전차선로 순환전류

왜 배우는가: 전차선로 순환전류는 건넘선장치와 전차선 교차개소에서 설비 과열과 보호계전기 오동작을 일으키는 원인이다. 이 개념을 정확히 알면 사고 원인 분석과 대책 설계를 하나의 흐름으로 답안에 쓸 수 있다.

출제 이력: 제118회 1교시 8번, 제115회 2교시 2번, 제104회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전차선로 순환전류는 전위가 다른 급전 계통이 전기적으로 연결될 때 두 계통 사이에 흐르는 전류이다.

교류 전기철도에서는 급전 구간이 나뉘고 전압의 크기나 위상이 다른 전원이 하나의 선로망에 묶이는 경우가 있다. 이때 연결점 사이의 전위차가 폐회로를 따라 전류를 흐르게 하며, 이 전류가 순환전류이다. 답안에 빠뜨리면 안 되는 키워드는 다음과 같다.

• 순환전류: 부하 전류와 별도로 전원 사이의 전위차가 만드는 폐회로 전류이다.
• 급전 계통: 변전소, 급전선, 전차선이 이루는 전원 측 회로 단위이다.
• 전위차: 연결되는 두 지점의 전압 크기나 위상이 다를 때 생기는 전압 차이이다.
• 임피던스: 순환 경로의 저항과 리액턴스를 합한 값이며 순환전류의 크기를 정한다.
• 건넘선장치: 두 선로의 전차선을 이어 열차가 선로를 옮겨 갈 수 있게 하는 설비이다.
• 전차선 교차개소: 두 전차선이 교차하며 전기적으로 연결될 수 있는 지점이다.
• 절연구분: 전기적으로 구간을 분리하여 순환 경로를 끊는 조치이다.

2. 개념 풀이

전차선로 순환전류는 전차선로가 둘 이상의 전원에 동시에 전기적으로 연결되었을 때, 전원 사이의 전위차에 의해 전차선, 급전선, 레일 등으로 이루어진 폐회로를 따라 흐르는 전류를 뜻한다. 정상 운전에서 흐르는 부하 전류는 열차의 위치와 소요 전력에 따라 변하지만, 순환전류는 두 전원의 전압 차이와 회로의 임피던스로 결정된다는 점이 다르다. 따라서 순환전류는 부하 전류와 겹쳐 설비를 과열시키고 전력 손실을 키운다.

원리는 옴의 법칙을 두 전원 사이에 적용하는 것이다. 두 연결점의 전압이 같으면 전류는 흐르지 않지만, 전압의 크기나 위상이 다르면 그 차이가 순환 경로의 임피던스에 걸려 전류가 흐른다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$I_c = \frac{\Delta V}{Z_{loop}}$

여기서 I_c는 순환전류(A), \Delta V는 두 연결점 사이 전압의 복소수 차이(V), Z_{loop}는 순환 경로 전체의 임피던스(Ω)이다. 임피던스가 작은 경로일수록 같은 전위차에서 순환전류가 커지므로, 경로의 임피던스를 관리하는 것이 대책의 출발점이 된다.

순환전류는 전위차가 있는 두 급전 계통이 이어질 때 생기며 임피던스가 작을수록 커진다.

상이 같은 전원끼리 이어지면 전위차가 작아 순환전류도 작다. 반대로 상이 다른 전원이 이어지면 전압 벡터의 차이가 커져 순환전류가 크게 된다. 따라서 건넘선과 교차 구조를 설계할 때는 연결되는 두 구간의 상과 위상을 먼저 맞추는 검토가 선행되어야 한다.

순환전류가 실제로 문제 되는 장소는 건넘선장치 개소와 전차선 교차개소이다. 건넘선장치 개소에서는 두 선로의 전차선이 서로 다른 급전 계통에 속하면 연결 지점에서 전위차가 생기고, 그 차이가 전차선과 레일, 흡상선을 잇는 경로로 전류를 흘린다. 전차선 교차개소에서는 교차하는 두 전차선이 전기적으로 접촉할 때 같은 원리가 적용되며, 연결 지점의 높이와 접촉 여부에 따라 경로가 달라진다.

연결 직후에는 전압이 급격히 바뀌어 과도 전류가 짧게 흐르고, 이후 회로가 안정되면 정상 상태의 순환전류가 남는다. 답안에서는 두 상태를 구분하기보다, 정상 상태에서 지속적으로 흐르는 전류를 중심으로 쓰는 것이 일반적이다. 대책의 핵심은 이 경로를 끊거나 전위차를 줄이는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 교류 전기철도는 25kV, 60Hz 교류를 전차선에 공급한다. 선로가 복선과 다선으로 늘어나고 열차의 선로 전환이 필요해지면서 건넘선과 교차 구조가 많아졌다. 이 구조에서는 상이나 급전 구간이 다른 전원이 한 선로망에 묶이는 경우가 생기므로, 순환전류 문제가 실무에서 중요해졌다.

순환전류가 흐르면 전차선과 급전 설비에 과전류가 생기고, 그 열로 전선 온도가 올라가며 설비가 손상될 수 있다. 또 보호계전기가 사고 전류로 오인하여 불필요하게 동작하면 열차 운행이 중단된다. 전선로의 전류는 주변 통신선에 전자유도 장해를 줄 수 있으므로, 순환전류는 통신 측면의 안전 기준과도 함께 관리해야 한다.