알아두면 쓸데있는 팬터그래프 상식

무거운 열차를 빠르게 움직이게 하려면, 안정적으로 동력원을 제공하는 것이 매우 중요합니다. 특히, 전기를 에너지원으로 사용하는 전동차량의 경우, 원활한 전기 공급이 필수적인데요. 여러분은 혹시 열차가 어떻게 전기를 공급받는지 아시나요? 이는 열차 위에 길게 늘어선 전차선과 차량을 연결하는 지붕 위의 팔! ‘팬터그래프’ 덕분에 가능한 일입니다. 오늘 현대로템 블로그에서는 철도차량의 전력을 공급하는 핵심 장치! 팬터그래프의 모든 것을 알아봅니다.

철도차량의 든든한 팔, 팬터그래프

팬터그래프는 철도차량의 주요부품 중 하나로 전기와 기계적 인터페이스를 필요로 하는 차량에 동력을 공급하는 중요한 장치입니다. 일반적인 철도차량은 전기를 동력원으로 사용하는데, 이때 팬터그래프는 실제 전차선으로부터 전기를 받아 철도차량에 전달하는 공급책 역할을 합니다. 전기를 에너지원으로 삼는 전동차량에 산소호흡기와 같이 숨을 불어넣는 역할을 해주는 것이죠.

▲다이아몬드 형태의 더블암 팬터그래프(좌)와 링크 형태의 싱글암 팬터그래프(우)

팬터그래프는 전력 구간 및 전차선의 사양에 따라 다양한 형식으로 적용됩니다. 전차선과 접촉하여 고전력을 직접 받는 역할을 담당하기 때문에 전력 공급 방식에 따라 그 종류도 달라지는데요. 팬터그래프의 종류를 크게 구분하면, 다이아몬드 형태의 더블암 방식과 링크 형태의 싱글암 방식으로 나눌 수 있습니다.

▲다양한 팬터그래프의 형태(왼쪽 위부터 시계 방향으로 체코의 F社, 독일의 S社, 전과 동일, 오스트리아의 S社)

팬터그래프의 제작 및 성능 기술이 개선됨에 따라 전 세계 핵심 철도기업에서 사용하는 팬터그래프의 형태도 점차 다양해지고 있는데요. 트램부터 고속전철에 이르기까지 현재 세계의 주요 국가의 광범위한 철도 차량에 싱글암 방식의 팬터그래프가 주로 사용되고 있습니다. 더블암 방식보다 싱글암 방식이 공기저항이 적어 고속 운행을 하는데 더 적합하기 때문입니다. 이뿐만 아니라 성능 및 유지보수성을 고려할 때도 싱글암 방식의 팬터그래프가 더 유리하기 때문에 최근 대세를 이루고 있습니다. 우리나라의 경우에도 준고속전철을 포함한 고속전철 및 전기기관차에서 대부분 싱글암 방식이 적용되고 있으며, 지하철 등 고속주행이 요구되지 않는 환경에서만 더블암 팬터그래프를 주로 이용하고 있습니다.

안정적인 전력 공급이 철도의 생명!

▲공칭전압과 주파수 표준규격(출처: TSI HS ENE 2008, table 4.2.2)

그렇다면 차량마다 다르게 적용되는 팬터그래프의 종류는 어떻게 결정되는 것일까요? 팬터그래프의 종류를 결정하는 데 있어 가장 핵심적인 부분을 차지하는 것은 역시 ‘전력’인데요. 위의 표준규격표를 보면 알 수 있듯이 차량의 최대속력에 따라 사용되는 전압에도 차이가 있기 때문입니다.

이와 더불어, 차량의 전력공급 시스템 기술과 운영 및 유지보수의 효율성에 따라 전차선에 적용할 팬터그래프가 결정됩니다. 전차선의 재질과 팬터그래프의 집전판 재질 간의 인터페이스, 기존 차량과의 운영∙유지보수 호환성 등이 이에 해당하죠. 예를 들어, 더블암 팬터그래프의 경우 내구성이 단단하여 파손율이 낮고, 방향전환에 따른 부담이 적은 것이 특징이기 때문에 주로 지하철과 같은 전동차에 많이 쓰이는 것입니다. 반대로 공기저항을 많이 받고 무게가 있다는 단점 때문에 고속으로 달리는 차량에서는 싱글암 방식의 팬터그래프가 주로 채택됩니다.

이처럼 성능 및 유지보수를 고려하여 결정된 팬터그래프는 빠르게 움직이는 차량을 사고 없이 안전하게 이동할 수 있도록 돕는데요. 이처럼 이동하는 차량에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 원리는 무엇일까요?

일반적인 팬터그래프는 관절 형식의 링크 구조로 되어 있습니다. 이 관절을 움직이기 위해서는 밸로우즈라고 하는 고무 재질의 공기주머니를 이용해야 하는데요. 철도차량의 공기압력을 밸로우즈에 공급하여 링크 구조물을 밀어 올리면 관절이 상승하게 되고, 밸로우즈에 입력되었던 공기를 반대로 배출시키면 구조물의 자중에 의해 하강하게 되는 메커니즘을 통해 안정적인 작동이 가능한 것입니다.

