전차선

 

전차선

1.  전차선에 요구되는 성능

가.  가선 장력에 대하여 충분히 견딜 것

나.  집전장치 통과와 집전에 지장이 없을 것

1)  집전율이 높을 것

2)  전류용량이 클 것

3)  내열성이 우수할 것

4)  내마모성이 우수할 것

5)  내부식성이 우수할 것

6)  피로강도에 충분히 견딜 것

다.  접속개소의 통전상태가 양호할 것

2.  전차선의 단면형상

-  원형

-  홈원형

-  홈제형

-  홈이형

3.  전차선의 재료

장대터널에서는 방재대책으로 내열성 외에 피로한도에서도 우수한 Ag 합금전차선(은입 전차선)을 사용하고 있다. 내마모성에 우수한 Sn 합금(주석입동합금) 전차선을 사용하기도 하는데 이는 전차선 교체시기를 연장할 수 있다.

4.  전차선의 표준장력

전차선은 무빙, 무풍지구의 표준온도(10℃)에서의 장력을 표준장력으로서 가설한다. 일반적인 표준장력은 기상이 최악상태에서 장력이 허용장력(항장력/안전율) 이내로 오도록 정해지고 있다.

전차선은 고속도로 습동하는 집전장치에 대응하기 때문에 풍압을 받은 상태로 집전장치의 통과에 지장없이 운전가능한 전차선 편위의 확보와 자동장력조정장치의 유무에 따라 장력이 변화하고 집전장치의 습동에 따라 마모로 인한 잔존 단면적의 감소 등을 고려해서 정해진다.

 

구      분	전차선의 표준장력
	170 ㎟	150 ㎟	110 ㎟
전차선과 조가선을 자동장력조정하는 경우	1,000 ㎏f		1,000 ㎏f
전차선만 자동장력조정하는 경우			900 ㎏f
자동장력조정하지 않는 경우			800 ㎏f

 

5.  전차선 편위(Deviation Of Contact Wire)

전차선의 궤도 중심면에서 수평거리를 편위(Deviation)라 한다. 전차선의 편위가 너무 크면 집전장치가 전차선을 벗어나 사고를 일으키게 되는데 전차선의 편위는 일정한 한계를 두어 그 값이 정해지고 있다. 전차선의 편위를 정하는 요소는

-  전기차 동요에 따른 집전장치의 편위

-  풍압에 따른 전차선의 편위

-  곡선로에 의한 전차선의 편위

-  가동브라켓, 곡선당김금구(Pull Off Arm)의 이동에 따른 전차선의 편위

-  지지물의 변형에 따른 전차선의 편위

전차선의 높이/편위는 정지상태를 기준으로 한 것으로 전차선의 높이/편위의 측정방법은 정적인 상태에서 궤도면상에서 가선측정기에 의한 방법과 동적인 상태에서 전철시험차에 의한 방법이 있다.

 

7.  전차선의 구배(Gradient Of Contact Wire)

가공전차선의 구배의 변화 또는 궤도면에 대한 구배는 양쪽 Dropper 간의 전차선을 직선으로 간주하고 그것에 대한 구배 변화 또는 궤도면에 대한 구배를 말한다.

전차선의 구배 3/1,000은 1,000m의 거리에서 3m의 높이가 변하는 것을 말하는 것으로서 통상 1경간의 전차선 높이의 변화를 그 경간의 길이로 나눈 것으로 표시한다.

일반적으로 전차선의 구배보다도 구배의 차(구배의 변화)가 중요한 요소가 된다. 직접조가방식의 전차선 높이의 변화는 경간 중앙과 지지점의 고저차가 된다. 다만 과선교/터널 등과 건널목이 인접하는 개소에 대해서는 4/1,000 이하로 한다. 측선에 있어서는 15/1,000이하로 한다.

8.  전차선의 무효부분

전차선의 무효부분이 여러 경간에 걸쳐있는 경우 아연도금강연선 등 다른 전선을 대용 전차선으로 사용할 수 있고, 전차선과 대용 전차선의 접속개소는 집전장치의 통과에 지장이 없는 위치에 설치한다. 전차선의 접속은 가급적 적은 것이 바람직하기 때문에 전차선의 무효부분이 여러 경간에 걸치는 경우 외에는 전차선을 그대로 인류위치까지 설치하는 것을 표준으로 하고 있다. 전차선과 대용전차선을 접속할 때 수평방향은 집전장치 한계(1m) 이상으로 하고, 수직방향은 압상에 의하여 집전장치와 접촉이 되지 않도록 충분한 높이(0.2m 이상)로 한다.

