전철변전소 위치·용량 선정

왜 배우는가: 전철변전소 위치와 용량은 전기철도의 전력 공급 신뢰도와 건설비를 함께 좌우하는 설계 결정이다. 위치 고려사항, 용량 기준, 최대출력 개념이 한 개념으로 묶여 5개 회차에 걸쳐 출제된 개념이다.

출제 이력: 제131회 4교시 1번, 제128회 4교시 3번, 제121회 1교시 7번, 제121회 3교시 5번, 제110회 2교시 1번, 제100회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전철변전소 위치·용량 선정은 전차선에 전력을 공급하는 전철변전소의 설치 위치와 급전용 주변압기 용량을 열차 부하에 맞춰 정하는 작업이다.

답안 첫 줄은 이 정의로 시작한다. 이 절에서 쓰는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전철변전소: 전력계통에서 받은 전기를 전기철도 급전에 맞는 전압으로 변성하여 급전회로에 공급하는 변전설비이다.
• 급전용 주변압기: 전철변전소에서 급전구간에 직접 전력을 공급하는 변압기이다.
• 뱅크 구성: 주변압기를 여러 대 묶어 하나의 뱅크로 운용하는 구성 방식이다.
• 예비용 변압기: 주변압기의 고장이나 점검에 대비하여 따로 두는 변압기이다.
• 급전구간: 한 전철변전소가 전력을 공급하는 전차선 구간이다.
• 1시간 최대출력: 급전구간의 정상적인 열차부하 조건에서 1시간 동안 나타나는 최대 출력이다.
• 순간 최대출력: 열차 운행 중 짧은 순간에 나타나는 최대 출력이다.

키워드는 답안에 쓰는 용어 그대로 사용해야 한다. 같은 개념을 다른 말로 바꿔 쓰면 채점에서 혼동을 줄 수 있으므로, 용어를 정확히 맞추는 것이 첫 단계이다.

2. 개념 풀이

전철변전소는 전력계통에서 받은 교류 전력을 전기철도 급전에 맞게 변성하여 전차선과 급전선에 공급하는 설비이다. 위치와 용량은 열차가 운행하는 급전구간의 전력 수요를 감당하도록 정하는 것이 핵심이다. 두 값은 따로 정하지 않고 묶어서 검토한다. 위치가 멀어지면 같은 용량이라도 말단 열차에 공급되는 전압이 낮아지고, 용량이 작으면 변전소를 더 촘촘히 배치해야 하기 때문이다.

원리는 열차가 전차선에서 전력을 끌어 쓰는 구조에 있다. 열차는 움직이면서 부하가 계속 바뀌고, 변전소에서 멀어진 구간일수록 전차선의 전압 강하와 전력 손실이 커진다. 따라서 변전소는 급전구간 안에서 열차 부하가 고르게 분포하도록 배치하고, 전압이 허용 범위를 벗어나지 않도록 간격을 정한다. 간격 결정의 세부 기준은 변전소 간격 및 위치 선정 절에서 다룬다.

용량은 평균 부하가 아니라 최대 부하를 기준으로 정한다. 열차가 한꺼번에 몰리는 시간대에 변압기가 과부하로 손상되거나 공급이 끊기지 않아야 하기 때문이다. 이때 쓰는 대표 값이 1시간 최대출력과 순간 최대출력이다. 1시간 최대출력은 1시간 동안 지속되는 부하를, 순간 최대출력은 짧은 시간에 나타나는 부하를 나타낸다. 두 값을 구하는 기준 조건은 정상적인 열차부하 상태이다. 이 개념은 간격과 용량을 따로 계산하는 것이 아니라 열차 부하 분포를 기준으로 한 번에 검토하는 것이다. 답안에서도 위치 검토와 용량 검토가 같은 부하 조건에서 나온다는 점을 밝히면 논리가 분명해진다.

전철변전소 용량은 급전구간별 정상적인 열차부하 조건에서 1시간 최대출력 또는 순간 최대출력을 기준으로 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도가 확대되면서 열차의 운행 횟수와 편성 길이가 늘어나 한 변전소가 감당해야 할 부하가 커졌다. 변전소를 많이 두면 설비와 부지 비용이 증가하고, 적게 두면 전압 강하와 공급 부족으로 열차 운행에 지장이 생긴다. 그래서 위치와 용량을 함께 정하는 검토 절차가 필요하다.

위치 선정에서는 열차 부하가 집중되는 지점과 변전소의 관계를 본다. 전철변전소 부지는 공급 구역의 중심에 가까워야 하고, 향후 증설을 위한 여유 공간이 있어야 한다. 또한 외부인이 무단으로 접근하지 못하도록 보안이 확보되어야 하는데, 이는 감전 사고와 설비 오작동을 막기 위한 요건이다.

용량 선정은 현재 수송수요에 장래 증가분을 더해 정한다. 「철도의 건설기준에 관한 규정」 제31조는 전철변전소의 급전용 주변압기를 앞으로의 수송수요 등을 감안하여 뱅크로 구성하고 예비용 변압기를 두도록 규정한다. 즉 장래 수송수요 감안에 따른 여유와 고장 시 공급 연속성을 법규가 함께 요구하는 것이다. 따라서 용량 산정은 임의의 여유율이 아니라 이 조문의 취지와 열차부하 기준에 따라 검토해야 한다. 장래 증가분은 교통수요 전망과 연계해 정하고, 그 결과를 뱅크 구성과 예비용 변압기 수량에 반영한다.