전차선의 이선 및 마모

전차선의 이선 및 마모

1. 개 요

Pantograph는 전차선에 접촉하여 집전하고 있으나 Pantograph의 접촉이“제로(Zero)”로 되어 전차선으로 부터 분리되는 것을 “이선”이라고 한다.

Pantograph의 이선이 허용되는 범위는 여러 가지 조건에 따라 정하여 지고 있으나 보통 대이선(시간적으로 큰 이선)이 특히 문제가 되고 있다.

2. 이선의 종류

가. 소이선(Pantograph 진동에 따른 이선)

이선시간이 수십 분의 일초 정도의 것으로, 전차선 또는 Pantograph 습판의 미진동에 따른 것으로 생각되고 있다.

 

나. 중이선(불연속점〔경점〕의 이선)

이선 시간이 수분의 일초 정도의 것으로 주로 Pantograph가 경점등의 충격에 따라 운동하여 전차선과의 이선 충격이 반복되는 데 따라 발생되는 것으로 통상10～100㎳로 수회 반복되는 상태를 말하며, 이와 같은 이선을 방지하는데는 제거가능한 경점은 제거하고 제거될 수 없는 경점은 전차선의 높이, 탄성계수, 질량의 변화를 작게하는 방안 등이다.

 

다. 대이선(지지점 주기의 이선)

전차선의 경성점 또는 연성점에 의하여 일어나는 것으로서 보통 이선 시간이 수분의 일초로부터 1～2초 정도이다.

전차선의 지지점을 통과 한 직후에 Pantograph 전체가 도약하여 발생하는 현상으로 전차선의 지지점 간격의 주기로 하여 발생한다. 가선의 탄성이 지지점 부근에서는 강하고, 지지점과 지지점 중간에서는 약하기 때문에 압상량이 일정한 Pantograph는 그 아래를 추종하면서 주행하게 된다. 어느 정도 이상에서는 관성력이 작용하여 Pantograph가 추종하지 않게되고 이윽고 Pantograph와 가선의 진동이 공진에 가까운 상태가 된다. 결국 속도가 높게되면 완전한 공진에 도달하게 되고 진동의 진폭은 최대로 된다.

이 이선이 집전을 불가능하게 하여 고속도화에 장애가 된다.

(1) 전차선에 미치는 이선 영향

이선이 전차선에 주는 영향은 열차 속도와 집전전류에 따라 변화한다. 이선 하는 개소의 부근의 전차선 마모는 다음과 같은 영향을 갖게 된다.

(가) 이선될 때에 발생하는 Arc에 의하여 전차선의 미소 부분에 용손이 발생한다. 이것이 전차선의 마모를 촉진하는 원인이 된다.

(나) 이선하기 직전 또는 재 착선 시에 전차선과 Pantograph간의 접촉력이 순간적으로 크기 때문에 그 부분의 전차선이 쉽게 마모된다.

(다) Pantograph가 항상 이선하여 통과하는 개소의 전차선은 표면이 변색한 다 든지 용손하지만 마모는 진행되지 않는다.

그러나 이선 개소의 전후부분에 마모가 급속하게 진행되는 개소가 있다.

또 전차선에 굴곡이 있는 개소, Overlap구간, 건넘선, 지지점붐근, Double ear접속개소 등에서 이선이 발생하기 쉽고 그와 같은 특정의 장소에서 여러번 반복 이선하게 되면 전차선의 마모가 빨리 진행된다.

직류 구간의 Air section을 역행하여 통과할 때 이상마모가 발생하는 것이 대표적인 경우이다.

(2) 이선에 따른 장애

(가) 전차선의 Arc 방전에 따른 열화, 손상

전차선 표면에 아크 스포트가 생겨서 이상마모의 원인이 된다. 또 이때 전차선의 피로 단선의 계기가 되는 예가 간혹있고, 직류구간에는 아크의 영향이 크다.

