전기철도의 전기시설

 

1. 전기관련 터널시설

1.1 공동관로 시설

1.1.1 설치목적

(1) 철도노선의 전구간에 걸쳐 각종 전기시설이 배치되면 전기시설간에는 전선로가 구 성되어야 한다. 이러한 전선로는 금속케이블, 광케이블이 주종이며 사용전압 및 용 도에 따라 적절한 관로 시설을 갖추어야 한다.

(2) 터널은 제한된 실내공간으로 만일 각종 전기시설(전력, 신호, 통신) 등이 각자 자 기 목적 달성을 위해 임의로 각종 전선로를 구성한다면 터널내부는 아주 복잡한 형상을 이루게 될 것이며 외관상 및 유지보수 목적상으로도 별 도움이 되지 않을 것이다.

(3) 따라서 터널 계획 초기에 이러한 전선로에 대한 분석에 의해 분류된 전선로별로 적절한 관로시설을 공통으로 설치하면 구조적으로도 구성이 용이하고 각종 시설별 기능확보에도 유리할 것이다.

 

1.1.2 철도산업의 전기시설 구성 특징

(1) 철도는 대량 교통수단으로 장거리에 걸쳐 설치되며 그 운영 방안도 상당히 복잡하 고 국가적 차원에서도 철도의 교통수단으로서의 기능을 상시 유지하여 기능상실을 방지하여야 한다.

(2) 따라서 예기치 못한 상황에 의한 기능중단의 사태를 예방하기 위해 그리고 승객 및 화물의 안전수송을 보장하기 위해 대부분의 전기시설은 이중화 구조를 갖게 되 며 전기 시설간의 전선로 구성도 예외가 아니다.

(3) 이는 터널내부에서의 공동관로 구성 및 배치에도 검토 반영되어야 하는 사항이며 일반적으로 상하행선 선로를 중심으로 양측에 관로를 구성하고 이중구성 전선로를 좌, 우측에 분리수용함으로써 유사시 전체기능 중단을 예방하고 있다.

 

1.1.3 시설별 공동관로내 수용케이블의 종류

(1) 전력시설

① 특고압 배전용 케이블

② 터널내 조명 및 작업용 전원 구성을 위한 저압케이블

③ 터널내 각종 신호, 통신용 시설을 위한 전원케이블(저압)

(2) 신호시설

① 각종신호기계실로부터 선로 연변시설(전철기, 신호등, 지상장치 등)로의 조작케이블

② 선로연변 시설을 위한 전원케이블

(3) 통신시설

① 전구간에 걸친 정보 전송용 광케이블

② 열차무선 시설용 안테나 급전선

③ 선로연변 통신시설과 통신기계실간 연락 통신선 ④ 선로연변 통신시설용 전원선은 교류의 경우 전력에서 공급

 

1.1.4 공동관로 구성 방안

(1) 전기적 고려 사항

① 위에서 언급한 바와 같이 전력, 신호, 통신용 전선로는 서로 간의 상호간섭을 배제 하기 위해 분리된 수용공간에 설치하여야 한다.

② 분리된 수용공간 내에서도 안전을 위해 전압계급 별로 격벽에 의한 구분설치가 필 요하다.

③ 이러한 시스템별 전압계급별 분리구분 및 공간내 수용은 운영 중 고장에 의한 유지 보수 및 확장을 고려하여 적절히 배치하여 작업이 용이하도록 한다.

(2) 터널의 구조적 고려 사항

① 터널은 지하에 설치되는 운송수단의 통로로서 지하공간이라는 구조적 특징을 가진 다. 또한 터널축조 방법에 따른 특성을 가질 수도 있다.

② 지하공간이라는 구조적 특수성에 의해 터널내에 필수적으로 갖추어지는 환기와 배 수에 필요한 시설이 있다.

③ 배수와 관련된 구조적 시설과 전기적 시설인 공동관로는 항상 상호간섭의 관계에 있게 된다. 두 시설간의 공통점은 터널의 횡단면에서 볼 때 종방향으로 양쪽 벽쪽으 로 배치된다는 것이다. 그러나 어느 시설이 횡단면상에서 바깥쪽 또는 안쪽에 설치 되느냐가 간섭사항이 된다.

④ 공동관로 시설은 전기시설의 특성상 터널이 종방향으로 진행하면서 선로연변 전기 시설물의 배치에 따라 횡단전선관이 설치되어야 하거나 터널내부에 설치될 지하공 간의 각종 전기기계실로의 연결관로가 필요하게 된다.

