의 성분도 매우 복잡하

며 그 수치가 변화하기 때문이다 따라서 부하의 위치에 의해 유기 되는 전압도 달라지게.

된다.

이와 같이 교류전철화에 의한 유도전압의 예측계산은 정수에 의하기 보다 변수를 분석하여

적용하는 인자 가 많고 대책 방법도 다양하여 적절한 대책 수립에는 많은 어려움이(Factor)

있다.

이렇게 복잡하고 다양한 인자들로 인해 초기의 산업선과 수도권 전철화 유도 대책시에는 국

내 기술진이 참여하지 못하고 외국 기술진에 의뢰하여 해결하였으나 그 동안 축적된 기술과

과거 경험을 최대한 활용하여 국내 기술진에 의해 경원선 중앙선 안산선 과천선의, , , Amp.

산출과 유도전압의 예측계산 및 대책설계를 수행하였으며 각각의 경우에 대해 설계보고km

가 되어 있다.

본 장에서는 건설될 고속철도의 급전방식과 구동시스템에 중점을 두고 그에 대한 유도 대책

을 논한다.

- 88 -

제 절 고속철도 전력설비의 구성1

고속철도는 차량의 견인에 필요한 에너지 동을 전기에 의존하는데 이 전기에너지를 운송하

고 사용목적에 맞도록 변환하며 차량에 가장 효율적으로 전기에너지를 공급해 수는 일련의,

설비들이 필요하다.

송전설비1.

고속철도에 있어서의 송전설비라 함은 한국전력이 가지고 있는 전원을 고속철도에 유입시키

기 위하여 한국전력 변전소와 고속철도 변전소 사이를 전선을 통하여 전기가 이동할 수 있

게 연결시키는 설비를 말하며 특고압을 이용하여 고속철도에 필요한 대전력을 이동154W

시킨다.

무정전의 신뢰성과 건설의 경제성 및 기술성 등 종합적인 검토 후 한전의 가까운 변전소 중

신뢰성이 높은 변전소를 선정하여 회선으로 구성되는 송전 선로를 건설하게 된다 송전선2 .

로는 각 철탑을 이용한 가공방식과 도심구간 또는 환경문제 등을 고려할 경우 지중 케이4

블 관로를 이용하는 방식이 있다.

변전설비2.

송전설비를 이용하여 고속철도 전용변전소에 운송된 전기에너지를 사용 용도에 맞게 변환시

키는 설비를 변전설비라 한다 통상 전기를 멀리 보낼 때는 전압을 상승시키고 수용가에서. ,

는 전압을 낮추어 사용하며 고속철도에서는 한전 변전소에서 의 높은 전압을 송전선, 154W

로를 통해 받아 최종적으로 단상 의 전기를 전차선로에 공급한다25 .

고속철도의 변전설비는 크게 변전소 급전구분소 및 병렬급전소로 구성되는데 선로를 따라,

적절한 간격으로 분산 배치되어 전기적 계통을 구성하고 안정적인 전력을 공급해 주는 역할

을 담당한다 이들 변전설비와 전차선로의 주요설비들을 한 곳에서 집중감시 및 제어하는.

원격제어설비 도 고속철도의 중요한 설비이다 그림 은 고속철도 시스템의 급(SCADA) .( 4-1)

전방식을 나타낸다.

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그림 고속철도 급전방식( 4-1)

전차선로3.

고속철도용의 전차선로는 고속철도 차량에 전기를 공급하기 위하여 선로를 따라 설비된 특

수한 전선로를 말하며 전차선 조가선 급전선 보호선 등의 각종 전선과 이들 전선을 적절, , ,

한 장력으로 지지하기 위한 전주 가동브래키트 등의 지지물 전기적인 절연장치 및 기타 금, ,

구류 등으로 구성되며 전차선로의 설비는 그림 와 같다( 4-2) .

그림 전차선로 설비구성( 4-2)

- 90 -

고속철도용 전차선로는 기존 전철의 의 속도보다 월등히 높은 의 고속운110km/h 300km/h

전을 감당하게 되므로 빠른 속도로 이동하는 차량에 필요한 전기를 단절 없이 양호하고 안

정적으로 전달할 수 있는 설비로 구성되어야 하며 충분한 전기적 기계적 강도를 갖추어야,

한다.

고속철도의 전차선은 고속으로 운행되는 차량의 집전장치 와 계속 접촉하게 되(Pantograph)

므로 이 두 설비간의 동적 부합성이 고속철도의 운행속도를 좌우할 만큼 중요한 요소가 되

며 이에 따라 차량을 공급하는 나라에서 전차선로기술도 함께 들여오게 된다.

제 절 전기철도 부하 특성2

전기철도 급전회로의 특성1.

전기철도에서 운전용 전력은 변전소에서 전차선로를 통해 차량에 공급된 후 레일 등의 귀선

을 경유해 변전소로 돌아온다 이 전기회로를 일반적으로 전철급전회로라고 부른다 변전소. .

로부터의 급전거리 전압강하 사고시의 구분 보수 등을 고려해서 전차선로를 적당한 구간, , ,

으로 나누어 급전 정전이 가능하도록 한계 통구성을 일반적으로 급전계통이라고 부른다.ㆍ

또한 변전소에서 차량에 전력을 보내는 방법을 일반적으로 급전방식이라 하고 전철화 방식,

과 변전소 전차선로 등의 구성에 따라 여러 가지 방식이 있다 전기철도 급전회로는 일반, .

의 전력계통과 비교해서 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

가 급전회로의 부하인 차량은 제한된 선로 위를 주행해야 하기 때문에 그 중량 용적이 제.

한되고 또 광범위한 속도제어와 대출력을 필요로 한다.

나 차량은 그 특성상 시동 정지가 빈번하게 반복되고 그 위치가 이동하기 때문에 부하의.

크기 및 시간적인 변동이 크다.

- 91 -

다 일반적으로 철도수송은 전용궤도 위를 장거리에 걸쳐 연속적으로 운행하기 때문에 사고.

등의 발생으로 설비 일부가 기능을 상실하게 되면 열차운행 전체에 큰 영향을 주고 수송을

마비시키므로 높은 신뢰도와 안전성이 요구된다.

라 부하에의 전력공급은 전차선 과 집전장치 의 접촉에 의존하는데 고. (Trolley) (Pantograph)

속 운전시에도 양호한 접촉을 유지하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있어야 한다.

마 일반적으로 전기철도에서는 레일을 귀선로로 사용하므로 선 직접접지 상태의 전차선로. 1

가 된다 따라서 교류 방식에서는 통신선에 대한 유도장해 직류방식에서는 다른 지중매설. ,

금속체에 전식문제를 발생시키므로 이에 대한 대책이 필요하다 또한 전차선의 지락시에는.

선간단락의 상태가 되므로 사고전류가 크게 된다.

바 교류방식에서는 부하가 단상이고 더구나 변동이 심하기 때문에 전압변동 불평형 등의. ,

문제가 발생한다.

사 차량은 제한된 공간과 중량의 범위에서 복잡한 부하설비를 갖고 있는데 이들 설비는 항.

상 기계적 진동을 받는다.

이상과 같이 전기철도 급전회로는 특수하지만 안전하고 신속하며 확실하게 열차를 운행하기

위해서는 첫째 전류용량이 차량부하에 충분히 견딜 수 있어야 하고 둘째 전차선 전압을 차, ,

량의 운전에 지장을 주지 않는 일정한 범위 내로 유지되어야 하며 셋째 변전소 전차선로, , ,

차량간의 절연 협조가 충분히 검토되어 요구되는 절연강도 절연이격이 확보 가능해야 한다, .

넷째 사고가 발생한 경우 신속하게 사고개소를 구분하고 필요한 조치를 취할 수 있어야 하

며 다섯째 보수작업이나 사고 발생시 열차에 주는 영향을 최소화할 수 있도록 급전구간을,

구분할 수 있어야 하는 등의 조건을 만족해야 한다.

- 92 -

제 절 교류 급전회로3

교류급전회로는 일반적으로 상교류 전력을 단상변압기 또는 상 상 변환장치에 의해 단3 3 -2

상으로 변환된 전력을 급전선 전차선 레일에 의해 차량에 공급한다 교류급전희로의 귀선, , .

에 레일을 긴 구간에 걸쳐 사용하면 대지로의 누설전류가 증가하고 통신선 등에 전자유도

장해의 문제가 발생한다.

이 전자유도장해를 경감시키기 위해 급전방식 또는BT(Booster Transformer) AT(Auto

급전방식이 채용되고 있다 교류급전회로에서는 인접변전소와 전압위상이 다Transformer) .

르기 때문에 단독급전을 표준으로 하고 인접변전소와의 중간에 급전구분소를 설치하여 사구

간 에 의해 이전원의 혼촉을 방지하고 있다 또 변전소와 급전구분소의 중간에(Dead section) .

는 급전회로 사고시나 작업시 계통을 구분하기 위해 보조급전 구분소를 설치하는 경우도 있

으며 다음과 같은 방식이 있다, .

직접 급전 방식- (Simple feeding system)

급전방식- BT

급전방식- AT

동축케이블 급전방식-

도입되는 고속철도의 급전방식은 단권변압기 급전방식 이 될 것이므로 고속철도에 의한(AT)

통신선의 유도장해에 대해서 기술 조사를 수행한다.

교류급전회로에서 권수비가 인 단권변압기를 사용하여 그 중성점을 레일에 접속하고AT 1:1

양단을 전차선과 급전선에 각각 접속한 급전회로 방식이다 이 방식은 단권변압기를 사용하.

여 레일 및 대지보다 전위가 낮은 가공선 를 설치한 급전회로를 구성하여 전기차에 동력PF

을 공급하는 방식인데 단권변압기 작용에 의해 레일에서 대지로 누설되는 귀전류를 감소시,

켜 통신유도장해를 저감하도록 하고 있다.

- 93 -

이 방식은 미국에서는 방식 일본에서는 상용주파수단상교류방식에 채용되고 있으며25Hz , ,

국내에서도 산업선 일부와 수도권 전철에 이 방식이 사용되고 있다 단권 변압기 설치 간격.

은 정도로 비교적 크게 선정할 수 있다10km .

급전방식의 전력면의 특징을 정리하면 다음과 같다AT .

변전소에서의 송출전압이 차량에 급전하는 전압의 배이기 때문에 대전력의 공급에 적당- 2

하고 또 급전회로의 전압 강하율도 적다.

급전회로의 전압 강하율이 적으므로 변전소 간격을 길게 할 수 있다 따라서 변전소 수가- .

적고 보수도 용이하다.

