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과제기본정보

블랙박스가 내장된 IoT 기반의 DC 1,500[V]급 철도차량용 고속도차단기 개발3년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 20TBIP-C143968-03
국가과학표준분류 1순위 기계 | 자동차 철도차량 | 전기 전자장치 적용분야 제조업(전기 및 기계장비)
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 블랙박스가 내장된 IoT 기반의 DC 1,500[V]급 철도차량용 고속도차단기 개발
주관연구기관 (주)우진기전
총괄연구 책임자 성명 조성훈
소속 (주)우진기전 직위 부장
기관 대표번호 043-830-3410 FAX 043-833-3419
총 연구기간 2018-04-01 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-01-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
3차년도 240,000,000 17,000,000 144,000,000 161,000,000 401,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1. 정의
가선전압 DC 1,500[V]라인에 설치되는 정격 차단용량 30[kA]의 단극 고속도차단기로서, 일반 전자식 고속도차단기 본래의 사고전류 보호기능을 가지며, 운용시에 발생하는 상태에 대한 빅데이터는 통전전류가 클수록 점차 짧아지는 시간간격으로 자동 저장되는 블랙박스가 내장되어 있고 차량의 TCMS와의 유선통신이 가능하고, 블루투스 페이링 또는 와이파이 접속으로 무선통신이 가능한 IoT기반의 고속도 차단기.

2. 개발 개요
(1) 현재 국내 및 전세계에 철도차량용 전장품에 IoT기술을 접목시킨 제품은 없는 실정
(2) 제 4차 산업혁명의 도래로 인한 철도차량 전장품의 제 4차 산업혁명화
(3) IT강국이라는 대한민국의 이미지 제고
(4) 해외 선도사의 고속도차단기 경쟁력을 앞서가는 고속도차단기 개발
최종목표 1. DC 1,500[V] 가선에 사용되는 블랙박스가 내장된 IoT(사물인터넷) 기반의 철도차량용 고속도차단기의 개발

2. 정격동작전압 DC 1,800[V], 정격 자유대기 열적전류 1,200[A], 정격차단용량 30[kA]을 가진 소형 경량의 고속도차단기의 개발

3. 고속도차단기의 운영시 발생하는 빅데이터인 현재시간, 투입/차단시간, 가선전압 통전전류(투입/차단전류), 동작 횟수(투입횟수, 차단횟수),
온도[주위온도, 주 접점, 편조선(선택사양)], 지리정보(GPS위치) 등의 표시, 저장, 처리 및 전류 트립치의 세팅과 같은 환경설정 등의 기능을 가진 블랙박스 개발
연구내용 및 범위 <1차년도>
1. 개발방향 도출

(1) 선도사 제품의 분석
- 고속도차단기의 동작 메커니즘, 특징 등의 분석

2. 고속도차단기의 기본설계

(1) 고속도차단기의 소형 경량화
- 모듈화 설계 및 개구부 최대화로 절연재료의 사용 최소화
- 전자코일의 최적화 설게

(2) 아크슈트의 최적 설계 이론 정립
- 부하전류의 정상차단 또는 사고 발생시 자기 트립시 발생하는 아크발생에 대한 이론적 연구
- 아크슈트 내부의 그리드의 이격 거리 및 매수에 따른 소호 능력 검토

(3) 전자코일의 전자기력 검증 및 유지전력 최소화 방안 수립
- 고속도차단기의 가동접촉자를 움직여 투입 및 석방을 행하는 구동력 발생요소
- 철도차량 시스템의 제어전압 조건에 따라 고속도차단기의 제어전압도 달라짐
- 제어전압에 따라 고속도차단기의 필요 구동력 설정
- 각 전압별 전자코일 제작 및 전자기력, 기본성능 검증 및 특성 검토서 작성
- 선도사 제품의 전자코일 특성 분석 및 메커니즘 분석

(4) 접촉자의 재료 비교검토 및 부품제조
- 고속도차단기의 통전 및 개방을 형성하는 주접점으로서, 접촉저항, 안전성, 내용착성, 내마모성 또는 내아크성이 요구됨
- AgCdO접점 대신 친환경 소재인 AgSnO2소재 적용

(5) 보조스위치의 캠 구동방안 정립 및 부품설계
- 고속도차단기의 동작상태를 외부로 표시해 주는 스냅 액션 스위치
- 표준은 6a 6b접점(선택사양으로 8a 8b접점으로 확장가능)

(6) 구동 메커니즘의 정립
- 전자코일의 전자기력과 각종 스프링 하중과의 역학관계 검토 및 검증
- 전자코일의 투입시 유지전력 최소화 방안 정립 및 검증

