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A Study on the Behavior Characteristics of a Tensioning Device of a Catenary System According to the Longitudinal Dynamic Displacement of Railroad Bridge
A Study on the Behavior Characteristics of a Tensioning Device of a Catenary System According to the Longitudinal Dynamic Displacement of Railroad Bridge
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Oct, 64(10): 1517-1522
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : July 05, 2015
  • Accepted : September 12, 2015
  • Published : October 01, 2015
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About the Authors
연 일 나
Doctor's Course, Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation, Korea
재 봉 이
Doctor's Course, Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation, Korea
재 문 김
Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Professor/Ph.D, Korea
양 수 김
Corresponding Author : Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Professor/Ph.D, Korea E-mail :kysrail@ut.ac.kr

Abstract
Since electric railroad vehicle pass through repeatedly on the railroad bridge, the dynamic load that causes the change of tension of contact wire affect it constantly. In this paper, we measured the dynamic displacement of the railroad bridges to analyze the effect of tension in the catenary. A result of dynamic measurement of the longitudinal displacement, it's maximum value was 39.9mm which was lower than the primary management criteria 378mm. Also on the based of a maximum temperature, it shows a feature that the longitudinal displacement value increased as temperature rise from April to October. In terms of behavior characteristics of a tensioning device, it was confirmed to be the value of 50mm stroke movement when the temperature changes ±5℃.
Keywords
1. 서 론
수도권 승객수송 분담율이 38.3%이면서 전동차 수량이 1974년 60량에서 2014년 3,715량으로 62배 증가한 대표적인 교통수단인 철도는 최근 안전에 대한 관심이 그 어느 때보다 매우 높다. 특히 철도는 시스템 사이의 인터페이스가 매우 중요하며, 전기를 공급받아 운행하는 철도차량은 주행 중 원활한 전기공급이 이루어지도록 IEC62486에 집전성능이 속도에 따라 이선율 기준 0.2% 이하로 규정되어 있다 [1] .
도시 철도차량에 집전장치를 통해 전기를 공급하는 전차선은 선종에 따른 표준장력으로 가설하며, 표준장력은 최악의 기상상태에서 허용장력 이내에 있어야 한다. 또한, 온도 변화에 따라 전차선로는 선팽창계수 또는 부하전류에 의한 신축이 발생하므로 자동적으로 일정한 장력을 유지해야 한다. 그렇지 않으면 집전장치의 집전성능이 떨어지고 운행 장애를 유발시키는 요인이 되기도 한다. 따라서 집전능력 향상을 위해 전차선로는 장력조정이 필요하며, 지역별 표준 온도와 전차선로 구간별 온도 변화에 따른 신축 허용범위, 동작특성, 조정 가능거리, 안전성 및 유지관리 보수성 등을 고려하여 선로조건에 적합하게 시설한다 [2] .
한편 철도교량은 열차진행 방향으로 철도차량 동적하중이 반복적으로 재하(在荷) 되므로 종방향 변위 현상이 발생됨으로써 전차선로는 교량의 정·동적성능에 영향을 받게 된다 [3 , 4] .
본 논문에서는 철도교량의 종방향 동적 변위를 측정하기 위해 자동계측시스템을 구축하고 계절별, 온도별에 따른 동적 변위량을 측정 및 분석하였다. 이를 통해 장력조정장치 동작특성에 따른 스트로크 거동 특성을 고찰하였다. 철도교량의 종방향 동적 변위량을 통해 전차선로에 장력불균형이 발생되지 않도록 장력장치 설치시 안정성 및 적정성 검토가 요구된다.
2. 본 론
- 2.1 철도교량 관리기준 및 계측시스템 구현
- 2.1.1 철도교량의 종방향 변위에 따른 관리기준
도시철도차량 운행시격에 따라 철도교량에 일정한 축중을 갖는 차량하중이 반복적으로 재하(在荷)되므로 철도교량의 종방향 변위가 발생하게 된다. 이로 인해 철도교량은 정적성능과 더불어 동적성능이 매우 중요하며, 특히 철도교량의 상부에 부설되는 궤도시스템은 철도교량의 정·동적 성능에 영향을 주는 것으로 알려져 있다 [3] .
한편 철도교량에 대한 안정적인 관리를 위하여 표 1 과 같이 관리기준을 마련하여 관리하고 있다. 관리방법으로 각 센서의 측정값이 일정기간 관리기준을 초과하면 경보를 발생하여 위험을 사전에 감지한다. 경보가 발생되었을 경우 측정값을 관리기준과 비교하여 구조적 응답으로 판단하고 안전점검을 실시하여 그 원인을 분석, 조치한다. 또한 센서를 통해 측정된 값이 2차 관리기준을 초과하게 되면 정밀안전진단을 실시하여 이상발생시 즉시 원인해소 조치를 하여야 한다.
