AT 급전방식

왜 배우는가: AT 급전방식은 교류 전철에서 긴 급전 구간의 전차선 전압강하와 통신 유도 장해를 함께 줄이기 위해 쓰는 급전방식이다. 교류 전철 급전방식을 비교하거나 설계 수치를 계산하는 문제의 출발점이 되므로 원리와 기준 수치를 함께 알아야 한다.

출제 이력: 제133회 1교시 2번, 제119회 1교시 4번, 제110회 2교시 6번, 제100회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

AT 급전방식은 단권변압기를 이용해 급전 전압을 2배로 높여 공급하는 교류 전기철도 급전방식이다.

답안에 반드시 써야 하는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 단권변압기(AT): 1차와 2차가 하나의 권선을 공유하는 변압기이며, 전차선 전압을 보상하는 핵심 기기이다.
• 부급전선: AT의 다른 단자에 연결되어 전차선과 반대 위상의 전압을 받는 급전선이다.
• 전차선: 팬터그래프와 접촉하여 열차에 전력을 공급하는 가공선이다.
• 귀선(레일): 열차 전류가 변전소로 되돌아가는 궤도이며, 중성점에 접지된다.
• 흡상 작용: 레일로 흐르던 귀선 전류를 AT를 거쳐 부급전선 쪽으로 끌어올리는 작용이다.
• 전압강하 보상: 급전 전압을 높여 같은 전력을 더 작은 전류로 보내는 방식으로 전압강하를 줄이는 원리이다.
• 2×25kV 급전계통: 전차선 25kV와 급전선 50kV로 구성되는 AT 급전계통의 전압 구조이다.

2. 개념 풀이

AT 급전방식은 2×25kV 급전계통을 구성하는 교류 전기철도 급전방식이다. 변전소에서 공급된 전력을 AT 설치점마다 변압하여 전차선에는 25kV, 부급전선에는 전차선과 반대 위상의 전압을 걸어 두 도체 사이에 높은 전압으로 송전하고, 열차는 전차선과 레일 사이의 25kV 전압으로 운행하는 방식이다. 전차선과 급전선 사이에는 50kV가 걸린다. 전차선과 레일 사이에는 25kV가 걸린다.

단권변압기는 공통 철심에 코일 두 개를 감고 직렬로 접속한 뒤 중간 탭에서 단자를 인출한 구조이다. 이 구조는 2권선 변압기와 같은 변성비를 얻으면서도 권선을 공유하므로 재료가 적고 효율이 높다. 중성점인 레일 쪽에서 보면 전차선과 부급전선이 대칭 전압으로 나타나므로, AT를 두면 두 도체 사이 전압은 두 배가 되고 레일에서 본 각 도체 전압은 25kV가 된다.

AT 급전계통은 변전소에서 50kV 전압으로 공급받는 구조이다. 중성점이 레일에 접지된 AT가 전압을 분할하고, 이후 약 10km 간격으로 설치된 AT가 같은 역할을 반복한다. 그 결과 열차는 항상 가까운 AT 사이의 구간에서 전압을 받는다.

열차 부하 전류는 전차선에서 열차를 거쳐 레일로 흐르려 하지만, AT의 전류 경로를 따라 부급전선으로 되돌아가는 성분이 생긴다. 그러므로 레일에 흐르는 귀선 전류가 줄어들고, 줄어든 귀선 전류는 부급전선 쪽으로 흡상된다. 레일 전류가 줄면 대지로 새는 누설전류가 감소하고, 통신선에 생기는 통신 유도 장해도 억제된다.

전압강하 보상의 원리는 전력 관계식으로 설명된다. 같은 전력을 전압 V로 보내면 전류는 I = P / V이므로 전압을 2배로 올리면 전류는 절반이 된다. 선로 저항 R에서 생기는 손실은 P_{loss} = I^2 R로 나타나므로 손실은 1/4 수준으로 줄고, 선로 전압강하는 \Delta V = I R에 따라 크게 감소한다. 이것이 AT 급전방식이 긴 구간에서 전차선 전압을 유지하는 근본 이유이다.

AT 급전방식의 핵심은 급전 전압을 2배로 높여 전류와 전압강하를 함께 줄이는 데 있다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 전철은 단상 교류를 전차선에 공급하는 방식에서 출발하였다. 국내 교류 전철의 전차선 전압은 25kV이며, 열차의 전력 용량이 커지고 배차 간격이 짧아지면서 급전 거리가 길어지면 전차선 전압이 떨어져 열차가 필요한 전력을 얻지 못하는 문제가 생긴다. 이 문제는 급전 전압을 높이지 않고는 해결하기 어렵다.

직접 급전 방식은 레일을 귀선으로 쓰므로 귀선 전류가 대지로 새어 나가 인근 통신선에 유도 장해를 준다. 이를 줄이기 위해 흡상변압기(BT) 방식이 도입되었고, 단권변압기를 이용하는 AT 방식이 뒤를 이었다. 두 방식은 모두 귀선 전류를 부급전선 쪽으로 되돌린다는 점에서 같지만, AT 방식은 급전 전압을 2배로 올려 송전하므로 송전 거리를 더 늘릴 수 있다는 차이가 있다.

AT 급전방식이 필요한 이유는 다음과 같이 정리된다.