흐름방지장치

왜 배우는가: 흐름방지장치는 전차선의 길이 방향 이동을 억제하여 집전 품질과 설비 배치를 지키는 장치이므로 설계와 유지보수에서 반드시 이해해야 한다. 강체 T-bar 방식과 R-bar 방식을 비교하는 문항으로 여러 회차에 걸쳐 출제되었으므로 두 방식의 차이를 정확히 구분해야 한다.

출제 이력: 제121회 4교시 2번, 제112회 2교시 2번, 제101회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흐름방지장치는 전차선이 길이 방향으로 흘러가는 것을 막도록 전차선을 고정하는 장치이다.

전차선 흐름은 온도 변화에 따른 신축과 팬터그래프 습동력이 누적되어 전차선이 길이 방향으로 이동하는 현상이다. 흐름이 커지면 전차선이 설비의 기준 위치에서 벗어나 이선현상과 마모가 늘어나므로, 흐름방지장치로 이동을 구속하여 집전 품질과 설비 배치를 지켜야 한다.

핵심 키워드

• 흐름방지장치
• 전차선 흐름
• 앵커링(Anchoring)
• 고정점(Fixed Point)
• T-bar 방식
• R-bar 방식
• 신축
• 습동력

2. 개념 풀이

흐름방지장치는 가공전차선로에서 전차선의 길이 방향 이동을 구속하여 정해진 구간 안에 전차선이 머물도록 하는 설비이다. 정식으로는 전차선의 신축과 습동에 따른 이동을 특정 지점에서 막는 장치의 총칭이며, 강체전차선로에서는 강체 전차선을 지지점에 고정하는 방식으로 적용된다. 전차선이 자유롭게 움직이면 구분장치와 건넘선장치 같은 설비의 기준 위치가 한 방향으로 어긋나므로, 흐름방지는 설비 배치의 전제가 된다.

원리는 다음과 같다. 온도가 오르면 전차선은 길어지고 온도가 내려가면 짧아진다. 흐름방지장치가 없는 구간에서는 이 신축이 한쪽 끝으로 누적되고, 팬터그래프가 전차선을 밀어 주는 습동력도 같은 방향으로 작용한다. 흐름방지장치는 이 힘이 전달되는 기준점을 한 곳에 정해 이동을 막고, 나머지 구간은 장력과 신축으로 흡수하도록 한다. 즉 흐름방지는 전차선 전체를 고정하는 것이 아니라 이동의 기준점을 정하는 것이다.

신축량은 식으로 \Delta L = \alpha L \Delta T 와 같이 구한다. 여기서 \Delta L은 신축량(m), \alpha는 선팽창계수(1/℃), L은 고정 지점 사이의 구간 길이(m), \Delta T는 온도 변화량(℃)이다. 신축량은 온도 변화량과 구간 길이에 비례하므로 흐름방지장치의 설치 간격은 이 신축량을 기준으로 정한다.

앵커링(Anchoring)은 강체 T-bar 방식에서 흐름방지장치 역할을 하는 고정 방식이다. T자형 강체 구조를 지지 구조물에 고정하여 길이 방향 이동을 구속하고, 고정 지점에서 신축과 습동력을 받아 낸다.

고정점(Fixed Point)은 강체 R-bar 방식에서 강체 가선을 한 지점에서 길이 방향으로 고정하여 신축의 기준이 되는 지점이다. 고정점을 기준으로 양쪽 구간의 신축이 나뉘어 나타나므로 고정점의 위치가 설계의 기준이 된다. 앵커링과 고정점은 T-bar와 R-bar라는 방식이 다르므로 같은 장치로 혼용하지 않고 구분하여 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

흐름방지의 필요성은 온도 신축과 습동력으로 생기는 전차선 이동을 기준점에서 구속하는 데 있다.

가공전차선로는 조가선과 드로퍼로 전차선을 지지하는 카테너리 방식이 기본이다. 전차선은 온도에 따라 신축하고, 집전장치의 습동이 반복되면서 길이 방향으로 이동할 수 있다. 전철화 구간이 길어지고 열차 속도가 높아지면서 이 이동을 체계적으로 억제하는 설비의 필요성이 커졌다.

강체전차선로는 협소한 공간이나 터널에서 가선 구조를 간단히 하고 높이를 낮추기 위해 도입되었다. 강체 가선은 구조가 단단하여 시공 정밀도와 도상 높이 관리가 중요하고, 유연성이 없어 집전장치와의 접촉 조건이 나빠지기 쉽다. 한국에서는 직류 1500V 지하철 구간의 표준적인 강체가선으로 T-bar 방식이 사용되어 왔다. T-bar 방식은 구조가 복잡하고 철거와 유지보수에 시간이 걸린다고 평가된다.

흐름방지가 필요한 이유는 세 가지로 정리된다. 첫째, 구분장치와 건넘선장치는 기준 위치가 정해진 설비이므로 전차선이 흘러 가면 설비와 위치가 맞지 않는다. 둘째, 전차선 위치가 기준에서 벗어나면 팬터그래프의 접촉점이 한쪽으로 치우쳐 이선현상과 마모가 늘어난다. 셋째, 강체 전차선은 유연하지 않아 이선현상이 자주 발생하므로 흐름에 따른 접촉 불량이 더 쉽게 나타난다. 특히 고속 구간일수록 이선현상 증가하므로 고속 구간에서는 흐름방지 설계의 중요성이 커진다.