이상 절연구분장치

왜 배우는가: 이상 절연구분장치는 위상이 다른 교류 급전구간이 맞닿는 곳마다 설치되는 설비이므로 설계와 점검에서 항상 다뤄진다. 여러 회차에 걸쳐 방식별 구조와 원리를 묻는 문항으로 반복 출제된 개념이므로, 이중절연 방식과 절연체 방식의 차이를 원리 중심으로 구분해야 한다.

출제 이력: 제122회 2교시 5번, 제98회 1교시 5번, 제92회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이상 절연구분장치는 위상이 다른 교류 급전구간을 전기적으로 분리하면서 전차선을 기계적으로 연결하는 장치이다. 답안의 첫 줄에는 다음 정의 문장을 그대로 쓴다. 이상 절연구분장치는 위상이 다른 교류 급전구간을 전기적으로 분리하면서 전차선을 기계적으로 연결하는 장치이다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 이상 절연구분장치는 위상이 다른 급전구간을 나누는 절연구분장치의 한 종류이다.
• 이상(異相)은 전원의 위상이 서로 다른 상태를 뜻한다.
• 무가압 구간은 전원이 공급되지 않는 전차선 구간이다.
• 이중절연 방식은 절연체 없이 전차선을 오버랩으로 구성하는 방식이다.
• FRP 절연체는 유리섬유에 열경화성 실리콘수지를 함침시킨 절연재이다.
• 타행은 차량이 자체 동력 없이 관성으로 주행하는 상태이다.

이 여섯 용어는 서로 맞물린다. 이상 구분은 무가압 구간으로 구현되고, 차량의 통과 방식은 타행으로 구현된다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 위상이 다른 두 교류 급전구간이 맞닿는 지점에 설치하여 두 전원을 전기적으로 분리하고, 집전장치가 끊김 없이 지나가도록 두 구간의 전차선을 기계적으로 이어 주는 설비이다. 이 정의에서 기계적 연결과 전기적 분리는 동시에 만족해야 하는 두 조건이다. 기계적 연결이 없으면 팬터그래프가 지나갈 때 끊김이 생기고, 전기적 분리가 없으면 위상이 다른 전원이 직접 연결된다. 원리는 위상이 다른 두 전원이 직접 닿으면 두 전압의 차이에 의해 큰 전류가 흐르고 아크가 생긴다는 점이다. 이를 막기 위해 두 구간 사이에 전원이 없는 무가압 구간을 둔다. 이 구간에서 양쪽 전차선은 서로 다른 전원에서 끊기고, 각각 자기 구간의 전원에 연결된다. 차량이 무가압 구간을 지나는 방법이 운용의 핵심이다. 무가압 구간을 역행 상태로 진입하면 아크가 발생하므로 차량은 타행 상태로 통과해야 한다. 이를 위해 절연구간예고표지와 타행표지가 진입 전에 타행을 알리고, 구간을 완전히 통과한 지점에는 역행표지가 설치되어 다시 동력을 쓸 수 있음을 알린다. 이상 구분은 전압 차이에 의한 구분과 원인이 다르므로 구분해서 써야 한다. 전압 차이에 의한 구분은 직류구간과 교류구간, 또는 같은 전원이라도 전압이 다른 구간 사이에서 생기고, 이상 구분은 교류 구간 사이에서 위상차가 생길 때 필요하다. 답안에서 두 구분을 섞어 쓰면 원인 설명이 흐려진다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도에서는 직류구간과 교류구간의 전원을 구분하기 위하여 절연구분장치를 설치하고, 교류 전차선로 구간에서는 위상이 다른 전원을 구분하기 위하여 설치한다. 교류 구간에서 위상차는 주로 변전소가 달라질 때 생기므로, 같은 교류 방식이라도 변전소 경계마다 이상 구분이 필요하다. 절연구분장치는 전차선로를 기계적으로 연결하고 전기적으로 분리하는 설비이다. 팬터그래프가 통과하는 데 문제가 없어야 하므로 기계적 강도와 집전 안정성이 함께 요구된다. 따라서 전원 구분과 집전 성능을 한 장치에서 동시에 만족해야 하는 것이 설계의 출발점이다. 국내 방식은 크게 두 가지로 나뉜다. 이중절연 방식은 절연체를 쓰지 않고 오버랩으로 전차선을 구성하여 속도 향상에 유리하지만, 상대적으로 긴 설치 구간이 필요하다. 이중절연 방식은 경부고속철도와 같은 고속구간에서 주로 사용한다. 절연체를 이용한 방식은 도시철도를 비롯한 기존선 구간에서 주로 사용한다. 도시철도 구간에서 절연체를 이용한 절연구분장치는 일본에서 수입하는 FRP제 제품을 주로 사용한다. FRP 절연재는 유리섬유 Fabric에 열경화성 실리콘수지를 함침시킨 재료로, 팬터그래프 집전판과의 접촉에 의한 마모와 오염으로 잦은 점검과 보수가 수행된다. 사용수명이 짧은 문제가 있어 마모 특성과 오염 특성을 개선한 절연재 개발이 요구된다. 절연구분장치 연구는 두 흐름으로 진행되고 있다. 하나는 절연체의 파상 마모 원인 분석과 대책이고, 다른 하나는 절연구분장치의 속도 향상과 관련된 연구이다. 고속 주행에서는 전차선의 파상 마모와 집전판의 마모가 문제로 지적된다. 두 연구는 고속화 요구와 맞닿아 있다. 현재는 열차종합제어관리장치 등에 절연구간 정보가 수록되어 있어, 해당 지점에 도착하면 절연구간 취급을 자동으로 하거나 통보한다.