[HEMU 특집 포스팅 9편] 차세대고속열차 HEMU-430X 보조회로 전력공급 체계 분석

HEMU-430X 특집포스팅 08편 시작하겠습니다.

지난편에서 주회로에 대해 매듭을 지었고 이번편에서는 보조회로 계통을 들여다 보려 합니다.

분량상. 9편까지 늘리는게 불가피 할듯 합니다.

이번편에서 보조회로 전력계통을 마무리 하고. 다음편에서 이 내용들을 총괄하고, KTX-산천과 비교해 보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

역시나, 이번에도 미공개 HEMU-430X 샷부터 보여 드려야겠죠?

외형 사진이 고갈될 뻔 했는데, 없으면 만들어서라도 올려야죠.

근래에 많이 변한 HEMU-430X의 모습입니다.

부분적으로 변화가 생겼는데 이 부분에 대해서는 특집포스팅 말미에 따로 다뤄볼 겁니다.


지붕에 있던 혹들이 많이 날아갔습니다. 이게 더 깔끔하다는 평이 많더군요.

여기까지…

지난편에 이어 이번편에선 차량간에 연결되는 케이블에 대해 종지부를 찍을겁니다.

그리고 그들을 살펴보며 보조회로 전력계통이 어떤식으로 이루어지는지 파악해 볼 겁니다.

먼저. 기초를 다지고 가야겠지요.

우선, 이번편에서 집중적으로 다룰 내용은 보조회로 (Auxiliary Circuit) 입니다.

7편에서 다룬 주회로는 HEMU-430X를 움직이게 하기 위한 회로에 대해 알아본 것 이었다면. 이번 8편에서 다루는 보조회로는 정적인 상태에서 승객용 서비스 전원.

객실 실내등을 비롯한 각종 등구류 전원, 각종 부수기기류의 동작전원등을 위한것이라 보시면 되겠습니다.

여객용 철도차량에 쓰이는 보조회로는 크게 고압 보조회로(HV: High Voltage)와

저압 보조회로(LV: Low Voltage)로 나뉩니다.

실은, 출력되는 전압 세기 차가 달라서 그런건데. 본질적으로는 HV는 AC (단상 혹은 3상) 교류용 보조회로 전력라인을 말하고.

LV는 DC (DC 100V 기준으로 그 이하. DC 72V, DC 30V DC 24V 등) 으로 공급되는 회로를 뜻합니다.

대개 EC나 EMU차량의 경우 이들 회로용 전력을 보조전원장치(SIV) 한대에서 모두 뽑아내는데, KTX, KTX-산천에서는 그렇게 하지 않고 HV는 객차 인버터 및 보조 인버터 에서. 그리고 LV는 축전지 충전장치-축전지 라인에서 별도로 빼 내도록 구성해 놓았습니다.

HEMU-430X 에서는 KTX에서의 보조블록+보조인버터+객차인버터를 합쳐 APS 라는 장치로 통합시켰고. 결국 EMU 차량에 들어가는 SIV와 기능상 비슷한 물건이 되긴 했지만, DC 출력부 라인이 축전지충전장치(BACH)쪽으로 빠졌기에 별도의 이름을 붙여도 이상하지 않을 법한 물건이 되었습니다.

일단. 지금까지 보아온 결과에 따르면 HEMU-430X 의 HV 보조회로는 APS로 부터 출력되고 LV는 BACH로 부터 출력됩니다.

APS와 BACH 그 자체의 성능에 대한 조사는 06편에서 끝냈었고. 이번편에서는 어떤식으로 회로 전원이 공급되는지. 보조회로 그 자체에 대해서 훑어볼겁니다.

일단 지난편에서 미처 마무리 하지 못한 3상 케이블에 대한 이야기 부터 시작해, 케이블의 배치방식 및 형태를 파악하며 보조회로의 전력공급 특성에 대해 분석해 볼겁니다.

여러대의 차량을 연결해서 운용하는 철도차량의 특성상.

차량과 차량간에 수 많은 케이블들이 놓이게 됩니다.

이런 케이블류를 흔히 점퍼선 이라고도 통칭하는데,

이들의 역할은 크게 몇가지로 나누어 분류할 수 있습니다.

(1). 주회로 전력 공급용 고압 배선-주변압기로 부터 출력되는 고압 교류전원으로 지난편에서 다루었던 굵은 배선들을 의미합니다.

(2). 보조회로용 고압 배선– 객실내 서비스 전원을 공급하기 위한 배선으로 일반적으로 AC 440V (삼상) 전원을 사용합니다.

여기서 서비스 전원은 주회로 전원 다음으로 아주 중요한데요.

객실내 승객을 위한 모든 서비스 전력을 통칭합니다. 냉/난방장치, 등구류 (객실 전등), AC 220V 콘센트. 각종 화장실 제어 전력등이 모두 여기서 나옵니다.

보조전원장치가 설치된 부수차량으로 부터 시작해 모든 차량에 회로가 연결되는 구조로 관통됩니다.

(3). 비상 및 부수회로용 저압 배선 – 위의 기본 서비스 전원 외에, 운전실 제어대의 각종 장치 구동용 전력등 저압 보조회로 전력 라인을 의미합니다. 보통 직류 DC 72~100V을 사용합니다. 축전지, 축전지 충전장치로 부터 출력해 전 차량에 공급됩니다.

4. 차량 제어용 점퍼선 – 열차 편성을 제어하기 위한 신호를 각 차량마다 연결해 주는 배선을 말합니다.

예를들자면, 역행지령시 모든 동력차의 전력변환장치와 견인전동기를 동작하게 한다거나, 출입문 제어시 전 차량의 출입문이 동시에 취급되도록 하는 것 부터.

열차간 통신 네트워크 시스템 라인에 이르기까지 한편성의 열차를 제어하기 위한 케이블류 입니다.