변전소를 계획할 때 변전소의 위치를 송전선에 가까운 장소로 선정하는 것이 가능하고-

송전선의 건설비를 절감할 수 있다.

전차선과 급전선에 걸리는 전압은 차량에 급전하는 전압 전차선 레일 의 배이지만 중성- ( - ) 2

점이 레일에 접속되어 있으므로 급전선도 대지에 대해서는 전차선과 같아서 절연설계가 용

이하다.

급전방식에서의 과 같은 이 불필요하다- BT BT section section .

급전방식의 특징1. AT

전기철도에 의해 발생하는 교류전계 및 자계의 영향을 받아서 통신설비에는 전압이 발생하

게 되며 이 현상을 유도라 한다 즉 통신시설은 수 정도의 에너지를 전송하는데 비. , 10mW

해 전철설비는 수 라는 대전력을 급전하게 되어 이 양자가 근접하여 병행 시설1,000[KVA]

되어 있을 경우 특히 급전회로는 구성상 을 전류의 귀로도체로 이용하고 있으므로, AT Rail ,

과 대지가 접해있어 귀로 전류의 일부가 대지로 누설된다 이렇게 대지에 누설된 전류Rail .

는 인근의 통신설비에 유도 발생하게 하며 이 전류가 전철의 유도원이 된다.

한편 통신측면에서의 특징은 부하전류가 양쪽 가까운 에서 공급되어 통신선에의 진자유AT

도 전압을 감소시키기 때문에 통신유도 특성이 좋은 것으로 알려져 있으나 전차선 레일(T),

급전선 이 직렬로 연장된 선조를 수 간격으로 단권 변압기 를 직렬로 연결(R), (PF) 3 , km (AT)

한 복잡한 사다리형 회로망이기 때문에 종래 채용되어져 온 급전방식과 같이 간단히 회BT

로의 특성을 산출 이해하는 것은 곤란한 것으로 보고되어 있다, .

- 94 -

급전방식의 전류분포와 유도2. AT

급전방식은 방식의 부급전선 대신에 정급전선 을 또는 급상변압기AT BT (Positive feeder) ,

대신에 단권변압기 를 설치하고 변압기 단을 선에 다른 단을 에 중성(BT) (AT) 1 T(trolly) , PF ,

점은 에 접속한 것으로 와 간에 선차 부하전압의 배의 전압 이 인가되며Rail T PF 2 (50,000V)

전차는 변압기의 단과 중성점간의 전압 으로 그림 과 같이 기동하게 된다1 (25,000V) ( 4-3) .

그림 급전회로( 4-3) AT

급전방식에서는 일정간격마다 를 접속하기 때문에 전차를 사이에 두고 좌우로 존재AT AT

하는 양 에서 동시에 전차에 전류를 공급하게 된다 즉 열차를 사이에 두고 양측 개의AT . , 2

과 만이 있다고 하고 또 과 간의 선 및 의AT(ATn ATn +1) ATn ATn +1 Trolly , Rail PF

전압강하를 무시하면 그림 와 같은 전력분포가 된다( 4-4) .

- 95 -

그림 전력 분포( 4-4)

이 상태에서 통신선에 미치게 될 유도는 다음과 같다.

가 변전소와 사이의 유도. ATn

선의 전류가TrollyΙ₂2

전류는 전류가, Rai1 0, PF -Ι₂2이므로 통신선의 유도전류는

이 된다0 .

나 과 열차 사이의 유도. ATn

이 구간에 흐르는 전류는 및 경로의 전류이며 이 중 는 이 구간에서는 선과, , Trollyα β ∂ ∂

를 통하는 전류이므로 유도에는 직접관계가 없으며 경로 전류만인 것이다 그 결PF Loop , .α

과 유도에 기여하는 전류의 크기는Ι₂2가 된다.

다 열차와 사이의 유도. ATn +1

이 구간에 흐르는 전류는 와 경로의 전류로서 경로는 앞에서 설명한 이유로 유도에는β ∂ ∂

관계가 없다 그 결과 유도에 기여하는 것은 경로 전류이며 그 크기는. β -Ι₂2가 된다.

- 96 -

부호를 붙인 것은 과 앞 열차와의 유도에 기여하는 전류방향을 정방향이라고 정했기ATn

때문이다.

라 의 우 측. ATn ( )右

전류는 이므로 유도는 발생하지 않는다0 .

마 기유도전류의 축출 등가회로.

이상 간을 검토한 결과 유도에 관계없는 전류를 제외하면 유도에 기여하는 전류는①～④

부하전류의 만큼씩의 크기로서 그림 에서와 같이 좌우의 에서 열차로 향해 흐르1/2 ( 4-5) AT

게 된다.

그림 등가회로( 4-5)

바 급전선의 임피던스 및 의 내부 임피던스 영향. AT

그림 에 의하면 열차에 공급되는 전력은 그 좌우의 가 맡게 된다 즉 의 출력( 4-5) AT . , AT

은 차량의 최대부하의 이 필요하다 그러나 일반적으로 급전선간의 임피던스를 무시할1/2 .

수 없으므로 열차가 위치 부근에 있을 경우는 그 의 부담은 한층 더 크게 되며 열차AT AT

최대부하에 가까운 출력이 요구된다.

이 용량은 대단히 큰 것으로서 고가이며 또한 그의 점유장소도 무시할 수 없으므로 에, , AT

적당한 내부 임피던스를 갖게 하여 양측 개의 만이 아니고 약 마다 설치된 주위, 2 AT 10km

의 에서 부하를 부담하게 하는 방안이 고려되었다AT .

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즉 열차부하에 비해서 상대적으로 적은 용량의 를 사용하기로 하면 내부 임피던스, AT AT

누설 임피던스 는 유한성이므로 유도에 기여하는 전류는 그림 과 같이 차량의 양단( ) ( 4-6) ,

만이 아니고 부근의 모든 에서 흐르게 된다AT , AT .

따라서 유도구간을 사이에 한정할 수 없게 되어 유도예측은 복잡하게 된다ATn - ATn+1 .

또한 부하위치에서 전류분포가 변화하므로 어느 위치에서 유도전압이 최대로 된다고는 간단

히 결정하기 어렵다.

그림 유도 전류( 4-6)

제 절 급전회로의4 AT Amp.km

전기철도에서는 을 귀로로 하고 있어 대지간의 누설 콘덕턴스를 통하여 일부의 전Rail Rail-

류가 대지로 유입 유출한다 이 전류 기유도 전류 는 분포 정수적이므로 기유도 전류는 대, . ( )

수적으로 변화한다 이것을 나타내면 그림 과 같다. ( 4-7) .

그림 에서 대지로 누설되는 누설전류 기유도 전류 의 지점의 값을 라 하면( 4-7) ( ) (X) I(X) ,Ι

가 된다 따라서 소구간 까지의 는 식 과 같다(X)=/ - (X) . ( - ) Amp. km (4.1) .Ι Ι ι ι₁ ₂ ₁ ₂

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이것은 소구간 의 의 평균치를 표시하고 있다( - ) Amp. km .ι ι₁ ₂

그림 대지 누설전류( 4-7)

그림 은 극히 일반적으로 기유도 전류를 표시한 것이며 급전회로의기 유도전류는( 4-7) AT

그림 과 같이 복잡하게 나타난다( 4-8) .

그림 의 부하위치는 급전회로의 시작단 중앙 종단 부근의 점의 경우를 표시한 것이( 4-8) , , 3

며 이것으로 급전회로 각 점의 기유도 전류는 부하위치에 따라서 변화하는 것을 알 수 있

다 그림 의 경우는 급전회로를 소구간으로 분할하고 각 구간의 는 그림.( 4-8) Amp. km ( 4-7)

의 경우와 같이 구할 수 있으므로 각 부하점의 전류가 주어지는데 따라 각 구간마다 급, AT

전회로의 를 정량적으로 표시할 수 있다Amp. km .

- 99 -

그림 급전회로의 기유도 전류( 4-8) AT

그림 는 를 산출하는 부하위치와 구간번호 소구간 를 표시한 것이다( 4-9) Amp. km ( ) .

그림 부하위치와 구간번호( 4-9)

- 100 -

그림 의 부하 전류치에 있어서 부하위치를 의 각 구간 의 를 각각( 4-9) a 1,2,3... Amp. km

로 하고 부하위치의 의 경우 각 구간에 발생하는 를 각각, , ... b , Amp. km b , bα α α₁ ₂ ₃ ₁

와 같이 각 부하위치에 있어서 각 구간의 를 표시하면 표 과 같이, b ... Amp. km < 4-1>₂ ₃

정리된다 표 의 을 구간 라 한다 또 각 부하. < 4-1> an, bn, cn...(n = 1, 2, 3...) Amp. km .

위치의 구간 의 총합을 전 라하며 부하위치의 전 는 식 가Amp. km Amp. km Amp. km (4.2)

된다.

표 의 표시< 4-1> Amp. km

부하위치구간종류번호

a b c d …

a 1 a₁ b₁ c₁ d₁ …

b 2 a₂ b₂ c₂ d₂ …

c 3 a₃ b₃ c₃ d₃ …

d 4 a₄ b₄ c₄ d₄ …

ꀟ ꀟ ꀟ ꀟ ꀟ ꀟ ꀟ

따라서 표 의 값을 단위 당 값으로 하는데 따라서 계산식에 의거 통신선< 4-1> Amp. km km

의 유도전압을 구할 수 있다 또 잡음전압에 대하여도 의 를 이용하게 됨에. 80 Amp. km

따라 동일하게 계산된다 또 는 주파수에 따라 결정되는 정수이므로 미리 의 수표. , Amp. kmω

에 포함시킨다 의 단위는 이므로 통신선과 급전회로의 은 값이 되는 것으로. M H/ M H/μ

유도전압 에 대하여는(V) 10-6 잡음전압 에 대해서는, (mV) 10-3을 에 포함해서 계산Amp. km

하게 되므로 의 단위 값을 직접 사용한다M H/ .μ

- 101 -

제 절 유도전압 예측 계산5

유도전압 예측계산 방법1.

급전방식의 교류전철화구간에 근접된 통신선에 미치는 유도장해는 방식에서 흡상변AT , BT

압기와 흡상선간마다 기유도 전류가 한정되는 것과 비교할 때 급전방식에는 와 부, AT AT

하간 외에도 기유도 전류가 분포되며 또한 부하위치에 따라 기유도 전류의 분포가 변화하,

므로 유도전압 잡음전압의 예측계산은 복잡하게 된다, .

