팬터그래프 주행시 곡선당김금구와의 접촉관계
팬터그래프 주행시 곡선당김금구와의 접촉관계
1. 개요
일반 노출선로(Open Track)에서 사용하고자 하는 곡선당김금구는 기존 전철화 선로에서 사용하고있는 것과 같은 것이다. 이 곡선당김금구는 압상 허용량이 100mm일뿐만 아니라 곡선당김금구의 길이도 900mm로 되어있다. 곡선당김금구의 사양 즉, 압상허용량 400mm, 길이 1200mm보다 작은 것이다. 따라서 어떤 상황에서도 KTGV 팬터그래프와 주행시 접촉이 일어나지 않는다는 것을 확인할 필요가 있다. 접촉이 일어나면 대형사고로 이어질 수 있기 때문이다.
따라서 팬터그래프 통과시 곡선당김금구와의 접촉관계를 KTGV 팬터그래프를 기준으로 하여 팬터그래프 게이지(Gauge) 및 팬터그래프 압상 시, 회전 시 접촉관계를 검토. 고속철도에서 채용하고 있는 곡선당김금구와의 사양도 비교검토.
2. 곡선당김금구 및 팬터그래프 사양
1) 곡선당김금구(Steady Arm / Registration Arm) I타입과 O타입이 있다.
이 곡선당김금구의 허용압상량은 +100mm이며, 이 이상은 물리적으로 압상이 되지 않도록 Stopper가 달려있다.
① 팬터그래프
고속철도 차량(KTGV)에 설치되는 팬터그래프는 Faively사 제품의 GPU 25kV 1450mm 타입이다.
GPU 25kV 팬터그래프 (Side View)
팬터그래프 집전판 조립체(Bow)는 세 부분으로 되어있다. 카본 또는 금속카본으로 만들어진 마모 집전판(Wear Strips)과 금속 재질의 연결판(Connection Strips)과 절연성 재질의 가이드(Horn)으로 구성되어있다. 마모 집전판은 전차선과 접촉, 습동하는 주 부위이며, 연결판은 전차선이 풍압에 의해 날릴 때나 3 Catenary가 설치되는 분기구간 등 특수구간에서 전차선과 접촉한다. 그러나 가이드(Horn) 부분은 절연체로서 건넘선(Cross over)에서 팬터그래프가 전차선과 엉키지 않도록 하기 위한 목적으로 설치되어 있다. 따라서 팬터그래프의 집전 가능한 유효운전너비(Pantograph Working Zone)는 마모집전판과 연결집전판을 합친 너비에 해당한다.
KTGV의 전차선-팬터그래프 인터페이스에 대한 설계개념을 보면, 곡선당김금구에는 Stopper가 설치되지 않기 때문에 갑작스런 돌풍으로 인하여 팬터그래프가 비 이상적으로 압상되어 사고가 유발될 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위하여 팬터그래프 측면에서 프레임이 어느 일정 높이 이상 상승하지 못하도록 제한시키는 기능 (Extension Limiting Mechanism)이 들어있다. KTGV에서 이 제한치는 고속선로에서 20㎝로 설정된다.
그러나 재래선을 주행할 때에는 전차선 높이가 다르기 때문에 이 기능을 정지시키게(Disable) 되어 있다. 그러나 마침 우리가 검토하고자 하는 곡선당김금구는 암지지금구에 Stopper가 설치되어있는 타입이므로 팬터그래프 상승제한 기능이 작동하지 않더라도 안전을 보장할 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.
3) 팬터그래프 운동(Swing) 한계 범위
① 팬터그래프 운동 한계의 의미
곡선당김금구와 팬터그래프와의 접촉관계를 따져보기 위해서는 먼저 팬터그래프가 모든 선로조건, 운전조건에서 얼마만큼 좌우로 움직일 것인가를 알아야 한다. 이를 나타내는 것으로 팬터그래프 스윙(Swing) 범위 또는 팬터그래프 운동 한계가 있다.
팬터그래프 게이지(Gauge)는 팬터그래프 운동 한계에다가 여유를 더하여 설정하는데 단순하게는 차량한계의 연장선상으로 차량상부(팬터그래프가 위치하는 부분)의 한계를 나타내는 게이지에 해당한다. 팬터그래프 게이지 내로는 어떠한 고정시설물도 침범해서는 안 된다. 그러나 전차선로의 가압 시설물은 예외이다.
차량한계와 건축한계를 계산하는 데 있어서 우리나라와 UIC 규격은 매우 다른 개념을 사용한다. 우리나라는 고정된 게이지 개념을 사용하는데 반하여 UIC는 기준 프로파일로부터 차량의 특성에 따른 값을 빼거나 더하는(“Reductions") 개념을 사용한다.
UIC 505 Series에는 차량의 횡변위에 따른 게이지를 구하는 과정이 규정되어 있는데 이를 우리나라의 차량한계 개념과 유사한 것으로 보면 된다. 아울러 여기서 팬터그래프 운동 한계(Pantograph Swing Gauge)라고 말하는 것은 UIC 규격으로는 팬터그래프의 횡적 움직임에 대한 허용기준 게이지에 대한 값으로 UIC 505 Series와 UIC 606-1, 606-2, 608에서 “Reference Profile for Pantographs”에 해당하는 것이다.