가선의 구부리는 각도가 크게 되면 횡장력이 크게 되므로 전차선의 장력이 1,000㎏f일 때 구부림 각도는 10°이내로 한다.

9.  전차선의 마모(Wear)

가.  전기적 마모와 기계적 마모

1)  전기적 마모(용착마모) 

집전장치와 전차선의 불완전 접촉 또는 이선 등에 의하여 발생하는 Arc의 전기적 원인에 따른 것이다. 전차선의 구배변화점, 경점개소, 장력 부적정 개소, 습동면의 요철이 문제가 된다.

2)  기계적 마모(절삭마모)

집전장치 습판과 전차선간의 기계적 마찰 및 충격에 따라 발생되는 것이다. 이것은 집전장치의 습판과 전차선간의 기계적 마찰 및 충격에 따라 발생되는 것이며 집전장치의 압상력이 크고 습판의 재질의 강도가 크면 기계적 마모가 많으며 마찰계수에 비례하고 고속으로 될수록 적게된다. 일반적으로 전류가 작은 교류구간에서는 전기적 마모보다 기계적 마모가 크고 직류구간에서는 반대로 된다.

나.  전차선 마모의 일반적 경향

1)  집전장치의 압상력

집전장치의 압상력이 크게 되면 전기적 마모는 감소하고 반대로 기계적 마모는 증가한다. 압상력의 증가에 따라 이선이 감소하는 경우에는 기계적 마모가 증가하여도 전체적으로 감소한다. 

2)  집전전류

전차선의 마모는 집전전류의 대소에 그다지 영향을 받지 않는다. 그러나 직류구간에서는 이선이 자주 발생하면 마모가 촉진된다.

3)  운전속도

전차선은 저속구간에서는 심하게 마모되고 습동면도 거칠어진다. 고속구간에서는 집전장치와 전차선의 접촉력의 변동과 이선이 증대하기 때문에 국부 마모가 발생하기 쉽다.

4)  접촉력의 변동, 이선

경점 부근에서 집전장치 통과시에 접촉력이 크게되는 전차선 개소는 마모가 빠르고 특히 이선하기 직전후 부근이 빨리 마모하는 경우가 있다. 이선과 접촉이 반복적으로 발생하는 전차선 개소의 마모는 극히 빠르고 Arc 방전에 따른 전차선 표면이 변색되고 이 과정이 반복되면 마모가 많게 된다.

5)  집전장치의 구조와 수량

집전장치가 경량이고 추종이 좋게되면 전차선의 마모가 작게되고 수량이 많으면 기계적 마모가 증가하게 된다.

6)  집전판의 특징

집전판 재질의 경도가 낮고 각이 없고 윤활성이 좋은 집전판이 전차선의 마모를 적게 한다.

7)  전차선의 온도

전차선의 온도가 90℃에 가깝게 되는 것은 문제가 없지만 온도가 높게되면 온도상승에 따라 산화피막의 생성이 촉진된다. 집전전류가 작을 때 산화피막의 존재는 전차선의 마모에 보호효과(일종의 윤화효과)가 있다. 그러나 집전전류가 크면 전기접촉 불량에 따라 아주 작은 이선이 발생하기 쉽게되고 마모 증대의 원인이 된다. 온도상승에 따라 전차선의 구성이 변화하여 Overlap, 건널선  등을 지날 때 전차선의 마모가 증대되기도 한다.

8)  궤도조건, 차량동요

궤도의 정비상태가 좋지 않다든지 차량의 동요가 크면 마모가 증가한다.

다.  전차선 허용마모 한도

마모된 전차선의 항장력이 표준장력에 안전율을 곱한 값에 도달했을 때의 전차선의 마모량을 “허용마모한도”라고 하고 이때의 전차선의 직경을 “허용잔존직경”이라고 한다. 전차선은 집전장치의 습동에 따라 전기적, 기계적으로 마모하기 때문에 그 잔존단면적은 점차적으로 감소하고 전차선의 항장력이 저하하기 때문에 단선의 우려가 있다. 전차선은 허용마모한도에 달할 때까지 사용하는 것이 경제적이기 때문에 그 선종 및 단면적을 선정하는 경우에는 집전특성 외에 전차선의 허용잔존직경에 걸리는 항장력과 전류용량도 검토되어야 한다.

