머리말 고속철도가 바꾼 세상 활권으로 만들었으며, 사람들의 일상적인 활동 공간의 범주를 넓혔다. 통근 시간의 단축, 주거 선택이나 기업의 사무실 입지에 큰 영향을 미쳤음을 알 수 있다. 이와 같이 고속철도를 통한 사회적 파급 효과는 다양한 형태로 나타날 수 있다. 따라

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1 땅 위를 달리는 비행기 고속철도 한국철도기술연구원 지음 이지사이언스 시리즈 20 땅 위를 달리는 비행기 고속철도 2015년 4월 25일 초판 1쇄 인쇄 2015년 4월 25일 초판 1쇄 발행 기획 미래창조과학부 발간 한국철도기술연구원, 한국과학창의재단 홈페이지 제작 (주)동아사이언스 출판등록 (제 호) 주소 ( ) 서울시 용산구 청파로 109 전화 (02) 팩 스 (02) 홈페이지 ISBN * 잘못된 책은 바꾸어 드립니다. ** 본 책의 내용에 대한 무단 전재 및 복제를 금합니다. *** 본 책의 내용을 인용할 시에는 반드시 출처를 표기합니다.

2 머리말 고속철도가 바꾼 세상 활권으로 만들었으며, 사람들의 일상적인 활동 공간의 범주를 넓혔다. 통근 시간의 단축, 주거 선택이나 기업의 사무실 입지에 큰 영향을 미쳤음을 알 수 있다. 이와 같이 고속철도를 통한 사회적 파급 효과는 다양한 형태로 나타날 수 있다. 따라서 이러한 파급 효과와 시대적 추이, 나아가 사회적 요구에 발맞 추기 위하여 그간 고속철도에 대한 지속적인 연구가 수행되어 왔다. 예를 들어, 국내 기술로 개발한 한국형 고속열차 HSR-350X는 2004년 12월 시운 19세기 초에 개발된 증기기관차를 시작으로 디젤기관차, 그리고 전기기 관차에 이르기까지 다양한 형태의 철도시스템이 개발되었으며, 그에 따라 사회의 모습도 크게 변화되어 왔다. 철도기술의 진화에 따라 지역 간 이동 이 활발해지면서 사회, 경제, 문화 등 여러 분야에서 새로운 기회의 창출 및 교류가 발생한다. 미래학자 앨빈 토플러는 자신의 저서 부의 미래 에서 혁신적인 부의 창 출 요인으로 시간, 공간, 지식을 꼽았다. 예를 들면 공간의 확장으로는 초국 가적인 연합체와 무역공동체의 창출을 들 수 있다. 이러한 교류 공간의 확 장을 위해서 필수적으로 요구되는 것이 대용량, 고속의 운송수단이다. 고속 철도가 바로 그러한 요구를 충족시킬 수 있는 기술이다. 우리나라의 경우 KTX 개통 이전에는 서울-부산 간 새마을호의 운행 시 간은 4시간 10분이었다. 그러나 현재 KTX는 2시간 18분 만에 이 구간을 돌 파하고 있다. 이러한 시간 단축은 서울-부산 간 거리를 서울-김천에 해당 전 시험에서 352.4km/h를 주파했으며, 현재 시운전 중인 차세대 고속열차 HEMU-430X는 2013년 3월 421.4km/h라는 최고 시험속도 기록을 달성했 다. HEMU-430X는 2014년 12월 기준 누적 주행거리 10만km를 돌파하기 도 했다. 지금 이 시점에서 우리는 다음 단계의 고속철도 기술을 고민한다. 사회의 변화 및 관련 기술의 발달에 따른 미래의 고속철도 기술은 어떻게 진화할지 촉각을 기울이고 있다. 속도 증속을 위한 다양한 형태의 추진 기술, 공기저 항 최소화 기술, IT와 연계된 운영 통신 신호 유지보수 기술, 새로운 동 력원의 활용, 저비용의 인프라 기술, 나아가 이 모든 것을 뛰어넘는 전혀 새 로운 형태의 고속열차 기술 등으로의 진화가 가능할 것으로 예측된다. 이러한 미래의 고속철도 기술도 국내 기술이 중심이 되어 개발되어야 한 다. 또한 세계 철도시장을 선점할 수 있는 수준에 도달해야 할 것이다. 세계 를 제패하는 철도강국 코리아를 꿈꾸며! 하는 수준으로 축소한 것과 동일한 결과를 가져왔다. 궁극적으로는 동일 시 간조건에서 우리가 활용 가능한 공간이 고속철도의 운행을 통해서 크게 확 장된 것이다. 고속철도의 출현으로 인한 공간 확대 효과는 전국을 일일생 2015년 4월 한국철도기술연구원

3 CHAPTER 3 목차 머리말 고속철도가 바꾼 세상 CHAPTER 세계 각국의 고속철도 고속철도의 차량시스템 기술 01 열차 주행의 원리 열차는 얼마나 빨리 달릴 수 있을까? 고속열차의 구성 고속열차의 동력시스템 추진 성능 공력 성능 주행 성능 세기 교통수단의 주역, 고속철도 소음 저감 성능 일본의 고속열차 점착 성능 프랑스의 고속열차 제동 성능 독일의 고속열차 집전 성능 기타 여러 나라의 고속열차 차량 경량화 기술 열차의 최고속도는 어디까지? 032 더 알아보기 수송의 혁신, 고속화물열차 086 더 알아보기 좌우로 흔들흔들, 신기한 틸팅열차 034 CHAPTER 4 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 01 한국 최초의 고속열차, KTX 우리 힘으로 만든 한국형 고속열차, HSR-350X 대한민국에서 세계로! KTX-산천 km/h를 넘어 미래로! 차세대 고속열차, HEMU-430X 048 더 알아보기 한 층 더 업그레이드! 이층고속열차 052 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까?ㅏㅏㅇㅇ생 01 고속철도의 선로, 이렇게 생겼어요 고속열차의 갈림길과 교차로 고속열차로 강 건너기 터널, 산 넘고 바다 건너 열차와 사람이 만나는 곳, 기차역 천재지변으로부터 철도를 보호하는 기술 104 더 알아보기 토목의 뜻을 알려드립니다 106

