[기고] 한국철도 발전사로 본 전기 기술

한국 철도 발전사로 본 전기 기술 1960년대 경제 개발과 근대화 정책에 따라 수도권이 반경 45㎞로 확대됐다. 이에 따른 교통난의 완화와 도심부 인구의 근교 분산, 유입 인구의 억제, 광역도시 개발 등을 위해 수도권 철도 98.6㎞를 전철화했다. 동시에 서울시 지하철 1호선 9.5㎞를 건설해, 공해 없는 도시 철도 교통망을 형성하는 수도권 전철이 1974년 8월 15일 개통됐다. 전기철도는 수송 능력 증강, 국가의 에너지 이용의 효율 증대, 신속성으로 지역의 균형 발전에 기여했다. 또한 안전성, 정시성, 편리성, 친환경성, 대량 수송성 등이 다른 교통 수단에 비해 상대적으로 우수하다. 여객 및 화물을 원활히 운송해 국가 경제 발전에 기여하고, 궁극적으로는 고빈도 운전과 대량 고속 수송으로 품질 높은 교통 서비스를 값싸게 제공함으로써 개개인의 삶의 질을 향상시켰다. 국민들은 지금 전기철도를 교통난과 환경 문제 해결의 유일한 교통 수단으로 새롭게 인식하고 있다. 필자는 본지를 통해 한국 철도 근대화의 역사와 걸어온 발자취, 현재의 현황 등 철도 관련 재미있는 이야기들을 몇 회에 걸쳐 소개하고자 한다. 전기철도의 역사 1879년 5월 31일 독일의 베르너 폰 지멘스(Werner Von Siemens ; 1816∼1892)가 지멘스 운트 할스케(Siemens Und Halske) 회사에서 제작한 DC 125V, Third Rail급전 방식 3HP 직권2극전동기를 사용한 전기기관차를 베를린산업박람회에 출품하여 300미터의 타원형 궤도를 시속 12킬로미터로 일반 여객을 수송한 것이 전철의 효시다. 그후 지멘스가 1881년 베를린 남부 근교 '안하루도구로스-리히테르펠테' 간에 전기철도를 전기기관차로 6인승 3량의 객차를 견인해 승객을 수송하는 영업을 개시한 것이 전기철도 실용화의 최초다. 우리나라의 전기철도는 1899년 9월 18일 인천-노량진 간 33.2킬로미터의 경인선이 개통되기 1년 전인 1898년 1월 18일 고종황제가 독자 출자 설립한 한성전기회사와 미국인 콜브랜(H.Collblen)과 보스트위크(H.D.Hostwick)가 대한제국 황실의 특허를 얻어 남대문-종로-동대문-홍릉 간에 전기철도 건설 및 설치에 대한 계약을 맺고 9월 공사에 착수, 중간에 경인철도 서대문역과 연계시키기 위해 시발점을 서대문역으로 변경하여 단선궤도 부설·가선 공사 및 발전소(75㎾) 등의 설치 공사를 끝내고, 1차로 1899년 5월 4일 오후 3시 직류 600V 가공 전차선 방식의 노면전철 전기철도가 동대문과 흥화문 간(약10㎞) 개통식을 갖고 5월 20일부터 영업 개시를 한 것이 시작이다. 일본인 메타미노스케(久米民之助)는 금강산 관광 수입과 금강산 수력 발전을 목적으로 금강산전기철도주식회사를 설립하여 1921년 8월 1일 증기기관차로 임시 영업, 10월 27일 전기차 시운전 개시, 11월 26일 전기차 영업을 하면서 공사를 추진했다. 1931년 7월 1일 11개월 만에 철원-내금강 간 116.6킬로미터 전 구간을 직류 1500V 가공 전차선 방식으로 개통한 것이 일반 철도 전철의 효시다. 우리나라의 근대화와 전철화 우리나라의 현대적인 전기철도는 경제 성장에 따른 수송량 증가와 서울의 인구 증가에 따른 겨울철 석탄 파동의 해결책으로 개발이 이루어졌다. 1968년 5월 대통령의 산업선 전철화 지시로 1969년 9월 12일 태백선 고한-황지 간 15킬로미터 구간 전철화 공사를 시작했다. 