유도장해 방지대책

왜 배우는가: 유도장해는 전력선 주변의 신호 회로에 원하지 않는 전압을 일으켜 궤도회로의 오동작이나 신호 오판으로 이어지므로 열차 안전에 직결된다. 전기철도의 병행 구간이 늘어나면서 신호설비의 전자기 장해 대책은 설계와 시공의 필수 항목이 되었다. 원인과 방지대책을 함께 묻는 문항의 핵심 주제이므로 원리와 기준을 함께 정리해야 한다.

출제 이력: 제103회 3교시 6번, 제102회 1교시 1번, 제93회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유도장해 방지대책은 전력선에 의한 전자유도·정전유도 장해를 차폐·접지·이격·연가 등으로 억제하는 조치이다.

이 절은 전기철도 구간에서 신호설비가 받는 유도장해의 원리와 대책을 함께 다룬다. 답안의 첫 줄에는 위 정의 문장을 쓰고, 이어서 아래 키워드를 원인과 대책의 순서로 전개한다. 키워드는 원인을 가리키는 개념과 대책을 가리키는 개념이 섞여 있으므로 두 범주를 구분해 기억한다.

• 유도장해: 전력선의 전압·전류가 주변 신호설비에 원하지 않는 전압과 잡음을 발생시키는 현상이다.
• 전자유도: 전류가 만든 자속이 인접 도체와 쇄교하여 유도전압이 생기는 현상이다.
• 정전유도: 고압 도체의 전압 변화가 상호 정전용량을 통해 인접 도체에 전하를 유기하는 현상이다.
• 상호 인덕턴스: 두 회로 사이에서 한 회로의 전류 변화가 다른 회로에 유도 기전력을 만드는 정도를 나타내는 값이다.
• 상호 정전용량: 두 도체 사이의 결합 용량으로, 정전유도 결합전류의 크기를 정한다.
• 차폐선 접지: 병행 도체 사이에 접지된 차폐선을 두어 유도전압을 억제하는 방법이다.
• 연가: 송전선의 각 상 위치를 주기적으로 바꾸어 선로정수의 평형을 맞추는 방법이다.
• 서지보호: 뇌서지와 개폐서지가 신호설비에 도달하지 않도록 피뢰기와 SPD로 차단하는 조치이다.

2. 개념 풀이

유도장해는 전력선이나 전차선 같은 충전 도체의 전압·전류가 인접한 신호선, 궤도회로, 통신선에 원하지 않는 전압을 일으켜 설비가 오동작하거나 손상되는 현상이다. 전기철도 구간에서는 전차선과 레일이 급전·귀환 회로를 이루고 신호 케이블이 그 옆을 장거리로 병행하므로 결합이 강하게 일어난다. 따라서 유도장해는 부수적인 전자기 현상이 아니라 신호 안전에 직접 영향을 주는 장해로 다룬다.

유도장해의 원리는 두 가지 경로로 나뉜다. 첫째는 전자유도이다. 전력선 전류가 만든 자속이 인접 신호 회로와 쇄교하면 회로에 전압이 생기며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$e = -M(di/dt)$

e는 유도전압(V), M은 상호 인덕턴스(H), i는 전력선 전류(A), t는 시간(s)이다. 전력선에 상용주파수 50~60Hz 교류가 흐르면 전류의 시간 변화율이 계속 생기므로, 병행 길이가 길수록 유도전압이 누적된다. 이 식은 같은 상호 인덕턴스라도 전류 변화가 빠를수록 유도전압이 커진다는 뜻이다.

둘째는 정전유도이다. 고압 전력선의 전압이 변하면 두 도체 사이의 상호 정전용량을 통해 신호선에 결합전류가 흐른다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$i_c = C_m(dv/dt)$

전자유도 전압은 전류의 시간 변화율에, 정전유도 결합전류는 전압의 시간 변화율에 비례한다.

여기서 i_c는 결합전류(A), C_m은 상호 정전용량(F), v는 전력선 전압(V)이다. 전압 변화가 급격할수록 결합전류가 커지므로 개폐서지 같은 과도 전압도 신호선에 영향을 줄 수 있다.

신호설비의 관점에서는 이 장해를 전자파 장해(EMI)와 전자파 감수성(EMS)으로도 설명한다. EMI는 전자장치가 외부에 노이즈원으로 작용하는 정도를 말하고, EMS는 외부 전자파에 노출되었을 때 장치가 견디는 능력을 말한다. 따라서 대책은 발생원을 억제하는 측면과 수신 설비의 내성을 높이는 측면을 함께 세워야 한다.

두 현상에는 차폐선 접지, 이격거리 확보, 연가가 공통 대책으로 쓰인다. 다만 정전유도는 상호 정전용량이 도체 간 거리와 배치에 따라 달라지므로, 전력선이나 통신선에 금속 시스 케이블을 쓰고 시스를 접지하는 방법이 특히 효과적이다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 교류 전차선과 레일을 사용하므로 전력설비와 신호설비가 같은 선로 주변에 함께 놓인다. 전차선의 상용주파수 전류가 신호 회로에 유도되는 것이 유도장해의 기본 배경이다. 신호설비가 궤도회로로 열차 점유를 검지하기 때문에 이 장해는 곧바로 열차 안전 문제로 이어진다.

궤도회로는 가청 주파수 대역의 교류를 사용하며 그 범위는 91Hz~10kHz이다. 수신 계전기는 이 신호만 검출하고 직류와 견인 주파수 성분은 무시하도록 설계된다. 따라서 견인 전류 성분이 신호 대역으로 들어오면 계전기가 오판할 가능성이 생긴다.

안전측 원칙에 따라 궤도회로는 신호가 수신되면 빈 선로, 신호가 없으면 열차 점유로 해석한다. 이 원칙 때문에 유도 잡음이 신호를 흉내 내어 수신 계전기를 여자시키면 열차가 있는 구간을 빈 선로로 잘못 판단하는 위험이 생긴다. 이 위험 때문에 유도장해 대책은 열차 안전의 관점에서 다루어야 한다.

신호설비가 계전기 중심에서 전자식 연동장치와 디지털 신호 처리로 바뀌면서 미세한 잡음도 논리 회로에 영향을 줄 수 있게 되었다. 이 변화는 신호설비의 감수성을 높이는 요인이므로 대책의 대상에 포함된다.

차량 측면에서는 VVVF 인버터 차량이 운행되는 선로에서 차량의 고조파 전류가 신호 대역에 들어올 수 있다. 신호 대역의 고조파 전류가 한계를 넘으면 궤도회로의 신뢰 동작이 저해된다. 고속철도 연구에서는 견인 고조파 전류의 실효값을 0.3A 범위로 제어할 수 있다고 보고되었다. 이 연구는 다중 제어 전략이 고조파 억제에 효과가 있음을 시뮬레이션과 선로 시험으로 검증했다.