그러나 급전방식에 있어서 통신선로 길이가 짧고 급전구간의 소구간 내에 존재할 때는AT

그 구간에 있어서 기유도 전류 중 부하이동에 발생하는 기유도 전류의 최대치를 사용하여

예측계산을 한다 그리고 통신선의 길이가 소구간으로서 수 개구간에 걸쳐있고 또 급전회로.

에서 이격 거리가 다를 때는 부하 이동에 따라 각 구간에서 발생하는 기유도 전류와 통신,

선의 통신선로 전체길이의 유도전압 잡음전압이 최대로 되는 부하위치의 기유도 전류를 사

용하여 예측계산을 한다.

또한 급전회로전류가 각 부하위치에 따라 다를 경우 이것을 포함하여 다음체신부고시 사항

을 적용하여 예측 계산을 한다.

체신부고시 제 호 제 조 항72 4 2ㆍ ①

단권 변압기 급전방식의 교류전철에 의한 유도전압 예측계산식

가 지락시 유도위험전압.

- 102 -

나 상시 유도 종전압.

단선 전철1)

복선전철2)

VL 합성 상 하( ) = V ( ) + V ( ) ( 4.5 )₁ ₂

다 유도잡음 전압.

단선전철1)

복선전철2)

급전회로의 기유도 전류와 유도전압의 관계2.

일반적으로 급전회로에 흐르는 기유도 전류에 대하여 급전회로와 평행 하는 통신선로의 전

자유도 전압은 급전회로 각 선조에 흐르는 전류와 급전회로와 통신선의 상호 인덕턴스의,

곱 즉 선조 전류에 의한 유도전압의 벡터 합으로 표시한다, .

- 103 -

그림 은 급전회로의 각 선조 에 흐르는 전류와 각 선조와 통신선과의 상호( 4-10) (1, 2, 3)

인덕턴스를 각 구간마다 각각 동일 이격 거리에 있는 것 평균거리 으로서 그림 에 표( ) ,( 4-10)

시한 통신선과 급전회로 각 선조의 이격 거리가 어느 정도 크면 식 이 성립된다, (4.7) .

M C₁ ≒ M C₂ ≒ M C = M ( 4.8.a )₃

M' C₁ ≒ M' C₂ ≒ M' C = M ( 4.8.b )₃

M" C₁ ≒ M" C₂ ≒M" C = M ( 4.8.c )₃

그림 급전회로 전류와 통신선과의 관계( 4-10)

통신선의 의 유도전압 은 식 와 같으며 통신선 전 길이' , ' , ' Vm1, Vm2, Vm3 (4.9)ℓ ₁ ℓ ₂ ℓ ₃

에 대한 유도전압은 식 이 된다(4.10) .

- 104 -

즉 통신선이 급전회로의 부근에 있을 경우를 제외하면 통신선의 유도전압은 각 구간에 의,

한 식에서의 과 각 구(1 + n + m) ' , ' (1 + n' + m') ' , " (1 + n" + m") 'Ι Ι Ι₁ ℓ ₁ ₁ ℓ ₂ ₁ ℓ ₃

간의 급전회로와 통신선과의 상호 인덕턴스의 곱의 전체 합에 의해서 구한다 여기서.

는 급전회로 각 선(1 + n + m) ' , ' (1 + n' + m') ' , " (1 + n" + m") 'Ι Ι Ι₁ ℓ ₁ ₁ ℓ ₂ ₁ ℓ ₃

조의 벡터 합과 각각의 구간에 있어서 단위 길이당 의 곱이며 는 식 와 같km Amp. km (4.11)

으며

- 105 -

이때 식 은 식 가 된다(4.10) (4.12) .

여기서 (1 + n + m) = (Amp, Km)Ι₁ ℓ₁ ₁

이라 한다면 식 이 성립하고" (1 + n" + m") = (Amp, Km) (4.13)Ι ₁ ℓ₃ ₃

유도진압 은 식 가 된다Vm (4.14) .

또 급전회로에 흐르는 전류의 고조파에 의한 통신선의 잡음전압은 급전회로를 기준으800

로 하면 각 고조파에 대한 잡음평가 계수 에 고조파전류 을 곱한 것에 제곱한 합의 평Sn In

방근 즉 등가 방해전류는 식 와 같다, (4.15) .

- 106 -

단 통신회선이 케이블인 경우는 나선인 경우는 는 기본주파수 은, Hn = 1, Hn = fn/800 (f n

고주파차수 에 대하여 를 알게 되면 유도전압의 계산과 같이 잡음전압을 구할 수) Amp. km

있다 즉 급전회로 정수 및 급전회로와 통신선과의 상호 인덕턴스를 시의 값을 사용하. , 800

는데 대한 잡음전압 은 식 이 된다Vn (4.16) .

Vn = j M800(Amp. 800)' k + j M' 800(Amp. 800)' k + jω λ ω λ ω ₁ ㆍ ₂ ㆍ

M'800(Amp. 800)' k (4.16)λ ₃ ㆍ

단, (Amp. 800)' = Jp (1+ n 800 +m 800) ' ₁ ℓ ₁

(Amp. 800)' = Jp (1+ n' 800 +m' 800) ' ₂ ℓ ₂

(Amp. 800)' = Jp (1+ n" 800 +m" 800) ' ₃ ℓ ₃

통신회선의 평형도=λ

각종 차폐계수k =

따라서 식 은 식 과 관계되어 식 이 된다(4.16) (4.13) (4.17) .

Vn = j M800(A800) k + j M' ' 800(A800) k + j M" 800 ' (A800)ω λ ω λ ω λ₁ ㆍ ℓ ₂ ₂ ㆍ ℓ₃ ₃ ㆍ

k (4.17)

식 또는 식 에 표시되는 바와 같이 급전회로에 의한 통신선의 유도전압 잡음전압(4.14) (4.17) ,

은 급전회로의 부하위치에 따라 정하여진다 급전회로 각 구간의 기본파 전류 또는 등가 방.

해전류의 단위 당 를 알고 급전회로와 통신선의 상호 인덕턴스 을 알게 되면km Amp. km M

구할 수 있다.

- 107 -

유도전압 계산식3.

가 상시 유도종 전압의 합성.

단선열차의 합성1)

합성V ( ) = Vf (4.18)ｆ

복선열차의 합성 동일 급전구간 내2) ( )

합성 상 하 상 상 하V ( ) = V ( ) + V ( ) = 2V ( ) [ V ( ) =V ( )] (4.19)ｆ ｆ ｆ ｆ ∵ ｆ ｆ

나 유도잡음 전압의 합성.

단선열차의 합성 동일 급전구간 후속열차 포함1) ( , )

합성 추속 열차 합성치Vn ( ) = Vn×1.3 ( ) (4.20)

복선열차의 합성 동일 급전구간 후속열차 포함2) ( , )

다 예측계산상의 기본사항.

- 108 -

유도전압 예측계산 대책범위는 전철 궤조를 중심으로 이격거리 좌우측 이내로서1) 0.5km ,

교류전철시설과 전기 통신시설이 이상 병행하는 경우를 대상으로 한다1km .

통신선로가 개 급전구간 이상에 걸쳐 병행할 경우 각 급전구간마다 구분하여 계산한다2) 2 .

예측계산의 유효수자는 소수점이하 자리까지로 하고 자리이하는 생략한다3) 3 4 .

상시유도종전압 예측계산의 경우는 의 최대치와 의 최소치를 구한다4) + - .

제 절 예측계산에 이용되는 차폐계수6

차폐계수란 선 또는 통신선에 근접된 도체가 양단이 접지 되어 있을 때 이 도체에 유Trolly

도전류가 흘러 통신선의 유도전압을 경감시키는 효과를 가지는 계수이다.

전차차폐선의 차폐계수1. : K1

전차선로에 차폐선을 기설 한 경우 이 차폐선에 의해 경감되는 유도전압을 계수로 표시하며

계수의 산출식은 식의 식을 이용하여 계산한다Carson-Pollaczek L, M .

K₁ =1-Z₁₃Z₃₃

( 4.22 )

Z13 와 전차 차폐선과의 대지귀로 상호 임피던스: Trolly

Z33 전차차폐선의 대지귀로 자기 임피던스: ( / )Ω

- 109 -

가 차폐선을 조 가설한 경우. 1

나 차폐선을 조 가설한 경우. 2

: 800 , =2 f K=2ω π πｆ 2ｆб

가공지선 조의 경우 선과 각 지선의 기하평균거리d : 2 T (cm)₂

가공지선 조의 저항T : 1 ( / )ε Ω

αs 가공지선: (cm)

bs 가공 지선 간의 간격: (cm)

가공 지선의 비투자율 대지 도전율: , :μ σ

전기통신선의 차폐계수2. : K3, K3n

전기통신선에서 차폐층을 갖는 케이블의 양단을 저저항으로 접지 하면 이 차폐층은 케이블

심선이 받는 유도전압을 경감시킨다 이와 같이 케이블의 차폐층이 경감시키는 유도전압의.

경감계수를 전기통신선의 차폐계수라 하며 이 차폐계수는 통신선의 외피 관로 등 전기통신,

선의 종류와 기본주파수 와 잡음주파수 에 따라 종류로 각각 그 값을 달리(60Hz) (800Hz) 2

하므로 값을 변화시키는 각각의 조건에 따른 구분을 해야 한다.

- 110 -

전기통신선의 차폐계수는 산출식을 이루고 있는 변수들의 적용과 기준 정립이 어려우므로

체신부에서 고시하는 고시 값을 적용하며 일반적인 계수의 산출식은 식 와 같다, (4.25) .

K = (Z₃ 33-Z23) /Z33 ( 4.25 )

Z33 차폐회로의 대지귀루 자기 임피던스:

Z23 통신선과 차폐회로간의 대지귀로 상호 임피던스:

터널의 차폐계수3. : K4

터널은 대부분 높은 산중을 통과하므로 두꺼운 토양에 의한 차폐효과를 생각할 수 있고 터

널을 구성하는 철근도 일종의 차폐체가 된다 이 차폐 효과에 관한 계수를 터널차폐계수라.

하며 각 터널의 구조와 깊이가 각각 다르기 때문에 그 계수의 적용은 일반적으로 터널 부,

근의 대지 도전율과 터널의 길이에 따라 구분 적용한다.

터널 차폐계수는 터널의 길이가 이상 연속해서 있을 경우에 대해서만 적용되며 그500m

산출식은 다음과 같다.

- 111 -

Zi : 임피던스

전차선 레일 철골: , ,ʝ

고가차폐계수4. : K6

고가의 형성을 이루는 성토부분과 철근콘크리트의 철근이 일종의 차폐체가 된다고 생각된

다 그리고 터널차폐계수와 같이 고가의 길이와 부근의 대지 도전율에 따라 각기 다르므로.

