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「철도의 꽃」으로 불리는 고속철도. 오는 2001년이면 승객 1천명을 태운 고속전철이 서울과 부산을 오고간다. 하루 평균 수송인원은 50만명. 서울과 부산 사이를 1시간 40분만에 주파, 두 도시 사이를 반나절 생활권으로 묶어줄 「탄환열차」 TGV는 일반철도와 기술에서 다른 점이 한두 가지가 아니다.
고속철도와 일반철도를 구분하는 명확한 속도한계는 없다. 그러나 일반철도에서 주행가능한 최고속도가 시속 약 2백㎞인 점을 감안할 때 그 이상으로 운행되는 철도를 고속 철도라고 한다.
최고속도가 시속 2백㎞를 넘어서면 일반철도에서는 볼 수 없는 문제점들이 발생한다. 고속주행을 위해서는 이에 대한 대책이 완벽하게 수립돼야만 하므로 단순히 차량의 속도만 높이는 것으로 성능향상을 이루기란 불가능하다.
따라서 고속철도는 차량의 운행속도가 높아야 할 뿐 아니라 궤도를 포함한 각종 구조물들과 신호, 급전설비 등의 전기 시설물들이 고속주행에 적합하게 완전히 새로 건설되고 제작되거나 대폭 수정된 철도시스템을 의미한다. 고속철도는 일반철도와 무엇이 다른지 TGV를 중심으로 주요 특징을 차량 전기신호 건설 분야로 구분해 알아보자.
차량의 특징
고속차량의 기술특징은 낮은 주행저항(공기저항)과 고출력, 높은 제동성능, 고속대차(高速臺車), 경량화, 기밀구조(氣密構造), 고속집전성능(高速集電性能), 환경대책 등을 들 수 있다(표1).
낮은 주행저항
열차가 고속으로 운행될수록 주행저항이 급격히 증가된다.
주행저항은 기계저항과 공기저항으로 구분되는데, 고속으로 달릴수록 공기저항이 차지하는 비중이 커진다. 그러므로 고속철도에서는 공기저항을 줄이는 일이 매우 중요하다. 고속차량은 공기저항 감소를 위해 다음과 같이 설계·제작됐다.
○ 선두부 형상 유선형 설계
○ 열차 외부의 돌출부를 최대한 줄이고 차체 사이의 연결부도 같은 평면으로 제작
○ 팬터그래프(集電器) 공력설계와 사용 팬터그래프수 저감
○ 차체 단면 감소
○ 두 차체 사이의 간격 축소와 상대 운동감소
고출력 동력장치
많은 승객을 태우고 고속으로 운행하는 고속철도는 일반철도보다 두 배 이상의 높은 출력을 낼 수 있어야 하므로 동력장치의 출력증대가 필수적이다.
전력 변환장치는 최근 급속히 발달하는 전력전자 기술을 활용한 VVVF(가변전압가변주파수) 인버터 구동 시스템을 많이 사용한다. 이 시스템의 특징은 주회로 무접점화를 통한 경량화와 보수유지 단순화, 손실 최소화 등이다.
견인전동기는 직류 직권 전동기(直流直捲電動機)가 주로 사용돼 왔으나 인버터 기술의 발달에 힘입어 고속성과 고출력 경량화 및 보수유지 측면에서 절대적으로 유리한 교류전동기가 주로 사용되고 있다. 동력장치는 일반철도와 고속철도가 다 같이 VVVF 인버터와 교류전동기를 사용하는 추세다.
높은 제동성능
최근에는 일반철도와 고속철도 모두 전기제동과 마찰제동을 함께 설치한다. 그리하여 평상시에는 마모부위를 줄일 수 있고 회생전력*을 얻을 수 있는 전기제동을 주로 사용하며, 매우 저속인 경우에는 신뢰성이 높은 마찰제동을 사용한다.
동력차에서는 회생제동*을 주로 사용하며 회생이 불가능한 경우에는 저항제동이나 마찰제동을 사용하기도 한다. 부수차는 디스크제동장치를 주로 사용하며 점착한계 이상의 제동성을 확보하기 위해서는 와전류(渦電流·맴돌이 전류)를 이용한 궤도 브레이크를 사용하기도 한다.
