제3궤조 접촉방식

왜 배우는가: 제3궤조 접촉방식은 도시철도와 경전철의 전력 공급 방식을 정하는 핵심 개념이며, 여러 교시에서 반복해 물어진 개념이다. 상부, 측면, 하부 접촉으로 집전 위치가 달라지는 이유를 알아야 집전 방식의 장단점을 비교할 수 있다. 실무에서는 이물질과 감전 위험을 줄이는 설계 판단의 근거가 된다.

출제 이력: 제121회 4교시 4번, 제118회 1교시 9번, 제116회 3교시 6번, 제104회 1교시 5번, 제92회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

제3궤조 접촉방식은 궤도 옆이나 위에 설치된 급전 궤도에 열차의 집전장치를 접촉시켜 전기를 공급받는 방식이다.

이 정의가 답안 첫 줄이 된다. 답안에서 함께 써야 하는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 제3궤조는 열차에 전기를 공급하는 급전 궤도이며, 차륜이 놓인 궤도와 함께 회로를 이룬다.
• 집전장치는 제3궤조에 접촉하여 전류를 받아들이는 금속 장치이다.
• 집전 슈는 집전장치에서 급전 궤도와 직접 닿아 미끄러지는 부품이다.
• 상부 접촉은 집전 슈가 제3궤조의 위쪽 면에 접촉하는 방식이다.
• 측면 접촉은 집전 슈가 제3궤조의 옆면에 접촉하는 방식이다.
• 하부 접촉은 집전 슈가 제3궤조의 아래쪽 면에 접촉하는 방식이며, 궤도 위를 절연체로 덮을 수 있다.

2. 개념 풀이

제3궤조 접촉방식은 열차가 제3궤조와 접촉하여 전기를 받는 방식을 뜻한다. 제3궤조는 궤도를 따라 전기를 공급하기 위해 궤도와 나란히 설치한 별도의 도체이며, 대부분 직류를 공급한다. 외부 환경과 차단된 도시철도에서 많이 쓰이는 방식이다.

원리는 전기 회로에 있다. 열차의 집전장치가 제3궤조에 미끄럼 접촉하면 전류가 집전장치와 전동차를 거쳐 전동기로 흐르고, 회로는 차륜이 놓인 궤도를 통해 닫힌다. 따라서 집전 접촉면이 안정되게 유지되는지가 전력 공급의 신뢰도를 결정한다. 접촉 위치가 달라지면 이물질이 쌓이는 조건과 집전 슈에 걸리는 충격이 달라지므로, 접촉방식은 전력 공급과 운전 안전을 함께 정하는 설계 요소이다.

제3궤조의 공급 전압은 직류 750V 정도가 일반적이다. 전압이 낮은 만큼 같은 동력을 얻으려면 전류가 커지는 점도 함께 이해해야 한다. 초기 시스템은 상부 접촉을 사용하였으나 이후 측면이나 하부 접촉이 도입되었다. 측면과 하부 접촉은 급전 궤도의 위쪽을 절연체로 덮을 수 있어 감전 사고와 이물질로 인한 고장을 줄인다. 상부 접촉은 눈, 얼음, 낙엽 같은 이물질이 쌓이면 정상 작동이 어려워지는 단점이 있다.

급전 궤도는 제3궤조 가운데 실제로 전기를 공급하는 궤도이며, 저항을 줄이기 위해 고전도성 철로로 만들고 차륜 궤도와 전기적으로 연결한다.

구분 개소는 철도 건널목이나 평면 교차점에서 급전 궤도가 끊기는 구간이다. 이 구간에서 열차는 관성으로만 운행해야 하며, 구간 안에서 정지하면 구원 운전을 받아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

제3궤조 방식이 등장한 배경은 건설 비용과 도시 공간의 제약을 줄이려는 요구에 있다. 전차선을 공중에 지지할 구조물이 필요 없으므로 설치 비용이 가공전차선 방식보다 낮고, 터널 단면적도 줄일 수 있다. 미관상 시야를 가리는 물체가 적다는 점도 도심 노선에서 큰 장점이다.

그러나 이 방식에는 감전 위험이라는 구조적 한계가 있다. 승강장으로 떨어지는 사고가 발생하면 가공전차선보다 감전 위험이 높으므로, 직류 1500V 이상의 고전압은 대개 쓰지 않는다. 전압을 낮추는 대신 같은 동력을 얻으려면 큰 전류를 흘려보내야 하므로 급전소를 상대적으로 가깝게 설치해야 한다.

지상에 설치할 때는 보행자를 보호하는 조치가 필요하다. 추락 사고에 대비하여 스크린도어를 설치하거나, 승강장과 먼 쪽에 급전 궤도를 배치해야 한다. 이런 안전 조치가 제3궤조의 설치 비용과 운영 제약을 함께 결정한다.

경전철이 이 방식을 많이 채용하는 배경도 여기에 있다. 경전철은 수송 능력이 중전철과 버스 사이에 있는 궤도 교통수단이므로 대형차량과 고출력 운전이 필요하지 않다. 이 조건에서는 구조가 단순하고 공간 차지가 적은 제3궤조가 도시철도와 경전철에 적합하다.