2.1 전동차량 도입·발전

초창기 지하철 운행은 4량·6량·8량 편성에서 단계적으로 1~4호선의 10량 편성으로 정착되었다. 전동차는 국산화를 병행하면서 저항제어 방식에서 쵸퍼제어를 거쳐 최신형 VVVF 차량으로 발전했다.

가) 전동차 도입 여건

우리나라 최초의 지하철 전량은 일본의 차관(借款)으로 수입했다. 전동차 구입을 위한 차관협정은 1972년 4월 체결된 바 있다. 1호선 개통 당시 일본에서 들여온 전동차는 서울시 소속 60량과 철도청 소속 126량 등 총 186량에 불과했다. 이들 전동차는 교·직류 겸용으로 설계되었다. 당초 일본조사단이 제시했던 교류 25kV 전기 방식이 통신설비에 대한 유도 장애를 일으킬 수 있다는 우려로 인해 제외되고, 그 대신 직류 1,500V가 채용되었기 때문이다^[7].

나) 전동차 편성 변화

1호선 운영은 서울시 소속 전동차의 6량 10개 편성으로 시작되었다. 1989년 2월에 1호선 64량, 2호선 36량, 4호선 42량 등 142량을 증차했고, 1호선에서 먼저 국철과 동일한 10량 편성을 정착시켰다. 4호선에서는 1990년 6월부터 10량 편성 전동차를 일부 운행하기 시작했다. 2호선의 경우는 원래 8량 편성을 전제로 했지만, 승객이 급증하자 1993년 5월 22일부터 2호선의 전체 10량 편성 운행을 시작하게 되었다. 뒤이어 1994년까지 전동차 944량을 추가 도입해 Table 1과 같이 1∼4호선 모두에서 10량 편성으로 전환하기에 이르렀다^[7].

2.2 전동차의 변천

가) 1세대 저항제어 전동차 : 초기 전동차로서 전동기 유입 전류를 저항기로 조절하여 소모하기 때문에 열이 많이 발생했다.

나) 2세대 쵸퍼제어 전동차 : 대용량 사이리스터 전력 소자를 이용함에 따라 저항제어보다 약 25～30% 전력 절감이 가능했다. 고장률이 대폭 줄었고, 미소 다단계 제어에 의한 부드러운 운전으로 승차감이 향상되었다.

다) 3세대 VVVF 인버터제어 전동차(초기 대용량)

가변전압·가변주파수의 의미로 VVVF 인버터제어라고 불린다. 인버터에 의한 고출력의 유도전동기 구동 제어가 가능해져 유지보수가 필요 없게 되었다.

라) 3세대 VVVF 인버터제어 전동차(최신 IGBT/IPM)

최첨단 기술의 집약체로서 기존 GTO형에 비해 성능, 효율, 전력 소비, 신뢰성 향상뿐만 아니라 소형화·경량화를 실현한 고효율 친환경 전동차이다.

2.3 VVVF 전동차

내구연한에 다다른 구형(舊形) 저항제어 전동차는 최신형인 VVVF 전동차로 교체되었다. 신조 전동차라고도 부르는 VVVF 전동차는 부식 방지를 위해 스테인리스 강판을 사용하고, 공기와 고무 스프링을 이용해 승차감을 개선했다. 또한, 실내온도 자동조절장치와 객실 내 안내표시기 등을 설치하여 안전 운행과 승객 서비스 향상을 도모했다. 특히 전력비용을 최대 20∼30%까지 절감하여 운용 효율을 대폭 높였다^[8].

표 2. 회생 에너지의 이용방법

Table 2. How to use regenerative energy

분류	ESS가 없는 경우	ESS가 있는 경우
회 생 시
역 행 시

3.1 회생 에너지

일반적으로 도시철도 회생 에너지는 전기 에너지로 저장할 수 있다. 급전선에 바로 공급이 가능한 ESS가 가장 큰 장점이 있다. 그리고 전력 저장매체에 따라 슈퍼커패시터방식과 리튬-이온 배터리방식 등이 사용되고 있다^[9].

