2.1 직류 강체전차선로의 집전특성 및 이선

국내 도시철도에 적용되고 있는 강체전차선로는 직류 1,500[V] T-Bar 시스템으로 수도권을 비롯한 각 지자체에도 동일한 방식이 운용되고 있으며, 교류 25[kV] 가공전차선로에 비해 저전압, 대전류의 전력특성을 갖고 있다. 특히 강체전차선로 (ROCS, Rigid Overhead Conductor-Rail System)는 지상부 가공전차선로(OCS, Overhead Catenary System)에 비해 추종성이 없어 집전특성이 좋지 않아 운행속도에 한계를 갖는다. 또한 팬터그래프의 압상력에 의해 전차선의 변위가 거의 없고 응력이 없어(무장력) 집전성능은 주로 이선에 의해 평가된다.

집전성능 향상을 위해서는 그림 1과 같이 습동면 요철의 진폭을 작게 하여 이선개시 속도를 높여야 한다⁽³⁾.

주행속도가 높으면 질점(팬터그래프)의 관성력이 커지며, 관성력이 압상력(P)보다 크게 되면 질점이 요철에서 떨어져 이선이 발생하게 되는데 이때의 주행속도를 이선개시 속도라 한다.

이선개시 속도가 높을 때 강체전차선의 집전성능은 양호하게 되며 이선개시 속도에 영향을 미치는 요인으로는 그림 1과 같이 요철의 파장, 진폭, 팬터그래프의 압상력, 질량 등이 있다.

요철의 진폭을 작게 하고 팬터그래프의 압상력을 크게 할 경우 집전성능이 향상되며, 요철의 파장이 길고 팬터그래프의 질량이 작을 경우 이선개시 속도를 높일 수 있다.

요철 진폭을 작게 하고자 하는 경우 T-Bar의 굴곡개소 평탄화(Flattening), 롱이어 볼트의 적정 토크 체결로 조정 가능하다.

강체전차선의 습동면에 발생하는 요철 중 가장 근본적인 원인은 지지점 사이의 변형으로 인한 것이다. 강체전차선을 지지점 간격으로 지지한 양단 고정의 빔(Beam)으로 가정할 경우 최대 변형량은 식 (1)과 같다.

여기서,$D는 최대변형량[m],\:\omega 는 단위길이 질량[kg/m]$

$\lambda 는 지지점 간격[m]$, $EI 는 굽힘강성[N\bullet m^{2}]$

그 밖에 습동면에 발생하는 미소 요철은 강체(T-Bar)의 제조 및 설치하는 경우 외력 또는 드럼에 원형으로 감겨져 있던 상태로 회귀하려는 전차선의 형상 복귀 특성과 전차선 설치시 롱이어 볼트 조임으로 인한 변형, 설치 후에 팬터그래프의 습동에 의해 발생하는 파상 마모 등의 요인이 있다.

팬터그래프가 강체전차선 구간을 주행하게 되면 지지점 간격으로 발생하고 있는 강체전차선의 변형으로 상ㆍ하 방향의 가진(加振)이 발생된다. 가진(加振) 진폭(Y)는 최대 변형량(D)의 1/2에 해당하고, 가진 주파수(f)는 식 (2)와 같이 표현된다.

여기서, $f는 주파수[Hz],\:\lambda 는 지지점 간격[m],\: v 는 속도[km/h]$

$y는 진동 변위[m],\: Y 는 진동 진폭[m],\:\omega 는 각주파수[rad]$

팬터그래프를 1질점(質點) 모델로서, 변위 y로 가진(加振)될 경우, 전차선과 팬터그래프의 접촉력(P)는 식 (3)과 같다.