이때의 케이블은 위의 몇가지 사례들과는 달리 하나의 굵은 케이블 내에 수십가닥의 배선이 연결되어 있으며, 접속단에 리셉터클(Receptacle) 이라는 용구를 통해 필요한 수량 만큼의 핀으로 수 많은 배선들을 연결시키는 구조를 취합니다.

5. 주공기관 및 제동관

이건 전력공급 및 회로 제어용의 전기선이 아니라, 굵고 속이 비어있는 고무 관으로 이루어져 있습니다.

공기압축기로 부터 생성된 공기를 차량간으로 이어주어 상용제동 루프 회로를 구성시켜주기 위해 존재합니다.

1번은 지난편에서 뿌리를 뽑았고, 그 이후의 것들을 살펴 볼겁니다. 5번은 그냥 곁다리로 잠깐 보고 넘어가는 정도로 해도 충분해 보입니다.

일단, 지난편에서 확인한 변압기 출력용 240㎟급 케이블 배치도 부터 보고 넘어갑시다.

[HEMU-430X 연결기 하단 고압 케이블 (변압기 2차, 3차 출력) 배치도]

지난편에서 정리했던 차량간 연결기 하단의 240㎟급 고압 케이블의 배치도를 다시한번 정리해 봤습니다.

출력은 M1, M4 차량에 설치된 MTF 로 부터 시작해 TC-M2, M3-MC로 각기 공급되는 구조입니다.

변압기 2차 권선이 MPS에 각기 공급되고, 여기서 단상교류 +, – 가 1묶음씩 두개가 개별 MPS에 공급되어 각각 1번 컨버터, 2번 컨버터에 공급됩니다.

그래서 네가닥씩 나가는 겁니다.

3차 권선 출력은 APS와 BACH에 공급되는데, 역시 단상교류로 +,-가 출력되고 총 출력 전류량이 644A인데, M2, M3 차량에서는 그냥 자차에 공급시키는 반면, TC 및 MC 차량에서는 APS와 BACH에 공급되기 직전에 각기 442A, 198A로 나뉘어 개별 장치의 입력부 (컨버터)로 공급되는 구조입니다.

이 부분이 지난편 말미에서 마무리 했던 내용 이었습니다.

1. 고압/저압 보조회로 계통 케이블의 배치 및 연결상태 분석하기.

7편을 마무리 하기 전에, 여운이 남았던. 95㎟ 급 케이블 들에 대해 이번편에서 짚고 넘어간다고 말씀 드렸었죠?

위의 그림을 참고해 연결기 하단에 위치하는 AC 440V 3상 출력 선들의 배치도를 간략하게 하래에 그려 봤습니다.

이번편에서 확실하게 짚고 넘어갈 케이블 류 입니다.

그림을 보시면. 저 케이블들은 M1-M2-M3-M4 차량에만 설치되어 있습니다.

보시면, 3가닥이 한 세트인데, M1-M2, M3-M4 차량에는 1세트. M2-M3 차량에는 무려 6가닥 (2세트)가 지나갑니다.

TC-M1에는 없고 M4-MC에도 없습니다.

TC-M1, M4-MC 에서는 그 모습을 찾아볼 수 없는것도 특이하고. 또 M2-M3 에는 두세트의 케이블 묶음이 교차됩니다.

보자 마자 아! 하고 바로 다른 케이블 들의 수량 및 배치상태와 비교 및 대조를 거쳐 연장급전용 케이블 이라는걸 확신할 수 있었는데, 이게 굳이 연장급전 케이블이 될 수 밖에 없는 이유를 지금부터 설명해 볼 겁니다.

일단 케이블 용량 (허용전류량) 관계상 AC 440V 가 흐르기에는 넉넉하다고 볼 수 있을만한 것 이란건 지난편에서 확인하고 넘어 갔었습니다.

일단 제가 갑작스럽게 꺼낸 용어인 연장급전(Extension Supply)에 대해 설명부터 합시다.

연장급전이란. 말 그대로 급전을 연장 시켜준다는 말입니다.

모든 배선에 해당되는건 아니고, 보조전원장치 회로에 한정됩니다.

생각해 봅시다. 동력분산식 고속열차 특성상 주요 장치가 분산 탑재되어 있습니다. 2편에서 얘기했는데, 만약 운행중 한량의 동력차가 고장하면, 그 동력차의 추진제어장치만 차단하고 남은 출력 (시제편성에서 80%, 양산편성에서 87.5% 라고 했지요) 으로 계속해서 운행하는것이 가능합니다.

굳이 뭐 다른쪽에 공급되는 전력을 끌어다 쓸 필요도 없고 (아니 사실은 필요가 없는게 아니라. 그만한 용량을 나눠 쓰는것 자체가 불가능합니다.)

한두량쯤 차단해도 견인력이 조금 저하될 뿐, 운행자체를 이어가는데에는 문제가 없게 됩니다.

하지만, 객실에 공급되는 서비스 전력에 이상이 생기면 어떻게 할까요?

만약. 서비스 전원을 출력하는 APS 한대가 고장나서 그 APS가 관장해야 하는 차량들에 더 이상 보조전원을 공급할 수 없다면 어찌 하겠습니까?

“그냥 그 차량 차단하고 달려”

라고 할 수가 없습니다.

그럼 그 차량들에는 불도 안 들어오고 심지어 냉난방 까지 공급되지 못하게 됩니다.

만약 그게 한 여름 이었다면 어떻게 될까요? 큰 소동이 나겠죠..? 지난해에 한차례 뉴스에도 나왔었습니다.

경부고속선 2단계 개통이후 금정터널에서 가선으로 부터 전력 공급에 차질이 생기는 바람에, 수십분간 객실 전원 공급이 차단되어…

부산역에서 직원들이 열차가 도착하기 전에 생수병 수백통을 미리 준비하는 등.. 난리도 아녔습니다.

여하튼 이런 상황이 발생하게 됩니다. (물론 위 사고는 연장급전이 되지 않아 발생한 사고는 아니었지만.)