회생 전력은 동일 급전 구간에서 운행되고 있는 인접 열차가 있을 때 인접 전동차량의 역행 에너지로 사용한다. 하지만 인접 전동차량이 없는 경우 가선 전압을 상승시키는 원인이 되기도 한다. 이러한 회생 에너지를 저장하여 인접 전동차량 역행 시 추진에너지로 재사용해 가선 전압의 상승을 억제할 수 있으며, 또한 역행 에너지의 공급량을 감소시켜 에너지를 절감하는 효과를 가져오기도 한다^[10].

회생 에너지의 이용방법은 Table 2와 같으며, ESS가 없는 경우 및 있는 경우의 회생시 및 역행시의 작동 원리를 구분하여 나타내었다.

3.2 ESS 설치, 철거 현황 및 장애 사례

도시철도 에너지 저장장치의 설치현황은 Table 3와 같으며, 에너지 저장장치의 타입은 리튬-이온 배터리와 슈퍼캐패시터로 구분되어 있다^[11].

설치되었었던 도시철도 에너지 저장장치 장애현황은 Table 4과 같다. 제어반 단자판 R상 접촉 불량으로 재어선 단선 및 단자판 소손 장애가 발생하였으며, 제어케이블 교체 및 단자대 교체를 통하여 용량증대가 이루어졌었다. 과전압으로 인하여 셀 고온으로 변전소 내 화재감지기가 동작하는 사례도 있었으며, 이때 슈퍼캐패시터 온도 설정치는 65℃로 하향하고 배전반용 소공간에 소화장치를 설치하였다. 이후 추가 센 과전압으로 인한 소손 장애 사례 이후 설정 온도에서 보호 동작 작동 시간으로 5초로 하향 조정하였다.

3.3 국내운영현황(국내 운영사 1~4호선)

리튬-이온 배터리를 사용하는 ⓐ변전소 ESS는 Table 5의 법적사항 및 한국전기설비규정[KEC])을 충족시킬 수 없어 철거한 상황이다. 산업통상부 ESS안전관리 강화대책은 2차례 시행되었는데, 1차는 ’19년 6월 11일 시행되었으며 2차는 ’20년 2월 6일 시행 되었다. ⓑ변전소와 ⓒ변전소의 ESS는 잔존가치가 높고 전력절감액 등이 매몰되는 단점이 있었다. 그러나 전력계통의 안전한 운영과 중대재해처벌법 시행에 따른 전기설비의 안전성 강화를 위하여 철거하였으며, 철거 사유는 Table 6와 같이 6가지 사유로 정리할 수 있다^[9].

둘째 보조전원 계통: 냉난방, 조명, 제어/통신, 공조팬 등으로 구성되며 계절·혼잡도에 따라 변동성이 크다^[21].

셋째 급전계통 손실: 변전·배전(전철변전소~전차선) 단계의 변압·정류·선로 손실로, 전압·피더 구성·부하 집중도에 따라 달라진다^[22].

3.4 전차선로의 전압 변동범위

전압이 저하될 시 전동기의 출력 저하로 인한 열차 표정속도를 유지하기 위한 역행 시간이 길어져 전차선에는 전압변동이 작은 양질의 전력이 필요하다^[12].

전차선 전압의 변동범위는 Table 7.과 같이 상시급전과 연장급전계통에서도 허용전압 이내여야 한다^[13]. 또한, 회생 제동의 경우 1,000V의 비지속성 최고전압은 허용할 수 있다.

4.1 인버터제어

제어 유닛은 Fig. 1.과 같이 기능별 보드로 구성된다. 보드는 VME버스 구조의 뒷면으로 연결되어 있다^[8].

그림 1. 인버터제어 유닛의 구조

Fig. 1. Structure of the inverter control unit

가) 열차 주행의 인버터제어 모드는 Fig. 2와 같이 유도전동기를 원하는 성능으로 제어하기 위해서는 전압, 전류, 주파수 등을 전동기 특성에 대응해서 제어할 필요가 있고 이들 변수의 제어 방법에 따라 전동기 출력 특성이 결정된다.