(7) 고속도차단기의 어셈블리 검증
- 전자코일, 아크슈트, 접촉자와 구동 메커니즘을 조합하여 최종 목표치를 달성할 수 있는 고속도차단기 최적화 기술개발
- 제품 경량화를 위한 최적 사이즈의 결정
- 블랙박스와 DC VT/CT의 취부시의 동작 신뢰성 검토
- 기계가공 시제품 제작 검증

3. 신뢰성 기반 구축

각종 제품 사양서, 시험사양서, 구매 사양서, 관련도면의 작성

4. 시제품용 부품 제작

(1) 구성 부품의 기계 가공 후 조립/ 취부성 및 동작성 검증

(2) 검증시험 결과에 따른 보완 설계

5. 블랙박스의 설계

(1) 소프트웨어, 하드웨어, 스마트폰 어플리케이션, PC기반 운용프로그램 설계

(2) 하드웨어 및 소프트웨어의 디버깅 및 연동 확인

(3) 고속도차단기의 현재 상태를 확인 할 수 있는 LCD PANEL 설계

(4) DC VT / CT와의 호환성 검토 및 설계

(5) PCB회로도, ART WORK도면, 블랙박스 설계기준서 작성

(6) 소프트웨어 기능 정의서, 설계기준서 작성


<2차년도>
1. 각 주요요소의 도면작성

(1) 전자코일, 아크슈트, 본체, 접촉자, 가동 어셈블리 부품관련 기계 가공품의 조립성 검증

(2) 품평회 실시 및 보완 반영

(3) 설계기준서의 작성(전자코일, 유지전력 최소화, 아크슈트)

2. 부품의 금형제작

(1) 기계가공으로 검증된 부품의 금형제작 사양서 및 금형 제작

(2) 시사출 및 부적합시 금형 수정

3. 고속도차단기의 시제품 조립

(1) 고속도차단기의 10세트 조립

(2) 제작 도면 및 부품검사 성적서 작성

(3) 아크슈트의 차단성능 검증
- 아크슈트의 TYPE별 차단성능 검증
- 장소 : KERI

4. 블랙박스의 설계 기준정립

(1) 하드웨어 설계 기준서 가성

(2) 블루투스 통신관련 기능시험 실시

5. DC-VT / CT 의 설계 기준서 및 기능시험 보고서 작성

<3차년도>
1. 고속도차단기의시제품 제작

2. 고속도차단기의 사내 성능검증

(1) 시험절차서 작성 및 고속도차단기 및 블랙박스의 기능시험

(2) 고속도차단기의 전류 세팅 확인

(3) 고속도차단기의 개방시간 측정

(4) 고속도 차단기 실부하 차단시험

3. 고속도차단기의 차단성능 검증

(1) 해외 공인기관에서의 차단용량 시험전 예비 검증 단계로 KERI에서 시험 실시

(2) 시험 가능 항목 : 설비용량과 부하설비에 따라 달라짐
- 임계전류 확인 시험 일부, 동작성능시험 일부 30[kA] 차단용량(15, 40[ms])로 예상

4. 공인기관 성능시험

(1) 시험을 실시할 공인 인증시험 기관
- 국내 : SGS KOREA 등 KOLAS 인증기관
- 해외 : IPH사(독일 베를린 소재)

(2) 국내 공인시험 항목
- 고속도차단기 : 기능시험, 환경시험, 진동/충격시험, 기계적 내구시험
- 블랙박스 : 기능시험, EMC 검증시험

(3) 해외 공인시험 항목
- 일반성능특성 시험 : 동작한계, 온도상승, 절연특성, 동작성능
- 정격단락 투입 및 차단용량 시험 : T2, T3, T4 투입 및 차단능력 검증
- 임계전류 확인 시험

5. 기술개발(블랙박스)에 대한 특허 출원
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
3차년도 1. 개발방향 도출

2. 고속도차단기의 기본설계 및 부품설계

3. 신뢰성 기반 구출

4. 시제품용 부품 제작

5. 블랙박스의 소프트웨어(펌웨어)설게

6. 블랙박스의 하드웨어 설계

7. DC-VT/CT의 설계

8. DC-VT/CT와 블랙박스의 연동 시험 		1. 고속도차단기의 기본설계

(1) 고속도차단기의 소형 경량화
- 모듈화 설계 및 개구부 최대화로 절연재료의 사용 최소화
- 전자코일의 최적화 설게

(2) 아크슈트의 최적 설계 이론 정립
- 부하전류의 정상차단 또는 사고 발생시 자기 트립시 발생하는 아크발생에 대한 이론적 연구
- 아크슈트 내부의 그리드의 이격 거리 및 매수에 따른 소호 능력 검토

