전기철도의 분류

□ 직류식 전기철도

일반전력으로부터 수전하는 특별고압(22.9㎸, 154㎸등)의 교류전기를 철도용 변전소 변압기에서 직류(1,500V 등)로 변환하여 전차선로에 직류전력을 공급하는 방식으로 세계 전기철도의 약 43%를 점유하고 있다.

전기차에 전기를 공급하는 전차선과 전기차 운행귀선(주행레일)등으로 급전회로를 구성하고 전압강하, 전류용량 보상대책으로 전차선과 급전선을 병렬로 설치하고 급전 분기선을 소간격(약 250m)으로 시설한다.

사용전압으로는 600V, 750V, 1,500V, 3,000V 등이 있으나 우리나라에서는 1,500V 전압을 사용하고 있으며 전기철도변전소 간격은 전압강하 등을 고려하여 대략 4㎞～10㎞마다 운영하고 있다.

직류방식의 특징은 전압이 낮아 절연계급을 낮출 수 있고 통신유도 장애가 없으며 경량 단거리 수송에 유리하나 운전전류가 커서 누설전류에 의한 전식 대책이 필요하다.

직류식 전기철도는 급전방식에 따라 가공단선식, 가공복선식, 제3궤조식으로 구분된다.

 

1. 가공단선식

전차선을 궤도 상부에 가설하고 운전용 궤조를 귀선으로 하는 방식으로 가선 구조가 간단하여 설비비 및 보수비가 저렴하다.

 

2. 가공복선식

정․부 2선의 전차선을 궤도 상부에 가선하는 방식으로 노면전차의 일부에 사용하는 철도로 가공단선식 보다 전식이 적다는 이점이 있다.

 

3. 제3궤조식

전차선 대신 운전용 궤도의 병행으로 급전궤도를 부설하여 집전하는 방식으로 지하철이나 터널 등에 채용되는 방식이다. 최근에 절연기술의 발달과 전차선 단선사고의 우려가 없고 구조가 간단하여 도시고가철도에 새롭게 채택되고 있다.

 

 

□ 교류식 전기철도

교류방식은 일반적으로 변전소로부터 수전하는 상용주파수 전기(3Φ)를 단상변압기 또는 3상/2상 변환장치에 의해 전차선로에 단상교류전기를 공급하여 운전하는 방식으로 세계 전기철도의 약 57%가 이 방식을 채택하고 있다.

교류방식의 특징은 대용량 중, 장거리 수송에 유리하며 에너지 이용률이 높고 사고 시 선택차단이 용이하며 전식의 우려가 없으나 통신유도 장애대책이 필요하다.

교류식 전기철도는 급전방식에 따라 직접방식, 흡상변압기방식(BT), 단권변압기방식(AT)으로 분류된다.

 

1. 직접 급전방식(Simple Feeding System)

가장 간단한 급전회로로 전차선로 구성은 전차선과 레일면으로 된 것과 레일과 병렬로 별도의 귀선을 설치한 2가지 방식이 있다.

이 방식의 특징은 회로구성이 간단하기 때문에 대단히 경제적이지만 전기차 귀선전류가 레일에 흐르므로 대지누설전류에 의한 통신유도장애가 크고 레일전위가 다른 방식에 비해 큰 결점이 있다.

 

2. 흡상변압기 급전방식(BT 급전방식)

BT(Booster-Transformer)급전방식은 권선비 1:1의 특수변압기를 약 4㎞마다 설치하여 전차선에 부스타 색숀을 설치하고 BT의 1,2차측을 전차선과 부급전선에 각각 직렬로 접속, BT와 BT사이는 중간점에서 레일과 부급전선을 흡상선으로 접속하여 레일에서 대지에 누설되는 전기차 귀선전류를 BT작용에 의해 강제적으로 부급전선에 흡상시켜 통신선로의 유도장애를 경감하는 방식이다. 여기서 변압기는 전류를 흡상하므로 흡상변압기라 하고 부급전선을 사용하는 방식과 사용하지 않는 2가지 방식이 있다.

한편 급전방식은 통신유도 경감효과가 크지만 부스타색숀 부분에서 부하전류를 차량의 팬터그래프에서 개폐하므로 아크발생으로 부하전류가 크고 속도가 고속화 되면 운전 및 보수상의 문제점이 된다. 변전소 간격은 약 30～40㎞로 설치하며 우리나라에는 중앙선 청량리-제천 간 155㎞ 및 태백선 제천-고한 80㎞, 예미-조동 간 15㎞에 운영되고 있다.

 

3. 단권변압기 급전방식(AT 급전방식)

AT(Auto-Transformer)급전방식은 변전소에서 급전선을 선로를 따라 가선하여 이 급전선과 전차선과의 사이에 약 10㎞간격으로 AT를 병렬로 설치 접속하여 변압기 권선의 중성점을 레일에 접속하는 방식으로서 우리나라의 수도권 전철과 중앙선 제천-영주간 64㎞, 영동선 영주-철암 간 87㎞에 이 급전방식이 채택되고 있다. 이 방식은 대용량 열차부하에서도 전압변동, 전압 불평형이 적어 안정된 전력공급이 가능하여 고속전철에도 이방식이 채택되고 있으며 레일에 흐르는 전류는 차량을 중심으로 각각 반대방향의 AT쪽으로 흐르기 때문에 근접 통신선에 대한 유도장애도 적게 되는 장점이 있다.

 

 

□ 직류, 교류 방식별 비교

위와 같이 전기방식에 따른 장, 단점이 있으나 전반적인 건설비, 유지보수비, 에너지 이용효율 등에서 교류방식이 직류방식보다 다소 우수하여 외국 및 우리나라의 경우에도 전철 건설 시 교류방식을 선택하고 있는 추세에 있으나 도시 및 지역특성에 따라 직류방식도 선택되고 있다.