전차선의 마모

전차선의 마모

 

전차선은 판타그래프 습판과 직접 접촉하여 전기를 공급하기 때문에 전기적, 기계적으로 전차선이 마모된다.

전기적 마모(융착 마모)는 판타그래프와 전차선의 불완전 접촉 또는 이선 등에 의하여 발생하는 아크의 전기적 원인에 따른 것이다.

전차선의 구배 변화점, 경점 개소, 장력 부적정 개소, 습동면의 요철이 문제가 된다.

기계적 마모(절삭 마모)는 판타그래프 습판과 전차선간의 기계적 마찰 및 충격에 따라 발생되는 것이다.

이것은 핀타그라프의 습판과 전차선간의 기계적 마찰 및 충격에 따라 발생되는 것이며 판타그래프의 압상력이 크고, 습판의 재질이 강도가 크면, 기계적 마모가 많으며 마찰 계수에 비례하고 고속으로 될수록 작게 된다.

일반적으로 전류가 작은 교류구간에서는 전기적 마모보다 기계적 마모가 크고 직류구간에서는 반대로 되므로 각각의 특성을 파악하여 대책을 강구할 필요가 있다.

전차선의 마모의 원인에는 전기적 마모와 기계적 마모가 있다.

1. 전차선 마모의 일반적 경향

(1) 판타그래프의 압상력

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

(2) 집전전류

전차선의 마모는 집전전류의 대소에 그다지 영향을 받지 않으나 그러나 직류구간에서 이선이 자주 발생하여 아크가 나면 마모가 촉진된다.

(3) 운전속도

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

(3) 접촉력의 변동, 이선

경점 부근에서 판타그래프 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, 아크 방전에 다른 전차선 표면이 변색되고 이 과정이 반복되면 마모가 많게 된다.

(4) 판타그래프의 구조와 개수

판타그래프가 경량이고 추종성이 좋게 되면 전차선의 마모는 작게 되고, 판타그래프 갯수가 많으면 기계적 마모는 증가하게 된다.

(5) 집전판의 특징

집전판 재질의 경도가 약하고 각이 없으며, 윤활성이 좋은 집전판이 전차선의 마모를 적게 한다.

(6) 전차선의 온도

전차선의 온도가 90[℃]에 가깝게 되는 것은 문제가 없지만 온도가 높게 되면, 온도상승에 따라 산화피막의 생성이 촉진된다. 집전 전류가 작을 때 산화피막의 존재는 전차선의 마모에 보호 효과(일종의 윤활 효과)가 있다.

그러나 집전전류가 크면 전기 접촉 불량에 따라 아주 작은 이선이 발생하기 쉽게 되고 마모 증대의 원인이 된다. 온도 상승에 따라 전차선의 구성이 변화하여 평행구간, 건널선 등을 지날 때 전차선 마모가 증대되기도 한다.

(7) 궤도조건, 차량동요

궤도의 정비 상태가 좋지 않다든지, 차량의 동요가 크면 마모가 증가한다.

 

(가) 전기적 마모와 기계적 마모

전차선이 마모되는 성질에는 여러 가지가 있지만 크게 기계적 마모와 전기적 마모로 나누어 생각할 수 있다.

1) 전기적 마모

전기적 마모는 열차운전 중에 판타그래프가 전차선에 대한 불완전 접촉에 기인하는 불꽃 또는 아크에 의해 전차선이 마모되는 현상을 말한다.

그리고, 불꽃 또는 아크에 의한 열과 판타그래프 습동판 접촉부분의 통전전류에 의한 열로 인해 전차선의 재질이 변화하여 마모가 촉진되므로 이것도 전기적인 마모의 일종으로 취급하고 있다.

전기적인 마모는 주로 다음과 같은 개소에서 발생하여 열차의 고속화 대용량화에 의해 현저하게 증대하게 된다.

가) 전차선 경점 개소 (가선금구 설치개소 등)

나) 전차선의 구배 변환점

다) 장력 불균형 개소 (전차선 및 조가선)

라) 전차선에 굴곡이 있는 개소

2) 기계적 마모

판타그래프 습판과 트롤리선 간의 기계적 마찰 및 충격에 의해 발생된다.

전차선의 경도가 클수록 마모량은 적으며 G합금 전차선은 내열성과 내마모성이 보통 경동전차선에 비해 우수하다.

그 반면 판타그래프의 도약현상에 기인한 충격에 의해 마모량은 국부적으로 증가하며 다음과 같은 특성이 있다.

가) 판타그래프 접촉압력에 비례

나) 열차속도에 반비례

다) 마찰계수에 비례

라) 판타그래프 습판의 재질 경도가 크면 마모가 증가

마) 전차선의 경도가 클수록 마모량이 적다

(나) 전차선의 마모한도

전차선이 마모되면 단면적의 감소에 의해 기계적으로는 항장력이 저하되며 이것이 전차선의 허용장력(파괴강도/안전율) 보다 적게 되면 단선될 위험성이 있다.