여기서 $P는 접촉력[N],\: P_{0}는 압상력[N],\: m는 질량[kg]$

접촉력(P)의 최소값이 “0”이 되어 이선을 개시하는 진폭 $Y = P_{0}/mw^{2}$으로 이선 저감방법에는 전차선 변형량의 억제와 팬터그래프 압상력의 증가 및 팬터그래프 질량을 경감시키는 것이 유효하다. 실제 팬터그래프는 주체가 스프링으로 지지되고 있고, 복수의 질점으로 표현할 수 있는 구조로 식 (2), (3)에서 저주파에서는 팬터그래프 전체의 등가질량이, 고주파에서는 주로 주체부의 등가질량이 추종 진폭에 관여됨을 알 수 있다. 이 밖에 이선에 대한 기타 요인으로서 주행풍에 의한 팬터그래프 양력 및 감쇠력의 변동, 전차선의 변형 형상, 팬터그래프 주체간의 거리 등이 있다.

한편 국외(일본) 직류전차선 파상마모 발생 연구사례⁽⁴⁾에 의하면 재래선 직류 전기철도구간 대부분에서 발생되며, 특히 1대의 팬터그래프만이 구비되어 있는 열차 또는 2대 이상의 팬터그래프가 있어도 모선이 연결되지 않은 단독 집전방식의 열차가 운행되는 선로구간에서 많이 발생된다. 그리고 집전전류가 작은 교류구간에서 나타나지 않는다는 것은 원인이 이선 아크에 의한 전차선의 손상 및 마모로 분석되었다. 주습판에 고형윤활제를 장착하고 있는 팬터그래프의 경우, 고형윤활제는 전기적으로 절연재로서, 초기에는 전차선의 불규칙적인 요철부분에 고형윤활제 부분만이 접촉하게 되어 전차선과 주습판 사이에 아크가 발생하여 그림 2와 같이 팬터그래프 간격의 특정장소에 아크 마모가 반복되어 파상마모가 형성되는 것으로 추정하였다.

2.2 직류 강체전차선 이선 아크 발생사례 분석

교류 전차선로와 직류 전차선로는 급전방식 및 이선 허용한도가 상이하다. 서울교통공사 4호선과 같이 교류구간(AC 25[kV])과 직류구간(DC 1,500[V])을 운행하는 교․ 직류 도시철도차량은 사용전압이 상이하여도 동일한 힘을 위해서는 교류구간에 비하여 직류구간에서는 식 (4)와 같이 역률을 최대로 해도 최소 16.67배 이상 대전류를 사용하여야 한다.

직류 전차선로는 대전류를 사용하기에 전차선 이선 허용한도가 매우 적게 된다. 일반적으로 직류구간에서의 이선율은 0.5% (최대 5%)이며, 교류구간에서는 3% (최대 10%) 정도이다. 차량제작 시 팬터그래프와 전차선 사이에 이선율 허용기준(NQ – Percentage of arcing)은 IEC 62486을 참고하여 국내 “전차선과 팬터그래프간 이선아크 시험기준”에 의하면 아래와 같다⁽⁵⁾.

견인전동기 정격전류의 30% 이상의 전류가 흐른 시간 중에서 5[ms] 이상의 아크를 이선으로 정의하며, 250[km/h] 이하에서는 0.1% 이하, 250[km/h] 초과 구간에서는 0.2% 이하로 하고, 최고 0.5%를 넘어서는 안 된다.

이선이 발생할 경우 아크방전에 의해 전차선과 습판체 손상이 발생되며, 아크방전의 크기는 집전전류 크기와 아크발생 시간에 비례한다.

최근 코레일 신조차량이 서울교통공사 4호선 직류 T-Bar 방식 강체 전차선로 시험운행(2회 왕복운행) 후 도시철도차량 상부에 구비된 팬터그래프와 4호선 강체전차선 전 구간에 아크에 의한 손상 사례가 그림 3과 같이 다수 발생되었다.

기존 서울교통공사 4호선에 운행 중인 도시철도차량과 최근 투입예정인 신조차량은 그림 4와 같이 팬터그래프 수량, 종류, 집전방식의 차이를 갖고 있다.