(3) 효율적 구성방안

① 공동관로의 배치

∙ 터널횡단면상의 양측 및 내측에 배치

② 공동관로의 구성

∙ 구조체 : 공동관로를 위한 공간을 제공

∙ 공동관로 : 전력, 통신, 신호 시설별 구분공간 구성

∙ 공동관로의 구성재료는 터널 내부환경, 전선로로써의 요구사항(발열, 케이블 손 상방지) 및 외부충격으로부터의 자기 보호를 위한 기계적 강도를 보유하여야 한 다.

∙ 구조물의 내용적 규격은 사업별 규모에 따라 전기 부문과의 협의에 의해 결정되 어야 한다.

 

 

2. 전차선용 지지금구

2.1 설치목적

(1) 전기철도에서 급전용 전차선을 설치하기 위해서는 카테나리 방식이나 R형 강체전차 선에 의한 가공선로를 구성하여야 한다.

(2) 이러한 전차선을 설치하기 위해서는 터널의 구조체에 지지대를 설치하고 지지대로부 터 가선용 금구를 설치하여 전차선을 가선한다.

 

2.2. 전차선로 지지물 배치의 특성

(1) 전차선로의 지지물 배치는 전차선 설계에서 패킹플랜이라는 배치도에 의해 표현된 다. 전차선은 급전선으로 전기기관체에 설치된 펜타그래프와 접속되어 움직이는 열 차에 동력을 공급하게 된다. 따라서 열차의 표정속도 및 최고속도가 전차선 설치의 견고성을 정해주는 요인이 된다.

(2) 전기기관차에 의한 열차가 전차선으로부터 동력을 공급받아 주행하게 되면 팬터그래 프가 자체스프링에 의해 전차선과의 접속을 지속적으로 유지하고자 하지만 가공설치 된 선차선의 진동이 불규칙할 경우 접촉이 단절되는 현상이 반복된다. 이것을 이선 율이라 하는데 운행시간중의 비접촉 시간율을 나타낸다.

(3) 전차선의 지지물의 배치는 이선율을 최소화하는 방향으로 검토하여야 한다.

(4) 또한 선로의 배선구성과 터널구성에 따라 지지금구 하나에 상행선 하행선 전차선을 모두 설치하는 방법과 각각 설치하는 방법이 있다. 그에 따라 전차선용 지지금구의 배치도 달라지게 된다.

 

2.3. 지지금구의 설치방안

(1) 아치형 터널에서의 설치

① 아치형 터널에서의 전차선 지지금구는 아치를 따라 조정가능한 구조로 되어 조정시 높이와 위치가 조정될 수 있는 구조이어야 한다.

② 아치형 터널의 경우 터널폼에 의해 라이닝이 설치되므로 라이닝에 지지금구를 고정 하기 위해서는 형상이 터널폼의 곡선과 동일하여 터널폼에 부착고정이 가능한 형상 이어야 한다.

③ 일반적으로 터널폼의 단위 길이가 일정하므로 입구로부터 출구까지 적정 위치에 일 정한 간격으로 고정설치를 할 수 있도록 패킹 플랜을 계획하여야 한다.

(2) 개착식 터널에서의 설치

① 개착식 터널의 경우 선로의 중심선에 설치하면 되므로 인서트 앙카류로 일정한 형 상을 갖추어 설치할 수 있다. 좌우 편위 조정은 인서트 앙카에 고정된 지지금구에서 가능하므로 설치가 아치형 터널에 비해 용이하다.

 

 

3. 장력조정장치 설치공간

3.1. 설치 목적

(1) 전기철도에서 전기기관차에 에너지를 공급하기 위한 급전체계에는 앞서 언급한 바와 같이 25kV 계통의 경우 R-bar에 의한 강체전차선 방식과 카테나리 방식이 있다. 강 체전차선 방식과 카테나리 전차선 방식의 적용에 관해서는 운행하고자 하는 열차의 최고속도에 따라 정해진다.

(2) 즉, 전차선과 팬타그래프간의 열차운행최고 속도에서의 중단없는 전력공급을 보장할 수 있는 방식이어야 한다.

(3) 따라서 카테나리 전차선에서의 전차선 구분 구간의 양측에는 전차선에 적당한 장력 을 유지하여 온도변화에 따른 신축에 의한 수직적 수평적 굴곡부 발생을 억제해 줄 수 있는 장력조정장치가 설치되어야 한다.

 

3.2. 설치방안

(1) 만약 터널의 표준단면적이 정해진 범위내에서 장력 조정장치 설치가 곤란한 경우에 적용된다.

(2) 전차선 기본설계인 패킹 플랜에 의해 위치가 정해지며 패킹 플랜은 배선의 곡률반경 에 따라 계획한다.

