구분장치 검토
구분장치 검토
1. 개요
구분장치는 전차선의 일부분에 사고가 발생한 경우나 일상의 보수작업을 위해서 구분하는 전기적 구분장치와 온도변화에 따른 전차선 신축에 의한 전차선을 일정한 길이마다 인류하는 기계적 구분장치로 크게 나눌 수 있으며 그 특징은 다음과 같다.
2. 전기적 구분장치
(1) 개 요
전기적 구분장치는 전차선의 급전계통상의 구분과 보수작업 시간의 확보, 사고발생시의 정전시간을 단축하기 위한 한정구분 또는 차량 검수시의 정전 등의 필요성에 의해 설치하여 전차선을 팬터그래프의 접동에 지장을 주지 않고 전기적으로 구분하는 장치를 말한다. 이 전기적 구분장치는 전기적, 기계적으로 충분한 강도를 갖는 것이 필요하며 다음과 같은 조건이 요구된다.
가) 충분한 절연성능을 갖을 것.
나) 팬터그래프 통과에 지장없이 원활하게 접동할 수 있을 것.
다) 경량화하되 기계적 강도가 높을 것.
라) 그 구간을 운전하는 열차속도에 대응할 수 있는 구조일 것.
마) 공사비 및 유지비가 적을 것 등이 요구된다.
(2) 설치위치
전차선로의 전기적 구분장치의 설치위치는 열차의 운전계통, 사고시의 구분 및 보수작업을 위한 정전 시간의 확보 등을 미리 예측하여 사고발생 등에 있어서 전기운전에 영향을 최소한으로 줄일 수 있도록 전차선을 구분장치(section)에 의해 분리하는 것과 동시에 급전선은 전차선의 각 구분된 구간마다 단독으로 급전 또는 급전정지를 할 수 있도록 급전계통을 분리할 수 있는 구분장치를 다음과 같은 개소에 설치하도록 한다.
가) 운전계통별, 상하선별, 방면별의 분리개소
나) 주요역구내의 본선과 측선의 분리개소
다) 주요역구내에 있어서의 다른 급전계통으로부터의 절체급전이 가능한 방식으로 분리하는 개소
라) 전동차고, 전기기관차고 구내와 본선과의 분리개소 등을 들 수 있다. 이들 구분장치의 설치위치를 선정할 때에는 팬터그래프의 섹션오버에 의한 사고방지를 위해 신호기 등과의 위치 관련 등 다음의 점을 충분히 고려하여 선정하도록 한다.
(가) 신호기와의 관계를 고려하여 섹션 바로 밑에 팬터그래프가 정지하는 것을 피해야 한다.
(나) 상구배 개소와 역구내의 착발차 지점 부근 등의 역행구간을 피하도록 한다.
(다) 유지보수를 위해 곡선, 터널, 교량개소는 피한다.
또한 구분장치로는 운전속도가 높은 본선로에서는 집전상 경점이 되지 않는 에어섹션을 주로 사용하고 있으며 교류구간의 이상구분용 및 교․직류 구분용에는 수지제(FRP제)의 절연구분(phase break)장치를 쓰고 있으나 근래에는 수지제의 결함을 보완한 복합 에어섹션의 절연구분장치가 보급되고 있다. 그리고 건넘선 및 구내측선에 설치하는 구분장치로는 섹션 인슐레이터(section insulator)를 사용하여 구분하며 이것은 교류구간에서는 애자형 또는 합성수지제(FRP제)를 쓰고 있다.
(3) Air section(동상구분장치)
에어섹션은 집전부분의 전차선에 절연물을 넣지 않고 절연해야 할 전차선 상호의 평행부분을 일정간격으로 유지시켜 공기의 절연을 이용한 구분장치의 일종으로 전기적 절연이 완전하며 팬터그래프 통과시의 전류차단 없이 전기적으로 연속집전을 할 수 있는 등의 이점이 있는 외에도 집전상 경점이 되지 않으므로 고속운전에 가장 알맞는 섹션으로 널리 사용되고 있다. 평행부분에서의 전차선 상호간의 이격거리는 300㎜를 표준이격거리로 규정하고 있다.
평행개소의 경간은 가선의 특성상으로 볼 때 평행부분을 2경간으로 하는 것이 전차선의 성능향상에 좋으므로 현재 세계 각국의 전철에서는 모두 2경간으로 구성하여 사용되고 있으며 그 유리한 내용의 사유는 다음과 같다.