4 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 01 철도신호는 왜 필요할까? 열차의 심장, 동력원의 변화 열차 속도에 따라 발전한 철도신호 깨끗한 전기철도 철도신호의 발전 열차에 따라 사용하는 전기가 달라요 우리나라 고속철도의 철도신호 움직이는 열차에 어떻게 전기를 공급할까? 철도신호 방식의 혁신, 무선통신 기술 전기 사고 방지 대책 고속철도와 지하철의 안전 설비 고속열차의 힘과 전기 공급 미래의 철도신호는 어떻게 바뀔까? 무선 급전시스템의 원리 및 적용 사례 164 더 알아보기 미래로 씽씽! 레일 위로 600km/h! 우리나라 철도차량의 무선 급전시스템 168 더 알아보기 고속열차의 친구, 초고속 자기부상열차 170 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 CHAPTER 8 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차 01 철도를 획기적으로 바꾸는 기술, LTE-R 아날로그 철도와 디지털 철도의 차이 검측시스템의 구성 기관사 없이 무인으로 움직이는 열차의 비밀 우리의 안전을 지켜 주는 첨단 기술, 고속종합검측차 고속철도에서는 왜 통화가 잘 안 될까? 세계 여러 나라의 검측차 열차 안에서 어떻게 인터넷을 할 수 있을까? 우리나라의 검측차 승무원은 왜 무전기를 사용할까? 140 더 알아보기 미래의 철도, 튜브 속으로 달려요 철도 IT는 가정용 IT와 다른 기술인가? 142 더 알아보기 KTX의 운전실에는 무엇이 있을까? 144 우리의 새로운 미래를 열어갈 미래교통과학기술 184 이미지 출처 및 참고문헌 186 필자 소개 190

5 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 세기 교통수단의 주역, 고속철도 02 일본의 고속열차 03 프랑스의 고속열차 04 독일의 고속열차 05 기타 여러 나라의 고속열차 06 열차의 최고속도는 어디까지? 더 알아보기 좌우로 흔들흔들, 신기한 틸팅열차 세계 각국의 고속철도

6 01 21세기 교통수단의 주역, 고속철도 250km/h 이상 실현 지역 대서양 우리나라(남한) 태평양 태평양 인도양 투자이론가 월리엄 번스타인(William Bernstein)은 자신의 저서 부( 富 )의 탄 생(The birth of plenty) 에서 시장경제 활성화, 과학적 합리주의와 빠르고 효 율적인 통신 및 수송체계 등을 선진국으로 가는 조건으로 제시했다. 또한 빠르고 경쟁력 있는 교통수단이야말로 국가 경제력을 좌우하는 전제 조건 이라고도 했다. 이런 의미에서 많은 사람을 안전하고 빠르게 수송할 수 있는 고속철도는 우리나라를 1인당 국민소득 2만 달러 시대 선진국으로 이끄는 중요한 사회 적 인프라라고 할 수 있다. 세계 각국에서도 글로벌 경기 침체를 타개하기 위해 대규모 고속철도사업에 주력하고 있다. 빠른 속도 외에 철도의 기본 특징인 대량 수송성, 안전성, 정시성(시간을 정확히 지키는 특성), 저공해성, 쾌 적성 등의 장점을 갖춘 고속철도는 21세기 육상교통 산업의 주역으로 성장 할 것으로 전망된다. 고속철도 산업은 고효율 고속화 고접근성의 교통시스템일 뿐만 아니 라 친환경 운송수단이기도 하다. 현재 세계 각국은 지구 환경 문제와 교토 기후협약에 의한 CO 2 (이산화탄소) 배출 억제의 돌파구를 고속철도에서 찾고 있다. 고속철도는 승용차의 1/6 수준의 CO 2 배출량을 보이기 때문에 최근 2025년 전세계 고속철도 시스템 전망 1 환경에 대한 관심이 커지면서 저탄소 녹색성장을 위한 교통 해법으로도 부 각되고 있다. 우리나라 고속철도는 개통 후 하루 평균 8만 명을 수송했다. 최근 이용객 이 하루 10만 명을 육박하면서 이 증가세에 맞춰 차량 추가 도입을 검토해 야 할 시점에 이르렀다. 시속 300km로 운행하는 KTX는 우리나라 교통체계 를 새롭게 변화시켰으며, 본격적인 철도의 르네상스 시대를 여는 기폭제가 되고 있다. 우리나라에 고속철도가 개통된 지 10여 년, 이전에는 볼 수 없었 던 새로운 변화들이 나타나고 있다. 첫째, KTX는 중장거리 수송에서 중추적인 역할을 담당하고 있다. KTX로 인해 대구, 부산의 경우 항공수요가 50% 이상 급속히 줄었다. KTX 이용객 은 시간가치 절감을 통한 개인적인 부가가치를 창출하고 있다. 철도 이용을 High speed rail systems forcast in 2025 통한 사회 경제적 비용이 크게 감소하고 있는 것이다. 둘째, 시공간의 개념이 변하고 있다. 서울-부산 간 운행 시간이 2시간 012 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 013

