[전기철도, 더 빠르게 더 스마트하게 ①] 고속화의 원천, 철도의 전력 공급 시스템

기사 분류 > 특집/기획

[전기철도, 더 빠르게 더 스마트하게 ①] 고속화의 원천, 철도의 전력 공급 시스템

2013년 2월 28일 (목) 16:19:08 | 지면 발행 ( 2013년 2월호 - 전체 보기 )

전기를 동력으로 하는 전기철도電氣鐵道(Electric railway)는 도심과 산악 지대, 고속철도에 많이 채용되고 있으며선진국에서운행 횟수가많은 주요 철도는 전기 운전이 원칙이다. 전기철도 차량의 안정적인 운행을 위해서는차량, 운행, 궤도, 신호, 통신전력 시스템의 통합적인 운용과 우수하고 충분한 전력 에너지를 공급해야하는데 철도 선진국 일본의 전기 철도 설비시스템을 예로 들어 전기철도의 특징을 알아본다.

정리 유미희 기자

전기철도의 장점은 일반 디젤 차량에 비해 ▲수송 능력 및 속도 향상 ▲에너지 이용 효율성 증대 ▲수송 원가 절감 ▲환경 및 공해 문제 해결 ▲지역의 균형 발전 등이 있다.
철도 선진국 일본은 제2차 세계대전 전에 완성된 혼슈와 규슈 사이의 간몬 해저 터널을 시작으로, 혼슈와 홋카이도를 연결하는 세계 최장의 세이칸 해저 터널(53.8㎞)과 혼슈와 시코쿠를 연결한 15㎞의 세토대교가 개통돼 4개의 섬을 연결하는 철도 교통망이 완성됐다.

경량화 및 높은 출력이 장점
전기철도의 전력 공급 방식의 종류에는 직류식, 교류식(단상 또는 3상 교류), 가공선식, 제3궤조식, 제4궤조식, 암거식, 표면 접촉식 등이 있다. 가공가선 또는 공중가선 방식은 차량 위쪽에 매달아 놓은 급전선(혹은 전차선) 또는 강체가선 등의 설비를 통한 수전 장치들을 뜻한다. 가공가선 또는 공중가선방식의 집전 장치는 대개 접촉부와 차량 간의 변위를 감당하기 위한 가동부로 나뉘며, 팬터그래프, 뷔겔, 집전봉 등이 이에 해당한다.
제3궤조 방식은 차륜이 올라간 궤도 2개 이외에 별도의 세 번째 급전용 궤도를 설치하고, 여기에 집전 슈를 접촉해 급전 받는 방식이다. 급전용 궤도는 차륜 가운데, 차륜용 궤도 옆, 차량 옆 등 다양한 위치에 설치된다. 독일 지멘스가 1879년에 고안한 전기철도에서 처음 사용됐다.
제3궤조의 변형인 제4궤조 방식은 급전 궤조 외에 귀전 궤조를 둔 방식으로 런던 지하철만의 고유방식이다. 급전 측에는 +420V의 직류를, 귀전 측인 제4궤조에는 -210V의 직류를 인가해, 총 630V의 전력을 급전한다.
전력 공급 시스템은 대전력의 단상 교류 또는 직류 부하에 있어 역행·정지를 반복하는 간헐 부하, 고속으로 이동하는 부하에 연속적으로 대전력을 공급하는 것 등을 들 수 있다. 또한 전기철도가 내포한 고유의 특유한 문제를 해결하기 위해 다양한 전력 전자 기술과 전력 기기 기술 등이 응용되고 있다.
전기철도는 동력 효율이 높은 발전소를 전원으로 운전하기에 송전 효율, 변전 효율, 전기 차량 효율, 궤전 효율 등을 적산한 종합 효율은 디젤 운전의 종합 효율에 비해 우수하다. 또한 디젤 철도는 동력 발생 장치와 연료를 탑재하기에 차량 중량이 증가하는 데 비해 전기철도는 전원이나 연료를 적재할 필요 없이 전기를 기계 동력으로 전환하는 장치만을 탑재해 차량 경량화 및 차체 중량을 낮춰 출력을 높일 수 있다. 이에 초고속 운전에서는 전기 에너지 방식이 원칙이다. 아울러 녹색 운송 수단으로 꼽히는 전기철도는 주행 중에 매연과 배출 가스를 발생하지 않아 대기를 오염시키지 않는 것 또한 장점이다.

