전철화

교류 전철화는 철도 선로에 교류 전력을 공급하는 방식을 말한다. 주로 고전압을 사용하여 장거리 구간에서 효율적으로 전력을 송전하는 데 유리하다. 대표적으로 교류 25kV 60Hz와 교류 15kV 16.7Hz가 널리 사용되며, 이는 장거리 송전 시 전압 강하가 적고 변전소 간격을 넓게 할 수 있어 경제적이라는 장점이 있다. 특히 고속철도나 주요 간선 철도에서 많이 채택되는 방식이다.

교류 전철화 시스템은 주로 가공 전차선 방식을 통해 전력을 공급한다. 변전소에서 고전압의 교류 전력을 받아 가공 전차선을 통해 열차로 송전하며, 열차 내부에는 주변압기와 정류 장치가 장착되어 필요한 직류나 교류 전력으로 변환하여 사용한다. 이 방식은 직류 전철화에 비해 변전소 설치 비용과 유지 보수 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.

가공 전차선 방식은 철도 선로 상공에 가공 전차선을 설치하고, 열차의 팬터그래프를 통해 전력을 공급하는 전철화 방식이다. 이 방식은 주로 고속 및 중장거리 철도, 그리고 대부분의 일반 철도에서 사용되는 가장 보편적인 전철화 방식이다.

가공 전차선 방식은 전차선과 조가선으로 구성된다. 전차선은 팬터그래프와 직접 접촉하여 전류를 공급하는 가늘고 단단한 구리 합금선이다. 조가선은 전차선을 일정한 높이로 지지하는 역할을 하며, 일반적으로 전차선보다 굵은 강선으로 만들어져 전체 구조의 강도를 유지한다. 이 두 선은 도르래와 현수 금구를 통해 연결되어 전차선이 수평을 유지하도록 한다.

이 방식의 주요 장점은 높은 전압과 대용량 전력 공급이 가능하다는 점이다. 이는 고속열차나 중량 화물열차가 안정적으로 고출력을 유지하며 운행될 수 있게 한다. 또한 선로 위에 시설이 위치하기 때문에 제3궤조 방식에 비해 선로 보수 작업이 비교적 용이하고, 지상에 노출된 전류체가 없어 안전성이 높다. 그러나 가공 전차선과 지지대를 설치해야 하므로 초기 건설 비용이 높으며, 강풍이나 적설과 같은 악천후 시 접촉 불량이 발생할 수 있다는 단점도 있다.

가공 전차선 방식은 교류와 직류 시스템 모두에 적용된다. 고속철도나 주요 간선 철도에서는 교류 25kV를 사용하는 경우가 많으며, 도시 철도나 일부 간선에서는 직류 1,500V나 직류 750V를 사용하기도 한다. 이 방식의 발전으로 자동 긴장 장치가 도입되어 온도 변화에 따른 전차선의 늘어짐과 줄어듦을 자동으로 보정하여 일정한 접촉 압력을 유지함으로써 열차의 안정적인 주행을 보장한다.

제3궤조 방식은 철도 선로 옆에 별도의 전류 공급용 레일을 설치하여 전기 기관차나 전동차에 전력을 공급하는 전철화 방식이다. 이 방식에서는 가공 전차선 대신 주행 궤도와 평행하게 놓인 제3의 도체 레일이 전류를 운반하며, 열차는 이 레일에 접촉하는 집전 장치를 통해 전력을 받는다.

이 방식은 주로 도시 철도나 지하철과 같은 고밀도 운행이 이루어지는 구간에서 널리 사용된다. 지하 공간이 협소하여 가공 전차선을 설치하기 어려운 터널 구간에서 공간 활용에 유리하며, 가공 전차선 방식에 비해 시설이 노반 가까이에 위치해 유지보수가 비교적 용이하다는 장점이 있다. 그러나 노반에 노출된 전압이 높은 도체 레일이 존재하기 때문에 안전상의 위험이 따르며, 건널목이나 역 승강장 구간에서는 추가적인 보호 장치가 필요하다.

전압은 주로 직류 600V, 750V, 1,500V 등이 사용된다. 영국 런던 지하철의 상당수 노선과 미국 뉴욕 지하철, 독일 베를린의 일부 도시 철도 노선, 그리고 대한민국의 서울 지하철 4호선 안산선 구간 등이 대표적인 제3궤조 방식 적용 사례이다.

