전기적 구분장치

왜 배우는가: 심플 커티너리 전차선로에서 구분장치의 종별과 설치 위치를 묻는 문항이 여러 교시에 걸쳐 나온다. 구분장치의 원리와 구분 방식을 알아야 설치 위치와 기능을 근거 있게 설명할 수 있으므로, 전차선로 설계와 점검 업무의 기초가 된다.

출제 이력: 제134회 4교시 2번, 제131회 3교시 6번, 제94회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기적 구분장치는 전차선로를 기계적으로는 잇고 전기적으로는 나누는 장치이다.

전기철도의 전차선로는 열차가 달리는 구간 전체에 가공 전선이 이어져 있지만, 구간마다 전원의 종류와 위상, 급전 계통이 다를 수 있다. 이때 전차선을 물리적으로 끊어 버리면 집전장치인 팬터그래프가 그 지점을 통과할 수 없으므로, 구분장치는 선로를 기계적으로 연결한 상태에서 전기적 경계만 만든다. 답안의 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 구분 방식과 설치 위치를 쓴다. 정의를 외울 때는 연결과 분리가 동시에 성립한다는 점을 함께 기억한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전기적 구분장치
• 절연구분장치
• 이중절연방식
• 절연구간
• 급전구분소
• 교류 이상 구분
• 집전장치 통과

2. 개념 풀이

전기적 구분장치는 전차선로에서 전원 계통이 서로 다른 구간을 전기적으로 분리하기 위하여 설치하는 설비이다. 구분장치는 전차선과 조가선 등을 기계적으로 연결하고 절연을 확보하는 구조이므로, 전압이나 위상이 다른 전원이 서로 섞이지 않으면서 팬터그래프가 끊김 없이 지나가야 한다. 정식 정의에서 기계적 연결과 전기적 분리가 함께 나오는 이유가 여기에 있다.

원리는 두 조건을 동시에 만족시키는 구조를 만드는 데 있다. 기계적 연결은 집전장치가 지나갈 때 선로의 형태를 유지하는 역할을 하고, 전기적 분리는 절연 부품이 서로 다른 전원 사이의 경계를 만드는 역할을 한다. 절연구분장치는 전차선로를 기계적으로 연결하고 전기적으로 분리하기 위하여 설치하며, 집전장치가 통과하는 데 문제가 없어야 한다. 따라서 구분 방식은 크게 두 가지로 나뉜다. 절연체를 사용하는 방식과, 절연체 없이 전차선을 겹치는 방식이다.

• 절연체 방식은 전차선 사이에 절연체를 두어 전기적으로 끊는 방식이다. 절연체는 유리섬유 직물에 열경화성 실리콘수지를 함침한 FRP 재료가 주로 쓰이며, 도시철도와 기존선 구간에서 주로 쓰인다. 다만 집전판과 접촉하면서 마모되고 오염되므로 점검과 보수가 잦다.

• 이중절연방식은 절연체를 쓰지 않고 두 전차선을 일정 길이만큼 겹쳐 놓는(오버랩) 방식이다. 속도 향상에 유리하지만 상대적으로 긴 설치 구간이 필요하므로 경부고속철도와 같은 고속 구간에서 주로 쓰인다.

• 절연구간은 구분장치로 나뉜 구간 중 전기적으로 절연된 구간을 가리킨다. 보조급전구분소(SSP)는 급전구분 기능을 활성화하면 해당 구간을 절연구간으로 만드는 설비이므로, 급전구분소는 구간의 전원 공급을 나누는 수단으로 이해한다. 답안에서는 구분장치라는 설비와 절연구간이라는 상태를 구별해 쓴다.

• 교류 이상 구분은 위상이 다른 교류 전원이 만나는 지점을 절연으로 나누는 것이다. 교류와 직류가 연결되는 구간에서도 절연구분장치를 쓰는데, 두 전기방식의 전원을 직접 잇지 않기 위한 것이다.

• 집전장치는 팬터그래프처럼 차량 지붕에서 전차선과 접촉하여 전기를 받는 장치이다. 구분장치의 절연 부품은 이 접촉면이 지나가는 자리에 놓이므로, 집전 측면의 요구 조건을 함께 만족해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전차선로는 열차에 전기를 공급하는 가공 설비이며, 교류 구간의 전차선 전압은 25kV, 60Hz가 일반적이다. 철도 노선은 직류 구간과 교류 구간, 급전 계통이 다른 구간이 서로 이어지는 경우가 많다. 이때 전원을 구분하지 않고 전차선을 그대로 연결하면 전압과 위상이 다른 전원이 섞여 설비가 손상되고 열차 운행에 지장이 생긴다. 구분장치는 이 문제를 해결하기 위해 등장했다.

기존선과 신설선이 연결되는 구간에서도 같은 문제가 생긴다. 기존 노선의 설비와 새로 건설하는 노선의 설비는 전기방식이나 급전 계통이 다를 수 있으며, 연결 지점에서 이를 나누지 않으면 운영 기준을 맞출 수 없다. 따라서 구분장치는 노선의 연결 지점마다 전원 경계를 정하는 기준점 역할을 한다.

또한 급전 구간을 나누면 특정 구간만 정전시켜 점검과 보수를 할 수 있다. 급전구분소와 절연구간은 이러한 작업 구간을 만드는 수단이며, 작업 구간의 경계가 분명해져 나머지 구간과 안전하게 구별된다. 구분장치가 단순한 절연 부품이 아니라 집전과 절연을 함께 고려한 설비인 이유가 여기에 있다.