급전선

왜 배우는가: 급전선은 변전소와 전차선을 잇는 공급 구간이므로 전압강하, 급전 손실, 설비 용량을 함께 결정한다. AT 급전방식이나 도체 재질 선정과 엮어 묻는 경우가 많아 계통 구성과 도체 선정을 연결해 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제139회 4교시 5번, 제133회 1교시 3번, 제115회 1교시 4번, 제109회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

급전선은 전기철도 급전계통에서 전력을 전차선까지 실어 나르는 공급 측 전선이다. 전차선에 필요한 전력을 변전소와 단권변압기로부터 받아 전달하는 역할을 맡으며, 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓴다.

• 급전선: 변전소나 단권변압기에서 전차선 쪽으로 전력을 보내는 전선이다.
• 전차선: 집전장치인 팬터그래프와 접촉하여 차량에 전기를 공급하는 가공 전선이다.
• 레일: 차량이 소비한 전류가 변전소로 되돌아가는 귀선 경로로 쓰이는 선로이다.
• 급전회로: 변전소에서 급전선, 전차선, 레일을 거쳐 차량까지 이어지는 전기 회로 전체이다.
• 단권변압기(AT): 1차 권선과 2차 권선이 하나의 권선을 공유하는 변압기이며, 전압을 나누거나 합치는 데 쓰인다.
• AT 급전방식: 단권변압기를 일정 간격으로 설치해 급전선과 전차선 사이의 전압을 높여 전력을 보내는 방식이다.

급전선은 단독으로 쓰이지 않는다. 변전소에서 나온 전력은 급전선을 거쳐 전차선으로 들어가고, 차량에서 소비되고 남은 전류는 레일을 거쳐 다시 변전소로 돌아온다. 이 흐름이 하나의 회로를 이루므로 급전선의 전기적 조건은 전차선로 전체의 전압과 전류에 영향을 준다. 이 위치 관계를 알면 급전선의 전압·전류 조건이 전차선로 설계와 왜 연결되는지 설명할 수 있다.

급전선과 전차선은 모두 가공 도체이지만 역할이 다르다. 전차선은 차량의 집전장치와 직접 접촉하는 선이고, 급전선은 차량과 닿지 않고 전기를 공급하는 선이다. 그래서 급전선의 설계는 집전 조건보다 전기적 성능과 긴 경간에서의 기계적 강도를 중심으로 이루어진다.

2. 개념 풀이

급전선의 정식 정의는 전기철도 급전계통에서 전력을 전차선로에 공급하기 위해 변전소 또는 급전구분소와 전차선을 연결하는 도체이다. 급전계통은 전력계통에서 받은 전력을 변압하여 차량에 공급하는 전체 체계를 말하며, 급전선은 그 가운데 전차선과 직접 이어지는 구간을 맡는다. 따라서 급전선의 본질은 차량이 필요로 하는 전력을 전압강하와 손실을 최소화하며 전차선까지 전달하는 도체라는 데 있다.

AT 급전방식은 급전계통의 전압을 두 배로 올려 전력을 보내는 방식이다. 변전소의 단권변압기는 중간 탭을 레일에 접지하고, 한쪽 끝은 전차선에, 다른 쪽 끝은 급전선에 연결한다. 이 연결로 전차선과 레일 사이 전압은 25kV, 급전선과 전차선 사이 전압은 50kV가 되어 전력이 두 배 전압으로 전달된다. AT 급전방식은 급전선과 전차선 사이 전압을 전차선과 레일 사이 전압의 두 배로 두는 방식이다.

같은 전력을 보낼 때 전압이 두 배이면 전류는 절반이 된다. 도체에서 생기는 저항손실은 다음 식으로 나타낸다.

$P_{loss} = I^2 R$

여기서 I는 전류(A), R은 도체 저항(Ω), P_{loss}는 저항손실(W)이다. 전류가 절반이 되면 저항손실은 1/4로 줄고, 전압강하도 전류에 비례하여 작아진다. 도체 저항이 같다면 전류가 작을수록 손실이 줄어든다는 점이 핵심이다. 즉 AT 급전방식은 같은 도체로 더 먼 거리까지 전력을 보낼 수 있게 한다.

차량에서 소비된 뒤 레일을 통해 변전소로 되돌아가는 전류를 귀선 전류라 한다. 단권변압기는 약 10km 간격으로 설치되어 이 귀선 전류를 끌어올려 급전선 쪽으로 되돌려 보낸다. 그 결과 전류의 대부분이 전차선과 급전선 사이로 흐르고, 레일로 흐르는 전류는 줄어든다. 레일 전류가 줄면 주변 통신선에 미치는 유도 영향도 작아진다.

2×25kV 방식의 전류 경로는 다음과 같이 정리된다. 차량의 전류는 전차선에서 집전되어 차량을 지난 뒤 귀선 전류로서 레일을 따라 흐르고, 단권변압기에서 급전선으로 넘어간다. 이 경로는 차량 전류가 레일에만 흐르는 방식과 구별된다.

단권변압기는 1차 권선과 2차 권선이 하나의 권선을 공유하는 변압기이다. 일반 2권선 변압기와 비교하면 같은 용량에서 재료가 적게 들고 효율이 높아 급전 구간의 중간 지점마다 설치하기에 적합하다. 급전선은 전차선과 반대 위상으로 공급되므로 두 도체 사이 전압이 커지고, 이것이 AT 급전방식에서 전력을 두 배 전압으로 보내는 근거가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

교류 전기철도는 전차선에 공칭 25kV를 가하는 방식이 널리 쓰인다. 그런데 변전소에서 먼 구간까지 같은 방식으로 전력을 보내면 전압강하가 커져 급전 가능한 거리가 짧아진다. 변전소를 자주 설치하면 설비비와 유지비가 함께 늘어나므로, 송전 거리를 늘리면서 설비 수를 줄이는 방법이 필요해졌다.