전기철도의 집전장치集電裝置

외부로부터 전기철도에 전력을 공급하기 위한 장치로, 크게 팬터그래프, 뷔겔, 집전봉, 제3궤조 등의 방식이 있다. 팬터그래프 방식이 가장 많이 이용되기에 종종'집전장치=팬터그래프'로 혼용한다. 팬터그래프는 크게 더블암Double-arm과 싱글암Single-arm 방식으로 나누는데 더블암식 팬터그래프는, 마름모꼴의 링크 구조를 가진 전통적인 구조를 띤다. 우리나라는 거의 모든 전동차에 이 방식의 팬터그래프가 채택돼 있으며 예외로 KTX에는 기본으로 싱글암식 팬터그래프를 사용하고 있다. 싱글암식 팬터그래프는, 다리처럼 생긴 하나의 관절 구조만을 가진, 더블암에서 반쪽이 잘린 형태로 외관상 구분된다. 공기 저항이 적고, 경량이며, 가선 높이에 다양하게 대응할 수 있다는 점이 최근에 크게 어필해, 유럽계 고속철도에서는 기본형으로 쓰인다. 다만, 가선 상태가 열악한 경우나, 가선 장력이 약화돼 가선이 늘어져 있는 경우에는 팬터그래프의 파손이나 이선 현상이 발생할 수 있어 시설물 관리에 엄격함이 요구된다.

반면에 단점은, 차량에 동력 발생 장치를 탑재하지 않은 대신 급전을 위한 지상 시설이 필요하므로 고가의 설비 투자를 요하며 열차 횟수가 적은 구간에는 채산이 맞지 않는다. 따라서 열차 사용 빈도가 높은 구간과 터널이 많은 구간에 채용한다.

전기철도의 전기 방식
전기철도의 전기 방식은 직류와 교류 방식으로 구분되며 직류 방식은 전압별로, 교류 방식은 상별, 주파수별, 전압별로 분류된다. 자치 단체의 도시에는 수송 밀도와 터널, 지하 구간 등을 고려해 직류방식이 사용되며 도시와 도시를 잇는 장거리 철도청 구간에는 대부분 교류 방식이 사용된다.
JR(Japan Railways) 재래선은 고속철도 규격이 아닌 노선을 뜻하며 일본의 고속철도 신칸센을 제외하면 모두 재래선이다. 철도 전력 공급 전압의 레벨로는 칸토코신에츠 중부·호쿠리쿠 관서 중국·시코쿠 지방의 JR 재래선에서 많이 볼 수 있는 직류 1.5㎸, 그 외의 지방선에서 많이 볼 수 있는 단상 교류 20㎸와 신칸센의 단상 교류 25㎸등이 있다.
일반적으로 직류 급전은 원거리 송전이 어려워 단거리인 지하철 구간 등에 활용한다. 단거리 구간은 유지보수 비용이 저렴하고 통신선에 유도 장애가 없으며 절연이 용이하다. 또한 터널을 이용하는 지하철은 높은 습도로 누전의 위험성이 크기에 교류 전류 사용 시 차량이나 변전소 등의 시설 관리 비용이 높아져 교류 사용에는 제약이 따른다.
교류 급전은 집전이 용이해 고속 운전이 가능하며 점착 성능이 우수하다. 또한 사고 시 급전 차단이 확실하다. 아울러 교류는 변압기를 사용해 쉽게 전압을 바꿀 수 있으므로 1500~3000V를 가진 직류전기의 약 10배 높은 고압이 이용돼 송전 손실이 적고 변전소 간격을 길게 할 수 있어 장거리 운행 고속철도나 산업선 전철에 적합하다. 그러나 전압이 높아 절연비가 고가이며 인접 통신 선로에 대한 유도 장애가 발생한다.

직류 급전의 특징적인 기술
<그림 1>은 직류 급전 회로의 개요이다. 직류 철도는 전압이 낮고 전류가 크기에 전압 강하를 줄이기 위해 전차선과 병행해 급전선을 설치하고 이 급전선은 변전소들과 병렬로 접속한다. 변전소 간격은 도시 지역일 경우 3~5㎞가 일반적이고 한산선閑散線구간에는 10㎞ 이상인 경우도 있다. 직류 전기철도에는 배전 전압 1.5㎸으로부터 부하 전류가 커져 열차 1편성당 전류치는 최대 3㎄ 정도이며 아침 러시아워 시간의 도시 지역 변전소 전류치는 1회선당 10㎄에 미치는 경우도 있다. 이러한 저전압 대전류의 전력 공급은 직류 전기철도의 특징적인 기술 중 하나이다.
특히 직류 전류는 통전通電에 따라 전압 강하가 크고 회생 브레이크 시에는 전압이 상승하는 문제가 있다. 이러한 문제 해결을 위해 전력 저장 장치나 PWM 컨버터의 직류 급전 적용이 검토되고 있다.
예를 들어 직류 배전소에서 상하선의 기점 방면 및 종점 방면으로 총 합계 4회선의 배전 회로를 설치해 각각의 회선을 독립 차단하도록 직류 차단기를 설치한다. 이 직류 차단기는 10㎄ 정도의 부하 전류를 허용하면서 50~100㎄로 추정되는 사고 전류를 얼마나 신속하게 차단할지가 과제일 정도로 철도 전력 설비 중에서도 가장 어려운 기술이다.