그림 4에서 기존 운행차량은 5M5T 편성으로 병렬 집전방식을 채택하고 있다. 더블암 팬터그래프 10대로 집전하고 있으며, 각각의 팬터그래프 압상력(P)는 58.8[N] 정도이다. 반면 신조 시험차량은 5M5T 편성으로 동일하나 단독 집전방식을 채택하고 있으며 싱글암 팬터그래프 3대를 사용하여 집전하고 있으며 각 팬터그래프의 압상력(P)은 70[N] ± 5[N] 정도로 기존 운행차량에 비해 높다. 각 방식의 주요사양은 표 1과 같다.

서울교통공사 분석자료⁽⁶⁾에 의하면 역행구간에서 4호선 직류 전차선로 전동차 M Car 1량당 운행전류는 최대 631[A]로, 이를 근거로 기존 운행차량 1편성의 부하전류는 5량의 M Car에 의해 3,155[A] 정도 필요하며 팬터그래프 1대의 집전전류는 315.5[A] 정도 흐른다고 볼 수 있다.

동일 구간을 운행하게 되는 신조 시험운행 차량의 경우 동일 부하전류(3,155[A])로 계산하게 되면 편성 중앙의 팬터그래프는 1량의 M Car에, 양측의 팬터그래프는 집전하여 2량의 M Car에 전력을 공급하는 구조로 되어 있어 각각의 팬터그래프의 집전전류는 아래와 같이 구할 수 있다.

중앙 팬터그래프 : 3,155[A] × 20% = 631[A]

양측 팬터그래프(개별) : 3,155[A] × 40% = 1,262[A]

기존 운행되는 도시철도차량 대비 신조 시험차량의 경우 팬터그래프 1대당 최대 집전전류는 400%가 된다. 아크방전은 집전전류와 아크발생(이선) 시간에 비례하기 때문에 동일한 이선발생을 하게 되면 아크방전의 크기가 더욱 커지게 되어 팬터그래프뿐만 아니라 전차선에 아크 손상 피해가 커지게 된다.

또한 예전의 직류 견인전동기 MG타입의 도시철도차량에서는 1회 최대 이선 허용시간이 200[ms]였으나, 주회로 및 보조전원장치에 인버터를 사용하고 있는 VVVF 속도제어방식 도시철도차량에서는 1회 최대 이선 허용시간을 10 ~ 20[ms]이하로 규제하고 있다. M Car 1량에 2대의 팬터그래프를 설치하여 모선으로 연결하는 병렬 집전방식의 경우 1대의 팬터그래프가 이선하여도 전기적으로 팬터그래프가 연결되어 있어 아크방전이 발생되지 않아 전차선과 팬터그래프 손상이 적어 이선 저감에 효과적인 시스템이다.

신조 도시철도차량의 경우 단독 집전방식이고 싱글암 팬터그래프가 3대로 구성되어 있어 동등 편성부하로 인해 팬터그래프 1대당 집전전류가 커지며, 이선이 발생하게 되면 아크가 바로 소멸되지 않는 구조로 시험운행 시 팬터그래프뿐만 아니라 전차선에 아크로 인한 손상이 발생되었음이 분석되었다. 따라서 그림 5와 같이 신조 도시철도차량에 팬터그래프 수량 증가와 더불어 병렬 급전방식의 집전시스템 개선을 통해 이선 아크 피해를 방지하고자 하였다.

M Car 1량 당 팬터그래프 1대를 추가로 설치하고 병렬 집전방식으로 개선할 경우 동일 차량에 병렬로 결선된 2대의 팬터그래프가 동시에 이선이 발생할 경우를 제외하면 이선으로 인한 아크의 손상을 크게 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 팬터그래프 수량의 증가로 인해 팬터그래프 1대 당 집전전류 크기의 감소로 이선이 발생할 경우 아크 방전 크기를 감소시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

2.3 제안된 집전시스템에 대한 현차시험 이선아크 분석

단독 집전방식 싱글암 팬터그래프 3대를 구비한 신조 도시철도차량을 병렬 집전방식 싱글암 팬터그래프 6대로 개선하여 3호선 (삼송~대화) 및 4호선 (남태령~당고개) 운행구간에서 현차시험을 통한 이선아크 분석을 다음과 같이 구현하였다⁽⁷⁾.