그래서 보조회로에는 주회로와 달리 한대의 보조전원장치가 고장났을때, 연장급전 이라는걸 이용해 다른 차량에서 출력되는 보조회로 전원을 끌어 쓸 수 있는 기능이 들어가 있습니다. 차량에 따라 다른데, 대개 보조전원장치 용량이 편성전체 요구 용량보다 넉넉할 경우 고장시에도 1대의 보조전원장치로 무리없이 연장급전해 공급할 수 있는 경우도 있고 그렇지 못한다면, 공급 부하를 반감시킨 상태로 회로에 공급할 수 있습니다.

그 원리는 간단한데, 전체 편성에 대해 APS 회로가 단락되었을 때, 다른 회로와 연결스켜 주는 스위치 하나만 닫아 주면 되는겁니다.

그 스위치를 품고 있는 박스를 연장급전 접촉기(Extension Supply Contactor) 이라고 하고 약어로 ESK 라고 합니다.

연장급전 회로 부터 파악한 후에 보조회로 전력계통에 대해 자세하게 알아나가 볼 겁니다.

일단, 연장급전 얘기는 잠시 덮어두고 차량간에 지나는 케이블을 전부 다시 살펴본 후에 연장급전부터 시작해 보조회로, 부수회로, 제어회로 까지 들여다 봅시다.

일단은, 지난편부터 주욱 그래왔던것 처럼 조사부터 해 보렵니다.

[차량간 상부에 접속되는 각종 케이블]

차량간에 연결된 무수한 케이블 들중 한쪽으로 지나는 것 들만 살펴 볼 겁니다.

일단, 이것들 중에 보조회로 및 부수회로용 케이블이 있을겁니다.

어찌 확신 하냐구요? 위 케이블과 반대로 배치되는 쪽에 놓인 6개씩의 케이블 들이 필연적으로 제어용 케이블이 될 수 밖에 없으니까요.

[차량간 제어용 케이블]

자. 이쪽의 뭉치들은. 버려도 됩니다.
통밥으로 얘들은 죽었다 깨나도 제어용 점퍼선 뭉치들 입니다.
확신 할 수 있냐구요?

제어용 점퍼선에는 보통 수십 수백 가닥의 케이블 뭉치를 두꺼운 고무 케이블 외피에 감싸 넣어서 연결합니다.

이것들이 당연히 필요합니다.

왜냐면… 6량편성 고속열차내의 주요 기기들을 동시에 동작하도록 해야 하는데, 무슨 수로 그것들에 제어 명령을 보낸단 말입니까?

그 명령들을 단심 케이블로 처리할 수가 없습니다.

그러니, 이들이 곧 제어용 케이블이 되겠습니다.

이제 HV, LV만 남았네요.

그럼 이제 HV 함 이라는걸 기준으로 차량간 마다 연결되어 있는 복잡한 선들을 살펴봅시다.

[TC-M1 차량간 케이블]

일단 선두차와 그 다음의 M1 차량간에 연결된 케이블류 입니다.

지난편에서 APS 출력 케이블 이라고 확정 지었던 95 mm2 케이블과 비슷하게 생긴것들이 이렇게나 많이 있습니다.

이것들의 정체를 모두 밝혀내 봅시다.

제가 눈이 좋은편은 아닌데, 그래도 두 눈을 부라리며 주의깊게 살펴보니 한가지 단서를 얻을 수 있었습니다.

여기서도 케이블 굵기가 조금씩 다르다는 겁니다.

그 증거는 다음 사진에서 아주 자명하게 드러날겁니다.

한번 배운건 계속해서 응용하고 활용해서 써먹어야죠.

문제의 난해한 케이블 뭉치들을 클로즈업 해 봤습니다.

일단. 눈에 보이는 선의 가닥수를 세어보면, 접속단에 연결되는 케이블의 개수는 18가닥이 보이는데요.

[TC-M1 차량간 케이블 연결부]

일단 첫번째 단서 입니다.

별거 아닌건데, 그래도 한눈에 잘 들어오라고 표시를 해 봤습니다.

수량을 계산해 보니 좌측에서 오는선의 가닥수와 우측으로 빠져나가 차량간으로 이어지는 케이블 수가 9개 / 9개로 일치하죠.

차량간 케이블들이 저 HV라는 접속함을 거쳐 반대편으로 이어지는 구조인 겁니다.

HV는 차량간의 케이블을 한곳으로 집적 시켜주는 역할을 하는겁니다.

이건 간단한 것 이었고. 조금 더 살펴 봅시다. 사진을 보니 케이블 가닥에 케이블 정보가 쓰여 있네요.

한번 더 클로즈업 해 보겠습니다.

[TC-M1 차량간 HV 케이블 클로즈업]

두번째 단서입니다.

지난편에서 본 반가운 95㎟급 케이블이 또 보입니다. 가정이 맞다면 이게 곧 AC 440V 출력선이 되야 할겁니다.

그런데. 95㎟ 케이블 외에 또 다른놈이 추가로 있었습니다.

이번에는 120㎟ 입니다.

확대해 놓아서 그런데. 저 두번째 케이블과. 그 위에 있는 케이블도 같은 120㎟급 이었습니다.

흥미롭습니다. 어쨋거나, AC 440V 용 케이블과 또 다른 성격을 갖는 케이블의 등장입니다. (위에 언급한 것들 중 하나겠죠?)

조금 더 살펴봅시다.

이번에는 위 사진에서 케이블 접속단을 기준으로 클로즈업 해서 봅니다.

[TC 차량 HV 접속함 케이블 연결부]

세번째 단서입니다.

일단, 케이블 접속단에 아주 고맙게도.. 라벨에 케이블 형식명을 써 붙여 놓았습니다.
맨땅에 헤딩하는 격 이지만 한발짝 한발짝 차근차근 걸어나가 봅시다.

 각각의 접속단 마다 케이블 고유 식별번호가 붙어 있습니다.
원으로 표시해 봤습니다. 같은 색으로 표시한건 모두 같은 이름이 써 있기에 저렇게 한겁니다.