7 40분으로 빨라져 서울을 기준으로 삼을 때 부산이 김천에 해당된다고 볼 수 있다. 이러한 관점에 따르면 거리상으로는 약 200km 단축된 셈이다. 특 히 대전의 경우는 서울에서 50분 만에 주파, 과거 새마을호와 비교하면 서 울-평택 거리 정도로 가까워졌다. 이런 변화를 통해 지역 간 이동이 촉진 되고 비즈니스 기회가 늘어나면서 지역 균형 발전이 실현되고 있다. 일본, 프랑스, 독일 등 고속철도 선진국들도 고속철도를 통해 교통체계와 기술을 획기적으로 개선하고 있다. 전 세계의 고속철도 선로 4만 1997km 중에서 현재 상업 운용 중인 선로 는 1만 4700km이며, 이는 전체의 35%에 해당하는 수준이다. 건설 중인 노 선은 9703km로 23%, 계획 중인 노선의 경우 42%로 향후 고속철도 시장의 확장이 전망된다. 대륙별로 살펴보면 유럽과 아시아가 약 93% 이상을 차지한다. 브라질, 아 르헨티나를 중심으로 한 남미대륙과 미국을 중심으로 한 북미대륙에서도 끊임없이 고속철도 도입에 대한 검토가 제시되고 있다. 고속철도 선진국에 해당하는 서유럽과 일본을 제외하고는 기존의 운용 선로보다 건설 중이거 나 계획이 확정된 노선이 더 많은 부분을 차지하고 있다. 고속철도는 각 국가의 사회적 요구의 대응에 적절한 교통망으로서 자리 매김하고 있다. 유럽의 경우 고속열차의 통과 및 정차를 위해 고속선로의 확보에 노력하고 있으며, 정치 사회적으로 유럽 통합에 기여하는 연결 교 통망으로서의 역할도 수행하고 있는 것으로 나타났다. 이러한 사례는 아시 아 지역의 미래 교통망에 대한 방향성을 시사하고 있다. 일본의 전국망, 중 선로 연장(km) 연도 세계 고속철도 선로 현황 및 전망 2 단 교통망으로서 아시아 지역의 미래를 대비할 수 있는 교통수단이 될 수 있을 것으로 판단된다. 2005년 이후 세계 철도시장 규모는 완만한 증가 추세에 있다. 연간 1310 억 유로(약 200조 원) 규모다. 이 중 외국 업체에 개방되어 접근 가능한 시장 은 70% 이내인데, 순수한 차량 시장은 연간 399억 유로(약 60조 원), 차량 정 비 등 서비스 부분은 연간 479억 유로(약 73조 원) 규모이다. 세계 고속철도 시장은 프랑스의 알스톰(Alstom), 일본의 차량제작사들인 가와사키, 히타치, 일본차량, 중국의 CSR 등이 53%를 점유하고 있다. 현재 까지 국내 기업(현대로템)의 고속열차 수출은 전무하지만 세계 시장 진출을 위해 지속적인 노력을 하고 있다. 고속철도 시장에서 우위를 점하려면 중국 업체에 대항할 수 있는 원가경쟁력, 유럽 업체에 대항할 수 있는 기술경쟁 력을 갖추는 게 급선무다. 국의 북부와 남부를 잇는 계획노선, 한반도의 중부 남부 노선 등 현재 아 시아의 고속선 확충이 가속화되고 있는 추세로 볼 때, 고속철도가 미래 횡 014 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 015

8 02 일본의 고속열차 Sui-setz Sui-setz 일본은 1964년 동경올림픽 개최 시기에 맞춰 동경과 오사카를 연결하는 신칸센 0계 열차 신칸센 700계 열차 도카이도 신칸센을 건설하며 고속철도의 새 역사를 선도하였다. 최초의 신 칸센 전차는 0계 고속열차로, 이 구간을 210km/h로 달렸다. 2011년 기준 일본의 고속철도 총 연장은 2452km로, 일본열도 전체를 고속철도망으로 연결할 계획이다. 일본은 초기부터 지반이 약한 자국 내 지형 특성을 감안하여 신칸센 열차 에 축중(열차의 차륜 하나가 부담하는 중량)이 낮은 동력분산식을 채택했고, 이 방식으로 지금까지 성공적인 운행을 하고 있다. 다양한 노선에서 0계로부 터 최근의 E5, E6까지 총 15종류의 열차를 운행했으며, 현재는 일부 구간에 서 최고 운행속도 320km/h로 운행하고 있다. 신칸센 열차는 시험용 열차를 제작한 뒤 이를 바탕으로 영업용 열차를 제작하는 방식으로 신규 열차를 투 입한다. 산악지형을 감안해 열차 전두부(머리 부분) 모양 및 터널 통과 시의 미기압파 해소에 역점을 두고 있으며, 도심지 통과 등을 고려해 소음 측면 에서도 많은 검토를 시행한다. 일본은 세계에서 가장 많은 종류의 고속열차를 개발한 국가이기도 하다. 0계 고속열차를 시작으로 1985년 토호쿠, 조에쓰 신칸센을 개통하면서 100 계와 200계 고속열차를 공식 운행했다. 210km/h로 운행을 시작한 100계 신칸센 전차는 1986년 0계와 함께 220km/h로 향상되었으며, 200계 신칸 센 전차는 시험운행 시기 210km/h에서 240km/h로 향상되었다. 1992년에 는 도카이도 신칸센에 300계 열차가 달리기 시작했는데, 이 열차의 최고 주 행속도는 270km/h에 이르렀다. 300N, WIN350 실험형 고속열차를 거쳐 완 성된 500계 열차는 1997년 운행을 시작했다. 최고속도 300km/h를 자랑하 는 500계 열차는 16량 편성 차량이 모두 동차로서 총 출력 1만 8240kW에 달하는 세계에서 가장 출력이 큰 열차다. 300계 열차와 비교하여 열차의 머 리가 더 길고 뾰족하다. 기동성능도 더욱 개선했으며, 경량화까지 실현했다. 또한 반자동 제어 감진기를 장착해 차내 및 환경 소음도 감소시켰다. 500계와 300X 실험형 열차를 토대로 개발된 700계 열차는 1999년 운 행을 시작한 이래 산요 신칸센과 도카이도 신칸센에서 각각 285km/h와 270km/h의 속도로 달렸다. 500계의 장점 외에도 추진장치에 스위칭 주 파수가 더욱 높은 IGBT 모듈을 적용했다. IGBT란 Insulated Gate Bipolar Transistor 의 약어로, 절연 게이트 양극성 트랜지스터라고 한다. 구동 전력 016 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 017

