전차선 구배

왜 배우는가: 전차선 구배는 집전장치가 전차선을 이선 없이 따라가도록 높이 변화를 제한하는 기준이다. 선로 기울기 규정, 곡선 저항, 종곡선이 함께 얽혀 여러 문항에서 다루는 주제이므로 기준 수치와 원리를 같이 익혀야 한다.

출제 이력: 제131회 1교시 7번, 제122회 4교시 5번, 제121회 1교시 12번, 제113회 1교시 6번, 제112회 1교시 1번, 제100회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전차선 구배는 전차선이 선로 길이 방향으로 높이를 바꾸는 정도, 즉 전차선의 종단 기울기이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전차선은 집전장치와 접촉하여 차량에 전기에너지를 공급하는 전선이다.
• 전차선 구배는 전차선의 종단 방향 기울기를 천분율로 나타낸 값이다.
• 종단 기울기는 선로 길이 방향으로 높이가 변하는 비율을 말한다.
• 천분율(‰)은 수평거리 1000 단위당 높이 변화량을 나타내는 단위이다.
• 환산기울기는 곡선에서 생기는 저항을 기울기 값으로 바꾼 것이다.
• 집전장치(팬터그래프)는 차량 지붕에 설치되어 전차선과 접촉하는 장치이다.
• 이선현상은 집전장치가 전차선에서 떨어져 접촉이 끊기는 현상이다.
• 종곡선은 기울기가 바뀌는 지점을 완만하게 잇는 곡선이다.

위 용어들은 하나의 흐름으로 연결된다. 전차선 구배는 천분율로 표시된 종단 기울기이며, 그 값이 허용 범위를 넘으면 집전장치가 전차선 높이 변화를 따라가지 못해 이선현상이 나타난다. 곡선이 겹치는 구간에서는 환산기울기만큼 허용 구배가 줄어들고, 기울기가 바뀌는 지점은 종곡선으로 잇는다. 따라서 용어를 개별로 외우지 말고 이 연결 관계를 함께 써야 답안에서 정확하게 설명할 수 있다.

전차선 구배는 전차선로 설계에서 본선, 정거장, 측선으로 구간을 나누어 검토한다. 본선은 열차가 연속 주행하는 구간이라 구배가 속도 유지에 직접 영향을 주고, 정거장 승강장은 열차가 정지했다가 재기동하는 구간이라 완만한 구배를 요구한다. 측선은 열차를 유치하지 않으므로 상대적으로 큰 구배를 허용할 수 있다. 같은 전차선 구배라도 구간의 운전 조건에 따라 판단 기준이 달라지는 점을 함께 이해해야 한다.

2. 개념 풀이

전차선 구배는 전차선의 높이 변화량을 수평 거리로 나눈 값에 1000을 곱해 천분율로 나타낸 종단 기울기이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$i = \frac{\Delta h}{L} \times 1000$

여기서 i는 구배(‰), Δh는 전차선의 높이 변화량(m), L은 그 구간의 수평 거리(m)이다. 가상의 예로 Δh가 0.6m, L이 300m인 구간이라면 i는 0.6 ÷ 300 × 1000 = 2‰가 된다. 이 결과는 정거장 안 승강장 구간 기준인 1천분의 2 이하(철도의 건설기준에 관한 규정 제10조)와 같은 크기이므로 상식 범위 안에 있다.

원리는 집전장치의 추종 능력에 있다. 집전장치는 스프링 힘으로 전차선을 위로 밀어 올리며 접촉하는 구조이므로, 전차선 높이 변화가 완만해야 그 변화를 따라갈 수 있다. 구배가 커서 높이가 급하게 변하면 집전장치의 상하 추종이 늦어져 접촉력이 불균일해지고, 그 결과 이선현상이 생긴다.

같은 구배라도 속도 조건에 따라 허용 부담이 달라진다. 설계속도가 높으면 전차선 높이 변화에 대한 집전장치의 응답 시간이 짧아지므로, 고속 구간에서는 저속 구간보다 완만한 구배를 요구하는 것이 일반적이다. 따라서 구배 검토는 설계속도 등급과 함께 이루어진다.

구배는 방향도 함께 나타낸다. 열차 진행 방향으로 높아지는 구간을 상구배, 낮아지는 구간을 하구배라 하며, 상구배에서는 견인력이 더 필요하고 하구배에서는 제동 부담이 커진다. 전차선 구배는 이런 운전 조건과 맞물려 집전 안정성을 좌우한다.

본선 기울기와 전차선 구배는 구분해 쓴다. 본선 기울기는 선로의 기울기를 규정한 값으로, 「철도의 건설기준에 관한 규정」 제10조가 설계속도에 따라 정한다. 곡선이 있는 본선은 그 허용 기울기에서 환산기울기를 뺀 값 이하로 해야 하므로, 곡선 저항만큼 허용 구배가 줄어든다. 전차선 구배는 이 선로 기울기 위에 가선된 전차선의 높이 변화를 가리키므로, 두 값은 가선 높이와 지지 구조에 따라 차이가 날 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전철화 구간이 늘고 열차 설계속도가 높아지면서 전차선 높이 변화가 집전 품질을 좌우하게 되었다. 속도가 높을수록 집전장치는 같은 높이 변화에도 더 빠르게 응답해야 하므로, 구배를 제한하지 않으면 접촉 불량과 이선현상이 쉽게 일어난다. 종단구배는 속도와 용량, 운행비용에 영향을 준다는 일반 원리도 같은 맥락이다.