선은 18개 이지만. 아까 첫번째 단서에서 말씀 드렸듯 실질적으로는 9가닥인 것이라고 말씀 드렸었죠.

그래서 A와 B로 구분해 놓았습니다. A는 차량간으로 연결되는것 이고 B는 HV 접속단이 설치된 자차로 들어가는 케이블 입니다.

저기 써 있는 코드번호를 적어 봅시다.

03B11

03G01

25U02

25V02

25W02

이렇게 쓰여 있네요.

일단 03B11, 03G01 이 둘은 같은 성질을 가진 케이블(120㎟)류 임을 알 수 있고.

세가닥이 한 뭉치네요. (흠.. 세가닥이 한 세트면.. 3상 교류?. 그렇다면 뭔가 좀 이상한데?)

조금 더 봅시다.

25U02, 25V02, 25W02는 지난편 말미에서 APS의 AC 440V 전원의 출력 케이블 이라고 했는데. 확실하게 뒷받침 해 주는군요.

케이블 이름에 있는 U ,V, W가 각각 3상 교류에 대한 U상, V상, W상을 의미하는 것입니다.

TC-M1 차량간 케이블 접속단에서 관찰하는건 여기까지 하고. 이제 다른 차량간에 놓인 케이블류도 관찰해 봅시다.

[M1-M2 차량간의 케이블 접속단 모습]

두번째 HV 함의 케이블 접속상태 사진입니다.

위의것 보다 훨씬 간략합니다.

그리고.. 접속단에 붙어 있는 번호들을 봤는데..

03G01-1, 03G01-3, 03G01-4

03B11-1, 03B11-3, 03B11-4

이게 좀 이상합니다. 왜 1, 3, 4번은 있는데 2번은 없는걸까.

그리고 좌측 AC 440V 케이블은 각기 25U02-3, 25W02-3, 25V02-3 이라고 되어 있습니다.

그리고, 120sq 케이블은 나오는 방향으로만 설치되어 있고 95 sq 케이블 세가닥은 나가는 방향인지, 들어오는 방향인지 헷갈립니다.

위에서 본 사진입니다.

케이블이 많아서 잘 안보이는데, 객실 단부 상면에서 HV 함으로 9개의 케이블이 입력됩니다.

6개는 120, 3개는 95급으로 굵기도 딱 티가 나네요.

[M1 차량 2위측 단부 하면]

AC 440V 케이블은 이렇게 수직으로 내려와서 여기서 부터 연결기 하단으로 숨게 됩니다.

이제 다음으로 가서 계속 살펴봅시다.

[M2-M3 차량간의 케이블 접속단 모습]

M1과 똑같은 패턴입니다.

역시 이번에도 케이블이 연결기 하면으로 들어갑니다.

잠깐. 여기서 M2-M3 간에는 APS 출력 케이블이 6가닥이 지나가는데, 3가닥은 HV 함으로 부터 내려오네요.

그럼 남은 3가닥은 차체를 거치지 않고 직접 아래에서 부터 나오는가 봅니다.

그리고 위쪽에서 내려오는 것 들도. M1 차량 HV 함의 케이스와 똑같은 경로로 타고 내려옵니다.

이제 두개 남았습니다.


[M3-M4 차량간의 케이블 접속단]

여기서 부터는 M3 차량이 아니라, M4 차량에 HV 함이 설치됩니다. M3 차량엔 HV 함이 없구요.

6량중 5량에만 설치되면 되는것이니 TC, M1, M2, (M3 건너뛰고), M4, MC.

이렇게 설치되어 있습니다.

역시나. 이제 M1 과 대칭적으로 구성되어 있습니다.

[M4-MC 차량간 케이블 접속단 모습]

마지막 MC 차량입니다. MC와 HV 함 모양새가 좀 더 눌러놓은 모양으로 생겨 있습니다.

케이블 배치 상태는 거의 다를바가 없는것 같군요.

그리고 저기 이상하게 떼어져 나온 선 한가닥은 신경쓰지 마세요.

접지선이네요.

[M4-MC 차량간 케이블 접속단 클로즈 업]

TC-M1 차량에 탑재된 것과 외함의 모양새 및 케이블의 배치상태는 다른데, 개별 케이블의 연결선 수는 일치합니다.

MC차량과 패턴은 똑같은데, 한가지가 걸립니다. 케이블 개수가 15개 뿐입니다.

 세가닥은 보시다시피.. AC 440V 케이블 한세트가 뽑혀 있네요.

혹시 공장에서 찍은거라 아직 MC 차량 APS는 연결이 안 되었나 싶었습니다.

그게 아녔습니다. 이 사진은 출고당일에 촬영한 것 이었고 운전실 DU에는 모든 APS가 정상 동작 하는것으로 나와 있었습니다.

과연 무얼까 했는데.

오. MC 차량은 95급 케이블이 위로 부터 뻗어 들어가는군요..

그리고 정체를 알 수 없는 케이블 두개가 더 늘어 있습니다…

일단 이건 뒤에서 살펴보도록 하고..

조사한 결과를 종합해 우선 고압 보조회로 부터 추적해 봅시다.

일단, 분량을 많이 잡아야 할 부분이 있는데, 연장급전 쪽 입니다.

연장급전

2. ESK 탑재 위치를 근거로 하여 보조전원장치(APS) 의 연장급전 회로 추론하기

우리에게 주어진 단서를 점검해 봅시다.

글을 시작할때, 언급했던 ESK에 대해 다시 이야기를 이어가 보겠습니다.

지금 케이블을 주욱 보면서 파악한 정보를 바탕으로 실질적으로 뭔가를 해 볼겁니다.

일단 주어진 ESK에 대한 단서는 케이블의 배치와.

직접적으로 ESK에 대하여 말 해주고 있는건 아래의 사진 한장 뿐입니다.

[TC차량 운전실 내 DU 모니터에 현시된, APS 상황 모니터]

보시다시피 ESK는 M2, M3 차량에 한대씩 두대가 설치되었다고 나와 있습니다.