9 Toshinori baba 이 작고 대전력의 고속스위칭이 가능한 반도체 소자이다. E4 시리즈는 또 다른 유형의 대표적인 일본 고속열차이다. E1계에서 발전한 E4 시리즈는 전체가 2층 차량으로 구성된 신형 열차로, 1997년 240km/h의 속도로 운행에 들어갔다. 16량으로 길게 편성되 이후 FASTECH 360의 시험 결과를 기반으로 320km/h까지 달리는 E5계 고 속열차를 10량 편성으로 제작하여 시험주행을 수행했다. E5계 고속열차는 제동 성능은 물론 환경 성능과 차내 쾌적성까지 향상시 킨 차량이다. 환경 성능에 관해서는 전두부를 롱노즈(long nose) 타입으로 만 들어 터널 미기압파 저감을 꾀했으며, 대차커버, 저소음 팬터그래프(열차가 전차선로로부터 전력을 받는 장치) 등으로 차외 소음을 저감시켰다. 또한 전 차 량에 동요 방지 제어장치를 설치해 고속주행 시 승차감을 높이고, 차체경사 E5계 고속열차 어 여객 운송량이 1634명에 달한다. 장치로 곡선 통과 시 승차감을 향상시켰다. 일본의 초기 고속열차, 즉 0계부터 100계까지는 승객수송 능력 확대를 위 한 2층 객차 도입, 속도 향상에 따른 공력(물체와 기체의 상대 운동에 따라 둘 사 이에 작용하는 힘) 저항 감소를 위한 전두부 형상 개선, 차량 경량화를 위한 알루미늄 차체 적용 등이 특징이다. 300계부터는 속도 향상을 위한 제어기 능 향상, 경량 고출력 유도전동기 적용, 최대 축중을 11.3톤까지 낮춘 경량 화 기술을 특징으로 한다. 400계는 기존 시설물을 최대한 이용한 속도 향상 을 추진했고, 200계 열차를 업그레이드시킨 E1계 열차는 전 차량을 2층 객 차로 개발해 승객수송 능력을 최대화시켰다. 500계 열차에서는 회생제동력 향상과 제어 및 추진력 향상을 도모했다. 회생제동은 전동기를 발전기로서 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하 는 전기제동 방법이다. 일본의 철도회사 JR 동일본은 고속성, 신뢰성, 환경적합성, 쾌적성 등을 목표로 신칸센 고속화 프로젝트를 통해 시험차 FASTECH 360 고속열차를 개발했다. FASTECH 360S 는 8량 1편성으로 2005년 6월 25일부터 시험을 개시했고, FASTECH 360Z는 6량 1편성으로 2006년부터 시험을 수행했다. 달리는 지식열차 동력분산식 열차를 추진하는 동력시스템을 차량에 분산 배치하여 열차를 견인하는 방식 동차 철도차량의 하부 또는 바닥 위 부분에 동력장치를 탑재하고, 또 나머지 공간에 화물이나 승객을 적재하 도록 만들어진, 자기 추진력을 가진 철도차량 스위칭 주파수(switching frequency) 전기신호의 온 오프 전환을 1회씩 실시하는 단위를 1주기로 하였을 때 1초간의 주기의 수. 스위칭 주 파수는 회로의 고조파( 高 調 波 )와 변환기의 손실에 영향을 준다. 터널 미기압파 열차가 터널에 들어서면 터널 안에 압축파가 생기며 출구를 향해 전파된다. 이 압축파가 출구에 도달할 때에 갱구로부터 외부로 퍼지는 압력파를 터널 미기압파라 한다. 파열음, 가옥 문의 덜컹거림 등이 생 겨서 고속 주행 시 환경 문제를 일으킬 수 있다. 대차 바퀴에 의해 레일 위를 주행하는 중요한 부분으로 차체중량을 지지하고 철도차량의 주행안내를 쉽게 하 는 장치. 철도차량의 차체와 레일 사이에 있다. 018 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 019

10 03 프랑스의 고속열차 SeeSchloss 프랑스는 세계 최고의 고속철도 기술보유국임을 자부하고 있다. 차륜식 (바퀴식) 고속열차의 최고 시험 속도인 574.8km/h 기록도 프랑스가 갖고 있 다. 자국 내에서의 운영 경험을 바탕으로 세계 시장 진출에 적극적이기도 하다. 프랑스의 고속열차는 TGV(Train à Grande Vitesse, 테제베)다. 1982년에 1 세대 TGV가 운행을 시작한 이래, TGV-A(KTX의 모델이 된 열차), 유로스타 (Eurostar), TGV-R, TGV-POS 등이 탄생했다. 2008년 2월에는 차량제작사 알스톰과 프랑스 철도 운영기관 SNCF가 2001년부터 공동으로 수행한 차세 TGV-A TGV-R 대 고속열차 프로젝트를 통해 350km/h의 운영속도를 갖는 AGV(Automotrice Grande Vitesse, 아제베)를 세상에 내놓았다. 프랑스는 동남선용 1세대 TGV-PSE 개발을 시작으로 꾸준한 성능 향상을 도모했다. 그 결과 탄생한 2세대 TGV-A는 우리나라의 KTX와 같은 형식의 차량으로, 최고속도는 300km/h이다. 이 열차에는 동기전동기, 변속기, 반도 체를 이용한 전자화 제어(공급받은 전력을 주행에 적합하도록 변환해 주전동기에 공급하는 것), 고성능 철제 제동디스크, 공기 저항을 감소시킨 2단 팬터그래 프 등이 적용되었다. 승차감 향상을 위해 객실은 인체공학적으로 설계했으 유로스타 TGV-POS 며, 승객용 통신 시설도 개선해 승객 입장의 편의성을 강화시켰다. 3세대 고속열차 유로스타와 TGV-R에 이르러서는 유도전동기 적용, 제어 체계 개선, 다국적 철도망 노선 적용 및 운행 적합성 등 해외진출에 유리한 기능 개선에 주력했다. 이후 개발된 TGV-POS는 320km/h로 영업 운행에 투입되고 있다. TGV- POS는 2량의 동력차, 8량의 객차로, 총 10량 1편성으로 구성된다. TGV- POS 차량의 추진시스템은 유도전동기를 사용한 IGBT 회로로 구성된 모터 020 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 021

