전차선로 구분장치

왜 배우는가: 전차선로 구분장치는 열차가 급전 구간을 넘나드는 모든 노선의 기본 설비이며, 신호기 설치 위치와 운전 조건을 함께 정하는 출발점이다. 구분장치의 설치 위치와 신호기와의 관계는 관련 문항에서 반복해 묻는 주제이므로, 원리와 설치 이유를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제109회 2교시 2번, 제108회 3교시 4번, 제96회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전차선로 구분장치는 전차선로를 급전 구간별로 전기적으로 나누어 전원 간 단락을 막는 장치이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 두고, 이어서 구분장치가 신호기 설치와 열차 운전에 어떻게 연결되는지 밝히면 된다.

핵심 키워드

• 전차선로: 동력차에 전기에너지를 공급하기 위해 선로를 따라 설치한 전선, 지지물, 부속 설비를 총괄하는 시설이다.
• 구분장치: 급전 구간을 전기적으로 나누는 절연 또는 무전압 설비를 통칭하는 말이다.
• 절연구분장치: 전차선에 절연 애자를 두어 급전 구간을 나누는 방식이다.
• 에어섹션(Air Section): 두 전차선을 절연재 없이 일정한 공간을 두고 떨어뜨려 나누는 방식이다.
• 중성구간: 위상이 다른 전원이 만나는 곳에 두는 무전압 구간이다.
• 급전구분소: 변전소 사이에서 급전 구간을 나누어 고장 범위를 줄이는 설비이다.

2. 개념 풀이

구분장치의 정식 정의는 전차선로를 전기적으로 독립된 구간으로 나누어, 구간마다 서로 다른 변전소나 다른 상의 전원을 받게 하는 장치이다. 전차선로는 하나의 연속된 도체처럼 보이지만 구간마다 급전 조건이 다르므로, 경계에서 전기를 끊어 전원이 섞이지 않게 해야 한다.

원리는 전차선과 열차 집전장치인 팬터그래프의 접촉에서 나온다. 팬터그래프는 전차선에 접촉해 전류를 받아 가는데, 두 급전 구간에 동시에 걸치면 전원끼리 단락되어 아크가 생긴다. 구분장치는 팬터그래프가 두 급전구간에 동시에 걸칠 때 생기는 전원 단락을 막는 장치이다.

구분장치는 방식에 따라 절연구분장치, 에어섹션, 중성구간으로 나뉜다. 절연구분장치는 전차선을 절연재로 나누는 방식이므로 열차가 경계를 넘을 때 전원 공급 구간이 바뀐다. 에어섹션은 절연재 없이 공간으로 나누는 방식이므로, 구간을 넘을 때 차량의 전원 상태를 별도로 고려해야 한다. 중성구간은 위상이 다른 전원이 만나는 곳에 두는 무전압 구간이며, 열차는 전원을 끊고 관성으로 통과한다.

구분 구간을 지나는 절차는 다음과 같다.

• 열차 진입 전 지상 장치가 차상 차단기를 열도록 지령한다.
• 열차는 전원 없이 관성으로 중성구간을 통과한다.
• 통과 후 후방 지상 장치가 다음 구간 전원에 맞게 차단기를 다시 닫는다.

이 절차에서 차단기를 여는 시점이 핵심이다. 팬터그래프가 통전 중인 전선에서 갑자기 떨어지면 아크가 생기므로, 전원 차단은 구분 구간 진입 전에 끝나야 한다. 설계에서는 구분 구간의 길이, 열차 속도에 따른 타행 거리, 팬터그래프 접촉 상태를 함께 고려한다. 속도가 높을수록 타행 거리가 길어지므로 구분 구간 앞의 신호 예고 거리도 그만큼 커져야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 1879년 독일 베를린 만국박람회의 직류 전기기관차에서 시작되었고, 이후 교류 방식이 확대되면서 구분장치의 종류가 다양해졌다. 교류 전기철도의 대표 방식은 25kV 교류 50Hz 또는 60Hz의 상용주파수 방식이다.

변전소마다 전력계통의 위상과 전원 조건이 다르므로, 인접 변전소의 급전을 전차선으로 직접 연결하면 위상차 때문에 큰 순환전류와 단락이 생긴다. 따라서 급전 구간을 나누는 구분장치가 필요하다. 직류 방식도 구간을 나누어야 하는데, 변전소 단위로 구간을 분리해야 고장이 한 구간에 머문다.

구분장치가 필요한 이유는 다음과 같이 정리된다.

• 고장 격리: 한 구간에 고장이 나도 인접 구간의 급전을 유지한다.
• 작업 안전: 보수 구간만 정전하고 접지하여 작업자가 감전되지 않도록 한다.
• 급전 전환: 변전소 점검이나 장애 시 다른 변전소에서 급전을 받도록 구간을 바꾼다.
• 차량 서비스 보완: 구분 구간에서는 객실등과 공조장치 같은 서비스 전원이 잠시 끊기므로, 차체 축전지나 타행 시 회생 발전으로 전원을 유지한다.

신호기와의 관계도 이 필요에서 출발한다. 열차는 구분장치 앞에서 전원을 끊고 타행해야 하므로, 신호기는 구분 구간 진입을 기관사에게 미리 알려 주어야 한다. 신호기의 설치 위치는 기관사가 전원 차단과 타행을 준비할 거리를 확보하도록 정하며, 세부 기준은 뒤의 절에서 다룬다.