그리고 연장급전 접촉기와 APS가 연결된 회로도가 아주 개략적으로 나와 있는데. ESK는 두대만 있네요. ESK1, ESK2.

그림상에는 네개 같은 착시를 일으키는데, 그리고 ESK가 두개씩 되어서 네개처럼 보이는게 그 소리가 아니라 ESK1, ESK2 각 제어박스 내의 회로 차단 스위치가 두개라는 말 일겁니다.

멋대로 그렇게 추측해도 되냐구요?

만약 ESK가 4대라면?

APS1 ———ESK1——-APS2———ESK1———APS3———ESK1——–APS4

입니다만.

대체 남은 ESK 한대는 어디에 둬야 합니까

고장에 대비한 예비?

그런건 고려할 필요가 없습니다. ESK 는 그냥 스위치 일 뿐입니다.

스위치를 고장이 날것을 염려해 복수 배치를 합니까?

그림 일단. 지금까지 조사한 정보들을 다시한번 정리해 봅시다.

1. 연장급전접촉기는 2대가 설치되며. 주 회로의 중간부에 놓인다. (M2, M3)

2. 주 회로 개별 연장급전접촉기의 회로는 개별적으로 단락되어야 하며 개별 차량의 전력 공급은 ESK를 기준으로 구분되어야 한다.

3. 연장급전 접촉기로 배선을 빼기 위해 차량 커플러단 케이블에 3상 출력 케이블을 구성하였는데. 이것이 M1-M2/ M3-M4 간에는 한 묶음.

M2-M3 간에는 두 묶음이 존재한다.

일단 첫 단추부터 꿰어 들어갑시다.

일단. 기본적으로 숙지해야 할 사항은 4대의 APS 의 회로는 정상 운전시 서로 타 회로의 출력에 영향을 미치지 않도록 설계되어야만 합니다.

즉. 모든 APS의 출력들이 정상 상태에서 독립적으로 운전되어서 서로 간섭을 일으키지 않아야 한다는 겁니다.

그럼. ESK 설치 위치를 바탕으로 어떤식으로 회로가 구분되어야 하는지를 예상해 볼 수 있습니다.

일단 APS는 4대인데 ESK는 겨우 2대입니다.

일반적인 철도차량의 연장급전 회로라면, 모든 APS 출력 회로를 단락시키기 위해서는 3대의 APS 가 필요한데. 여기에는 2대만 있습니다.

일단. M2 차량의 ESK는 TC의 APS1과 M2의 APS 간의 회로를 단락시키는 역할을 할겁니다.

그리고 M3 차량의 ESK 는 M3 차량의 APS 출력 회로와 MC 차량 APS 출력 회로를 서로 단락시켜 줄 겁니다.

그럼. 이쯤에서 의문이 증폭되는데, 도대체 왜 M2-M3 간에는 연장급전접촉기가 없느냐?

의심할 여지가 없는게 위 모니터에도 연장급전접촉기는 분명 두개만 떠 있습니다. ESK1 ,ESK2 라고 쓰인게 보입니다.

여기서 힌트가 될 만한건! M2-M3 차량간의 케이블이 두개로 나뉜다는 겁니다.

이게 아주 결정적인 힌트가 되어 줄 수 있을거라 믿고 있습니다.

주어진 단서를 바탕으로 며칠동안 또 몇시간씩 시간을 할애해 어떻게 회로가 구성되어야 저것들이 모두 말이 되도록 들어 맞는지 고민에 또 고민을 거듭했습니다.

[HEMU-430X의 연장급전 회로 동작 개념도]

일단 연장급전 이란것의 원리를 설명하기 위해 개념도를 그려 봤습니다.

ESK1, ESK2 의 위치는 그림과 같이 차량간 연결간에 있는게 아니라, M2, M3 차량 내에 있습니다.

말 그대로 쉽게 알아 볼 수 있도록 하기위해 만든 ‘개념도’ 입니다. 완성된 회로는 뒤에 나올겁니다.

편성내에 4대의 APS가 배치됩니다. 각각의 APS는 AC 440V 3Φ으로 180kVA의 출력을 뽑아내어 공급합니다.

첫번째 그림을 봐 주십시오.

개별 APS의 보조회로 전력 공급의 범위를 나타내었습니다.

APS1은 TC-M1의 2량, APS2는 M2차량 1량, AP3은 M3차량 1량, APS4는 M4-MC의 2량

2/1/1/2 의 단위로 6량 편성에 보조회로 전원을 분할 공급시키며. 정상 상태에서 개별 APS들은 할당된 차량내 전력공금 만을 수행합니다

그 다음 그림은 APS2가 고장난 상황을 가정한 겁니다.

APS2에서 M2차량내 전력을 공급해 줘야 하는데, 그러질 못 하고 있어 ESK1을 여자시켜 APS1의 전력을 끌어다 쓴 겁니다.

세번째 그림은 APS3이 고장난 상황을 가정한 겁니다.

APS 4의 전력을 끌어다가 공급하고 있는 모식도를 그려놨습니다.

그럼. 제가 질문 하나 하겠습니다.

만약. APS1과 APS2가 모두 고장나서 인접 차량으로 부터 전력을 끌어다 쓸 수 밖에 없다면 어떻게 하면 될까요?

(이쯤 되면, 정상적인 연장급전을 기대하긴 어렵고 아마 부하를 반감해야 할겁니다.)

위 그림에서는 방법이 없습니다.

그냥 절반만큼에 해당하는 차량 내의 모든 서비스 전원을 죽여야 할겁니다

방금 제가 제시했던것을 비롯해 발생할 수 있는 모든 비상상황에 대비하기 위해서는. ESK가 한대 더 있어야 한다는 계산이 나옵니다.

그런데, APS는 4대인데 불구하고 ESK는 2대라고 합니다.

일반적으로 철도차량 내 연장급전 회로에서 ESK 의 수량은 보조전원장치의 수량-1만큼 배치되어 있는게 정석입니다.

