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[모빌리티와 전기 ③] 철도의 미래, 2040

김대근 기자
입력 2017.03.01 00:00

[모빌리티와 전기 ③]
철도의 미래, 2040

본고에서는 철도기술의 발전 양상과 본질적 특징을 분석하고, 최신 전기철도의 기술부터 향후 미래 철도의 모습까지 고찰해 보는 시간을 갖는다.

정리 편집부

전기철도기술의 특징

물리면에서 본 전기철도기술의 특징

향후 철도수송시스템의 발전은 당연히 물리적 특성에 근거한 기술적 우위성을 연장하는 방향으로 진행될 것으로 보인다. 그리하여 먼저 철도의 기술적 특징을 명확히 하고자 한다.

여기서 말하는 「철도」는 철제 레일과 차륜에 의한, 이른바 「철궤도 시스템」을 지칭하지만, 「철도」의 정의는 일반적으로 ▲구동·제어 ▲지지 ▲안내의 기능 중 안내를 지상측의 궤도를 따라 자동적으로 실시하는 것을 가리킨다.

철도의 기술적 특징은 철제 레일·차륜시스템의 물리적 특성에 기인하며 [표 1]과 같이 요약정리할 수 있다. 단위 면적당 큰 지지 하중은 차체의 대형화를 가능케 했으며, 자기조타(自己操舵)와 아울러 고속 대량 수송을 실현했다. 또 자기조타에 의해 주행로가 확정되기 때문에 가선, 팬터그래프 시스템에 의한 주행 중 대전력 공급이 가능하며, 소형·경량화에 의해 대출력 전동기 구동 시스템이 실용화되었다. 더욱이, 전기구동시스템은 회생 브레이크에 의해 운동에너지를 회수할 수 있어 이 점이 낮은 주행저항뿐 아니라 전기철도의 에너지 효율을 높이고 있다. 한편, 대형 차체에 대해 레일·차륜 간 마찰력의 최대치가 낮기 때문에 가감속도에는 자연스럽게 제약이 발생한다. 특히, 감속도가 낮은 것은 다른 열차나 진로상 장해물과의 충돌을 막기 위한 기술적 고안으로서, 열차간격 및 진로의 관리가 필요하다. 그 결과, 타 교통기관에 비해 정확한 시간에 운행이 이루어진다는 이점이 생긴다. 또 이러한 결과로 철도, 특히 전기철도는 전력공급, 조타기능, 운전제어 등이 모두 지상측 설비에 의존하여 실현되고 있다. 이것은 다른 수송기관, 예를 들어 자동차가 에너지를 내장하고 드라이버가 차상(車上, On-Board)에서 주행경로와 운행관리 전반을 자율적으로 실시하는 것과는 대조적이다.

경영면에서 본 전기철도기술의 특징
철도기술의 향후 모습을 추론하는 데 있어서는 철도의 경영면에서 본 기술적 특징도 고려할 필요가 있다. 철도는 이른바 인프라 사업으로 대규모 설비의 지속적인 유지관리가 요구된다. 따라서 설비투자에 대해서는 장기간에 걸친 계획이 필요하다. 이는 단기간에 투자회수가 요구되는 많은 제조업들과는 크게 다르다. 따라서 한 기술을 선택한 결과가 장기간에 걸쳐 영향을 미치게 된다. 예를 들어 100여 년 전 교류정류자전동기 때문에 16.7Hz 단상 교류전화를 선택한 독일어권의 철도에서는 이후 상용주파수에 의한 교류전화 구간용 차량에 비해 무거운 변압기, 그리고 단상 맥동용 필터회로가 과제가 되었다. 또 철도기술은 규모가 크고 요소기술 간의 결합이 강해 시스템 전체의 발전을 고려한 기술의 선택과 투자가 중요하다. 일례로 차량이 직류전동기에 의해 구동되는 시대에 부설된 신호용 궤도회로 기기에서는 그 후의 차량구동 및 궤전기술에 파워 일렉트로닉스를 적용한 결과 EMI 문제가 표면화되었다.

