양회장 블로그

전차선의 가고 및 경사

1. 가고

전차선의 가고라 함은 지지점에서 조가선과 전차선과의 수직 중심 간격을 말한다.

가고는 전차선의 선종, 경간, 장력, 지지점에 있어서 진동방지금구, 곡선당김금구의 설비공간 등을 고려하여 결정한다. 가고가 크면 가선금구류의 취부가 용이하게 되고, 가선구성이 좋게 되어 가선 특성이 좋아지므로 전차선의 진동이 작아 고속운전에 적합하다.

그러나 가고가 크면 지지물이 크게 되어 경제상의 제약이 있다.

표준가고(H)의 계산은 다음 조건에 따라 계산한다.

여기서 D : 조가선의 최대 이도[m]

h : 행거의 최소 길이 0.15[m]

w : 전차선로의 단위 중량[㎏/m]

S : 경간[m]

T0    : 표준 장력[㎏f]

Wm  : 조가선의 단위 중량[㎏/m]

Wt    : 전차선의 단위 중량[㎏/m]

Wn   : 행거의 전차선 단위 길이 당 환산 중량[㎏/m]

전차선의 가고

조가 방식별 표준가고

위 식에서 카테너리시스템 전차선로에서 조가선은 St 90[㎟] (0.697[㎏/m]), 전차선은 Cu 110[㎟](0.998[㎏/m])로 사용하고 행거의 전차선 단위 길이 당 환산 중량율을 0.1[㎏/m]라 하면 역구내의 경우(경간 : 50[m])에 필요한 가고 H를 계산 하면

W = Wm + Wt + Wn = 0.697 + 0.988 + 0.1 = 1.795[㎏/m]  

∴ H = D + h = 0.560 + 0.15 =0.710 이다.

따라서 역구내(50[m] 경간)와 차량기지의 표준 가고를 710[㎜]로 한 것이다.

또한 가동 브래킷 구간인 경우 바람의 영향이 없고 직선 및 곡선 반지름 1,600[m] 이상인 경우 역 중간의 경간은 보통 60[m]이므로 같은 전선을 사용한다면 가고 H는

W = Wm + Wt + Wn = 0.697 + 0.988 + 0.1 = 1.795[㎏/m]  

           wS2         1.795 × 602

 D =--------    = --------------  = 0.808[m]

          8T0                8×1,000

∴ H = D + h = 0.808 + 0.15 =0.958 이다.              

따라서 이것에 약간의 여유를 두어 역간 (60[m] 경간)의 표준 가고를 960[㎜]로 한 것이다.

2. 전차선의 경사

지지점에 있어서 조가선과 전차선을 연결하는 면이 궤도 중심면과 이루는 각도는 10°이하로 한다.

전차선과 조가선이 이루는 면이 필히 궤도 중심면과 평행하도록 할 필요는 없으나, 수직 조가식의 전차선에서는 제한을 둔다.

이 각도가 크게 되면 전차선이 편마모를 일으켜 수명이 단축된다.

또, 판타그래프에 따른 압상상태를 고려하면, 풍압에 의한 경사의 증가와 차량의 동요 등이 작동하여 금구류와 판타그래프의 충격으로 인한 사고발생이나 판타그래프의 낌(할입) 사고 등이 예상되기 때문에 경사에 제한을 둔다.

전차선의 경사

조가선의 접속

가. 판타그래프 통과에 지장이 없도록 접속해야 한다.

나. 경간중앙 등의 조가선의 낮은 개소는 피한다.

다. 접속방법의 종류

(1) 와이어클립에 의한 접속

접속하는 조가선 양단을 중첩하여 와이어 클립 5개를 번갈아 반대 방향으로 하여 체결하는 방법으로 임시설비 이외에는 사용하지 않고 있으며 지선설비 개소에 사용하고 있다.

(2) 와이어터미널에 의한 접속

간단한 터미널을 사용하여 접속하는 방법이다.

(3) 쐐기형 클램프에 의한 방법

전선을 구부려서 그 사이에 쐐기를 삽입, 인류하여 접속하는 방법으로 카드뮴 동연선을 사용하는 조가선의 접속에 많이 사용되고 있다.

(4) B금구에 의한 접속(BW)

전선의 소선을 벌려 그 심선을 쐐기(원추형)의 중심 구멍에 삽입하고, 그 외에 소선을 쐐기 외측 홈에 고fms 상태로 본체에 삽입한 후 쐐기를 삽입하는 방법으로 견고하게 접속하는 방법이다.

B금구에 의한 조가선의 접속

(5) 압축에 의한 접속

압축접속슬리브에 의한 접속방법이다.

조가선의 접속 방법

신축 및 구분장치(Expansion Joint, Air Section)

지하구간의 전차선로에는 지상구간에서 볼 수 없는 여러 가지 장치류가 설치되며 어떠한 금속체라도 온도에 따라서 신축하게 되는데 지하구간에 사용되는 알루미늄합금 T-BAR도 예외는 아니다.

전구간의 Al T-BAR를 하나로 접촉시켜 놓게 되면 신축이 상대적으로 크게 일어나 커다란 사고를 일으키게 되므로 이를 방지하기 위하여 신축 및 구분장치를 설치하게 된다.

1. Expansion Joint

지하구간에서 Al T-BAR신축에 대비하여 기계적 구분은 물론 전기적으로도 구분할 수 있도록 신축 흡수장치를 필요로 한다.