전철화 방식은 열차의 출발 및 가속 성능이 우수하다. 디젤 기관차와 달리 전기 기관차나 전동차는 전기 모터를 사용하여 순간적으로 높은 토크를 낼 수 있어, 정차 후 재가속이 빠르고 경사 구간을 오르는 데 유리하다. 이는 특히 정거장이 많은 도시 철도나 지하철, 그리고 산악 지형의 철도 노선에서 운행 효율을 크게 향상시킨다.

환경 오염 감소는 전철화의 중요한 장점이다. 열차 운행 시 현장에서 직접 배출가스를 발생시키지 않아 대기 오염 물질과 소음이 줄어든다. 이는 도시 지역의 공기 질 개선에 기여하며, 특히 터널이나 지하 구간에서의 공기 질 유지에도 효과적이다. 또한, 화석 연료를 직접 소비하지 않아 온실가스 배출을 간접적으로 줄일 수 있다.

에너지 효율성이 높은 점도 큰 메리트이다. 전기 추진 시스템은 열에너지를 기계적 동력으로 변환하는 내연기관에 비해 에너지 손실이 적다. 회생 제동 기술을 적용하면 열차가 감속할 때 발생하는 운동 에너지를 다시 전기로 변환하여 선로에 반환하거나 다른 열차가 사용할 수 있어, 전체적인 에너지 소비를 절감할 수 있다. 이는 운영 비용 절감과 자원 보존 측면에서 유리하다.

또한, 전철화는 열차의 출력과 속도를 높이는 데 유리하여 고속 철도 운영의 기본이 된다. 전력 공급이 안정적이면 장거리 고속 운행이 가능하며, 열차 설계 시 동력 장치 배치에 더 많은 유연성을 제공한다. 이러한 장점들로 인해 전철화는 현대 철도 시스템, 특히 대량 수송이 요구되는 도시 철도와 장거리 고속 철도에서 표준 방식으로 자리 잡았다.

전철화는 많은 장점을 지니고 있지만, 초기 투자 비용이 매우 크다는 단점이 있다. 선로를 따라 변전소를 설치하고, 가공 전차선이나 제3궤조를 구축하며, 복잡한 급전 시스템을 마련해야 하므로, 비전철화 구간에 비해 건설 비용이 훨씬 높다. 특히 지형이 험난하거나 터널이 많은 구간에서는 공사 난이도와 비용이 급증한다.

시설이 노출되어 있다는 점도 단점으로 꼽힌다. 가공 전차선은 강풍이나 폭설, 낙뢰와 같은 악천후에 직접적인 영향을 받아 단선 사고가 발생할 수 있으며, 이를 복구하는 데 시간이 소요된다. 제3궤조 방식도 선로 옆에 노출된 전류 공급 레일로 인해 안전상의 위험이 존재하며, 눈이나 얼음이 쌓이면 전기 공급에 장애가 생길 수 있다.

또한, 전철화된 구간과 비전철화 구간이 혼재되어 있을 경우 열차의 운행에 제약이 따른다. 디젤 기관차나 하이브리드 동력 시스템을 장착한 차량이 아닌 일반 전기 기관차는 전기가 공급되지 않는 구간으로 진입할 수 없다. 이로 인해 차량의 운용 효율성이 떨어지거나, 환승이 불가피해지는 경우가 발생한다. 따라서 철도망 전체를 일관되게 전철화하거나, 상호 운용이 가능한 차량을 도입하는 것이 필요하다.

변전소는 전철화된 철도 시스템에서 상용 교류 전력을 열차에 적합한 전압과 형태로 변환하여 공급하는 핵심 시설이다. 발전소나 송전망에서 공급받은 고압 전력을 철도용 전차선에 맞는 직류나 교류로 변환하고, 이를 철도 선로를 따라 분배하는 역할을 담당한다.

변전소의 주요 기능은 변압과 정류이다. 교류 전철화 방식에서는 고압의 상용 전력을 철도용 전압(예: 교류 25kV)으로 낮추는 변압이 주된 역할이다. 반면, 직류 전철화 방식에서는 교류 전력을 직류(예: 직류 1,500V)로 변환하는 정류 장치가 필수적으로 설치된다. 또한, 무효전력 보상 장치나 역률 개선 장치를 통해 전력 품질을 유지하고, 차단기를 이용하여 선로상의 고장 전류를 차단하여 시스템을 보호한다.