11 Bonaber AGV 블록 2기와 보조블록 1기, 1대의 주변압기로 구성해 1편성을 제어하는 동 력집중식(열차에 필요한 동력을 편성 중인 소수의 차량에 집중시키는 방식. 기관차가 객차를 견인하는 방식이 전형적인 예이다) 열차다. 전동기 1대당 1160kW의 출 력을 내며, 총 출력 9260kW의 추진력을 갖는다. 동력차의 각 견인전동기가 독립되어 있어 일부 전동기에 장애가 생겨도 장애가 발생한 전동기를 임의 격리하고 정상적인 전동기만으로 운행 가능하도록 만든 것이 특징이다. 또 한 프랑스의 고속선 및 기존선과 독일 지역의 고속선을 통과하기 위해 3가 지 형태의 다른 공급 전원을 받을 수 있도록 개발되었다. 제동장치는 공기 제동, 가변저항의 전기제동, 회생제동, 와전류제동 등을 사용한다. 이후 프랑스는 기존의 동력집중식에서 동력분산식으로 전환해 최신 고속 열차 AGV를 개발했다. AGV는 동력분산식이므로 동력차가 필요 없어 좌석 과 편의시설을 늘릴 수 있고, 동력차의 무게를 열차에 고루 분산시킬 수 있 어 운전 및 정비에 유리하다. 차량 사이를 연결하는 대차는 두 차체 사이에 1개의 대차만 설치한 관절대차이다. 따라서 진동과 소음을 낮출 수 있으며, 열차가 묶여 있는 형태이므로 탈선이 발생한 경우에도 더 안전하다. AGV는 이러한 관절대차의 장점에 동력분산식의 장점을 조합해 전동기 같 은 동력에 기여하는 장치를 부착할 공간을 기존 열차에 비해 20% 더 확보했 다. 11량 편성에서 6개의 동력대차(견인전동기 등 동력 전달장치가 설치된 대차) 를 사용해 기존 열차와 비교가 안 될 만큼 큰, 톤당 22.6kW의 에너지를 낼 수 있다. 설계 시 전산설계를 통해 시간과 비용의 절감을 이룬 것도 장점이 다. 소음 최소화를 위해서는 소음차폐재와 대차의 위치 조정, 전두부 모양 변 경, 대차커버 부착 등의 조치를 취했다. 이로써 300km/h에서 330km/h로의 속도 향상 시 두 배로 커지는 소음을 360km/h 운행 시 타 경쟁업체 열차가 300~320km/h에서 내는 소음 수준으로 낮추었다. AGV는 경량화도 이루어냈다. 경쟁차종 대비(동일 열차길이) 무게를 17% 감소시키고, 에너지 소비는 15%나 감소시켰다. 또한 필요에 따라 량으로 편성 가능토록 모듈화 설계 제작하여 편성에 따라 250~650명의 승객이 탑승할 수 있게 하였다. AGV는 이탈리아에 수출하면 서 상용화되어 2012년부터 영업 운행을 하고 있다. 철도 강국 프랑스의 고속철도 총 연장은 약 2000km(2011년 기준)이다. 파 리를 중심으로 프랑스 및 주변국을 연계하여 운영되고 있는데, 2020년에 4000km로 연장할 계획을 세우고 있다. 022 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 023

12 04 독일의 고속열차 독일의 고속열차 ICE(InterCity Express, 이체)는 독일 및 인접한 이웃국가들 을 운행하는 고속열차시스템을 의미한다. 철도차량 제작 업체인 봄바디어 와 지멘스가 공동으로 제작했으며, 독일의 국영 철도회사인 DB(Deutsche Bahn)의 대표적 브랜드이기도 하다. ICE1이 탄생한 이후, 1996년 ICE2, 1999년 ICE3 순으로 크게 3가지 고속열차 모델이 개발되었다. ICE는 단순 히 독일 내의 고속철도망만을 의미하는 것은 아니다. 독일의 주변 국가들 역시 폭넓게 ICE 노선을 공유하고 있다. 2007년에는 파리-스트투가르트 프랑크푸르트 노선이 개통되었는데, 이들 노선은 독일 DB와 프랑스 SNCF 가 공동으로 운영하고 있다. 독일 고속철도는 초기 건설단계(1991년)에서 여객전용선이 아니라, 화물 과 혼용하는 방식으로 개발되었다. 이 때문에 다른 나라보다 축중이 무거운 특성(ICE1의 경우 19톤)을 갖고 있다. 독일에서는 속도 경쟁보다는 기존선과 고속선의 효율적인 연계 운행 등에 대한 검토에 더 주력하고 있다. 독일이 ICE1 초기 모델을 운영하면서 얻은 경험은 새로운 요구사항을 만 족시키는 출발점이 되었다. 이후 ICE2를 거쳐, 속도 향상을 위해 동력분산 식인 ICE3를 개발했으며, 세계 진출을 위해 지멘스에서 Velaro 라는 독자적 ICE3 인 브랜드를 발전시켰다. Velaro 고속열차는 스페인, 중국, 러시아 등에 진 출했다. ICE1과 ICE2는 전통적인 독일의 고속철도 기술을 발전시킨 형태로, 유럽 에서 가장 일반적인 고속철도 편성 방식인 푸시풀(push-pull) 방식의 동력집 중식 편성을 채택하고 있다. 이 때문에 유지 보수가 편리하고 주행저항 및 에너지 소모가 적은 동력집중식의 장점을 그대로 가지고 있는 반면, 운행 도중 고장 시 조치가 어렵다는 단점 또한 가지고 있다. 동력집중식인 ICE1, ICE2와 달리, ICE3은 동력분산식으로 개발되었다. 초기부터 알루미늄 차체를 사용해 경량화를 실현했고, 광케이블을 사용하 는 식으로 첨단의 IT기술을 적용해 개발했다. ICE3은 MT비가 4M 4T 의 구 성으로 모듈화되었으며, 구매자의 요구에 따라 8량부터 16량까지 유연하 게 대응할 수 있도록 제작했다. 또한 유지 보수성 향상과 축중 감소, 대차 Sese Ingolstadt 024 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 025

