전철주의 경간

전철주의 경간

 

(1) 전차선로 전주경간은 전차선로 속도등급 300킬로급 이상은 최대 65m이하(터널 50m)로 하고 250킬로급 이하는 다음 각 호에 의하여 시설한다.  

① 커티너리식 가공전차선로 지지물의 최대경간은 다음 표에 의하고 인접하는 경간의 차는 10[m] 이하로 한다. 다만, 부득이 한 경우는 20[m] 이하로 할 수 있다.  

곡선반경[m]	최대경간[m]
곡선반경 2,000초과 곡선반경 1,000 초과 ～ 2,000까지 곡선반경 700 초과～1,000까지 곡선반경 500 초과～700까지 곡선반경 400 초과～500까지 곡선반경 300 초과～400까지 곡선반경 200 이상～300까지	60 50 45 40 35 30 20

② 터널브래킷의 경간은 20[m](강체가선방식의 경우는 10[m]) 이하를 원칙으로 한다. 다만, 선로조건이나 가선방식 등을 고려하여 조정할 수 있다.  

③ 터널구간 C-챤넬 등에 설치되는 하수강의 경우 터널공사 라이닝폼 시공법 및 KRE-03130에서 정하는 표준가고 등을 고려하여 경간배치를 정하여야 한다.  

(2) 곡선로의 교량등 특수개소의 전주경간은 기준편위를 확보가능한 범위 내에서 교각의 위치에 따라 조정할 수 있다.  

(3) 경간을 정할 때 기준점은 분기개소의 중심지점의 전주위치와 구름다리 또는 터널입구 가장자리의 전주위치, 교량의 전주위치, 건넘선의 중앙 전주의 위치, 변전소 앞 등의 전주위치를 고정점으로 하여 다른 전주경간을 정하도록 하여야 한다.  

(4) 상하선의 전주위치는 가급적 서로 대향하여 일치하도록 하여야 한다. 다만 절연구분장치개소등 특수한 개소는 그러하지 아니하다.  

(5) 축소 경간이 필요할 때에는 완화곡선개소나 장애물이 있는 지역에서 조정, 설정하여야 한다.  

(6) 장력조정장치와 흐름방지장치주는 건축물 하부나 건넘선 안에 설치하지 말아야 한다.  

(7) 교량 위의 전주기초는 가급적 교각에 가까운 곳에 설치하도록 하고 교량상판의 연결 개소는 피해야 한다.  

(8) 구름다리 및 짧은 교량은 가급적 경간 중앙에 오도록 전주경간을 정하여야 한다.

전철주 최대경간길이 계산이론

1. 개요

전기철도차량은 선로를 따라 가설된 전차선로로부터 전력을 공급받아 움직이게 된다. 그러기 위해서는 전기차에는 팬터그래프(Pantograph)라고 하는 집전(Current Collection) 장치가 달려있으며, 이 팬터그래프의 집전판(Contact Strip)이 전차선과 접촉하여서 전력을 공급받게 된다.
 

고속철도 차량의 팬터그래프[GPU 25kV 타입]

      

그런데, 열차는 주행한다. 열차가 주행 중일 때 팬터그래프의 집전판은 선로조건, 차량 특성, 기후상태 및 열차속도 등에 따라 좌우방향으로 여러 위치에 존재할 수 있다. 또한, 열차는 선로에서 정지해 있을 수도 있다. 열차가 정지해 있을 때 팬터그래프는 주행할 때와 다른 위치에 있게 된다.  

한편, 전차선로(Catenary)에는 편위라는 것을 주는데, 편위를 주는 목적은 전차선이 팬터그래프 집전판과 접촉할 때 동일한 위치에 계속 접촉하면 집전판과 전차선사이에 발생하는 마찰열이 냉각되지 못하여 급격히 온도상승하고 결국 전차선과 집전판을 열적으로 손상시키므로 이를 방지함과 아울러, 집전판이 고르게 마모되도록 하기 위함이다. 또한 전차선로는 바람에 날리므로 풍속 조건에 따라 선로 횡방향으로 다양한 위치로 움직여 질 수 있으며, 유지보수 상태에 따라서도 위치가 달라진다.  