이러한 신축 흡수장치중 기계적인 구분장치를 Expansion Joint라 하고 Expansion Joint의 전기적 접속방법은 End Approach 상호간을 충분한 용량을 가진 Jumper Wire로 연결시켜 주는 구조로 되어 있다.

Expansion Joint 구조도(일반구간)

Expansion Joint 구조도(Shield구간)

2. Air Section

Air Section은 지하구간에서 T-Bar Section이라고도 하며 사고 발생시나 복구작업 시 정전구간을 짧게 하거나 변전소간의 급전을 구분하기 위하여 변전소로부터 급전된 인출구에 가장 가까운 위치에 시설하며, 특히 전동차가 상시 정차하는 구역은 피하여 설치한다.

Air Section 구조도

건널선 설비 (CROSS OVER PART)

1. 개요

지하부의 강체전차선로에서 본선과 분기되는 교차 간선개소나 편간선 개소에서 Al T-BAR를 End Approach로 건널선 설비를 시설한다.

대전도시철도도 이러한 건널선 설비가 시설되어 있으며 본선을 통과하는 전동차의 판타그래프가 충격을 받지 않게 하기위하여 간선의 Trolley Wire를 본선 보다 약간 높게 설치하여 전동차 통행이 원활하도록 하고 있다.

2. 시설표준

가. 교차건널선 및 편건널선의 병행부분 중심간격은 200[㎜] 를 원칙으로 한다.

나. 교차건널선 및 편건널선 상의 지지철물 양측에 지지애자의 이동을 방지하는 복진설비를 설치한다.

다. 분기선의 높이는 본선을 통과하는 판타그래프의 충격을 주지 않도록 본선보다 10[㎜ ]높게 설치한다.

라. 강체전차선에서 교차건널선의 Air Section 개소의 평행부분의 중심간격은 250[㎜]를 표준으로 한다.

3. 구 조

지하부 건널선 장치는 다음과 같은 구조로서 전동차의 진동에 대하여 충분한 고려를 하여야 한다.

지상부와의 이행장치(移行裝置)

1. 개요

지상부 카테너리전차선과 지하부 강체전차선이 서로 연결되는 이행구간은 주로 터널 입구부분에서 행하여진다.

도시철도 차량기지는 커테너리방식이고 본선구간은 강체전차선방식으로 서로 전차선을 인류하는 방식이 다르다.

이러한 방식의 차이 때문에 카테너리 방식과 강체방식이 서로 교차하는 개소에는 이에 대한 적절한 전차선 인류방식이 필요한데 이행장치가 그 역할을 담당한다. 상대적으로 카테너리 전차선과 강체 전차선은 판타그래프에 의한 압상력에 큰 차이가 있으므로 이를 고려하여야 한다.

그러므로, 강체전차선은 판타그래프의 압상에 대비하여 카테너리 전차선의 압상하는 양만큼 처음 부분부터 강체전차선을 끌어올려서 원활하게 이행을 기하고 또한, 카테너리 전차선은 두개의 Trolley Wire 를 사용하여 Wire의 자중을 무겁게 하고 지지간격을 짧게 한 Double Simple Catenary 방식으로 설치되어 있다.

그리고, 터널내에서 강체전차선과 카테너리전차선이 평행하게 시설되는 개소에서는 조가선(Messenger Wire)의 설치공간 등을 고려하여 Trolley Wire 를 직접 끌어 올리는 직접 조가방식으로 구성되어 있다.

2. 시설표준

강체전차선과 카테너리전차선과의 이행구간은 판타그래프가 원활하게 이동할 수 있도록 조정하고, End-Approach의 시작부분은 매끄럽게 연마를 하여 카테너리전차선의 Trolley 압상량에도 자연스럽게 하기 위해 10[㎜] 높게 취부 한다.

이행장치(移行裝置) 시설도

3. End Approach가공

1) 개 요

강체전차선로에서 Expansion Joint, Air Section 및 Cross Over구간에 전차선을 마감 처리하기 위하여 Al T-BAR 말단 부분을 매끄럽게 가공해야 한다.

이는 전동차의 판타그래프가 원활하게 습동하게 하여 아크로부터 전차선과 더불어 판타그래프를 보호하는 것에 목적이 있으며 이러한 가공작업을 End Approach가공이라 한다.

2) 가공방법

① 잘라낼 부분의 T-Bar 말단를 재단한다.

② 가공개소가 많은 경우에는 일일이 측량하여 재단하기가 번거로우므로 재단판을 제작하여 사용하는 것이 효과적이다.

③ 재단이 다된 Al T-BAR는 쇠톱으로 잘라낸다. 이 때 그라인딩 할 것을 고려하여 재단선보다 1[㎜]정도 외측으로 절단하는 것이 바람직하다.

④ 면처리 방법

- 그라인딩(면처리)

쇠톱으로 잘라낸 다음 그라인딩 한면을 평활하게 갈아낸다.

- 샌드페이퍼로 매끄럽게 다듬질한다.

※ 이때 주의할 점은 측면을 닦아내지 않도록 한다.

- Al T-BAR상단면에 HOOK BOLT 채울 곳을 Drilling 한다.

