일반 속도 철도 전력 시스템을 위한 중성점 접지 방법

철도 전력 시스템은 주로 자동 폐색 신호선, 통과 급전 선로, 철도 변전소 및 배전소, 그리고 수입 전력 공급선으로 구성됩니다. 이러한 시스템은 신호, 통신, 차량 시스템, 역 승객 처리, 유지 보수 시설 등 중요한 철도 운영에 전력을 공급합니다. 국가 전력망의 중요한 부분인 철도 전력 시스템은 전기 공학과 철도 인프라의 특성을 모두 가지고 있습니다.

일반 속도 철도 전력 시스템의 중성 접지 방법에 대한 연구를 강화하고, 설계, 건설, 운영 과정에서 이러한 방법을 종합적으로 고려하는 것은 철도 전력 공급의 안전성과 신뢰성을 향상시키는 데 매우 중요합니다.

1. 철도 전력 시스템의 중성 접지 방법 개요

철도 전력 시스템에서의 중성 접지 방법은 일반적으로 변압기의 접지 구성을 의미하며, 이는 전압 수준, 단상 대지 고장 전류, 과전압 수준, 그리고 계전 보호 장치와 밀접하게 관련된 기능적(작업) 접지입니다. 이는 복잡한 기술적 문제로 다음과 같이 크게 분류할 수 있습니다:

• 고체 접지가 아닌 시스템: 접지되지 않은 시스템, 아크 억제 코일(Petersen 코일) 접지 시스템, 고저항 접지 시스템;

• 고체 접지 시스템: 직접 접지 및 저저항 접지.

국가 전력망에서 철도로 공급되는 전력은 보편적으로 중성이 접지되지 않은 구성을 사용합니다. 철도 변전소 및 배전소로부터의 피더 회로는 일반적으로 수입 전력 버스바 이후이지만 전압 조정기 이전에 위치한 2차 버스바에서 직접 분기되므로, 또한 중성이 접지되지 않은 시스템을 사용합니다. 통과 급전선의 경우, 실제 필요에 따라 전압 조정 변압기의 접지 방법을 선택할 수 있습니다.

고속 철도 전력 시스템이 일반적으로 저저항 접지를 사용하는 것과 달리, 일반 속도 철도 시스템은 주로 중성이 접지되지 않은 구성을 사용합니다. 이러한 접근 방식은 특정 장점을 제공하지만, 발전하는 안전 기준과 지속적인 기술 업그레이드는 오늘날의 운영 환경에서 접지 전략을 재평가할 필요성을 제기합니다.

2. 중성이 접지되지 않은 시스템의 장점과 한계

철도 전력 설계 표준(TB 10008–2015)에 따르면, 통과 급전선의 구성을 전력 공급의 신뢰성과 프로젝트별 조건에 따라 결정해야 하며, 공중-케이블 하이브리드 선로 또는 완전히 지하 케이블 선로를 사용해야 합니다.

예산 제약과 기술적 실현 가능성으로 인해, 현재 대부분의 일반 속도 철도 통과 급전선은 주로 공중 도체 또는 공중 도체 위주 하이브리드 구성을 사용하고 있습니다. 따라서, 이러한 시스템의 중성 접지 구조는 일반적으로 절연 중성(접지되지 않음) 또는 소전류 접지 시스템을 채택합니다. 철도 전력 관리 규칙 제69조에 따르면, 이러한 시스템에서 단상 대지 고장은 즉시 처리되어야 하며, 허용되는 고장 운전 시간은 일반적으로 2시간을 초과하지 않습니다.

특정 철도국 구간의 2023년 1월부터 10월까지의 운영 데이터에 따르면 152건의 전력 트립이 발생했으며, 그 중 15건은 장비 고장(내부 책임 2건, 외부 요인 13건)이었습니다. 특히, 환경적 위험, 특히 식물 침입이 공중 선로의 안정성에 주요한 위협을 가합니다. 한 사건에서는 나무 가지가 클리어런스 영역에 침입하여 측면 도체에서 부분적인 상대지 연결 고장이 발생했습니다. 이 고장은 2시간 내에 식별되고 해결되어 열차 운행에 영향을 미치지 않았으며 연쇄 고장을 방지했습니다. 이는 기존 기술 조건 하에서 중성이 접지되지 않은 시스템이 실질적인 이점을 제공함을 보여줍니다.

