전차선과 팬터그래프 상호작용에 동특성 해석을 위한 모델링

오용식 서울과학기술대학교 2025 국내석사

제 목 : 전차선과 팬터그래프 상호작용에 동특성 해석을 위한 모델링 본 연구에서는 고속철도에서 팬터그래프와 전차선 사이의 접촉 품질 및 에 너지 전달 효율을 향상시키기 위한 모델을 개발하고 검증하는 것을 목표로 한 다. 팬터그래프와 전차선 간의 안정적 접촉은 고속열차의 안전과 운행 효율에 필수적이지만, 접촉력이 과도하거나 부족할 경우 전력 공급의 불안정성과 시 스템 마모를 초래할 수 있다. 이에 본 연구에서는 오일러-베르누이 보 이론을 기반으로 팬터그래프와 전차선의 상호 작용을 수학적으로 모델링하고 시뮬레 이션을 통해 최적의 접촉 조건을 도출하였다. 또한 Matlab의 pdepe 함수를 사 용해 모델의 검증을 수행하여 설계 최적화에 필요한 매개변수를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 접촉력의 평균값과 변동 범위가 시스템 안정성 및 마모에 큰 영향을 미치는 것이 확인되었으며, 팬터그래프의 위치에 따른 전차선 변형 패턴을 예측함으로써 접촉 품질을 향상시킬 수 있는 설계 조건을 제시하였다. 본 연구는 향후 고속철도 시스템의 접촉 품질을 높이고 설계 최적화를 통해 유지보수 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

고속철도용 전차선 구조물의 굽힘 피로 수명 예측

Li, Haochuang 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

전차선은 전기철도의 전력 공급 기능을 수행하는 핵심 부품으로 철도 분야의 기술 개발을 위해서는 전차선의 물성 및 특성 파악이 필요하다. 특히 고속 철도에서 사용되는 전차선은 가선 시에 부가하는 장력이 기존의 일반철도보다 증가 되어 평균응력이 증가하기 때문에 기존의 전차선을 사용할 수 없다. 따라서 기존의 전차선보다 높은 강도를 가지면서, 가혹한 진동 환경에서도 충분한 내구성을 가진 전차선을 개발해야 한다. 전차선분야에 있어서 초기에는 팬터그래프와의 마찰로 인한 마모 손상이 주요한 관심거리가 되었지만 일본 동해도 신간선(新干線) 가선의 교차금구가 있는 장소에서 전차선이 마모 손상으로 인한 교체 주기보다 짧은 시기에 피로 파단을 일으킨 사고가 여러 건 발생한 이후로는 전차선의 피로 손상 및 파단에 대한 평가 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 전차선에 적용되는 하중 및 운행 환경 조건을 모사하여 피로 특성을 평가할 수 있는 시험 장치를 개발한 후 개발된 시험 장치를 이용하여 동전차선의 피로수명을 평가하였고, 동전차선의 피로수명 평가 절차를 확립하였다. 이와 같은 전차선 구조물에 대한 피로 굽힘 피로 시험을 통해서 전차선의 실 피로 특성을 평가할 수 있지만 시험 장치의 구성이 복잡하고 시험방법 또한 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 국내 고속철도에 사용되는 300Km/h 급 전차선으로 제작한 표준시험편을 이용하여 인장 피로시험을 수행한 후 획득된 피로수명을 통해서 전차선 구조물의 굽힘 피로수명을 예측하고자 한다. Trolley wire is the electric wire which supply current to trolley in the high-speed railway system. In this paper, the performed load and operating ambient were simulated to evaluate the characteristic of bending fatigue for tolley wire structure. However, the equipments of tester is too complicated to evaluate the characteristic of fatigue expeditiously. So the axial tension fatigue test for standard specimen was performed, and then the bending fatigue life for trolley wire structure was predicted by steel prediction equation. In the last, the results of bending fatigue life of structure, predicted bending fatigue life, and converted bending fatigue life by axial tension fatigue test were compared.

