UM71 궤도회로

왜 배우는가: UM71 궤도회로는 경부고속선 ATC 정보 전송에 쓰이는 핵심 장치이므로 고속철도 신호 문제에서 반복해서 출제된다. 궤도회로의 원리와 주파수 구성을 알아야 설비 구성과 기능을 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제112회 3교시 3번, 제111회 3교시 5번, 제97회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

UM71 궤도회로는 레일에 가청주파수(AF)를 흘려 열차 점유를 검지하고, 그 신호에 열차제어 정보를 실어 차상으로 전송하는 무절연 AF 궤도회로이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• AF 궤도회로: 가청주파수 대역의 교류를 레일에 흘려 구간 점유를 검지하는 궤도회로이다.
• 무절연 궤도회로: 궤조절연 없이 레일에 직접 주파수를 흘려 구간을 나누는 방식이다.
• 변조 주파수: 신호에 실어 보내는 변조 속도이며 기준 주파수를 관련 기준이 정한 값으로 나눈 값이다.
• 동조 유니트: 구간 경계에서 특정 주파수에 공진하도록 만든 장치이다.
• BSP 루프: 터널이나 차축온도 검지장치 등 특수 구간에 추가 정보를 보내는 루프이다.
• 송신단(Tx): 열차 전방에 놓여야 차상이 변조 속도를 검출할 수 있는 송신단이다.

2. 개념 풀이

궤도회로는 레일을 열차 점유 검지 수단이자 신호 전송로로 함께 쓰는 장치이다. 한 구간의 한쪽 끝에 송신기를, 반대쪽 끝에 수신 계전기를 두고 레일 사이에 전기 신호를 흘린다. 수신 계전기가 신호를 받으면 구간이 비어 있다고 보고, 열차의 바퀴와 차축이 두 레일을 단락해 신호가 약해지거나 끊기면 구간이 점유된 것으로 판단한다. 따라서 열차 검지는 바퀴에 의한 레일 단락을 이용하는 원리이다.

궤도회로에 교류를 쓰는 이유는 수신 계전기가 선택한 주파수만 검출하도록 배치할 수 있기 때문이다. 전철화 구간에서는 견인 전류가 레일로 흘러 직류와 견인 주파수 성분이 생기므로, 계전기는 이런 성분을 무시하고 궤도회로 주파수만 받는다. 이 때문에 AF 궤도회로는 보통 91Hz에서 10kHz 사이의 교류 주파수를 쓴다. 페일세이프 원칙에 따라 계전기가 신호를 받으면 비점유, 신호가 없으면 점유로 해석한다.

궤도회로는 궤조절연으로 경계를 구분하는 유절연 방식과, 궤조절연을 두지 않는 무절연 방식으로 나뉜다. 제어계전기 조사 방식에 따라서는 구간 내 열차 유무만 조사하는 2위식과, 전방 궤도회로의 열차 유무까지 조사하는 3위식으로 나뉜다. 평상시 계전기에 전류가 흐르는 폐전로식은 열차가 들어오면 차바퀴가 단락해 계전기가 무여자되므로 안전도가 높아 일반적으로 쓰인다. 반면 개전로식은 안전도가 떨어져 잘 쓰지 않는다.

UM71 궤도회로는 AF 궤도회로의 한 형식으로, 한쪽 레일에 1700Hz·2300Hz, 반대쪽 레일에 2000Hz·2600Hz를 쓴다. 같은 주파수 쌍이 프랑스 Aster SF15형에도 쓰였다고 알려져 있으며, UM71은 이 계열의 무절연 형식으로 분류된다.

변조 주파수는 기준 주파수를 관련 기준이 정한 값으로 나눈 값으로 정한다. 이렇게 정하는 이유는 누설 전류가 위험측 고장을 일으킬 가능성을 줄이기 위해서이다. 변조된 신호는 차상 장치가 변조 속도를 검출해 자동열차제어(ATC) 정보로 쓸 수 있다. 다만 이 검출은 송신단이 열차 전방에 있을 때에만 성립한다.

무절연 궤도회로는 궤조절연을 두지 않고 레일에 직접 주파수를 흘려 구간 경계의 임계점에서 공진회로를 이용해 구간을 나누는 방식이다. 인접한 두 구간이 만나는 곳에는 동조 구역이 생기며, 이 구역에서 앞 구간 주파수의 진폭은 뒤 구간 쪽으로 갈수록 줄고 뒤 구간 주파수의 진폭은 앞 구간 쪽으로 갈수록 줄어든다. 동조 구역의 길이는 관련 기준이 정한 길이 정도이다. 동조 유니트는 이 경계에서 주파수를 동조시키는 장치이며, UM71 AF 궤도회로에서는 BA형 동조 유니트가 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 AF 궤도회로는 주파수를 변조하지 않는 단일 주파수 방식이었다. 프랑스 Aster SF15형이 대표적이며, 변조가 없으면 가용성 문제가 생기고 신호 안전성을 입증하기도 어려웠다. 이 한계를 해결하기 위해 TI21 같은 변조형 궤도회로가 개발되었다.

절연 이음매는 기계적 고장이 잦은 구성 요소이며, 이음매 부분의 절연이 파손되거나 인접 레일에 응력을 주기 쉽다. 무절연 궤도회로는 이 이음매를 없애 고장 요인과 유지보수를 줄인다. 또한 전철화 구간에서 복궤조 견인 귀로 방식의 다른 궤도회로에 비해 임피던스 본드를 적게 필요로 한다.