그러나 케이블 선로는 다른 도전과제를 제기합니다. 공중 선로와 비교하여, 전력 케이블은 낮은 절연 여유와 제한된 과전압 허용 범위를 가지고 있습니다. 중성이 접지되지 않은 시스템에서 단상 대지 고장이 발생하면, 정상적인 상대지 전압보다 건전한 상의 전압이 상승하여 상간 전압에 도달할 수 있으며, 이를 통해 비고장 상에서 다중 절연 파괴의 위험이 증가합니다. 또한, 케이블 시스템의 용량성 대지 고장 전류는 상대적으로 크므로, 고장 지점에서 절연이 빠르게 악화되고 상간 단락 고장으로 발전할 가능성이 높습니다.

케이블은 일반적으로 매설, 관, 트레이나 같은 방법으로 설치되므로, 고장 위치를 찾는 것이 어렵습니다. 케이블 접합 기술, 수리 로지스틱스, 철도 운행 창 등의 제약으로 인해, 이러한 고장은 종종 빠르게 해결될 수 없습니다. 실제로, 케이블 고장은 주로 영구적인 절연 파괴로 인해 발생하며, 유기 절연 재료는 자체 복구가 불가능합니다. 중성이 접지되지 않은 시스템에서는 즉시 트립이 발생하지 않아, 장기간의 고장 전류로 인해 심각한 절연 손상, 고장 영역 확장, 그리고 때로는 2차 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 전력 스크린 경보 또는 "빨간띠" 신호 고장으로 열차 서비스가 중단되거나, 장기간의 정전과 함께 중요한 안전 또는 공공 관계 위험을 초래할 수 있습니다.

3. 일반 속도 철도 전력 시스템의 중성 접지 방법 선택

적절한 중성 접지 방법을 선택하는 것은 철도 전력의 안정적인 운영에 필수적입니다. 핵심적인 도전은 다음과 같은 것을 균형있게 하는 것입니다:

• 외부 교란으로 인한 불필요한 트립 최소화,

• 중요 부하에 대한 전력 공급의 중단 방지,

• 효과적인 고장 보호,

• 고장 확산 제어, 그리고

• 고장 동안 건전한 장비의 전기 및 절연 무결성 유지.

철도 전력 설계 표준(TB 10008–2015)에 따르면, 전압 조정기를 통해 공급되는 10(20) kV 통과 급전선의 경우, 다음의 접지 지침이 적용됩니다:

• 단상 접지 용량 전류가 ≤ 10 A인 경우, 비접지 시스템을 사용해야 합니다.

• 전류가 ≤ 150 A인 경우, 저저항 접지 또는 소멸 코일 접지를 채택할 수 있습니다. > 150 A인 경우, 저저항 접지를 권장합니다.

• 완전 케이블 기반 라인은 저저항 접지를 선호적으로 사용해야 합니다.

• 저저항 접지의 경우, 접지 저항기는 단상 접지 전류가 200–400 A가 되도록 선택되어야 하며, 고장 감지 시 즉시 트리핑되도록 해야 합니다.

반면, 고속철도 설계 표준 (TB 10621–2014)은 접지 용량 전류가 ≤ 30 A인 경우 중성점 비접지 시스템을 허용하며, 중성점 접지 리액터를 통해 보상을 제공합니다.

표준 철도 전력 공학 핸드북의 계산에 따르면, 일반적인 알루미늄 코어 케이블 (70 mm² 및 95 mm² 단면적)에 대한 최대 허용 케이블 길이는 단상 접지 용량 전류 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, 150 A에 해당하는 값들이 표 1에 요약되어 있습니다. 이러한 값들은 실제 케이블 길이에 따라 적절한 접지 방법을 선택하는 데 지침을 제공할 수 있습니다.

중성점 접지 방식을 통해 고장 신속 제거가 가능합니다. 영차 보호는 0.2-2.0초 내에 고장을 격리하여 2차적인 영구적 전기 사고의 확률을 줄이고 전력 설비의 절연 신뢰성 및 수명을 보호합니다.

4. 일반적인 중성 접지 방법 비교

4.1 비접지 중성 시스템

비접지 중성 방법은 주로 공중선로에서 단상 접지 고장 발생 시 1-2시간 동안 지속적인 전력 공급의 장점을 제공합니다. 그러나 케이블 위주 선로에서는 이 방법이 고장 확대를 유발할 경향이 있습니다.