(3) 전차선 구분구간은 대략 1,500m 이내 간격으로 정해진다.

(4) 즉 1,500m 이내마다 기본 단면보다 확대된 단면을 가진 적정 길이의 구간이 배치된 다는 것이다.

(5) 확대된 단면을 가진 구간은 상하행선 동일 위치일 수도 있고 상이한 위치가 될 수도 있다. 물론 구조적 안정성을 고려하여 가능하다면 동일위치인 경우가 시공성이 개선될 것이다. 따라서 전기분야와 터널토목분야가 긴밀히 협의하여 결정하여야 할 것이다.

(6) 확대단면을 가지는 구간의 거리 및 깊이는 대략 구간거리가 200∼250m 정도이고 깊 이는 1.5∼2.5m 정도이다. 이는 개착식 터널의 경우 사각구조이므로 적은 깊이의 구 조에서도 장력조정장치 지지대 높이를 확보할 수 있으므로 짧아질 수 있을 것이나 아치형 터널의 경우 아치의 곡률에 따라 장력조정장치의 지지대에 필요한 높이를 확 보할 수 있는 깊이이어야 한다.

 

 

4. 터널내 전기관련 기계실

4.1. 설치목적

(1) 일반사항에서 언급한 바와 같이 철도산업에서의 전기시설인 전력, 신호, 통신 각 분 야의 시스템적 필요성에 의해 터널내부에 기계실이 배치될 수 있다.

(2) 특히 장대터널 즉 2km를 초과하는 터널의 경우 필연적으로 터널 내부에 전기관련 기계실 배치가 필요하게 된다.

(3) 2km 이내 길이의 터널의 경우 일반적으로 전기관련 기계실이 필요한 경우 터널 입 출구 부분에 면적을 확보하여 설치하여야 한다. 따라서 터널 계획시에는 항상 터널 내부에서의 전기관련 기계실의 필요성 여부와 더불어 입출구부에서의 필요성도 동시 에 검토하여야 한다.

(4) 특히 통신시설인 무선통신 중계용 안테나 시설은 모든 터널의 입출구에 배치하는 경 우가 많다.

 

4.2. 설치방안

(1) 전력관련 기계실

① 필요한 장소에 필요한 면적으로 설치하여야 한다.

② 바닥면에 전선의 통로로 활용할 케이블 트렌치를 배치하여야 하므로 최소 천장고가 대략 3.5m 이상은 되어야 한다.

③ 본선터널 양측에 배치된 공통관로와의 연결관로 구성을 고려한 구조이어야 한다.(배 수로와의 간섭조정 방안 적용)

④ 구조물 완성 후 건축적 마감작업을 고려하여야 한다.

⑤ 장비의 반출입이 가능한 건축적 마감을 계획하여 장래 유지보수에 대비하여야 한다.

⑥ 적절한 환기방안 또는 냉방시설을 적용하여 기기의 발열에 의한 기기의 성능저하 및 수명감소를 예방하는 구조로 하여야 한다. ⑦ 방수를 고려한 구조적 계획으로 지하공간에서의 침수, 습도 증가에 의한 전기기기 절연 열화를 억제하여야 한다.

⑧ 본선 터널에서 발생하는 분진으로 인한 실내환경 오염 및 전기기기 고장을 억제할 수 있는 환기시설을 적용하여야 한다.

⑨ 그와 더불어 전기기기의 적용 시방도 터널내부라는 환경 특수성을 고려한 제품으로 적용하여야 한다.

(2) 신호 관련기계실

① 신호관련 기계실은 신호 분야의 요구 사항에 따라 신호관련 기계시설을 설치하기에 적합한 장소에 설치하여야 한다.

② 전력관련 기계실과 유사동일한 조건으로 설치하여야 하나 신호 관련 시설의 특성에 적합한 구조를 감안하여야 한다.

③ 실내에 전자부품으로 구성된 장비가 수용되므로 특히 습기를 방지하기 위한 건축마 감이 필요하다.

④ 기계실로부터 터널 본선 양측에 배치된 공동관로에는 케이블이 많으므로 충분한 전 선로를 확보하기 위한 검토가 요구된다.

(3) 통신관련 기계실

① 통신관련 기계실은 통신 분야의 요구 사항에 따라 통신관련 기계시설을 설치하기에 적합한 장소에 설치하여야 한다.

② 신호관련 기계실의 요구사항과 유사한 항목이 요구된다.

