전차선로 특성 검토

전차선로 특성 검토

1) 개 요
전기차가 안전한 운행을 하기 위한 전차선로의 특성을 검토하면 아래와 같다.

2) 파동전파 속도
파동전파 속도는 전차선에 좌우로 발생한 진동이 열차진행방향으로 이동 전파하는 속도를 말하며 전차선의 질량과 전차선의 장력의 크기로써 결정되고 파동전파속도는 다음과 같이 표시된다.

           C=√T/ρ[㎧]

   T : 전차선의 장력[N]  ρ : 가선 단위질량[㎏/m]

열차속도가 가선의 파동전파속도에 가까워지면 팬터그래프의 이선, 전차선의 압상량, 응력 등이 급격히 증대하여 전차선의 압상점이 커서 꺾여져 휘어지며 열차통과 후 진동 진폭이 크게 되므로 파동전파속도의 70[%]정도가 바람직한 집전속도로 보고 있다. 세계 여러나라의 파동전파속도를 비교하면 다음과 같다.

〔 파동전파속도 비교표 〕

설   비  구   분	프랑스 TGV Cu 150[㎟]	일  본 신간센 Cu 170[㎟]	한    국 헤비심플 Cu 150[㎟]	한    국 심    플 Cu 110[㎟]	마산~진주 심    플 Cu 110[㎟]
전차선 질량[㎏/m]	1.334	1.511	1.334	0.987	0.987
전차선 장력[kN]	20	20	14	12	12
파동 전파속도[㎞/h]	441	411	365	392	392
최대 집전속도[㎞/h]	308	287	255	274	274

 상기 파동전파 속도 비교결과 Cu 110[㎟] 전차선은 본 구간의 설계속도 200[㎞/h]의 전차선로 집전속도에 이상이 없는 것으로 판단된다.

3) 무차원화비
무차원화비란 파동전파속도와 열차속도의 비율을 말하며 다음과 같이 표시된다.

무차원화비β= 열차속도[km/h]/파동전파속도[km/h

여기서 무차원화비가 적을 때, 즉 열차속도가 낮을 때에는 팬터그래프의 접촉점의 압상량은 적어지게 되고 무차원화비가 “1”에 가까우면 즉 열차속도가 파동 전파속도에 가까우면 팬터그래프의 이선, 전차선의 압상량 및 응력이 급격히 증대하여 전차선이 휘어져 꺾이게 되며, 팬터그래프가 통과한 뒤에는 진폭이 크게되어 이선현상이 심해진다. 또한 과도한 압상량은 가선금구의 접촉과 파괴를 야기시키기도 하고 전차선의 변형과 단선을 유발시키기도 한다. 따라서 가선의 영업속도에 알맞는 무차원화비는 대략 70[%]를 기준으로 하고 있다.

설   비   구   분	프랑스 TGV	일  본 신간센	한  국 헤비심플	한  국 심  플	마산~진주 심    플
열차운행속도[㎞/h]	300	275	150	150	200
파동전파속도[㎞/h]	441	411	365	392	392
무차원화비	0.68	0.66	0.41	0.38	0.51

상기 무차원화비 비교와 같이 고속전철 일수록 무차원화비가 1에 가까워짐을 알 수 있으며 약 70[%]에 가까운 수치를 나타내고 있음을 볼 수 있다. 따라서 본 구간의 설계속도 200[㎞/h]에서 무차원화비 또한 충분한 여유가 있음을 알 수 있다.

4) 전차선로 가고
(1) 드로퍼의 최소길이
전차선의 가고는 전주경간과 드로퍼의 최소길이, 전차선의 압상량에 의해서 결정되며, 드로퍼는 전차선과 조가선을 탄력있게 연결하는 역할을 하게 된다. 짧은 드로퍼는 전차선의 압상이 조가선에 영향을 주어 접촉력이 급격히 상승할 수 있으므로 드로퍼 최소길이는 속도에 따라 중요하며 외국의 사례는 다음과 같이하고 있다.

가) 독일의 경우

열 차 속 도 [㎞/h]	드로퍼 최소길이[㎜]	비  고
V ≤ 120	300	변형 Y형 심플커티너리방식
120 < V < 250	500
V ≥ 250	600

나) 프랑스의 경우

열 차 속 도 [㎞/h]	드로퍼 최소길이[㎜]	비 고
V ≤ 300	275	심플 커티너리방식

다) 국내의 경우

열 차 속 도 [㎞/h]	드로퍼 최소길이[㎜]	비 고
V ≤ 180	150	심플 커티너리방식

5) 전차선 압상량

전차선의 압상량은 열차가 주행시 가동브래킷 지지점 압상량, 차량의 동적 수직변위, 설계속도에 따른 압상량, 풍압에 의한 압상량, 보수 여유 등을 감안하여 검토되어야 하며 한국철도시설공단에서 제정된 「철도설계편람」의 결과를 보면 아래와 같다.