(나) Pantograph의 아크 방전에 따른 열화, 손상

Arc 방전이 심하면 Pantograph 습판의 마모가 빨라지고 때에 따라서는 전체가 용단된다. 직류구간에서는 교류구간에 비하여 전동차(부하) 전류가 크기 때문에 Pantograph에 대한 영향이 크다. 또 카본, 동습판은 아크성이 우수하다.

대이선에서 큰 Arc방전이 발생하면 Pantograph의 판체 또는 본체에 Arc가 이행하여 용손될 수 있다.

(3) 이선 장애대책

(가) 이선 자체를 작게 한다.

전차선의 경점을 작게하여 집전 특성을 향상시킨다.

(나) Arc 방전의 발생을 작게 한다.

전차선의 경점을 작게하여 집전 특성을 향상시킨다. 2대의 Pantograph를 모선에 연결하면 한 대가 이선했을 때 발생하는 아크가 즉시 소멸하기 때문에 습판의 마모를 경감하는 역할을 하게 되고, 특히 고속의 직류 구간은 집전 전류가 크기 때문에 효과가 크다.

(다) Arc 방전이 발생해도 미치는 장해를 작게 한다.

Arc 방전에 따른 소모는 재질에 따라 차이가 나기 때문에 내 Arc성이 우수한 재료를 사용한다.(Pantograph에는 가능하나 전차선측은 어렵다)

 

3. 전차선의 마모(Wear)

(1) 전기적 마모(용착마모)와 기계적 마모(절삭마모)

전차선은 Pantograph 습판과 직접 접촉하여 전기를 공급하기 때문에 전기적, 기계적으로 전차선이 마모가 된다. 전기적 마모는 Pantograph와 전차선의 불완전 접촉 또는 이선 등에 의하여 발생하는 Arc의 전기적 원인에 따른 것이다.

전차선의 구배변환점, 경점개소, 장력부적정개소, 습동면의 요철이 문제가 된다. 기계적 마모는 Pantograph의 습판과 전차선간의 기계적 마찰 및 충격에 따라 발생되는 것이며 Pantograph의 압상력이 크고 습판의 재질의 강도가 크면, 기계적 마모가 많으며 마찰 계수에 비례하고 고속으로 될수록 적게된다.

일반적으로 전류가 작은 교류구간에서는 전기적 마모보다 기계적 마모가 크고 직류구간에서는 반대로 된다.

(2) 전차선 마모의 일반적 경향

(가) Pantograph 압상력

Pantograph의 압상력이 크게되면 전기적 마모는 감소하고 반대로 기계적 마모는 증가한다. 압상력의 증가에 따라 이선이 감소하는 경우에는 기계적 마모가 증가하여도 전체적으로 감소한다.

(나) 집전전류

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

(다) 운전속도

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

(라) 접촉력의 변동, 이선

경점 부근에서 Pantograph 통과 시에 접촉력이 크게 되는 전차선 개소는 마모가 빠르고 특히 이선하기 직전 후 부근이 빨리 마모하는 경우가 있다. 이선과 접촉이 반복적으로 발생하는 전차선 개소의 마모는 극히 빠르고 아크발전에 따른 전차선 표면이 변색되고 이 과정이 반복되면 마모가 많게된다.

(마) Pantograph의 구조와 개수

Pantograph가 경량이고 추종이 좋게되면 전차선의 마모가 작게 되고, 개수가 많으면 기계적 마모가 증가하게 된다.

(바) 집전판의 특징

집전파의 재질의 경도가 맞고, 각이 없고, 유활성이 좋은 집전판이 전차선의 마모를 작게 한다.

(사) 전차선의 온도

전차선의 온도가 90℃에 가깝게 되는 것은 문제가 없지만 온도가 높게 되면, 온도상승에 따라 산화피막의 생성이 촉진된다. 집전전류가 작을 때 산화피막의 존재는 전차선의 마모에 보호효과(일종의 활효과)가 있다.

그러나 집전전류가 크면 전기접촉 불량에 따라 아주 작은 이선이 발생하기 쉽게되고 마모 증대의 원인이 된다. 온도상승에 따라 전차선의 구성이 변화하여 Overlap 건넘선 등을 지날 때 전차선의 마모가 증대 되기도 한다.