가) 전차선의 구배가 완만하게 되어 팬터그래프의 충격이 감소되므로 전차선의 전기적 기계적 이상 국부 마모를 감소시킨다.
나) 전차선의 구배가 완만하므로 가선진동이 감소되어 재질피로의 진행속도가 감소된다.
다) 온도변화에 의한 평행개소(over lap)구성에 변형이 적다.
본 구간의 에어섹션은 전차선의 성능향상을 감안하고 세계 각국의 경험을 바탕으로 2경간으로 구성하며, 에어섹션측의 양단에 설치되는 절연구분용 애자는 집전하는 팬터그래프의 이격거리의 안전치 확보를 위해서 합성수지용 장간애자를 사용, 전차선과의 이격높이를 충분히 확보하고 팬터그래프의 압상력이 작용해도 충돌을 방지할 수 있는 이격높이를 확보하도록 한다.
(4) Section insulator(동상구분장치)
동상용 구분장치는 주로 본선의 상∙하 건넘선, 본선과 측선 등을 절연 구분하는 장치로 전차선로를 절연구분하여 사고시나 작업상 정전을 요하는 경우에 그 정전의 영향을 사고구간과 작업구간으로만 한정하고 다른 구간에는 급전을 가능하게 하여 열차운전에 영향이 적은구간으로 한정하기 위한 장치로써 전기적, 기계적으로 충분한 강도를 갖고 팬터그래프 통과에 지장이 없도록 시설하여야 한다.
동상용 구분장치의 절연재는 재질에 의해 애자형 섹션과 합성수지제 섹션(FRP제)으로 대별할 수 있으며 구비조건은 다음과 같다.
가) 절연내력이 크고 마모와 절삭이 적을 것.
나) 내아크(arc)성 내트래킹성이 강할 것.
다) 열화가 적고 항장력이 클 것.
라) 열에 대한 영향이 적고 중량이 가벼울 것.
마) 습기를 함유하지 않을 것
본 구간의 동상용 구분장치는 절연재가 구비해야 할 요건을 만족하고 국내개발 완료하여 성능이 입증된 다음 상세도와 같은 합성수지제 절연구분장치를 사용한다.
동상용 절연구분장치 약도
(5) 이상절연 구분장치(Neutral Section)
가) 개 요
교류전철화 구간의 이상(異相)전원을 구분하기 위해 전철변전소 및 급전구분소의 이상전원 접속개소에서 이상 전원의 상호 접촉을 방지하기 위해 전차선을 전기적으로 분리하는 곳에 사용하는 것을 이상절연 구분장치라 하며 그 방식은 다음과 같다.
(가) FRP 절연방식
FRP 절연방식의 구조는 절연체인 FRP 2m의 조합으로 구성되어 열차속도가 증가되면 압상량 증가로 인한 피로손상이 크게 되며, 자체 중량으로 인한 경점의 우려는 있으나 수도권 전철구간에 주로 사용하고 있어 신뢰성이 입증된 방식이다.
FRP 절연방식
(나) 이중절연방식
이중절연방식의 구조는 절연구분장치 개소에 절연체를 사용하지 않고 전차선만으로 구성되므로 전차선 구분장치의 경량화로 팬터그래프와 전차선과 상호작용시 다른 두 개의 이상전원(M상, T상)이 상호 접촉되지 않도록 이상전원간 무가압 중성구간을 삽입하고 이 중성구간 양쪽에는 에어섹션을 설치하여 팬터그래프가 A상측 전원에서 중성구간으로 이행하는 순간 집전이 중단되지만 무가압 중성구간을 통해 다른 전원측인 B전원 에어섹션 평행구간으로 이행하여 집전함으로써 전기적으로는 순간적으로 단전되나 기계적으로는 완전 연속성으로 접동 할 수 있도록 구성되어 있다. 이 장치는 절연체를 사용하고 있는 구분장치에 비해 개선된 구분장치로 2급선 이상 고속구간에 주로 사용하고 있다.
이중절연방식
(다) PTFE TYPE 절연방식
유럽을 중심으로 개발되어 적용되고 있는 차량의 특성에 맞게 제작된 절연 접동부가 PTFE type(테프론제)으로 되어 유지보수성과 속도향상에 적합한 것으로 분석되고 있다.