그에 따라 계수를 다르게 적용하며 계산식은 식 과 같다, (4.27) .

Z13 전차선과 철골의 대지귀로 상호 임피던스:

Z12 전차선과 레일의 대지귀로 상호 임피던스:

Z23 레일과 철골의 대지귀로 상호 임피던스:

Z22 레일의 대지귀로 자기 임피던스:

Z22 레일간의 대지귀로 상호 임피던스:

Z33 철골의 대지귀로 자기 임피던스:

케이블 조수에 의한 유도저감 계수5. : K7

유도 예측대상 구간의 지하의 동일 에 포설 된 케이블이 여러조일 경우 케이블 각 조Route

에 받는 유도전압은 경감된다 이와 같은 경감계수를 케이블 유도경감계수라 하며 케이블조. ,

수에 의한 차폐계수는 케이블 조수에 따라 값을 달리하고 또 케이블의 종별에 따라 값이 달

라 정밀한 계산은 어려우나 대략적인 계산은 식 과 같다(4.28) .

- 112 -

지하케이블의 경우 Re1 + Re2=O

케이블 시스 개의 직류저항rs : 1

케이블 시스 개의 자기 리액턴스Xs : 1

케이블 상호간의 시스 상호 리액턴스Xn :

케이블의 조수n :

케이블의 궁장: (km)ℓ

타궤조에 의한 차폐계수6. : K8

전철 레일의 부근에 타전철 궤조가 이내에 있을 경우 타궤조는 차폐신의 효과를 가지300m

고 있어 유도전압을 경감시키며 그 효과는 전철레일 및 타 궤조가 병행하고 있는 거리와,

타궤 조수에 따라 차폐효과가 달라진다 운 일반적으로 식 에 의해 구해진다. K8 (4.29) .

Z33 타궤조의 대지귀로 자기 임피던스:

Z21 전차선과 통신선의 상호 임피던스:

Z33 통신선과 타궤조의 상호 임피던스:

Z31 전차선과 타궤조의 상호 임피던스:

여기에서 Z21, Z13, Z33 등의 상호 임피던스 Zm은 식 이며(4.30) ,

- 113 -

상호간격d : (m)

자기 임피던스는 레일의 표피작용 때문에 Zi이 생겨 단선일 경우는 식 이 된다(4.31) .

궤조의 등가 반경r : (m)

궤조폭p :

Zi 궤조 개의 내부 임피던스: 1

Zi ≒ Ri + j Lω

베셀 정수r : 1.7811 ( )

중계회선의 차 잡음7. n

전송 주파수를 수 에서 수 이상 사용하는 중계회선의 경우 주파수는 차폐계수에10 100

반비례하는 관계를 적용할 필요가 있으므로 통신선의 차폐계수 (K3 를 적용할 때 선로종별)

에 따라 차 잡음 계수를 추가한다n .

제 절 유도전압 합성7

상시유도전압의 합성1.

복선전철 구간의 유도전압 예측계산은 상행선 하행선별로 계산한 유도전압을 합성하여야,

한다.

- 114 -

이때 상 하행선에 공급되는 전원이 동위상이면 벡터 합과 산술적 합이 같게 되므로 유도전ㆍ

압은 상행선 또는 하행선 의 배가 된다( ) 2 .

유도잡음전압의 합성2.

가 급전 구간내에 개의 열차부하가 있다면 그에 따른 유도전압은 당연히 단일부하에 대. 1 1

한 값이 된다 그러나 급전 구간내에 여러 개의 열차부하가 있을 경우 부하에 대한 조건을. 1

사정하기란 매우 어렵다 왜냐하면 급전 구간에 다수의 열차부하가 존재할 때 다수부하의. , 1 ,

경우가 꼭 단일부하보다 증가한다고 볼 수 없으며 다수의 열차부하들이 서로 영향을 받아,

서 역으로 적어질 수도 있기 때문이다 단일 급전구간 단일 선로에 기본 열차부하 외에 후. ,

속 열차부하가 등장했을 때 부하수에 상관없이 가량 증가하는 것으로 계산한다30% .

나 복선전철 구간의 유도잡음 전압의 합성은 상 하행선 각각의 유도잡음 전압을 모두 기. , ㆍ

본파 에 대한 고조파로 생각하여 고조파의 합성식으로 계산한다 즉 상행선과 하행선(60 ) . ,

의 유도잡음 전압을 벡터 합하여 총 유도잡음전압을 구한다.

다 복복선의 경우도 복선의 경우와 같이 고조파 합성식으로 구한다. .

급전 구간에 걸치는 통신선의 유도전압 합성3.

국내 전철의 급전회로구성은 각 전차선별에는 상관없이 변전소를 기준으로 급전전압 위상을

달리 하므로 통신선이 급전 구간에 걸쳐 포설되어 있는 경우에는 각 급전구간의 전압치를2

산출한 후 벡터 합으로 합성한다.

이상시 유도 급전전압은 전차선 지락사고시 유도전압으로 이에 대한 합성은 필요치 않4.

다.

- 115 -

제 절 전기철도에서의 유도대책8

교류철도에서의 유도대책에는 이상시 유도 위험전압 상시유도 종전압 유도잡음 종류의, , 3

유도에 대한 대책을 고려하여야 한다 이들 종류의 대책은 반드시 동일하지 않으므로 주의. 3

를 요하게 된다 또한 교류전철에서의 유도장해는 선로형식 종별 회선종별 국내설비. , Cable , ,

및 기유도 조건에 대하여 상이하므로 대책방안에 대하여는 선로설비 국내설비( ) ,局內設備

등을 고려하여 경제적으로 대책방안이 수립되어야 한다.

일반적인 대책방안1.

가 철도측의 대책.

의 간격을 가급적 좁게 한다1) AT .

전기차의 고조파 함유율이 작아지도록 차상에 양호한 필터를 설치한다2) .

선과 병행하여 차폐선을 포설 한다3) Trolly .

나 통신선측의 대책.

차폐선을 포설 한다1) .

통신회선의 대지에 대한 임피던스를 높이고 평형도를 개선한다2) .

통신선의 차폐계수를 감소시킨다3) .

통신선의 경로 를 변경한다4) (Route) .

접지시설을 보강한다5) .

기유도원의 주파수영향이 적어지게 전송방식을 변경한다6) .

를 삽입한다7) NT(Neutral Transformer) .

- 116 -

선로대책 방법2.

가 시내선로.

나선 가공 케이블1) , SD wire,

차폐층이 있는 케이블로 교체한다- .

지하 케이블화 한다- .

경로를 변경한다- .

상기 항의 대책을 행하여도 제한치를 초과하는 경우에 당해 회선이 회선 정도인 경우- 10

에는 유도전압선륜 사용을 고려한다.

를 삽입한다- NT .

지하 케이블2)

차폐선을 포설한다- .

접지를 보강한다- .

통신선의 차폐계수를 감소시킨다- .

경로를 변경한다- .

나 시외선로.

시외 케이블 선로1)

개설이 가공케이블일 경우 지하 케이블화한다- .

차폐선을 포설 한다- .

개설이 지하케이블일 경우 차폐계수가 적은 케이블로 교체한다- .

경로를 변경한다- .

상기 항의 대책을 행하여도 제한치를 초과하는 경우에 당해 회선 회선 정도의 경우는- 10

유도제압선륜 사용을 고려한다 단 잡음전압에 한하여 유효.( , )

를 삽입한다- NT .

- 117 -

동축케이블 선로2)

단말 교환기의 신호방식 변경-

다 국내기기 등에 의한 대책방법. ( )局內器機

교환기 등에 의한 대책1)

가 다이얼 방식을 사용할 경우 다이얼 방식으로 변경한다) DC CXD, DXD, AC .

나 교환기회로의 일부변경 릴레이 조정 등에 의한 대책도 고려한다) , .

전송기기에 의한 대책2)

가 음성방송중계선 음성회선 또는 중계기가 포함된 회선은 유도장해가 적은 반송회선에) ,

수용한다.

나 직류전신회선은 화 또는 반송전신화 한다) Loop .

라 차폐선 포설.

유도 예측계산과 대책설계 결과 유도대책 방안 중에서 전철측의 대책방안인 선과 병Trolly

행하여 차폐선을 포설하는 가장 경제적이고 효과적인 차폐선 포설 구간을 정한다.

- 118 -

제 장 고속철도 도입에 따른 전력유도 문제5

점 및 대책

- 119 -

제 장 고속철도 도입에 따른 전력유도 문제점 및 대책5

제 절 고속철도의 부하 특성1

장에서 언급하였듯이 지상설비 차량 운전제어의 각 분야에서 최고의 기술을 적용한 근대4 , ,

화된 고능률의 시스템이 전기철도이므로 일반 중 저속용의 전기철도와는 다른 특징을 나타ㆍ

내게 된다 다음은 경부고속전철에 투입되리라고 예상되는 차량의 유도특성을 나타내고 있.

다.

최근의 고속철도의 동력과 구동시스템은 컨버터와 인버터로 구성되어 있다1. .

이러한 컨버터와 인버터는 위상제어 및 펄스폭 변조방식에 의하여 제어되기 때문에 고조파

를 발생시킨다.

또한 고속차량의 제어방식이 위상제어방식에서 펄스폭 변조방식으로 변화함에 따라 종래2.

의 방식에서 저차수 고조파가 많이 발생했으나 최근방식에서는 차 이상의 고차고조파가 많20

이 발생하고 있다 또한 위상제어방식에서는 발생하지 않는 짝수차 고조파가 발생하고 고조. ,

파 전류도 기본파 전류에 비례하지 않고 거의 일정량 발생하는 등의 특징이 있다.

최근에 적용되는 고속차량은 대부분 회생제 등을 채택하는 추세이며 제동에 의해 발생된3.

회생전력을 전원측에 공급한다 따라서 제동 성능은 좋으나 역시 인버터 컨버터에 의해 전. ,

기회로에 고조파를 발생시킨다.

지금까지의 전기철도용 차량은 역률이 좋지 않으며 전기요금 절감을 위해 역률4. (70-80%)

개선이 필요했다 그러나 최근의 고속 차량은 역률이 거의 이기 때문에 역률 개선의 필요. 1

성이 없으며 전압변동 전압강하도 비교적 작은 잇점이 있다, ,

- 120 -

고속차량이 투입된 급전회로는 선로의 대지정전용량 때문에 고차에서 공진을 하고 차량5. ,

이 고차고조파를 공급할 경우 선로 공진에 의해 신호 통신계통에 유도장해를 줄 가능성이,

있다 따라서 최신의 차량을 채용하는 경우 고차고조파의 발생에 따른 공진의 검토를 상세.

