알아두면 쓸데있는 팬터그래프-전차선 인터페이스 상식

현대로템 블로그의 알쓸신철은 알아두면 유용한 철도 관련 지식을 소개해 드리는 콘텐츠입니다. 지난번 알쓸신철에서는 팬터그래프와 전차선을 각각 다룬 적이 있는데요. 전기를 사용해서 움직이는 열차의 핵심부품 및 핵심기술인 이 둘의 상호작용에 대해 조금 더 심화된 내용을 알쓸신철에서 알아보려고 합니다. 지난번 소개해 드린 ‘알쓸신철 팬터그래프/전차선 상식’도 같이 확인해보세요!

▲알아두면 쓸데있는 팬터그래프 상식(바로가기)

▲알아두면 쓸데있는 전차선 상식(바로가기)

팬터그래프가 갖춰야 하는 설계 요구사항

팬터그래프는 철도차량에 안정적으로 전기를 공급하는 중요한 장치입니다. 이 팬터그래프는 옥상에 설치되어 차량의 정지 또는 운행 시, 팬터그래프가 수직으로 동작하는 범위 내에서 안정적으로 집전할 수 있어야 하죠. 특히 AC25kV, DC1500V 등 고전압 부품은 사용되지 않는 조건에서도 다른 부품들과 일정 거리 이상을 두고 조립되어야 합니다. 이렇듯 팬터그래프는 기계부품이면서도 전기를 사용하는 부품이라는 점에서 다양한 기능이 요구되는 것이 특징입니다.

그렇다면 팬터그래프는 과연 어떤 기능들을 갖춰야 할까요? 우선 고전압/전류를 사용하는 팬터그래프의 전기적 요구사항을 알아보겠습니다. 팬터그래프는 전기적인 차단 상태를 유지하기 위해 일정한 절연거리를 보유해야 합니다. 이러한 절연거리 기준을 준수하지 않은 경우에는 공기 중에 포함된 원자구조로 인해 전기가 통하게 되어 기능적, 안전적으로 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

▲ 팬터그래프의 절연 기준을 나타낸 그림

위에서 언급한 것과 같이 팬터그래프의 절연은 매우 중요하며, 팬터그래프와 차체 간의 절연거리를 유지해 주는 절연(고압)애자는 순간전압(정격전압의 약1.2배)에서도 견딜 수 있는 부품이어야 합니다. 이는 순간적으로 흐르는 고전압에도 차량에 전기가 통하지 않도록 절연상태를 유지하기 위함입니다.

또한 전기적인 요구사항만큼이나 중요한 것이 바로 기계적 측면에서의 요구사항인데요. 안정적인 집전상태를 유지하기 위해 팬터그래프는 구조적 안정성이 매우 중요합니다. 이 때문에 팬터그래프 구조물에 대한 구조해석과 시험 등은 실제 힘을 받는 조건에 따라 수행하여 안정성을 검증하기도 합니다.

▲ 팬터그래프의 구조해석 예시

팬터그래프가 전차선을 들어 올리는 힘을 압상력이라고 하는데, 이러한 압상력은 정차상태뿐만 아니라 움직이는 상태에서도 일정 기준 이하로 유지될 필요가 있습니다. 전차선과 일정한 힘을 유지해야 안정적인 집전이 가능하며 전차선의 단선도 방지할 수 있죠.

이렇듯 팬터그래프에는 집전 성능 향상을 위해 다양한 기능이 요구되고 있습니다. 여기에 모든 요구사항을 다 열거할 수는 없지만, 그중에서도 팬터그래프와 전차선의 상호작용에 대해 조금 더 알아보도록 하겠습니다.

팬터그래프의 성능은 전차선에서 기인한다

전자선과 팬터그래프는 상호작용을 통해 전류를 공급받아 열차를 운행하기에 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다. 팬터그래프와 전차선의 상호작용은 열차의 집전 성능을 논할 때 자주 언급되죠. 그 상호작용의 여러 인자 중 팬터그래프와 전차선의 밀착성을 높여 집전 성능을 향상시키는 요소로는 압상력과 압상량이 있습니다.

차량 제작에서 우선적으로 검토하는 것은 팬터그래프가 전차선에 밀착되어 들어 올리려는 힘인 압상력(최대/평균)이며, 그 기준은 아래와 같이 EN 규격(유럽 규격)에서 제안하고 있습니다.