End Approach가공도

AL T-Bar, 전차선, 롱이어 취부

1. AL T-Bar 취부

지하구간 강체전차선의 AL합금 T-Bar의 취부는 다음에 의한다

1) AL합금 T-Bar의 반입

AL합금 T-Bar는 표식 되어진 채로 정성스럽게 반입하여 터널 내에서 운반 배치할 때에는 AL T-Bar에 비틀림이나 손상을 주지 않도록 하여야 한다.

2) AL 합금 T-Bar의 비틀림 수정 및 굽힘

운반 배치할 때 발생한 AL합금 T-Bar의 비틀림은 가선이전에 수정하여야 한다. 곡선부분은 Rail Bender 또는 Screw Rail Bender등을 사용하여 T-Bar 1본마다 궤도 곡선을 따라 구부린다.

3) AL합금 T-Bar는 반드시 2점 이상에서 조가하고, 용접할 때까지는 두께 16[mm], 폭 100[mm], 길이 600[mm]이상의 목판 등으로 다시 떼어서 교정한다.

4) AL합금 T-Bar의 용접

용접작업은 정밀하고 세밀한 작업으로 용접경험이 있는 기술자로 하여금 용접을 실시토록 하여 용접 들어가기 전 용접한 SAMPLE을 채취 국가 공인시험기관에 의뢰 방사선 투과시험에 합격해야 한다.

(1) 용접전 Al T-BAR 용접각을 그라인딩할 때 45도 각으로 하는 것이 용접에 용이하다. 용접에서 가장 중요한 부위는 가장자리이다. 1개소 용접에 소요되는 시간은 15 ～ 20분 정도가 소요된다.

(2) AL합금 T-Bar의 용접은 알곤 가스용접에 의한다.

(3) 용접부는 용접선에 부착 오물을 닦아 내고 Wire Brush로서 용접부의 산화피막을 제거함과 동시에 모재를 깨끗하게 한다.

(4) 용접봉은 모재에 적응하는 재질의 것을 사용한다.

(5) 용접 시에는 비틀림이 생기지 않도록 바이스로서 고정하고 용접 후에도 용접부 온도가 내려갈 때까지 떼어서는 아니 된다.

(6) 용접에 따른 Bead는 Ear 및 트롤리선의 취부에 지장이 없도록 그라인더 등으로 정확하게 끝마감을 하여야 한다.

(7) 용접 후 AL합금 T-Bar에 비틀림이 생긴 경우는 동 개소를 절단하여 재 용접을 행하여 수정한다.

(8) AL합금 T-Bar의 하면에는 용접 후 무색의 방식 도료를 1회 정성들여 도포 하여야 한다. (Primer Paint, Epoxy Paint)

5) Epoxy Painting 작업

(1) Al T-BAR 용접이 끝나고 그라인딩 작업이 끝나면 Al T-BAR와 Trolly Wire 사이의 부식 방지를 위하여 Epoxy Paint를 도포한다.

(2) 도포방식

- 지하부에는 환기를 하기전이라 결로 현상이 일어나는 것이 일반적이기 때문에 마른 수건을 준비하여 도포개소를 깨끗이 닦아내야 한다.

- 로울러를 희석판에다 찍어서 Al T-BAR도포지점에 대고 한번 칠한 다음 잘못 칠해진 곳이 없는지 확인한다.

2. 전차선 취부

트롤리 와이어의 취부는 다음에 의한다.

1) 트롤리선는 타워(Tower)를 사용하여 비틀림이 생기지 않도록 조심하여 T-Bar에 붙인다.

2) 트롤리선을 포설할 때는 적당한 장력을 가하여 Ear를 취부하고 나서 Stress가 남지 않도록 한다.

3) Ear는 롱 이어를 사용하거나 교차간선 및 곡선반경이 적은 곡선부에는 롱 이어를 절단하여 사용할 수가 있다.

4) 트롤리선의 말단을 End Approach에 정확하게 같이 붙여서 Hook Bolt로 AL합금 T-Bar에 고정한다.

3. 롱이어(Long Ear) 취부

강체 전차선을 최초로 설치하였을 때 카테너리 가선의 EAR와 유사한 것을 사용하여 약 1m 간격으로 고정하였었다.

이때 Trolley Wire에 장력을 약 1ton 정도 걸어서 취부 하여 수년을 사용하고 보니 다음과 같은 여러 가지 문제점이 발생하였다.

- Ear와 Ear 중간에서 Al T-BAR와 Trolley Wire 사이에 조그만한 공극이 생기는 까닭에 Ear 간격을 파장으로 하는 파가 되어 판타그래프 이선이 발생하였다.

- Trolley Wire는 Al T-BAR에 취부된 후에도 드럼에 감겨진 버릇에 따라 비뚤어지려는 힘을 내장하고 있다가 어떠한 원인으로 Wire일부가 마모하여 약하게 되면 그 부분이 아래쪽으로 돌출되어 마모는 가속도적으로 증가하게 된다.

이러한 이유로 인하여 전차선의 안전에 문제가 발생하여 T-Bar에 롱이어를 사용하여 전차선을 지지하게 되었으며 현재는 대부분이 이 롱이어 방식을 사용하고 있다.

강체전차선로의 급전분기

지하구간 강체전차선로의 급전선에서 Al T-Bar로 급전분기하거나 Al T-Bar 상호간에 전기적으로 연결하기 위하여 사용하는 점퍼와이어임.

