제3궤조 접촉방식 비교검토

 

제3궤조 구성 

 

일반사항 

•직류 750V 고무바퀴 차량시스템인 본 경량전철은 Power Rail을 통하여 차량에 정극 전류가 유입 되고 부극 전류 역시 Power Rail을 통하여 변전소로 귀환된다.

•Power Rail의 도체는 I 형태의 도전성이 뛰어난 알루미늄 형강이 많이 사용되며, 이 도체는 궤도면에 설치된 절연 지지대에 고정

•Power Rail은 가공선 방식과 달리 차량의 집전자 접촉방식에 상면, 측면, 하면 접촉방식이 있으며 궤도상에 낮게 설치되므로 안전보호 장치 시설 필요 

 

제3궤조 접촉방식 비교검토 

구    분	하 면 접 촉 식	측 면 접 촉 식	상 면 접 촉 식
개    요
방    식	차량의 집전자가 도체의 상부면을 습동	차량의 집전자가 도체의 측면을 습동	차량의 집전자가 도체의 하부면을 습동
통전용량	작      음	작      음	많      음
안 정 성	높      음	보      통	낮      음
설치/유지보수	보      통	보      통	쉬      움
적용차량	철제차륜에 유리	고무차륜에 유리	철제차륜에 유리
적용사례	경량전철에 많음	경량전철에 많음	중전철인 지하철에 많음

 

 

 도체의 요건  

•전기 도전성이 우수                             

•가볍고 기계적인 강도가 높음

•제작 및 설치 용이                              

•열신축, 변형이 적음

•습동면은 마모가 적고  집전효율이 우수 

 

 

 

도체 재질 및 형상 

구    분	내    용
재    질	•도  체 : 알루미늄(Al, A6063S계)-도체의 요건을 만족시킬 수 있고 여러 나라에서 하면, 측면접촉방식의 경전철에 사용하고 있는 도전성이 우수한 재질 •습동면 : 스텐레스스틸(SUS 304)-집전효율이 좋고 마모에 강함, Al 도체 몸체에 부착
형    상	•I형 : 습동면 확보와 고강도 구조로 적합

 

 

 

도체의 단면적 

구    분	내    용
개    요	•도체의 단면적이 클수록 전기저항이 낮아 전차선의 전압강하가 작게되므로 변전소 설치 간격을 크게 할 수 있고, 공급전류 용량도 증대되지만 설치공간을 많이 차지하게 되어 토목구조물 크기에 영향을 미치게 됨 •변전소 설치간격과 토목 구조물(궤도)의 크기 등을 종합 검토하여 적절한 규모 선정
단 면 적 선    정	•설치상 무리가 없고 적정한 변전소간격을 유지할 수 있는 도체를 선정 •이를 기준으로 변전소 간격은 정상급전시 약 4～5km
선정사양	•Al/SUS 복합강체

 

 

 급전 FEEDER 구성 

구    분	내    용
설치요건	•급전 FEEDER는 열차 궤도 옆에 평행하게 설치 •전압강하와 전력손실이 없이 열차운행에 지장 없는 전력을 공급할 수 있어야 함
구성장치	•Al/SUS 강체 전차선(Power Rails)           •전차선 접속장치(Rail Joints) •열신축 접속장치(Expansion Joints)          •전차선절연접속장치(InsulatedRailJoints) •절연 지지대(Insulated Support Assemblies) •전차선 교정장치(Mid-Point Anchor)         •습동 완화장치(Ramps) •접지단자(Ground Terminal)

 

급전 FEEDER 설계.시공기준  

 

 

 

 

저    항 

구    분	내    용	비    고
전기저항	•모든 부속품과 장치를 설치 완료한 후 전기저항은 0.024[Ω/km] 이하이어야 함
절연저항	•DC 1,000V에서 연속 DC 3,000V에서 1초간 견딜 수 있도록 함

 

단락강도 

•50kA의 전류가 흐를 때 1초간 변형없이 견디어야 함

 

수    명 

•평상적인 운전조건에서 30년 이상 사용할 수 있어야 함

 

 Power Rail 사양 

구    분	내    용	비    고
온도	40℃(주위온도) / 80℃(허용온도)
1본 길이	15m
단 면 적	25mm × 75mm
전기저항	Max 0.024 [Ω/km] , 20℃기준
허용전류	1,375A, 40℃기준 / 50 kA Min ( 3 sec )
온도팽창율	50mm ± 20

 

 

