월간전기



[철도 전력공급설비의 기술 혁신 ③] 고속화를 위한 전차선 기술

2015-09-01

[철도 전력공급설비의 기술 혁신 ③] 고속화를 위한 전차선 기술 전기철도에서는 변전소로부터 궤도 상공에 설치한 전력선(이를 전차선이라 함) 등을 통해 전력을 지상에서 전기차로 공급하고 있다. 전기차는 지붕에 장착한 팬터그래프 등을 전차선에 접동시키면서 전력을 수전하고 있다. 이를 집전이라고 한다. 속도가 높아지면 전차선과 팬터그래프 간의 접촉력 변동이 커진다. 그 결과, 접촉력이 0이 되어 팬터그래프가 전차선에서 떨어지면(이를 이선이라고 함) 아크방전에 의해 집전 부재의 손상 및 소음을 초래하게 된다. 반면 접촉력이 커지면, 전차선의 손괴를 초래할 우려가 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해 전차선과 팬터그래프 간의 접촉상태를 양호하게 유지하는 것이 고속화를 위한 전차선의 중요한 기술적 과제라 할 수 있다. 번역·정리 김대근 기자 전차선의 특성과 그 구성 전차선에 요구되는 특성 전차선의 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 지표 전차선과 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 전차선 신칸센에서는 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) 가선 헤비 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 트롤리선 트롤리선의 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. < Energy News >