▲ 팬터그래프와 전차선의 최대 압상력 기준(위), 평균 압상력 기준(아래)

이러한 압상력은 차량이 정차 상태부터 최고속도로 운행되는 모든 운행조건까지도 규정된 기준 범위를 준수해야 하며, 결국 전차선을 밀어 올리는 힘과 비례하는 압상량(전차선의 상하 이동) 역시 전차선이 허용하고 있는 변위량 내에 있어야 합니다.

전차선과 집전 부품의 상호 작용

앞에서는 팬터그래프와 전차선의 상호작용 중 압상력과 압상량에 대해 소개했습니다. 그렇다면 상호작용 과정에서 고전압/전류가 흐르는 전차선과 팬터그래프의 집전부품인 집전판과의 관계는 어떨까요?

우선 집전판(Contact Strip)은 팬터그래프의 머리에 해당하는 집전 헤드의 상부에 조립되어 전차선과 연속적이고 기계적인 접촉을 통해 전기적인 집전을 하는 부품입니다.

이 집전판은 고전압/전류의 사용 조건 그리고 외부의 환경 조건에 따라, 사용 중에 아크(Arc, 전류가 흐르는 상태에서 강한 빛이 발생하는 것) 등으로 손상되기 쉬운데요. 집전판은 소모품이기 때문에 적절한 시기에 교체해야 정상적인 집전 기능을 유지할 수 있습니다.

▲ 집전 헤드 및 주습판의 형상 예시

여기서 또 하나 알아 두어야 할 내용은 집전판의 재질이 전차선의 재질보다 마모가 더 쉽게 일어나도록 설계한다는 것입니다. 이는 전차선의 교체 비용이 집전판의 교체 비용보다 훨씬 크기 때문이죠.

한편, 아크로 인해 집전판이 손상되면 교체해야 한다고 언급했는데요. 그렇다면 아크는 어떤 이유로 발생하는 것일까요? 아래 집전판의 손상된 사진을 보면 스파크처럼 보이는 아크가 얼마나 높은 열을 가지고 있는지 알 수 있습니다.

▲ 아크로 인해 손상된 집전판의 모습

팬터그래프의 주요 부품 중 하나인 집전판의 손상은 팬터그래프의 구조물 그리고 더 나아가 전차선의 손상을 가져올 수도 있습니다. 안전사고를 방지하기 위해 팬터그래프에는 자동하강장치(ADD, Auto Drop Device)가 적용되어 있으며 그 원리는 아래와 같습니다.

▲ 안전사고를 방지하는 팬터그래프 자동하강장치

집전판의 내부에는 일정 압력의 공기압이 존재하는 구간이 있습니다. 이 공기 압력은 절연 플라스틱 호스를 사용하여 집전판 내부에 ADD 용 공압라인을 구성하는데요. 집전판의 손상 시 해당 호스가 파열되면서 공압이 누기되고 이를 감지한 팬터그래프는 자동으로 팬터그래프를 하강시켜 구조물의 파손 및 전차선의 손상과 엉킴 현상을 방지합니다.

팬터그래프 - 전차선 시스템의 현재와 미래

이렇듯 팬터그래프와 전차선의 상호작용은 실제 팬터그래프의 성능에 많은 영향을 줍니다. 팬터그래프의 부품 특성상, 전기적인 기능과 기계적인 기능을 모두 만족해야 하는 하이브리드 부품이라고도 할 수 있죠. 실제 열차가 안정적으로 움직일 수 있도록 안전하게 전력을 공급하는 가장 중요한 시스템이 바로 팬터그래프와 전차선의 인터페이스 시스템입니다.

최근에는 전차선이라는 시설 없이도 운행 가능한 자기부상열차, 하이퍼튜브 등의 개발이 한창입니다. 미래 대체 에너지인 수소를 동력으로 운행하는 수소열차의 개발도 착착 진행되고 있습니다. 철도차량을 움직이는 새로운 방법들이 개발되며 전력을 공급하는 장치인 팬터그래프의 역할도 세분될 전망입니다. 더욱 빠르고 안전해진 미래의 철도차량에서 팬터그래프-전차선 인터페이스는 과연 어떤 모습으로 변화해 있을지 기대해 보아도 좋겠습니다.