Joints 

구    분	내    용	비    고
Rail Joints	•Power Rail의 1본의 길이에 따라서 15m마다 이루어짐 •Fist Plate와 Huck Bolt에 의하거나 불활성가스 아크용접으로하고 집전자 습동이 원활하여야 하며 전기저항 증대가 없어야 함
Expansion Joints	•Power Rail이 온도에 따라 길이 방향으로 신축하는데, 이 신축량을 처리하기 위한 신축이음장치 •105m마다(15m×7본) 설치하는 것이 원칙

 

 

Mid-Point Anchor 

구    분	내    용
개    요	•Power Rail이 온도에 따라 신축작용을 하므로 절연 지지대에 확실하게 고정될 수 없으며 미끄러짐이 있는데, 신축작용에 의한 정상적인 이동은 허용되나 다른 외적인 용인으로 좌, 우로 이동되는 것은 허용될 수 없음 •Mid-Point Anchor는 Power Rail의 비정상적인 좌, 우 이동을 막는 장치
위    치	•Power Rail의 Expansion Joint간의 중앙지점
강    도	•설치지점의 좌, 우로부터 받는 하중의 편차에 충분한 강도

 

 

Insulated Support Assemblies 

구    분		내    용
개    요		•절연지지대는 전기절연과 정적, 동적 하중과 진동에 충분한 강도를 가져야 함 •절연체재질 : Porcelan
하    중		•수평․수직 2000N
Withstand Voltage		•Injection : 15 kV/1min , Lightning Impulse : 50 kV
지 지 대 위 치	직선부	•상, 하행 궤도의 중앙부
	곡선부	•곡선궤도의 외측
	정거장	•스크린 도어로 설치로 승각장에 가까운 곳
	간  격	•직선부 2m, 곡선부 2m 이하

 

 

Ramps(End Approach) 

구    분	내    용
개    요	•Ramp는 승강장이나 분기기 개소 등에서 설치 위치가 좌, 우로 변하는 등의 경우 Conductor Rail이 끊기게 되는데 이 지점에서 차량의 집전자가 원활하게 Conductor Rail에서 벗어나거나 타고 들어갈 수 있게 Conductor Rail끝을 위로 들어올려 경사지게 처리
높    이	•Ramp 끝단의 높이는 원 위치에서 80mm 올라가게 되며 Structure Gauge를 벗어나게 할 수 없음
경 사 도	•정거장, 분기기 개소 등 저속구간에서는 1:30, 본선 고속구간에서는 1:50을 초과하지 말아야 함
접    속	•Ramp 지점에서 양쪽의 Conductor Rail은 전기적으로 접속되어져야 함으로 Cable로 접속(Continuity Cabling)하여야 하며, 이 때 전기저항의 증대를 최소화하여야 함

 

 

전차선 방식 

구    분	종    별	전 압 종 별 / 집 전 방 식
전기방식	직 류 식	•600V, 750V, 1500V, 3000V
	단상 교류식	•16⅔Hz : 11kV, 15kV •25Hz   : 6.6kV, 11kV •50Hz   : 6.6kV, 16kV, 20kV, 25kV •60Hz   : 25kV
	3상 교류식	•16⅔Hz : 3.7kV, 6kV •25Hz   : 6kV
가선방식	가 공 식	•커티너리 가선방식
	강 체 식	•AC구간 : R-BAR 방식 •DC구간 : T-BAR 방식
	제3궤조	•하면접촉방식, 측면접촉방식, 상면접촉방식

 

 

전차선 방식 선정 

전 기 방 식	집 전 방 식	접 촉 방 식
직류 750V 방식	제3궤조 (Power Rail)	측면접촉 방식

  

 

교류급전방식 

•교류급전 방식은 변전소에서 수전한 교류전류를 정류장치 없이 변압기만 거쳐 전차선에 교류 전류를 급전하는 방식 

구    분	단상 교류 급전방식	3상 교류 600V 급전방식
특    징	•고전압(20kV 또는 25kV) 이용 가능 •전차선 전류가 적어 전력손실이 적음 •원거리 송전에 적합하여 변전소 간격을 넓힘 •변전설비가 간단하여 경제적 건설 가능 •통신선에 대하여 유도장해를 발생시키는 결점이 있어 전차선에 흡상 변압기나 단권변압기를 사용하여 유도장해를 경감시켜야 함 •주로 장거리 간선전철에 사용되고 있으며,  고전압이어서 제3궤조 방식에는 부적합	•일본의 경량전철에서는 주로 600V가 사용 •제3궤조 방식에서 750V 방식과 대비할 수 있는 급전방식 •차량에 탑재하는 기기가 적어 차량가격이 저렴 •지상 전차선의 전압강하가 높아 변전소 수와 전차선 설비가 복잡 •선로길이가 짧고 피크수요가 많은 곳에 유리