고속대차
TGV의 대차(臺車)*는 관절대차(關節臺車)를 채용하고 있다. 관절대차는 2개의 차체가 대차 1대를 상호 공용하는 구조의 차량을 말한다. 이 대차는 TGV의 상징으로 통할 정도로 특수한 점 가운데 하나다.
TGV는 이 대차를 사용함으로써 대차의 개수가 줄어 차량 중량이 감소됐다. 또 2차 현가장치(懸架裝置)*를 설치할 충분한 공간을 확보해 승차감 향상이 이루어졌으며 차체 및 질량 중심이 낮아져 승객의 편리와 주행안전성을 향상시켰다.
경량화
고속철도의 경량화는 주행저항 저감에 따른 에너지 소모의 감소효과뿐만 아니라 궤도파손의 억제측면에서 매우 중요하다. 특히 전체적인 차량 중량보다는 축중(軸重·바퀴축 무게)과 스프링하 질량*의 경량화가 더욱 의미 있게 된다.
차체의 경량화는 알루미늄 합금 등의 경합금재를 과감하게 사용함으로써, 전기기기 경량화는 동력변환장치에 최근 급격하게 발달하고 있는 전력 전자제어용 반도체를 활용함으로써 얻어진다.
스프링하 질량의 감소는 견인전동기 탑재방식을 차체 또는 대차 탑재방식으로 함으로써 효과를 볼 수 있다.
기밀(氣密)구조
차량이 고속으로 터널에 진입하면 차체 외부의 압력이 급격히 변화하므로 차량 내부의 압력도 함께 변화하게 된다. 이러한 현상은 터널 내부에서 차량이 교행하는 경우 더욱 심각하게 발생한다. 객실 내부에서의 압력변화는 승객에게 이명현상을 발생시키며 압력의 변동량이 어느 한도를 넘으면 귀에 이상을 느끼게 한다.
고속차량은 일차적으로 외부에서 변화하는 압력에 견뎌야 하므로 내압구조(耐壓構造)로 돼 있다. 또한 차체뿐만 아니라 출입문과 창문 등 모든 외부 노출 구조물들은 높은 압력변동에 견딜 수 있는 구조로 돼 있다.
차량 내부의 기밀을 유지하기 위한 대책으로는 첫째 차체구조가 기밀구조로 제작돼야 한다(표2). 이는 강재차량이나 알루미늄 차량의 연속용접을 통해 가능하다. 연속용접이 곤란한 스테인레스 차량은 고속차량으로 부적합하다.
고속집전성능
차량의 주행속도가 가선(架線)의 파동전파(波動傳播)속도를 넘는 경우에는 가선과 팬터그래프 사이에 공진(共振)이 발생, 이선(離線)이 생기게 된다. 이선발생은 동력공급을 차단함으로써 차량의 운행에 방해를 줄 뿐 아니라 아크(arc·전기불꽃)를 수반한다. 이는 가선과 팬터그래프의 마모를 증대시키며 소음, 전자파 등을 발생시켜 공해를 유발한다.
이선의 방지는 곧 팬터그래프가 가선을 잘 추종하는 것을 의미한다. 이를 위해서는 팬터그래프 가동부(차량의 운동과는 별도로 가선의 변위를 따라 움직일 수 있는 부위) 질량과 가동부의 마찰저항을 최소화해 가선의 수직변위를 팬터그래프가 잘 따라갈 수 있도록 한다.
팬터그래프의 수가 많고 간격이 짧은 경우에는 선두부의 팬터그래프가 후부 팬터그래프의 집전을 방해하는 경우가 많은데, TGV는 한 개의 팬터그래프를 사용하고 있다.
차량소음대책
차량의 소음원은 차륜과 레일 사이에서 발생하는 전동음(轉動音)과 차체 외부에서 공기와의 마찰로 인해 발생하는 공력음(空力音), 집전장치에서 나는 집전음으로 이루어진다. 집전음은 이선에 의한 아크음, 팬터그래프 공력음(공기 진동으로 전파되는 소음)으로 나눈다.
고속철도는 차량소음의 종류 따라 다음과 같은 주요 저감대책을 채택하고 있다.