4.2 소멸코일을 통한 중성 접지

비접지 중성 시스템과 비교하여 이 방법은 소멸코일의 유도 전류를 사용하여 정전용량 전류를 보상하여 접지 고장 전류를 자체 소멸 가능한 수준으로 줄입니다. 이를 통해 아크로 인한 과전압을 최소화하고 단상 접지 고장 시 1-2시간 동안 지속적인 운전이 가능하며 단상 고장이 상간 고장으로 발전하는 것을 방지합니다. 그러나 이 방법은 접지 고장 보호에 더 높은 요구 조건을 필요로 하며 고장선을 식별할 수 없고 공진에 취약하며 선로의 잔류 전하를 효과적으로 방전할 수 없습니다.

4.3 저저항을 통한 중성 접지

케이블 위주 선로에서 저저항 접지 방법은 단상 접지 고장 시 아크 접지 과전압을 효과적으로 제어하고 시스템 공진 과전압을 억제하며 좋은 전류 제한 및 전압 감소 효과를 제공하며 상대적으로 높은 영차 과전류 보호 성능을 제공하여 적시에 고장을 제거하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이 방법은 특히 공중선로 구간에서는 제한적이며 트립 빈도 증가로 인해 전력 시스템 운영에 영향을 미치고 전력 공급 능력을 약화시키며 장비 유지 관리 난이도를 어느 정도 증가시킵니다.

5. 철도 전력 시스템을 위한 중성 접지 방법 논의

(1) 자동 추적 소멸코일 장치 활용 강화. 이 접근 방식은 전력 시스템에서 일시적인 접지 고장을 자동으로 제거하는 장점이 있어 트립 횟수를 줄이는 데 도움이 됩니다. 고장 알람 신호가 발생하면 자동 추적 소멸코일은 해당 보상 전류를 생성하여 전력선로의 재보상을 가능하게 합니다. 이를 통해 세 상 간의 단락 고장 발생을 줄이고 시스템의 안정성과 안전성을 보장합니다. 또한 소멸 장치가 특정 소멸 임계값을 가지므로 접지 고장 전류가 이 임계값보다 작다면 소멸 장치의 작용 하에 전압 회복 속도가 증가하여 아크를 신뢰성 있게 소멸하고 아크 재점화 가능성과 전력 사고를 줄여 신뢰성 있는 중성 접지 운전을 효과적으로 지원합니다.

(2) 기존의 일반속도 직통 급전선 및 자동 폐쇄 신호선 개조 시 케이블 선로가 공중선로를 대체하여 상당한 비율을 차지한다면 박스형 리액터를 이용한 집중 또는 분산 보상 방식을 고려하여 정상적인 정전용량 전류 상태에서 유도 무효전력을 보상하는 것이 좋습니다. 표 2의 계산 결과에 따르면 70 mm² 알루미늄 코어 케이블의 경우 0.22 μF/km, 95 mm² 알루미늄 코어 케이블의 경우 0.24 μF/km의 작동 용량 값이 있습니다. 동시에 배전실의 적응성 수정을 고려해야 하며 계산 데이터에 따라 배전실 양쪽의 전압 조정기의 중성 접지 방법을 적절히 조정해야 합니다.

극단적인 경우, 시스템이 접지되지 않고 고속철도 표준을 준수하는 단일 코어 케이블이 사용되는 경우, 단일 위상 접지 결함이 허용된 2시간 시간 내에 제거되지 않습니다. 이는 케이블에 지속적인 열 손상을 초래합니다. 또한, 단일 코어 케이블이 손상된 후 인접 위상에 미치는 영향은 상대적으로 약하여, 보호 트리핑을 유발하지 못하고, 이는 쉽게 체계적 실패로 이어질 수 있습니다.

6. 결론

일반 철도 전력 시스템에서 중성 접지 방법의 선택은 시스템 운영의 안전성과 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 적절하지 않은 중성 접지 방식의 선택은 두 번째 결함 및 연쇄 사고를 쉽게 초래할 수 있습니다. 계산과 비교 분석을 통해 중성 접지 방법을 종합적이고 합리적으로 선택하는 것은 효과적으로 결함을 제거하고 장비 절연을 보호하며 신뢰할 수 있는 견인 전력 공급을 확보하고 인원 및 기차 운행 안전성을 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다.