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A Study on the Field Application of Switching Power Measurement by using Sensor in Electrical Point Machine
A Study on the Field Application of Switching Power Measurement by using Sensor in Electrical Point Machine
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Jul, 64(7): 1130-1136
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 : May 13, 2015
  • Accepted : June 12, 2015
  • Published : July 01, 2015
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About the Authors
종현 이
Railroad Electrical system Engineering Dept. Woosong University, Korea
용규 김
Corresponding Author : ICT convergence research team, Korea Railroad Research Institute, Korea E-mail :ygkim1@krri.re.kr
재영 박
Railroad Electrical system Engineering Dept. Woosong University, Korea

Abstract
Most equipments which are used to measure the switching power of the turnout depend on imports. As the data is limited to the measurements of the switching power, it is said that the equipment is insufficient to check the errors of the turnout and the electrical point machine, and set up the data for operating and maintenance. We studied not only measurements of the switching power of all turnout being used in domestic but also the development of the turnout performance total analysis equipment which can measure switching time, voltage, and current etc. at the same time. Considering that switching power of the turnout is the most basic element to check the irregularities of the turnout, in this paper, we analyzed the irregularities of the turnout through correlation between switching power of the turnout, voltage, and current of the electrical point machine. Also we performed test in commercial railway line where the turnout of MJ81 type and NS type was installed. And it is said that the test results can be used as basic technologies for ICT based real-time diagnosis and monitoring of the turnout.
Keywords
1. 서 론
분기기는 열차운행 안전 측면에서 열차 탈선 등과 같은 대형사고를 유발할 수 있는 신호분야와 시설분야가 가장 각별한 주의를 요하는 설비로 구분되며, 분기기의 전환 동력을 제공하는 전기선로전환기 장애는 매우 빈번하게 발생한다 [1] . 2000년부터 최근 10년간의 사고 현황 분석에 의하면, 전기선로전환기 장애는 전체 신호장치 장애의 27%를 차지하며, 운영 및 유지보수 측면에서 가장 많은 시간을 소모하는 설비로 분류된다 [2] . 이러한 전기선로전환기 장애는 외적인 원인보다는 전기적, 기계적 조정 불량 등과 같은 열차 운행 안전 조치 결과가 중요한 변수로 주어진다. 기존의 NS 및 NS-AM 전기선로전환기는 각종 간류의 온도 및 진동 특성에 의한 조정 불량, 또는 완전한 조정에도 불구하고 분기기 설치 노반의 상태에 따라 열차 운행시 근본적인 조치를 필요로 하는 경우가 수시로 발생하며, 이러한 요인이 가장 심각하게 작용된 사례는 동대부-부산 고속선 구간에 설치된 VAEE의 Hydrostar에서 쉽게 확인할 수 있다 [3 , 4] . 따라서 철도 운영기관에서는 장애발생 빈도가 적고, 밀착 및 쇄정검지 기능에 따른 전환력 및 밀착력이 우수하고, 보수작업이 용이한 최소의 설치공간을 갖는 무보수형 전기선로전환기의 설치를 요구한다 [5 , 6] . 이는 열차통과시의 진동에 의한 전기선로전환기의 동작이 분기기 시스템 전반의 밀착 및 쇄정 동작에 중대한 영향을 인가할 수 있기 때문이다 [7 , 8] . 일반적으로 분기기의 유지보수는 전기선로전환기의 모터 전원, 제어전원, 표시전원의 이상 유무를 계측, 확인한다. NS 및 NS-AM 전기선로전환기의 유지보수는 MJ81 전기선로전환기에 비해 수시로 실시됨으로서 많은 인력과 시간이 소요될 뿐 아니라, 작업도중 부주위에 의한 사상사고가 종종 발생하며, 열차 운행 시간에 선로 접근이 불가능함에 따라 야간 유지보수 시간의 대부분을 분기기의 동작확인 및 안전 조작 등으로 사용된다 [9] . 현재 전국의 철도 운영 기관에는 약 10,232틀의 분기기가 설치되어 있으며 [10] , 이는 철도의 안전운행을 위한 분기기의 성능향상, 장애 진단 및 감시용 자동화 방안이 열차 안전운행의 매우 중요한 이슈로 주어짐을 알 수 있다. 따라서 유지보수 경험과 수작업에 의한 분기기 유지보수를 실시간 진단 및 감시 시스템으로 대체하는 것이 경제적 측면뿐 아니라 안전에 있어서도 반드시 검토되어야 할 사항임을 파악할 수 있다 [11] .