전동음 : - 차륜과 레일의 표면 평활도 유지
- 댐팽차륜*을 사용해 차륜의 진동으로 인한 소음발생 방지
- 주요 연결부위에 고무요소를 삽입해 소음전달 차단
공력음 : - 선두부 유선형 설계
- 차체의 단면축소
- 차체표면 평활화
- 차체하부 커버 사용
집전음 : - 팬터그래프에 커버를 사용해 공력음 최소화
- 이선방지로 아크음 최소화
신호시스템
철도신호 시스템은 열차운행에 따른 안정성확보와 수송효율을 높이는 데 핵심적 역할을 한다. 신호 시스템은 크게 연동장치 신호기장치 전철장치(轉轍裝置) 궤도회로장치 폐쇄장치 CTC장치(열차집중 제어장치) 등으로 분류할 수 있다. 기존 신호방식과 비교되는 고속철도 신호방식의 주요 특징은 다음과 같다.
차상신호방식
일반철도의 신호방식은 선로변 일정 구간마다 신호기를 설치하고 열차의 운전조건을 색깔이나 모양으로 표시, 기관사가 이들 신호기의 지시를 인지해 열차를 제어하는 방식이다. 그러나 차량의 속도가 시속 2백㎞ 이상 되는 고속에서는 지상신호기 방식은 적당치 않게 돼 지상의 제반 운전조건에 구간별 허용속도를 차량으로 전송, 기관석에 표시하는 차상신호방식(車上信號方式)을 사용하게 된다.
열차 자동제어 장치(ATC)
일반철도에서는 기관사의 실수로 정지지점을 통과한 경우 자동열차정지장치(ATS)에 의해 열차가 정지된다. 그러나 고속철도에서는 각 구간별 허용속도가 기관석에 표시되고 실제 열차속도가 허용속도를 초과할 경우 자동으로 제어를 걸어 허용속도 이내에서 운행토록하는 자동열차제어장치를 채택하고 있다.
연속적인 신호표시
기존 신호방식에서는 기관사가 차량을 제어할 수 있는 지점이 신호기 가시구간 이내로 제한돼 불연속적으로 열차가 제어된다. 그러나 고속철도에서는 궤도회로나 다른 정보전달 방식을 이용, 운행 전구간에서 연속적으로 차상신호를 표시한다. 따라서 차량을 연속적으로 제어할 수 있어서 운행효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기관사의 순간적인 실수로부터 열차의 안전운전을 확보할 수 있다.
페일 세이프 실현
기존선에서는 계전기(繼電器)의 페일세이프(Fail-Safe, 자동안전장치)성을 이용해 고장발생시 안전측(정지)으로 동작시킨다. 그러나 고속철도에서는 전자장비가 주종을 이루고 있기 때문에 페일 세이프를 구현하면서 고장시 시스템 정지를 막기 위해 1개의 기능을 2개 또는 그 이상의 회로로 구성한 백업시스템을 채택한다. 이는 1개 회로가 고장났을 때 여분의 회로가 자동투입돼 시스템이 정지되는 것을 방지해 준다.
전기공급시스템
전기공 설비는 발전소나 변전소로부터 공급되는 전원을 차량이 사용가능한 전압으로 바꾸어 적절하게 전차선에 공급하는 변전설비와 이를 차량에 직접 공급하기 위해 선로 주변에 설치되는 전차선 설비로 구성된다.
변전설비
고속철도에서는 부하전류가 매우 크기 때문에 급전(給電)거리 변압기용량 변전소용량 등에서 일반철도와 현저한 차이를 가진다. 주변압기의 경우는 일반철도보다 3배 정도의 용량을 갖는다.
일반철도의 급전방식에는 BT방식(吸上變壓器)*과 AT방식(單捲變壓器)*이 병존하고 있으며 BT방식에 비해 AT방식은 급전거리가 길기 때문에 상대적으로 변전소 간격을 멀리할 수 있다.
고속철도에서는 장거리의 경제적 급전 변전소 수의 경감, 유도장애의 경감 등의 측면에서 AT방식을 채택하고 있다.
전차선 설비
고속전철은 부하전류가 크고 고장력(高張力) 전차선을 사용하기 때문에 전차선 설비에 포함되는 모든 구성품은 전기적 강도를 가질 뿐만 아니라 이를 물리적으로 지지할 수 있도록 기계적 강도도 충분하다.