종방향 변위 관리기준Table 1Management standards of longitudinal displacement
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종방향 변위 관리기준 Table 1 Management standards of longitudinal displacement
- 2.1.2 철도교량의 종방향 변위량 측정 시스템 구축
전차선 장력변화에 대한 철도교량의 동적 변위를 분석하기 위하여 교량의 주요 위치에 각종 센서를 부착하여 변위량을 측정하였다. 표 2 는 자동계측시스템을 구축하여 철도교량의 동적 변위를 측정하기 위한 대상물의 제원을 보여준다 [5] .
동적 변위를 측정하기 위한 철도교량의 제원Table 2Specification of railway bridge for measuring of the dynamic displacement
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동적 변위를 측정하기 위한 철도교량의 제원 Table 2 Specification of railway bridge for measuring of the dynamic displacement
한편 그림 1 은 철도교량 자동계측시스템 보여준다. 종방향 변위계, 1축 경사계, 2축 경사계, 온도계, 풍향 풍속계, 가속도계 센서 등 구조물 거동을 전기적 신호로 변환시키는 센서부, 전기신호를 수집 및 처리하는 계측기부, 수집된 데이터를 전송하는 통신부와 데이터를 수신하여 처리 및 분석하는 데이터부로 나뉜다. 그림 2 는 계측하고자 하는 지점의 센서 설치사진을 보여준다.
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철도교량 자동계측시스템 구현 Fig. 1 The configuration of auto measuring system of railway bridge
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현장에 설치된 센서 사진 Fig. 2 photo sensors installed railway bridge field
구축한 시스템은 센서를 이용하여 철도교량 구조물의 전반적인 거동에 대해 외부의 영향을 판단하는 전반적인 계측(Global monitoring)과 정적 변형률계를 이용한 국부적 계측(Discrete Monitoring)을 동시에 수행하였다. 철도교량의 종방향 변위 측정 데이터 분석을 위해 A 정거장 ~ B 정거장 내·외선 총 8개소에 설치된 전차선 장력조정장치 중 터널이행구간 더블 카티너리(Catenary) 구간의 장력장치 4대를 제외하고 본선구간의 전차선에 대하여 2014.01.~2014.12월까지 1년간 측정하였다.
종방향 변위를 측정하기 위한 센서는 그림 3 과 같이 철도교량의 교각(Pier8) 단면 c-c 신축이음부분에 설치되어 있으며, 일별 및 계절별에 따른 온도변화에 따라 교량의 신축량 변화는 변위계 센서(J1, J2)를 통해 취득한 데이터는 전송부를 통해 데이터를 분석하는 서버로 전달된다.
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철도교량 신축이음 부분의 센서 위치 Fig. 3 Sensors position of expansion joint section of railway bridge
- 2.2 장력조정장치의 종류 및 동작특성
가공전차선은 온도변화에 의한 신축 외에 경년 클립(Clip)이 늘어나고 가공전차선의 마모에 의한 탄성의 커지기 때문에 선조가 늘어나서 가공전차선의 이동장력에 영향을 주게 된다. 그 결과, 이선(Contact loss)에 의한 가공전차선의 집전성능의 악화 및 장력 증대에 의한 가공전차선의 단선 등의 위험이 생겨 열차운행에 지장을 초래하게 된다. 따라서 장력조정장치를 설치하여 전차선의 일정한 간격을 유지시킨다. 장력조정장치에는 자동식과 수동식이 있는데, 일반적으로 항상 장력을 일정하게 유지하는 기능을 갖는 자동식의 장력조정 장치를 자동 장력조정장치(Tension balancer)라고 한다. 따라서 자동 장력조정장치는 온도변화, 조정거리 등을 고려해서 사용조건에 적합한 것을 사용해야 한다. 표 3 은 자동장력장치의 종류별 동작특성을 잘 나타내고 있다.
자동장력조정장치의 종류별 특성Table 3Category properties of tension balancer
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자동장력조정장치의 종류별 특성 Table 3 Category properties of tension balancer
한편 도시철도에서는 기대수명이 경과된 활차식을 유지보수성이 우수한 스프링식 장력조정장치로 점차 대체하고 있다. 스프링식 장력조정장치의 온도변화에 따른 스트로크 인출 길이를 식 (1)으로부터 구할 수 있다. 표 4 에서는 철도교량에 설치되어 운용중인 스프링식 장력조정장치 가선거리별 계산치 값을 보여준다 [6 , 7] .