1. Jumper Wire With AL Terminal

1) 재질

(1) Al 압축 터미널은 Al 합금제로써 순도 99.8% 이상이어야 한다.

(2) Jumper Wire 는 최소 단면적 200㎟인 가요성이 좋은 연동선으로 한다.

2) 성 능

3) 외관 및 구조

(1) 단자는 표면이 매끈하고 사용상 결함이 없어야 한다.

(2) 터미널 형태 - 압축식

(3) Jumper Wire 는 소선이 0.51[mm] 이하의 가요연동선 이어야 한다.

(4) 노출선 Jumper Wire는 투명 Vinyl관을 씌워야 하며 길이는700[mm] 이상으로 한다.

(5) 양끝은 완전히 압축하여야 한다.

(6) 동선과 Al 단자간의 접속부분은 전기 및 화학적 부식의 발생을 방지하는 중간 합금층을 조성해야 한다.

2. 휘더브랜치 (Feeder Branch : T-Connector)

급전선에서 분기하여 Al T-Bar로 전기를 공급하기 위한 컨넥터이며 급전선과 동일한 전기 전도도를 갖추어야 한다.

분기선은 T형 Connector와 Al압축단자간 1,000[K]g의 하중을 3분간 인가하여 느슨해지거나 변형이 없어야 한다

1) 재 질

(1) T형 Connector는 99.8[%] 이상의 순도를 갖는 전기동으로 제작한다.

(2) Al 압축단자는 Al 합금재로서 순도 99.8[% 이상이어야 한다.

(3) Jumper Wire 는 단면적이 200[㎟]인 가요연동선으로 한다.

2)  구 성

(1) Jumper Wire는 소선경이 0.51[mm]이하의 가요 연동선으로 하며, 노출부가 좌, 우 각각 400[mm] 이상이어야 한다.

(2) T-Connector 의 분기선과 Al단자와는 완전히 압축접속 되어야 한다.

(3) 동선과 Al 단자간의 접속점은 전기 및 화학적 부식의 발생을 방지하는 중간합금층을 조성하여야 한다.

(4) T형 sleeve 와 Al 압축단자는 표면이 매끈하고 균열과 같은 해로운 결함이 없어야 한다

3)  성 능

휘더브랜치 (Feeder Branch : T-Connector)구조

급전선(給電線)설비

변전소로부터 전동차 운행에 필요한 전력을 전차선에 공급하는 설비를 총칭하여 급전선로라 하며 전기설비기술기준에서 “전기철도용 급전선로라 함은 전기철도용 급전선 및 이를 지지하거나 보장(保藏)하는 시설물을 말한다” 라고 정의하고 있으며 주전선을 급전선이라고 하고, 급전선으로부터 전차선에 분기한 전선을 급전분기선이라 한다.

직류구간에는 전차선에 평행하여 전 선로(全 線路)에 설비되어 있고, 교류구간의 BT 급전방식에서는 전압이 높고 전류가 적으므로 변전소 인출구와 사구분의 연락급전선으로서 일부에 설치되어 있으며, AT 급전방식에서는 그 급전방식의 필요에 의해 전차선과 평행으로 급전선이 설치되어 있다.

이와 같이 급전선로 설비란 급전선 및 이를 보호, 지지하는 공작물을 총괄하여 말한다.

대전도시철도에서는 직류를 사용하므로 이에 대해 서술하기로 한다.

1. 급전계통의 구성 및 특성

1) 급전계통의 구성

전철 급전계통이란 변전소로부터 급전거리, 전압강하, 사고 시의 구분, 보수 등을 고려하여 전차선로를 적당한 구간으로 나누어 급전, 정전이 가능하도록 한 전기적인 계통구성을 말한다. 급전계통은 전압강하, 사고 시의 구분, 보호계전기의 보호범위 및 가선범위 등과 관련하여 전철화계획 시 고려되어야 할 중요한 요소중의 하나이다.

일반적으로 급전계통은 급전방식과 변전소의 위치에 따라 그 골격이 형성되고 여기에 필요한 Section의 위치선정, 급전범위의 설정 등에 따라 계통이 구성된다.

전차선로의 어느 일부에 지락, 단락 등의 사고가 발생한 경우 또는 작업상 전차선로의 일부분을 정전한 경우 전 구간(全區間) 또는 장 구간(長區間)에 걸쳐 급전이 정지되고 전기운전을 중지하여야 하는 급전회로는 바람직하지 못하다.

이와 같은 불합리한 점을 해소하고 열차의 운전계통, 사고 시의 급전방법 및 정전시간의 확보 등을 미리 예상하여 사고발생 시에도 전기운전에 영향을 최소화 할 수 있도록 전차선을 Section으로 구분함과 동시에 급전선은 전차선의 각 구간마다 단독으로 급전 또는 급전정지가 가능하도록 급전계통을 분리 구성할 필요가 있다.

2) 급전계통의 특성

전철 급전계통은 일반 전력계통과 다른 특성이 있다. 전철은 동력원인 전기가 정전되면 열차운행이 정지되므로 고 신뢰도, 고 안정도의 전원설비가 요구된다.

전철부하는 차량의 특성상 기동, 정지가 빈번하게 반복되고 그 위치가 이동하기 때문에 부하의 크기 및 시간적 변동이 극히 심하다.