전기철도의 최신기술
차량전기기술
차량전기기술에서 가장 획기적인 기술은 파워 일렉트로닉스 기술의 진전에 따른 유도전동기 구동기술이라고 할 수 있다. 차량 구동용 전동기(주전동기)에는 전기철도의 여명기 때부터 직류직권전동기가 오랫동안 사용되어 왔다. 1980년대에는 자기소호가 가능한 파워 반도체 디바이스(GTO)의 고내압화(4.5kV 내압)가 이루어지고 상하(床下: 바닥 밑) 탑재가 가능한 인버터가 실용화되어 유도전동기의 구동이 실현되었다. 이에 따라 정류자·브러시의 해소, 차량구동제어용 기기(주회로 기기)의 무접점화 및 회생 브레이크도 본격적인 활용이 이루어져, 주회로 기기의 유지보수 및 운전에 따른 에너지의 대폭적인 저감이 이루어졌다. [그림 1]은 일반적인 직류전기철도차량 1대분의 주회로 시스템의 구성이다. 3.3kV-1.2kA 정격의 IGBT에 의해 120~200kW 정도의 유도전동기 4대를 구동한다. 주전동기로는 그 후의 고효율 영구자석 동기전동기가 지하철 차량 등에서 실용화되고 있다. 인버터 기술은 교류전화 구간용 차량(교류전기차)의 PWM 정류회로에도 응용되어 차량부하의 역률향상 및 회생 브레이크의 본격적인 채용이 이루어지게 되었다. 그 결과, 차상 브레이크 저항 생략에 의한 차량의 경량화 및 변전소의 무효전력 저감으로 300km/h급 운전에 크게 기여하고 있다. 또 최근에는 전기철도의 범주를 벗어나고 있지만, 고성능 2차전지의 등장에 따라 디젤엔진과 리튬이온전지의 하이브리드 기동차나 화물열차의 화차 교체를 실시하는 입환기관차도 실용화되어 연비 및 배출가스의 저감에 기여하고 있다.

궤전기술
전기철도는 직류전화에서는 저전압 대전류의 전력공급시스템이며, 교류전화의 경우는 단상 대전력 부하라는 점이 특징적이다. 또 역행(가속)뿐만 아니라, 회생제동에 의한 역조류가 발생하고 역행·회생 모두 피크전력이 높다. 여기에 기인하는 제반 문제에 대해서는 차량과 마찬가지로 최신 파워 일렉트로닉스 기술의 적용에 의해 그 해결이 도모되고 있다. 단상부하에 기인하는 불평형 부하 대책으로는 [그림 2]와 같은 전력융통장치(RPC: Railway Static Power Conditioner)에 의해 다른 단상 궤전구간끼리 전력을 융통하는 장치가 사용되고 있다. 또 도카이도 신칸센(東海道新幹線)은 전선(全線) 25kV 60Hz로 전화(電化)되어 있기 때문에 관동(간토)지구에서는 전력공급을 위해 주파수 변환이 필수인데 그를 위한 정지형 주파수 변환장치에서는 무효전력제어도 실시한다. 이에 의해 궤전계통의 송전능력을 최대한 활용하고 있다.

이상과 같이 궤전기술에 파워 일렉트로닉스의 도입으로 설비이용률을 향상시키고 투자효과를 최대화하고 있다. 또 궤전 분야에서도 고성능 2차전지 및 전기이중층 콘덴서 등 축전장치를 이용한 가선전압 강하 대책, 회생전력의 유효이용 등이 이루어져 궤전계통의 기능 향상이 도모되고 있다.