(아) 궤도조건, 차량동요

궤도의 정비상태가 좋지 않다든지, 차량의 동요가 크면 마모가 증가한다.

(3) 전차선의 허용이선 한도

마모된 전차선의 항장력이 표준장력에 안전율을 곱한 값에 도달했을 때의 전차선의 마모량을 “허용마모한도”라고 하고, 이때의 전차선의 직경을 “허용잔존직경”이라고 한다.

전차선은 Pantograph의 습동에 따라 전기적, 기계적으로 마모하기 때문에 그 잔존 단면적은 점차적으로 감소하고 점차선의 항장력이 저하하기 때문에 단선의 우려가 있다. 전차선은 허용마모 한도에 달할 때까지 사용하는 것이 경제적이기 때문에 그선종 및 단면적을 선정하는 경우에는 집전 특성 외에 전차선의 허용잔존직경에 걸리는 항장력과 전류 용량도 검토되어야 한다.

전차선의 마모한도  110㎟의 잔존직경

전차선의 종류	마모한도
	잔존직경	잔존면적
170㎟	8.5㎜	87.45㎜
110㎟	7.5㎜	67.59㎜

     

전차선(170㎟)의 잔존직경과 잔존면적 및 항장력

(4) 전차선의 경점

전차선의 접속개소나 곡선당김금구, 진동방지금구의 취부개소는 다른 부분에 비교하여 전차선의 중량이 증가된다. 이 부분을 Pantograph가 통과할 때 전차선으로부터 충격을 받아 이선이 발생된다. 이와 같이 전차선에서 부분적으로 중량이 큰 개소를 전차선의 경점 이라고 한다. 전차선이 일정한 모양의 가요성을 가져야 하는 것은 중요한 요소이다. 이 때문에 전차선의 접속개소를 가능한 적게 하고, 가선 금구의 경량화를 도모할 필요가 있다.

(가) 전차선 이선 관리상의 요주의 개소

1) Air section, Booster setion, Air joint 개소 등(특히 역행개소)

2) 역행개소의 급전분기 및 Double ear 등의 경점개소 부근

3) 전차선의 교차개소의 굴곡개소

(나) Overlap 구간의 이선

1) Overlap 구간의 경우에는 다수의 Pantograph가 통과할 때 마다 이선개소가 일정하지 않기 때문에 Arc spot이 발생한 전차선 습동면을 Pantograph가 마찰하며 통과하기 때문에 상호 번갈아 Arc spot을 만들거나, 뛰어넘으면 그 곳의 마모는 빨리 진행되고 특히 큰 Arc spot이 발생하는 직류 역행구간에는 단시간에 마모가 된다.

 

사구간(데드섹션)의 길이

구 간	사구간의 길이	길 이 산 정 방 법 및 구 조
교류/교류구간 (수도권)	22m 2m(FRP제)×11개	•아아크길이: 8m -사구간통과시운전부하량: 2,600KVA -2,600KVA×3㎜ =7,800㎜ =약 8m •팬터그래프간격: 13m •VVVF전동차: 8m(아아크길이)+13m(팬터간거리)+ 1m(여유) = 22m
교류/교류구간 (산업권)	40m→최근 50m로 확장 FRP제	•전기기관차 아아크길이(8m)+20m(전기기관차 길이)+ 12m(팬터그래프간격) = 40m
교류/직류구간 (지하철1호선 청량리-서울간양쪽, 과천선남태령 - 선바위간)	66m 2m(FRP제)×11개+ 무가압전차선22m+ 2m(FRP제)×11개	•최소길이: 50m -초당운행거리: 22m(최대속도 80㎞/h /3,600 = 22m) -AC/DC, DC/AC진입시 MVB동작시간: 1.5-2초 -최소길이 : 2초×22m+6m = 50m •VVVF전동차: 66m = 50m+13m(팬터간거리)+3m(여유)