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가공전차선

last modified: 2015-04-10 15:53:22 by Contributors

架空電車線
Overhead line

철도, 트램, 트롤리버스같은 차량에 전기를 공급하기 위해 공중에 설치한 전기선. 또는 그 구조물의 총칭. 카테너리, 전차선, 트롤리선 등의 명칭으로 불러지기도 한다.

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스위스 연방 철도의 카테너리 가공전차선. Puidoux, Canton of Vaud 부근. 출처
(ɔ) Kabelleger / David Gubler (http://www.bahnbilder.ch) from
스위스 외틀리베르크 선의 가공강체가선. 한 선로에 가공강체가선 두 가닥이 붙어있다. 왼쪽은 직류 1200V를 사용하는 외틀리베르크사의 가선이고, 오른쪽은 교류 15000V를 사용하는 Sihltal사의 가선이다. 이 선로에서 집전을 위해 팬터그래프가 한쪽에 치우친 형태로(asymmetrically) 가선에 닿는다고 한다. 출처

Contents

1. 개요
2. 특징
2.1. 장점
2.2. 단점
3. 종류
3.1. 직접조가방식
3.2. 카테너리 조가방식
3.2.1. 심플카테너리식
3.2.2. 트윈심플카테너리식
3.2.3. 더블메신저 심플카테너리식
3.2.4. 컴파운드 카테너리식
3.3. 궤전조가선 방식
3.4. 가공강체가선방식
3.4.1. T-Bar식
3.4.2. R-Bar식
4. 관련 항목
5. 참고문헌


1. 개요

전기를 사용하는 철도차량 또는 기타 교통수단 중에서 배터리가 아니라 외부에서 전기를 공급받아 움직이는 차량은 어떤 형태로든지 급전과 집전을 위한 설비가 필요하게 된다. 가공전차선은 이를 위한 설비 중 하나로, 지지대에 의해 공중에 떠 있는 전기선 또는 가선[1]을 통해 전기를 공급하는 설비 및 급전방식이다. 차량은 터그래프, , 롤리 폴 등의 집전장치를 이용해 여기서 동력에 필요한 전기를 공급받는다.

일반적으로 가공전차선은 한가닥의 전선으로 구성되어 있다. 그런데 전기는 기본적으로 급전과 귀전이라는 두가닥의 선로를 필요로 한다. 가공전차선에서 전기를 공급받는 차량은 가공전차선에서 급전받고, 바퀴를 통해 선로에 전기를 흘러보내 귀전시킨다. 다만 이것은 일반적인 가공전차선 열차의 경우로, 귀전을 위해 별도의 가공전차선을 하나 더 설치하는 형태의 가공전차선도 존재한다. 대표적인 것이 트롤리버스의 경우로, 트롤리버스는 도로노상을 고무바퀴로 다니기 때문에 귀전을 위한 별도의 가선을 설치해야 한다.

차량을 움직이는 동력의 공급원으로 사용되므로 일반적으론 높은 전압이 흐른다. 일반적인 철도에서는 교류 25000V가 흐르며, 직류를 사용하는 지하철이라고 하더라도 1500V가 흐른다. 트램의 경우는 안전을 위해 더 낮은 전압을 사용하지만 그래도 최소가 600V다. 전차선은 절대 만지려고도 하지 말자.

2. 특징

가공전차선의 특징은 전차선이 공중에 떠 있는 것이다. 제3궤조집전식이 선로 옆에 설치되어 있거나 선로에서 약간 떠있는 반면, 이 방식은 지지대에 의해 아예 공중에 떠 있는 가선을 통해 열차에 전기를 공급한다.

2.1. 장점

이 방식의 장점은 다음과 같다.

  • 높은 전압을 사용할 수 있다.
제3궤조집전식이 특성상 높은 전압을 사용할 수 없지만, 가공전차선은 공중에 떨어져 있어서 안전문제가 적어 높다. 따라서 높은 전압을 사용할 수 있으며, 고성능 열차의 사용을 가능하게 만든다.

