제3궤조 구성품

왜 배우는가: 제3궤조 방식은 도시철도와 지하철에서 가공전차선을 대신해 쓰이는 집전 방식이며, 여러 회차에 걸쳐 구성품을 묻는 문제로 반복 출제됐다. 구성품별 기능을 빠짐없이 설명해야 감점을 피할 수 있다. 실무에서도 집전 방식을 선정하고 감전과 추락 대책을 세울 때 이 구성품의 특성이 판단 기준이 된다.

출제 이력: 제131회 3교시 3번, 제122회 3교시 1번, 제104회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

제3궤조 방식은 급전 궤조에 집전슈를 접촉시켜 차량에 전력을 공급하는 방식이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 방식을 이루는 구성품을 차례로 설명한다. 구성품은 전력을 보내는 쪽, 받는 쪽, 회로를 닫는 쪽으로 나누어 보면 빠짐없이 정리할 수 있다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 급전 궤조: 차륜이 달리는 궤도와 별도로 설치되어 전력을 공급하는 세 번째 궤조이다.
• 집전슈: 차량 대차에 달려 급전 궤조에 접촉하며 전류를 받아들이는 금속 접촉 장치이다.
• 궤조 절연체: 급전 궤조를 중간중간 나누어 구간별로 전기적으로 분리하는 부품이다.
• 귀선: 차량이 사용한 전류가 차륜 궤도를 거쳐 변전소로 되돌아가는 경로이다.
• 접촉 방식: 집전슈가 급전 궤조의 위, 옆, 아래 중 어디에 닿는지에 따른 구분이다.

2. 개념 풀이

제3궤조 방식은 차륜이 놓인 두 궤조 이외에 급전만을 전담하는 세 번째 궤조를 두고, 이 궤조에서 전력을 받아 차량을 운행하는 방식이다. 명칭은 바로 이 세 번째 궤조에서 유래한다. 가공전차선 방식이 공중의 전차선과 팬터그래프의 접촉으로 전력을 받는 것과 달리, 이 방식은 지상이나 차량 측면에 놓인 궤조에 집전슈를 접촉시켜 전력을 받는다.

원리는 전기회로 관점에서 보면 간단하다. 변전소에서 나온 전류는 급전 궤조를 따라 흐르고, 집전슈를 거쳐 차량의 전동기에 공급된다. 전동기를 지난 전류는 차륜이 놓인 주행 궤도를 통해 변전소로 되돌아가므로, 주행 궤도가 귀선의 역할을 맡는다. 급전 궤조와 주행 궤도가 한 쌍의 회로를 이루기 때문에, 두 궤조 중 하나라도 연결이 끊기면 열차는 전력을 받지 못한다.

이 방식은 주로 직류를 쓰며, 지상 접촉에 따른 감전 위험 때문에 대개 직류 750V 정도만 가압한다. 직류 1500V 이상은 대개 위험하다고 본다. 그래서 전압을 낮게 유지하는 대신 큰 전류를 흘려보내야 하고, 급전소를 상대적으로 가깝게 설치해야 한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 급전 궤조는 대개 고전도성 강재로 만들며, 알루미늄 본체에 강재 접촉면을 붙인 복합 궤조도 쓰인다. 저항을 줄이기 위해 차륜 궤도와 전기적으로 연결하며, 낮은 저항과 큰 전류 용량이 요구된다.
• 집전슈는 차량 대차에서 돌출되어 급전 궤조에 미끄러지며 접촉하는 금속 블록이다. 접촉면의 마모와 충격을 받아들이므로 정기 점검 대상이 된다.
• 궤조 절연체는 급전 궤조를 중간중간 나누어 주변과 절연하며, 구간별 전력 공급과 감전 사고 방지를 가능하게 한다.
• 귀선은 주행 궤도를 통해 전류가 변전소로 돌아가는 경로이다. 귀선 저항이 크면 전압 강하와 누설 전류의 원인이 되므로 궤도의 전기적 연결이 중요하다.

접촉 방식은 상부 접촉, 측면 접촉, 하부 접촉의 세 가지이다. 초기 시스템은 상부 접촉을 썼으나, 이후 측면과 하부 접촉으로 개발이 진행됐다. 하부 접촉 방식은 급전 궤조 위쪽을 절연체로 덮을 수 있어 감전 사고와 이물질 사고를 줄이고, 눈과 얼음의 영향도 상대적으로 적다.

급전 궤조는 지상의 평면교차 건널목이나 선로 분기점(전철기)에서 절연되어야 한다. 이 구간에서는 급전 궤조가 끊기므로 열차는 관성으로만 운행해야 하며, 정지하면 구원 운전을 받아야 한다. 이런 구조적 특징이 구성품의 배치와 설계에 직접 반영된다.

3. 등장 배경과 필요성

제3궤조 방식은 1879년 독일의 지멘스가 고안한 전기철도에서 처음 쓰였다. 당시에는 두 궤조 사이에 급전 궤조를 두는 형식이었고, 이후 궤조 바깥쪽에 급전 궤조를 두는 형식이 개발되어 도시철도에 널리 채용됐다. 이 방식이 채택된 가장 큰 이유는 공중 구조물을 없앨 수 있다는 점이다.

가공전차선은 전차선을 공중에 지지하기 위해 지지물과 조가 구조가 일정 거리마다 필요하므로 구조물 비용이 크다. 반면 제3궤조는 지상에 설치되므로 복잡한 가선 구조가 불필요하고 관리가 쉬운 편이다. 또한 터널에서는 공중 공간을 줄일 수 있어 굴착 단면적을 줄이고, 그만큼 공사비를 절약하는 효과가 크다.