그리고 산업선(중앙선 : 청량리-제천, 태백선 : 제천-철암, 영동선 : 철암-동해)을 유럽 차관단 50C/S 그룹(프랑스, 독일, 영국, 벨지움, 스위스)의 기술 및 자재 지원으로 교류 25KV BT 급전 방식 심플 커티너리 가선 방식의 현대적 전기철도를 건설해 1972년 6월 9일 증산-고한 간 10.7킬로미터 구간 시험선을 완공해 시험운전을 성공리에 시작했다. 1973년 6월 20일 중앙선 청량리-제천 간 155.2킬로미터, 1974년 5월 20일 태백선, 1975년 12월 5일 영동선 개통으로 산업선 전철화 1단계 공사를 완료함에 따라 동해에서 인천까지 직통 화물 수송이 가능해졌다. 전철화의 필요성 철도 주요 간선 수송 능력 증강 및 물류비 절감 전기철도의 수송 능력은 열차별 편성량수와 운전 속도 등을 크게 향상시켰다. 전기차량의 가감 속도 특성과 견인력의 향상으로 속도에 따른 선로 용량이 늘어나 수송 능력이 증강했기 때문이다. 국제 유가 상승에 따라 동력비 부담 증가 전철화 시 동력원이 유류에서 전기로 전환되어 석유에 의존하지 않고 수력이나 원자력 등 비교적 발전 원가가 싼 에너지를 활용할 수 있다. 국내 원자력 발전이 40퍼센트대로 유류 대체 효과와 전기차의 경우 디젤차보다 동력비를 25퍼센트 정도 절감하므로 국가 에너지 자원의 효율적 이용에 크게 기여한다. 환경친화적인 대중교통 수단의 확보 전기철도는 매연이 없고 저소음, 저진동으로 환경 오염이 거의 없는 쾌적한 교통수단이다. 환경친화적인 대중교통수단으로 타 수송 수단과 대기 오염을 비교해 보면, 전기철도를 기준으로 자동차는 8.3배, 트럭은 30배 정도의 대기 오염을 배출하고 있어 환경 보존을 위한 최적의 교통수단이다. 운용 효율 향상 및 수송 서비스 개선 전기기관차는 내구 연한이 디젤기관차의 2배로 급유·급수가 필요 없어 회차율이 높다. 또한 유지 보수가 간편하며 속도 향상 및 운행 시간 단축으로 선로 용량 증대에 따른 고빈도 열차 운행이 가능하며, 운용 효율의 향상으로 쾌적한 교통 수단 제공과 수송 서비스를 개선할 수 있다. 수도권 전철과 지하철 탄생 수도권 도시 교통량 완화와 도심지 인구의 근교 분산을 목적으로 한 수도권 전철화는 1971년 4월 7일 인천공설운동장에서 기공식을 갖고 공사에 착수했다. 경인선(구로-인천) 38.9킬로미터, 경부선(서울-수원) 41.5킬로미터, 경원선(용산-성북) 18.2킬로미터 등 98.6킬로미터와 서울시 지하철 1호선(서울-청량리) 9.5킬로미터를 일본해외기술협력회(JART)의 기술 지원을 받아 교류 25㎸ AT 급전 방식에 전차선 가선 방식은 심플 커티너리 방식과 헤비 심플 커티너리 방식으로 가설하고, 지하철은 직류 1,500V 급전 방식과 T-Bar 강체가선 방식으로 가설하여 1974년 8월 15일에 성공적으로 개통했다. 그후 교류 25㎸ AT 급전 방식은 국철의 표준으로, 직류 1,500V 급전 방식은 지하철의 표준으로 결정했는데 그 이유는 도심지의 지하통신선에 대한 유도 대책을 위해서다. 서울시에서는 지하철 1호선 개통 이후 2, 3, 4호선을 건설하고, 2기 지하철 5, 6, 7, 8, 9호선을 건설하면서 T-Bar 강체가선 방식을 채택하고 있다. 전철 개통 당시 전동차(전체 123량) 운행 횟수가 1일 215회였으나, 2005년 현재 7개 노선에(1,841량) 2,051회로 크게 늘어났다. 향후 수도권 전철이 확대(청량리-덕소 간 2005. 12. 16 개통 예정)됨에 따라 운행 횟수는 더욱 늘어날 전망이다. 고속철도시대 개막 경제 규모가 커지고 산업이 고도화될수록 국가 간, 도시 간, 여객 및 화물 이동 등의 대량 수송이 가능한 고속 운송 수단을 필요로 한다. 특히 여객 수송의 경우에는 쾌적함과 안정성, 신속성 등을 요구하는 것이 세계적인 추세다. 여기에 부응하고자 기존 전기철도 시스템에 신기술을 적용한 프랑스의 TGV, 독일의 ICE, 일본의 신간선 등이 현재 시속 300킬로미터 이상의 고속철도차량을 개발하여 전 세계 고속철도 시장에서 선도적인 위치를 확보하고 있다. 