시험 분석시스템은 그림 6 ~ 그림 7과 같이 아크 감지기, 카메라, 조명 등으로 구성된 검측 장치부와 전원, 신호선 및 제어선, 이선 아크 분석 시스템으로 구성된다.

시험 기준은 IEC 62486 및 국내 팬터그래프와 전차선 사이에 이선율 허용기준 NQ(Percentage of arcing)를 준용하여 아래 사항을 모두 만족하는 조건에서의 이선을 기준으로 시험하였다.

- 영업최고속도에서 10[km] 이상의 측정 구간

- 견인전동기 정격전류의 30% 이상의 전류가 흐른 시간

- 5[ms] 이상의 아크

현차시험은 그림 8와 같이 차량하중 만차 조건을 위해 차량 내부에 적정 하중을 탑재하여 이선 아크 분석을 실시하였다.

현차시험 이선 아크 분석 방법은 시험기준과 조건을 만족하는 상태에서 측정한 이선 아크에 대해 아크 분석 시스템에 현시 및 데이터화 된 값으로 분석한다.

그림 9와 같이 아크 분석 시스템의 셋팅(Setting)과 측정값은 현시 및 데이터가 축적된다.

현차시험은 운행 노선에서 영업시간 내 총 4회(11회 왕복시험)를 실시하였으며 분석 결과는 표 2와 같다.

신조 도시철도차량 집전장치를 제안된 방식으로 개선 후 현차시험 이선 아크를 분석한 결과 이선율 측정기준(NQ 0.1% 이하)에 모두 만족하였다. 그러나 시험회차를 진행할수록 유효아크 횟수 및 이선율이 증가하는 경향을 보였으며, 운행선로 방향(상, 하선별) 이선율이 표 3과 같이 상이하게 측정되었다.

상, 하선별 이선율을 분석한 결과 상선에 비해 하선이 140.7% 발생되는 것으로 나타났다. 이는 다른 요인에 비하여 그림 10과 같이 운행선로 방향별 구조적으로 전차선에 습동과 관계없는 더블암 팬터그래프에 비하여 반대방향으로 습동할 경우 취약한 구조를 가지고 있는 싱글암 팬터그래프에 있다고 판단된다.

또한 강체전차선에 원활히 습동되도록 “복원스프링, 벨로우즈스프링, 에어댐퍼” 등이 구비된 더블암 팬터그래프에 비하여 싱글암 팬터그래프의 경우 설비가 간단하여 강체전차선로에 취약한 구조를 갖고 있어 현차시험을 진행할수록 유효아크 횟수와 이선율이 증가되었다고 판단되었다.

이선을 최소화하여 접촉량 향상을 위해 기존 더블암 팬터그래프 방식에 비해 압상력(P)을 119%(110.5%~127.5) 크게 하였으나 이는 전차선과 팬터그래프 습판체 사이에 기계적 마모를 증가시킬 수 있는 요인으로 분석되었다.

총 4회의 영업시간 내 운행선로 현차시험 결과 직류 강체전차선로의 경우 적은 수량의 단독 집전방식 팬터그래프의 집전시스템은 이선 시 많은 유효 아크가 발생되어 전차선과 팬터그래프 습판체에 아크 손상이 가해져 적정치 않은 집전시스템으로 분석되었고, 이선발생율과 집전전류의 감소를 위해서는 병렬집전방식과 더불어 팬터그래프 수량의 증가가 필요하다는 것이 입증되었다.