열차제어(신호) 기술
철도차량은 [표 1]에도 나와 있듯이 철제 레일·차륜에 기인하여 감속도가 낮으며, 인간의 시각만으로는 열차 충돌 등의 방지에 한계가 존재한다. 따라서 선로를 수km에서 수 100m의 구간(폐색구간)으로 나눠 그 구간에는 1개 열차만 진입하게 하고, 지상에 설치한 색등식(色燈式)의 신호(color light signal)로 운전속도를 지시하는 방식이 사용되어 왔다. 이와 더불어 실수로 열차를 적신호(진입금지) 구간에 진입시켰을 때 이를 자동적으로 정지시키는 자동열차정지장치(ATS: Automatic Train Stop device)가 1960년대에 보급되었다. 더 나아가 폐색구간별로 열차의 제한속도를 부과해 이를 초과하면 감속을 자동적으로 실행시켜 제한속도를 지키도록 하는 자동열차제어장치(ATC: Automatic Train Control device)가 도카이도 신칸센에 본격 도입돼 운전대의 제한속도 표시와 함께 고속안전운전이 가능하게 되었다. 1990년대 후반에 들어서면 차상에서 속도센서로 자차 위치를 검출함과 동시에 지상에서는 전방 열차와의 거리정보 등을 시리얼 신호로 전송하는 디지털 ATC가 등장했다. 이 방식은 열차 스스로가 전방의 열차 및 정지 위치와의 거리에 근거해 연속적으로 속도제한정보를 얻을 수 있어 대도시의 고밀도 운전구간 및 신칸센에 채용되고 있다. 현재에는 [그림 3]과 같이 각 열차의 위치검출과 제한속도의 지시 모두 무선으로 실시하는 무선식 열차제어시스템 ATACS가 JR 동일본에서 실용화되어 있다.

25년 후의 철도의 모습

발전 방향

지금까지 기술한 내용으로부터 미래의 철도기술이 추구하는 방향을 아래와 같이 생각해볼 수 있다.

- 에너지 절약화

- 피크컷에 의한 전력계통에 미치는 영향 경감
- 설비이용률 및 유지보수성 향상에 의한 경영부담 경감
- 이용객을 위한 편리성 및 쾌적성의 향상

앞으로 100년 후에는 [그림 4]와 같이 에너지 절약화를 통해 자율적인 차량운행이 가능해질 것으로 전망되고 있다. 25년 후에도 그 방향성은 동일할 것으로 보인다.

에너지 절약으로 피크전력이 낮은 철도시스템 구축
철도차량의 운전에 관한 소비에너지의 저감에 있어서 향후 개선의 여지가 남아있는 것이 차량의 경량화와 회생전력의 유효활용이다. 회생전력의 유효활용에서는 무선방식에 의한 열차제어기술을 이용해 에너지절약운전을 실현하는 연구가 기대를 모으고 있다. 축전장치의 응용에 관해서는 지상과 차상 양쪽에 적절하게 축전장치를 배치하여 그 충방전 제어를 적절하게 실시함으로써 필요 최소한의 비용으로 회생전력의 유효활용 및 전력피크컷을 기대할 수 있다. 피크전력 및 소비전력량의 대폭적인 저감을 위해 열차부하에서 궤전, 그리고 운전제어를 포함한 전기철도시스템 전체에서의 최적화가 기대되고 있다. [그림 5]는 일본 지바대학(千葉大學)의 곤도 케이치로(近藤圭一郞) 교수가 제안한 미래의 전기철도시스템이 지향하는 방향 중 하나를 나타낸 것이다. 차량의 부하는 출력변동이 크기 때문에 이를 지상·차상의 축전장치로 평준화하고, 아울러 각부의 손실저감 및 회생에너지의 유효이용에 의해 평균전력이 저감되면 전기철도는 전력계통에서 보아 이상적인 부하가 된다. 이를 위해서는 전술한 기술과 더불어, 비접촉 집전기술에 의해 열차의 부하전력 및 에너지양에 따른 적절한 타이밍에서의 간헐적 급전방법을 확립하는 것이 중요하다.