차량에 대한 전력공급은 전차선과 집전장치(Pantograph)의 접촉에 의존하는데 고속운전 시에도 양호한 접촉을 유지하여 안정적으로 전력을 공급하여야 한다.

전기철도에서는 레일을 귀선로로 사용하므로 1선 접지상태의 회로가 된다. 따라서 교류방식에서는 통신선에 대한 유도장애, 직류방식에서는 직류 매설금속체에 전식문제를 발생시키므로 이에 대한 대책이 필요하다. 또한 전차선의 지락 시에는 선간단락의 상태로 되므로 사고전류가 크게 된다.

교류방식에서는 부하가 단상이고 더구나 변동이 심하기 때문에 전압변동, 전압불평형 등의 문제가 발생한다.

2. 급전계통의 운전 및 분리

1) 급전계통의 운전조건

전철 급전회로는 특수하지만 안전하고 신속하며 확실하게 열차를 운행하게 하기 위해서는 전차선 전압이 차량의 운전에 영향을 주지 않는 일정한 범위를 유지하여야 하고 전류용량이 차량부하에 충분히 견딜 수 있도록 하여야 한다.

변전소, 전차선로, 차량간의 절연협조가 충분히 검토되어 요구되는 절연강도, 절연이격이 확보되어야 하고 보수작업 및 사고발생 시 신속하게 사고개소를 구분하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 하여 열차에 주는 영향을 최소화하여야 한다.

2) 급전계통의 분리

① 급전별 분리

급전별 분리는 인접변전소와 상호 계통운전을 원칙으로 하고 각 변전소별로 전압위상별, 방면별, 상․하선별로 구분하여 급전할 필요가 있다.

이는 사고 시 열차운전에 영향을 최소화하기 위하여 해당 운전계통이나 상․하선에 별도 분리하여 사고가 발생되지 않는 다른 계통이나 선로에 정상 급전하거나 인접변전소로부터 연장 급전을 받을 수 있도록 하기 위한 것이다.

② 본선간의 분리

본선간의 분리는 동일계통 급전구간에 사고발생 시 해당구간을 분리하고 급전할 수 있도록 급전구분소(SP) 및 보조급전구분소(SSP)를 두어 구분하는 것이다.

긴 터널에 있어서는 터널 내 사고복구작업에 상당한 시간을 필요로 하므로 터널 양단에 단로기를 설치하여 구분하도록 하여 사고구간을 단축

급전선(給電線)

전기설비기술기준에서 “전기철도용 급전선이라 함은 발전소 또는 변전소로부터 다른 발전소 또는 변전소를 거치지 아니하고 전차선에 이르는 전선을 말한다” 라고 정의하고 있다.

전동차에 필요한 전류를 전차선만으로 급전하는 경우에는 전동차와 변전소간의 전기저항이 크며 큰 운전전류가 흐르게 되므로 전류용량이 부족하여 전차선이 가열되고 단선사고의 원인으로 됨과 동시에 전압강하가 크게 되어 전동차에 가해지는 전압이 부족하게 됨에 따라 운전속도나 기동력의 감소를 가져오고 나아가서 운전불능으로 되는 경우도 있다.  따라서, 전차선에 병행하여 전류용량이 큰 급전선을 시설하면 전차선로에 사고가 발생한 경우 전차선 단독의 경우와 다르게 전차선을 적당한 거리마다로 구분할 수 있고, 사고가 일어난 구간을 분리할 수 있으므로 사고의 영향이 전 전차선계통에 파급하는 것을 방지할 수 있다.

이와 같은 이유 때문에 대개의 경우 직류급전방식에는 급전선을 설치하고 있다.

교류(AT)급전방식에는 전철용 변전소로부터의 급전전압을 전차선 전압보다 높게 하여 전차선로에 연하여 설치된 단권변압기(AT)로 필요한 전차선 전압으로 강압하여 전동차에 전력을 공급하기 때문에 전선로에 AT급전선을 설치하고 있다.

1. 급전선에 요구되는 성능

급전선로는 전동차운행에 필요한 전기용량을 갖고 전압강하가 적으며, 안정된 양질의 전력을 공급할 수 있는 전선을 선정하여야 하며 기본적인 요건으로는 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다.

1) 전동차용량에 상응하는 정격용량을 갖고 전압강하가 작을 것.

- 일반적으로 금속재료는 도전성이 좋지만, 특히 도전재료로 사용되는 급전선은 전기전도도가 큰 것이 제일조건으로 된다.

급전전류에 대하여 전압강하가 허용되는 범위 내에 안정된 전기저항을 갖는 전선을 선정하여야 한다.

2) 전선은 소요의 기계적 강도, 내식성 등을 가져야 한다.

- 급전선의 재질, 단면적의 크기는 부하전류에 의한 전압강하와 온도상승이 작고, 기계적 강도에 충분히 견딜 수 있는 것을 선정하는 것이 필요하다.

- 타의 공작물 등에 대하여 항상 소정의 간격을 확보할 수 있도록 강풍구간에서는 경간 중앙에서 강풍시의 전선 이도와 이격의 관계를 고려하는 것이 필요하다.

3) 급전용변전소 및 전차선 등과 절연협조를 도모할 것

- 급전시스템의 절연협조는 변전소, 전차선로, 전동차의 애자 절연강도와 피뢰기를 협조시키는 것에 따라 유지된다.