예를 들어 10량편성 통근형 전동차의 연장급전 회로를 한번 보여 드리겠습니다.

[10량편성 통근형 전동차의 연장급전 회로]

예시로 갖고온 실제 연장급전 회로를 간략하게 도시해 본겁니다.

10량편성. 코레일소속 VVVF 제어방식 전동차를 예로 들은겁니다.

보시면. TC, T1, TC차량에 SIV가 설치되어 편성내 SIV가 총 3대가 설치되어 있습니다.

그리고 ESK는 무동력차인 Trailer Coach 에 설치되어 있구요.

전력공급이 차단 되었을때. 설사 SIV 두대가 죽는다고 해도 인접 SIV 출력을 이용해 보조회로 전력을 반감한 채로 공급할 수 있습니다.

차라리. M2, M3차량에 한대씩 설치하고 1대를 더 설치했어야 하는게 맞을텐데. 라고 생각될 수 있을겁니다.

그 실마리가. 바로 여기 있는겁니다.

ESK 두대로 전력공급을 원활하게 통전시켜주기 위해서 M2와 M3 차량간에는 커플러 하단의 APS 출력 공급 케이블이 6가닥이나 있는겁니다.

제가 그래서 지난편 마지막에 주저없이 ESK를 위한 배선이구나! 라고 자신있게 단언했던 겁니다.

증명해 보이겠습니다.

일단 다시한번 확실하게 잡고 갑시다.

(1). 정상 상태에서 APS출력은 TC-M1, M2, M3, M4-MC 으로 총 넷으로 구분되며 각각의 출력선은 모두 독립적으로 작동할 수 있어야 한다.

(2). ESK 는 M2, M3 차량에 탑재되어 두개 회로를 직접 단락시키고, 유사시 M2-M3 차량간의 단락 작용까지 구현할 수 있도록 배선이 놓여야 한다.

(3). M2, M3 차량간에는 3상 전원공급 케이블이 중첩되는 구조이다.


일단 M2, M3 차량을 중심으로 편성 전체에서 APS 출력이 어떻게 모이는지에 대한 개략도를 그려 봤습니다.

위 그림과 같은 경로로 M2, M3 차량으로 APS 출력이 들어갑니다.

(1). APS 1출력은 TC1와 M1의 전원 공급을 담당하고 차량 하부 케이블을 타고 M2 차량으로 들어가 ESK에 접속될 겁니다.

(2). APS 2의 출력은 M2 차량에 전력을 공급하고. 그 이전에 APS 1과 함께 ESK에 물리게 될 겁니다.

(3). 그 이후에 M2에서 M3 차량방향으로 나갈 수 있는 출력 케이블이 두종류 입니다. (정상 상태에서 이 케이블에는 전력이 공급되지 않아야 합니다.)

(4). 반대편에서 APS4의 출력은 MC와 M4에 전원을 공급하고 M3 차량내 ESK 에 접속됩니다.

(5). APS3의 출력은 ESK를 지난 후 M3차량 자체 출력 전원선에 공급될 겁니다.

(6). 역시 M3차량에서 M2 방면으로 두종의 3상 케이블이 놓이게 됩니다.

지금 요지는 M2, M3 차량입니다. 2번과 5번 과정에서 APS2, APS3의 전력 공급이 ESK를 지나기 전에 M2, M3 차량 자차 전원을 공급한 후에 입력되어야 한다는 것을 명심합니다.

그래야 확실하게 단락이 이루어 질 수 있고 APS 고장시에도 다른 선의 APS 출력이 해당 라인을 타고 개별 차량내 보조전력 공급에 이용 될 수 있습니다.

결론을 내 봅시다.

일단. ESK 내에는 두개 회로가 접속되고. 나가는것 또한 두개 케이블 입니다.

여기에서 ESK 한개 내의 스위치는 두개 라는것을 알 수 있습니다.

아! 위의 운전실 내 연장급전 회로 간략도에서 ESK 스위치가 하나가 아니었던 이유가 있었군요.

그럼.. 슬슬 연장급전 회로를 직접 그려 볼까요..


자. 지금까지 주어진 정보로 확신할 수 있는 부분이 여기까집니다.
이 때, TC-M1, M4-MC 간의 케이블 연결은 연결기 하단이 아니라 차체의 HV함을 통해 연결되는 라인인데.
전기회로 기호를 통해서 그런걸 구분해 쓰기가 애매해서 그냥 둘 다 같이 표기했습니다.

중간에 검은색 원을 따서 화살표로 표기한건, 출력이 객실로 공급된다는 말 입니다.

M2와 M3 차량을 보시면. 각기 인접 APS를 기준으로 ESK가 딱 중간에 놓이게 만들어 놨는데 눈에 보이 좋게 하자고 그렇게 해 놨습니다.
왜냐하면, 각기 APS의 출력이 일단 자차 객실로 공급된 후에 ESK 에 접속되어야 할것이 아닙니까? ESK 를 지나서 객실에 전력공급을 하는 회로라는건 웃기는 겁니다.

그리고 M2-M3 차량간에는 접속 케이블이 두개로 나뉘기에 미리 두개를 파 놓은게 보이실겁니다.

문제는 이겁니다.

문제: 회로내에 4대의 APS가 있는데. ESK는 두대 뿐이다. 모든 경우의수를 고려 해 볼 때, 두대의 ESK로 회로내 연장급전 제어를 완벽하게 할 수 있는 회로를 도시하라. (단, M2와 M3 차량간에는 케이블이 복수 배치된다.)

꼭 이런것 같네요. 성냥 6개피로 삼각형 8개를 만들어라…..



다음 단계입니다.

일단. M2와 M3 차량의 APS가 각기 TC , MC 차량으로 부터 나오는 APS 출력과 만나기 위한 단락 스위치를 설치해 주어야 합니다.

그걸 붉은색으로 진하게 표시해 놨는데. 그래야 TC-M2, M3-MC 간의 연장급전이 원활하게 잘 이루어 질 겁니다.