팬터그래프 운동 한계는 팬터그래프 접전판의 반폭(Half Width of the Bow)으로부터 출발한다. 여기에 팬터그래프의 횡적 변위를 더하면 된다. 팬터그래프는 차량지붕에 견고히 고정되어 설치되므로 차량의 횡적움직임을 그대로 받게 되므로 차량의 유동특성(Flexibility)에 직접적인 영향을 받는다. 차량의 유동특성에 따른 팬터그래프 횡적 변위를 계산하는 방법은 UIC 505-1에 복잡한 수식으로 소개되어 있다. 그러나 이는 적용하기에 너무 복잡하므로 이를 실제 차량에 적용하는 경우에 대한 내용인 UIC 505-4를 따르는 것이 편리하다.
캔트(Seperelevation)와 캔트부족(Unbalance) 기준
곡선반경(m) | 최대속도( km/ h) | S up ere l evation E ( mm ) | U n b a l ance I ( mm ) |
∞ | 350 | 0 | 0 |
20000 | 350 | 53 | 19 |
10000 | 350 | 106 | 39 |
7000 | 350 | 152 | 55 |
4000 | 260 | 180 | 19 |
2000 | 180 | 180 | 11 |
1000 | 135 | 180 | 35 |
750 | 115 | 180 | 28 |
500 | 100 | 180 | 56 |
400 | 90 | 180 | 59 |
높이에 따른 팬터그래프 운동 한계 계산
높이 | 집전판 반폭 넓이 (m) | Swing Gauge (m) 직선부 (E<0.066) | Swing Gauge (m) 곡선부 (E=0.180) |
5 | 0.725 | 0.206 | 0.287 |
5.1 | 0.725 | 0.211 | 0.294 |
5.2 | 0.725 | 0.216 | 0.301 |
5.3 | 0.725 | 0.222 | 0.308 |
5.4 | 0.725 | 0.227 | 0.315 |
5.5 | 0.725 | 0.232 | 0.322 |
5.6 | 0.725 | 0.238 | 0.329 |
5.7 | 0.725 | 0.243 | 0.336 |
5.8 | 0.725 | 0.248 | 0.343 |
4) 팬터그래프 압상시, 회전시 접촉관계
① 팬터그래프 압상시 접촉관계
순간적인 돌풍이 불 때 팬터그래프가 비 정상적으로 압상될 수도 있다. 이 경우 스토퍼(Stopper)가 설치되어 있는 곡선당김금구는 스토퍼까지 압상될 것이다. 이 상황은 정상적 운전 조건에서 벗어난 예외적인 경우이기 때문에 단지 팬터그래프가 곡선당김금구의 암지지금구에 접촉하는가만 검토.
집전판 상부는 암지지금구의 최하단보다 아래에 위치함을 알 수 있다. 또한 집전판 혼(Horns) 부위가 30°로 아래로 휘어져 있어 팬터그래프와 암지지금구와는 일정한 간격을 유지하므로 설사 집전판(Bow)이 탄성에 의하여 휘어지는 경우(접촉점을 중심으로 양쪽 끝이 위로 올라가는 경우)에도 안전함을 알 수 있다.
또한 팬터그래프가 직선구간에서의 커티너리 최대 편위(Stagger)인 200mm만큼 암지지금구 쪽으로 이동하더라도 접촉이 일어나지 않음.
② 팬터그래프 회전시 접촉관계 검토
팬터그래프는 차량 지붕에 견고하게 고정되어 설치된다. 따라서 차량의 운동에 의한 횡변위에 따라서 팬터그래프도 함께 움직일 것이다. 몰론 팬터그래프에도 조립부가 있고 여기의 베어링 특성 등에 의하여 2차적인 횡방향 동적 작용이 발생하겠지만 이의 영향은 거의 무시하여도 무방하며 차량의 운동에 의한 변위가 지배적인
것으로 알려져 있다. 따라서 차량의 횡방향 변위에 대하여 팬터그래프는 차체의 일부분으로 강체 운동을 한다고 보고 계산하기로 한다.
팬터그래프가 횡방향으로 회전시 곡선당김금구와 접촉할 지를 검토한다는 것은 곡선당김금구의 궁형 암(Arm)의 설계각도와 비교하기 위한 목적이다. 이는 가동브래키트를 지지하는 전주는 수평 노반 위에 세워지는데 반하여 팬터그래프는 캔트 위에 있음으로 기울어지기 때문이다. 따라서 팬터그래프가 최대로 기울어질(회전) 각도를 알아내어 이 각도를 비교하면 된다.
팬터가 곡선당김금구에 접촉하게 된다. 따라서 이런 경우를 방지하기 위해서는 반드시 전차선에 편위를 주는 가동브래키트의 타입을 압축형/인장형(또는 O타입/I타입)을 목적에 맞게 제 위치대로 시설하여야 함을 의미한다. 도면을 가지고 선을 그어서 개략적으로 파악한 각도는 22°로서 기존선에서 사용하는 곡선당김금구와 거의 유사함을 알 수 있었다.
. 경부고속철도용 가동브래키트 및 곡선당김금구