4) 급전계통은 가능한 한 간소화하고 개폐기 등은 필요 최소한으로 한다.

- 급전계통은 급전방식, 급전선로용량, 연장급전, 정전작업, 사고구분을 고려하여 가능한 한 간소화하는 것이 필요하다. 또 개폐기 등도 사고 시의 한정구분의 필요, 정전작업시간의 확보 등을 고려하여 최소한으로 한다.

2. 급전선의 안전율

1) 급전선의 안전율

가공 전선은 케이블인 경우를 제외하고 상정 하중을 가했을 때 전선의 인장하중의 안전율은 2.2 이상으로 하고 기타 전선은 2.5 이상이 되도록 장력(상정 최대 장력)을 시설한다. 기타 전선의 안전율을 2.5 이상으로 하는 것은 경동선에 비하여 내구성이나 신뢰성이 떨어지기 때문이다.

전선은 이도를 크게 할수록 그것에 걸리는 장력이 감소하고 전선의 인장하중에 대한 안전율이 증가한다.

그러나 이도를 크게 하면 전선이 지표상 높이에 제한을 받기 때문에 지지물의 높이가 불필요하게 크게 되어 경제성이 없을 뿐만 아니라 바람에 의한 횡진이나 빙설 등으로 사고가 날 우려가 있다.

2) 전선에 걸리는 상정하중

가공전선의 이도, 장력계산 등에 이용하는 상정하중은 전선이 케이블인 경우를 제외하고 전선중량 등에 대한 수직하중과 풍압 하중에 대한 하중에 대한 수평하중을 고려한다.

『수직하중』은 전선중량(자중)으로 한다. 다만 을종 풍압하중을 적용하는 경우는 전선주위에 두께 6[㎜](비중0.9)의 얼음이 부착한 때의 피빙 중량(빙설 중량)을 전선중량에 가산한다.

또한, 『수평하중』은 풍압하중으로 하고 갑종, 을종, 병종의 3종류의 풍압하중에 대하여 지역마다 다르게 정하고 있다.

전선의 풍압하중

전선의 풍압하중 적용

(1) 갑종 풍압 하중

고온계 하중으로서 여름철 태풍을 대비한 설계조건으로 정하고 있다. 고온계(여름에서 가을까지 계절)에서 풍속 40[m/s]로 바람이 부는 것을 가정한 경우의 하중이다.(고온계 표준풍압)

(2) 을종 풍압 하중

저온계 하중으로서 겨울철 계절풍을 대비한 설계조건으로 정한 것이다. 빙설이 많은 지방의 저온계(겨울에서 봄까지 계절로서 일반적으로 강풍은 없다)에서 전선에 빙설이 부착된 상태로 갑종 풍압하중의 1/2 풍압을 받는다고 가정한 경우의 하중이다.(풍속 28[m/s])  (저온계 표준 풍압)

(3) 병종 풍압 하중

빙설이 많은 지방의 저온계 (일반적으로 강풍은 없다)에서 전선에 빙설이 부착된 상태로 갑종 풍압하중의 1/2 풍압을 받는다고 가정한 경우의 하중이다.

3. 급전선의 접속

1) 급전선의 접속

접속이란 전선상호를 전기적, 기계적으로 결합하는 것을 말한다. 가공급전선에는 주로 경동연선이나 경알루미늄선이 사용되고 있으나 드럼에 감는 표준길이는 1,000[m] 전후이므로 이것을 접속하여 가선하고 있다.

급전선의 접속은 처음에는 손으로 감아 접속하는 방법이 사용되었으나 전기차의 전류용량 증대 등에 따라 전기적 접속의 문제가 중요시되어 현재에는 『압축접속』을 원칙으로 하고 있다.

이 접속 방법은 전기적, 기계적으로 양호한 접촉성능을 얻을 수 있고 내구성도 좋기 때문에 급전선이나 기타 장력이 큰 전선의 접속에 많이 사용되고 있다.

전선을 접속하는 경우는 전선의 저항을 증가시키지 않도록 접속하고 전선의 기계적 모든 성능을 가능한 감소시키지 않도록 하여야 한다.

전선은 전류를 완전하게 통하는 것이 제일 중요하기 때문에 접속부분에서 전기저항이 다른 부분보다도 증가하지 않도록 사용 전선의 전기저항 이하로 하고 있다.

또한, 접속부분이 기계적으로 약하게 되지 않도록 전선의 강도를 경동연선 및 경알루미늄 연선에서 10[%] 이상, 강심 알루미늄연선에는 5[%] 이상 감소시키지 않도록 하고 있다.

2) 급전선의 직선압축접속 위치

급전선의 접속위치는 전선의 기계적 강도에 많은 영향을 준다. 이 위치가 지지점 근방에 있는 경우에는 바람에 의한 전선의 진동이 억제되어 마치 접속점이 지지점에 있는 것과 같은 상태로 되어 접속점에서 전선의 연도가 다르게 되기 때문에 횡진 시에 굴곡점이 되므로 국부적인 피로의 원인이 되어 소선이 단선되는 사고의 원인이 된다.

이러한 단선사고를 방지하기 위하여 지지점에서 2[m] 이상 이격(離隔)한다. 