이번엔 과감하게 스위치 하나를 더 뚫었습니다.

그것으로 M2-M3 차량간을 연결하는 라인을 구성했습니다.
왜 이렇게 놓이느냐. 하면 거꾸로 생각해 한쪽의 APS가 차단된 상태를 생각해 봅시다.
M3, MC의 APS가 모두 차단되었을때, TC 혹은 M2차량내 APS 출력으로 전원을 공급하려 할때 말입니다.

그럼. TC쪽의 APS로 공급하려 할때에. (위 구조상 M2 의 APS로 ESK를 타고 공급하는건 불가합니다. 왜냐하면, ESK1 내의 위, 아래 스위치 두개를 다 닫아야 하는데. 그럼 TC 차량의 APS1 과 부딫히게 됩니다.

그러니, M2 차량의 APS로 MC 혹은 MC 차량의 APS를 대체하여 연장공급 하려 할때 그림과 같은 구조로 전력공급을 해줘야 한다는걸 생각 해 볼 수 있습니다.

다음은. 이제 M2와 M3에 살아있는 마지막 라인을 연결해 주는 방법인데, 보시다시피 이렇게 하면 됩니다.
스위치는 두개고 이미 설치 되었습니다. 이 상황에서 ESK에서 선을 또 따오는건 의미가 없습니다.
그럼 그림에 나와있는것 처럼 M2 차량 APS에서 M2 차량 자체 전력을 공급 한 후. ESK1에 접속되기 전에! M3 으로 공급해 주면 되지 않겠습니까?
(한번 생각 해 보세요. 원칙을 지키면서 연결하려면, 방법은 이것 뿐 입니다.)

그런데. 여기까지 해 놓으면 문제가 하나 생깁니다.
바로.. 좋든 실든 M2와 M3의 APS 출력선이 붙어 버린다는 것이죠.

그래서. 이렇게 연결하면 되죠.

M2차량을 넘어 M3으로 공급되는 과정에 ESK2와 M3의 APS에 공급되기 전에 위 아래 선을 한번 교차시켜 주는겁니다.
보시는 바와 같이 X자로 꼬았습니다.
보통 전기회로 설계할때 자주 쓰이는 기법인데.. 이렇게 하면 어느 상황에서도 단락이 됩니다.

자. 이게 최종적으로 완성된 연장급전회로도 입니다.
처음부터 한단계 한단계씩 논리적인 수순을 밟아왔고. 여기에서 아무리 생각을 해봐도 이것 이상의 경우의 수는 나올 수 없습니다.
(ESK의 스위치는 두개 뿐 이고. 그 외에 뭐 ESK내 스위치가 앞뒤로 끊고 연결할 수 있다 뭐 이런 넌센스는 따질 필요가 없다고 생각했습니다.

자. 이제 다 되었습니다.
실험 한번 해 봅시다.

4대의 APS중 한대가 고장났을 경우부터 시작해 두대씩 고장나는경우까지 모든 경우의 수를 고려 해 볼때.
어떤 난리 부르스를 떨더라도 단 두대의 ESK로 4대의 APS의 연장급전을 모두 컨트롤 할 수 있습니다.

굳이 설명은 달지 않겠습니다. 눈으로 따라가면 금방 나옵니다.

그럼 이제 연장급전회로를 반영해 APS로 부터의 AC 440V 출력 케이블 배치도를 그려봅니다.

[HEMU-430X 95㎟ 급 케이블 (APS의 AC 440V 3Φ) 배치도]

3. 고압 보조회로 계통 (AC 440V 3Φ) 출력에 대해..

위와 같은 그림으로 연장급전 회로와 APS 출력배선이 구성될 겁니다.

그럼. 생각해 볼 부분이 하나 남게 되는데. APS 출력은 객실내에서 어떠한 방식으로 사용되느냐 입니다.

인접 차량으로 부터의 입력된 APS 출력은 차량의 내부에 공급된 후 단자대함(Terminal Box)에 접속됩니다.
단자대함 에서는 이것들을 묶어 차량내 변압기(Transformer)을 거쳐 더 낮은전압 혹은 전압의 상을 바꾸어 회로에 공급합니다.

이 때의 변압기는 주회로의 주변압기(MTF) 와는 다른겁니다.

그럼. 회로에 공급될 수 있는 교류 전원의 수를 생각 해 봅시다.

1. 회로내 AC 440V (3Φ) 부하 – AC 440V을 그대로 사용하는 계기에는 대표적으로 HVAC가 있습니다. 그리고 보통 공기압축기도 AC 440V으로 구동되기도 합니다.

지난 6편에서 빌려왔던, 팩테크사의 자료를 참고하면, HVAC와 환기용 전동기의 구동 전원도 AC 440V를 그대로 쓴다고 했습니다.

뭐 이정도가 될 것 같네요.

2. 회로내 AC 220V (1Φ) 부하 – AC 440V 를 단상 교류로 변성하여. AC 220V을 공급하는데, 일단 가장 먼저 확실한건 차내 개별 콘센트 전원으로 AC 220V 가 나간다는 겁니다.

그리고, 객실내 기본 등구류 조명에도 AC 220V를 사용합니다.

그 이하로 AC 100V가 있는지는 모르겠습니다만, 저 둘은 확실합니다.

이 이후로는 자료 부족으로 자그마한 실마리도 얻어내기 힘들었습니다.

나중에 알게 되면 추가 하겠습니다.

그리고 비상용 전력이 있겠죠.

다음으로 알아 볼, 저압 보조회로 전력입니다.

4. 저압 보조회로 계통 케이블 분석하기.

연장급전 회로까지 끝남으로 인해 APS 출력용 케이블 들의 의문이 거의 다 풀렸습니다.
아주 약간의 궁금증만 해결하고. 이제 처음에 난제로 주어졌던 120 급 케이블 3가닥씩의 정체를 파 헤쳐 봅시다.

사실. 이쯤 와서 남은건 당연히 저압(DC) 케이블이라 그냥 맞다 하고 넘어가도 될법한데. 케이블이 세가닥씩 붙어있는것이 영 미심쩍습니다.