그림 2. 열차 주행에 따른 인버터 운전 모드

Fig. 2. Train operation mode according to inverter operation

나) 정 토크 영역 : 유도전동기의 가 변속 운전은 전원주파수를 변화시키면 가능하다. 그러나 주파수의 변화에 따라 전동기의 내부 임피던스도 변화되기 때문에 단지 전원주파수를 변화시키는 것으로는 약계자로 인한 토크 부족이나 과여자로 인한 자기포화 등이 발생하여 전동기의 역률 및 효율이 현저히 저하된다. 따라서 전원주파수를 변화시킬 때 인버터 출력전압을 동시에 제어하여 전동기 자속을 일정하게 유지시켜 광범위한 가변속운전에 대하여 전동기 역률과 효율을 저하시키지 않도록 전압과 주파수의 비의 일정하도록 제어하는 이른바 V/F일정 제어를 수행하고 슬립주파수도 일정하게 제어한다. 이 영역에서 전동기의 토크는 최대가 된다. 이에 대한 전동기 토크는 아래 식(1)과 같다

여기서, T는 전동기 토크, k는 계수, V는 인버터 출력전압, F∈V는 인버터 출력 주파수, FS는 전동기 슬립주파수다.

다) 정 출력 영역 : 인버터의 스위칭이 1펄스 모드까지 전환 되어 전동기의 전압이 최대로 되면 정토크 영역으로부터 정출력 영역으로 전환된다. 이 영역에서는 인버터 출력전압이 일정하게 되므로 인버터의 주파수를 상승시켜 전동기의 회전 속도를 상승시키면 전동기의 자속이 감소하여 인버터 출력전류가 감소하고 전동기의 토크는 인버터 주파수의 제곱에 비례하여 감소하게 되는데 이를 방지하기 위해 전동기의 슬립주파수를 증가시켜 인버터의 출력전류를 일정하게 유지되도록 제어한다. 결과적으로 Fig. 2.와 같이 이 영역에서는 출력전압과 출력전류가 일정하게 되므로 정출력 제어가 되고, 전동기의 토크는 인버터의 주파수에 비례하여 감소하게 된다.

라) 특성 영역 : 슬립주파수를 계속해서 증가시키게 되면 유도전동기의 최대 토크에 해당하는 슬립주파수에 이르게 되어 슬립주파수를 증가시킬 수 없게 된다.

마) 타행 영역 : 인버터의 스위칭 동작은 정지해 있지만, 다음의 제어에 신속하게 대응하기 위해 전동기의 회전주파수는 상시 입력되고 있다.

4.2 인버터의 가선 전압 성능시험

가) 가선 입력전압 변동 시험

입력전압을 가선 변동범위 내의 최소, 최대전압으로 기동, 타행 및 정지상태로 운전하였을 때 인버터는 보호 동작 없이 역행 및 회생 동작이 정상적으로 이루어진다.

나) 가선 입력전압 급변 시험

가선 전압 DC 1,500V에서 역행 및 회생 동작 중 급변저항기를 투입한다. 이후 가선 전압이 급변하게 하여 동작 상태를 확인한다. 인버터는 Reset 불능 등의 보호 동작을 일으키지 않고, 정상적으로 동작하여야 한다.

역행 시 직류전압을 1,500V에서 1,200V로 동작시킨 이후, 다시 1,500V로 작동되어야 한다. 그리고 회생 시에는 직류전압을 1,500V에서 1,800V로 동작시킨 이후에 다시 1,500V로 작동되어야 한다.

다) 가선 입력전압 순시 정전 시험

역행 중 500ms 이하의 시간 동안에 가선 전원을 순시 정전시킨 후 보호 동작으로 인버터가 정지된 이후, 자동으로 재기동해야 한다.

라) 가선 입력전압 정전 시험

가선 전압을 인가하고 역행 중에 가선 전원을 정전시킨다. 약 5초 후에 다시 전압 인가하고 인버터가 정상적으로 재기동하는지 확인한다. 이후 보호 동작으로 인버터 정지하고, 가선 전압이 복귀 후 자동으로 재역행 동작을 개시해야 한다.

마) 회생부하시험

회생 부하를 Open하고 가선 전압을 인가한 상태에 최대역행 후 최대 회생 제동으로 동작시켜 제동 쵸파 동작 상태를 측정한다. 회생 부하를 차단하였을 때 정상 동작 여부를 확인한다.

4.3 인버터 제어기의 보호 동작

인버터 제어기의 주요 보호 동작 설정치는 Table 8과 같다^[8].

