전기철도 급전 방식

왜 배우는가: 전기철도의 급전 방식은 전차선에 전력을 어떻게 공급하고 회수하는지를 정하며, 변전소 간격, 통신유도장해, 전식, 절연 구간 운용까지 설계 전반을 좌우한다. 2교시와 4교시에서 반복적으로 출제되는 기본 개념이므로 정의와 방식 비교를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 2교시 5번, 제124회 4교시 2번, 제119회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기철도 급전 방식은 변전소에서 만든 전력을 전차선에 공급하고 레일 등을 통해 귀선시키는 전력 공급 체계로, 직류 방식과 교류 방식으로 나뉜다.

• 핵심 키워드: 급전 방식, 직류 급전, 교류 급전, 단상 교류 25kV, AT 급전방식, 귀선, 절연 구간(Dead Section), 전식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전차선에 전기를 보내는 방법을 정한 것이다. 전기철도는 열차가 달리는 동안 전차선과 집전장치(팬터그래프)가 접촉하면서 전력을 받는다. 그래서 전압의 종류와 크기, 전류가 되돌아오는 경로를 어떻게 잡을지가 급전 방식의 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 급전 방식은 변전소에서 전차선로에 전력을 공급하는 전압·전류 형태와 귀선 회로의 구성 방법을 말한다. 전기철도는 송전·변전·전차선 등 일반철도에 없는 특수설비를 갖추므로, 급전 방식 선정이 투자비와 운영 특성을 함께 결정한다.

직류 급전 방식은 변전소에서 교류를 정류기로 직류로 바꾸어 전차선에 공급하는 방식이다. 직류 모터를 쓰는 차량에 적합하고, 복수의 변전소에서 병렬로 급전할 수 있어 용장성이 있다. 다만 저전압·대전류가 되므로 송전손실이 커서 변전소를 촘촘히 두어야 한다.

교류 급전 방식은 상용 교류를 변압해 전차선에 공급하는 방식이다. 고전압을 쓸 수 있어 같은 전력을 적은 전류로 보낼 수 있고, 변전소 간격을 넓힐 수 있다. 국내 간선철도의 표준은 단상 교류 25kV, 60Hz 방식이다.

절연 구간(Dead Section)은 서로 다른 변전소나 상(位相)의 급전 구간이 만나는 곳에서 전기적으로 끊어 둔 구간이다. 열차가 이 구간을 지날 때는 전력이 공급되지 않으므로 관성으로 주행해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 철도는 증기기관차나 디젤기관차로 운행했으나, 도시 교통과 대량 수송이 필요해지면서 전기철도가 도입됐다. 전기철도는 출력 밀도가 높고 가속이 빠르며 배출가스가 없어 도시철도와 고속철도에 널리 쓰인다. 전차선으로 전력을 공급하는 구조는 급전 방식에 따라 설비 규모와 운영 성능이 달라지므로, 방식 선정이 초기 설계의 중요한 과제가 된다.

직류 방식은 저전압 설비를 쓰므로 절연 이격이 쉽고 통신유도장해가 적다는 장점이 있다. 반면 전압 강하가 크고, 전식을 일으키며, 변전소 수가 늘어나는 단점이 있다. 교류 방식은 고전압 송전으로 손실이 적고 변전소 간격을 늘릴 수 있지만, 통신유도장해와 절연 이격 거리 확보가 필요하다. 직류와 교류의 차이는 전압 수준이 송전 손실, 절연, 유도장해, 전식을 함께 바꾸는 데 있다.

고속화와 대용량 수송 요구가 커지면서 대전력을 안정적으로 공급할 수 있는 교류 방식이 간선철도의 기본이 되었다. 이 때문에 교류 급전의 전압 강하와 통신유도장해를 줄이려는 보완 방식이 함께 발전했다.