설비일반

설비일반

1. 수전설비

수전설비란 전기사업자(한국전력공사)로부터 전기를 공급받기 위한 설비를 총칭하고, 한전 변전소의 배전선로 인출 차단기로부터 전력을 공급받는 수전변전소와 지하철 수전변전소로부터 전력을 공급받는 연락변전소가 있다.

1) 수전선로

수전선로는 지하철 변전소에 인접한 한전변전소에서 지중케이블로 한전 공동관로 또는 지중관로를 통하여 포설되어 있으며 3상4선식(22.9KV, Y결선, CN/CV케이블) 또는 3상3선식(22KV, △결선, CV케이블)으로 수전전압을 받고 있으며 책임 분계점은 한전에 있는 단로기 2차측부터 지하철에서 관리하도록 되어 있다.

2)  수전전압

한전으로부터 22.9KV를 공급받아 지하철 운영에 사용하고 있으며, 부산지하철의 경우 한전으로부터 154KV를 공급받아 22.9KV로 강압하여 급전변전소에 송전하는 방식으로 지하철을 운영하고 있다.

2.  변전설비

변전소의 기능은 일반의 전력계통(한국전력공사)으로부터 수전된 전기를 운전에 적합한 형태로 변환시켜 전동차에 공급하는 곳으로 교류전철 구간과 직류전철 구간으로 구분되며, 이들 구간은 서로 변전소 구간이나 설비가 다르게 구성된다. 즉, 한국전력공사로부터 22.9KV 또는 154KV의 전기를 공급받아 지하철 정거장내에 있는 변전소의 변압기를 통하여 교류를 직류 1,500V로 바꾸어 직접 전동차에 공급하여 열차를 운행하는 계통과, 6.6KV 또는 22.9KV로 강압하여 각 정거장 전기실에 전기를 공급하여 신호, 통신, 동력, 조명, 환기, AFC용 등으로 사용하는 계통으로 구성된다.

1)  전기방식  

가. 교류방식 

전동차에 AC 25KV의 전원을 공급하며 차량 내에서 변압기 및 정류기를 통하여 구동용 전동기에 필요한 전압을 공급한다. 전압이 높기 때문에 장거리 송전이 가능하여 변전소 간격이 평균 30~100Km에 이르며 통신선 유도장해 문제가 대두되고 있고 우리나라 철도공사에서 사용하고 있다.  

통신선 유도장해를 감소하기 위해 AT(Automatic Transformer : 단권변압기)방식과 BT(Booster Transformer : 흡상변압기)방식이 사용되고 있고 국내 초기에 산업선 일부에서 BT방식을 사용한 적이 있으나 지금은 모두 AT방식이 사용된다.  

 

(1) 흡상변압기 방식(BT : Booster Transformer)  

①  레일에 흐르는 귀선전류를 부급전선에 흡상시켜 전차선을 통하는 전류와 반대방향의 전류를 강제로 부급전선으로 흐르도록 회로를 구성시켜 줌으로서 부하전류가 레일에 흐르는 구간을 한정시켜 전자유도에 의해 통신선에 유기되는 유기전압을 1/10 이하로 줄여 유도 장해를 감소시킨다.  

②  귀선전류를 강제로 부급전선에 흡상하기 위해 부급전선과 전차선간에 권수비 1:1인 흡상 변압기를 설치하는데 이 흡상변압기를 급전회로에 직렬로 설치함으로서 전차선에는 부스타섹션을 설치해야할 필요가 발생하고, 이 경우 부하전류가 크게 되면 부스터셕션에 아크가 발생하여 판타그라프와 전차선을 용손 시키기 때문에 보수상 불리하다.  

 

(2) 단권변압기 방식(AT : Automatic Transformer)  

①  전차선과 급전선 사이에 단권변압기를 병렬로 설치하여 단권변압기 권선의 중성점을 레일에 접속시킨 방식이다.   

②  단권변압기의 권수비는 1/2로 분로권선과 직렬권선의 권수비는 1:1로 되어있기 때문에 전차선과 레일사이의 전압은 레일과 급전선 사이의 전압과 같게 된다.  

③  변전소의 급전전압(50KV)은 전기차량에 급전하는 전압(25KV)의 2배가 되기 때문에 변전소 간격을 길게 할 수 있고 급전전압도 BT방식보다 크므로 같은 마력의 전기차에 공급하는 전류가 작아져 전압강하가 작아진다. 또한 대용량 열차부하에서도 전압변동이나 전압 불평형이 적어 안정된 전력공급이 가능하다.  