 

 

5. 접지시설

5.1. 설치목적

(1) 전기공급계통 및 신호, 통신 계통 들은 전기에 의해 동작하는 기기들로서 일반철도 및 전기철도에서 모두 계통의 안정과 감전사고 방지 및 기기의 보호를 위해 접지시 설이 필요하다.

(2) 특히 전기철도의 경우는 열차의 구동에 소요되는 전력이 크게 되어 전차선에 흐르는 전류가 대규모가 되므로 터널내의 제한된 공간에서 대규모 전류가 흐르는 전선이 배 치되는데 따른 전기자기적 영향을 고려한 보호시설로서의 접지시설이 요구된다.

 

5.2. 설치방안

(1) 일반철도에서의 접지시설은 주로 전기관련 기계실을 위주로 해당 장소에 설치되므로 터널 구조적인 고려보다는 전기 시설적으로 검토하여야 한다.

(2) 전기철도의 경우 접지시설은 필수시설이며 따라서 구조체 건설과 연계되어 노선 전 반에 걸쳐 이루어지는 것이 일반적이다. 즉, 교량의 경우 교각과 상판 제작시 내부 철근의 접지의 연속성을 확보할 수 있는 계획이 수립 적용되어야 하고 터널에서도 터널의 라이닝 및 노반구조체 내부 철로도 접지의 연속성이 유지되어야 한다.

(3) 또한 구조체 접지와 더불어 전 노선에 걸친 공통모선 접지선이 설치되며 일정 간격 마다 구조체 접지와 연접하여 하나의 접지모선으로 전기시설의 접지 요구사항과 전 기철도에서의 노선연변 금속체 접지를 공통으로 적용하여야 한다.

 

 

6. 터널조명시설

6.1. 설치목적

(1) 철도터널은 원칙적으로 상시점등을 하지 않고 운영된다. 왜냐하면 궤도 위를 운행하 는 열차는 자동화된 제어장치에 의해 운행되고 철도는 일반차량이나 사람이 통행할 수 없도록 법으로 규제되어 있기 때문이다.

(2) 그러나 긴급시 또는 통상적 유지보수를 위해서는 내부 조명이 필요하다. 이러한 두 가지 필요 상황에 경제적이고 효율적으로 조명을 확보하기 위해서는 긴급시 상황과 통상적 유지보수의 상황을 분석하여 시설을 확보하여야 한다.

(3) 열차가 터널 내부를 주행중 예기치 않은 고장 등의 이유로 운행이 정지되어 부득이 열차에 탑승한 승객이 차량으로부터 이탈하여 대피가 필요한 경우에는 승객이 안전 하게 터널 외부로 이동할 수 있도록 통로를 확인할 수 있게 해주어야 한다. 터널 내 부로부터 입구까지의 거리 즉 터널 중간에서 긴급 상황이 발생하였을 때 최단 거리 의 출구방향 표시가 필요하다. 즉 최단 시간내에 승객들을 안전하게 대피시키기 위 해서는 긴급상황의 내용에 따라 방향을 정하고 승객의 불안감을 덜어주기 위해서도 더욱 필요하다.

(4) 통상적 유지보수를 위한 조명은 철도산업의 특성을 검토 분석하여야 한다. 즉 열차 운영의 안전을 확보하기 위해서는 각종 일상 점검이 필요하게 된다. 이러한 일상점 검 활동의 종류, 내용 및 소요 정도를 검토하여 조명시설을 확보하는 것이 필요하다. 일상 점검 활동과 더불어 정기적 유지보수 및 긴급 보수를 대비한 작업을 위한 조명 도 검토되어야 한다. 터널 내부의 철도시설에 대한 발생 가능한 유지보수 작업을 지 원하기 위한 효율적 조명 시설을 미리 확보해 두어야 한다는 것이다.

 

6.2 전반 조명(긴급시 및 일상점검 지원)

(1) 통상적 유지보수 및 긴급시 승객 대피용 조명시설이다.

(2) 터널내 건축한계 외측에 설치하여 열차 운행에 지장을 주어서는 안된다.

(3) 비상조명등은 단선터널의 경우 한쪽 벽쪽에, 복선터널의 경우에는 양쪽 벽쪽에 10m 이내의 간격으로 가능한 낮게 기준 평균조도 10럭스(lux) 이상 밝기를 유지하도록 설 치하어야 하며, 철도안전규정에 적용받는 터널에서 2중화 전원공급 계통 확보가 곤란 한 경우에는 무정전전원장치 또는 터널 저압 수전 등을 보완하여 설치하여야 한다.

(4) 구조물의 천장 및 천장설치 전차선 관련 시설의 점검도 고려한 조명시설이어야 한다. 즉 조명기구 형상이 터널내전방향으로의 광속조사에의한일상점검이 가능하여야한다.

