철도차량 집전장치와 고속화

전기철도차량의 집전방식에는 제3궤조 방식과 팬터그래프 집전방식이 주로 쓰인다. 이중 제3궤조 방식은 차량주행시 차체의 슈(Shoe)가 레일 옆에 별도로 설치된 제3궤조와 접촉하면서 집전하는 방식이다. 주로 신교통시스템(프랑스 VAL 시스템, 일본의 고무타이어 방식의 경전철시스템 등)에 사용되며, 유로스타의 경우에 팬터그래프와 함께 사용되기도 하나, 전기기관차를 포함한 전기철도차량에는 대부분 팬터그래프에 의한 가공집전방식이 사용되고 있다.

 

팬터그래프는 전차선을 통해 공급되는 전력을 집전하여 주변압기에 공급하는 장치로서 지붕에 설치되어 있다. 전차선으로부터 집전된 전기에너지가 주행장치에 전달되는 과정은 다음과 같다.

전기철도차량

집전은 5.5 ~ 10 kg 정도의 접촉력으로 팬터그래프의 집전판(contact strip)과 전차선 간의 접촉에 의해 이루어진다.

집접된 전기는 주회로차단기(가선전압이 허용범위를 초과할 경우 회로를 차단하여 차량의 전기회로를 보호)를 거쳐 주변압기에서 전압강하 후 보조전원장치와 전력변환장치로 공급(인버터 또는 컨버터)된다.

전력변환장치는 속도 제어신호에 따라 견인전동기에 필요한 전력을 공급하게 된다.

 

 

□ 고속에서의 집전시 문제점과 개선책

1. 속도와 이선

가공전차선 방식은 질량과 스프링으로 이루어지는 진동계를 구성하므로 열차가 주행함에 따라 팬터그래프의 높이도 상하로 진동하고, 열차속도가 일정한계에 이르면 가선에 공진이 발생한다. 이 때 공진속도에 이르기 전에 진동이 크게 되고 접촉압력은 영이 되면서 이선이 시작된다. 더구나 팬터그래프의 속도가 가선에 고유한 횡파의 전파속도에 접근하면 가선에 이상진폭이 발생하여 팬터그래프와 가선과의 접촉상황이 극히 불안정해지며 진행방향으로는 큰 저항이 발생하여 일반적으로 주어지는 이선 개시 속도보다 훨씬 낮은 속도에서 이선이 개시된다.

가선에서 팬터그래프가 떨어지게 되면 동력차는 동력을 잃게 되므로 속도가 감소하게 되고, 이선시 발생하는 아크방전에 의해 가선과 팬터그래프 집전판의 마모와 아크 소음이 발생할 뿐만 아니라, 방전시에 발생하는 전자파에 의해 유도장애가 발생한다.

이선을 최소화하기 위해서는 가선의 진동을 줄이기 위해 균일한 콤플라이언스(외력에 대한 전차선의 탄력성)와 등가질량을 갖도록 설계하여야 하며, 가능한 가선의 장력을 크게 하여 파동의 전파속도를 높여야 하나 가선 장력을 올리는 것은 한계가 있으므로, 가운데 철심이 든 알루미늄 트롤리선과 같이 새로운 소재의 개발을 위한 연구가 시도되고 있다.

 

 2. 팬터그래프 형상

차량속도가 빨라질수록 집전계의 소음(팬터그래프와 가선간의 접촉에 의해 발생하는 섭동음, 팬터그래프 커버에서 발생하는 공력음, 팬터그래프가 이선할 때 발생하는 스파크음)은 증가하며 그 중 공력음이 가장 큰 비중을 차지한다. 또한 공기역학적으로 양력이 발생하여 팬터그래프가 가선을 들어 올리는 양이 증가한다. 따라서 집전성능 향상과 함께 공력소음을 줄이기 위한 팬터그래프의 형상 또한 매우 중요하다.

일본의 경우 저소음 팬터그래프의 개발에 주력하여 WIN350 부터 PEGASUS라는 이름의 신형 팬터그래프를 개발 적용하였으며 PEGASUS-P으로 개량한 바 있다.

PEGASUS형은 집전판 주위를 유선형의 커버로 감싸 공력 저항과 소음을 줄였으나 양력으로 인해 공력 안정성이 떨어지자, PEGASUS-P형에서는 커버전단에 작은 돌기들을 설치하여 양력을 억제함으로써 공력 안정성과 집전성능 향상 및 공력소음을 개선하였다.

 

3. 팬터그래프 위치

팬터그래프의 위치는 차체 형상에 따른 공기역학적 방해가 없는 곳이어야 한다. 또한 대차의 센터피봇 상부에 설치함으로써 곡선구간에서의 횡방향 변위를 최소화하여 전차선과 팬터그래프가 곡선에서 벗어나지 않도록 하여야 한다.

 

4. 팬터그래프 개수

다수의 팬터그래프를 사용할 때는 전방의 팬터그래프에서 발생한 진동이 후방의 팬터그래프에 전달되어 집전을 방해할 뿐만 아니라, 이선현상이 발생하기 쉽다. 특히 가선의 마모는 팬터그래프 수에 직접 비례한다. 다수의 팬터그래프를 사용하는 일본 신간선의 경우 가선의 보수에 불리하므로 팬터그래프 수를 줄이려는 노력을 기울이고 있다. 전기기관차의 경우와 같이 팬터그래프 개수가1개 또는 2개이면 팬터그래프당 집전용량이 증가하여 집전판의 마모는 증가하나, 전체적으로 이선에 의한 전기 아크 발생이 줄어들게 되므로 그로 인한 가선의 마모, 소음, 전자파 장애 등을 줄일 수 있다.

 

5. 집전판의 마모

집전장치에서 나타나는 마모는 기계적 마모와 전기적 마모가 있다. 기계적 마모는 방전 시 발생하는 열에 의하여 집전판의 내마모 성능이 저하되면서 증가되며, 전기적 마모는 이선시 아아크 방전에 의해 발생한다.

속도증가에 따라 팬터그래프와 가선 사이의 접촉 압력 변동이 심해지면 팬터그래프와 가선 사이의 접촉이 나빠지고, 접촉이 떨어질 때 아아크 방전이 발생하게 되어 집전판은 아아크 방전시 발생 열에 의해 손상될 뿐만 아니라 집전판의 마모가 증가하게 된다.

한편 순간적으로 접촉압력이 커지는 경우도 발생하며 이 경우에도 집전판의 마모가 증가하게 된다. 마모는 속도가 증가할수록 심해지는 경향이 있다.