④  우리나라 수도권 전철 및 경부고속철도에서 채택하고 있으며, 외국의 교류식 전기철도분야에 있어서 표준 급전방식에 해당된다.

 

(3) BT와 AT의 비교

구 분	BT급전방식	AT급전방식	비 고
급전전압 및 급전거리	변전소 급전전압 : AC 25KV 변전소 간격 : 30~40Km 전차선-레일간 : AC 25KV	변전소 급전전압 : AC 50KV 변전소 간격 : 80~100Km 전차선-레일간 : AC 25KV	급전가능거리는 급전전압의 2승에 비례하므로 AT방식의 송전선 건설비가 싸다.
전차선로	간단하다(저렴)	복잡하다(고가)
부스터 섹 션	필요하다. 부스터섹션에 전기차 통과시 아크를 발생하므로 아크 억제대책이 필요하고 가선구조가 복잡하게 되어 보수가 어렵다.	필요없다. 고속대용량 집전에 적합하다. 보수가 쉽다.	BT방식은 부스터섹션의 아크 억제대책으로 아킹혼 설치방 법과 저항섹션 설치방법 등이 있다.
통신유도 장 해		BT방식보다 적다.
전압강하	급전전압이 AT에 비해 낮기 때문에 같은 마력의 전기차에 공급하는 전류가 크게 되며 전차선로의 전압강 하가 커진다.	전압강하가 작다. (대용량 장거리급전에 가장 적합)	급전전압이 2배로 되면 전류는 1/2로 되며 전압강하는 1/4로 된다.
회로해석	비교적 단순하다	회로가 다소 복잡하므로 계산이 어렵다.
회로보호	급전전압이 낮아 고장전류가 적어 보호가 어렵다.	전압이 높아 보호가 비교적 용이 하다.	고장전류는 전압에 비례한다.
고장점 발 견	회로가 단순하므로 용이하다.	회로가 복잡하므로 어렵다.
경제성	전력회사의 송전선이 철도와 병행 되어 있는 경우는 AT급전방식과 비슷하지만 수전점이 멀때는 송전선 건설비가 많다.	수전점 간격이 먼 경우 전철변전 소의 장소를 수전점 측으로 접근 시켜 설치할 수 있으므로 경제적 이다.	송전선을 고려하면 AT측이 경제적이다.

나. 직류방식
지하철용 변전소에서 교류를 직류로 변환하여 전동차에 공급하는 방식으로 차량은 이직류전원을 구동용 전동기에 공급한다. 저항차와 쵸파차량 같은 직류전동기의 경우에는 직접 공급하지만 VVVF 차량은 3상유 도전동기로 구동하므로 차내에 인버터 설비를 갖추어 직류를 다시 교류로 바꾸어 전동기에 공급한다.
공급전압은 가공전차선 방식에서는 1,500V가 많이 사용되고 있고, 제3궤조 방식에서는 600V 또는 750V가 주로 사용되고 있다.

우리나라 도시 지하철은 가공전차선 방식인 1,500V 방식을 사용하고 있고, 제3궤조 방식은 지하철 건설 초기에 프랑스 등 유럽에서 주로 많이 사용되어진 것으로 전동기의 절연기술 부족으로 고압 모터 제작이 어렵고 토목공사 중 지하깊이 굴착하기 어려워 가급적 터널 높이를 낮추어야 하는 등의 이유 때문에 사용되었다.