13 지상신호기에 의한 자동 폐색제어(하나의 열차가 있을 때에는 다른 열차를 그 구 간에 진입하지 못하게 하기 위한 제어), 제2레벨은 기존의 지상 열차검지에 의 한 무선( 無 線 ) 병용의 자동 열차제어를 한다. Velaro는 2001년 7월 스페인 철도운영기관 RENFE로부터 마드리드-바르셀로나-프랑스 국경에 이르는 625km 노선에 투입되어 첫 상업 운전을 시작했다. Yrithinnd Velaro D Velaro E Igor Fedenko Velaro Rus 및 윤축의 경량화 등에도 성공했다. 초 기 ICE1부터 ICE2로의 성능 개선은 미미 했으나 ICE3은 한층 높아진 기술로 인해 다양한 성능 개선을 이루어낸 것이다. ICE3의 장점은 또 있다. 차량의 개발 과 부품 모듈화 설계기술 개발을 병행하 여 부품 호환성을 확보함으로써 전체 철 도차량 및 부품 표준화를 이루어낸 것이 다. 이뿐만 아니라 승차감 향상을 도모하기 위해 객실 내부를 인체공학적으 로 설계했다. 지멘스가 ICE3 기술을 기반으로 개발한 Velaro는 8량 1편성의 동력분산 식 고속열차다. 8800kW의 출력으로 최고속도 350km/h를 낼 수 있다. 또한 ETCS 제2레벨을 적용함으로써 전 유럽지역을 달리는 것이 가능하다. ETCS 란 European Train Control System 의 약어로, 유럽 각국에 통일적으로 적 용 가능한 열차 제어시스템을 의미한다. 제1레벨은 속도 조사 기능이 있는 달리는 지식열차 푸시풀(push-pull) 방식 열차의 앞과 뒤에 동력차를 편성하는 열차 편성 방식이다. 이러한 방식 때문에 푸시풀 방식의 열차를 전 후동력형 열차 라고도 부른다. push 와 pull 의 앞글자만 따서 pp 열차 라고도 한다. 덜컹거림 등이 생겨서 고속 주행 시 환경 문제를 일으킬 수 있다. 과거 우리나라의 새마을호도 푸시풀 방식이었다. MT비 동력분산식 철도 차량의 동력차(M)와 부수차(T)의 구성비를 가리킨다. 전동차 비율이라고도 한다. 한 예로, 일본의 E5계 고속열차는 10량으로 편성되어 있는데, 동력차가 8량, 부수차가 2량이다. 즉 E5 계 고속열차의 MT비는 8M 2T이다. 026 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 027

14 05 기타 여러 나라의 고속열차 고속철도 후발국인 중국은 정부의 강 력한 추진 의지와 막대한 예산 투입으로 세계 최고 수준으로 빠르게 도약하고 있 다. 중국 내 여러 지역에 고속철도 노선 을 건설하면서 다양한 고속열차의 수입 과 기술이전을 병행하고 있으며, 고속철 (2011.3, CRH380A)로 프랑스에 이어 두 번째다. CRH380A를 개량한 최고속도 500km/h 시험차량을 개발하여 향후 시운전시험을 계획하고 있다. CRH1 고속열차는 중국 철도부가 독일의 봄바디어 트랜스포테이션사(캐 나다에 본거지를 두고 있는 봄바디어 그룹의 철도 부문) 등과 제휴해 도입한 고속 열차다. CRH1A B의 원형은 봄바디어의 Regina C2008형이며, CRH1E는 봄바디어 Zefiro 250을, CRH380C CL은 Zefiro 380의 설계를 근간으로 하 고 있다. CRH1A는 2007년 2월 1일부터 광심선(광저우-선전)에서 영업 운전 을 개시했고 CRH1B는 2009년 4월 상해-난징, 상해-항주 구간에서, CRH1E 도 2009년 4월에 북경-상해 구간에서 첫 운영을 시작했다. CRH2는 일본의 가와사키 중공업 차량회사로부터 구입한 열차로, 일본의 E2계 1000번대 신칸센 열차가 그 기반이다. 중국 철도부는 350km/h 고속 열차 개발을 위해 2006년에 CRH2-300 프로젝트를 세우고 150조 위안의 개발비를 투입했는데, 50개 대학, 15만 명 기술진, 600개 기업이 프로젝트 CRH1 도 선진국(프랑스, 독일, 일본)의 기술을 블 랙홀처럼 흡수하여 자체 기술화하는 동 시에 세계 시장에 진출하는 전략으로 고속열차 개발을 추진 중이다. 현재 중국의 고속철도 노선 최고 설계속도는 380km/h, 운행 최고속도는 350km/h이다. 고속철도 총 연장은 200km/h 이상은 9676km, 300km/h 이 상은 3515km인데, 2015년에는 2만 5000km 이상으로 확장될 것으로 예상 된다. 중국 정부는 수도인 베이징을 중심으로 주요 도시를 5시간 이내로 연 결한다는 계획을 세우고 있다. 중국 고속철도의 개발 전략은 속도 향상에 있어서 세계 최고를 지향한 다. 운행속도 380km/h가 목표인데, 현재 최고속도 시험 기록은 487.3km/h 에 참여했다. 2008년에는 CRH2-350 프로젝트를 시작했는데, 최고 운영속 도 380km/h의 고속열차를 개발하는 것이 목표였다. 이 열차는 CRH380A 라 명명했다. CRH380A는 첫 고속시험 시 최고속도 416.6km/h에 도달했 으며, 2010년 12월 3일에는 베이징-상해 구간에서 481.6km/h의 기록을 달성했다. 2010년 10월 26일부터 정식으로 호항 여객전용선에서 운영을 시작했다. CRH3은 독일 지멘스사의 기술제공에 의해 중국의 차량 메이커가 제조한 고속열차로, 원형 모델은 ICE3 Velaro이다. CRH5는 프랑스의 TGV를 제조 한 알스톰사와 제휴해서 도입한 고속열차로, 설계속도는 300km/h이며, 현 재 250km/h로 운영하고 있다. 028 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 029

