급전선(給電線)
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
하중 종별 | 전선의 빙설 두께[㎜] | 풍압 [㎏f/㎡] | 적 용 |
갑종 풍압하중 | 0 | 100 | 전선의 수직 투명 면적 1[㎡]당 풍압 |
을종 풍압하중 | 6 | 50 | 피빙을 포함한 전선의 수직 투 형 면적1[㎡]당 풍압 |
병종 풍압하중 | 0 | 50 | 전선의 수직 투형 면적 1[㎡]당 풍압 |
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
전선 종별 | 전선의 인장 강도 | 기 사 |
경동연선 | 90(%) | |
경알루미늄 연선 | 90(%) | 중고 알루미늄 연선의 경우 (80%) |
강심알루미늄 연선 | 95(%) |
|
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
선 종 | 표준장력[㎏f] | 선 종 | 표준장력[㎏f] | ||
A․B 지구 | C 지구 | A․B 지구 | C 지구 | ||
경알루미늄 연선510[㎟] | 700 | - | 경동연선 325[㎟] | 1,000 | - |
경알루미늄 연선300[㎟] | 400 | - | 경동연선 325[㎟] | 600 | - |
경알루미늄 연선200[㎟] | 250 | 200 | 경동연선 325[㎟] | 430 | 400 |
경알루미늄 연선95[㎟] | 100 | - | 강심알루미늄 연선510[㎟] | 1,000 | - |
경동 연선 325[㎟] | 1,200 | - | 강심알루미늄 연선510[㎟] | 300 | 200 |
(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.