전차선의 특성과 그 구성
전차선에 요구되는 특성전차선의 전압은 직류에서는 600·750·1500V, 교류에서는 20kV(신칸센은 25kV)가 표준이 되고 있다. 전차선은 이러한 전기를 공급하는 배전설비로서 전도성 및 내아크성 등의 전기적 특성 외에도 다음과 같은 특성이 요구된다. 그 주요 요건으로는 ①접촉성(고속 주행 시에도 안정적인 전력공급이 가능) ② 내마모성 ③안전성(단선 및 충돌 등의 위험이 적다) ④ 보전·경제성 ⑤내환경성(바람, 빙설, 일조, 오손 등의 부하에 견딜 수 있는 능력) 등이 있다.
전차선의 구성[그림 1]에 기존의 재래선에서 널리 사용되고 있는 단순한 가선을 예로 나타냈다. 그 주요 구성요소에는 팬터그래프와 접동하는 트롤리선과 그것을 매다는 조가선, 트롤리선을 수평으로 현가(懸架)하기 위한 행거 및 트롤리선의 수평위치를 고정시키는 곡선 당김 쇠붙이 등이 있다.
집전계(集電系)의 특성을 평가하는 지표전차선과 팬터그래프 간 접촉상태의 양부(良否)를 나타내는 지표로서 △이선율(離線率) △트롤리선의 압상량(押上量) △굽힘응력이 있다. 이선율은 집전하면서 주행하고 있는 시간에 대해 이선한 시간의 총합의 비율을 말한다. 압상량과 굽힘응력은 팬터그래프 통과 시 트롤리선에 발생하여 이것이 너무 커지면 팬터그래프가 곡선 당김 쇠붙이를 타격하거나 트롤리선이 피로파단에 이르는 등 전차선의 손괴를 초래할 위험이 있다. 이에 따라 이 3가지 지표에 대해 허용치를 설정하여 제한하고 있다.
고속화를 위한 방책
트롤리선 등의 전선은 팬터그래프의 통과에 따라 진동이 여기(勵起)되어 전후(前後)에 파동으로서 전파된다. 파동이 전파되는 속도를 파동전파속도라고 한다. [그림 2]에 나타난 이선율의 예와 같이 전술한 3가지 지표는 β(주행속도 υ와 트롤리선 파동전파속도 c의 비=υ/c)가 1에 근접하면 급격히 커진다. 따라서 전차선의 고속성능을 높이는 하나의 방책으로서 c를 높게 하는 방법이 있다. c는 트롤리선의 선밀도 ρ와 장력 T로부터
로 나타난다. 따라서 c를 높이기 위해서는 트롤리선의 고장력화와 경량화가 필요하게 된다. 또한, β는 0.7~0.8 이하가 되도록 제안되고 있다. 또 하나의 특징인 전차선과 팬터그래프의 운동으로서 지지점(전신주) 간격 주기(週期)의 접촉력 변동이라는 것이 있다. [그림 3]에 보이는 바와 같이 전차선의 스프링 정수는 지지점 간격을 주기로 변화한다. 이에 따라 주행 중인 팬터그래프는 지지점 부근에서 낮아지고, 지지점 간 중앙 부근에서는 높아지는 상하운동을 반복하면서 지지점 간격 주기의 접촉력 변동이 생기게 된다. 이 대책으로는 지지점 간 스프링 정수의 균일화 및 전차선의 장력을 높게 하여 팬터그래프의 진동진폭을 작게 하는 방법 등이 있다.
고속화를 위한 기술
이하에 이러한 방책들을 고려한 전차선의 기술 및 그 최신 동향을 소개한다.
신칸센의 전차선신칸센에서는 산요 신칸센 이후 [그림 4]에서와 같은 헤비 콤파운드(Heavy Compound) 가선이 채용되어 왔다. 보조 조가선을 설치함으로써 지지점 간의 스프링 정수를 균일화하고, 전차선 총 장력을 [그림 1]에 나타난 단순 가선의 2.75배인 53.9kN으로 높임으로써 고속 안정 집전을 실현시켰다. 한편, 정비 신칸센에서는 건설비 절감을 목적으로 선의 수가 적은 단순 가선계를 채용하고 있다. 전차선 총 장력을 [그림 1]에 나타난 단순 가선의 2배인 39.2kN으로 높임으로써 고속화에 대처하고 있다. 또한, 열차밀도가 낮아 전류용량을 작게 할 수 있으므로 110㎟ 트롤리선(장력 19.6kN)을 사용함으로써 높은 트롤리선 파동전파속도(520km/h)를 실현하고 있다.
고속집전에 이바지하는트롤리선 고장력(高張力) 가선헤비 콤파운드 가선은 최고속도가 250km/h로 설계되었다. 그 후 신칸센 네트워크의 확장에 맞춰 ‘속달성 향상’이라는 요구에 부응하기 위해 현재 신칸센의 최고속도는 300km/h가 되었다. 더욱이 2012년도부터는 도호쿠 신칸센에 320km/h화(化) 사업도 계획되어 있다. 이에 대해 트롤리선 장력을 19.6kN으로 높이고, 파동전파속도를 355km/h에서 410km/h로 높인 고장력 가선으로 대처하고 있다.
인장강도를 높인 트롤리선트롤리선의 파동전파속도를 향상시키기 위해서는 인장강도가 높은 트롤리선이 요구된다. 이를 충족하는 것으로서, PHC 트롤리선이 개발돼 건설 중인 정비 신칸센에 도입되고 있다. PHC 트롤리선은 동에 크롬 및 지르코늄을 배합하여 석출경화공정을 추가함으로써 기존의 경동(硬銅) 트롤리선에 비해 인장강도와 피로강도 및 경도를 증가시켰다.
굽힘응력을 완화시키는 트롤리선
[그림 5]와 같이 중립축을 상부(작은 원호면)로 이동시켜 굽힘응력을 완화시키는 트롤리선의 개발이 진행되고 있다.
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