히 할 필요가 있다.

제 절 급전방식에서의 문제점2 AT

급전방시에서는 선로 전류가 대단히 복잡한 형태로 흐르기 때문에 간단한 식으로 전류AT

분포를 계산하는 것은 불가능하다 따라서 고시상에 정의된 계산에 필요한 궤조효과. Amp. ,

전차선 전류 분류효과 등을 급전회로에서는 계산하기 곤란하고 권 절의, AT , CCITT 5.3Ⅲ

다도체 계산법은 합리적이고 보편적인 복잡한 전류 분포를 가진 회로에 적합하다 따라서.

본 절에서는 권 다도체 계산법을 이용하여 를 정의한다CCITT Amp. .Ⅲ

도체수m :

구간의 길이D : A [ ]

In 도체 에서의 전류: (n)

계산용 계수 산출식1. Amp.

권 절 및 권 절을 참조로 하여 계산에 필요한 계수식을 산출한다CCITT 5.3 3.2 Amp. .Ⅲ Ⅳ

가 구간 에서의 전류 벡터. (k) : [ I ]k

- 121 -

권 절의 다도체 계산법에서의 전류 계산식은 식 와 같다CCITT 5.3 (5.2) .Ⅲ

[ ]Ι k = [Z] - 1k [[V]k -[V]k+1, 구간 번호K=1, 2, N ( ) ( 5.2.a )…

구간의 갯수N :

[ ]Ι k 구간 에 있는 길이 방향 전류 벡타 전체 선로에 있는 전류는 개의 벡터: (k) : (N-1) [ ]Ι k

로 표시되고 각 벡터는 구간 에서의 각 도체 의 전류(k) (i) 가 개로 구성된다m .

도체수m :

[V]k 부하 위치 에 있는 전위 벡터 모든 전위는 개의 벡터; (k) : (N) [V]k로 구성되며 각 벡

터는 부하 위치 에 있는 도체 전위인(k) (i) 가 개로 구성된다m .

도체 수m :

[Z]k 구간 내의 임피던스 행렬 전 임피던스는 항으로 구성된 행렬; A (k) : m×m [Z]k를

개로 표시된다(N-1) .

- 122 -

구간 에서의 도체 의 자기 임피던스: (k) (i)

구간 에서의 도체 와 도체 사이의 상호 임피던스: (k) (i) (j)

나 부하위치 에 있는 전위 벡터. (k) : [V]k

부하 위치 에서의 전위 벡터는 식 의 관계식으로부터 구한다(k) (5.2) .

- 123 -

[G]k 부하위치 에 삽입된 공급 및 유기 된 전류원의 벡터 모든 전류는 개의 벡터; (k) : (N)

[G]k로 표시되며 각 벡터는 부하위치 에 있는 도체 에 삽입된 공급 및 유기 된 전류원(k) (i)

가 개로 구성된다m .

[Y]k 부하 위치 에서의 어드미턴스 행렬 전 어드미턴스는 각각 항으로 구성된: (K) : m×m

행렬 [Y]k를 개로 표시한다(N) .

부하 위치 번호k=1,.....,N-1 ( )

구간 에서의 도체 의 자기 어드미턴스: (k) (i) ;

구간 에서의 도체 와 도체 사이의 상호 어드미턴스: (k) (i) (j)

다 구간 에서의 임피던스 행렬. A (k) : [Z]k

도체의 자기 임피던스 및 상호 임피던스는 권 장에 있는 공식CCITT 4 Carson-PollaczekⅡ

으로부터 구한다.

- 124 -

도체의 자기 임피던스l)

Zii 도체 의 자기 임피던스; (i)

대지귀로 전류의 등가 깊이:

대지 비저항:ρ

도체의 등가 반경' :γ

도체의 상호 임피던스2)

dii 도체 와 도체 사이의 거리; (i) (j)

라 부하위치 에서의 어드미턴스 행렬. (k) : [Y]k

선로 어드미턴스 행렬1)

[Y]c = I × [Pω ij]-1 단위거리당( ) ( 5.5.a )

도체 의 자기 전위계수: (i)

도체 와 사이의 상호 전위계수: (i) (j)

ri 도체의 반경:

hi 대지에 대한 도체 의 높이: (i)

dij 도체 와 도체 사이의 거리: (i) (j)

Dij 도체 와 도체 의 영상과의 거리: (i) (j)

- 125 -

K0 = =18 10ㆍ 6 [ /F]

여기서ε0= 109 은 자유공간의 유전율이다/36 [F/m] .π

열차 부하2) [Y]car 행렬

전차선과 레일 사이에 전차가 있을 때의 등가 어드미턴스 행렬은 다음과 같다.

Zcar 전차부하 등가 임피던스:

YCC 전차선의 자기 어드미턴스:

YCR = YRC 전차선과 레일 사이의 상호 어드미턴스:

YRR 레일의 자기 어드미턴스:

단권 변압기3) (AT) [Y]AT 행렬

단권 변압기가 전차선 정급전선 간에 삽입된 경우 단권 변압기의 특징으로부터 다음, , Rail ,

행렬식이 구해진다.

YCP = YPC 전차선과 사이의 상호 어드미턴스: PF

YPP 의 자기 어드미턴스: PF

YRP = YPR 레일과 사이의 상호 어드미턴스: PF

- 126 -

의 누설 임피던스 차측 환산값Zg : AT (2 )

의 권선비, : ATω ω₁ ₂

T₁=w₁

w₁+w₂,T₂=

w₂w₁+w₂

전원점 행렬 및 벡터4) [Y]ss [G]ss

전원점으로서는 중성점 접속가능 한 급전용 변압기를 포함한 등가회로를 고려한다 급전용.

변압기의 차 차의 권선비는 로서 한다1 2 1:1 .

Z0 전원계통의 임피던스:

차측의 급전용 변압기의누설 임피던스: 1ℓ₁

차측의 급전용 변압기의 전차선 쪽의 누설 임피던스: 2ℓ₂

차측의 급전용 변압기의 쪽의 누설 임피던스: 2 PFℓ₃

Zn 중성점의 접속 임피던스:

ω1, ω2 중성점의 접촉 임피던스:

- 127 -

T₁=W₁

W₁+W₂,T₂=

W₂W₁+W₂

벡터 는[G]ss

V0 차측의 전원: 1

레일의 접지5) 행렬

레일이 접지 되어 있을 때의 어드미턴스 행렬은 식 와 같다(5.5e) .

레일의 접지 저항;

레일과 보호선 의 연결6) (PW) : 행렬

레일과 보호선이 연결되어있을 때의 어드미턴스 행렬은 식 와 같다(5.5f) .

- 128 -

레일과 보호선 사이의 상호 어드미턴스:

보호선의 자기 어드미턴스:

레일과 보호선 사이의 접속 저항:

단락 고장을 다루는 방법7)

와 가 단락 고장이 발생하였을 때 전류 및 전위의 관계식은 다음과 같다Line(i) Line(j) .

이 관계식으로부터 행렬을 수정한다 여기에서 는 단락이 않된 때의 행렬을 표시[Y]- . Y [Y]-

한다.

제 절 고속철도 시스템과 관련된 고조파 유도3

전자파 장해 모델1.

철도 신호 장치와 연관된 전자파 장해 잡음원 영향을 받는 대상 전자파 진달 경로, ,

는 그림 과 같이 분류할 수 있다(Coupling medium) ( 5-1) .

이러한 전자파 장해원 으로부터 발생되는 전자파는 전력선을 따라 전달되는 도전성(Source)

잡음 과 공간을 따라 방사되는 방사성 잡음 으로 구분되(Conductive noise) (Radiative noise)

고 이 잡음들은 자체 시스템인 차상장치 와 지상장치인 궤도회로 연동장치 그리고 유ATC ,

무선 통신설비에 영향을 주게 된다.ㆍ

도전성 잡음으로 신호 시스템에 영향을 주는 대표적인 현상은 레일로 흐르는 귀선 전류의

고조파 성분을 들 수 있고 방사성 잡음으로는 전차선 및 인접 고압송전선의 전압에 의한,

정전유도 장해 와 전류에 의한 전자유도 장해(Capacitive Interference) (Inductive

그리고 집전 장치와 전차선 사이 아크에서 발생되는 대역의 무Interference), 170-450

선전파 장해가 대표적으로 고속전철 시스템내부에서 발생되는 전자파이다.

- 129 -

보다 구체적인 고속철도 시스템의 전자파 환경장애 요인은 다음 그림 와 같다( 5-2) .

그림 잡음원 전달 경로 장해대상의 분류( 5-1) ,

그림 전자파장해 잡음원( 5-2)

고속철도에서 고조파2.

고속철도에 있어서 전력변환장치는 동력 트랜지스터 다이오드 등 동력 장치를 사용, , GTO

하는 회로와 주행의 회전력을 공급하여 가 감속을 가능케 하는 제어부 그리고 차내에 조, ㆍ

명과 냉 난방을 위한 전원을 공급하는 보조전원 장치로 구성된다.ㆍ

- 130 -

본 절에서는 전력용 스위칭 소자를 사용하는 전력변환장치 뿐만 아니라 전력시스템에서 발

생되는 고조파 전압 및 전류로 인한 영향 및 이에 대한 방지책에 대해 기술하기로 한다.

가 고조파의 발생원.

고조파란 어떤 주기 파형을 이루는 성분 중에서 시스템의 기본주파수의 몇 배수 주파수를

갖는 전압원이나 전류원이라 생각할 수 있다 이러한 고조파는 전력 변환시 뿐만 아니라 차. ,

량 운행시 와 팬터그래프 사이의 완전치 못한 접촉으로 스파크방진 등에 의해서 생Trolley

기게 된다.

전동기에 구동에너지를 공급하기까지의 전철에서 채택하고 있는 전력 변환시스템 AC/DC

컨버터 전압이나 링크전류 그리고 컨버터 즉 인버터로 구성된다, DC DC , DC/AC . AC/DC

컨버어터 즉 정류기의 경우 를 집전 하여 정류기를 전동차에 탑재하는 경우와 정류기를AC

지상에 설치하고 를 집전 하는 것으로 나눌 수 있다 그러나 두 시스템 공히 측과DC . AC

측에 모두 고조파를 발생시킨다DC .

나 고조파에 의한 장해.

발생된 고조파 전압 전류는 여러 가지 장해를 일으키게 된다 그러한 주된 젓들로는 근접, .

통신선에 잡음전압을 유기시키는 통신선 유도장해 전철의 부하전류가 레일을 통해 흐름으로

써 신호궤도회로에 오동작을 초래하는 신호장해 그리고 전원계통으로의 영향 등이 있는데,

그 종류를 보면 다음과 같다.