본 논문에서는 위에서 언급된 전기선로전환기의 효율적인 운영 및 유지보수를 위해 분기기의 성능 종합분석장치 개발 방안을 제시하였다. 이는 센서를 활용한 선로전환기 전환력 측정과 이에 부수적으로 수반되는 전환시간, 인가 전류 및 전압에 대한 진단센서를 전력선에 부착하여 발생하는 데이터를 추가로 분석 처리함으로서 분기기에 인가되는 비정상적인 힘에 대한 정확한 진단을 실시할 수 있도록 하였다. 또한 현장 적용을 위해 본 논문에서 제안한 성능 분석장치의 신뢰성에 대한 검토 및 시험을 실시하였으며, 이를 기반으로 한국철도공사의 영업선에서 사용하고 있는 분기기를 임의로 선정하여 관련 설비의 성능 확인을 시행하였다. 참고로 측정용 센서는 본 논문에서 제시한 항목 이외에도 안전을 위해 추가적으로 설치할 필요가 있지만, 너무 많은 진단 및 감시 항목은 오히려 전기선로전환기의 운영 및 유지보수에 방해요소로 작용할 수 있기 때문에 분기기의 안전 성능과 연관된 최소한의 변수만을 선정하였으며, 향후 전기선로전환기의 실시간 진단 및 감시를 통한 유지보수의 자동화 및 효율화를 위해서는 추가적인 검토를 실행해야 한다.
2. 분기기 성능 종합 분석장치 제작
- 2.1 기본 개념 및 원리
분기기 안전 동작을 보장하는 분기기 성능 검지의 가장 기본적인 요소는 전기선로전환기에 의한 분기기의 전환력과 동작시간, 전압, 전류 등을 측정, 분석하는 것으로, 기존의 분기기 성능검지는 단순히 분기기를 전환하는데 소요되는 최대 전환력과 전환시간만이 각각의 측정 장비를 통해 제시되었다. 또한 이들 측정장비는 모든 분기기에 대해 공통적으로 활용할 수 없을 뿐 아니라, 일부 측정장치는 가동 노스를 갖는 크로싱부에서 사용할 수 없는 단점을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하고, 모든 분기기에 공동으로 사용하기 위한 방법으로 각각의 분기기에서 성능 검증에 필요한 필수 측정 항목을 조사하여, 전기선로전환기의 종합 분석장치의 필수 측정 항목을 선정하였다. 이는 대부분 분기기를 전환하는데 필요한 전기선로전환기의 전환력, 전기선로전환기의 운영 시간을 의미하는 동작시간, 전기선로전환기의 동작에 필요한 전류와 전압으로 주어지며, 이에 따른 측정 센서 및 측정 한계는 현재 국내에서 사용중인 NS형과 MJ81형 전기선로전환기의 값을 바탕으로 설정하였다. 이를 기반으로 한 분기기 종합분석장치는 각종 센서를 연결할 수 있는 본체와 커넥터, 실시간 측정을 위한 모니터, Lab-view에 의한 프로그램 자동 제어 방식을 기반으로 센서에 의한 측정값을 이용하여 실시간 측정값 분석 그래프 및 관련 데이터 저장 기능을 갖도록 하였다.
- 2.2 적정성 검토
본 논문에서 제시된 분기기 종합분석장치의 측정값 적정성 검증은 실험실에 설치된 전기선로전환기의 성능시험기에서 측정된 데이터를 이용하여 실시하였다.
이는 시제품으로 제작된 종합분석장치의 측정값이 운영 및 유지보수 요원이 사용하기에 적합한 값인지, 아니면 추가적인 보정을 실시해야 할지를 결정하기 위해 실험실에 설치된 성능시험기의 공인된 시험 절차를 통해 출력된 실측 데이터를 종합분석장치의 측정 데이터와 비교하여, 종합분석장치에 의한 측정치의 적합성을 분석하였다. 이를 위해 실험실의 성능시험기를 종합성능분석장치와 병렬로 연결한 후, 다음과 같은 절차를 통해 종합성능분석장치의 적합성 분석 시험을 실시하였다.
  • 1) 전기선로전환기를 Main Unit에 설치하여 유동이 발생하지 못하도록 설치지그에 체결한다.
  • 2) 전기선로전환기의 링크 연결핀이 분리되어 유압 실린더와 선로전환기를 완전히 이격한다.
  • 3) 성능시험기의 주전원을 공급하여 시험기를 가동한다.
  • 4) 성능시험기에 주전원이 투입되면 유압장치의 전원을 가동한다.