  • 철도의 고속주행을 가능하게 한다.
상술한 높은전압 사용이 가능한 점에 더해, 가선방식의 특성상 집전장치에 가해지는 충격이 적어서 고속주행이 가능하다. 제3궤조집전식은 집전장치에 걸리는 충격 때문에 고속운전은 제한된다. 다만 가공전차선의 형태에 따라 고속운전이 불가능한 경우도 존재한다. 직접조가방식을 비롯한 간이 전철화의 경우는 조가방식 특성에서 비롯되는 제약때문에, 가공강체가선은 제3궤조와 마찬가지로 강체(쇠막대)형태로 이루어져 있기 때문에 고속운전에 제약이 있다.

  • 접촉, 침수로 인한 감전사고 및 합선사고가 적다.
제3궤조집전식이 전기사고 위험이 높은반면, 가공전차선 방식은 의도적이거나 정말로 불의의 사고가 아닌이상 전기사고가 발생할 확률이 낮다. 침수가 되더라도 전차선이 공중에 있으니 이로 인해 감전될 확률은 낮은편.

이 외에 잘 알고 계신분이 추가바람

2.2. 단점

  • 차량 상부 전차선이 존재하므로 차량, 구조물에 높이로 인한 제약이 존재한다.
차량 상부에 전차선이 존재하는데, 전기의 특성상 절연을 위해 구조물과 이격거리를 설정해야 한다. 이는 터널에서 굴착 단면적을 늘리는 요소이며, 어떤 구조물이 가공전차선 위를 지나갈 경우 전차선을 단전시키거나 구조물을 충분히 높게 설정해야한다. 열차의 경우도 공간에 제약을 받는 경우가 생긴다. 예를 들어, 전차선이 없어서 차량한계가 높은 노선의 열차가 전차선 때문에 차량한계가 낮은 노선으로 갈 경우 통행이 불가능한 경우도 있다.

  • 별도의 지지대 구조물을 필요로 한다.
어떤 급전방식이든 구조물은 필요로 하지만, 가공전차선은 공중에 띄우는 구조물이므로 크고 아름다운 지지대를 필요로 한다. 따라서 구조물에 수반되는 비용이 크다. 또한, 이런 구조물 때문에 선로구조물이 복잡해져 도시의 미관을 해친다는 민원을 만들기도 한다.

  • 철도교차로에서 높이제한이 발생하며,사고가 발생할 수 있다.
가공전차선 때문에 철도교차로에서는 높이제한이 발생하는데, 이 때문에 통행이 불가능한 차량도 생기며 가끔 이 차량들이 이 높이제한을 무시하고 가다가(...) 사고가 발생할 수도 있다. 공업지역에서는 높이가 큰 화물차량이 자주다니므로 문제가 발생할 가능성이 큰데, 이 때문에 대불역 인근의 선로의 경우 특이한 전차선을 사용하고 있다.

  • 강풍, 낙뢰에 민감하다.
전선으로 이루어진 구조물의 특성상, 강풍에 흔들리기 쉬우며, 강풍이 불 경우 가선이 흔들려 운행불능이 될 수도 있다. 또 낙뢰로 인해 가선에 번개가 칠 경우 과전류로 인해 운행불능이 될 수도 있다.

  • 관리가 번거롭다.(=관리비가 높다.)
선이라는 특성상 항상 장력관리, 가선마모 등의 상태를 점검해야하고 이러한 관리가 잘 안될 경우 사고가 발생하기 쉽다. 따라서 관리를 자주해줘야 하고, 이는 높은 관리비로 직결된다. 가공강체가선은 강체라는 특성상 이 점에서 약간 유리하다.

3. 종류

가공전차선은 전차선의 종류나 전차선을 현수하는 방식(조가방식)에 따라 여러가지 종류로 나뉜다.

3.1. 직접조가방식

직접조가방식의 예. 삿포로시전차 야마하나선의 모습. 출처
직접조가방식은 가선없이 지지대에 절연장치만 부착한채 바로 전선을 조가하는 방식이다. 굉장히 싸지만 그만큼 전차선이 수평과는 거리가 멀어, 낼 수 있는 속도가 낮다. 최고속도 50km/h 이하로 다닐 수 있으며, 이선현상[2]을 최소화한 경우에는 85km/h로 다닐 수 있다.