러시아 철도기술연구소인 VNIZht에서 개발하여 시베리아와 불가리아, 루마니아 및 헝가리 등지에서 사용되고 있는 중속도 25㎸용 섹션 인슐레이터(Section Insulator)로 다음과 같은 특징이 있다.
① 접동판에 의한 마모 및 환경오염을 방지하기 위하여 절연봉 외피를 PTFE(테프론제)로 제작
② 아크 소호(arc-extinguish)를 위한 아킹혼 등의 최적 설계로 인해 최대 1초 이하의 아크 소호
③ 개발을 위해 자체 stand test 및 field test등을 수행하였고, 또한 성능을 세계에 검증 받기 위해 Rail International에 기고하였다.
(라) 절연방식 비교
구 분 | FRP 절연방식 | 이중 절연방식 | PTFE TYPE |
구 성 | • 절연체인 FRP 22m 사용 (2m인 절연체의 조합) | • 에어섹션-중성구간- 에어섹션으로 구성
| • 중성구간에 알루미늄 합금제 사용 • 절연봉으로 제작 |
구 조 | 단 순 | 복 잡 | 보 통 |
집전특성 | • 유연성이 부족하여 경점으로 작용 • FRP 표면에 카본부착 으로 인한 통전 | • 집전특성 양호 • 팬터그래프 접동판 보호
| • 집전특성 양호 • 아크 소호특성 양호
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운행속도 | 저속운행 | 고속운행 | 중속운행 |
유지보수성 | 보 통 | 좋 다. | 좋 다. |
경 제 성 | 100% | 135% | 110% |
사용실적 | 수도권, 일본 등 | 유럽, 경부고속철도, 전라선 등 | 러시아, 호주, 이탈리아 국내 호남선 등 |
선 정 | ◉ | ◉ |
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(6) 검토 결과
상기 이상 절연구분장치 검토 결과 창원급전구분소는 삼랑진~마산간의 열차운행이 전동차를 주로 운행할 예정이므로 전동차 구간에 이중절연방식 설치시에는 절연구간이 약 47m로 전동차 팬터그래프 간격 약 50m보다 작으므로 설치할 수가 없으며 또한, 전동차 통과시간이 약 3초 이상이 됨에 따라 열차 특성상 인버터 등 기기가 다운이 되므로 운행열차 특성을 고려하여 FRP 절연방식으로 선정하고 진주급전구분소는 임시 에어섹션 설치후 추후 진주급전구분소 이후 개통시 집전특성이 양호한 이중절연방식으로 선정한다.
3. 기계적 구분장치
(1) 개 요
기계적 구분장치는 온도변화에 의한 전선의 신축 때문에 가선의 늘어짐 또는 과장력을 방지하기 위해 전차선을 일정한 길이마다 인류하여 전차선의 자동장력조정을 하기 위해 설치하는 장치이다.
(2) 에어조인트(overlap)
전차선 가선시 작업의 용이성과 온도변화 등에 의한 전차선의 신축(가선의 늘어짐 또는 과장력) 때문에 전차선을 적당한 일정 길이마다 인류하기 위해 설치되어 있는 기계적인 구분장치로써 경간 길이가 40m 이상일 때에는 한 경간으로 하고 40m 이하일 때에는 2경간으로 구성하며 평행부분의 전차선간 상호이격거리는 150㎜ 이상을 유지하도록 규정하고 있다.
그러나 평행구간을 2경간으로 하면 전차선 평행구간의 등고부분이 가동브래킷 지지점에 설치되어 전차선이 압상력의 영향을 적게 받으므로 팬터그래프의 이선현상의 감소를 기할 수 있어 집전특성 향상과 수명연장에 기여할 수 있으며 또한 평행부분의 선간거리가 적으면 자동장력조정장치에 의한 전차선의 이동과 강풍에 의한 변위 등으로 인해 균압선 금구 등에 지장을 줄 위험성이 있으므로 선간 이격거리를 200㎜로 넓히는 것이 구조상 안전할 뿐만 아니라 전차선로의 질적 향상도 기대할 수 있을 것이다.
이에 대한 외국의 예를 보면 일본의 신간센에서는 평행개소의 선간 이격거리를 300㎜로 하고 프랑스의 TGV노선에서는 200㎜를 표준으로 제정하여 시설하고 있다. 따라서 본 구간의 에어조인트는 선간이격거리를 200㎜로 하고 전차선 상호이격거리를 200㎜ 하여 평행구간은 2경간으로 선정한다.
에어조인트 약도(2경간)