급전구간을 구분하기 위한 설비로 일반철도에서는 애자형 구분장치, 공기절연 구분장치, FRP 구분장치 등 다양하게 사용하나 고속철도에서는 공기절연 구분장치를 사용한다.
팬터그래프의 이선을 최소화하기 위해서는 우선 전차선의 장력이 커야 하며 전차선의 형상이나 위치 등도 급격하게 변화하지 않는 구조여야 한다.
유도장애 대책
가선을 흐르는 고주파 전류에 의한 전화선 등의 장해가 전기적 유도장해다. 이는 일반철도나 고속철도 모두 교류 급전방식에서는 피할 수 없는 현상이다. 정전유도에 의한 장해는 전압의 크기에 비례하는데, 통신선과 전차선을 멀리 떨어지게 하든가 절연 케이블을 사용함에 따라 차폐가 가능하다. 전자유도에 의한 장애는 전류의 크기에 비례하는데, BT／AT변압기를 사용해 레일에 흐르는 귀선 전류를 크게 하고 누설전류를 적게 함으로써 최소화할 수 있다.
궤도설치·방진대책
건설분야에서 고속철도용 구조물은 일반철도용 구조물을 설계 시공할 때와는 달리 적절한 방음, 방진(防振) 대책을 강구해야 한다. 또 승차감과 속도향상을 도모하기 위한 레일의 장대화(長大化) 및 대형사고를 미연에 방지하기 위한 철저하고 엄격한 유지관리 시스템을 구축해야 한다(표3).
궤도구조
일반철도와 고속철도에 사용되는 궤도구조의 주요 차이점은 (표4)와 같다. 일반철도와 고속철도의 연계성을 고려해 궤간은 모두 표준궤간을 사용하고, 레일은 선로감도 확보 및 진동을 억제하기 위해 고속철도의 경우 전구간에 60㎏／m급 장대레일(길이 2백m 이상되는 레일)을 사용한다.
그리고 열차의 고속주행에 의한 소음·진동을 억제하고 충격을 완화시키기 위해 면적이 넓고 무거운 PC침목(강철선 콘크리트 침목), 2중탄성 체결정치(二重彈性 締結裝置), 두꺼운 도상(道床)을 채용한다. 또 분기기(分岐器) 통과시 충격, 소음을 감소시키기 위해 탄성포인트(轉轍機)와 노즈(nose) 가동 크로싱을 사용한다(그림1).
궤도회로 구성
일반철도와 TGV 궤도회로의 차이는 다음과 같다.
일반철도 : 접착절연레일, 열차위치 정보만 알 수 있음(ATS)
TGV : 무절연 방식. 열차위치 속도 분기기 개통 등 다양한 정보취급(ATC)
레일용접
시공현장과 기지에서 행하는 레일용접의 주요 차이점은 (표5)와 같다.
최소 곡선 방경
철도선로는 고속주행을 위해 가능한 한 직선으로 시공한다. 그러나 지형과 장애물 등으로 인해 방향을 전환해야 할 때에는 부득이 곡선으로 부설한다. 이때 곡선반경은 운전 선로 보수 및 고속주행할 때에는 큰 것이 좋으나 동력소모 및 건설비용이 증가하므로 가급적 작은 것이 좋다.
일반철도 : 4백m
TGV : 4천m
캔트
열차가 곡선구간을 주행하면 원심력이 곡선 외측으로 작용해 탈선할 위험이 발생한다. 뿐만 아니라 열차의 중량과 횡압이 곡선 외측 레일에 부담을 크게 주어 궤도를 파괴하고 열차내 승객의 승차감을 해친다.
이를 해소하기 위해 (그림2)와 같이 곡선 외측 레일을 내측 레일보다 높여 주는 적당한 캔트량을 설정해야 한다.
일반철도 : 160㎜ 이하
TGV : 180㎜ 이하
선로구배
선로의 구배(句配) : 수평거리에 대한 고저차)는 최소 곡선반경보다도 수송력에 직접적인 영향을 주므로 가능한 한 수평에 가깝도록 한다. 그러나 전구간을 수평으로 하면 큰 토공과 장대터널을 필요로 하게 돼 건설비가 많이 소요된다.
완만한 구배는 기관차의 견인력에 큰 영향을 주지 않으며 배수상(排水上)으로도 필요하다.