 

 

 

직류급전방식 

•변전소에서 수전한 교류전원을 변압기와 정류기를 거쳐 직류로 변환하여 전차선에 급전하는 방식 

구    분	직류 1500V 급전방식	직류 750V 급전방식
특    징	•직류급전 방식은 수용밀도가 높은 지역에서 운전이 가능하고 유도장애가 없는 이점 등으로 대도시 전철(중전철)에 유리한 방식 •우리나라 각 도시의 지하철에서 모두 사용되고 있는 방식 •비교적 고전압으로 가공선 방식에 적합 •제3궤조 방식에는 적용하기 어려움	•비교적 교통수요가 적은 경량전철에 적용하면 유리하고 제3궤조 방식에도 매우 적합 •일본경량전철에도 AC600V방식과 병행사용 •변전소 설치간격이 1,500V방식보다 짧음 •교류 삼상 600V 방식에 비하여 급전용 단위변전소 내부설비는 많지만 변전소 설치  간격을 넓힐 수 있으며 전차선 설비도 간단하여 건설비가 적게드는 장점 보유 •선로길이가 길고 피크수요가 적은곳에 유리

  

 

전기방식 선정

•경량전철의 특성에 가장 잘 부합되는 방식은 직류 750V 방식과 3상 교류 600V 방식  

구    분	직류 750V 방식	3상 교류 600V 방식
변   전  소	•변전소수가 적다 •변압기/정류기/인버터 필요	•직류의 약 2배 필요 •고조파 대책 필요
전 압 강 하	•작다	•크다
전 차 선 로	•간단	•복잡
차 량 의 장	•탑재 기기가 많아 설치공간 대, 중량이 크다	•직류에 비해 작은 설치공간, 중량이 작다
변전소/선로 건설비	•변전소 수가 적어 저비용	•고비용
차량 구입비	•교류에 비해 비경제적	•직류에 비해 경제적
VVVF 시스템 대응성	•가능	•부가장치 필요
선 정 사 유	•검토결과 경량전철에서는 직류 750V 방식이 건설비가 적게 소요되고 VVVF 시스템에 대응이 용이함.

 

 

 집전방식 검토 

구   분	제3궤조(Power Rail) 방 식	가 공 선 방 식
외 관
기 술 적 특    성	•Power Rail 방식은 궤도 측면에 도전성의 정극과 부극 Rail을 설치하고 차량의 집전자를 차량 측면 하부에 설치하여 Rail에 습동하면서 차량에 집전이 이루어지도록 하는 방식으로 경량전철과 유럽 지역의 지하철에 많이 이용	•가공선 방식은 궤도 양측에 전주를 세워 가동브라켓트 또는 철제빔을 설치하여 전차선을 가선하여 차량 지붕에 설치된 판타그라프가 전차선을 습동하면서 집전이 이루어지는 가공 집전방식으로서 우리나라 지상전철에서 사용
장   점	•저속운전과 저압방식에서 유리 •급전시설이 간단하고 도시미관을 해치지 않음 •고가교량에 대한 부담하중이 적음	•차량의 집전장치가 비교적 간단 •고속운전과 고전압 방식에서 유리
단   점	•안전보호장치 시설 필요 •차량의 집전장치가 비교적 복잡	•지상교량방식인 경우 도시미관 저해 •교량 부담하중이 크게 됨 •시설물이 복잡하고 전차선 마모에 따른 점검, 교체 작업시간과 인력필요
선정사유	•경량전철은 선로 대부분의 구간이 지상교량방식으로서 전차선은 미관이 좋아야 하고 교량 단면 크기를 최소화 할 수 있고 구조물에 미치는 하중이 적어야 함 •이런 점에서 Power Rail 방식은 매우 유리하고 전차선(도체) 단면적이 크므로 마모량은 무시할 수 있을 정도로 교체가 거의 필요하지 않아 반영구적이고 유지보수가 용이함 •Power Rail 방식은 측면에 설치되므로 선로 분기개소 등에서 연결이 끊기게 되는 단점이 있으나 차량의 좌우 양측에 집전장치를 설치하므로 전원공급은 큰 문제가 없음