  • 5) 성능시험기 컴퓨터 화면의 “전기선로전환기 성능시험기” 프로그램을 실행한다
  • 6) 유압 실린더를 전/후로 손으로 밀거나 당겨 전기선로전환기 링크와 Main Unit의 실린더 죠핀 체결부 위치를 조정한다.
  • 7) Main Unit의 실린더 연결부와 전기선로전환기 컨트롤 암을 일치시키고, 로드셀을 체결한다.
  • 8) 성능시험기의 Motor 구동 전압 출력선에 전압 측정용 Clamp를 연결한다.
  • 9) 성능시험기의 Motor 구동 전압 출력선에 전류 측정용 Clamp를 연결한다.
  • 10) Test Run 버튼을 클릭하여 시험을 시작한다(데이터 저장)
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분기기 성능 시험장치 Fig. 1 Performance testing device in Turnout
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분기기 성능 관련 데이터 측정 Fig. 2 Performance-related data measurement in turnout
위와 같은 시험 절차를 이용한 성능시험기와 종합분석장치의 전환력, 및 부하전류 측정값은 그림 3 과 같다.
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전기선로전환기 측정값 비교 Fig. 3 Comparison of measured values in Point machine
성능시험기와 종합분석장치의 전환력 측정값의 비교 결과, 최대 전환력에 대한 전환력 측정 편차는 정상부하일 때 0.84%, 변동부하일 때 0.74%로, 최소전환력의 경우에는 정상부하일 때 3.16%, 변동부하일 때 4.95%로 확인되었다. 같은 방법으로, 성능시험기와 종합분석장치의 기동전류와 운용전류 측정값 비교에 있어, 기동전류에 대한 측정 편차는 정상부하일 때 4.57%, 변동부하일 때 5.88%로, 운용 전류의 경우에는 정상부하일 때 0.33%, 변동부하일 때 0.43%로 확인되었으며, 관련값은 표 1 과 같이 주어진다.
성능 측정 편차 분석Table 1Analysis of performance measurement deviation
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성능 측정 편차 분석 Table 1 Analysis of performance measurement deviation
따라서 성능시험기와 종합분석장치의 측정 데이터간에는 초기 편차가 발생함을 확인할 수 있었고, 이는 종합분석장치의 Lab-view 프로그램을 통해 관련 Gain 값 조정을 실시하여 성능 시험기 측정 값과의 오차를 최소화하도록 데이터를 교정하였다. 특히 전환력은 로드 셀에서 받은 입력 값을 AMP에서 5V로 변환출력시에 출력값이 4.4545V로 확인됨에 따라 그림 4 와 같이 전환력 측정을 위한 구성 로직 Gain 기준값 “440”을 적용하여, 종합분석장치의 값이 성능시험기 값보다 높게 측정 되면 보정값을 440보다 낮게 설정하고, 측정값이 낮으면 보정값을 440 이상으로 설정하여 전환력 데이터를 교정하였다. 전류 데이터의 교정도 이와 유사한 방법으로 Lab-view 프로그램 구성 로직의 Gain 기준값 “10”을 적용하여, 관련 측정값의 증가 또는 감소량에 따라 전류 데이터를 교정하였다. 전압 데이터의 교정도 전류와 같은 방법으로 기준값 “131”을 적용하여, 측정값의 증감에 따라 전압 데이터를 교정하였다.
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측정 편차 교정 Fig. 4 Calibration of measurement deviation
3. 종합분석장치의 현장 검측 시험
- 3.1 MJ81 및 NS-AM형 분기기 검측
성능시험기를 통해 교정된 종합분석장치를 이용해 국내에서 주로 사용하는 NS형과 MJ81형 전기선로전환기에 대한 철도공사 영업선에서의 현장 실측을 실시하였다. 이는 분기기의 경우, 시험실 환경이 단순히 전기선로전환기와 임의로 인가된 부하에 의한 데이터 측정인데 비해, 현장의 경우에는 열차 운행에 따른 진동 및 온도 변화 등 다양한 변수가 추가됨으로서 본 논문에서 개발한 종합분석장치의 현장 적용 적합성 여부를 판단하기 위한 필수과정으로 고려되었다. 특히 개발된 종합분석장치의 전환력 측정기 센서 형태는 NS형과 MJ81형 전기선로전환기에 적합하도록 관련 전기선로전환기 죠핀과 동일하게 개선, 제작함으로서 NS형과 MJ81형 분기기의 전환력을 모두 측정이 가능하도록 하였으며, 전환력 측정 센서는 아래 그림처럼 설치하였다. 전압 및 전류의 측정은 전기선로전환기의 모터에 인가되는 전력 공급선에 취부하여 데이터를 측정하였다. 일반적으로 분기기의 분전반이 설치된 곳에서는 대부분 전기선로전환기의 전력 공급선의 위치에서 전압 및 전류를 측정하며, 전원 공급선이 전기선로전환기 내부에 있는 경우에는 전기선로전환기의 모터 선에 직접 센서를 설치하여 데이터를 측정하였다 [12 , 13] .