가공 전차선의 부정정 구조물 해석에 따른 신축량에 관한 연구 : 가공 전차선의 부정정 구조물 해석에 따른 신축량에 관한 연구

이상웅 국립한국교통대학교 교통대학원 2025 국내석사

Abstract The “catenary” overhead contactor wire of electric railway and expands according to temperature. We calculate elongation and compressive length using linear expansion coefficients for temperature changes among properties of copper (Cu) components in “catenary” overhead contactor wire of electric railway . This is very accurate in the way the “catenary” overhead contactor wire of electric railway is calculated in a free state. However, the “catenary” overhead contactor wire of electric railway is fixedly supported on one side and a tension device is installed on the other. In addition, It is also supported by brackets that rotate at regular intervals, and the “catenary” overhead contactor wire of electric railway is installed in zigzag form. Therefore, when measuring the actual amount of expansion and contraction, it can be seen that there is a difference between the value by the theoretical calculation formula and the measured value. In this study, in order to calculate as close to the actual amount of expansion as possible, the “catenary” overhead contactor wire of electric railway was interpreted as an Movement Restriction Structure and calculated. As a result of interpretation as an Movement Restriction Structure, a result similar to the field measurement value could be obtained. The amount of tension may vary greatly depending on the area and location where the “catenary” overhead contactor wire of electric railway is installed, and the amount of tension may vary according to the amount of expansion and contraction, according to the study's findings. In the end, it can be seen that the tension distance may vary depending on the area and location in which the “catenary” overhead contactor wire of electric railway is installed. 요 약 제 목 : 가공 전차선의 부정정 구조물 해석에 따른 신축량에 관한 연구 본 硏究는 전기철도 가공 전차선의 부정정 구조물 해석에 따른 신장 수축량에 대한 硏究이다. 전기철도의 Catenary 가공 전차선은 온도에 따른 신축 작용을 한다. 현재 신축량을 계산하기 위해 전차선의 구리(Cu) 성분 선팽창계수를 이용하여 신장량을 계산한다. 이것은 전차선을 자유상태로 놓아두고 계산하는 방식으로 매우 정확하다. 그러나 전기철도 차량이 운행중인 가공 전차선은 한쪽은 고정 지지 되어 있으며 다른 한쪽은 장력장치가 설치 되어 있다. 또한 중간중간 전주에는 가동 브래킷으로 지지 되며, 편위를 주어 지그재그 가선 되어 있어 자유상태의 구조물이 아님을 알 수 있다. 따라서 실제 신축량을 측정하여 보면 이론 계산식에 의한 값과 측정값이 차이가 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 가선 된 Catenary 가공 전차선로는 양쪽이 고정 지지 되어 온도(열)에 의한 신축 현상이 발생 되는 부정정 구조물로서 해석을 통해 신축량을 계산 하는 것이 더 현장 측정값에 가깝다 라고 생각되어 부정정 구조물로서 해석을 통한 신축량을 계산해 보았다. 또한 전차선이 신축하게 되면 전차선로에 어떤 영향이 있는지 검증 하기 위해 계절별 장력 크기 변화를 분석을 해 보았다. 우선, 신축량을 자유상태와 부정정 구조물 해석을 통해 비교 해 보았으며, 온도와 신장량의 관계, 온도와 장력과의 관계를 통해 신장량이 장력에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았다. 가선 된 전차선로 현장에서 계절별 온도에 따른 전차선 신축량을 실측하였으며, 이때 측정된 신축량은 부정정 구조물 상태의 신축량 계산값과 유사함을 알 수 있었다. 본 연구에서 알 수 있었던 부정정 구조물해석에 의한 신축량 연구 결과는 다음과 같다. 첫 번째로 전차선의 신축량은 자유상태와 외력(장력)에 의한 변형을 고려한 정정 구조물 해석, 그리고 전차선로 억제저항과 온도(열)응력을 고려한 부정정 구조물 해석을 통해 비교 하여 차이를 확인 하였다. 신축량이 전차선의 장력 크기에 영향을 미치며, 또한 장력장치의 성능을 고려한 장력 거리 산정에 중요한 역할을 하며, 장력장치의 장력 변동율에 직접적인 영향을 끼침을 알 수 있었다. 두 번째, 전차선은 고유 가선 억제저항으로 인해 자유상태가 아님을 확인하였으며 억제저항은 부정정 구조해석에서 압축력의 크기에서 억제저항만큼 압축력이 감소한다. 장력 크기와 신축량 크기 변화에 영향을 주는 것을 확인하였다. 위와 같이 기존 자유상태 신축량과 부정정 구조물 신축량을 비교하여 차이를 확인하였다. 향후 전차선이 설치되는 지역과 장소(특히 장대 터널, 산악지역, 도심 통과 지역, 성토, 절토 개소 등)의 온도 특성을 고려한 전차선 기준과 선로의 억제 저항을 발생시키는 마찰력과 횡장력의 감소 방안에 대한 검토가 필요한 것으로 사료 된다.

