급전계통

왜 배우는가: 급전계통은 전기철도가 운행되는 모든 구간의 전력 공급 구조를 정하므로, 변전소 위치와 급전방식 선정, 급전계통 분리 문제가 모두 이 개념에서 출발한다. 여러 교시의 논술 문제에서 직류와 교류의 구분, 구성 방식, 운전조건을 함께 묻는 개념이다.

출제 이력: 제133회 2교시 2번, 제121회 2교시 4번, 제103회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

급전계통은 전기철도 차량에 전력을 공급하기 위해 전원에서 변전소와 급전선, 전차선을 거쳐 전기를 전달하는 체계이다.

급전계통은 전기철도 설비 전체의 출발점이므로 답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 본문에서는 다음 키워드를 빠뜨리지 않는다. 키워드는 전력이 전원에서 차량까지 가는 순서에 따라 정리하면 이해하기 쉽다.

• 급전계통: 전원에서 전차선까지 전력을 공급하는 전체 체계이다.
• 급전선: 변전소에서 전력을 보내는 도체이다.
• 전차선: 차량의 집전장치가 접촉하여 전력을 받는 도체이다.
• 급전구분소: 인접한 전철변전소 사이에서 방면별 급전을 나누는 설비이다.
• 직류 급전방식: 정류기로 만든 직류를 전차선에 공급하는 방식이다.
• 교류 급전방식: 상용주파수 교류를 고압으로 공급하는 방식이다.
• AT 급전방식: 단권변압기로 흡상전류를 확보하는 교류 급전방식이다.

2. 개념 풀이

급전계통은 전기철도 차량이 사용하는 전력을 전력계통에서 받아 전차선까지 보내는 설비와 그 연결 방식을 통틀어 가리킨다. 차량은 선로 위를 계속 이동하면서 전력을 받으므로, 급전계통은 변전소, 급전선, 전차선, 레일과 귀선로를 하나의 체계로 묶어 어느 구간에서도 전력이 공급되도록 구성한다. 철도건설규칙은 급전계통을 부하의 크기와 성질, 전압강하를 고려하여 구성하도록 정하고 있으며, 전철변전소 사이에 급전구분소를 두어 방면별로 급전하도록 규정한다.

전기는 전원에서 급전선과 전차선을 따라 차량으로 흐르고, 레일과 귀선로를 통해 다시 전원 쪽으로 되돌아와야 회로가 닫힌다. 따라서 급전계통은 전력을 보내는 경로와 되돌아오는 경로를 함께 설계하는 체계이다. 급전구분소는 이 체계에서 전철변전소 사이의 구분 지점으로 쓰인다.

급전계통은 공급 전류의 성질에 따라 직류 급전계통과 교류 급전계통으로 구분된다. 직류 급전방식은 교류를 정류기로 직류로 바꾸어 전차선에 공급하는 방식이다. 직류는 전지처럼 일정한 전위차를 유지하는 전원에서 한 방향으로 흐르므로 전압을 일정하게 유지한다. 직류전기철도는 전압의 크기에 따라 600V·1,500V·3,000V 방식으로 나뉜다.

교류 급전방식은 발전기가 만든 교류를 변압기로 승압하거나 강압하여 고압으로 공급하는 방식이다. 교류는 주기적으로 방향이 바뀌지만 변압기로 전압을 바꾸기 쉬워 장거리 고전압 공급에 유리하다. 교류전기철도는 25kV 50Hz 또는 60Hz 방식과 15kV 16⅔Hz 방식이 대표적이다.

교류 급전계통의 한 방식인 AT 급전방식은 급전선을 별도로 두고, 변전소 사이에 설치한 단권변압기를 통해 급전선과 전차선을 연결하는 방식이다. 이 방식에서는 레일로 되돌아오는 전류의 일부를 급전선 쪽으로 흡상시켜 전압강하와 통신선 유도 장해를 줄인다. 그래서 AT 방식은 전압 특성과 전자 유도 장해를 함께 개선하는 구성으로 이해해야 한다.

직류와 교류의 차이는 전류의 흐름 방식에 있다. 직류는 연속 전류이고, 교류는 발전기를 전원으로 하는 주기적 전류이다. 이 차이가 변전 설비의 정류 장치 유무, 전차선 전압, 유도 장해 대책을 가른다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 1879년 독일 베를린 만국박람회에서 직류 전기기관차가 선보이면서 시작되었고, 1881년 베를린 교외에서 최초의 영업용 전기철도가 운행되었다. 한국에서는 1898년 청량리와 서대문 사이에 직류 600V 방식의 노면전차가 운행되었으나, 이 노면전차는 1968년 서울과 부산에서 도로교통 문제와 자동차에 밀려 사라졌다.