일반철도 : 12.5‰
TGV : 35‰
궤도중심 간격
궤도가 2선 이상 부설됐을 때 각 선의 중심간 거리를 말한다. 궤도중심 간격은 열차의 교행에 지장이 없는 차량정비 및 입환작업(入換作業)을 할 수 있는 여유가 있어야 한다. 그러나 너무 넓으면 용지비와 건설비가 증가한다.
일반철도 : 4m
TGV : 5m
시공기면 및 선로단면
시공기면(施工基面)이란 선로중심선에서의 노반의 높이를 표시하는 표준면을 말한다. (그림3)은 일반철도와 고속철도의 시공기면 및 선로단면을 보여준다. 고속철도의 경우 일반철도에 비해 큰 충격과 진동이 발생한다. 그러므로 이로 인한 노반의 침하 및 선로구조물의 손상을 방지하기 위해 보호토층을 설치하거나 도상 두께를 확대하는 등 강화노반을 사용해야 한다.
터널
열차가 터널 내를 고속으로 주행할 때 발생하는 현상은 열차의 속도에 따라 급속히 증가한다. 그러므로 고속철도의 경우 일반철도에 비해 큰 단면을 사용해야 한다. 또 소음과 진동 및 공기압력을 줄일 수 있도록 흡음재를 설치하거나 적절한 소음, 진동대책을 강구해야 한다.
일반철도 : 57㎡(최소터널 단면적)
TGV : 100㎡
교량
열차가 교량 위를 시속 2백㎞ 이상 고속주행하면 교량에는 상당한 양의 상하진동, 수평진동 비틂진동 및 충격이 발생한다. 따라서 고속철도에는 횡·종방향 강성 및 비틂강성이 크고 하중 분배능력이 우수한 교량을 사용해야 한다. 이에 가장 적합한 교량이 PC(Prestressed Concrete)박스 거더교다 (그림4).
소음과 진동
소음과 진동은 속도에 따라 그 크기가 급속히 증가하므로 선로를 부설할 때 이와 관련된 대책이 매우 긴요하다. 일반적인 소음대책으로는 강재구조물(鋼材構造物)을 사용하지 않음으로써 구조물에서 발생하는 소음을 최소화하는 것을 들 수 있다. 차량이나 궤도에서 발생된 방음벽을 이용해 최대한 차단한다.
진동의 경우는 레일 체결장치 침목 도상 및 노반 등의 경계 부위에 방진재를 삽입하고 레일을 장대화 중량화시키며 궤도불규칙도를 일정한도 이내로 유지해 진동발생을 최소화한다. 구조물 측면에서의 방진대책으로는 강화노반과 탄성지지교량 사용 및 터널 구조물 중량화와 이중측벽 등을 들 수 있다.
용어의 정리
* 회생전력:제동시에 견인전동기를 발전기와 같은 역할을 하도록 해 즉, 전기자(電機子)의 역토크를 이용해 얻은 전기
* 회생제동:견인전동기의 전기자의 역토크를 이용해 제동력을 얻는 방식
* 대차:차체를 지지하고 궤도 위를 주행하는 데 필요한 전동기. 브레이크 장치 및 차륜 등을 구비한 차
* 현가장치:차대(車臺)의 프레임에 차륜을 고정함과 노면에서의 진동이 직접 차체에 닿지 않도록 하는 완충장치
* 스프링하 질량:(unspring mass) 차량 질량 중에서 스프링을 거치지 않고 레일에 직접 작용하는 부품의 총질량으로 윤축(輪軸)과 베어링, 축상의 질량 등이 포함된다.
* 댐핑(damping)차륜: 차륜면을 진동과 소음이 저감되도록 특수처리해서 만든 바퀴.
* 흡상변압기:통신유도 장해를 고려해 자기적(磁氣的)으로 밀접하게 제작한 권수비(捲敎比) 1:1의 변압기
* 단권변압기:1,2차 회로가 절연돼 있지 않고 코일의 일부를 공통 전로(電路)로 하는 변압기
* 플래시버트(flash butt)용접:전기저항을 이용해 용접부에 고열을 발생시켜 고압으로 레일을 압착시키는 방법
* 테르미트(thermit)용접: 산화철과 알루미늄 간에서 일어나는 약 2천℃에서의 화학반응으로 용융철을 얻어 용접하는 방법