都市鐵道 Simple Catenary 架線 構造에서의 集電性能 向上方案에 關한 硏究

박용철 서울産業大學校 鐵道專門大學院 2005 국내석사

최근 수도권에서는 통행인구 및 차량의 증가로 자동차의 평균속도가 떨어지게 되어 주요 교통수단의 일환으로 전기철도가 주목을 받고 있으며, 현재 수도인 서울시의 도시철도 수송 분담율은 35.3%에 이른다. 도시교통에서의 이러한 도시철도 수송 분담 증가는 안정적이고 쾌적하며, 이동속도가 빠른 열차운행을 요구하게 되었으며, 이를 위하여는 전기철도의 동력원인 전기의 안정적인 공급이 필수라 하겠다. 이에 본 연구에서는 커티너리 전차선의 장력 불량이 열차운행 및 시설물에 미치는 영향을 조사하고, 문제발생에 대한 해결방법을 검토하며, 또한 커티너리 전차선에 있어서의 최적의 장력을 연구하여 제시함으로서 열차의 안전운행 도모 및 향후 도시철도 운전속도의 증속에 대비코자 하였으며, 이를 위하여 도시철도 심플 커티너리 방식의 구조 및 각 설계요소에 대한 기술검토를 실시하였으며, 사용 팬터그래프 및 가선을 모델링하여 조가선과 전차선의 장력변화가 집전성능에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 시뮬레이션을 실시하여 그 결과를 제시하였다. 또한, 전차선의 장력별 마모율을 계산하여 전차선의 사용수명 및 장력과의 연관관계도 검토하였으며, 일괄식 및 개별식 장력장치의 장,단점 비교 및 문제점 검토 등을 통하여 가선의 집전성능에 유리한 장력장치의 선택 방향도 제시하였다. 본 연구의 주요 결과로는 첫째, 조가선 및 전차선의 장력변화에 의한 집전성능 시뮬레이션 결과로 조가선의 장력을 너무 높여도 팬터그래프에 대한 추종성능이 떨어져 집전성능이 나빠진다는 경향을 발견하였고, 그러나 전차선의 경우는 장력을 높일수록 집전성능이 양호한 것으로 분석되었다. 둘째, 전차선의 장력별 마모율 계산결과로 전차선은 장력을 높일수록 사용 마모율이 저하되어 수명이 짧아지는 것(비경제적)을 알 수 있었다. 셋째, 도시철도 장력장치에 대한 검토 결과에서 일괄식 장력장치는 전차선과 조가선의 서로 다른 선팽창계수에 따라 요크가 경사지며, 왜곡이 발생되어 집전성능을 저하 시키는 문제가 있어 집전성능 향상을 위하여는 개별식 장력장치가 유리하다. 그러나 활차식 개별장치는 설치가 힘들고 건설비가 많이 들며, 유지관리에 매우 불리한 단점을 갖고 있어 최근 실용화 되어 있는 스프링식 개별 장력장치의 설치가 바람직 한 것으로 판단되었다. 넷째, 결과적으로 상기 첫째~셋째의 결과는 도시철도의 집전성능 향상을 위한 가선 시스템 설계 시 함께 심사숙고 되어야 할 사항으로 판단되는 것이다. 본 연구에서 시도한 커티너리 설계요소 기술에 대한 검토 및 장력변화에 따른 집전성능의 예측, 장력장치에 대한 문제점 및 장, 단점 검토 등의 상기 성과는 앞으로의 도시철도 가선시스템 설계 방향을 제시하는데 그 의의가 있다. The electric railway is being highlighted as one of the main transportation because the average speed of the vehicle have became slowed recently in Seoul while its burden ratio have risen up to 35.5 %. The electric railway is demanded that it should be stable, pleasant, and fast with correspondence to the increase of its burden ratio. The electric power, the power source of the rolling stock, must be supplied stably to meet the demand. Therefore, this study investigates how the poor tension of the catenary trolley wire influences the train operation and its facilities, reviews the solution for the mechanism of the problem, and proposes the optimal tension of the catenary trolley wire so as to prepare for the increase of the metro transit operation speed as well as to contribute the safe operation of the train. We have examined the configuration of the simple catenary system and its design factors of the metro transit, and modeled the pantagraph & the trolley in order to simulate how the tension change of the messenger wire & the trolley wire affects its sliding contact performance. Also we have made calculation of its weariness ratio for various tensions of the trolley wire, and have studied the relationship between the life and the tension of the trolley wire. Through comparisons between the individual tension balancer and the batch tension balancer, and consideration of their problem, we suggest the selection of the favorable tension balancer for the sliding contact performance. The result from this study is as follow hereunder : First, the simulation result of the sliding contact performance by the tension change of the messenger wire and the trolley wire showed that the sliding contact performance by the pantagraph is deteriorated if the messenger wire is tensioned very high, but that it become better, the more high tension of the trolley wire. Second, the more high tension of the trolley wire, the more the weariness ratio is decreased and the life gets short through the calculation result of the weariness ratio for various tensions of the trolley wire. Third, in the batch tension balancer, the yoke is tilted, and the tension balancer is distorted due to the different linear expansion of the trolley and the messenger, and the sliding contact performance is lowered consequently. The individual tension balancer is more advantageous for the improved performance of the sliding contact. However, we have thought that the spring type of the individual tension balancer , being put into practice recently, is more desired than the pulley type of the individual tension balancer in that the pulley type has difficulty in the installation and maintenance, and needs much construction costs. Fourth, the above three(3) results must be taken into account in designing the trolley wire system for the better performance of the sliding contact. This study tried the technical review of the design factors for the catenary trolley wire, the prediction of the sliding contact performance derived by the change of its tension, and the comparison of tension balancers, which would be purposed to giving direction in the design for the trolley wire system of the metro transit in future.