통신유도 장해1)

가 전자결합 잡음)

나 정전결합 잡음)

- 131 -

다 회로불평등 잡음)

라 귀선방식에 따른 유도장해)

신호장해2)

고조파전류가 차량의 위치를 감지하고 제어하는 시스템의ATC(Automatic Train Control)

신호계통인 궤도회로에 미치는 영향

전력계통에서의 영향3)

고조파전류의 교류계통으로의 유입에 따른 각종 기기들의 영향 및 현상

다 고조파 저감대책.

유도장해의 대책1)

잡음 필터의 종류 및 사용2)

가 형 라인 필터) L

나 형 라인 필터) T

다 형 라인 필터) π

전력 스위칭 회로에서의 회로 사용3) Snubber

정전 차폐형 변압기의 사용4)

제 절 고속철도 차량의 고조파4

차량의 고조파 발생 기구1.

- 132 -

가 인버터 제어에 의한 고조파 발생.

인버터에서는 싸이리스터의 스위칭에 따라 고조파 변조 동작을 행하므로 인버터부의GTO

입력 전류는 단속적인 펄스상의 파형이 된다 발생 고조파 성분으로는 원리적으로.

저차 고조파 인버터 기본 주파수의 배- --- 6n (n=1,2,---)

고차고조파 주파수의 배- --- Carrier 2n (n=1,2,---)

의 성분이 발생한다 차량과 비교하여 인버터 차량의 다른 점은. Chopper

저차 고조파가 발생하는 것1)

속도 인버터 주파수 에 따라 고조파 성분이 변화하는 것이다 따라서 특정한 속도역에서2) ( ) , . ,

고조파 성분이 커지므로 필터 정수의 선정이 중요하고 입력 필터가 약간 커진다 일반적으, , .

로 입력 필터는 리액터와 캐페시터에 의한 역 형 회로로 구성된다, L .

나 컨버터 제어에 의한 고조파 발생.

컨버터의 고조파 전류1) PWM

컨버터는 전원 측에 제어에 기인하는 고조파 전압 전류를 발생한다 그 고조파PWM PWM , .

분포는 종래의 싸이리스터 위상제어 정류기식 차량과 다르고 주파수가 높은 영역에서도,

의 변조 주파수에 기인한 고조파 성분이 존재한다 이 컨버터의 가선측에 발생PWM . PWM

하는 고조파 전류는 식 에 근거한다(5.6) .

- 133 -

여기서 는 고조파 주파수 는 반송 주파수 는 전원 주파수 은 컨버터 상, fh Hz, fc ( ), fs ( ) n

수 은 자연수 는 정의 기수이다 또한 전원 주파수 의기수차 주파성분이 발생한다, m , k . , fs .

식 에서 고조파 주파수 를 결정하는 요인으로는 반송주파수 및 컨버터상수가 있다 반(5.6) fh .

송파 주파수는 높은 것이 고조파 저역측에서 볼 때는 바람직한 것이지만 싸이리스터, GTO

의 스위칭에 의한 각종의 손실이 증대한다 스위칭주파수가 일정한 컨버터는 현상태. PWM

에서는 정도 로 하고 있다 한편 컨버터 상수는 차량에서 필요로 하는420Hz (7Pulse*60 ) . ,

출력 등으로부터 결정한다 전원주파수 가 반송파 주파수 가 컨버. fs 60Hz, fc 420 (7Pulse),

터상수가 인 경우 식 으로부터 고조파 전류의 주파수 는 식 로 표시된다2 , (5.6) fn (5.7) .

fh = 1680 m ± 60 k .....(2) (5.7)ㆍ ㆍ

따라서 의 상하에 측대파가 발생한다1.68.3.36 ---( ) .

고조파 저감방법2)

차 대분의 컨버터 대 상 에 의한 상 중 운전의 경우를 고찰한다 상 중 운전에서 컨M 1 1 (2 ) 2 2 . 2 2

버터의 반송파의 위상설정은 컨버터 상수 씩 이동시키는 방법이 일반적이다 따라,180/n(n: ) .

서 상 중 운전의 경우는 로 하고 있다 이때 식 과 같이 상하의 고조파전류, 2 2 90° . , (5.7) 1.68

성분이 제거되지 않고 남는다.

이 순환 고조파성분을 완전히 제거하는데는 컨버터의 상수를 늘리는 것을 생각할 수1.68

있다 따라서 편성의 대 상 의 컨버터의 반송파의 위상을 미소하게 이동시켜 고. , 5M5T 5 (10 )

조파 성분을 제거할 수가 있다 상 운전의 경우에 그 위상설정은. 10 0°,18°,36°,54°,72°,

를 생각할 수 있다90°,108°,126°,144°,162° .

- 134 -

고조파 특성2.

고조파가 레일에 귀선 전류 형태로 흐르고 이 고조파 전류가 신호 시스템에 영향을 주려면

다음과 같은 조건이 구비되어야 한다.

따라서 차량내의 주 변압기 차 출력단에 특정 주파수를 제거하기 위한 공진필터2 (Low pass

를 적용시키고 시스템과 상호 주파수가 중첩이 안되도록 설계단계에서부터 협조filter) , ATC

가 되어야 보다 신뢰성이 있는 신호 시스템이 개발될 수 있을 것이다 그럼 은 공진 필.( 5-3)

터의 한 예이다.

그림 차량내의 공진필터 구성 예( 5-3)

가 전기추진 동력장치 에서 발생되는 고조파가 차량내의 고. (Converter, Inverter, Chopper)

조파 제거 필터를 통하여 전차선 대지귀로로 유입되어야 한다.

- 135 -

나 이 유입된 고조파가 전차선 차상 변압기 차 대지 및 레일 귀로 변전소 차 전차. 1 2→ → → →

선으로 이루어진 루프 이 루프의 임피던스는 차량의 위치에 따라 변화한다 에서 직렬 공진( ) ,

병렬 공진 형태로 증폭되어야 한다.

위와 같은 조건을 고려할 때 방식의 전철에서는 스위칭 주파수가 고정되어 있음으로chopper

해서 사용 주파수를 스위칭 주파수에서 발생되는 고조파 대역을 피해서 설계ATC, chopper

하면 되었으나 차량에서는 스위칭 주파수가 연속적으로 발생되고 위에서 나 항의, VVVF )

공진 주파수 루프도 차량 위치에 따라 가변됨으로써 사용 주파수와 중첩되는 특정 주ATC

파수의 발생을 억제하거나 회피하기가 어려운 문제점이 대두되었다.

고조파 장해의 고려사항3. (UIC CODE IF 2/85)

UIC CODE IF 2/85(Interference generated in low power electrical systems by

에서 언급한 고조파 장해의 고려사항은 아래와 같다electrical traction installation) .

가 위상제어 기기는 고조파는 주파수가 증가함에 따라 감소고조파는 홀수차만 생성된다. .

위상각의 비대칭 및 에서는 짝수 고조파도 생성된다bridge switching .

나 모터 제어 장치는 등가 전류원으로 볼 수 있다 전류원은 이상 전류원과 병렬 내부 임피. .

던스로 표시된다.

다 공진주파수 부근의 차량 임피던스가 견인 회로보다 훨씬 큰 경우는 은. Tractive vehicle

이상적인 전류원으로 간주할 수 있다 차량의 임피던스가 견인제어 장치의 입력 임피던스와.

같은 수준이면 변압기의 누설리액턴스는 고조파 전류 크기에 큰 영향을 준다.

- 136 -

라 전철용 변전소는 고압전력계통과 견인 전동기 제어 장치 사이에 접속되는데 이 변압기. ,

에 의한 감쇠는 거의 없으므로 고압전력계통과 차량 전기설비는 직접 접속되어있다고 볼 수

있다 따라서 고압전력계통에서 발생하는 는 직접 구동 시스템에 큰 영향을 주지. harmonics

않는다 그러나 변전소의 역률 개선용 캐페시터를 연결하는 경우 이 영향은 증가된다. .

마 전기 구동 시스템에서 발생되는 고조파 전류는 역으로 전력계통에 유입될 수 있다. , .

바 변전소에 를 설치하는 경우 전원주파수가 또는 인 컨버터는. static converter 50Hz, l6 Hz⅓

가공선과 전력계통에 고조파를 유입시킨다 이 고조파전류는 필터로 제거할 수 있다. .

사 전철 변전소 전력계통과 함께 전기구동 장치는 상호 전력이 진동할 수 있다 이 공급. , .

시스템의 고유주파수는 전기적 상수 스위칭 체계 및 전력공급 구간 길이 등에 의해 결정된,

다.

마 견인전류 회로가 그 자체로 전기적으로 진동할 수도 있는데 그 이유는 한쪽 집전인 경. ,

우는 전압 단자를 갖고 양쪽 집전인 경우는 특성임피던스에 의해 결정되지 않기 때문open

에 만일 견인전류의 주파수 분포가 고조파 성분이 공진주파수 부근에 많은 경우 강제 진동

이 자체 특성으로부터 예상했던 것 보다 심각할 수 있다.

자 견인 전류가 증가함에 따라 공진 주파수 부근의 가공선 전류는 차량 공급전류의 수배가.

될 수 있는데 공진 주파수 및 공진 전류 크기는 공급 및 회로 변수mode Traction current

에 달려 있다.

차 전류 및 고조파 성분의 전류의 크기는 차량위치에 관계없이 변전소 방향. psophometric

으로 증가한다.

카 정류기 를 갖는 전기차는 차 보다 큰 간섭 전류를 발생시키는데. (converter) chopper single

회로가 다수의 직렬 접속된 회로 보다 큰 간섭 전류를 발생시킨다bridge bridge .(full

나 에 관계없이 항상 가 간섭전류가 크다bridge half bridge single bridge )

- 137 -

타 등가 간섭전류의 크기는 같은 구간에 다수의 차량이 주행하는 경우 차량대수의 제곱근.

에 비례하여 증가한다.

파 이러한 관계는 필터를 내장하는 전기차의 경우는 해당되지 않는데 실험에서는. harmonic

이상의 고조파는 차량 대의 경우나 대의 경우 거의 비슷하게 고조파가 측정된다1000 2 1 .

하 독립된 대의 전기차가 운행되는 경우는 위상차 때문에 간섭 전류가 배가 될 수도 감소. 2

될 수도 있으나 대의 전기차에 조의 동력차가 조합된 경우 고조파 전류 크기는 두배가 된1 2

다.

차량의 운용 숫자가 구간 정도 에서 많아지면 공진에 의한 전류는 영향이 감소한다1 (30km ) .

