팬터그래프 이선

왜 배우는가: 팬터그래프 이선은 전기철도 집전 품질을 좌우하는 핵심 현상이며, 이선율의 정의와 측정 방법이 반복해서 출제되는 개념이다. 정의, 원리, 기준 수치를 정확히 구분해 쓸 수 있어야 답안의 점수가 달라지므로 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 2교시 3번, 제131회 1교시 3번, 제104회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

팬터그래프 이선은 집전판이 전차선에서 떨어져 집전 접촉이 끊기는 현상이다.

이 정의는 답안 첫 줄에 그대로 옮겨 쓸 수 있다. 이선은 차량의 집전 설비와 가공 전차선 사이 접촉 품질을 대표하는 현상이므로, 이선율과 장애 대책을 함께 묻는 문항의 출발점이 된다. 팬터그래프는 판토그래프, 판타 등으로도 불리지만 답안에서는 팬터그래프로 통일한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 팬터그래프(Pantograph)
• 집전판
• 전차선
• 이선
• 이선 아크
• 이선율
• 이선장애

2. 개념 풀이

팬터그래프는 차량 지붕에 설치되어 가공 전차선으로부터 전력을 받아 차량에 공급하는 집전장치이다. 현재 가장 일반적으로 쓰이는 집전장치이며, 가동부는 다단 링크 또는 스프링 구조로 전차선의 상하 변위를 감당한다. 이 구조는 접촉부의 상하 흔들림을 최대한 억제하고 다양한 높이의 가공 전차선에 대응하도록 설계된 것이다.

팬터그래프의 동작은 공기압을 이용한다. 공기를 공급하면 링크 구조가 밀려 올라가 집전판이 전차선에 접촉하고, 공기를 배출하면 구조물의 자중으로 하강한다. 여기에 상하 움직임을 제한하는 서스펜션과 댐퍼, 좌우 흔들림을 막는 튜브가 더해져 집전판과 전차선의 밀착성이 유지된다. 이 밀착 상태가 주행 중에도 유지되어야 전력이 끊기지 않는다.

이선은 이 밀착 상태가 깨져 집전판이 전차선에서 짧은 시간이라도 떨어지는 현상이다. 차량의 진동, 전차선의 높이와 장력이 고르지 않은 구간, 집전판 탄소 부분의 단단한 점, 전기적 중성 구간 통과가 주된 원인이다. 접촉이 끊긴 틈에서는 이선 아크가 발생하여 전력 공급이 순간 중단되고 집전판과 전차선이 손상된다.

이선 아크는 전자기 잡음의 주요 원인이다. 열차 속도와 견인 전력이 커질수록 이선이 발생할 확률이 높아지고 전자기파 에너지도 커진다. 떨어져 있던 거리가 크고 지속 시간이 길면, 아크가 소멸한 뒤 다시 근접하는 순간 집전판과 전차선 사이 간극에서 고압 절연 파괴가 일어날 수 있다.

이선율은 측정 구간에서 이선 아크가 발생한 시간을 측정 시간으로 나눈 백분율이다. 이선율은 열차가 일정 구간을 주행하는 동안 이선 아크가 차지한 시간의 비율이다. 식으로 쓰면 이선율 = 이선 시간 ÷ 측정 시간 × 100 이다. 여기서 이선 시간은 이선 아크가 발생한 시간의 합이고, 측정 시간은 시험 조건에서 정한 전체 기록 시간이다.

이선율은 집전 성능을 평가하는 가장 간단한 시험 지표로 쓰인다. 접촉력을 직접 계측하는 방식보다 측정 장치가 단순하고, 최고 속도 조건에서 측정할 수 있다는 장점이 있다. 측정에는 신뢰성 높은 이선 검출기와 EN 50317 기준에 맞는 측정 조건이 필요하다.

집전 품질은 전차선과 팬터그래프 사이 상호작용의 성능을 뜻하며, 이선율은 그 대표적인 평가 지표이다.

3. 등장 배경과 필요성

가공 전차선의 집전 방식은 트롤리 폴, 볼 집전기, 팬터그래프 세 가지로 나뉜다. 이 중 팬터그래프는 집전판을 일정한 기하학적 형상으로 전차선에 밀착시키므로 고속 운전에 가장 적합하다. 그래서 고속철도용 차량은 영국의 제3궤조 구간을 운행하는 차량을 제외하면 대부분 팬터그래프 방식을 취한다.

열차 속도가 높아지고 견인 전력이 커지면서 이선의 영향이 커졌다. 이선 아크의 전자기 복사 에너지가 증가하여 고속철도의 전자기 안전을 해치는 주된 간섭원이 되었기 때문이다. 따라서 이선을 줄이는 집전 설계와 그 정도를 정량적으로 평가하는 시험이 필요하다.

집전장치를 몇 개 설치할지는 나라마다 시각이 다르다. 유럽은 집전장치 수를 최소화해야 이선을 줄이고 공력 저항도 낮출 수 있다고 본다. 반면 일본은 두 개 이상을 설치하면 한쪽에서 이선이 생기더라도 다른 쪽이 접촉을 유지하므로 더 안전하다고 본다.

기존선을 포함한 대부분의 가공 전차선 철도는 집전장치 수를 줄이는 방향을 지향한다. 이를 위해 각 집전장치 또는 각 인버터를 잇는 특고압 모선을 차량에 설치하여, 집전장치 하나로 여러 차량의 전력을 공급하는 방법이 활용된다.