강체전차선로 곡선구간 브래킷 성능 향상 및 평가에 관한 연구

조호령 국립한국교통대학교 교통대학원 2025 국내박사

강체전차선로 곡선구간 브래킷 성능 향상 및 평가에 관한 연구 강체전차선로 시스템은 가공 커티너리 시스템에 비하여 터널 공사비를 약 15% 정도 절감할 수 있고, 유지보수에 장점이 있어 도시철도 등 터널 구간에 주로 사용하고 있는 가공전차선로 시스템이다. 따라서, 국내에서 도 수도권과 주요 대도시에서 T-Bar 시스템과 R-Bar 시스템을 도입하 여 운영 중이다. 특히 강체전차선로 R-Bar 시스템은 T-Bar 시스템에 비하여 가선 특 성과 속도 특성이 우수할 뿐만 아니라, 건설비 및 유지보수비용 측면에서 매우 경제적이다. 또한, R-Bar 시스템은 전차선이 강체에 삽입되는 구조 로 전차선의 장력 조절을 위해 별도의 장치가 필요하지 않고 전차선의 절 단 위험이 없다. 하지만 R-Bar 시스템을 운영하는 일부 곡선구간에서는 전차선이 편마 모가 되어 직선구간에 대비하여 조기 교체하는 사례가 발생하고 있어 이 를 해결할 수 있는 방안을 제시할 필요가 있다. 본 논문에서는 도심의 대중교통수단인 지하철의 대표적인 가선방식인 강체전차선로 R-Bar 시스템 곡선구간에서의 전차선 편마모를 최소화할 수 있는 방향을 제시하였다. 실제 운영선로 곡선구간에 대한 현장조사를 통하여 전차선 편마모의 원 인이 레일 캔트의 영향으로 전기철도차량의 팬터그래프가 전차선과 경사 지게 접촉하는 것이 원인임을 확인하였다. 이에 따라, 전차선의 편마모를 방지하기 위해서는 팬터그래프와 전차선이 직각으로 접촉하게 할 수 있는 방안으로 전차선의 경사를 조정할 수 있는 브래킷을 제안하였다. 제안된 시제품을 제작하여 형식시험과 인터페이스 시험을 마치고, 운영 선로 곡선구간에 경사조정 브래킷을 설치하고, 현장설치 시험을 통하여 전기철도차량의 팬터그래프와 전차선이 직각으로 접촉하게 함으로써 기존 대비 전차선 교체비용을 약 17.1% 이상 절감할 수 있을 것으로 판단된 다. 이와 같이 제안된 경사조정 브래킷은 R-Bar 시스템과 T-Bar 시스템 의 신설 강체전차선로를 포함한 기존 강체전차선로 곡선구간에 적용하여 전차선 편마모를 최소화할 수 있어 유지보수의 효율성과 더불어 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대한다. 주요어 : 강체전차선로, R-Bar 시스템, 전차선, 편마모, 경사조정 브래킷