변전소의 배치와 용량은 철도 노선의 길이, 열차 운행 빈도, 소요 전력량에 따라 결정된다. 일반적으로 일정 간격을 두고 노선을 따라 다수의 변전소가 설치되어 전압 강하를 최소화하고 안정적인 전력 공급을 보장한다. 최근에는 반도체 기술을 활용한 효율적인 정류기와 변환기가 도입되어 에너지 손실을 줄이고 신뢰성을 높이는 방향으로 발전하고 있다.

가공 전차선 방식은 철도 선로 상공에 전선을 설치하고, 열차의 집전장치인 팬터그래프를 통해 전력을 공급하는 방식이다. 이 방식은 주로 고속 및 대용량 전력을 필요로 하는 철도에 널리 사용된다.

가공 전차선 방식은 전차선과 지지선으로 구성된다. 전차선은 팬터그래프와 직접 접촉하여 전류를 전달하는 가늘고 단단한 구리 또는 합금선이다. 지지선은 전차선을 일정한 높이와 장력으로 지지하는 역할을 하며, 전주와 케이블을 통해 설치된다. 이 시스템은 열차가 고속으로 주행할 때도 팬터그래프와 전차선 사이의 접촉을 안정적으로 유지하도록 설계된다.

이 방식의 주요 장점은 높은 전압과 대용량 전력 공급이 가능하다는 점이다. 예를 들어, 고속철도나 일반 간선 철도에서 널리 사용되는 교류 25kV 급전은 가공 전차선 방식을 통해 실현된다. 또한, 선로 위에 설치되므로 제3궤조 방식에 비해 선로 구조가 간단하고, 유지보수 접근성이 상대적으로 좋은 편이다.

반면, 가공 전차선 방식은 지상에 비해 시설 비용이 높고, 눈이나 얼음에 의해 전차선이 손상될 수 있으며, 팬터그래프와 전차선 사이의 마모와 소음이 발생할 수 있다. 또한, 터널이나 지하 구간에서는 설치 공간에 제약을 받을 수 있어, 이러한 구간에서는 제3궤조 방식이 종종 병용되거나 대체되기도 한다.

급전선은 변전소에서 전력을 공급받아 가공 전차선이나 제3궤조로 전력을 전달하는 연결 배선이다. 변전소와 전차선 사이의 중요한 전력 경로 역할을 하며, 전철화 시스템의 신뢰성 있는 전력 공급을 보장하는 핵심 구성 요소이다.

가공 전차선 방식에서는 일반적으로 변전소에서 출발한 급전선이 철도 선로를 따라 설치된 급전용 지지물에 걸쳐 배치되어 전차선에 전력을 공급한다. 이는 전력 손실을 최소화하면서 안정적인 전압을 유지하는 데 기여한다. 제3궤조 방식에서는 변전소와 제3궤조를 직접 연결하는 형태로 구성되며, 주로 도시 철도나 지하철에서 사용된다.

급전선의 설계와 설치에는 높은 전압과 대용량 전류를 안전하게 처리할 수 있는 절연 및 지지 기술이 요구된다. 또한, 기상 조건이나 주변 환경에 따른 영향을 최소화하기 위해 내구성 있는 재료와 구조가 적용된다. 이는 전체 철도 시스템의 전력 품질과 운행 안전성에 직접적인 영향을 미친다.

지중 전력선은 변전소에서 전차선이나 제3궤조에 전력을 공급하기 위해 지하에 매설된 전력 케이블이다. 이 선로는 고전압의 전력을 안정적으로 수송하는 역할을 하며, 주로 도시 지역이나 지형적 제약으로 가공선 설치가 어려운 구간에 활용된다. 지중 전력선은 외부 환경에 노출되지 않아 기상 조건의 영향을 덜 받고, 도시 미관을 해치지 않는다는 장점이 있다.

구성 요소로는 절연체로 보호된 동심 도체, 접지선, 그리고 케이블을 보호하는 외피 등이 포함된다. 이러한 설계는 누전을 방지하고 장기간의 사용에도 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다. 지중 전력선은 철도 시스템의 중요한 기반 시설 중 하나로, 신뢰성 높은 철도 운행을 뒷받침한다.