  

최대 경간길이 계산(최대 경간길이 결정기법)이란 어떤 선로의 곡선반경, 캔트와 같은 궤도 조건, 바람과 같은 환경 조건, 차량의 유동 특성, 팬터그래프 특성, 전차선로의 편위기준, 유지보수 기준, 설치오차와 같은 여러 설계기준(Design Criteria) 들이 이미 결정된 상태에서, 최악 조건하에서 전차선과 팬터그래프의 상대적인 좌우 측면 위치를 수치적으로 검토하는 것을 말한다.  

   

2. 최대 경간길이 계산식

 

최대 경간길이 계산은 팬터그래프와 전차선의 횡적 수평위치의 상대적인 관계를 계산하는 것이다. 전차선에는 정상상태에서 편위가 주어진다.(Normal Stagger) 전차선로의 전선은 바람이 불면 날릴 것이며, 전주도 바람이 강하다면 미소하지만 조금 휘어질 것이다(Effect of Wind). 가동브래키트를 비롯하여 전차선로 가선을 지지하고 있는 각종 금구는 정확히 설계대로 설치되지 못하고 일정 오차를 가질 것이며, 유지보수 기간동안 조금씩 틀어질 수 있다(Support Deformation). 팬터그래프는 차량 지붕에 설치되어 있으므로 차량의 횡운동과 연관되어 있으며, 차량은 주행 상태에 따라 횡적 위치 (Rolling)가 달라질 것이다(Vehicle Balancement). 따라서, 이런 관계를 검토하는 것이 최대 경간길이 결정 기법이며, 수식으로 표현한 것이 최대 경간길이 계산식이다.  최대 경간길이 계산식은 팬터그래프 집전가능 범위(Pantograph Working Zone) 중 반폭(Half Width)의 잔여 부분(Mw)를 확인하는 방법으로 이루어진다. 반폭 (HalfWidth)만 가지고 따지는 이유는 좌우 대칭관계가 성립하므로 계산을 용이하게 하기 위함이다. 최악조건에서 잔여너비(Mw)는 0이상이어야 하며, 이를 만족하는 최대 경간값을 구하는 것이 최대 경간길이 계산식이다.

1)  선로 분야  

(1) 선로 곡선반경(Radius of the Track) { R }

    

곡선반경 기준                                      

곡선반경 R[m]	설계최고속도(km/h)
∞	350
∞ > R ≥ 20000	350
20000 > R ≥ 10000	350
10000 > R ≥ 7000	350
7000 > R ≥ 4000	260
4000 > R ≥ 2000	180
2000 > R ≥ 1000	135
1000 > R ≥ 750	115
750 > R ≥ 500	100
500 > R ≥ 400	90

(2) 공칭 궤간(Nominal Track Gauge) { ln }  

두 레일사이의 거리로서, 보다 정확히는 레일 윗면에서 14㎜ 아래에서 측정된 레일 두부 내측간 거리이다. 우리나라 표준 궤간은 1.435m이다.

(3) 실제 궤간(Track Gauge) { l }  

실제궤간은 「공칭 궤간 + 허용 오차」이다. 경부고속철도의 경우 직선선로에서 l = ln + 0.006m, 곡선선로에서 l = ln + 0.01m이다.  

(4) 캔트/캔트부족(Superelevation/Unbalance)으로 인한 전차선 높이에서의 영향 { uunbE / uunbI }  

열차가 곡선구간을 주행시는 열차의 곡선외부로 작용하는 힘과 곡선내부로 작용하는 힘이 평형을 이루도록 바깥측 레일의 높이를 높이는, 즉 궤도에 캔트를 주게 된다. 그러나 실제 선로에서는 계산으로 나온 캔트량보다 적은 캔트값으로 시공하게 되며 이를 캔트부족량(Cant Deficiency)이라 한다. 따라서 열차가 곡선구간에서 정지해 있을 때에는 캔트에 의해 팬터그래프가 안쪽으로 기울어지며 주행할 때에는 캔트부족량 및 열차속도에 따라 팬터그래프의 쏠림이 달라지게 된다. 이러한 캔트량 또는 캔트부족량에 의한 전차선 레벨에서의 팬터그래프의 횡변위 영향을 uunbE, uunbI이라 한다.

