구분장치

왜 배우는가: 구분장치는 고장이나 보수 때 정전 범위를 좁히는 핵심 설비이므로 전차선로 설계와 운영의 기초가 된다. 시험에서는 설치 목적, 구비 조건, 종별, 급전계통 구분 고려사항을 묻는 문항이 반복해서 나온다.

출제 이력: 제133회 3교시 5번, 제115회 2교시 3번, 제110회 3교시 1번, 제109회 3교시 4번, 제104회 3교시 5번, 제100회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

구분장치는 전차선로를 일정 구간마다 전기적으로 나누어 고장이나 보수 시 급전 정지 구간을 한정하는 장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 구분장치: 전차선로를 전기적으로 구분하는 장치의 총칭이며, 전기적 구분장치와 절연구분장치로 나뉜다.
• 절연구간: 서로 다른 급전 구간이 맞닿는 곳에 두는 전기적으로 끊긴 구간이다. 열차는 이 구간을 전원 없이 주행한다.
• 에어섹션: 두 평행한 합성 전차선 사이를 공기 절연으로 이격하여 구분하는 방식이다.
• 절연구분장치: 절연체를 이용해 전차선을 기계적으로 연결하면서 전기적으로 분리하는 장치이다.
• 급전구분소: 변전소와 변전소 사이에서 급전 계통을 나누는 시설이다.
• 이상 구분: 위상이 다른 교류 전원 사이를 나누는 것이다.
• 팬터그래프: 전기차 지붕에서 전차선과 접촉하여 전력을 받는 집전장치이다.

2. 개념 풀이

구분장치는 전차선로를 일정 거리마다 또는 운영상 필요한 곳에 전기적으로 구분하는 장치이다. 철도건설규칙 제43조는 이상 발생 시 급전 정지 구간의 한정과 보수작업을 위하여 전차선로에 구분장치를 두도록 정한다. 같은 조는 전기적으로 구분되는 설비 사이에 적절한 이격거리를 두도록 규정한다. 여기서 구분의 대상은 전차선 한 가닥이 아니라 전차선에 전력을 공급하는 급전 계통이다. 구분장치는 결국 급전 계통을 여러 구간으로 나누는 장치이다.

원리는 급전 계통의 구조에 있다. 전차선로는 변전소에서 급전선을 거쳐 전차선으로 전력이 공급되는 구조이므로, 한 구간에서 사고가 나면 같은 급전 계통에 속한 구간이 함께 정전된다. 구분장치는 이 계통을 나누어 고장 구간만 분리하고 나머지 구간에는 계속 급전할 수 있게 한다. 사고 시 정전 범위를 고장 구간으로 한정하는 것이 구분장치의 핵심 기능이다. 그 결과 열차 운행이 중단되는 범위와 정전 시간이 줄고, 보수 작업자는 분리된 구간에서 작업할 수 있다.

구분 지점은 기계적 조건도 함께 만족해야 한다. 팬터그래프가 구분 지점을 통과할 때 서로 다른 전원이 순간적으로 이어지면 아크가 발생하여 집전판과 전차선이 손상되므로, 구분 지점은 전기적 이격과 기계적 연속성을 동시에 갖춰야 한다. 철도의 건설기준에 관한 규정 제44조 ①은 전기적 구분장치인 에어섹션의 두 평행한 합성 전차선 사이에 300mm 이상의 정적 수평 이격 거리를 두도록 정한다. 이 이격이 에어섹션의 기본 구조이다.

절연구분장치는 유리섬유 직물에 열경화성 실리콘수지를 함침시킨 유리섬유강화플라스틱(FRP) 절연체를 써서 전차선을 기계적으로 연결하고 전기적으로 분리하는 장치이다. 절연체가 팬터그래프의 통과를 막지 않으면서도 두 전원을 떨어뜨려 놓는 것이 이 방식의 원리이다. 교류 이상 구분에서는 이상 절연구분장치가 위상이 다른 전원을 나눈다.

전기적 구분장치는 구분 개폐기로 전원을 나누고 필요할 때 다시 투입하는 장치이다. 철도의 건설기준에 관한 규정 제44조 ②는 전기적으로 구분할 수 있는 개폐기를 설치하고, 절연 구간에서 열차가 정지하였을 때 자력으로 나올 수 있도록 절연 구간에 전원을 투입할 수 있는 개폐 설비를 두도록 정한다. 이 규정은 구분 지점에서 열차가 멈춘 뒤에도 복구 운전이 가능하도록 하는 취지이다.

절연 구간의 길이는 운행될 열차의 최대 길이와 그 열차의 팬터그래프 사이 거리 등을 고려하여 정한다. 길이는 급전 구분 구간 사이를 전기적으로 단락시키지 않을 만큼 이상이어야 한다. 열차가 절연 구간에 걸쳐 있을 때 양쪽 구분 전원이 열차를 통해 이어지면 단락이 되므로, 이를 막기 위한 길이 조건이다.

구분장치는 아무 곳에나 두지 않는다. 전기 차량이 상시 정차하는 곳이나 열차 제어 또는 신호기 운용을 위하여 피해야 하는 곳에는 구분장치를 두지 않는다. 이 조건은 구분 지점의 위치를 정할 때 선로 운용과 신호 체계를 먼저 고려해야 함을 뜻한다.

교류 전차선로에서는 위상이 다른 전원이 만나는 곳을 나누기 위해 이상 절연구분장치를 쓴다. 교류와 직류가 연결되는 구간에서도 절연구분장치로 전원을 구분한다. 핵심 용어의 풀이는 다음과 같다.

• 절연구분장치: 절연체로 두 전차선을 기계적으로 잇고 전기적으로 끊는 장치이며, 팬터그래프 통과에 문제가 없어야 한다.
• 에어섹션: 두 평행한 합성 전차선 사이에 정적 수평 이격을 두는 구분 방식이다.
• 전기적 구분장치: 구분 개폐기로 급전 구간을 나누고 투입하는 장치이다.
• 급전구분소: 변전소 사이에 두어 급전 계통을 나누고 연장 급전 등에 쓰는 시설이다.