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여기서 l : 스트로크 길이[㎜], S : 동작 범위, to : 표준 온도(10[℃]), t : 측정온도[℃], L : 장력거리[m], Lo : 최대 장력거리[m]
스프링식 장력조정장치의 가선거리별 동작특성Table 4Category properties of tension balancer
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스프링식 장력조정장치의 가선거리별 동작특성 Table 4 Category properties of tension balancer
스프링식 장력조정장치는 강철재 스프링의 탄성에 의한 신축을 피스톤 운동과 연동시켜 전차선의 장력을 조정하는 시스템으로 구조와 외관이 간단하다. 그러나 스프링의 탄성으로부터 장력 변동율 ±5%을 일정하게 유지하기가 어려움이 있어 역 구내에서와 같이 전차선의 이동에 대하여 억제저항이 큰 개소에 적합하며, 스프링식 자동장력조정 장치는 흐름방지 장치가 없는 것이 특징이다. 그림 4 표 4 에 대한 데이터를 나타낸 그래프로 표준온도를 기준으로 스트로크 길이가 증가함으로 보여준다. 또한 가선거리가 증가할수록 스프링식 장력조정장치에 의해 온도변화에 따른 스트로크 길이가 더 증가하는 것을 알 수 있다.
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3톤용 스프링식 장력조정장치의 온도 변화에 따른 스트로크 길이 변화 Fig. 4 Length variation of stroke on temperature variation of spring tension balancer for 3 ton
3. 현장 시험
- 3.1 철도교량의 동적 변위 측정
종방향 변위계를 이용하여 철도교량에 대한 동적변위를 1년동안 계측하였다. 표 5 에서 보듯이 종방향 변위계 J1은 19 ~ 39.9[mm]의 변위를 나타내고 있다. 종방향 변위계 J1의 경우 표 1 에서 제시한 데이터 수치상 1차 관리기준 378[mm] 내에서 거동하고 있다. 최근 3년간 측정값을 분석한 결과 1월부터 12월까지 최대 변위치인 혹한기와 혹서기 사이의 신축량이 최고 39.9mm, 평균 신축량은 24.7[mm]의 변화가 측정되었다. 1분기(1~3월) 변화량은 19.3~20.6mm, 2분기(4~6월) 변화량은 21~39.9mm, 3분기(7~9월) 변화량 18.7~33mm, 4분기(10~12월)에는 19~24.5mm로 나타났다.
철도교량의 종방향 변위계 측정값Table 5Measuring value of longitudinal displacement of railway bridge
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철도교량의 종방향 변위계 측정값 Table 5 Measuring value of longitudinal displacement of railway bridge
그림 5 에서 보는바와 같이 종방향 변위계 J1의 분기별 변위량 중 2012년도에 가장 심하게 나타났으며 2012년도와 2014년도는 유사한 측정패턴을 보였으며, 2011년도에는 3분기에 변위량이 증가함을 보여 특정의 계절과 무관한 것으로 측정되었다.
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철도교량의 종방향 변위량(최근 3년간) Fig. 5 longitudinal displacement value of railway bridge
한편 그림 6 은 최근 3년간 월별 철도교량의 종방향 변위량 변화추이를 보여주고 있다. 해마다 변화추이를 보면 각 분기별 중간 월(月)에 해당하는 2월, 5월, 8월, 11월이 높게 나타나고 있음을 알 수 있으며, 그림 5 에서 보듯이 분기별 평균 변위량에 영향을 미치는 것으로 측정되었다.
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월별 철도교량의 종방향 변위량(최근 3년간) Fig. 6 Monthly longitudinal displacement value of railway bridge
그림 7 은 2014년도 종방향 변위계가 설치된 철도교량의 온도변화 추이곡선을 보여준다. 1월에 –7℃로 측정되었고 여름철(6~8월)에는 34℃까지 나타났다. 그림 7 에서 보여준 온도변화와 철도교량 변위량과의 상관관계를 분석해보면, 4월~10월까지는 온도변화와 변위량이 양의 상관관계를 보이고 있다. 즉 최대온도를 기준으로 온도가 상승하면 변위량이 증가하고 작아지면 감소하는 특징을 보인다. 겨울철에 해당하는 11월 이후와 4월 이전인 경우는 최대온도를 기준으로 전 월(月)에 비해 온도가 급격히 변화하는 경우 변위량이 변화됨을 확인할 수 있었다. 2월은 1월에 비해 13.45℃가 증가하였으며, 11월은 10월에 비해 급격히 –10.23℃가 감소한 것으로 측정되었다.