이들 국가는 고급 교통 수요를 충족시키기 위하여 자기부상열차 및 경전철 등 첨단 기술에도 전력을 경주하고 있다. 선진국들은 시속 300킬로미터 이상의 중장거리 도시 간을 운행하는 철도의 고속화를 1960년대부터 추진해 왔다. 1970년대의 유류 파동과 갈수록 관심이 높아지는 환경 문제로 고속화는 물론 경량화와 에너지 절약에 대한 연구를 한층 가속화하고 있다. 또한 각국의 지형과 실정에 맞는 고속철도를 자체 개발하는 데 많은 노력을 기울이고 있다. 한국의 고속철도 한국은 80년대 이후 여객·화물 물동량에 비하여 교통 시설이 크게 부족하고, 물류비가 매년 15퍼센트씩 증가하고 있다. 그뿐만 아니라 경부선에 우리나라 인구의 2/3가 집중되어 경부축의 교통 및 물류난을 해결해야 할 과제로 떠올랐다. 이에 따라 1981년 6월 경부축의 수송 문제와 물류 수송 체계 개선을 위한 노력으로, 서울-대전 간 고속전철 건설 계획이 최초 수립됐다. 1983년 3월 경부고속전철 타당성 조사를 거쳐, 1989년 5월 경부고속철도 건설 추진 방침에 대한 대통령의 결정 이후 고속전철의 기술 조사 및 기본 설계가 시작됐다. 1990년 6월 서울-천안-대전-대구-경주-부산 간을 연결하는 426.2킬로미터를 최고 속도 300킬로미터로 운행 예정으로 시험선 구간인 천안-대전 간 57킬로미터를 우선 시공했다. 사업 착공 후 막대한 재원의 소요와 노선 선정 등의 문제점이 지적되어 정부에서는 1998년 사업비 절감 및 조기 개통 대안을 마련했다. 우선 1단계 구간인 서울-대구 구 간은 고속 신선으로 건설하고, 대구-부산 및 대전-목포 간은 기존 경부선과 호남선을 전철화하는 것으로 계획을 수정했다. 오랜 건설 기간을 거쳐 2003년 11월 서울-부산 전 구간 시험운전 성공 후 약 4개월에 걸친 시운전을 완료했다. 호남선은 경부고속철도 1단계 개통에 맞추어 전철화함으로써 고속열차를 직결 운행했다. 이는 호남지역에 고속열차 서비스 제공과 지역 균형 발전을 도모하고, 고속열차 운영 효율을 극대화하기 위하여 추진됐다. 특히 호남선은 짧은 공사기간임에도 불구하고 전기철도 기술자들의 피땀으로 2004년 3월 고속열차 시운전을 완료하고, 2004년 4월 1일 프랑스, 독일, 일본, 스페인에 이어 세계에서 다섯 번째로 역사적인 고속철도를 개통했다. 경부고속철도는 1단계 구간 개통으로 서울-부산 간 운행시간을 현재 4시간 10분에서 2시간 30분대로, 호남선은 서울-목포 간을 현재 4시간 50분에서 2시간 58분대로 크게 단축하여, 이 땅에 교통 혁명을 일으켰다. 나머지 구간인 대구-경주-울산-부산 간은 2010년에 개통 예정이며 소요 시간은 1시간 54분이다. 급전 방식 한전변전소에서 154㎸ 3상 2회선을 수전하여 철도변전소에서 단상 55㎸로 변압하고, 단권변압기를 통하여 전 차선에 단상 25㎸ 전력을 공급하는 AT 방식으로 건설했다. 신선 구간은 5개의 전철변전소를 시설했으며 6개의 급전구분소를 설치하여 병렬급전 및 연장급전을 담당하고, 또 13개의 병렬급전소를 두어 이상 시 급전구간 분리가 가능하도록 했다. 고속선 변전설비의 급단전 운용은 2개의 지역사령을 경유하여 광명사령실에서 원격으로 급단전 조작과 감시를 하고 있다. 전차 선로 고속선 구간은 기존 산업선 및 수도권과 같이 심플 커티너리 가선 방식을 채용하고 있으며, 이상 전압으로부터 기기 및 인축 보호를 위하여 대지와 공동접지 방식을 채용했다. 전차선 높이는 5,080밀리미터로 최대 5,120밀리미터, 최저 5,060밀리미터 좌우 편위 200밀리미터의 지그재그 방식으로 설치하여 팬터그래프(이하 판타) 습동판이 균일하게 마모되도록 했으며, 초당 50미터의 순간 최대 풍속에도 견디도록 시설했다. 