都市鐵道 橋梁區間의 電車線 押上量에 대한 安全性 硏究

이재봉 서울産業大學校 鐵道專門大學院 2007 국내석사

서울 도시철도 노선망에는 5개의 철도교량 즉 잠실, 당산(2호선), 동호(3호선), 동작철교(4호선) 및 청담철교(7호선)가 있다. 철도교량에서는 바람과 열차 진동이 크므로 교량구간에서 팬터그래프에 의한 전차선 압상은 일반구간에서보다 크다. 지지점에서 전차선 압상이 10[cm]를 초과하게 되면 팬터그래프와 전차선 지지물간에 간섭이 발생하게 된다. 최대 예상 압상량은 구간에 상관없이 시뮬레이션에서 얻은 압상량에 안전율 2를 곱하여 계산한다. 안전율의 적용은 바람 등으로 인한 추가 압상을 고려하기 위함이다. 과거에는 팬터그래프에 의한 전차선의 실제 압상량을 실측할 수 없어서 안전율이 적정한지를 평가할 수 없었다. 그러나 최근에 활선상태에서 측정이 가능한 텔레메트리 시스템이 국내에서 개발됨에 따라서 열차가 통과하는 상태에서 전차선의 압상을 직접 측정할 수 있게 되었다. 본 연구의 목적은 측정결과를 기초로 현재 적용되는 안전율의 적절성을 검토하는 것이다. 이를 위하여 잠실철교를 대상으로 전차선 지지점에서의 압상량 해석 및 측정을 수행하였다. 시뮬레이션은 잠실철교를 지나는 모든 형식의 전동차를 대상으로 하였다. 해석결과와의 비교를 위하여 잠실철교를 열차가 통과할 때 전차선 압상량을 측정하였다. 최종적으로 해석결과와 측정결과를 기초로 교량구간에서 최대 압상량 예측을 위한 적정 안전율을 분석하였다. There are 5 railway bridges in a Seoul metro network; Jamsil, Dangsan(line2), Dongho(line3), Dongjak(line4) and Chungdam(line7). Because there are strong wind and vibration in the bridges, uplift of a contact wire caused by pantographs in the bridge section is higher than in a normal section. If the uplift at the support point exceed 10 cm, an interference between pantographs and catenary system happens. Estimated maximum uplift is obtained by applying safety factor 2 to the simulation results. The application of the safety factor is needed for taking into account of the effect of the wind, etc. Previously, we can not check whether or not the safety factor is proper. Recently, we can measure the uplift during the train operation, as a telemetry system which can measure dynamic behavior of the contact wire has been developed. The aim of this research is to review how proper the safety factor related to the uplift is, based on the measurement. We performed simulations and experiments for the uplift at the Jamsil railway bridge. The simulations were performed for the every kind of the train passing the Jamsil bridge. In order to compare the analysis results with the measurement results, we measured the uplifts at the support when the trains passed the measuring point. Finally, we proposed adequate safety factor with the uplift for the bridge section.