(5) 실제 캔트(Cant, Superelevation) E / 캔트 부족량(Cant Deficiency, Unbalance) I 에 대한 기준은 다음 표와 같이 된다.   

 

Seperelevation과 Unbalance 기준

   

곡선반경(m)	최대속도(km/h)	Superelevation E (mm)	Unbalance I (mm)
∞	350	0	0
20000	350	53	19
10000	350	106	39
7000	350	152	55
4000	260	180	19
2000	180	180	11
1000	135	180	35
750	115	180	28
500	100	180	56
400	90	180	59

 

(6) 양 레일면 높이(Track Cross Level)에 대한 허용오차가 주는 영향 { uc }  

양쪽 레일의 높이는 직선구간에서 같은 높이이거나, 곡선구간에서 캔트값대로 설치 되어 있어야 하나, 실제 시공이나 운영중에 설계값과 달라질 수 있으며 이런 범위를 허용오차(Tolerance)로 규정하고 있으므로 이 허용오차에 의한 전차선 레벨에서의 영향에 대한 값을 반영한다.

  

2) 차량 및 팬터그래프 분야  

(1) 팬터그래프 유효 운전 존의 반폭(Half-width of Pantograph Working Zone) { ww } 팬터그래프 보우(Bow, 주체)는 세 부분으로 되어있다. 카본 또는 금속카본으로 만들어진 마모집전판(Wear Strips)과 금속 재질의 연결판(Connection Strips)과 절연성 재질의 가이드(Horn)으로 구성되어있다.

마모집전판은 주로 탄소 재질로서 주기적 교체해 주는 부위로서 전차선과 접촉 습동하는 주 부위이며, 연결판은 전차선이 풍압에 의해 날릴 때나 3 Catenary가 설치되는 분기구간 등 특수구간에서 전차선과 접촉하며 이 때도 정상적으로 집전이 가능하다, 그러나 가이드(Horn) 부분은 절연체로서 팬터그래프가 전차선과 엉키지 않도록 하기 위한 목적으로 설치되어 있다. 따라서 팬터그래프 유효 운전 너비(Pantograph Working Zone)는 마모집전판과 연결집전판을 합친 너비에 해당한다.

(2) 차량특성에 따라 팬터그래프 Bow의 중심축이 궤도중심으로부터 이탈량 (Off-center of the Pantograph Bow due to Vehicle Characteristics) { ep } 차량이 경사진(Cant가 있는) 선로위에 위치했을 때에는 중력이나 원심력에 의한 회전(Rolling)이 일어나기 전에 먼저 차량의 횡방향(Lateral) 이동이 일어나며, 아울러 팬터그래프에서도 조립부의 베어링 부위 등에서 횡변위가 발생한다. 

    

팬터그래프 압상력

곡선반경 (m)	운전최고속도 (km/h)	압상력 K (N)
4000	260	160
2000	180	114
1000	135	95
750	115	88
500	100	84
400	90	81
열차 정지상태	0	70

 

3)  전차선로 분야  

(1) 접촉점 높이 { h }  

팬터그래프와 전차선이 접촉하는 높이를 레일면으로부터 계산한 높이로서, 열차가 정지상태에서는 정적압상력에 의한 영향을 무시하면 전차선 높이에 해당하나 열차가 주행시는 팬터그래프의 양력이 전차선을 밀어올리므로 접촉점 높이가 상승한다.  

경부고속철도의 경우 정적 높이는 5.08 m이나, 300 km/h로 주행시 9～12 ㎝ 정도 팬터그래프에 의하여 압상되고 바람의 영향 등을 고려하여 동적 높이는 정적높이보다 20㎝ 정도 높여 잡아 5.28m로 설계에 적용하고 있다. 