가) MODE별 보호 동작

MODE1은 자동 리셋을 수행하고 3분 이내에 동일한 고장이 3회 발생하면, 고장 발생한 해당 M차를 차단한다. 하지만 MOCD 및 가선 저전압은 3분 이내에 5회 고장 발생 시 해당 M차는 차단되나 가선 저전압은 가선이 복귀될 때까지 대기 상태를 유지한다.

MODE2는 매우 중대한 고장 항목에 대해서는 단 1회의 보호 동작 처리로 M차를 차단시킨다.

나) 회생 제동 시 과전압 보호

회생 제동 시 발생하는 과전압이 1.8kV에서 인버터장치의 조정을 통하여 감압한다. 인버터 전압이 2.1kV 이상 시 차량 고압차단기(HSCB, Secheron, UR10)가 동작하여 차단한다.

4.4 전력계통의 보호 System

직류계통 보호시스템은 표 9에 나타내었다^[7]. 전동차(HSCB) 개폐서지에 의한 변전소 보호 시스템은 변전소 서지어레스터 동작 조건은 전차선 전압 1,800V이상이고 동차 내 HSCB 과전압(1,800V 이상) 트립시 개폐서지(3.5배)에 (1,800V×3.5=6,300V) 의해 변전소 서지어레스터 동작 조건이 된다.

표 11. 2022년 Ⓓ변전소 월간 전차선 최대 전압(V)·전류(A)

Table 11. Ⓓ Substation Monthly Catenary Maximum Voltage and Current in 2022 year

5.1 변전소내 가선 전압 및 실부하 측정

변전소내 가선 전압 및 실 부하 최대전압, 전류 측정은 변전소 3개를 분석하였다. 측정기간은 2021년 07월 ~ 2022년 09월, 3개 변전소는 ⒹS/S, ⒺS/S, ⒻS/S, 측정위치는 DC 고속도차단기 (HSCB) 단로기 2차측, 측정방법은 월간 최대전류 및 전압이었다. 본 논문에서는 Ⓓ변전소의 2021년과 2022년 월간 전차선 최대전압, 전류를 비교하였다. 표 10과 표 11은 2021년 및 2022년 Ⓓ변전소 월간 전차선 최대전압·최대전류 측정값은 보여주고 있다. 표 11에 강조된 바와 같이 2022년도 Ⓓ변전소에서는 최대전류가 17,889A와 19,827A로 측정된 경우에는 사고로 이어지는 결과가 나타났다.

변전소 가선 전압 파형 측정은 Fig. 3과 같다. 특정 구간에서 급격한 가선 접안 증가를 확인할 수 있다. 측정결과는 Table 11와 Table 12과 같이 2,000V 이상의 피크 전압이 측정되었다. 이는 회생 제동에 의한 가선 전압 상승이 이루어지고 있는 것을 알 수 있는 측정결과이다. 또한, 가선 전압이 1,800V 이상의 경우에 지속시간을 알 수 없다는 단점이 있다. 따라서 20ms보다 큰 측정시간을 적용한 정밀한 분석이 필요한 것으로 판단된다.

그림 3. 변전소별 전력분석 그래프

Fig. 3. Substation power analysis graphs

5.2 전력분석

전력분석은 위치, 기간, 방법, 장비로 나타내었다.

가) 위치 : Ⓓ,Ⓔ,Ⓕ변전소(3개소)

나) 기간 : 2022.10.15. ~ 2022.11.06.(21일)

다) 방법 : DC고속도 차단기와 연동 단로기 2차 측에 전력분석기 설치(측정 간격 200ms)

라) 측정결과 및 분석

변전소의 피크 전압 측정 데이터의 정밀도를 높이고 가선 전압의 지속시간을 측정한 결과 Ⓔ 및 Ⓕ변전소는 본선 상구배와 하구배가 혼용하는 선로로서 역행과 타행 운전 조건으로 회생 제동에 의한 가선 전압이 상승하는 것을 분석하였다. 또한 1,800[V] 이상이 가선 전압이 수십 초간 지속하는 것을 확인하였다.