 

전차선 종별	신품의 직경	마모한도 잔존직경	잔존 단면적	마모량
Cu 170 ㎟	15.49 ㎜	8.5 ㎜	87.62 ㎜	6.99 ㎜
Cu 150 ㎟
Cu 110 ㎟	12.34 ㎜	7.5 ㎜	67.59 ㎜	4.84 ㎜

 

라.  전차선의 경점

전차선의 접속개소나 곡선당김금구, 진동방지금구의 취부개소는 다른 부분에 비교하여 전차선의 중량이 증가된다. 이 부분을 집전장치가 통과할 때 전차선으로부터 충격을 받아 이선이 발생한다. 이와같이 전차선에서 부분적으로 중량이 큰 개소를 전차선의 경점이라고 한다. 이 때문에 전차선의 접속개소를 가능한 적게 하고 가선 금구의 경량화를 도모할 필요가 있다.

1)  전차선 마모관리상의 요주의 개소

-  Air Section, Booster Section, Air Joint 개소 등(특히 역행개소)

-  역행개소의 급전분기 및 Double Ear 등의 경점개소 부근

-  전차선 교차개소의 굴곡개소

2)  Overlap 구간의 마모

Overlap 구간의 경우에는 다수의 집전장치가 통과할 때마다 이선개소가 일정하지 않기 때문에 Arc Spot가 발생한 전차선 습동면을 집전장치가 마찰하며 통과하기 때문에 상호 번갈아 Arc Spot를 만들거나 뛰어넘으면 그곳의 마모는 빨리 진행되고 특히 큰 Arc Spot가 발생하는 직류역행구간에는 단시간에 마모가 된다.

10.  전차선의 구비조건

가.  전차선의 재질조건

-  기계적 강도가 큰 것으로 자중과 강풍에 의한 횡압하중과 적설결빙 등 수직하중에 강할 것

-  도전율이 크고 내열성이 좋을 것

-  굴곡에 강하고 마모에 강할 것

-  집전력이 좋게하기 위해 Pre-Won 구조

나.  전차선의 양호한 집전을 위해서는 이선이 일어나지 않아야 한다.

다.  양호한 전차선로의 구비조건

-  등고  :  레일면상에서 일정한 높이를 유지한다.

-  등장력  :  온도변화 등에 따른 일정한 장력을 유지한다.

-  등요  :  균일한 가요성을 가져 팬터그래프 압상에 의한 각 부분이 일정하게 작용해야 한다.(가선금구류 부근 24㎝까지 상승 허용)

11.  전차선의 높이

전차선의 높이는 팬터그래프의 유효작용범위 및 접은 높이, 절연상의 안전이격 등에서 결정되며, 레일면에서 전차선까지의 높이를 말한다.

 

구  분		높  이
커티너리식	표준	5,200 ㎜
	최고	5,400 ㎜
	최저	5,100 ㎜
	부득이한 경우	4,850 ㎜
강체가선		4,750 ㎜

 

 

12.  전차선의 접속

전차선의 접속은 팬터그래프의 경우에 지장이 없고 국부마모가 발생하지 않도록 전차선의 동요, 가선금구의 설치 위치, 건널선장치의 교차, 지지점 등에서 이격거리를 고려하여 위치를 선정하여야 한다.

전차선 접속에 사용하는 Double Ear는 전류를 흘리기 때문에 도전성이 좋고 전차선의 장력에 충분히 견딜 수 있는 기계적 강도가 있어야 한다. Double Ear는 3개를 사용하여 팬터그래프가 원만하게 습동되도록 전차선의 끝을 구부려 놓는다. 또한 Double Ear는 적정 조임 토오크(1,500㎏f.㎝)의 관리가 필요하다.

건널선 장치나 교차 부근의 전차선 접속은 팬터그라프, 전차선의 압상량 및 차량 동요 등으로 인하여 팬터그라프와 더블이어가 충격할 가능성이 있는 범위에서는 금하고 있다. 그러나 신설 전차선의 경우는 더블이어를 사용하지 않는 것이 원칙이다.