▪정지 및 저속에서 전차선 높이 : 5.20m  

▪최고속도로 주행시 전차선 높이 : 5.25m  

(2) 전주 움직임에 의한 전차선 이동량 { um }  

▪기초의 이동  

▪고정 지지물, 케이블, 와이어로 인해 작용하는 하중  

▪정적   

▪온도의 변화에 의한 하중의 변동  

▪전선 등 부속품의 추가 또는 제거로 인한 하중의 변동  

▪선로를 기준으로 각방향으로 부는 바람에 의한 영향   

(3) 경간길이 { C }  

이 전차선로 경간 길이에는 설치오차가 포함된 값이다. 경부고속철도의 경우 설치오차는 ±0.5m를 고려해 주고 있다.   

(4) 시공허용오차에 의한 전차선 Offset { ut }  

이 오차에는 설치시 부정확성뿐만 아니라, 어떤 부속품을 계속적으로 조정할 수 없는 관계로 인한 틀어짐도 고려해야 한다. 즉 캔티레버와 같이 정해진 주기로 조정하는 설비에 대해서 주기 조정이 이루어지기 전까지 변화 허용량에 대한 값도 고려에 넣어야 한다. 경부고속철도의 경우 0.02m이다.  

(6) 온도변화로 인한 캔티레버 회전에 따른 전차선의 횡변위 영향 { ua }  

온도가 변하면 전선의 길이가 길어지거나 줄어들게 되고 이로 인해 캔티레버 (Cantilever)가 회전하게 된다. 이것은 전차선의 횡방향 변위에 영향을 미쳐 횡방향 위치를 이동시킨다. 이 이동의 크기는 인류지점으로부터 해당 전주까지의 거리 및 온도 변화량에 좌우된다.

4) 곡선경간별 기울기 : 단위[m]  

   

전주경간	곡선반경	지지 점 편위	중간기울기	풍압기울기	기울기 계
50	1,600	0.2	-0.0046	0.225	0.2204
45	1,000	0.2	0.0531	0.182	0.2351
40	700	0.2	0.0857	0.144	0.2297
35	500	0.2	0.1062	0.110	0.2162
30	400	0.2	0.0812	0.081	0.1622
20	300	0.2	-0.0333	0.036	0.0027

 

① 지지물의 굽힘에 따른 기울기  

바람의 영향 또는 전선의 수평장력에 의하여 전주의 굽힘과 기초변형에 의한 전주 경사가 발생하므로 전차선 높이에 있어서의 전주의 휨을 50[㎜], 기초경사에 대하여 50[㎜]로 하여 지지물의 굽힘에 따른 기울기는 100[㎜] 정도의 경사를 고려한다. d3 = 100[㎜]

② 차량동요에 따른 집전장치 기울기  

궤도면상 585[㎜]의 점을 중심으로 좌, 우 610[㎜]의 수평점에 상, 하 각각 최대32 [㎜](차량동요 최대각도 3°)까지 이동이 되므로 전차선의 높이를 5,200[㎜]로 하면  

dA = (5,200-585)  ×32/610 ≒ 242[mm]

직선구간에서 전차선의 기울기 여유 : 단위[㎜]

 

구분	전기동차
집전장치 유효폭(D)	1310
지지물의 굽힘에 의한 기울기(D1)	100
차량동요에 따른 집전장치 기울기(D2)	242
가동브래키트 회전에 따른 기울기(D3)	18
D/2 - (D1+D2+D3)	295
전차선의 풍압에 의한 기울기	208
기울기의 여유	87

곡선구간에서 전차선의 기울기 여유 : 단위[㎜]

 

구분	전기동차
집전장치 유효폭(D)	1310
지지물의 굽힘에 의한 기울기(D1)	100
차량동요에 따른 집전장치 기울기(D2)	242
가동브래키트 회전에 따른 기울기(D3)	18
D/2 - (D1+D2+D3)	295
전차선의 풍압에 의한 기울기(곡선)	50m	40m	30m	20m
	220	229	162	2
기울기의 여유	75	57	133	293