일반적으로 트램, 트롤리버스에서 사용하고 일반철도선로에서는 잘 사용하지 않는다. 일반철도선로에서 사용하는 경우는 운전밀도가 낮고 고속으로 운전할 필요가 없는 선로에서만 사용된다. 한국에서는 초기의 경성전차가 이 방식으로 전선이 조가된 것으로 보인다.

3.2. 카테너리 조가방식

가장 일반적으로 볼 수 있는 가공전차선 방식으로, 가선으로 이루어진 구조물로 급전한다. 직접조가방식보다 전차선의 형태를 안정시킬 수 있고 전선의 특성상 집전장치에 부담이 적게 걸리므로 고속으로 열차를 운행시킬 수 있다. 카테너리 조가방식은 형태에 따라 또 여러가지 종류로 나눠지는데, 각각의 조가방식에 따라 열차가 운행할 수 있는 최고속도가 달라지기도 한다. 보통 고속운전에서 사용가능한 조가방식으로 갈 수록 가선의 크기와 구조가 크고 아름다운 모습이다.

이 방식은 가선을 이용하므로 다른 방식보다 더 높은 구조물이나 터널단면적을 요구하게 된다. 따라서 가공강체가선을 사용하기 어려운 고속열차의 경우 터널에서도 카테너리 조가방식을 써야하므로 더 높은 단면적을 사용해야한다. 대강 130~150km/h 이상으로 주행하는 열차가 있는 선로의 경우 카테너리방식으로만 조가하는 것이 추천된다.

3.2.1. 심플카테너리식

© Toshinori baba (cc-by-sa-3.0) from
심플카테너리 가선의 예. A는 애자 등의 절연장치, B는 조가선, C는 행거선, D는 전선. 출처 심플카테너리 가선의 모습. 사진은 도큐 오이마치선. 직류 1500V 사용. 출처
가장 많이 이용되는 카테너리 조가방식으로, 터그래프가 접촉하는 전선(또는 트롤리선)부분을 행거선이라 부르는 금속재질의 선이 조가하는 형태로 되어있다. 행거선의 간격은 5m로 되어 있으며, 이 조가방식에서 열차속도는 100km/h로 제한된다. 한편, 심플카테너리식이지만 특별히 가선을 굵게하고 장력을 높인 '헤비 심플카테너리식'이라는 조가방식도 있다. 이 방식은 유지보수빈도를 줄일 수 있고, 제한속도를 130km/h로 높일 수 있어서 열차의 속도와 빈도가 그렇게 크고 빈번하지 않지만 어느정도는 유지해야하는 지방간선 등에 사용된다.
가선의 재질은 행거 등의 조가선의 경우 아연도금선을, 전선부분은 홈을 판 경동선을 사용한다.

위의 경우는 일본의 경우로 대한민국의 경우 부산 지하철의 지하구간과 서울 도시철도공사소속의 지상구간(기지 제외)을 제외한 모든 지상구간의 경우 심플 카테너리와 헤비심플 카테너리방식을 사용하고 있다.

3.2.2. 트윈심플카테너리식

© Toshinori baba (cc-by-sa-3.0) from
트윈심플카테너리식의 예. A는 조가선, B는 애자 등의 절연장치, C는 행거선, D는 전선. 출처 케이오선의 트윈심플카테너리. 사용전압 직류 1500V. 출처
심플카테너리 두개를 늘어놓은 조가방식. 듀얼 또는 더블 심플카테너리라고도 불린다. 두 가선과의 간격을 약 100mm 정도로 잡고 가선을 병설한 형태를 하고 있다. 이 방식은 심플카테너리와 형태는 같지만 전선에 걸리는 부하를 줄일 수 있으므로 운전밀도가 빽빽한 대도시노선이나 간선에 사용된다. 이 가선에서 낼 수 있는 최고속도는 140km/h.

대한민국에서는 서울 도시철도공사의 지상구간에서 쓰여지고 있다.

3.2.3. 더블메신저 심플카테너리식

더블메신저 심플카테너리식의 모습. 메이테츠 공항선, 직류 1500V 출처
심플카테너리의 조가선을 두 줄로 한 방식. 바람에 의한 흔들림을 줄일 수 있어서 강풍이 자주 불 것으로 예상되는 선구나 지지대 간격을 넓게 해야할 때 사용한다.