도시철도 판토그래프와 강체전차선의 동적 상호작용에 관한 연구

김권기 서울産業大學校 鐵道技術大學院 2003 국내석사

도시철도는 일반적으로 지하구간을 운행하므로 전차선의 가선 방식에 있어 지하구간에 적합하도록 개발되어진 강체 전차선를 사용하고 있다. 판토그래프와 전차선은 동적으로 연결된 시스템으로 서로 접촉력에 영향을 미치게 되는데, 접촉력 변동의 주원인은 차량이 주행함으로서 전차선의 강성이 위치별로 변하기 때문이다. 이러한 진동과 접촉력의 크기 변화는 이선과 아크 발생의 원인이 되어 판토그래프와 전차선의 마모와 손상을 발생시킴으로서 안정적인 전동차 운행에 장애가 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 판토그래프와 가선계의 동적 상호작용에 대하여 알아보고자 도시철도 강체전차선이 갖는 스프링 특성을 정확히 묘사하는 상용 FEM 프로그램인 MSC/NASTRAN을 사용하여 전차선 지지점별 스프링 상수를 구하였고, 수치해석 프로그램인 Matlab을 사용하여 판토그래프와 가선의 상호작용 해석을 위한 집전 성능 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램으로 가선과 판토그래프 사이의 접촉력, 변위 등을 구해 본 결과, 자체 개발한 집전성능 시뮬레이션 프로그램은 이론적으로 유도할 수 있는 추종성능과 일치하고 있다. 또한 시뮬레이션 결과 현재의 판토그래프에서 서스펜션을 개량하게 되면 접촉력 변화를 개선할 수 있는 해석 결과를 얻었고, 더 향상된 집전성능이 가능하다는 것을 알 수 있었다. Generally, subway runs under the ground, so it uses rigid contact wire, which developed in order to make it suitable to underground section. Pantograph and contact wire, they have effect on the contact force each other, and the main cause of contact force variation is elasticity oscillation at the suspension of contact wire. These oscillation and contact force variation is the cause of a loss contact wire and arc. Then it causes wearing of pantograph and contact wire, and damage again. In conclusion these are the hindrance to stable subway operation. This thesis is on dynamic interaction of a pantograph and rigid contact wire system. For this we got each suspension's coefficient of rigid contact wire, using MSC/NASTRAN which describes spring characteristics correctly of rigid contact wire, and also developed simulation program of current collecting capability for dynamic interaction for pantograph and rigid contact wire, using Matlab which is numerical analysis program. As a result, we got contact force and displacement between pantograph and rigid contact wire. This paper shows the possibility of better pantograph's suspension design and better maintaining of current collecting capability than present when suspention of pantograph is developed by theoretic result.