(3) 전자코일의 전자기력 검증 및 유지전력 최소화 방안 수립
- 고속도차단기의 가동접촉자를 움직여 투입 및 석방을 행하는 구동력 발생요소
- 철도차량 시스템의 제어전압 조건에 따라 고속도차단기의 제어전압도 달라짐
- 제어전압에 따라 고속도차단기의 필요 구동력 설정
- 각 전압별 전자코일 제작 및 전자기력, 기본성능 검증 및 특성 검토서 작성
- 선도사 제품의 전자코일 특성 분석 및 메커니즘 분석

(4) 접촉자의 재료 비교검토 및 부품제조
- 고속도차단기의 통전 및 개방을 형성하는 주접점으로서, 접촉저항, 안전성, 내용착성, 내마모성 또는 내아크성이 요구됨
- AgCdO접점 대신 친환경 소재인 AgSnO2소재 적용

(5) 보조스위치의 캠 구동방안 정립 및 부품설계
- 고속도차단기의 동작상태를 외부로 표시해 주는 스냅 액션 스위치
- 표준은 6a 6b접점(선택사양으로 8a 8b접점으로 확장가능)

(6) 구동 메커니즘의 정립
- 전자코일의 전자기력과 각종 스프링 하중과의 역학관계 검토 및 검증
- 전자코일의 투입시 유지전력 최소화 방안 정립 및 검증

(7) 고속도차단기의 어셈블리 검증
- 전자코일, 아크슈트, 접촉자와 구동 메커니즘을 조합하여 최종 목표치를 달성할 수 있는 고속도차단기 최적화 기술개발
- 제품 경량화를 위한 최적 사이즈의 결정
- 블랙박스와 DC VT/CT의 취부시의 동작 신뢰성 검토
- 기계가공 시제품 제작 검증

2. 신뢰성 기반 구축

각종 제품 사양서, 시험사양서, 구매 사양서, 관련도면의 작성

3. 시제품용 부품 제작

(1) 구성 부품의 기계 가공 후 조립/ 취부성 및 동작성 검증

(2) 검증시험 결과에 따른 보완 설계

4. 블랙박스의 설계

(1) 소프트웨어, 하드웨어, 스마트폰 어플리케이션, PC기반 운용프로그램 설계

(2) 하드웨어 및 소프트웨어의 디버깅 및 연동 확인

(3) 고속도차단기의 현재 상태를 확인 할 수 있는 LCD PANEL 설계

(4) DC VT / CT와의 호환성 검토 및 설계

(5) PCB회로도, ART WORK도면, 블랙박스 설계기준서 작성

(6) 소프트웨어 기능 정의서, 설계기준서 작성

5. 블랙박스 관련 기술 특허 출원
연구성과 기술적 기대성과 1. 일반 고속도차단기의 기술력은 현재 선도사(S사, A사, M사 등)의 기술대비 약 95[%]로 예상하나, 기존 철도시장에서 해외 선도사의 높은 인지도와 시장점유율로 인해 동일한 기능의 고속도차단기로는 경쟁력이 부족하고, 판매까지는 그 장벽이 너무 높음

2. 해외 고객의 검토 요구 사항인 전자코일 유지전력의 최소화와를 위한 성능개선과 더불어 더욱 소형화를 추진할 필요가 있음

3. 국내의 신규 및 유지보수 시장뿐만 아니라 해외 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해 기존의 일반기능 고속도차단기로서는 한계가 있어, 일반 고속도차단기에 블랙박스를 내장한 IoT기반 고속도차단기로 공정한 경쟁을 하고자 함
사회 경제적 파급효과 1. 고속도차단기에 IoT기능을 접목시키는 시도는 세계 최초로서, 해외 선도사가 독식하였던 시장점유율을 재편할 수 있으며 당사로서는 매출증대 및 이미지 제고와 함께 국가적으로는 무역수지 개선 및 IT 강국의 위상을 재확인하는 기회가 될 것으로 확신함

2. 철도차량의 실시간 운용 상태확인 및 유지보수의 새로운 기준을 제시

(1) 고속도차단기 및 철도차량용 전장품의 경우 유지보수 점검에 기본적인 데이터닝 동작횟수의 표시가 해당 기기에 표시되지 않아, 시간 베이스의 점검을 하고 있음

(2) 고속도차단기의 동작횟수를 포함하여 고속도차단기의 운영시 발생하는 모든 빅데이터가 저장됨으로써 정량적인 유지보수 가이드라인을 설정할 수 있고 정확한 유지보수 체계 확립이 가능