왜냐하면 추가되는 전기차가 일종의 감쇄회로로 작용하기 때문이다 또 각종 보조전원 예. ( :

역 조명 기차의 보조전원 기차의 냉난방 및 공조기기 도 감쇠 회로 기능을 한다, , ) .

제 절 각국의 고조파 대책5

그림 와 같은 상한 펄스 제어방식 컨버터와 상 전압형 인버터의 구성은 고속전철( 5-4) 4 3

추진시스템으로서 가장 대표적인 회로이다 고조파 발생에 관한 이론적 배경은 다른 연구.

보고서에서 많이 다루었으므로 신호 시스템과 관련해시 몇가지 내용만을 요약하면 이 추진,

동력장치는 전차선에의 전원 왜곡을 감소시키기 위해 방식PWM(Pulse Width Modulation)

을 적용함으로써 발생되는 고조파 차수를 높이게 된다 컨버터 앞단에 구변압기의 누설 인.

덕턴스를 포함해서 구성된 필터는 대략 단락 전압을 갖는다 제어시의 컨버터 전30% . PWM

단에 발생되는 고조파 전압군의 차수는 다음과 같다.

- 138 -

First family : 2m±1 ; 2m±3; ㆍㆍㆍㆍ

Second family : 4m±1 ; 4m±3 ; 4m±5 ; ㆍㆍㆍㆍ

kth family : 2 ±1 ; 2 ±3 ; 2 ±5 ; ㆍㆍㆍㆍ

(m=modulation index)

전원 주파수가 인 경우 현재의 기술 수준에서 대략 크기의 동력을 변환할50Hz GTO 1.2

때 변조 주파수의 한계는 이다m=9 .

위와 같은 조건에서 차 고조파군의 일부는 에서 주파수 대역음 가지면 이1 75 1,050Hz

대역은 통신시스템에 큰 전자파 장해원으로 작용한다 또 고속전철의 신호 시스템에서 사용.

되는 의 주파수 대역도 차 고조파군과 차 고조파군에서 중첩될 소지가720Hz-2,600Hz 1 2

있다 한 예로 에서는 및 대역이 신호 시스템.( TGV-A 1,700 , 2,000 , 2,300 2,600

과 문제가 발생할 소지가 있는 주파수대이다)

이러한 고조파 발생에 의한 전자파 장해를 감소시키기 위해서는 컨버터를 다수 병렬로 설

치 하는 것이 도움이 된다 컨버터를 복수로 설치하는 경우의 전차선 고조파 전류(interlace) .

의 발생은 아래와 같다.

대의 콘버터 설치시 차 고조파군과 그의 배 고조파군2 -2 2

대의 콘버터 설치시 차 고조파군과 그의 배 고조파군3 -3 2

대의 콘버터 설치시 차 고조파군과 그의 배 고조파군4 -4 2

이 발생된다 이러한 컨버터의 병렬운전이 통시선 장해를 감소시키는데는 효과가 있는 것으.

로 보고되고 있다 그러나 프랑스의 고속 철도망에서 차 고조파군이 전원전압과 주. SNCF 1

파수의 변동에서 발생되는 컨버터의 변조 방식의 과도적인 변화와 차량의 가 감속에 따른ㆍ

변조방식 변화에 따라서 변화하고 이 변화된 고조파 주파수 대역이 신호시스템내의 주파수,

에 영향을 미치는 것이 큰 전자파 장해 문제로 대두되었다.

- 139 -

그림 전압형 방식 구성도( 5-4) VVVF

그림 는 에서 대의 컨버터가 병렬 운전되는 경우의 고조파 전류의 감소 현상을( 5-5) m=9 2

도식적으로 보여주고 있다 이러한 고조파 장해를 억제하는 방법으로 유효한 방법은 단. 2

필터를 주 변압기의 차 혹은 차 측에 병렬로 삽입하는 것인데 이 공진 필터의 공진 주파1 2 ,

수는 대략 이고 이 필터에 의한 고조파 반감 효과는 차량과 변전소의 상대적인 거리750 ,

에 따라 변화하지만 대략 정도 고조파를 감소시킬 수 있다30% .

- 140 -

이러한 형태의 컨버터의 역율은 열차운전 전 영역에서 거의 이 되도록 제어가 가능함으로1

써 역률 문제 때문에 발생되는 전자파 장해 현상은 무시된다.

그림 연가된 병렬운전에 의한 고조파 전류 감소 도식도( 5-5)

프랑스1.

한 쪽으로부터 단일 전원 공급의 경우 변전소는 길이의 양쪽 전차선에 전력을 공급하, 30

고 이 경우 병렬 공진이 거의 부근에서 발생한다 의 경우 이 경우는 한 쪽으950 .(50 )

로부터의 병렬 공급의 경우이고 양방향으로 을 공급하는 경우 각각의 길이가2section ( 30

인 경우 는 의 병렬 공진 과 의 직렬 공진) 800 (parallel resonance) 175 (series

이 발생된다 따라서 에서의 규제치는 다음과 같다resonance) . SNCF harmonic current .

가 저주파 영역.

궤도회로 급선 는- 50 (1,500V DC ) Ih < 1.2A (50 )

궤도회로 급전 는- 83 (25 , 50 ) Ih < 0.5A (83 )

나 영역. 1,500 -2,800

궤도회로는 가지 형태의 궤도회로 구성이 있는데 홀수 고조파는 이어“UM 71” 2 Ih < 0.lA

야 한다 실제로 신호설비에 문제가 되는 주파수는 및 이. 1700 , 2000 , 2300 2600

다.

- 141 -

전원주파수의 홀수 및 짝수 고조파 외의 다른 고조파는 동력변환장치 의 변조 주(converter)

파수 때문에 발생되는데 특히 견인 전동기 구동 장치에서 개 이상의 컨버터가 직렬AC 2

접속되는 경우에 현저하게 발생된다.

독일2. ICE

그림 은 의 주회로로서 주변압기의 권선을 분할해서 각 차 권선에의 스위칭 위( 5-6) ICE 4 2

상을 주어서 가선측에의 고조파 전류를 억제한다 역률에 대해서도 점에서 이. Pantagraph 1

되게 제어를 행한다 직류 링크의 필터는 리액터를 사용하여 가선 주파수의 배의 주파수를. 2

제거하기 위하여 설치되었다 또 인버터와 주 전동기간에도 리액터가 삽입되어 있는데 그. ,

목적은 인버터의 출력주파수가 작을 때는 싸이리스터를 사용하여 스위칭 주파수를 높게 하

지 않기 위해서 평활용으로 사용한다 즉 인버터 출력 주파수가 가선 주파수의 배의. , 2 33.3

의 부근에 생기는 억제를 위한 것으로 추정된다Beat .

그림 의 주회로( 5-6) ICE

- 142 -

여기서 인버터와 주전동기간에 리액터가 있으면 주파수가 높게 되면 전압 강하가 크게 되므

로 고속역에는 접촉기를 사용하여 단락해서 전압강하를 방지하고 있다 는 이상과 같이. ICE

직류 링크 이후에 리액터를 많이 사용한 특징이 있다.

일본 계 신간선 차량3. 300

계 신간선 차량의 주회로도는 그림 과 같다 주회로 방식은 와 거의 같은 방식300 ( 5-7) . ICE

이다 그러나 계 신간선 차량은 다음 점이 와 다르다. 300 ICE .

그림 신간선의 주회로( 5-7)

가 철저한 경량화를 위해서 주회로에 리액터류를 사용하지 않았다 즉 대책으로서 제. . , Beat

어의 연산시간을 빠르게 하기 위해서 인버터 입력전압의 을 고려해서 펄스폭을 결정Ripple

주파수를 결정 하는 제어가 개발되었다 그들 때문에 인버터와 주 전동기간의 리( ) Beat Less .

액터의 생략이 가능하다 또는 컨버터와 인버터의 스위칭 소자에는 싸이리스터를 사용. GTO

하여 저속력에서 스위칭 주파수를 높일 수 있다.

- 143 -

나 주변압기의 차측의 개 권선의 위상차를 로 하지 않고 로. 2 4 45° 0°, 22.5°, 90° , 111.5°

했다 그 이유는 부근의 주파수를 급전 구분 제어에 사용하기 위해서 그 부근의 주파수. 4

의 고조파 전류를 억제하기 위함이다 따라서 등가 방해 전류 가 위상차를 갖는 것보. Jp( ) 45°

다는 크게 되지만 현행의 계 계 신간선 전차보다 작게 하는 것이 가능하다0 , 100 .

다 교류회생 브레이크를 사용하므로 정전검지 기능을 가진다. .

제 절 경부 고속철도의 고조파 문제6

고속 전철은 하나의 대규모 시스템으로서 신호시스템에 영향을 주는 고조파문제도 전원 전,

차선 차량궤도의 복합적인 인자의 영향을 받는다 따라서 독일 프랑스 일본의 개국 고속, . , , 3

전철의 시스템은 자국내에서 이러한 고조파 문제를 잘 해결해서 원만히 사용되고 있다고 하

더라도 각 시스템을 완전히 수입해서국내에서 운영한다고 하는 경우에 앞으로 완벽하게 운

영되리라는 보장이 없으며 더우기 신호설비의 일부를 국산화하는 경우는 더욱 그러하다.

개국의 고속전철 시스템을 국내에 도입하는 경우 신호설비와 관련해서 새로 설계화하든가3

수정 작업을 하여야 하는 사항은 아래와 같다고 사료된다.

급전 계통의 전원 주파수가 프랑스는 독일은 일본은 로서 특히 프랑스1. 50 , 16 , 60 , ⅔

독일의 경우 차량의 경우 차량의 위치에 따라 변하는 급전 계통의 공진 주파수가 의 경60

우와 다르다.

같은 를 사용하는 일본의 경우라도 전원 주파수의 질 전원 주파수 변동 이 국내와2. 60 ( )

달라서 공진 주파수가 변동될 수 있으며 급전계통설비를 국내에서 설계 제작하는 경우 임피

던스 특성이 달라지므로 공진 주파수가 변화할 수 있다.

- 144 -

차량내의 주변압기의 경우 독일 프랑스 차량은 주파수로 재설계 되어야하며 이 경3. , 60

위 변압기의 누설 리액턴스를 포함한 변압기의 전기적 상수가 변화되고 변압기에 접속된,

고조파 제거 필터도 에서 주파수특성에 맞게 재설계 되어야 한다50 , 16 60 . ⅔

동력변환 장치의 폭도 전원 주파수 변화에 따라 재조정되4. PWM(Pulse Width Modulation)

어야 하며 따라서 발생되는 고조파 주파수 대여과 크기도 달라지게 된다.