고속철도 성능향상을 위한 전차선로 설비 특성 측정에 관한 연구

오석용 성균관대학교 일반대학원 2011 국내석사

현재 세계는 거대지역권(Mega-Region) 중심으로 대도시를 유기적으로 연계 하기위해 일본, 중국, 미국, 유럽 등을 중심으로 고속철도 인프라 확충과 이에 따른 속도 향상을 위해 다양한 연구를 수행하고 있다. 철도시스템은 궤도, 노반, 신호, 전력, 환경, 역사, 차량, 전차선로 등 다양한 공학적 기술이 결합된 융합기술이며 한 개의 고속철도 노선 확충에 수많은 연구와 기술이 복합되어 있다. 이중 전차선로 설비는 차량에 전기를 공급하는 핵심설비로 철도시스템에만 적용되고 있으며 속도향상과 함께 재료적, 전기적, 기계적 특성향상을 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 특히 전차선로의 집전상태를 평가하는 방법은 팬터그래프와 전차선로간의 접촉상태를 평가하는 이선아크 및 팬터그래프 접촉력 측정이 있다. 또한 특정구간에 팬터그래프 통과 시 전차선과의 접촉에 의하여 전차선의 상하변위를 측정하는 압상량 측정은 전차선로 자체를 평가하는 기술로 열차가 운행되는 짧은 시간에 측정해야 하므로 응답속도가 빠르고 오차가 작고 위치 변화에 유연한 시스템이 요구 된다. 전차선 압상량 측정방법은 전차선로에 변위계를 직접설치하고 무선으로 측정값을 전송하는 측정법과 켄틸레버 등을 설치하여 간접적으로 측정하는 기술이 현재까지 이용되고 있다. 이러한 기술은 전차선로에 시스템을 설치하므로 고전압 전차선로에 접근하기 위하여 열차운행이 없는 야간 시간에 단전하여 시스템을 유지보수하거나 배터리 등을 교환하는 여러 가지 단점이 있다. 또한 국제적으로도 전차선 압상량 측정에 관한 시스템 요구사항과 속도에 따른 제한 등이 있으나 이를 모니터링하고 분석하여 특성을 평가하는 시스템은 전차선로 설비 자체가 고전압, 고전류로 센서 등 설치가 어렵고 팬터그래프에 의한 진동과 열차운행에 지장이 없는 적합한 시스템이 현재 개발되어지지 않고 있다. 본 논문에서는 전동차 운행에 따른 전차선 압상량, 변형율, 전류값 측정을 위해 무선기반의 측정시스템 및 고속카메라를 이용한 시스템을 고안하고 이를 구현하고 압상량 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 무선기반의 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용한 측정시스템은 전차선로 설비의 특성을 다양하기 평가할 수 있도록 구성하였으며 이를 위하여 전차선과 조가선의 온도, 전류, 전차선로의 진동, 전차선 압상량 및 응력 등을 실제 KTX 운행 중에 측정하여 분석하였다. 또한 측정된 전차선로의 압상량 값을 시뮬레이션 값과 비교하여 시험과 이론적 내용을 분석 하였다. 고속카메라를 이용한 전차선로 압상량 측정 장치는 기존의 시스템과 달리 측정위치의 선로변에 시스템을 설치하여 측정하므로 전차선로의 어느 부분이든 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한 비접촉식 압상량 측정을 위해 고속카메라를 이용한 이미지프로세싱 알고리즘을 개발하여 평가를 하였다. 전차선로 특성 측정시스템 검증을 위한 현장시험은 고속선에서 KTX 운행 시 압상량, 변형율, 온도, 풍속 등을 측정하여 분석하였으며 이에 따른 파동전파속도 계산과 압상량 시뮬레이션 결과와 비교 하였고 호남선 초강-정읍 구간에서 한국형 틸팅열차(TTX, Tilting Train eXpress)의 운행에 따른 고속카메라를 이용한 압상량, 무안-함평 구간 KTX 및 무궁화 운행 시 전차선과 조가선의 전류를 측정하여 전차선로의 전류 분담비율과 주파수 대역을 분석하였다. Currently, based on expanding High-speed Railway infrastructure and various studies for speed enhancement conducted by Japan, China, USA, and Europe, the major cities are being combined to one Mega-Region. Electric railway systems require fusion engineering technologies of tracks, signals, electric power, environment, stations, and vehicles to expand railway lines. Among these, electric railway facilities are essential facilities that are only applicable to railway systems and with the enhancement of speed, efforts to increase quality of material, electrical, and mechnical characteristics are being made. Especially, the method to assess current collection status of catenaries are based on contact loss arc and contact force, the interaction between pantographs and overhead contact lines. In addition, uplift which is measured at a certain section during short durations when a pantograph glides through is the main parameter to assess the catenary itself. An uplift measurement system must have a fast response, low error rates, and should be portable. Currently to measure uplift, displacement sensors are installed directly on catenaries and data is transferred by wireless communication or are indirectly installed using cantilevers. These methods are exposed to high-voltages making it impossible to measure properties of catenaries without shutting down power. Even for international cases, there are requirements and restrictions for uplift measurement. However a suitable system to monitor and assess uplift of overhead contact lines have not been developed. In this paper, a wireless condition monitoring system that measures contact wire uplift using a high-speed camera is proposed. The proposed system utilizes a FPGA (Field Programmable Gate Array) to assess various parameters such as contact wire/messenger wire temperature, current, vibration, uplift, and stress. Field tests for verification were conducted at an operating Honam, Gyeongbu line and results were compared with simulation results and theory. By using a high-speed camera, the system is installed at the rail-side of a measurement target location making it advantageous to measure any desired location. To implement the proposed system, an image processing algorithm was also developed.

가공전차선로 전차선 과장력 인가 방안 연구

유감두 서울産業大學校 鐵道專門大學院 2005 국내석사

건설단계에서 전차선 및 조가선에 영구신장조성(Pre-Stretch)을 하게 되면 설비운영 중에 전차선로 설비 상태를 건전하게 유지관리할 수 있고, 유지보수업무를 줄여주는데 기여하게 된다. 즉, 전차선은 가설 후 상시 장력이 가해지므로 장시간 경과 후 전선의 크리프 현상으로 인해 자연영구 연신이 발생한다. 따라서, 전차선의 경우는 이로 인해 금구의 설치위치가 변경되고, 전선을 잘라 내는 등 집전특성에 영향을 미쳐 유지보수업무가 과중된다. 크리프 연신률의 영향을 작게 하는 방법으로 표준장력보다 큰 장력을 일정시간 가하여 미리 초기의 크리프 연신을 발생시키는 영구신장조성 공법이 채용되어 사용되어 왔다. 이러한 목적으로 실시하는 영구신장조성에서 인가하는 과장력의 크기 및 인가 시간 등에 있어서 철도청 기준, 일본 기준 및 프랑스 기준이 크게 다르다. 또한 영구신장조성 기준에 대한 기술적인 검증 데이터나 검토 자료가 없는 실정이다. 따라서, 어떤 영구신장조성 방법이 향후의 설비 운영 및 유지보수 측면에서 유리한가를 판단하기 위하여 해외자료조사를 실시하였으며 이와 더불어 현장시험 및 실내시험을 수행하였다. 그리고, 본 연구의 목표는 전차선 Cu170㎟ 및 운전장력 1.5ton에 대한 과장력 인가방안을 제시하기 위하여 여기에서는 전차선 Cu170㎟에 적용된 운전장력에 국한하고자 한다.