그러나 지중 전력선은 초기 설치 비용이 높고, 고장 발생 시 점검 및 수리가 가공선에 비해 복잡하고 시간이 많이 소요된다는 단점도 있다. 또한, 열 발산 문제를 해결하기 위해 별도의 냉각 설비가 필요할 수 있다. 이러한 특성으로 인해, 지중 전력선은 경제성과 유지보수성을 고려하여 신중하게 구간을 선정하여 적용된다.

자기부상열차는 전철화된 일반 철도와는 구별되는 차세대 고속 교통 수단이다. 기존 철도가 차륜과 레일 사이의 마찰력을 이용해 주행하는 반면, 자기부상열차는 강력한 전자석을 이용해 차량을 레일에서 공중에 띄워 공기 저항과 마찰을 극도로 줄인다. 이로 인해 매우 높은 속도를 구현할 수 있으며, 소음과 진동이 적다는 특징을 가진다. 추진 방식은 선형 전동기를 채택하여, 차량 자체에 동력 장치를 탑재하거나 궤도에 설치된 코일에 전류를 흘려 추진력을 얻는 방식으로 구분된다.

자기부상열차의 궤도는 전철화 방식과는 근본적으로 다르다. 가공 전차선이나 제3궤조를 통해 열차에 전력을 공급하는 대신, 선형 전동기를 구동하기 위한 대용량 전력이 필요하다. 이 전력은 궤도 측에 설치된 전력 변환 장치를 통해 공급되며, 차량이 공중에 뜨고 나면 공기역학적 저항만이 주된 저항이 되어 에너지 효율 측면에서 이점을 보일 수 있다. 그러나 시스템 전체의 건설 비용과 유지보수 비용은 기존의 고속철도보다 훨씬 높은 편이다.

실용화된 대표적인 사례로는 일본의 도카이도 신칸센을 계승하는 초전도 자기부상열차 (SCMAGLEV)와 상하이의 상하이 자기부상열차가 있다. 특히 일본의 기술은 초전도 자석을 사용하여 더 강력한 부상력을 얻는 방식이며, 시험 주행에서 상업 운행 철도의 세계 최고 속도 기록을 여러 차례 갱신했다. 이러한 시스템들은 일반적인 전철화 기술과는 별개의 독자적인 전력 공급 및 제어 시스템을 필요로 한다.

자기부상열차 기술은 도시 철도나 광역 교통망보다는 장거리 고속 간선 철도에 적용되는 경우가 많다. 기존 선로와의 호환성이 없어 완전히 새로운 노반과 시설을 구축해야 하므로, 초기 투자 비용이 가장 큰 장벽으로 꼽힌다. 또한 고속 주행 시 발생하는 특유의 터널 진공 현상이나 대용량 급전 문제 등 해결해야 할 공학적 과제도 남아있다.

하이브리드 동력 시스템은 전철화 구간과 비전철화 구간을 모두 운행할 수 있는 철도 차량에 적용되는 기술이다. 이 시스템은 일반적으로 디젤 엔진과 전기 모터를 결합하거나, 배터리와 같은 에너지 저장 장치를 탑재하여 구성된다. 이를 통해 전철화가 완비되지 않은 구간에서도 전기 추진의 장점을 일부 활용할 수 있으며, 특히 디젤 소비량과 배기 가스 배출을 줄이는 데 기여한다.

주요 구성 방식으로는 디젤-전기 하이브리드 방식과 배터리-전기 하이브리드 방식이 있다. 디젤-전기 방식은 디젤 엔진으로 발전기를 구동하여 전력을 생산하거나, 배터리에 저장된 전력으로 모터를 구동한다. 배터리-전기 방식은 전철화 구간에서 주행하며 배터리를 충전한 후, 비전철화 구간에서는 배터리에 저장된 전력만으로 주행하는 방식이다. 이는 지방 철도나 교외 철도처럼 전철화 구간이 단절되어 있는 노선에 유용하게 적용된다.

이러한 시스템의 도입은 철도망의 전면적인 전철화에 소요되는 거대한 초기 투자 비용과 시간을 절감할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 또한, 탄소 배출 저감과 연비 향상이라는 환경적·경제적 이점을 제공하며, 기존 디젤 동차를 부분적으로 개조하여 적용할 수도 있어 점진적인 철도 시스템의 친환경 전환을 가능하게 한다.