 

6.3. 국부조명(유지보수 작업 지원)

(1) 상시 유지하는 시설을 유지보수 작업에 필요한 조도기준으로 설치하는 것은 경제성 이 떨어진다. 따라서 터널내 일정 장소에서 벌어질 수 있는 유지보수 작업을 위한 조명은 필요한 때에 주변의 전원을 이용하여 이동형 고출력 조명기구를 적용하는 방 식을 활용 한다.

(2) 이러한 국부조명용 조명기구는 각 터널별로 일정수량을 확보하거나 유지보수 조직 별로 필요 수량만큼 확보하여 운영할 수 있다. (3) 국부 조명용 조명기구는 자립형이며 필요한 장소로의 이동이 용이한 구조를 갖추어 야 한다. 휴대용 자립형의 경우 이동 및 보관이 용이하므로 기동성을 제고해 준다.

(4) 국부조명용 조명기구는 대부분 특정장소에서의 유지보수작업을 지원하게 되며 작업 용 전원 수구에 연결하여 사용하므로 작업용 전원 수구의 전원 용량에 맞게 시설하 여야 한다.

 

6.4. 조명의 제어

(1) 전반 조명의 제어

① 장경간 터널의 경우 전반 조명을 위한 조명 전력도 무시할 수 없을 정도로 크게 된다. 따라서 조명의 점멸 방법에 따라 소비전력량을 현저하게 절감할 수 있다.

② 전반 조명의 점멸 방법은 터널 내에서의 조명의 필요성을 효율적이면서 적극적으로 지원하는 방향으로 계획되어야 한다. 즉 일상점검을 위한 점검팀이 터널의 한쪽 입 구에서 다른 쪽 출구로 진행하면서 점검활동을 할 경우 점검팀의 시야 범위 내에만 필요한 조도를 확보해주고 진행 방향으로 소등과 점등을 반복하면서 진행하게 해준 다면 점검기간중 전체 점등에 의한 에너지 낭비를 억제할 수 있다.

③ 그러나 긴급상황에 의한 승객 대피의 경우는 그러하지 않다. 즉 긴급상황에 의해 승 객이 가까운 출구로 대피할 필요가 있을 경우 승객의 안전한 탈출보장과 승객의 불 안감 해소를 위해 터널 전구간에 걸쳐 점등하는 것이 필요하다.

④ 위의 서로 다른 방안은 자동화 회로에 의해 구성되어 필요한 경우 별로 정확한 동 작이 이루어질 수 있어야 한다.

 

6.5. 출구방향 표시등

(1) 긴급 시 승객의 탈출을 돕기 위한 표시등은 전원공급이 중단되지 않는 표시등으로서 녹색바탕에 백색표지를 적용한 탈출구 표시를 하고 양쪽 방향에 대한 가장 가까운 터널입구 또는 비상탈출구까지의 거리를 명시하여야 한다.

(2) 단선터널일 경우 한쪽 벽쪽에 100m 이내, 복선터널일 경우 양쪽 벽쪽에 지그재그 50m 이내 간격으로 바닥면상 0.5m 이내로 설치하여야 한다.

(3) 외부전원공급을 차단하는 때에는 60분 이상 자체적으로 전원을 공급할 수 있는 축전 지가 내장되어야 한다.

 

 

7. 작업용 전원설비

7.1. 시설목적

(1) 철도터널은 내부시설 즉 구조물을 포함한 각종 전기, 기계시설의 시설개량 및 고장 수리를 위한 작업이 필요한 경우가 발생한다. (2) 이러한 터널내 작업을 위해 작업중 필요한 전기기계 기구의 종류 및 전원 용량을 조 사하고 그에 따른 작업용 전원설비를 미리 갖추어 놓으면 필요시 작업을 원활하게 수행할 수 있게 된다.

(3) 그러나 특수한 작업 즉 대용량 전원이 필요한 경우는 전기분야와 협의하여 전원을 확보하여야 할 것이다.

 

7.2. 시설방안

(1) 작업용 전원설비는 발생 가능한 작업을 분석하여 결정하여야 하겠지만 대체로 3상 전원을 시설하는 것이 유리하다.

(2) 저압 3상 4선식 380/220V 전원을 터널내부 벽측에 지그재그로 양측에 설치하여 필 요시 활용할 수 있게 하여야 한다.

(3) 분전함 방식으로 구성하여 내부에 주차단기 및 3상, 단상의 차단기를 적정수량 시설 하여 용도 및 필요에 따라 연결 사용할 수 있게 한다.

 

출처-국가철도공단KRC-12120