3.2.4. 컴파운드 카테너리식

© Toshinori baba (cc-by-sa-3.0) from
컴파운드 카테너리의 예. A는 조가선 지지점 및 애자 등의 절연장치, B 조가선, C 드롭퍼선, D 보조조가선, E 행거선, F 전선. 출처 컴파운드 카테너리의 모습. JR 고베선, 사용전압 직류 1500V 출처
심플카테너리보다 좀더 복잡한 카테너리로, 전차선을 더욱 균질적인 수평을 유지하고 팬터그래프의 압상력[3]을 평균화시킨 카테너리 조가방식이다. 심플카테너리와 달리 조가선과 전선 사이에 추가적으로 보조조가선이 들어간다. 구조는 위의 그림에 나와있듯, 조가선이 지지대와 연결되어있고, 조가선에 연결된 드롭퍼선(Dropper선, 10m 간격으로 설치)이 보조조가선을 현수한다. 그리고 보조조가선에서 다시 행거선(5m간격으로 설치)이 이어져 전선을 현수한다.

컴파운드 카테너리의 장점은 높은속도에서도 팬터그래프와 전선사이의 이선현상이 굉장히 억제되기 때문에 집전용량이 증가한다는 점이다. 그렇기 때문에 고속운전과 고밀도 운전이 가능해진다. 그래서 고속 및 고밀도 운전을 하는 선구의 가공전차선은 컴파운드 카테너리를 사용하지 않을 수 없다.
단점은 구조가 복잡하기 때문에 도입비용과 유지보수비용이 높으며, 다른 조가방식보다 공간을 더 높게 차지하기 때문에 터널 등의 구조물에서 필요한 단면적이 상당히 커진다는 것이다. 특히, 고속철도는 이 조가방식을 이용할 수 밖에 없으므로 터널건설비용이 커진다.

한편, 컴파운드 카테너리에도 전선과 가선을 특별히 굵게하고 장력을 높인 헤비 컴파운드 카테너리가 존재한다. 각 방식의 속도제한은 컴파운드 카테너리가 160km/h 수준이고, 헤비 컴파운드 카테너리는 200km/h 이상이다. 신칸센, TGV등 고속철도의 가공전차선은 헤비컴파운드 카테너리로 구성되어 있다. KTX의 경우 헤비심플 카테너리 방식을 사용하고 있다.

참고로 부산 지하철은 특이하게도 지하 구간 에서 1,2호선이 컴파운드 카테너리 조가방식을 사용하는 중이다.흠많무[4] 이전 서술자가 지상과 지하 모두라고 하였으나 지상구간에서는 일반적인 심플 카테너리 방식을 사용하고 있다.

3.3. 궤전조가선 방식

카테너리 조가방식과 같은 종류의 조가방식이지만, 전선을 조가하는 가선을 '궤전선'[5]으로 사용하는 조가방식이다. 따라서 가선역시 전선과 똑같은 경동재질의 선로를 사용한다. 이 방식은 가선에 필요한 선의 수나 부품을 줄일 수 있기 때문에 유지보수비용을 줄일 수 있고 공간을 덜 차지하기 때문에 협소한 터널에 설치하거나 터널건설시 단면적을 줄일 수 있다. 'π가선방식'이라는 이름으로 주오 본선에서 사용되고 있는 방식이다.

3.4. 가공강체가선방식

지하철에서 일반적인 가공전차선 방식으로, 전차선으로 전선이 아니라 쇠막대 형태의 강체가선을 사용하는 방식이다.