3) 재사용 경알루미늄 연선의 접속

알루미늄 전선의 접속에 있어서는 알루미늄전선 소선표면에 발생하는 산화물이 견고한 절연물로 되기 때문에 전기저항이 증가하여 접속부분에 온도상승을 가져와 전선의 단선으로 인한 위험을 초래할 염려가 있기 때문에 사용했던 전선(중고선과 신선, 중고선과 중고선)을 접속할 때에는 사용하지 않은 신선접속 보다도 필히 전선의 산화피막 제거를 할 필요가 있다.

전선표면이 황색이 아닌 흑색으로 변색하는 것은 전선 접속부 외층만 잘라내고 단말을 돌출(철) 상태로 하여 노출한 2층의 소선의 산화물을 제거한다. 또 이 부분의 외경 부족분에 알루미늄 컬러를 입혀 보강하고 접속용 충진제를 도포하여 압축한다. 이와 같은 방법에 따라 두 층의 전기적 접속저항을 작게 하여 접속부분의 안전을 확보한다.

직선 압축접속 슬리브를 사용한 경우 인장 강도

4. 급전선의 특성

급전선은 소요되는 전기용량을 갖고 전압강하가 작으며 안정된 양질의 전력을 공급하도록 설비하는 것이 필요하다. 기본적으로 이상적인 상태에서 다음과 같이 고려되고 있다.

1) 전기용량

일반적으로 금속재료는 도전성이 좋지만 특히 도전재료로서 이용되고 있는 급전선은 전기전도도가 큰 것이 제 1조건이다.  급전 전류에 대하여 전압 강하가 허용되는 범위 내에 알맞은 전기저항을 갖는 전선을 선택하지 않으면 안 된다.

2) 급전선의 재질

급전선의 재질, 굵기는 부하전류에 따라 전압강하와 온도상승이 적고 기계적 강도에 충분히 견딜 수 있는 것을 선정하여야 한다.  또한, 다른 공작물 등에 대하여 항상 일정한 이격거리를 확보하도록 지지경간, 완금의 길이를 검토하는 것이 필요하다. 특히 강풍 구간에서는 전선의 중앙이 강풍 시에 전선이도와 이격관계를 고려할 필요가 있다.

3) 급전시스템의 절연협조

급전시스템의 절연협조는 변전소, 전차선로, 전기차의 애자절연 강도와 피뢰기(arrest)를 협조되도록 유지하여야 한다.

4) 급전계통

급전계통은 급전방식, 급전선로용량, 연장급전, 작업정전, 사고구분을 고려하여 가능한 간소화할 필요가 있다.

또한, 개폐기 등도 유사시 구간 단전이 필요하거나 정전작업 구간을 확보하는 등 극히 필요한 수량만으로 제한하여야 한다.

5. 급전선의 표준장력(Standard Tension)

표준장력이란 그 지역에 있어서 표준온도 시 무빙, 무풍 상태의 장력을 말한다.

일반적으로 표준장력은 기상이 최악상태인 경우에도 허용장력(항장력/안전율) 이내로 정하고 있다.

력을 크게 하면 이도가 작게 되기 때문에 급전선의 높이가 확보되고 지지물의 길이를 짧게 할 수 있기 때문에 경제적이다.  그러나 인류주나 곡선개소의 횡장력이 크게 되고 전주와 기초의 강도를 올릴 필요가 있다.

따라서 지지물의 경제적 밸런스 때문에 표준 장력의 상한은 1000[㎏f] 이내로 하는 것이 바람직하며 각 지역의 최저기온 시에 그 선종의 안전율을 포함한 항장력 이하가 되도록 정하고 있다.

1) 표준 장력의 산정

(1) 표준 장력의 상한

최저기온 시 급전선 장력은 그 선종의 허용하중(허용 항장력) 이하로 되도록 한다.

표준온도일 때 장력을 T, 최저온도일 때 장력을 T0라 하면

(주)A․B․C 지구는 기온별로 지역을 구분한 것으로 A 지구(40～-10[℃]), B 지구(40～-20[℃]), C 지구(40～-40[℃])의 범위에 있는 지역을 말한다.

 급전선의 선종과 표준장력

             -8AE

T = T0----------(D02-D2) - AEa(t-t0)                              (1-1)

              3S2

여기서, T : 전선의 표준온도 t에서의 장력[㎏f]

T0 : 전선의 표준온도 t0 에서의 장력[㎏f]≤허용 하중

D : 전선의 표준장력 T에서의 이도[m]

D0 : 전선의 표준장력 T0에서의 이도[m]

A : 전선의 단면적[㎟]

E : 전선의 탄성계수[㎏f/㎟]

α : 전선의 선팽창계수

S : 경간 m

                S2

D0 = w0-----                                                                    (1-2)

               8T0

            S2

D =  w-----                                                                      (1-3)

           8T

여기서,    w : 전선의 단위 중량[㎏/m]

             w0   : 풍압 하중을 가한 전선의 단위 중량[㎏/m]

여기서, 식(1-1)에 식 (1-2), (1-3)을 대입하여 표준장력의 상한 T를 구한다.

(2) 표준장력의 하한

지지물의 길이, 장주, 선간이격 등에 따라 한정되고 최대이도(Dmax)와 전선의 최고온도의 조건에서 표준장력의 하한을 구한다.

식 (1-1)에 D0=Dmax을 대입해서 T0를 구하고 식 (1-1)에 식 (1-2)와 식 (1-3)을 대입하여 최대이도로 되는 때의 장력(표준 장력의 하한) T를 구한다.

