고장점표정방식

왜 배우는가: 고장점을 빨리 찾지 못하면 전철 운전 재개가 늦어지고 복구 비용이 커진다. 교류 전기철도의 AT 급전계통은 구조가 복잡해 일반 선로와 다른 고장점표정 원리가 필요하며, 시험에서 교시를 달리해 여러 번 묻는 개념이다.

출제 이력: 제130회 4교시 5번, 제112회 4교시 3번, 제104회 3교시 3번, 제100회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고장점표정방식은 선로 고장 때 측정한 전압·전류로 기점에서 고장점까지의 거리를 구하는 방식이다. 교류 전기철도는 전차선, 급전선, 레일이 긴 구간에 걸쳐 연결된 구조이므로, 사고 지점을 찾지 못하면 복구 작업을 시작할 수 없다. 따라서 고장점을 신속하게 특정하는 기술이 운전 재개 시간을 좌우한다. 고장점표정은 안전 점검과 복구 계획을 동시에 뒷받침하는 기초 기술이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고장점표정: 사고 지점까지의 거리를 계산하여 고장 위치를 특정하는 행위 전체를 가리킨다.
• 리액턴스 검출방식: 고장 시 측정한 임피던스의 리액턴스 성분으로 거리를 구하는 방식이다.
• 흡상전류비: 흡상변압기가 끌어올린 흡상전류가 사고 전류에서 차지하는 비율이며, AT 급전계통의 고장점 위치 계산에 쓰인다.
• 흡상변압기: AT 급전방식에서 레일 쪽 귀선 전류를 급전선 쪽으로 되돌려 보내는 변압기이다.
• 정·역 비교방식: 정방향과 역방향에서 얻은 측정값을 비교해 사고 구간을 판정하는 방식이다.
• AT 급전방식: 전차선에 25kV를 공급하고 급전선과 전차선 사이를 50kV로 송전하는 급전 방식이다.

고장점표정방식은 측정 원리에 따라 임피던스를 이용하는 방식, 흡상전류비를 이용하는 방식, 두 방향의 측정값을 비교하는 방식으로 나뉜다. 교류 전기철도에서는 AT 구간의 전류 분포가 복잡하므로 측정 원리를 AT 구조에 맞춰 보정해야 한다. 지중케이블의 머레이 루프법과 펄스 레이더법도 고장점을 찾는다는 목적은 같지만, 케이블 선로의 전기적 특성을 이용하므로 이 절의 대상과는 구분해야 한다. 두 대상은 선로 구조가 달라 같은 공식으로 처리되지 않는다.

2. 개념 풀이

고장점표정방식은 선로에 고장이 발생했을 때 변전소나 급전구분소에서 측정한 전압과 전류로 고장점까지의 임피던스를 구하고, 이를 단위 길이당 임피던스로 나누어 거리로 환산하는 방식이다. 선로의 임피던스는 길이에 비례하는 성질이 있으므로, 측정 임피던스의 크기를 정확히 알면 기점에서 고장점까지의 거리를 역으로 계산할 수 있다. 이 원리가 고장점표정의 출발점이다.

실제 측정에서는 저항 성분을 그대로 쓰기 어렵다. 고장점에 아크나 지락저항이 끼면 측정 저항이 거리와 무관하게 커지기 때문이다. 그래서 리액턴스 검출방식은 저항 성분 대신 리액턴스 성분만 추출하여 거리를 구한다. 고장 시 측정한 리액턴스를 X_m, 단위 길이당 리액턴스를 x_0라 하면 기점에서 고장점까지의 거리 X는 다음 식으로 구한다.

$X = \frac{X_m}{x_0}$

식에서 X는 기점에서 고장점까지의 거리(km), X_m은 측정된 리액턴스(Ω), x_0는 단위 길이당 리액턴스(Ω/km)이다. 측정 리액턴스를 단위 길이당 리액턴스로 나누면 고장점까지의 거리가 된다.

AT 급전계통에서는 이 단순 관계가 그대로 성립하지 않는다. AT가 일정 간격으로 설치되어 사고 전류가 AT마다 분기되고 흡상되므로, 고장점 쪽에서 본 임피던스와 실제 거리가 선형으로 대응하지 않는다. 이 때문에 일반 거리 계전기로는 AT 구간의 고장점을 정확히 찾기 어렵다. 거리 계전기가 쓰는 임피던스-거리 관계가 AT 구간에서 깨지기 때문이다.

이 보정을 위해 흡상전류비를 함께 고려한다. 흡상전류비는 사고 전류 가운데 흡상변압기를 거쳐 되돌아오는 전류의 비율로, AT 구간마다 전류가 어떻게 나뉘는지를 나타낸다. 측정된 리액턴스에 이 비율을 반영하면 AT를 거치며 달라진 임피던스를 보정하여 거리를 구할 수 있다.

정·역 비교방식은 리액턴스 값을 한쪽 방향에서만 계산하지 않고, 정방향과 역방향에서 얻은 측정값을 서로 비교한다. 두 값의 크기 차이로 고장점이 어느 구간에 있는지 먼저 판정하고, 그 구간 안에서 거리를 산출하는 구조이다. 판정 원리가 리액턴스 검출방식과 다르다는 점이 두 방식을 구분하는 핵심이다. 이 방식은 최근 시범 적용이 진행 중이다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 전기철도는 AT 방식을 도입하여 전압강하와 유도장해를 줄였다. AT는 관련 기준이 정한 간격으로 설치된다. 이 구조에서는 전차선, 급전선, 레일 사이에 AT가 여러 개 연결되므로 사고가 나면 전류 분포가 구간마다 달라진다. 그 결과 단순한 선로 모델로는 고장점 거리를 정확히 계산하기 어렵다.