(1) 열차주행시 가동브래킷 지지점 압상량

종 별	속 도 [km/h]	전차선장력 [N]	가동브래킷 압상량 [㎜]	비 고
KTX	150	14,700	17.3	조가선 CdCu 80 [㎟] 전차선 Cu 170 [㎟]
	160	14,700	20.6	″
	170	14,700	24.6	″
	180	14,700	29.2	″
	200	15,680	33.1	조가선 Bz 65 [㎟] 전차선 Cu 150 [㎟]
전 기 기 관 차 8,100대	150	14,700	13.3	조가선 CdCu 80 [㎟] 전차선 Cu 170 [㎟]
	160	14,700	15.6	″
	170	14,700	17.8	″
	180	14,700	19.7	″
	200	15,680	23.9	조가선 Bz 65 [㎟] 전차선 Cu 150 [㎟]

(2) 풍속에 따른 열차속도 환산

풍속 30[㎧]의 바람을 전면에서 받으면서 열차가 주행하는 경우를 최악조건으로 설정하고, 특히 터널내부에서 바람은 열차주행시 전차선의 압상량과 병합하여 전차선을 압상하는 결과를 가져올 수 있으므로 풍속 30[㎧]를 열차속도로 환산하면

풍속 30[㎧] [㎞/h] 이므로

팬터그래프가 받는 공기의 흐름 = 열차속도(150㎞/h)+풍속(108㎞/h) = 258(㎞/h)가 된다.

(3) 차량의 동적 수직변위

차량은 주행하면서 선로조건에 따라 횡방향과 수직방향으로 운동을 하게 되며 이러한 차량의 동적 변위는 전차선에도 영향을 미친다.

 

위 해석결과를 보면 수직방향 변위는 대체로 10~30[㎜] 범위에 있으며, 일부구간에서는 최대 50[㎜]까지 나타나는 것을 알 수 있다.

(4) 보수여유

일본 자료에 의하면 속도향상을 위한 집전계 기술검토사항 중에서 압상량에 대하여 보수여유를 30[㎜] 고려하고 있다. 이 보수여유는 전차선이 마모에 의하여 가벼워지거나 장력이 제대로 작동하지 않을 때에 지지점이 부상하는 것에 대비하기 위한 목적으로 여유를 두는 값이다.

(5) 설계속도에 따른 전차선 압상량

가) 정상 운전조건

종 별	설계속도 [㎞/h]	곡선당김압상량 [㎜]	동적 수직변위 [㎜]	보수여유 [㎜]	계 [㎜]
KTX	150	17.3	50	30	97.3
	160	20.6	50	30	100.6
	170	24.6	50	30	104.6
	180	29.2	50	30	109.2
	200	33.1	50	30	113.1
EL 8,100대	150	13.3	50	30	93.3
	160	15.6	50	30	95.6
	170	17.8	50	30	97.8
	180	19.7	50	30	99.7
	200	23.9	50	30	103.9

나) 최악 운전조건

풍속 30[㎧]로 운전할 경우를 최악 운전조건으로 하여 압상량을 계산하면,

풍속 30[㎧] [㎞/h]

최악조건 운전속도 = 150[㎞/h] + 108[㎞/h] = 258[㎞/h]

이므로, 이때 시뮬레이션 결과를 인용하면 압상량은 다음과 같다.

속 도 [㎞/h]	곡선당김압상량 [㎜]	경간중앙압상량 [㎜]	비 고
150	19	65
268	67	121

이때, 풍속 30[㎧]에 의한 압상량은

지지점에서 67[㎜] - 19[㎜] = 48[㎜]

경간중앙에서 121[㎜] - 65[㎜] = 56[㎜]

이므로, 지지점에서 최악 운전조건시 압상량은 다음과 같다.

종 별	설계속도 [㎞/h]	곡선당김 압상량 [㎜]	풍속에 의한 압상량 [㎜]	동적 수직변위 [㎜]	보수여유 [㎜]	계 [㎜]
KTX	150	17.3	48	50	30	145.3
	160	20.6	48	50	30	148.6
	170	24.6	48	50	30	152.6
	180	29.2	48	50	30	157.2
	200	33.1	48	50	30	161.1
EL 8,100대	150	13.3	48	50	30	141.3
	160	15.6	48	50	30	143.6
	170	17.8	48	50	30	145.8
	180	19.7	48	50	30	147.7
	200	23.9	48	50	30	151.9

6) 현 수도권형 가동브래킷 검토
현재 사용중인 수도권형 가동브래킷은 가고 960[㎜]를 표준으로 하고 있으며 곡선당김금구의 허용압상량은

 100[㎜]로 제한하는 스토퍼(Stopper)가 설치되어 있다.

 현 설비 현황

종     별	기    준	비   고
가    고	960㎜
곡선당김설치 각도	11°	궁   형
곡선당김설치 길이	900㎜	궁   형
최대 허용압상량	100㎜	스토퍼 설치