(3) 표준장력의 결정

기계적 강도와 공간이격 때문에 구하는 표준 장력의 상한과 하한의 사이에서 표준장력을 결정한다.

급전선의 종류

직류 전차선로의 급전선은 주로 경알루미늄연선(HAL) 또는 경동 연선(Cu)을 사용하고 있다.

최근에는 고속화와 장대 편성화에 따라 부하증대로 용량이 큰 전선이 요구되고 있으나 전선이 굵어지면 시공상의 어려움 때문에 적당한 선종을 2～3조 복합해서 사용하기도 한다.

전차선에 전류를 공급해 주는 전선에는 전철용 변전소와 전차선을 연결하는 정급전선과 변전소와 주행레일을 연결하는 부급전선 및 이에 따른 분기선로에 사용되는 전선류 등이 있으며 급전선의 단면적은 변전소간격, 전기차 출력과 열차밀도, 선로조건 등을 기본으로 하고 전기차 수전점의 전압강하와 급전선의 온도상승을 고려하여 결정하게 된다.

여기에서 도시철도에 사용되고 있는 Cable에 대해 중점적으로 설명하기로 한다.

1. 정 급전선

전차선에 정(+)전류를 공급해주는 Cable로 다음과 같은 종류가 있다.

1) 3.3㎸F-CV400[㎟]

지상구간인 차량기지는 기지변전소에서 인출되어 HAL 510[㎟] 에 연결되며 지하구간에서는 각 변전소에서 인출되고 Al T-Bar는 Feed Branch T-Type을 사용하여 압착접속하며 Feed Branch Terminal은 Welding하여 T-Bar와 접속한다.

포설방법은 지중관로(ELP전선관)방식과 콘크리트트러후 및 본선 구조물 Hunch로 Cleat를 사용 지지하여 포설하는 방식으로 하였다.

(1) 구조 : 가교 폴리에틸렌으로 절연하고 염화비닐수지 또는 폴리에틸렌 쉬이즈를 한 구조이다.

CV 케이블 구조

- 반도전층 : 차폐층과 절연체, 도체와 절연체사이의 공기 GAP을 없애주며 전계균일효과도 가져온다.

- 보호테이프 : 기계적 강도 유지

- 외피 : 기계적 보호, 방수

(2) 성능

2) HAL 510[㎟]

3.3㎸ F-CV 400[㎟]에 연결되어 전차선과 병행하면서 급전할 수 있도록 하는 가공급전선으로 Beam 상부에서는 전주대용물을 시설, 가공급전선을 지지할 수 있도록 하였으며 단독주에 가공급전선을 가선할 경우는 단독주에 암을 가설하여 지지하는 방식을 취하였다.

경알루미늄연선은 경동연선에 비하여 강도가 작고 팽창계수가 큰 단점이 있지만 가격이 저렴하고 중량이 가벼우므로 지지물을 경감할 수 있어 경제적이기 때문에 특수개소를 제외하고 일반적으로 경알루미늄연선(Al)이 사용되고 있으며, 최근에는 알루미늄연선의 이도를 축소하기 위하여 강심 알루미늄연선(ACSR)이 사용되고 있다.

(1) 구조

경알미늄을 꼬아서 만든 연선으로서 인장강도와 도전율이 우수하다.  

(2) 성능

(3) 재사용 경알루미늄 연선의 접속

알루미늄 전선의 접속에 있어서는 알루미늄 전선 소선표면에 발생하는 산화물이 견고한 절연물로 되기 때문에 전기저항이 증가하여 접속부분에 온도상승을 가져와 전선의 단선으로 인한 위험을 초래할 염려가 있기 때문에 사용했던 전선(중고선과 신선, 중고선과 중고선)을 접속할 때에는 사용하지 않은 신선접속보다도 필히 전선의 산화피막제거를 할 필요가 있다.

전선표면이 황색이 아닌 흑색으로 변색하는 것은 전선접속부 외층만 잘라내고 단말을 돌출(철) 상태로 하여 노출한 2층의 소선의 산화물을 제거한다.

또 이 부분의 외경 부족분에 알루미늄컬러를 입혀 보강하고 접속용 충진제를 도포하여 압축한다. 이와 같은 방법에 따라 두 층의 전기적 접속저항을 작게 하여 접속부분의 안전을 확보한다.

3) 경동연선

급전분기개소의 전차선과 조가선에 전기를 공급하며 지지하기 위한 전선으로서 다음과 같다.

(1) 종류

(2) 성능

2. 부 급전선

변전소 정류기에서 인출 트러후를 통하여 기지 각 구내선로인 궤도로 연결되며 지하구간은 케이블 크리트를 통하고 귀선로로 사용되는 레일에 접속하여 귀환전류를 흘려주는 전선을 말하며 다음과 같은 종류가 있다.

1) 종류

(1) 600V F-CV400[㎟] : 변전소 Negative D.S반에서 인출하며 레일부분의 접속단자(Joint Box)까지 연결된다.

(2) 600V F-CV200[㎟] : 접속단자(Joint Box) 박스의 600VF-CV400[㎟]로 부터 연결되어 Rail에 볼트너트로 체결한다.

2) 성능

※ 변전소 및 공동구(난연케이블)는 F-CV케이블, 일반개소 CV케이블