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철도교량의 월별 온도변화 Fig. 7 Monthly temperature variation of railway bridge
- 3.2 스프링식 장력조정장치의 동작 분석
철도교량에 설치된 3톤용 스프링 장력조정장치의 동작특성은 표 4 에서 보는 바와 같이 전차선장력의 편단 거리가 750m일 때 스트로크의 유동거리는 556mm로 나타났으며, 780m은 606mm, 800m일 경우 622mm로 유동됨을 확인 할 수 있었다. 최대장력 거리가 810m인 스프링장력장치의 스트로크 유동거리가 630mm 범위내에 있음을 확인할 수 있었다.
그림 8(a) 는 온도변화에 의한 전차선 장력을 확인할 수 있는 스트로크 사진으로 스프링식 장력장치의 스트로크 인출길이는 기존선, 신설선 어느 경우에도 외기온도에 맞는 인출량을 정확하게 산출이 가능하며 눈금자로 스트로크(Stroke) 인·출입을 확인할 수 있다. 그림 8(b) 는 철도교량에 실제로 설치된 스프링식 장력조정장치(780m용) 전차선 가선거리 750m 일 때 장력변화 그래프와 최근 3년간 측정된 변위량의 최고값(평균 25mm)을 적용한 그래프이다. 주위온도가 5℃간격으로 변할 때 스크로크 유동거리는 약50mm가 이동되는 것으로 보여진다. 이는 철교상의 종방향 변위가 평균±25mm, 최고 39.9mm로 변화됨을 표 4 에서 확인하였다. 이는 전차선로의 장력을 유지하고 있는 스프링식 장력조정장치에 적용 했을 때는 ±3℃ 온도변화와 약 25~40mm의 스트로크 값이 변동될 수 있음을 확인할 수 있었다.
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철도교량의 월별 온도변화 Fig. 8 Monthly temperature variation of railway bridge
3. 결 론
본 논문은 철도교량의 동적변위가 전차선 장력에 미치는 영향을 분석하고자 동적 변위량을 측정하였다. 동적 변위량을 측정한 결과, 최근 3년간 최고값이 39.9mm로 1차 관리기준인 378mm보다 낮게 측정되었다.
동일 철도교량에 설치된 센서를 통해 온도변화와 철도교량 변위량과의 상관관계를 분석해보면, 4월~10월까지는 최대온도를 기준으로 온도가 상승하면 변위량이 증가하고 작아지면 감소하는 특징을 보인다. 반면 겨울철에 해당하는 11월 이후와 4월 이전인 경우 최대온도를 기준으로 전 월(月)에 비해 온도가 급격히 변화하는 경우 변위량이 변화됨을 확인할 수 있었다. 또한 그림 8 을 통해 스프링식 장력조정 장치는 외부온도가 ±5℃ 변할 때 스트로크 값이 50mm 이동되는 것으로 확인할 수 있었다.
철도교량의 종방향 변위를 측정한 결과 평균 ±25.4mm 이므로 스프링식 장력조정장치 스트로크 값에 적용시 ±3℃의 변화가 있을 것으로 예측되어 철도교량의 전차선로 장력조정장치 유지관리를 위해서는 종방향 변위량의 측정값 적용과 측정 데이터 관리가 필요할 것으로 보인다.
BIO
나 연 일 (Youn-Il Na)
1984년 건국대 전기공학과 졸업(학사). 2006년 서울과기대 철도 전기신호공학과 졸업(석사). 현재 배산 엔지니어링 근무. 전기철도기술사, 건축전기설비기술사, 2013년~현재 한국교통대학교 교통대학원 교통정책시스템공학과 박사과정
이 재 봉 (Jae-Bong Lee)
2007년 서울과기대 전기신호공학과 졸업(석사). 1984년~현재 서울메트로 근무, 한국철도기술연구원 기술자문위원. 2014년~현재 한국교통대학교 교통대학원 교통정책시스템공학과 박사과정
김 재 문 (Jae-Moon Kim)
1994년 성균관대 전기공학과 졸업. 2000년 2월 동 대학원 졸업(공박). 2000년∼2004년 현대모비스(주) 기술연구소 선임연구원. 2006년∼현재 국토교통부 철도기술 전문위원, 현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과 교수
김 양 수 (Yang-Su Kim)
2004년 고려대 대학원 공박. 1971년 1월∼ 2002년 3월 철도청 근무, 1999년 11월 전기철도 기술사, 2008년 1월∼현재 국토교통부 철도건설 심의위원, 2002년 3월∼현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과 교수
Tel : 031-460-8731
E-mail : kysrail@ut.ac.kr
References
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Yim Geum-Kwang , Yoon Yong-Han 2004 “A suggestion for improvement of tension balancer in trolly wire system” The Korean Society For Railway Fall Conference 1328 - 1333
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