교류 급전의 BT 궤전과 AT 궤전
전기철도는 궤도의 위치, 전력 급전 방식, 전차선가선 방식 등에 따라 종류를 분류하는데 전력 급전방식에 따라서는 산업선의 BT(Booster Transformer) 방식과 수도권 전철의 AT(Auto Transformer, 단권변압기) 방식의 교류 급전 방식과 지하철의 직류 방식이 있다. BT 궤전 방식은 초기 신칸센을 비롯한 국유 철도의 교류 전기 구간에서 널리 사용됐지만 이보다 장점이 많은 AT 궤전방식으로 바뀌어 도입됐다.

<그림 2>에는 AT 궤전 회로의 개요를 나타냈다. AT 궤전은 1차 권선과 2차 코일이 공유되는 부분에 있는 변압기를 말한다. 전력 회사로부터 3상 교류에 수전되는 전력은 변형 우드브리지 결선 변압기 및 3상 전력을 2상 전력으로 변환하기 위한 스콧 결선 변압기를 이용해 단상 교류로 변환한다.
교류 급전의 경우에는 변전소와 변전소 중간의 급전 구분소에 이상 섹션(Different Phase Section)을 설치한다. 변전소 사이마다 설치된 급전 구분소의 기능은 전차 선로의 전압 강하를 경감하고 평균화하며 전차 선로의 고장 검출을 용이하게 하고 사고구간을 한정해 구분한다. 또한 사고 및 복구 시 급전 정지 구간을 축소시키고 작업을 용이하게 한다.
급전 구분소에는 고속도 차단기가 있고 평상시에는 차단돼 있다. 교류 전화 구간은 변전소 사이에서 전압의 위상이 다르기에 이 위상의 차이를 전차선으로 구분하기 위한 이상 섹션은 설비 FRP(섬유강화 플라스틱) 섹션에 의해 전기적으로 구분된다. 아울러 신칸센에는 1㎞ 정도 구간의 열차 통과에 따라 개폐기를 On/Off 할 수 있는 전원 전환 방식이 채용되고있다.

고속화를 위한 전기 시스템
초기의 고속 기록은 3상의 배전선과 집전기(팬터그래프Pantagraph, 전차선과 직접 닿아 견인 전동기에 전기를 공급하는 전기 설비)로써 달성했다. 그러나 이 방식은 기계 설비가 크고 복잡해 잦은 문제가 발생됐다. 이에 전기철도에서는 레일의 저항을 될 수 있는 한 작게 하는 방식의 철도 전기 시스템을 구성하게 됐다. 당시의 기술적 제약 중 정류자 모터를 이용한 가변속 구동을 실시하는 것으로부터 단상 교류 15㎸, 15(2/3)㎐로 철도 고유의 기술적 전력 시스템이 탄생돼 20세기 초반까지 정착해 인계되는 이 전차선 1개로 송전하는 방식의 탄생은 제2의 이노베이션Innovation이라고 말할 수 있다.

*

세계 전체 철도 영업 거리의 약 20%가 전기철도로 채용되고 있다. 스위스, 네덜란드 등 유럽 일부 국가들이 90%, 독일, 러시아, 일본 등이 50%를 넘어 전기철도 비중이 높다. 이와 대조적으로 아시아·태평양 지역은 전체 철도 영업 거리 중 전기철도 영업 비중이 30%를 차지해 상대적으로 저조한 편이다. 한국·중국은 2000년 들어 전기철도 비율을 급속히 올리고 있다. 특히 스위스는 전기 비용이 저렴해 전 철도 노선이 전기철도로 변모했으며 러시아 대륙을 횡단하는 시베리아 철도는 전기철도를 사용한다. 그러나 미국이나 호주의 대륙을 횡단하는 철도는 전기를 사용하지 않는 철도 구간이 대부분이다.