전차선로 전압

왜 배우는가: 전차선로 전압의 상하한은 차량 운전과 설비 안전을 함께 좌우하는 기준이다. 공칭전압 개념과 영구·비영구 구분은 여러 교시의 계산 문제와 개념 문제에서 공통으로 쓰이므로 먼저 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제139회 1교시 12번, 제124회 2교시 6번, 제113회 1교시 11번, 제100회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전차선로 전압은 전차선이 열차에 공급하는 전압의 기준값과 상한·하한을 영구와 비영구로 나누어 정한 것이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전차선로: 전차선, 조가선, 급전선으로 구성되어 전기철도 차량에 전력을 공급하는 가선 시스템이다.
• 공칭전압: 전압 등급을 대표하는 명목상의 전압이며, 교류 전기철도의 표준값은 25kV이다.
• 영구전압: 장시간 계속 걸려 있어도 설비가 견딜 수 있도록 정한 전압 한계이다.
• 비영구전압: 열차 가속이나 회생제동에 따른 일시적 전압변동 때 제한된 시간만 허용되는 전압 한계이다.
• 최고 전압과 최저 전압: 전차선 전압이 올라갈 수 있는 상한과 내려갈 수 있는 하한을 각각 가리킨다.
• 집전장치: 팬터그래프가 전차선에서 전력을 받아 차량 내부로 전달하는 장치이다.
• 전압변동: 열차 부하와 회생제동에 따라 전차선 전압이 공칭전압에서 벗어나는 현상이다.

2. 개념 풀이

전차선로 전압은 전차선이 차량에 공급하는 전압을 공칭전압을 기준으로 관리하는 전압 체계이다. 공칭전압은 전압 등급을 나타내는 명목값이므로, 실제 전압은 열차의 운전 상태에 따라 이 값보다 높거나 낮게 나타난다. 따라서 설계와 운전에서는 전압이 벗어나도 되는 범위를 상한과 하한으로 정하고, 그 범위를 지속 허용 범위와 일시 허용 범위로 나눈다.

법령은 이 범위를 수치로 정한다. 「철도의 건설기준에 관한 규정」은 전차선로의 공칭전압을 단상 교류 25kV 시스템으로 한다. 공칭전압이 단상 교류 25kV인 시스템에서 전차선의 연속 최고 전압은 27.5kV이다. 법령의 연속 최고 전압이 곧 최고 영구전압이다. 공칭전압이 단상 교류 25kV인 시스템에서 전차선의 연속 최저 전압은 19kV이다. 연속 최저 전압 19kV가 곧 최저 영구전압이다. 5분간 허용되는 최고 전압은 29kV이다. 이 값이 최고 비영구전압이다. 최저 비영구전압은 제한된 시간 동안만 허용되는 하한이다.

전압이 공칭 근처에서 벗어나는 원인은 열차 전류가 전차선의 임피던스를 지나며 생기는 전압강하이다. 열차가 출발하여 가속하면 큰 전류가 흐르고 전압강하가 커져 전압이 낮아진다. 반대로 회생제동 중에는 차량이 만든 전력이 전차선으로 되돌아와 전압이 높아진다. 전압강하의 크기는 다음 식으로 대략 나타낸다.

$\Delta V \approx I \cdot Z \cdot L$

여기서 I는 열차 부하전류(A), Z는 전차선의 단위 길이당 임피던스(Ω/km), L은 급전 지점에서 열차까지의 거리(km)이다. 식은 전류가 커지거나 급전 거리가 길어질수록 전압강하가 커진다는 원리를 보인다.

가상의 예로, 전차선 전압이 22kV까지 떨어졌다면 19kV 이상이므로 지속 허용 범위 안에 있다. 전압이 비영구 최저 한계 아래로 내려가면 비영구 범위도 벗어나므로 차량 운전을 제한하거나 급전 설비를 보강해야 한다.

영구전압은 지속 인가 기준이고, 비영구전압은 제한 시간 기준이라는 구분이 이 개념의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 전기철도는 2004년 KTX 운행 이후 급속히 늘었다. 교류 전기철도는 한국전력 계통의 3상 전력을 스코트 변압기로 단상 전력으로 바꾸어 공급하며, 급전 계통에서는 단권변압기(AT)를 써서 전차선과 레일 사이를 25kV로 급전한다. 이 방식에서 급전선과 레일 사이도 25kV가 급전되고, 전차선과 급전선 사이에는 50kV가 급전된다.

전차선 전압은 열차가 전력을 받는 직접 공급원이므로 상하한을 벗어나면 차량 운전과 설비 안전에 바로 영향을 준다. 전압이 낮으면 차량의 견인력이 충분히 나오지 않고, 높으면 절연 설비와 차량 기기에 과전압 부담이 걸린다. 그래서 법령은 전압의 상하한을 정하고, 설계자는 급전 용량과 급전 간격을 그 범위 안에 머물도록 계산한다.

공칭전압이라는 대표값으로 계통을 부르는 이유는 같은 전압 등급의 설비에 같은 기준을 적용하기 위해서이다. 철도건설규칙 제34조도 전차선로의 공칭전압을 안전성과 설비의 경제성을 갖춘 표준 전기철도 전압 중에서 정하도록 한다. 따라서 공칭전압과 영구·비영구 한계는 설비 설계, 급전계통 해석, 차량 운전 기준을 잇는 공통 출발점이다.