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전환력, 전압, 및 전류 측정 위치 Fig. 5 Measurement position of switching power, voltage and current
현장 검측은 MJ81 분기기가 설치된 경부고속선 경주, 울산지역과 NS 분기기가 설치된 동해선을 대상으로 실시하였다. 경부고속선 경주의 경우에는 4838P 노스가동 분기기에 종합분석장치를 연결하여 데이터를 측정, 분석하였다. 측정 결과, 그림 6(a) 와 같이 4838P 분기기는 한국철도공사의 오송 교육장에 설치된 분기기와 유사한 형태의 전환력 그래프을 갖는 것으로 확인되었다. 전압 및 전류는 일반적인 전기선로전환기 모터의 동작 특성이 비슷하지만, 측정된 전환력은 전환 완료 후의 형태가 한 방향쪽으로 높게 표시되었다. 이는 전기선로전환기에서 분기기로 전달되는 힘이 균형있게 전달되기 보다는 한쪽 방향으로 치우쳐서 움직인 것으로, 분기기 동정량의 분배가 제대로 실행되지 않는 경우에 발생하는 주요 현상으로 분석됨에 따라, 기존의 현장점검에서 확인이 불가능한 현상을 그래프를 통해 쉽게 확인할 수 있음을 보여준다. 그림 6(b) 는 경부고속선 울산에 설치된 8408 MJ81 탄성분기기에 대해 전환력, 전압, 및 전류를 측정 분석한 데이터이다. 울산 8408 분기기는 밀착 쇄정기(Vcc)가 없는 형태로, 주로 측선에 설치되는 저번 분기기이며, 전환력의 형태가 NS형 분기기의 전환력 형태와 유사하게 주어진다. 그림 6(c) 는 NS 전기선로 전환기가 설치된 동해선 25A 분기기의 전환력, 전압, 및 전류를 측정 분석하였다. 그림에서 레일의 전환이 완료된 이후에도 텅레일을 과밀착하는 형태로 측정 결과가 표시된다. 이는 NS형에서 발생하는 과부하 현상이며, 이로 인해 전기선로전환기 내부에 부하로 인가되어 전기선로전환기 내부 부품의 파손에 영향을 줄 수 있다. 또한 마찰 클러치를 사용할 경우에는 마모가 쉽게 하여 분기기 장애 또는 유지 보수 빈도를 증가시키는 주요 요인이 될 수 있다. 그림 6(d) 는 동해선 25B 분기기의 데이터 측정값으로 그림 6(c) 에서 이미 언급한 과부하가 분기기 전환의 시점과 종점에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 유형도 NS 분기기에서 발생 가능한 내부 쇄정 상태 불량의 경우로, 텅레일이 해정되기 전에 텅레일이 움직이기 시작하면서 발생되는 현상으로 빠른 시일내에 쇄정간의 유지보수를 실행할 필요가 있음을 의미한다. 그림 6(e) 는 동해선 59번 분기기 측정 분석값으로 분기기 전환 전후의 밀착력은 양호한 상태이지만, 분기기의 전환 중간에 동작 전류가 비정상적으로 증가하거나 전환력이 요동치는 형태로 표시된 것을 알 수 있다. 이는 분기기 상판의 윤활류 공급부족에 따른 과부하와 분기기 전환 동작 전반의 비정상적인 동작이 있는 것으로 예측됨으로서 시급한 유지보수를 필요로 한다. 결론적으로 분기기 성능 종합분석장치를 이용한 분기기의 전환력, 전압 및 전류 측정값은 유지보수시 즉각적인 대응 및 이상 상태의 정확한 분석을 하는 중요한 데이터로 활용할 수 있음을 확인하였다.