▲팬터그래프의 동작 원리

구조를 좀 더 자세히 살펴보면, 움직이는 상태에서도 전차선과 잘 밀착되어야 하는 팬터그래프의 특징을 확인할 수 있습니다. 팬터그래프에는 위아래의 움직임을 제한하는 서스펜션과 댐퍼 그리고 좌우 움직임을 제한하는 흔들림 방지 튜브 등이 적용되어 있는데요. 이를 통해 집전판과 전차선 간의 밀착성을 좋게 하고, 저속부터 고속에 이르기까지 다양한 운영환경에서도 좋은 집전성능을 유지할 수 있습니다.

철도차량에 팬터그래프가 사라진다?

혹시 전차선이 없는 철도차량을 보신 적이 있나요? 전기를 동력원으로 삼지 않는 차량의 경우, 별도의 전차선이나 팬터그래프가 필요하지 않기 때문에 기존에 봐온 철도차량과 다른 형태를 띱니다. 전기력을 이용해 부상하는 자기부상열차나 디젤열차 등이 이에 해당하죠.

그런데, 전기를 동력원으로 삼고 있음에도 불구하고 팬터그래프가 사용되지 않는 철도차량도 있습니다. 어떻게 팬터그래프 없이 열차가 동력을 얻을 수 있을까요? 이는 팬터그래프를 대체할 만한 집전장치를 장착했기 때문인데요.

▲팬터그래프를 대체하는 집전장치들

대표적인 집전장치로 써드레일(3rd Rail)이라는 제3궤조 형식을 예로 들 수 있습니다. 써드레일은 차량의 하부에 장착하는 장치인데요. 선로 옆에 위치한 강체로 된 전차선에 밀착하여 전기를 집전하는 방식으로 전기를 공급합니다. 이 외에도 우리나라에서는 생소하지만, 동유럽 등에서 자주 사용하는 장치인 트롤리바를 통해 전차선에서 전력을 공급받는 버스도 있습니다.

▲무가선 트램 시험선에서 운행 중인 현대로템의 트램 (출처: 국토교통과학기술진흥원)

배터리를 장착해 별도의 전차선 없이 전력을 공급하는 무가선트램 역시 팬터그래프 없이 운행이 가능한 차량입니다. 전기사용량이 많은 일반적인 철도차량은 무가선의 형태로 운영되기 어렵습니다. 대용량 배터리를 탑재해야 하는 동시에 고전압을 생성해야 하기 때문이죠. 이로 인해 현재 개발되고 있는 무가선 환경에서 운영되는 철도차량은 많지 않지만, 트램과 같이 저전력 차량에서는 배터리를 동력원으로 사용하고 있는 무가선 트램의 개발이 진행되어 국내 일부 구간에서 시범 운행을 하고 있는데요. 전기 차량 같이 별도로 충전 후 운행이 가능한 무가선 트램의 경우, 운행 중에는 팬터그래프를 필요하지 않지만, 배터리 충전 시 전기를 공급받기 위해 팬터그래프를 활용하고 있습니다.

▲우리나라에도 트램이 달린다?! 부산에서 만나는 국내 1호 트램(바로가기)

현대로템과 함께 변화하는 팬터그래프

철도차량을 달리게 하는 핵심 장치인 팬터그래프! 우리나라 대표 철도 기업인 현대로템은 다양한 철도차량 제작을 통해 팬터그래프와 전차선 간의 다양한 기술적 요구사항과 관련한 인터페이스 노하우를 구축해오고 있는데요. 특히, 국내 전기기관차, 준고속, 고속열차 등에 사용되는 싱글암 팬터그래프 분야에서 다양한 인터페이스 기술을 확보하였습니다.

고속전철에 사용되는 싱글암 팬터그래프의 경우, 공압을 공급∙제어하는 공압제어기만 있던 기존의 형태와 다르게 전자-공압제어기를 갖추어 차별점을 두었습니다. 꾸준한 기술 개발로 현재는 팬터그래프의 압력값 및 전기 지령 신호 등을 모니터링하고, 고장검지를 통해 운전자에게 자동으로 상태를 보고하는 수준에까지 이르렀는데요. 이는 4차 산업혁명 시대의 철도차량 스마트 유지보수 기술로 떠오른 CBM(Condition Based Maintenance: 상태기반 유지보수)을 대표하는 기술이기도 합니다.

▲4차산업혁명과 철도차량 스마트 유지보수 기술(바로가기)

철도 기술의 발달과 시대의 변화에 따라 미래에는 팬터그래프의 역할도 점차 변화할 전망인데요. 일례로, 철도차량의 미래기술 중 하나인 튜브트레인은 전력공급방식이 자기부상열차와 같기 때문에 차량에 팬터그래프를 장착하지 않을 가능성이 높습니다. 그 대신 일부 무가선 철도차량에서는 팬터그래프가 충전 장치로 사용될 수 있어, 앞으로 팬터그래프의 역할은 더욱더 세분될 것으로 보입니다.

현대로템은 보다 안전한 철도 이용을 위해 팬터그래프를 비롯한 차량의 핵심 부품의 안정성을 확보하고자 노력하고 있습니다. 특히, 중점 안전관리 항목인 충돌, 화재, 탈선 등과 관련한 시스템엔지니어링 분야에 총력을 기울이고 있는데요. 앞으로도 스마트 철도차량의 선도 기업으로서 스마트 관리 기술인 에너지 관리 및 유지보수 최적화 등의 자체기술을 통해 사전 고장 예지 등을 통한 사고 예방과 운영 및 유지보수 비용 절감 등의 실용적인 철도차량을 제작하는 데 최선을 다할 것입니다. 더욱더 똑똑하고, 더욱더 안전해질 현대로템의 철도 기술에 많은 기대와 응원 부탁드립니다!