고속전철 시스템에 사용되는 견인 전동기 구동방식 방식에서는 발생 고조파5. VVVF(AC )

가 시스템과는 다르게 연속적으로 변화함으로써 위와 같이 여러가지 설비가 재설계chopper

되는 경우 프랑스 독일 일본에서와 동일한 경향으로 신호설비에 영향을 줄 수 있는 고조파, ,

가 발생한다고 볼 수 있다.

위와 같은 이유로 국내에서의 고속전철 시스템의 고조파 발생 영역이 독 불 일의 개국6. , , 3

자국에서의 그것과 다른 경우는 표 표 에 보인 바와 같은 와 궤도회로< 5-1>, < 5-2> ATC

에 할당되는 신호주파수 대역은 국내 실정에 맞도록 재설정 될 수도 있을 것이다 이 경우.

는 보다 근본적으로 신호 시스템의 재설계가 요구되고 국내 기술도 더불어 확보되어야 할

것이다.

만일 차량과 전차선 신호설비가 각국별로 분리 발주되는 경우는 열거한 문제가 발생해도7. ,

이를 해결하는 능력을 국내 기술진이 갖게 될 것이다.

이러한 이유로 특히 신호 시스템의 고조파 문제는 기본 심계 단계에서부터8. engineering

변전소 급전선 전차선 차량 궤도 신호시스템간의 기술 교류와 협조가 있어야 국내 실정, , , , ,

에 맞는 신호설비의 고유기술을 확보 할 수가 있을 것이다.

- 145 -

표 개국의 설비제원< 5-1> 3 ATC

장치별 일본 동북선( ) 프랑스 대서양선( ) 독일(ICE)

최고속도 240 /h 300 /h 300 /h

운전시격 분5 분4 분3

운전방식 단방향

비상시 대용폐색 방식-

사용

양방향

비상시 방향선택 계-

전기 동작으로 반대

선 운전

양방향

신호현시

별속도단계

-260:260km/h

-210:210km/h

-160:160km/h

-110:110km/h

-70:70km/h

-30:30km/h

정기 점 제어- 01: P

정지 무신호- 02:

정지 열차후방- 02E:

정지 절대정지03: (L )

-300:3l5

-270(220A)E:285km/h

-220E(160A):235km/h

-80E(00)90km/h

적색-00( ):35km/h

정지 절대정기- : (loop)

에서 속도를 결정VCC

할 수 있는 파라미터를

차상 컴퓨터에 보냄.

차상 컴퓨터에서 순간

속도를 계산하여 운행

속도와 비교하여 가ㆍ

감속시행

정보전송

방식

궤도회로를 이용한 연속

정보 전송(SSB)

속 도 지 시 정 보 단- ( 1 0

계 을 이용)Loop Coil(l0m)

한 불연속 정보전송

열차 번호 검지-

점 제어에 의한 감속운-P

행

신호에 의한 강제 정-03

기

궤도회로를 이용한 연속

정보 전송

속도 지시정보 단계- (14 )

을 이용한 불Loop Coil

연속 정보 전송

팬터 그래프 강하-

상 하선 운전지시- ㆍ

차상 기상 신호지대- ,

진입

중 신호기대 진입-2

을 이용한Loop Coil

연속정보 전송

마다 교차하는(l00m

길 이3 0 0 m L o o p

Cable)

열차길이-

최대 허용 속도에-

따른 제동거리

효율적인 제동거리-

선로고정- Data

를 이용한 불연ATS

속 정보전송

설치되지-CATC

않은 여차 전용차상 신호

구성품

차상수신 조- Coil:2

논리기구-

속도발생 및 검사기-

공압 전기제동- , Controller

열차번호 설정기-

차상수신- Coil

신호 분석기-

지시 실제속도 표시기- ,

무선 안테나 및 속도-

측정기

속도 비교 및 자동 제-

동 System

자동시험 설비-

차상수신 안테나-

차상 컴퓨터-CATC

(2 out of 3 system)

속도 조사기

-Pulse generator

열자 입력기- Data

자 동 운 전-

Controller

자동 시험 설비-

- ATO Switch차상신호

표시장치

전송방향

지시속도-

실제속도-

운전- Mode

지상 차상 단방향:→

현구간 지시속도-

다음구간 지시속도-

실제속도-

운행구간 지상 차상- ( , )

지상 차상 단방향:→ 지상 차상 양방향:→

- 146 -

표 개국 궤도회로 장치 제원< 5-2> 3

장치별 일본 동북선( ) 프랑스 대서양선( ) 독일(ICE)

방 식 주파수 변조AF

주파 유절연 궤도 회로2

주파수 변조AF

무절연 궤도 회로

무절연AF Code

궤도 회로 (FSK)

구성기기 송 수신기- ,

임피던스 본드-

궤도 절연-

궤도 계전기-

전원 장치-

송 수신기- ,

-Matching Unit

-Air Core Inductor

동조- Unit

균압 콘덴서-

궤도 계전기-

전원 장치-

송 수신기- ,

-S - Bond

궤도 계전기-

-Tuning Unit

변조- Unit

전윈 장치-

기 능 열차 검지-

신호 전송-ATC

레일 절손 검지-

열차 검지-

신호 전송-ATC

레일 절손 검지-

열차 검지-

레일 절손 검지-

제 원 주신호 반송주파수-

구간(60 )

상선* :720 , 900

하선* :840 , 1020

부신호 반송 주파수-

상 하선* , :1200

변조 주파수-

송신 출력- Level : 40

수신 입력 최소 동작-

Level : -10

수신입력 임피던스- : 600

옴

내방해 특성 비- : SN -30

반송 주파수-

상선* : 1700 ,2300

하선* : 200 ,12600

변조주파수-

*286.6 , 15.8

*29 , 14.7

*24.6 , 12.5

*22.4 , 10.3

*20.2 , 16.9

*19.1 , 13.6

*18 , 11.4

전송 주파수-

* FTG 9l7

-fl : 9.5

-f2 : 10.5

-f3 : 1.5

-f4 : 2.5

-f5 : 3.5

-f6 : 4.5

-f7 : 15.5

-f8 : 16.5

* FTG 46

-f9 : 16.5

-fl0 : 4.75

-fl1 : 5.25

-f12 : 6.25

호출 정보-

지상 차상( )→

* 83 bit

* 36 0.2

*1200 Baud

응답 정보 차상 지상- ( )→

* 4 bit

56 0 2 궤도회로

길 이

1.2km -1.5 최소 200m

최대 2800m

표준 궤도: 850m

중앙 전송: 1700m

- 147 -

제 장 결 론6

- 148 -

제 장 결 론6

현재 유도장해 문제에 관해 철도청 통신회사 전력회사측이 대처할 때에는 기본적으로 다음, ,

법규를 기준으로 하고 있다.

체신부고시 제 호 제 조- 72 (1990.8.27) 2

공중전기통신사업법 법률 제 호- ( 4182 , 1989. 12. 30)

또한 기술적인 문제는 쌍방의 공동 대처로 대책을 강구하고 있다 그러나 합의가 도출되지.

못할 때에는 임시 대책으로 해결하고 있다 영구적인 해결책이 이루어지기 전까지 이러한.

임시적 대책이 필요하겠지만 임시대책이 너무 자주영구대책이 되어서는 안될 것이다.

전력계통에서와 기존의 전기철도에서의 유도 업무처리 절차는 지금까지의 대책 경험과 법

규에 준한 법률적 기술적 대책이 강구되었다고 할 수 있으나 앞으로 건설되는 고속철도 시,

스템에 대해서는 법규나 기술적 경험이 전무한 상황이다.

특히 고속철도 시스템은 전철 한 편성당 약 의 대규모 전력소비 전력용 반도체를 사10MW ,

용한 방식 적용 의 고속 주행에 따른 전차선의 아크 발생 증가 등으로 전자VVVF ,300km/h

파 환경측면에서 많은 문제점을 갖고 있다 이렇게 발생하는 전자파는 이동 통신 통신회사. , ,

방송국 등에 영향을 줄 수 있는 외부적 영향 요소가 있다 또한 전력유도전압 예측 계산에.

필요한 계수들을 산출할 수 있는 방법과 국내 환경 조건에 합당한 제한 값이 규정되어야 할

것이다.

전력 유도 및 전자파 장해문제는 발생요인과 이에 대한 대처방법에서 이론과 검증 양면 모

두 필요하며 향후 건설될 한국의 고속철도의 안전을 위해서도 이 분야의 연구가 있어야 할,

것이다.

- 149 -

참 고 문 헌

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참고문헌

1. , ( , )電氣通信協會東海支部 誘導 上 下

체신부 고시 호2. 72 , 1990.7

한국과학기술원 동남통신 대한엔지니어링 통신유도전압 예측계산 표준 설계3. , , , , 1993.7

한국전기연구소 한국형 고속전철 및 자기부상열차 개발을 위한 기술 연구4. , , 1990.8

철도청 중앙선 전철 통신 유도대책5. , , 1977.12

현대정공 미쓰비시전기 전기기술개발 차 유도장해에 관한 조사 보고서6. , , , VVVF ,

철도청 경원선 유도대책 설계 보고서7. , , 1982.12

철도청 회선 측정시험 보고서8. , , 1983.9

한국전기연구소 경부고속전철용 전력공급의 비용절감 방안 연구9. , , 1992.10

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최 응 호 전철에 의한 유도장해 및 방지대책에 관한 연구 한양대학교 대학원11. , , , 1983.6

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철도청 고속 전철 전기 설비13. , , 1989.

한국통신 통신선로 유도방지 대책 연구14. , , 1991.12

대한전기학호 신호설비 신뢰성 향상 및 설계 표준화 연구15. , , 1992.12

한국고속 철도건설공단 고속철도에 대한 이해16. , , 1993.8

철도청 과천선 복선전철 건설에 따른 통신 및 신호설비 시설 설계17. , 1990.12

한국고속철도건설공단 신호설비 신뢰성 향상 및 설계표준화 연구18. , , 1992.12

한국전기연구소 고속전철의 성능향상을 위한 전기 및 전자 기술19. , , 1991.7

- 151 -

한국전력공사 유도장해 실무해설집20. , , l989.6

일본국유철도연구소 철도기술연구속보21. , , 1992. 1993.～

성안당 노이즈 방지와 대책22. , .

23. CCITT DIRECTIVES Vol. IV, 1989.

- 152 -

본 연구보고서는 한국전기통신공사의출연금에 의하여 수행한 연구결과입니다.내용에 대한 의견이나 문의사항은기술기준연구실 로 주십시오(042-860-6575) .