전기방식 선정

왜 배우는가: 전기방식은 노선의 설비 규모와 투자비, 운행 효율을 함께 좌우하므로 직류와 교류의 차이를 원리부터 설명할 수 있어야 한다. 방식 선정 문항은 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제되므로 고려사항과 비교 논리를 한 틀로 정리해 두는 것이 중요하다. 실무에서도 방식 선정은 이후 변전소 배치와 전차선 설계의 출발점이 된다.

출제 이력: 제125회 2교시 5번, 제115회 1교시 1번, 제94회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기방식 선정은 직류와 교류 중 급전방식을 수송 조건과 경제성으로 정하는 일이다.

전기방식은 전기철도가 차량을 운행하는 데 쓰는 전력의 종류와 전압 체계를 뜻한다. 전기철도는 전차선에서 차량으로 전기를 공급하고 귀선로를 통해 되돌려 보내는 구조이므로, 전기방식은 이 전력 회로 전체의 전기 종류와 전압을 정하는 기준이 된다. 노선을 새로 구축할 때는 수송조건, 인접 전철화 구간의 전기방식, 전력 수급 조건, 선구의 특수 조건, 장래 계획, 경제비교를 함께 검토하여 직류방식과 교류방식 중 하나를 결정한다. 답안에 반드시 쓰는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전기방식: 전차선에 공급하는 전기의 종류와 전압 체계를 정하는 선정 기준이다.
• 직류방식: 변전소에서 교류를 정류하여 직류 전압으로 공급하고 운행하는 방식이다.
• 교류방식: 고압 교류를 전차선에 공급하고 차량 안에서 변압하여 구동 전력으로 쓰는 방식이다.
• 급전계통: 변전소에서 전차선까지 전력이 공급되는 전체 회로 체계이다.
• 수송조건: 수송 거리, 수송량, 수송 시간 등 노선이 맡는 수송 목적과 조건이다.
• 경제비교: 초기 건설비, 유지보수비, 에너지비를 방식별로 견주는 검토 항목이다.
• 전철변전소: 고압 교류를 전차선 전압으로 낮추는 변전 설비이다.

2. 개념 풀이

전기방식은 전기철도의 전차선에 공급하는 전력의 종류(직류 또는 교류)와 전압·주파수를 정하는 것을 말한다. 전기철도는 전철변전소에서 만든 전력을 전차선로를 거쳐 차량의 집전장치로 보내고, 차량이 사용한 전력은 귀선로를 통해 변전소로 되돌아오는 구조이다. 따라서 전기방식은 변전소와 전차선 설비의 규모, 차량의 전기 기기 구성까지 함께 결정한다.

전철변전소는 발전소에서 송전된 고압 3상 교류를 전차선 전압으로 낮추는 역할을 한다. 직류방식은 변압한 교류를 정류기로 직류로 바꾸어 전차선에 공급하고, 교류방식은 변압한 교류를 그대로 전차선에 공급하여 차량 안에서 변환한다. 두 방식의 차이는 교류를 직류로 바꾸는 위치가 변전소인지 차량인지에 있다. 즉 같은 교류 전력을 어디서 변환하느냐가 설비 배치와 비용 구조를 가른다.

직류전기철도의 전압은 600V, 1,500V, 3,000V 방식으로 나뉘며, 교류전기철도는 25kV(50·60Hz) 방식과 16⅔Hz 15kV 방식이 대표적이다.

같은 전력을 보낼 때 전압이 높으면 전류가 작아진다. 전류가 작아지면 선로의 저항에 의한 손실과 전압강하가 줄어들므로, 전압이 높은 방식일수록 변전소 간격을 넓힐 수 있다. 직류 변전소의 설치 간격은 주로 차량에 공급하는 전압에 따라 정해지며, 교통 수요와 평균 운행 속도도 함께 고려된다. 직류방식은 차량 공급 전압이 낮아 변전소를 촘촘히 배치해야 하고, 교류방식은 고전압을 쓰므로 변전소 간격을 넓게 잡을 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 정류기: 교류를 직류로 바꾸는 장치로, 직류방식의 변전소와 교류방식의 차량 내부에 설치된다.
• 귀선로: 차량이 소비한 전력을 레일 등을 통해 변전소로 되돌려 보내는 회로이다.
• 집전장치: 전차선에서 전력을 받아 차량에 전달하는 장치로, 팬터그래프가 대표적이다.

3. 등장 배경과 필요성

1879년 독일 베를린 만국박람회에서 지멘스사가 직류 전기기관차를 선보이면서 전기철도가 시작되었다. 이 기관차는 125V, 3HP 규모로 제3궤조 방식의 전기철도를 보여 주었다. 영업을 목적으로 한 최초의 전기철도는 1881년 베를린 교외에서 같은 제3궤조 방식으로 운행되었다. 이후 전기철도는 직류방식에서 교류방식으로, 저전압방식에서 고전압방식으로 발전해 왔다.

우리나라에서는 1898년 청량리와 서대문 사이에 직류 600V 노면전차가 처음 운행되었다. 이 노면전차는 1968년 서울과 부산에서 도로교통상의 문제와 자동차 증가로 사라졌다. 이후 우리나라 철도 전철화는 도시철도와 고속철도 노선으로 이어졌고, 전기방식은 노선이 늘어날 때마다 새로 검토해야 하는 과제가 되었다.