다. 전기방식의 비교

구 분			교류(25KV)	직류(1,500V)
지 상 설 비	전 력 설 비	변 전 소	변전소 간격이 30~50Km 정도이고 변압기만 설치하면 되므로 설비비가 싸다.	변전소 간격이 5~20Km 정도이고 변압기와 정류기가 필요하여 설비비가 비싸다.
		전차선로	고전압 저전류로 전선을 가늘게 할 수 있고 전선을 지지하는 구조물도 경량으로 된다.	저전압 고전류로 전선이 굵어지고 전선을 지지하는 구조물도 중량으로 된다.
		전압강하	저전류로 전압강하가 적어 직렬콘덴서로 간단히 보상할 수 있다.	히 보상할 수 있다. 대전류로 전압강하가 커서 변전소 또는 급전 소의 증설이 필요하다.
		보호설비	운전전류가 작아서 사고전류 판별이 용이하다.	운전전류가 커서 사고전류의 선택 차단이 어렵다.
	부 대 설 비	통 신유도장해	유도장해가 커서 BT 또는 AT방식 등으로 장해방 지대책을 세우고 통신선도 케이블화를 요한다.	특별한 대책이 필요없다.
		터 널, 구름다리 등의높이	고압으로 절연이격거리가 커야하므로 터널 단면은 크고 구름다리 등이 높아야 한다	전압이 낮아 교류에 비해 터널 단면, 구름다리 등의 높이를 줄일 수 있다.
차 량		차량가격	전력변환장치가 복잡하여 직류방식에 비해 고가이다.	교류에 비해 싸다.
		급전전압	차량내에 변압기가 있어 고전압을 사용할 수 있다.	고전압을 사용할 수 없다.
		집전장치	집전전류가 작아 소형경량으로 제작가능하고 전차선과의 접촉이 좋다.	집전전류가 커서 대형중량으로 되어 전차선과의 접촉이 좋지 않다.
		기기보호	교류 소전류 차단과 사고전류의 선택차단이 쉽다.	직류 대전류 차단과 사고전류의 선택차단이 어렵다.
		속도제어	변압기 Tap절환으로 속도제어가 쉽다.	속도제어가 어렵다.
		점착특성	점착성능이 우수하여 소형으로 큰 하중을 견인할 수 있다.	점착성능이 좋지 않아 대출력을 필요로 한다.
		부속기기	변압기를 통해 여러 가지 전원 확보가 쉽다.	전원설비가 복잡해진다.
공 해			유도작용에 의한 잡음으로 TV, 라디오 등 무선통신 설비에 통신장애를 일으킨다.	땅속의 관로 및 선로 등에 전식장해를 일으킨다.

2)  특별고압계통
한전으로부터 전력을 수전하는 수전설비와 각 변전소간의 연락송전을 위한 연락송전설비, 정류 기용 변압기 및 고압배전용 변압기와 계통보호를 위한 보호설비 등으로 구성된다.

3호계는 냉방 및 터널환기용으로 사용된다. 케이블은 6.6KV CV 케이블을 사용하고 있으며, 최근에는 저독 난연성인 6.6KV HF-CO 케이블을 사용한다. 전동차에 직류 1,500V를 공급하기 위한 설비로 정류기용 변압기반, 정류기반, 직류고속도차단 기반으로 구성되고, 신뢰도 향상을 도모하고 고장시의 예비확보 개념으로 운전중인 정류기군의 용량에 여유를 확보하는 방법과 예비정류기를 확보하는 방법이 있고, 우리나라는 예비정류기를 확보하는 방법을 사용하고 있다.

3) 전차선 급전용 전력공급계통
전동차에 직류 1,500V를 공급하기 위한 설비로 정류기용 변압기반, 정류기반, 직류고속도차단 기반으로 구성되고, 신뢰도 향상을 도모하고 고장시의 예비확보 개념으로 운전중인 정류기군의 용량에 여유를 확보하는 방법과 예비정류기를 확보하는 방법이 있고, 우리나라는 예비정류기를 확보하는 방법을 사용하고 있다.

4)  고압배전용 전력공급계통
교류 6.6KV를 공급토록 하여 각 전기실에서 고압부하에 공급 또는 저압으로 강압하여 공급토 록하며 변전소에서는 부하별로 1, 2, 3호계로 구분 공급한다.
변전소의 전력계통은 6.6KV로 강압하기 위한 변압기와 고압용 차단기 및 부속설비가 요구된다.
지하철 구내의 환경개선 및 승객 편의시설 확충에 따라 고압배전 부하용량이 증대되는 추세로 1, 2호계용과 3호계용의 변압기를 분리하여 공급하며 고장시에는 건전 변압기에서 중요부하에 전력을 공급토록 한다.

3. 송배전설비
변전소와 변전소간 22.9KV 또는 154KV 연락 송전선로 계통과 각 정거장간의 전기실과 전기실간 6.6KV 또는 22.9KV 연락배전 계통이 있다.

1)  연락 송전선로
지하철 변전소와 변전소간에 시설되고, 한전으로부터 직접 수전 받지 않는 변전소로 수전변전 소에서 연락 송전하는 선로이며, 한전변전소 계통 이상시 또는 수전선로 고장시에 연장급전을 받는 선로이다. 케이블은 22.9KV CNCV 케이블을 사용하고 있으며, 최근에는 화재발생 등 안전을 최우선으로 고려하여 저독 난연성인 FR-CNCO-W 케이블을 사용한다.