(3) 정량적인 유지보수 가이드라인에 따른 각 부품별 내구성을 제시하여 부품결함으로 인한 안전사고를 미연에 방지할 수 있음

(4) 점검원의 노하우에 의한 유지보수에서 빅데이터에 의한 통계적인 기법의 유지보수가 가능하고, 유지보수 시간의 절감으로 점검원의 효율적인 운영이 가능

(5) TCMS와의 운용상태 전송으로 이상상태의 조기경보 및 스마트폰 어플리케이션을 통한 제품의 운용상태 확인이 용이해 유지보수의 스마트화 구현

3. 사회적 측면

(1) 블랙박스를 내장한 IoT기반 고속도차단기로 철도차량용 전장품에도 IoT(사물인터넷)화가 가능함을 입증하고 그 선두주자로서 기업 이미지를 강화하고 기타 전장품의 IoT화를 위한 여론 확산유도

(2) 금번에 개발코자 하는 블랙박스는 DC 1,500[V] 이하의 가선에 사용되는 모든 개폐기류(전자식 또는 전공식 고속도차단기, 전자접촉기, 조작기류 등)에 전부 적용 가능하여 철도 전장품의 IoT화에 기여할 것으로 판단됨

(3) 블랙박스 기술 개발로 엔지니어링 기술능력을 배양하여 국가산업 및 기술경쟁력을 강화시키고 해외 시장 판로 개척 등을 통하여 국제 무역수지 개선에 이바지 할 것으로 기대함
활용방안 1. 시장진입 및 판로 개척

(1) 마케팅 순서
1) 각종 기술사양서 및 취급설명서 작성
국문(국내 영업용), 일문(도시바, 미쯔비시 대응), 영문(중국, 유럽 대응)

2) 제품 Catalogue 작성 : 국문, 영문

3) 국내 영업 : 국내 영업 담당과 연구원 동행 각 차량사업소 홍보

4) 해외 영업
- 해외 영업 담당, KOTRA 한국사무관 활용
- 현지 Agent 선정 및 해외 차량 운용사에 Catalogue 발송
- 현지 Agent 영업활동 지원 및 제품 개량 상담

5) 사양 SPEC-IN시 개량업무 지원 및 실적 확보

6) 신조 차량의 SPEC-IN 추진

(2) 국내 영업

1) 국내 영업망의 활용
- 국내 영업팀이 철도 차량사 / 운영사와 이제까지 쌓아온 밀접한 유대관계 활용
- 서울교통공사 외 각 지자체의 도시철도공사 본사 및 차량기지 주기적 방문
- 개발 신제품에 대한 기능 및 사용방법, 적용시의 편리성을 설명

2) 서울교통공사 SMART Connected Metro(SCM)의 스마트 검수시스템에 적극 적용
- 블랙박스 내장 Iot기반 고속도차단기가 완료되는 2019년 12월 이후에는 서울교통공사의
타기지로 확대 적용되므로, 스마트 검수시스템이 우선적으로 구축되는 신정기지에 대한
주기적인 진척상황을 확인하여 개발완료와 함께 바로 적용될 수 있도록 선제적으로 대응
- 신정기지의 적용실적을 바탕으로 타 차량기지 및 타 지자체로 적용확대

3) 현대화(개량) 사업의 기존 고속도차단기의 대체품으로 적용
- 국내 지하철 운영공사 차령이 25년 이상된 차량이 전체의 약 47[%] 이상이 되므로,
개량 사업에 소요되는 일반 고속도차단기에 블랙박스 내장 Iot기반 고속도차단기로의
대체를 유도
- 블랙박스 내장 Iot기반 고속도차단기의 특징, 유지보수 및 점검의 용이성 등을 최대한 어필

(3) 해외 영업

1) 해외 전시회의 주기적 참가 및 신제품 어필
세계 최초인 IoT기반의 고속도차단기를 개발하여 당사가 매년 참가하고 있는 국제 철도
차량 전시회 등에서 개발품의 홍보 및 해외시장 판로개척

2) KOTRA 한국사무관의 적극 활용
- KOTRA 맞춤형 시장조사 프로그램 활용
대상국의 시장조사 및 바이어 조사, 영향력 있는 현지 에이전트의 확인 요청
- 카탈로그 및 각종 기술자료 송부
- 현차 적용을 위한 현지 차량사 / 운영공사 또는 대행 엔지니어링사와의 기술미팅
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 고속도차단기 스마트팩토리 블랙박스 빅데이터 정량적유지보수
영문 High speed circuit breaker Smart factory Black box Big data Quantitative maintenance
최종보고서
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