- Ⓕ 변전소 : 12초, 16초, 18초

- Ⓔ 변전소 : 11초, 22초. (Ⓓ 변전소 : 5초)

위 Data는 10초 이상 지속된 대표적인 측정 데이터를 그래프로 출력한 것이다. 회생 제동으로 인해 가선 전압 상승 지속시간으로 보면 전동차량의 인버터에 의한 감압 시스템에 문제가 있는 관계로 가선 전압이 1,800V를 넘어서는 시점에 전동차 고장 등으로 고속도차단기가 트립될 경우 개폐서지가 변전소로 유입되어 변전소의 보호에 영향을 끼친다.

5.3 사고사례 분석

가) 개요

2021년 04월 본선 시운전 임시열차(245편성) 운행 중 열차 회생 제동 시 전동차 전압이 2,100V 상승하였으며, 전차선 단전이 발생하였다.

나) 피해내역

-서지흡수기: 5개(Ⓓ변전소 2개, Ⓑ변전소 3개)

-배전반용소화기: 3개(Ⓓ변전소 2개, Ⓑ변전소1개)

-플레쉬오버로 인한 ARC 다수발생(배선 및 BUS)

-배전반 후면 도어, 내부커버 등 ARC로 인한 파손

다) 원인분석

인버터 과전압 5회 발생, 2,064V의 과전압이 측정되었다. 회생제동 시 발생하는 과전압으로 1,800V에서 인버터(쵸퍼) 장치를 조정해 감압시켜야 한다. 하지만 동작하지 않으며, 실제 전압이 2,100V를 초과하여 고압차단기가 동작하였다. 따라서, 개폐서지(개폐시 발생하는 과전압으로 직류의 경우 정격전압의 약 3.5배)가 발생해 가선으로 유입되었다.

라) 변전소별 사고전류 측정결과 및 분석

Fig. 4의 사고전류 파형을 통한 서지 흡수기의 제한전압이 6,300V로 서지어레스터 동작 시 지락 과전류가 발생한 것을 알 수 있다.

전차선로 가선 전압 상승 지속시간으로 볼 때 전동차량의 인버터에 의한 감압 시스템 오차 범위와 지속시간에 문제가 있으며, 전동차량의 고속도차단기가 트립될 경우 개폐서지가 변전소로 유입되어 서지어레스터의 보호 용량 20kA 이상을 초과하는 서지 유입으로 변전소 보호계통 및 서지어레스터가 소손된 것으로 추정된다.

VVVF 전동차량의 인버터 보호 설정값 중 가선 저전압(850V±10%)에 대한 적정성 검토와 가선 전압 DC 1,800V에서 동작할 수 있도록 오차범위를 줄여야 하며, 변전소 내 에너지 효율성 및 가선 전압의 안정화와 계통 보호를 위해 서지어레스터 용량의 상향 조정이 필요하다.

그림 4. 변전소 차단기 트립 전류

Fig. 4. Substation circuit breaker trip current

5.4 ESS 철거로 인한 전압 안정성 영향 분석

회생 전력과 연계하여 시스템의 안정성을 확보하기 위해 설치된 ESS는 최초 설치 시점 이후 강화된 법적 기준을 충족하지 못하고 있다. 이에 따라, ESS 점검 과정에서 전원을 차단하더라도 슈퍼캐패시터에 잔류한 전하가 역송전되어 감전사고 등 중대 안전사고로 이어질 가능성이 존재한다. 이러한 특성으로 인해 ESS는 실질적 운용 효율성보다 화재와 같은 잠재적 사고 위험이 더 큰 것으로 평가된다. 더불어, ESS의 반복적인 장애 발생으로 인해 중대 재해 상황에서 승객 안전을 보장하기 어렵다고 판단되며, 이에 따라 현재 모든 장비의 사용이 중지된 상태이다. 향후 철거가 예정되어 있으며, 이로 인해 회생 제동에서 가선 전압의 안정성에 영향이 발생할 가능성이 커진다. 가선 전압이 상승할 경우 서지 유입 시 서지어레스터의 용량을 초과하여 변전소 설비가 손상될 우려가 있으며, 이때 보호 협조체계가 정상적으로 기능하지 못할 수 있다. 또한, 점검 인원이 인근에 있을 때 감전 등 인명 피해가 발생할 가능성도 존재한다.