전차선로용 지선

왜 배우는가: 전차선로 지지물과 지선의 힘 관계를 알아야 전차선의 높이와 편위를 설계값으로 유지하는 이유를 설명할 수 있다. 이 개념은 3개 회차 기출에서 반복해서 묻는 주제이다. 취부 각도와 장력의 관계는 평형식으로 계산되므로 답안 작성의 기본이 된다.

출제 이력: 제137회 1교시 8번, 제124회 3교시 6번, 제109회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전차선로용 지선은 전차선로 지지물이 받는 수평 하중을 지지물 밖의 고정점으로 전달하는 인장 부재이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 지선(支線): 지지물 상단과 지면 또는 인접 구조물을 잇는 인장 부재이다.
• 지지물: 전주, 완금, 브래킷처럼 전차선과 조가선을 떠받치는 구조물이다.
• 인장 부재: 당기는 힘만 받도록 설계된 강선이나 연선 부재이다.
• 수평 하중: 전차선 장력, 편위, 풍압에서 생기는 수평 방향의 힘이다.
• 취부 각도: 지선이 지면, 즉 수평면과 이루는 각 θ이다.
• 단지선: 한 지지점에 지선 한 줄을 설치한 형식이다.
• 복지선: 한 지지점에 지선 두 줄 이상을 설치한 형식이다.

2. 개념 풀이

지선은 전차선로 지지물이 전차선과 조가선의 장력, 집전 시 생기는 편위, 풍압에 의한 수평 하중을 받을 때 그 힘을 지지물 밖의 고정점으로 빼내는 부재이다. 지지물을 굵고 단단하게 만들어 굽힘에 버티게 하는 방법보다 지선으로 하중을 분담시키는 방법이 재료와 설치 공간 면에서 유리하므로 널리 쓰인다. 여기서 지선은 인장 부재로 작동한다. 즉 지지물에 굽힘 모멘트를 주는 하중을 지선의 인장력으로 바꾸어 처리한다.

원리는 힘의 평형으로 설명한다. 지선의 장력 T가 지면과 이루는 취부 각도 θ 방향으로 작용하면, T는 수평 성분 T cosθ와 수직 성분 T sinθ로 나뉜다. 수평 성분이 지지점의 수평 하중 H와 평형을 이루므로 T cosθ = H이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$T = H ÷ cosθ$

여기서 T는 지선 장력(N), H는 지지점의 수평 하중(N), θ는 취부 각도(°)이다. cosθ는 0보다 크고 1 이하이므로 T는 항상 H 이상이다. 지선은 수평 하중보다 큰 장력을 받으며, 이 차이가 지선 설계의 출발점이다.

지선은 지지물 쪽 취부 금구, 지선 로프, 절연애자, 지면 앵커로 구성된다. 지선 로프 중간에 절연애자를 넣어 전차선 전압이 지선을 통해 지면으로 흐르는 것을 막는다.

수직 성분 T sinθ는 지지물을 아래로 누르는 압축 하중으로 작용한다. 따라서 지선 장력을 구할 때 수직 성분이 지지물 강도와 기초 검토에 더해진다는 점도 함께 적는다. 취부 각도를 키우면 수평 성분을 얻는 데 필요한 장력이 커지고 수직 압축도 커지므로, 두 효과를 함께 보아야 한다.

지선 장력은 수평 하중을 cosθ로 나눈 값이며, 취부 각도가 커질수록 장력이 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

전차선로는 전차선을 일정한 높이와 위치로 유지하면서 열차의 팬터그래프가 안정적으로 집전하도록 설계된다. 이를 위해 전차선과 조가선에는 설계 장력이 걸리고, 경간이 길어지거나 곡선 구간이 되면 지지점에 작용하는 수평 성분이 커진다. 지지물이 이 하중을 자체 강도만으로 견디면 지지물의 크기와 기초가 과대해지므로, 지선을 설치하여 하중을 지지물 밖으로 분담시킨다.

지선이 필요한 이유는 크게 세 가지이다. 첫째, 전차선 장력과 풍압에 의해 지지물이 전도되거나 기울어지는 것을 막는다. 둘째, 곡선 구간에서 생기는 편위 하중을 흡수하여 전차선의 위치를 설계값에 맞춘다. 셋째, 좁은 궤도 주변에서 지지물의 기초를 키우지 않고도 필요한 강도를 확보한다.