전력 설비 배전 선로 저압선로 변압기 등의 모든 전기 설비는 2중으로 설치하고 정전 시에도 전기 공급이 원활하게 이루어지도록 시스템을 구축했다. 전력 설비를 원격 제어 및 감시하도록 광명종합사령실에 원격 감시 설비를 구축하여 안정적인 전력계통 운영시스템을 갖추었다. 차량 설비 2004년 개통된 고속철도는 20량 1개 열차 기준으로 운행되고 있으며 1,130㎾급의 동기전동기 12대를 탑재하고 최대출력 13,560㎾, 최고 상업 속도 300㎞/h로 관절형 대차를 사용하고 있다. 열차 제어는 사이리스트(Thyristor) 제어 방식이며 회생, 발전, 공기 제동을 병행 사용하고 있다. 통신 설비 고속철도 차량에 정확한 전보를 전달하기 위한 디지털 전송 설비, 열차 운행 정보 교환을 위한 열차 무선 설비, 안내 설비, 승차권 예약·판매 및 자동집계를 위한 역무용 통설비 등으로 구성되어 있다. 전송망 설비는 고속철도 운영과 유지·보수에 필요한 음성 데이터, 영상 등의 각종정보를 역·기지 및 각종 기계실 간에 상호 전송할 수 있는 2.5Gbps 광전송 디지털 다중 통신 시스템과 그 부대 설비로 구성되어 있다. 시속 300킬로미터 이상으로 주행하는 고속열차와 사령·역 및 시설물 유지 보수자 간에 통신을 제공하는 열차 무선 설비는 인근 역과의 통화만이 가능한 기존 철도의 무선 시스템과 달리 터널 난청 해소 설비와 중계 기지국을 중앙 제어 장치로 연결하여 고속철도 전구간에서 통신이 가능하며 그룹, 개별, 전체 비상통화 등 다양한 기능을 가지고 있다. 특히 고속열차 운행 중 고장 정보를 사령실로 전송하는 데이터 통신 채널을 확보하여 고속철도 운행의 안정성을 확보했다. 신호 설비 고속 신선 구간의 신호 설비는 열차 운전의 안전성과 운행 효율을 증대시키기 위해 열차 자동 제어 장치(ATC), 연동 장치(IXL), 열차 집중 제어 장치(CTC)를 설치했다. 1초당 83.3미터를 주행하는 고속열차 안에서 선로변의 신호기를 기관사가 육안으로 식별하기는 거의 불가능한 실정이다. 이에 따라 운전실에서 지시 속도를 현시하는 장치가 필요하게 되었고, 이 지시 속도는 항상 연속적으로 운전실에 나타나서 기관사에게 운행 속도를 알려주어 적절하게 운전할 수 있도록 안전 장치가 설치되어 있다. 기술인 양성만이 기술 선진국진입 앞당겨 구한말 근대화 과정에서 경인선 노량진-제물포 간의 33.2킬로미터 개통 이후 105년 만에 고속철도가 다니기까지 전기철도는 급속도로 성장하는 한국의 산업 사회에서 없어서는 안 될 정도로 양과 질적으로 엄청나게 성장했다. 고속철도는 외국 기술에 의존하여 완공했지만, 이젠 순수 국내 기술로 더 발전시킬 수 있는 기술 역량을 키워 나가야 한다. 현재 세계는 기술로 모든 것을 말해 주듯이 기술 발전 없이는 선진국 진입은 요원하다. 우리는 말로만 기술 선진국으로 진입하자고 했지, 실제 선진 기술을 위한 기초 인력 양성에는 등한시하고 있다. 현재 국내에 공고와 공대의 전기 관련 학과가 폐지 또는 전과가 되는 실정이다. 정말 큰 문제가 아닐 수 없다. 이웃 중국은 정부의 장관급 고위 관료가 기술자 출신으로 채워져 정책적으로 기술을 키우고 있으며, 일본은 옛날부터 '기술은 곧 국력이다'라는 근본 원칙을 세우고 기술로 세계를 이끌고 있다. 우리처럼 고급 두뇌의 대학생들이 전기 기술 등의 기초 학문을 꺼리고, 거의가 사법고시나 비 기술직을 향하고 있으면, 언제 누가 선진 기술을 이끌 것인가? 기초 과학 등이 부실하고서는 절대로 선진국에 도달할 수 없다는 것은 이미 서구 선진국들이 증명했다. 지금이라도 한국의 미래를 기술로 걸고 인력 양성에 힘을 써야 한다.