또한, 전기적으로는 대전류를 집전하는 경우 전차선이 소손될 위험이 있다.

위와 같은 위험방지를 위해 전차선의 마모한도를 정하여 이 한도치에 도달하면 신품으로 대체하는 등의 조치를 취해야 한다.

마모한도는 전차선의 기계적인 강도(인장력), 전류용량 및 전차선 가선장력을 고려하여 다음과 같이 마모한도를 정하고 있다.

 

원형110[㎟]의 잔존 높이

전차선의 마모의 정도는 “마모율”로 표시하고 있으며 마모율은 판타그래프의 통과 회수와 그에 따른 전차선 아래면이 마모하는 양을 표시하고 다음식으로 나타내어 진다.

                                                    전차선의 마모량

미모율([㎜]/1만판타) =  -------------------------------------------

                                             판타그래프의 통과회수 1만회

   

1) 마모한도

전차선의 마모상태는 수시로 조사하여 항상 마모가 심한 개소를 잘 알아둘 필요가 있으며, 특히 마모되기 쉬운 개소에 대해서는 세밀히 조사해 둘 필요가 있다.

일반적으로, 마모조사는 년 1회 내지 2회씩 지지점 및 경간 중앙부를 측정하며 국부적인 마모개소에 관해서는 수시로 실측한다.

전차선의 마모한도

전차선 종별	신품의높이 (직경)	마모한도
		잔존높이(직경)	잔존단면적
원형 170[㎟]	15.49[mm]	8.5[mm]	81.28[㎟]
원형 110[㎟]	12.34[mm]	7.5[mm]	67.59[㎟]
제형 170[㎟]	14.8[mm]	5.9[mm]	59.3[㎟]

2) 잔존직경

마모된 트롤리선의 항장력이 허용장력(표준장력×안전율)에 도달했을 때의 트롤리선의 마모량을 허용마모한도라 하고, 이때의 트롤리선의 직경을 허용잔존직경이라 한다.

(다) 마모방지 대책

전차선의 마모는 기계적 마모와 전기적 마모가 중복되어 발생하며 마모량이 많으면 전차선의 신품 대체 회수가 증대된다.

특히 국부적인 마모는 다른 곳의 대부분이 마모한도에 도달하기 전에 극히 일부분이 마모한도에 이르게 되므로 전부를 신품으로 대체해야 하기 때문에 매우 비경제적이다.

따라서, 마모방지 대책으로는 첫째로 국부적인 마모를 감소시켜 전차선이 균일하게 마모되도록 할 것과 둘째로는 전차선 전반에 걸쳐 마모 경감조치를 취해야 한다.

1) 국부적 마모의 방지

기계적 및 전기적 마모의 어느 것이나 국부적 마모의 주원인은 판타그래프의 도약현상이므로 국부적 마모의 방지대책으로서는 전차선 가설상태 및 궤도시설 상태의 정비개선 및 판타그래프의 성능개량 등에 의해 도약현상의 방지를 도모할 필요가 있다.

가) 전차선의 구배완화를 도모한다.

나) 전차선 부속금구의 개선

다) 전차선의 경점 제거를 위하여 행가, 드롭바, 곡선당김금구, 진동방지금구, 더블이어, 연결금구, 균압선 접속금구 등의 설치 수량의 저감과 경량화를 도모한다.

라) 자동장력조정장치의 설치

전차선의 장력이 저하되면 이도가 크게 되어 고속운행 시에 판타그래프의 도약현상이 발생하므로 자동장력조정장치에 의해 상시 전차선의 장력을 일정하게 유지시키도록 한다.

마) 전차선 압상량의 균일화

일반적으로 전차선은 지지점 부근보다도 경간 중앙 부분측이 판타그래프에 의해 압상량이 크므로 고속운전 시에 판타그래프에 일정한 주기의 동요를 일으키게 하여 이선 현상을 야기 시키는 원인이 된다.

이를 개량하기 위해 고속운행 구간에는 변형Y형 심플카테너리방식과 합성가선방식 등이 개발되어 사용되고 있다. 그리고, 국부마모가 발생된 개소에는 첨선을 설치하여 마모를 방지하는 예도 있으나, 이는 경점이 되어 판타그래프의 이선을 증가시키게 된다.

2) 전반적인 마모방지

이것은 전차선 전반에 걸쳐서 기계적 마모의 경감을 도모하는 것으로서 다음 점에 관하여 시행하고 있다.

가) 판타그래프 습동판의 개량

당초 탄소습판이 채용되어 전차선 마모는 크게 감소되나 습판 그 자체의 마모가 심하므로 일부에서는 이 결점을 개량한 프라이멧트 습판이 개발되어 사용되고 있으며, 현재 대전도시철도에 사용되는 습판의 재질은 동계소결합금을 사용하고 있다.

나) 전차선으로 경도가 높은 재질을 사용

경동선보다 경도가 높은 G 합금선이 개발되어 일부 사용되고 있으며 내 마모성의 우수성이 발휘되고 있다.