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현장에 설치된 분기기 전환력 분석 Fig. 6 Analysis on the switching power of turnout installed at the field
- 3.2 검측 결과 분석
본 논문에서 제시한 분기기 성능 종합분석장치의 전환력 측정값이 국내에서 현재 사용중인 대부분의 분기기와 유사한 형태의 그래프 유형을 갖는 것으로 확인되었지만, 사용된 분기기의 쇄정방식에 따라 크게 다른 형태로 표시되는 것을 확인할 수 있었다. NS 분기기는 간접 쇄정을 이용하며, 전환 이후에 일정한 밀착력을 유지하고 있는 구조로 재차 확인되었고, NS 규격에 제시된 그래프와 동해선의 측정값을 비교 분석한 결과, 일부에서 이상 반력이 발생하는 현상과 전환 도중 동작 전류가 요동하는 현상이 있었다. 이는 분기기의 간접쇄정이 분기기의 해정이 완료되기 이전에 전환동작이 이루어 졌다는 것과 분기기의 유지 보수 상태에 문제가 있다는 것을 쉽게 확인할 수 있는 계기가 되었다. MJ81 분기기는 직접 쇄정을 이용함에 따라 철관 장치의 유무에 의해 전환완료 후의 전환력 그래프가 다르게 나타났으며 철관 장치의 유지보수 상태에 의해 전환력 발생 형태가 상이하게 측정됨으로서 철관의 유지보수 상태에 따라 발생 가능한 동정량 과다 설정 및 동정 치우침 현상이 발생되었다는 것을 예측할 수 있었다. 또한 NS 분기기에서 측정된 값과 같이 해정이 완료되기 이전에 전환 동작이 이루어지면 전환력과 동작 전류가 급증하는 것을 확인하였다.
결과적으로 분기기와 전기선로전환기에 있어서 전환력과 전류, 전압은 밀접한 관계를 가지며, 분기기의 종류에 따라 각각 다른 형태로 분석형태가 표시되며, 전환 시 발생하는 비정상적인 이상 상태에 대한 객관적인 근거를 제시할 수 있는 중요한 역할에 본 논문에서 제시한 종합분석장치가 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 참고로 본 논문에서 측정한 분기기의 측정 데이터는 분기기의 전환력을 측정하는 방법이 전기선로전환기를 중립 상태에서 센서 교체를 실행함으로서 모두 열차가 운행하지 않는 시간을 이용하여 측정을 실시하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 분기기의 전환력 측정기를 개선하여 동작시간, 전압, 전류 등을 함께 측정할 수 있는 종합분석장치를 개발하였다. 개발된 종합분석장치는 현장 적용성 시험을 통해 전환력, 동작시간, 전압, 전류의 연관 관계를 분석할 수 있는 중요한 설비로 활용될 수 있음을 확인하였으며, 관련 분석 결과는 철도 운행의 안전 및 운영, 유지 보수를 원활하게 할 수 있는 핵심 데이터를 확보할 수 있는 유지보수 필수 설비로의 적용 가능성도 확인되었다. 특히 본 논문에서 제시한 종합분석장치의 분석 값인 전환력, 전류, 전압은 분기기의 전환 동작에 따라 서로 밀접한 관계를 가지고 있음을 확인할 수 있었고, 실제 유지보수시 발생하는 분기기의 이상 상태를 해석할 수 있는 객관적이고 정확한 데이터를 제시하였다. 이러한 데이터를 이용하여 분기기의 장애 및 탈선 등의 사고 발생 원인을 미리 파악한다면, 분기기 결함을 사전에 검측할 수 있는 예방 유지보수의 중요한 자료로 활용이 가능할 것으로 예상되며, 본 논문에서 제시한 기술을 활용하여 분기기의 상태를 원격에서 실시간 진단 및 감시할 수 있는 ICT 기술이 접목된 분기기 실시간 진단 및 감시 기능을 갖는 시스템의 개발이 가까운 시일 내에 가능할 것으로 기대된다.
Acknowledgements
본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업 “ICT 기반 열차운행 안전성 및 운영 효율화 향상기술 개발”의 연구비 지원으로 수행되었습니다.
BIO
이 종 현(Jong-Hyun LEE)
2014년 우송대학교 대학원 철도시스템학과졸업(석사)
2015년 우송대학교 대학원 철도시스템학과박사과정
현재 (주) 세화 대표이사
E-mail : 7n8@korea.com
김 용 규(Yong-Kyu KIM)
1987년 단국대학교 대학원 전자공학과 졸업(석사)
1993년 프랑스 로렌국립공학원(INPL) 제어공학과 졸업(DEA)
1997년 프랑스 로렌국립공학원(INPL) 제어공학과 졸업(박사)
현재 한국철도기술연구원 수석연구원
E-mail : ygkim1@krri.re.kr
박 재 영(Jae-Young PARK)
1989년 서울산업대학교 전기공학과 졸업(학사)
1999년 고려대학교 산업대학원 전기공학과졸업(석사)
2007년 서울산업대학교 철도전문대학원 철도전기신호공학과 졸업(박사)
현재 우송대학교 철도시스템학과 교수
E-mail : pjy7717@paran.com
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