이 방식의 장점은 다음과 같다.
  • 전선을 조가하는 복잡한 가선을 쓰지 않아도 준수한 수평형태가 유지된다. 그렇기때문에 카테너리 방식에 비해 선로절연거리를 단축시킬 수 있으므로 터널 단면적을 다른 조가방식에 비해 크게 줄일 수 있다. 이는 터널건설비의 절감으로 이어진다.
  • 선로가 강체이므로 카테너리 방식과 달리 단선되기 어렵다. 특히 카테너리 방식은 단선우려 때문에 전선의 마모관리를 지속적으로 해줘야하지만, 강체가선은 이런 이유에서 비롯되는 관리를 해줄 필요가 없다.
  • 장력유지가 불필요하다.
  • 유지보수 비용이 카테너리 방식에 비해 많이 절감된다. 가선이 강체이므로 장력유지가 불필요하며, 마모한계치[6]가 크고 지속적인 압력에 의한 가선의 구조변화 정도도 카테너리방식보다 낮다. 따라서 가선관리를 위한 작업이 절감되며 전차선의 교체주기도 카테너리 방식보다 길다. 사용되는 부속부품의 수도 카테너리 방식보다 적어 유지보수가 간단하다.
  • 강풍 등의 자연환경에 영향을 덜 받는다.
  • 카테너리조가방식과의 호환이 가능하다. 제3궤조집전식은 불가능.
  • 직류를 사용할 경우, 강체전차선의 특성상 전선의 용량이 충분하므로 별도의 급전선을 설치할 필요가 없다.
이런 특성 때문에 지하철이나 고속운전이 필요없는 터널에서 일반적으로 채용하는 가선방식이다.

한편 가공강체가선의 단점은 다음과 같다.
  • 강체라는 특성상 제3궤조집전식처럼 집전장치에 부담이 걸리는 편이다. 이런 이유로 집전특성이 나빠 운행속도가 낮은 편이다.
  • 유연성이 없어 전차선과 팬터그래프 습동판이 쉽게 손상되거나 마모된다.[7]
  • 카테너리 조가방식이 전선이라는 특성상 유연해서 집전장치와 선로에 이선현상을 줄일 수 있는 반면, 강체가선은 딱딱하므로 이선현상이 자주 발생한다. 특히 고속영역으로 갈 수록 이선현상이 자주 발생한다.
  • 높은 시공정밀성이 요구되고, 레일과 도상도 균질적인 높이를 유지하는데 크게 신경써야 한다. 가공강체가선이란 방식자체가 이선현상이 쉽게 나타나기 쉬운 방식이기 때문.
다만 가공강체가선의 최고속도제한은 낮은 편이지만 강체가선의 형식에 따라 속도제한은 크게 달라진다. 아래에서 자세히 설명하겠지만 상용은 80km/h~160km/h 수준이며, 250km/h에서도 사용할 수 있는 가공강체가선도 개발되어 있다.

가공강체가선방식의 경우 R-Bar식과 T-Bar식이 있다. 자세한 정보는 참고문헌의 석사논문들을 참고.

3.4.1. T-Bar식

일본에서 개발된 가공강체가선으로, T자 형태의 구조를 하고 있다. 1961년 일본 도쿄메트로 히비야선에 처음으로 채용되어 건설되었다. 지하철뿐만 아니라 협소한 터널에서도 사용하고 있다고 한다. 한국에서는 서울메트로 1호선구간을 시작으로, 이후 직류 1500V를 사용하는 지하철구간의 표준적인 가공강체가선으로 사용되고 있다.

동양권 곳곳에서 많이 사용되고 있지만, 이 방식은 R-bar보다 좋은게 거의 없다. 건설비도 꽤나 비싸고, 구조가 복잡하고, 철거가 어려워 유지보수가 번거롭고 오래걸리며, 유지보수비용도 많이 들고, 애자의 절연거리가 짧아 교류는 사용이 불가능하고 직류만 사용가능하며, 이선율도 높은 특성 때문에 최고속도가 80km/h다. 그럼에도 한국의 직류구간에서 이 방식이 사용되는 이유는 T-bar방식이 국산화되어있기 때문에 한국 내에서의 건설비나 유지보수비는 T-bar가 나은 것으로 나오기 때문이다.

