영구신장조성(Pre-stretch)

왜 배우는가: 영구신장조성은 전차선로 본선 공사에서 가선 직후의 신장을 제거하는 공정이므로, 준공 후 전차선 높이와 장력을 설계값대로 유지하는 데 직결된다. 이 개념은 정의, 시행방법, 장력과 시간 조건을 함께 묻는 방식으로 반복해서 출제되므로 세 가지를 연결해 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 1교시 2번, 제113회 4교시 5번, 제95회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

영구신장조성은 가공전차선로 본선에서 전차선과 조가선을 가선한 뒤 인위적으로 장력을 가해 영구 신장을 미리 제거하는 작업이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 영구신장조성(Pre-stretch)
• 영구 신장
• 소성 변형
• 크리프
• 이도
• 자동장력조정장치

2. 개념 풀이

영구신장조성은 전차선과 조가선을 설치한 뒤 설계 장력보다 높은 장력을 일정 시간 가해 선재에 소성 변형과 크리프를 미리 일으키고, 이 신장을 제거한 상태에서 설계 장력에 맞추는 공정이다. 가선 후 시간이 지나면서 누적될 신장을 공사 단계에서 앞당겨 끝내는 것이 핵심이다. 그래서 준공 후 장력과 이도가 시간에 따라 크게 변하지 않는다.

금속 선재에 응력을 가하면 먼저 응력과 변형률이 비례하는 탄성 변형이 나타나고, 응력이 항복 수준을 넘으면 하중을 제거해도 되돌아가지 않는 소성 변형이 남는다. 응력-변형률 곡선에서 직선 구간의 기울기가 탄성계수(영률)이다. 가선 직후에는 소성 변형과 함께 조가선 같은 연선의 소선이 자리를 잡으면서 신장이 빠르게 일어난다.

크리프는 일정한 하중을 장시간 받을 때 변형이 시간에 따라 증가하는 현상이다. 크리프 곡선은 변형이 빠르게 늘어나는 1차 크리프, 변형률이 거의 일정한 2차 크리프, 파단에 이르는 가속 구간인 3차 크리프로 나뉜다. 전차선은 가선 장력을 장기간 받으므로 1차와 2차 구간에서 누적된 변형이 준공 후의 신장으로 나타난다. 크리프 속도는 온도와 하중이 높을수록 빨라진다.

영구 신장이 남으면 가선의 실제 장력은 설계값보다 낮아지고, 같은 경간에서 이도가 커진다. 이도가 커지면 전차선 높이와 편위가 설계 기준에서 벗어나 팬터그래프와의 접촉 상태가 나빠진다. 영구신장조성은 이 신장을 준공 전에 미리 제거하는 공정이다.

영구 신장은 외력을 제거한 뒤에도 남는 선재 길이의 증가분이다. 소성 변형과 크리프가 누적된 결과이며, 가선 장력을 설계값에서 벗어나게 하는 주된 원인이 된다.

소성 변형은 항복 응력을 넘는 하중으로 재료 내부 구조가 바뀌어, 하중을 제거해도 원래 모양으로 돌아가지 않는 변형이다. 금속은 소성 변형이 진행되면 가공 경화가 일어나 같은 변형을 만들려면 더 큰 응력이 필요해진다.

크리프는 일정한 응력과 온도에서 시간에 따라 변형률이 증가하는 현상이다. 결정립계 미끄러짐, 원자의 확산, 전위의 상승이 원인이며 온도와 하중이 높을수록 진행 속도가 빨라진다.

이도는 전차선이 두 지지점 사이에서 자중으로 처지는 정도이다. 장력이 클수록 이도가 작아지므로, 장력을 설계값으로 유지하는 것이 이도를 기준값에 맞추는 전제이다.

자동장력조정장치는 온도 변화에 따른 장력 변동을 보상하는 장치이다. 추나 스프링을 이용해 온도와 무관하게 장력을 거의 일정하게 유지하며, 영구 신장을 제거하는 것을 목적으로 하지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

가공전차선은 지지 구조물 사이에 매달린 긴 선재이므로 설치 직후부터 자중과 장력에 의해 신장한다. 전차선은 주로 구리 계열 선재를 쓰고 조가선은 청동 등 강도가 높은 선재를 써서 두 선재의 신장 거동이 서로 다르다. 그래서 두 선을 모두 공사 중에 신장을 제거하는 대상으로 본다.

고속 주행에서는 파동전파속도와 장력이 이선현상을 좌우한다. 파동전파속도는 장력의 제곱근에 비례한다. 따라서 장력을 높이면 파동이 빠르게 전파되어 임계속도가 올라간다. 1990년 TGV 기록 시험선로에서는 전차선 장력을 높여 임계속도를 끌어올린 사례가 있다.

가선 직후 영구 신장이 그대로 남으면 장력이 설계값에서 벗어나고, 이도와 높이가 시간에 따라 함께 변한다. 가선 후 신장을 방치하면 이도와 장력이 시간에 따라 변해 이선과 접촉 불량을 일으킨다. 이 변화를 준공 후 조정으로 맞추려면 측정과 재조정을 반복해야 하므로 유지관리 부담이 커진다. 따라서 가선 공사 중에 신장을 미리 제거하는 것이 합리적이다.