15 Björn König 이탈리아는 국토의 대부분이 산악지 형으로서 직선화된 고속철도의 건설이 부적합하다고 판단되어 곡선이 많은 기 존선을 활용해 운행시간을 단축하는 연 구 및 정책을 진행했다. 현재도 교통수 단의 성능 향상과 편리성 증진을 위해 고속철도 신규 네트워크 구축 계획을 수 인 1.435미터보다 넓은 궤도)를 사용하고 있는데, 고속철도는 표준궤로 건설 운영 중에 있다. 1차 프랑스의 TGV 도입 이후 독일의 Velaro를 도입했고, 뒤이어 스페인 차량 제작사인 탈고(Talgo)로부터 열차를 도입해, 현재 3종류 의 고속열차를 운영하고 있다. 스페인의 고속열차는 고속전용선 운행을 기본으로 한다. 현재 운영하고 있는 고속열차는 최고 운영속도 300km/h의 Class 100(TGV), 350km/h의 Class 102(Velaro), 330km/h의 Class 103(Talgo) 등이다. Class 103(Talgo)은 ETR 1000 립하여 진행 중이다. 이탈리아는 주요 도시를 연결하는 2개의 고속철도 노선을 갖고 있으며, 봄바디어와 탈고가 협력하여 개발했다. 스페인에는 마드리드-세비야 구간을 포함해 5개의 고속여객전용선이 있 최고 운영속도는 300km/h이다. 기존선과 연계하여 운행하는 것을 고려했 으므로 ETR 등 최고속도 250km/h급 틸팅열차(틸팅열 다. 전체 고속선의 길이는 2665km(2011년 기준)로 세계 2위, 유럽 1위다. 현 재 고속열차의 최고 운영속도는 310km/h이다. 차에 관해서는 더 알아보기 참고)를 개발해 운영했다. 고속선 운영을 위해 일 반 고속열차인 ETR 500을 개발해 시속 300km로 운영 중이다. 한편 1978년 로마와 플로렌스를 연결하는 노선이 이탈리아 최초의 고속철도인데, 이 당 시의 최고속도는 250km/h, 평균속도는 200km/h이다. 이탈리아는 국철 트랜이탈리아(Trenitalia)와 민영 고속철도운영사인 NTV 가 동일 노선에서 경쟁하는 방식을 택하고 있다. NTV는 프랑스의 알스톰 에서 AGV 차량을 수입해 운영하는 회사다. 트랜이탈리아에서는 기존 ETR 차량 등을 운영하고 있는데, 최근 봄바디어의 Zefiro V300 모델을 기본으로 하는 최고 운영속도 350km/h급 ETR 1000 차량을 2015년 상반기 영업 운전하는 것을 목표로 시운전 중에 있다. 스페인은 프랑스의 TGV를 도입하고 1992년 운영을 개시하면서 고속철 도의 역사를 쓰기 시작했다. 스페인에서는 기존선에 광궤(궤간의 폭이 표준궤 Class 100 Yrithinnd Class 102 Class 103 Glucke 030 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 031

16 06 열차의 최고속도는 어디까지? 32쪽의 그래프에서 알 수 있듯이 250km/h를 처음으로 돌파한 국가는 일 본(1963년)이다. 그러나 그 이후 속도 향상을 주도한 국가는 프랑스다. 한 편 1970년대에 300km/h 대에 진입한 고속열차는 장기간 속도의 벽을 넘 지 못하다가, 기술의 급속한 발전과 유럽, 중국, 일본, 한국 등이 가세해 무 한경쟁을 펼치며 400km/h 이상으로의 속도 향상이 이루어졌다. 아직까지 는 차륜식 고속열차의 세계 기록은 프랑스가 가지고 있다. TGV는 1990년 515.3km/h를 달리며 최초로 시속 500km를 돌파한 데 이어 2007년 4월 3 고속철도 기술 개발의 방향에 대해 이야기할 때, 첫째 화두는 단연 고속철 도의 속도 향상이다. 속도가 승객의 이동수단을 결정하고 교통수단으로서의 경쟁력과 효율성을 지배하기 때문이다. 열차 최고 운전속도는 시험 운전상 의 최고속도로서 프랑스, 일본, 중국, 독일, 한국 등이 경쟁을 벌이고 있으며, 350km/h를 넘어 400km/h와 500km/h까지 도전하고 있다. 현재 500km/h를 돌파한 국가는 프랑스뿐이며, 다른 국가들은 여전히 도전 중이다. 일 17년 만에 574.8km/h이라는 세계 최고 기록을 수립했다. 그래프에서 한중일의 420km/h 도달 기록을 보면, 일본이 한국과 중국에 비해 약 17년 정도 앞서 있는 것을 알 수 있다. 중국은 기술력 과시를 통한 시장선점을 위해 2010년 9월 416.6km/h 달성에 성공했으며, 같은 해 12월 상업용 열차로 486.1km/h를 달리며 세 나라 중 가장 앞서나갔다. 중국은 2011년 12월에 500km/h급 시제열차를 만들어 시험 운행 중에 있다. 우리 나라도 430km/h급 동력분산식 고속열차를 개발하여, 제한된 국내 노선의 열차속도(km/h) 제약 속에서 2013년 3월 28일 km/h라는 국내 최고 시험속도 기록을 달성했다. 고속철도의 속도 향상은 승객의 여행 시간을 최대한 줄임으로써 타 교 각 나라별 차륜식 고속열차의 속도 향상 기록 연도 통수단과의 경쟁에서 유리한 고지를 점한다는 측면에서 큰 의미가 있다. 1990년대 이후 고속화의 한계 요인들이 비접촉식 집전기술, 자갈궤도에 서 콘크리트궤도로의 전환, 공기저항 저감기술, 신소재 활용 경량화, 영구 자석형 고출력밀도 추진장치 같은 기술 혁신에 의해 해소되며 퀀텀점프 (quantum jump, 대약진) 할 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 032 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속철도 033