2)  연락 배전선로
각 정거장의 전기실과 전기실간에 시설되고, 변전소로부터 1, 2, 3호계로 분리 구성되며, 1, 2호 계는 정거장의 동력, 조명, 신호, 통신, AFC용으로서 무정전으로 공급하기 위해 2중계로 구성하며 3호계는 냉방 및 터널환기용으로 사용된다. 케이블은 6.6KV CV 케이블을 사용하고 있으며, 최근에는 저독 난연성인 6.6KV HF-CO 케이블을 사용한다.

4. 원방제어(SCADA)설비

지하철 변전소와 전기실은 운전자가 상주하지 않고 무인으로 운전되어 각 변전소와 전기실에는 제어대상이 되는 전력설비와 전력사령실간의 각종 제어, 표시, 측정, 인터록 등 다양한 정보신호를 전송, 접수하기 위한 원격전송장치(Remote Terminal Unit)를 설치하고 중앙제어실의 주 전산 기에서 데이터를 취득, 분석하여 운영과 제어콘솔로 보내며 운영자는 이 정보를 참고하여 계통의 이상유무 파악 및 이상시 대응조치를 취한다.

5.  일반전기설비

각 정거장마다 전기실을 설치하여 지하철 이용승객의 편리하고 쾌적한 환경을 조성하고 역사 시설물 이용과 열차의 안전운행을 위하여 지하철 변전소로부터 3상 6.6KV 3회선을 수전하여 1, 2호계는 조명, 동력, 신호, 통신, AFC 등에 전력을 공급하고, 3호계는 냉방 및 터널환기 부하에 전력을 공급한다. 정전이나 선로, 기기 사고시에도 전력을 공급할 수 있도록 2중계로 구성한다.

1)  일반부하
정전에 따른 특별한 배려가 요구되지 않는 일반조명 및 일반 동력부하(조명, 환기 등)
2)  상시부하
1, 2호계 중 어느 한쪽의 전력공급계통이 정전될 경우 다른 전력계통으로부터 전력공급을 요하는 부하(방송, 통신, AFC, 배수펌프, 오수펌프, 급수펌프, 소방부하, 충전기 등)
3)  비상부하
1, 2 호계 전력계통이 정전되었을 경우에도 승객의 안전을 위하여 예비전원설비(Battery)로부터 전력공급을 요하는 부하(비상조명, 배전반전원 등)

6. 전차선설비

전동차의 집전장치와 접촉하여 전력을 공급하기 위한 전차선 등의 가선설비와 이에 부속하는 설비(전차선 장치, 지지구조물)를 총칭한다.
전동차에 전력을 공급하는 부하는 일반전력과 달리 이동하는 부하이기 때문에 전동차 부하 변동에 대하여 충분한 검토가 필요하고, 전동차의 집전장치와 접촉하여 전력을 공급받기 때문에 전차선로를 전기적, 기계적으로 성능을 확보할 수 있는 구조로 시설하여야 한다.

1)  전차선 설비의 구성
전동차의 집전장치와 직접 접촉하는 전차선, 전차선을 Rail면과 일정한 높이로 수평하게 지지하기 위한 조가선, 전차선에 전기를 공급하기 위한 급전선 및 이것들을 지지하기 위한 지지물 등이 있으며, 전기차에 공급한 전력을 되돌려 보내기 위한 귀선로인 부급전선 등이 이에 포함된다.
2)  전차선 방식
가. 가공선 방식(Over head system)
궤도 상부에 설치된 급전선으로부터 공급받는 전력으로 전기차를 구동하고 다시 변전소로 귀환시키는 방식으로 가장 많이 사용되고 있는 방식으로 지상부의 카테나리방식 (Catenary system)과 지하부의 강체방식(Rigid system)으로 구분된다.
나. 제3궤조 방식(The third rail system)
궤도 측면에 제3궤도인 도전용 레일을 설치하고 전기차의 집전장치(Collection Shoe)에 의해 접촉 집전하고 주행레일을 귀로로 하여 전력을 변전소로 보내는 방식이다.
다. 강체 복선식(Double rigid system)
Monorail 등에 사용되고 있는 것으로 주행궤도 구조물에 강체구조로 한 급전용 및 귀선 용의 정, 부 도전 Rail을 설비한 방식이다.