350km/h급 고속화를 위한 전차선 시스템 집전성능 시뮬레이션

정인철 서울과학기술대학교 철도전문대학원 2012 국내석사

전기철도에서는 팬터그래프 집전성능이 열차속도 향상에 중요한 요구 조건의 하나이며 팬터그래프-전차선의 응동에 대하여 많은 연구가 진행되었다. 가공 전차선이 위치에 따라 강직성이 주기적으로 변하는 탄성체로 지지된 장력을 받은 줄로 가정하면 그 줄의 운동은 해석적으로 기술된다. 가공전차선로에서 팬터그래프와 상호작용은 열차속도의 파동 전파속도에 따라 접촉력의 변화로 발생되며 주로 경간에 연한 강직성 변화와 파동반사에 의해 이선으로 발생된다. 전차선로를 유한요소법을 이용한 보요소로 모델링한 단위행렬로 모델링하여 운동방정식을 비선형 방식으로 표현된다. 전차선과 팬터그래프 사이에 강성도가 큰 이동하는 가상의 스프링이 삽입되어 있다고 가정할 수 있으며, 이렇게 함으로써 전차선로 계수행렬과 팬터그래프 계수를 결합하여 단일 시스템 계수행렬을 만들 수 있다. 전차선로-팬터그래프 계의 기계적 상호작용 특성 즉, 집전 성능을 수치 해석적 방법으로 예측하는 전차선로-팬터그래프 동역학 시뮬레이션을 통해 동적반응은 해석된다. 전차선과 팬터그래프와의 집전성능을 기존 고속선 구간을 기본으로 차세대 고속철도 기본 계획에 제시한 조건으로 시뮬레이션을 한 결과 기존 고속철도 전차선로 조건에서는 350km/h급에 이선율 1%를 초과함을 알수 있다. 이에 따라 차세대 고속철도의 350km/h급에 대응할수 있는 새로운 전차선 시스템을 제시할 필요가 있다. 신규 전차선로의 조건에서 시뮬레이션을 한 결과 350km/h급에 이선율 1% 이내의 집전성능에 만족함을 알수 있다. 전차선 장력을 높이면 수정된 조건에서도 이선율이 낮아져 보다 나은 집전 성능이 나타남을 시뮬레이션 통해 알 수 있다. 이에 따라 향후 고속화를 위한 가선특성에 적용되리라 본다. As the current-collecting performance of pantograph has been regarded as one of the important factors for enhancement of speed of the train, large number of studies has been conducted on the response to the pantograph–catenary current collecting system. Assuming that the overhead catenary system is an elastic cable which receives supported tension and varies in its uprightness regularly according to its location, the movement of the cable can be described analytically. The interactions between the overhead catenaries with the pantograph is caused by fluctuations of the contacting pressure according to the propagation velocity of the wave accrued from speed of the train, and appears as light variations of the uprightness on the span and as derailment by wave reflection. The kinematic equations can be expressed in nonlinear method after modeling to unit matrix of which the catenary system was modeled with beam elements using the finite element method. Supposing that there is a mobilized-imaginary spring with high stiffness inserted between the catenaries and the pantograph, a coefficient matrix can be produced by adding the coefficient matrix of the catenary and the coefficient of the pantograph. The dynamic response can be analyzed through the dynamic simulation of the pantograph-catenary which can estimate the characteristics of mechanical interactions between the pantograph-catenary, i.e. the current collecting capacity in numerical method. As the result of simulation test on the conditions as provided in the basic plan for the next generation high-speed train, in which plan the current collecting performance of the catenary-pantograph is applied to the old expressway sections, it was recognized that 350km/h class can exceed the derailment ratio of one percent under the existing high-speed railway catenary system. Accordingly, new catenary system should be proposed so as to maneuver 350 km/h class next-generation high-speed railway. As the result of the simulation test with new catenary system, it was noticed that 350 km/h class achieved satisfactorily less one percent derailment. And, if the tensions of the catenary system can be raised, the simulation proved that it can achieve better performance in the current collection as the derailment rate was decreased under the revised conditions. As the result, it is considered that such characteristics can be applied to the wiring work for rail expressway in the future.