전기철도 제동 및 경제운전

왜 배우는가: 전기철도는 운전 방식에 따라 에너지 사용량과 제동 손실이 크게 달라지므로 실무에서 에너지 비용 절감의 핵심이 된다. 열차를 안전하게 정지시키는 제동장치와 경제운전은 기술사 시험에서 반복적으로 출제되는 주제다.

출제 이력: 제116회 4교시 6번, 제97회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기철도 제동은 전동기를 이용해 열차 속도를 줄이고 정지시키는 장치와 방법의 총칭이며, 경제운전은 제동 손실을 줄이고 운동에너지를 활용하여 전력 사용량을 낮추는 운전 방식이다.

• 상용제동, 비상제동, 회생제동, 타행운전, 피크전력, 회생에너지 저장장치, 제동 손실, 전력 회생

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 열차를 멈추는 데는 브레이크가 필요하고, 그 브레이크를 잘 골라 쓰면 전기를 아낄 수 있다는 뜻이다. 전기철도에서 제동은 크게 상용제동과 비상제동으로 나뉜다. 상용제동은 평소 속도를 조절하고 정차시키는 제동이고, 비상제동은 사고 등 긴급 상황에서 상용제동보다 강하게 작용하는 제동이다.

비상제동(Emergency Brake)은 철도차량에 사고 등 긴급사태가 발생했을 때 쓰는 제동방식이다. 대부분 상용제동보다 강하게 제동한다. 열차를 가장 짧은 거리에서 세워야 하므로 제동 능력의 여유가 설계에 반영된다.

회생제동(Regenerative Braking)은 주행 중인 전동기를 발전기로 작동시켜 운동에너지를 전기에너지로 바꾸고, 이를 가선으로 되돌려 제동력을 얻는 방식이다. 회수된 전력은 같은 선로의 다른 열차가 쓸 수 있어 에너지 절감과 직결된다. 회생전력을 소비할 곳이 없으면 가선전압이 올라가므로 저항기로 열처리하거나 저장장치로 보낸다.

타행운전(Coasting)은 동력을 끊고 관성으로 진행하는 운전이다. 제동을 하지 않고 운동에너지를 주행 저항으로 서서히 소모하므로 제동 손실이 줄어든다.

피크전력은 과금기간 중 매 15분 평균전력 가운데 가장 높은 값이다. 전기요금의 기본요금이 이 값으로 정해지므로 순간적으로 높은 전력을 낮추는 것이 경제운전의 중요한 목표가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

철도부하는 기동과 제동이 잦아 소비전력에 비해 많은 회생전력을 낸다. 한 열차가 제동하는 시점에 인근 열차가 기동하지 않으면 회생전력은 소비되지 못하고 가선전압을 올린다. 이를 막기 위해 초퍼 저항으로 열을 내어 버리는 방식이 쓰여 왔다. 이 방식은 에너지를 버리는 셈이어서 효율 관점에서 문제가 된다.

도시철도는 전기요금 가운데 인건비를 제외하면 가장 큰 비중을 차지하는 것이 전력비다. 대용량 단일 수용가로서 평균 전력보다 피크 전력에 따라 기본요금이 정해진다. 따라서 회생전력을 저장하거나 다른 열차에 바로 공급해 피크를 낮추는 것이 비용 절감의 시작점이 된다.

매 15분 평균전력의 최대값이 기본요금 산정의 기준이 되는 피크전력이다.

또한 회생에너지 저장장치는 기동 시 에너지를 공급해 기동에 필요한 에너지를 줄이고, 가선전압 변동을 안정한 범위로 제한하는 역할도 한다. 다만 모든 회생에너지를 저장할 만큼의 장치는 설치비와 유지보수비가 높으므로 경제성 검토가 함께 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

전기철도 제동은 운동에너지를 줄이는 방식에 따라 회생제동, 발전제동, 기계제동(공기제동)으로 나뉜다. 세 방식은 함께 쓰이며, 상용제동과 비상제동의 역할이 다르다. 각 방식의 구성요소는 다음과 같다.

회생제동은 제동 시 전동기를 발전기로 작동시킨다. 전동기에 생기는 역기전력으로 전류를 만들고, 이 전류를 가선에 되돌려 보낸다. 운동에너지는 다음 식으로 표시된다.

$E_k = \frac{1}{2} m v^2$

여기서 E_k는 운동에너지(J), m은 열차 질량(kg), v는 속도(m/s)이다. 질량과 속도의 제곱에 비례하므로 무거운 열차가 고속으로 달릴수록 회수 가능한 에너지가 크다. 가선이 회생전력을 받아들이지 못하면 제동저항에서 열로 버려진다.

회생제동은 운동에너지를 전기에너지로 바꿔 가선에 돌려보내는 전기제동이다

발전제동은 전동기를 발전기로 동작시키되 전력을 저항에 흘려 열로 소비한다. 가선에 전력을 돌려보내지 않으므로 가선 전압 상승 문제가 없다. 기계제동은 제륜자와 차륜 또는 제동판의 마찰로 감속한다. 열에너지로 바뀌어 회수되지 않으며, 비상제동과 정차 유지에 쓰인다.

제동 운전의 절차는 다음과 같다.

• 운전자가 제동 지령을 낸다(상용제동 단계 선택).
• 제어장치가 전동기를 발전기 모드로 전환하고 제동력을 결정한다.
• 인근 차량이 역행 중이면 회생전력을 그 차량에 바로 공급한다.
• 흡수할 차량이 없으면 가선 전압을 감시하고 제동저항으로 전력을 소비한다.
• 속도가 낮아지면 회생에서 기계제동으로 이어 받아 정차시킨다.
• 긴급사태에서는 비상제동을 체결해 상용제동보다 강하게 정지시킨다.

이 절차의 핵심은 회생전력을 인근 차량이 쓰도록 하는 것이다. 제동 차량과 역행 차량이 같은 시간대에 있을 때 회수율이 높아진다.

회생전력 회수율 93.3%(연구 결과)는 에너지저장 및 전력 재배분을 적용한 경우의 값이다. 일반 열차에서는 이보다 낮게 나타난다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기철도 제동과 운전에 관련된 법령과 기준은 다음과 같다. 제동 장치 자체의 성능 기준은 철도차량 기준에서 정하며, 운전 측면의 기준은 철도차량운전규칙과 도시철도운전규칙에 있다.

표의 값 중 회생제동 효과는 국제 자료의 추정치다. 법적 기준이 아니므로 답안에서는 '효과가 있다'는 원리 설명에만 쓴다. 철도차량운전규칙 제35조는 2021-10-26에 개정됐다. 제13조는 2010-10-18 개정 이후 무인운전 경우가 추가됐다.

운전제한속도를 정하는 주체는 철도운영자다. 열차 운전속도와 운전제한속도를 구분해 기억해야 한다. 전자는 상시 기준이고, 후자는 특정 운전 방법에 따른 제한이다.

6. 유형과 비교

전기철도의 제동장치는 크게 기계식(마찰) 제동과 전기식 제동으로 나뉜다. 기계식 제동에는 공기제동(자동공기제동, 전자직통제동 등)과 디스크·답면 제동이 있고, 전기식 제동에는 발전제동과 회생제동이 있다. 기계식 제동은 운동에너지를 열로 버리고, 전기식 제동은 전기에너지로 되돌리거나 저항에서 열로 소비한다는 점이 핵심 차이다.