한국에서 T-Bar를 쓰는 철도구간은 직류를 사용하는 지하철 구간으로, 서울 지하철 1~8호선 직류구간, 인천 도시철도 1호선, 대구 도시철도 1호선, 광주 도시철도 1호선, 대전 도시철도 1호선이 있다. 다른 노선의 경우는 알고 계신분이 추가바람

3.4.2. R-Bar식

Conductor rail, Conductor bar, Rigid bar, Rigid catenary로도 불리며, 최초의 사용은 1895년 미국 볼티모어에서 사용된 Conductor rail으로, 지금과의 형태는 많이 다르다고 한다. 현재 사용되고 있는 R-bar는 1983년에 프랑스 Groupe Del,haux의 Railtech international에서 개발한 것이다. 직후에 RATP-RER사의 Nanterre 시험선구에서 직류 1,500V 시험운전에 성공하고, 1984년에는 스위스 FURRER+FREY사가 취리히~Opficon 사이의 시험선구에서 교류 15,000V 상용운전에 성공한 이후 유럽에서 가장 보편적인 가공강체가선으로 사용되고 있다.

R-bar는 직류와 교류 두루 쓸 수 있는 방식으로, 교류철도에서 가공강체가선을 사용할 경우 이 방식을 사용한다. 이 방식의 장점은 T-bar의 단점과 반대. T-bar보다 성능, 가격면에서 절대적으로 우위를 점하는 방식이라 할 수 있다. 이런 이유 때문에 향후 건설되는 가공강체가선은 직류와 교류 구분없이 이 방식으로 건설할 것을 철도학계에서 추천하고 있다. R-bar 방식으로 건설된 선로의 최고속도는 160km/h(2세대 기준)이며, 개량하여 180km/h까지 사용가능한 R-bar도 건설되어 있다. FURRER+FREY사가 2002년에 250km/h 고속운전을 목표로하는 3세대 R-bar를 개발하여 오스트레일리아의 시험선에서 200km/h 시험운전을 했다고 한다. 그러나 이에 관한 자세한 정보는 제공되지 않고 있다. 다만 이론적인 근거는 이미 마련된 상태로, 가공강체가선에 스프링을 사용해 카테너리 가선처럼 유연성을 부여하고 지지간격을 좁히는 것이라고 한다.

한국에서는 교류철도, 즉 코레일 관할의 교류 지하철도구간 또는 터널에서 사용중이다. 분당선, 과천선 등지에 사용되고 있으며, 특히 과천선분당선은 세계최초의 교류 25,000V R-Bar 사용 상용선로와 동양최초의 R-Bar사용 선로라는 타이틀을 가지고 있다. 한국에서 사용되고 있는 R-bar는 2세대 R-bar이다.

5. 참고문헌

  • 위키백과 한국어판 '가공전차선' #
  • 위키백과 영어판 'overhead line' #
  • 위키백과 일본어판 '架空電車線方式' #
  • 조한범, '전기철도 강체가선방식의 속도향상 방안 검토'(2011), 서울과학기술대학교 석사논문.
  • 임금광, '지하철 터널 구간 강체가선 방식의 특성분석에 관한 연구'(2003), 서울산업대학교 석사논문.
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  • [1] 카테너리(Catenary). 전기선과 그 전기선을 지지/현수하는 또 다른 선으로 이루어진 가공전차선 선의 총칭
  • [2] 離線現狀. 열차는 주행하다보면 선로나 노반, 가선의 특성상 약간씩 집전장치와 전선이 떨어지는 현상이 있을 수 있다. 고속운전은 이 현상을 최소화하는 것이 관건이다.
  • [3] 팬터그래프가 전선을 들어올리는 힘
  • [4] 출처 : 임금광, '지하철 터널 구간 강체가선 방식의 특성분석에 관한 연구'(2003), 서울산업대학교 석사논문.
  • [5] 발전소나 변전소에서 다른 변전소를 거치지 않고 직접 전선에 전력을 공급하는 선로.
  • [6] 마모를 허용하는 수준
  • [7] 위의 장점부분과 모순되는 부분이라고 생각할 수도 있다. 이를 위해 설명하자면, 가공강체가선은 유연성이 없어 팬터그래프나 강체전선을 쉽게 마모시키지만, 강체전선은 마모한계치가 높아 상대적으로 많이 마모되더라도 사용할 수 있다는 것이다. 카테너리 방식은 마모한계치가 낮고 단선사고가 일어나면 대형사고가 일어날 수 있으므로 전차선 마모에 따른 교체와 관리를 강체가선보다 더 세심하게 해줘야 한다.

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