일단. 주어진것만 그자체로 놓고 생각하면..
3가닥이다. => 3상이다? 라고 생각이 되는데

말이 안됩니다.
APS 출력이 AC 440V 입니다. 회로 전류는 236A로 95 급 케이블의 허용전류 범위에서 모두 캐치할 수 있습니다.

그런데, 난데없이 그것보다 더 많은 전류가 흐르는 케이블이 있다니..
회로내에 3상 교류 보조전력이 흐르는 선은 보조전원장치 출력선 하나 뿐입니다.
그 외에 3상 교류가 또 이용될 이유가 없습니다.

일반화의 오류를 범한겁니다.
세가닥이라고 무조건 3상 케이블이다?

95 급 케이블이 AC 440V 3상 케이블 이었으니 120 급 케이블도 모양새가 그와 닮아 먹었으니 3상 케이블이다? 라고 말입니다.

그런데, 주의할 점이 하나 있다는걸 놓치면 안됩니다.

3상 케이블에는 +,- 구분이 없습니다.

즉. +극, -극 이걸 따지는게 아니라. U상, W상, V상의 세가닥만 놓으면 그만입니다.

그런데. 웃기게도 120급 케이블은 3개가 한 묶음씩 두개가 놓여 있습니다.

그리고 같은 규격으로 흐르는 케이블에 3개 묶음씩 부여된 명칭 또한 다르다는 것도 알았고..
아까 03B11, 03G01 이라고 붙여진 것 들을 확인했습니다.

그리고 저 120sq 급 케이블 들은 전 차량의 HV 함에서 함으로 관통하고 있었습니다.

유일하게 TC와 MC 차량에서만 출력이 나오도록 구성되어 있었고, 나머지 부수차량 에서는 차량과 차량간의 연결을 통해 지나고 있는 모양새를 띠고 있습니다.

그럼. 이렇게 생각하면 어떨까요.
세가닥을 통으로 묶어 전류가 흐르고 (+)
나머지 세가닥에도 전류가 흐릅니다. (-)

지난 6편에서 조사했던, 축전지 충전장치(BACH)의 스펙 표 입니다.

출력 전원이 DC 100V. 전류량은 무려 800A 입니다.

만약 저것이 축전지 충전장치에서 나오는 출력이라면?

그렇게 된다면. 일리가 있습니다.

일단 BACH의 출력이 800A 인데, 120sq 급 케이블의 허용전류를 허용전류 표를 참고해서 보니, 약 437-450A정도가 됩니다.

그리고 한쪽 BACH에서만 출력이 나오는게 아니죠. 800A급 출력을 뿜는 BACH가 두대이고 회로내 케이블이 차량 전체를 빙 도는 형태로 구성되어 있었으니. 두대의 BACH를 상시 돌린다고 생각해 보면 거의 1,600A가 됩니다. 세가닥이면 최대 1,350A가 되는데. 허용전류값에 계수치를 계산해 주고 또 BACH로 부터 촐력되어 축전지함(BT)으로 공급되어 곧바로 충전되는 전류량도 있을테니 이런걸 적정하게 상정하여 생각해 보면 일리가 있습니다.

BACH는 양쪽 선두차에만 설치되어 있고.

축전지인 BT에 비상전원을 충전시키면서 동시에 저압 보조회로 전력을 전 객실에 공급합니다.

위에서 관찰한 결과를 정리해 보겠습니다.

미심쩍은 부분이 있는데, TC와 MC에서 각각 6가닥씩의 케이블이 출력되어 M1-M2-M3-M4차량을 지나기 까지의 배선 상태는 모두 동일했습니다.

그런데, 유독. TC 상부와 MC 상부로 진입되는 케이블만이 3선이 아니라 1선 이었습니다.

다시 위로 올라가 M1 차량 HV 접속단에 붙어 있는 노란 딱지를 다시 읽어봅시다.

03G01-1, 03G01-3, 03G01-4

03B11-1, 03B11-3, 03B11-4

이었고. 2번이 없는게 미심쩍다고 말씀 드렸었죠..

그 2번이 어쩌면, BACH로 부터 출력된 후 자차의 BT로 공급되는 선이 아닐까 추정해 봅니다.

그 둘이 각각 03G01-2, 03B11-2으로 +, – 1개선 씩이고.

이 이후로는, 더 이상 근거를 찾기가 어려워 결론을 내리지 못 했습니다.

아래 배치도에도 표시는 해 놨는데, 불확실한 관계로 붉은색 점선으로 표기해 놓았습니다.

확실한 근거를 찾거나 좀 더 정보를 얻게 되면 내용 추가 하겠습니다.

몇시간을 고민했는데 여기선 확실한 근거가 없어 진행 불가네요.

대강 이런식으로 저압 보조회로 라인이 지나간다는 말입니다.

일단. MC와 TC에서는 출력되는 부분이니 HV 함에 접속되었다가 빠져나오고.

각기 아래에서 부터 공급되는 전력은 BACH로 부터 출력되는 순수한 전력으로 그게 TC 및 MC의 HV 함에 모여야 됩니다.
그 이후부터는 계속해서 차량 간 위쪽으로 공급받고 HV 함을 거쳐 다시 위로 위로 계속해서 위쪽으로만 흐르게 되어 있다가.
MC 차량에서는 다시 TC와 동일한 방식으로 아래쪽으로 들어갑니다.

그럼 이제 고압 보조회로(AC 440V) 와 저압 부수회로(DC 100V) 까지 끝났습니다.

각기 케이블이 어떻게 작용하는지도 알았고 회로적 특성까지 파악했습니다.

그럼 이번편에서도 결론을 내려야 겠죠?

그림으로 고압 및 저압 보조회로에 대해 7편에서 그랬던 것 처럼 3량 / 3량씩 나누어 일러스트에 최종 정리를 해 보겠습니다.

[HEMU-430X 보조회로 전력공급 체계도]

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