17 더 알아보기 CPenpen 좌우로 흔들흔들, 신기한 틸팅열차 틸팅열차(tilting train)는 그 이름처럼( tilt 는 기 울다 라는 뜻) 차체가 좌우로 기울어지도록 고안 된 열차다. 차체가 좌우로 흔들거린다고 해서 진자식(pendulums) 열차 라고도 한다. 쇼트트랙 빙상 선수가 곡선 구간에서 속도를 높이기 위해 몸을 안쪽으로 기울이는 원리를 이용해 틸팅열 틸팅열차 차도 곡선 구간에서 차체를 기울여 원심력을 극 복한다. 열차가 곡선 선로를 돌 때 바깥쪽 수평방향으로 작용하는 원심력과 수 직방향의 중력의 합력( 合 力 )이 바깥쪽 대각선방향으로 작용하는데, 이때 열차를 안쪽으로 기울여 주면 합력이 수직방향의 중력과 거의 일치하게 되어 원심력이 상쇄되는 효과를 갖는다. 보통 일반열차는 곡선 구간으로 진입할 때 속도를 제한해 운행하므로 곡선 구간이 많은 노선에서는 이동 시간이 길어진다. 틸팅열차는 곡선 구간 통과 속 도를 20~30% 증가시켜 운행 시간을 단축시킬 수 있다. 더불어 궤도의 직선화 개량 없이 기존 영업 운행 선로에서의 곡선 구간 고속화를 달성할 수 있으므로 경제적 효과도 얻는다. 또한 승차감도 향상시킬 수 있으며, 곡선 구간 통과 시의 가 감속 빈도를 줄여 그만큼의 에너지 소비도 감소시킨다. 틸팅열차는 진자의 원리를 이용한 수동틸팅과 능동제어력에 의해 틸팅을 수 행하는 능동틸팅이 있다. 수동틸팅은 자연진자식이라는 메커니즘의 특성상 차 체기울기 약 2도 내외의 틸팅각을 갖는다. 반면 능동틸팅은 액추에이터(시스템 을 움직이거나 제어하는 기계 장치)에 의해 강제로 차체를 기울이기 때문에 최대 8 도의 틸팅각을 갖는다. 틸팅열차의 핵심 기술은 곡선의 진입 위치를 검지하는 기술과 차체를 기울여 주는 구동 제어기술이다. 곡선의 진입 위치 검지기술은 차상센서방식과 지상센서방식이 있으며, 구동 제어기술은 공기식, 유압식, 전기 기계식 기술이 있다. 센서로 곡선부를 인식하고 제어기에서 필요 틸팅값을 계산 하고 액추에이터가 차체를 기울이는 메커니즘을 가진다. 국내에서 개발된 한국형 틸팅열차는 GPS를 결합한 차상센서방식과 전기기 계식 엑추에이터 구동 기술로서 정확성 및 신뢰성을 향상시킨 하이브리형 틸팅 제어기술을 갖추고 있다. 또한 180km/h급 전동차 방식의 열차로서 틸팅 팬터 그래프 구동방식을 적용했으며, 곡선부에서 속도 증가 시 궤도에 미치는 부담을 최소화할 수 있도록 탄소섬유복합재를 이용한 차체를 개발하여 기존 금속재 차 체보다 약 30% 정도 무게 경량화를 이룩했다. 이 틸팅열차가 상용화된다면 속 도 향상은 물론 서비스의 질도 향상시킴으로써 도시 지역과의 소통을 원활히 만들 것이다. 그에 따 라 상대적으로 낙후된 지역에 거주하는 주민 들의 문화적 소외감이 완화되고 사회적 통일 감이 증대될 수 있을 것으로 기대된다. 직선도로 주행 시 최고속도 기존 140km/h에서 180km/h로 향상 팬터그래프 틸팅장치 한국형 틸팅열차 기술 개요 곡선도로 주행 시 차체가 강제로 기울어지는 틸팅장치로 탈선방지 및 곡선부 주행 속도 향상 034 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 1 세계 각국의 고속 철도 035

18 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 2 01 한국 최초의 고속열차, KTX 02 우리 힘으로 만든 한국형 고속열차, HSR-350X 03 대한민국에서 세계로! KTX-산천 km/h를 넘어 미래로! 차세대 고속열차, HEMU-430X 더 알아보기 한 층 더 업그레이드! 이층고속열차 우리나라의 고속열차가 달려온 길

19 01 한국 최초의 고속열차, KTX 고속철도는 시속 200km 이상의 속도 로 주행하는 철도를 총칭한다. 우리나라 도 KTX(Korea Train express)가 2004년 4 월 1일 개통되면서 프랑스, 일본, 독일, 스페인 등과 함께 시속 300km의 고속철 도 시대에 들어섰다. 하여, 1999년 12월 16일 시험 운행에 성공했다. 그리고 2004년 4월 1일 경 부선과 호남선이 동시에 개통되었다. 대한민국 철도 역사와 현대 교통발달 사에 가장 큰 획을 긋게 된 KTX가 최고 300km/h의 속도로 힘찬 첫걸음을 내딛는 역사적인 순간이었다. KTX는 개통 초기 서울-부산 간 409.8km를 2시간 40분에 운행하며, 새마 을호의 4시간 10분보다 1시간 30분(36%)을 단축시켰다. 개통 초기 동대구- 부산 구간은 기존선을 이용했으나, 2010년 10월 경부고속철도 2단계 구간 (동대구-부산)이 완전 개통되면서 서울-부산 간 이동시간은 2시간 18분까지 줄어들었다. KTX는 편성당 20량으로 구성되어 있는데, 전후부에 동력차와 동력객차 가 연결되어 있고, 중간객차 16량이 관절대차로 연결되어 있다. 이 구성 은 16량까지 축소 편성이 가능한 유연성을 갖고 있다. 차체 소재는 강재이 며, 열차 길이 387.9m, 축중 17톤, 만차중량 77.2톤에, 승객정원은 특실 127 KTX KTX는 프랑스의 알스톰에서 도입되었 다. 프랑스의 고속열차 2세대 TGV-A를 기반으로 한국의 운행 여건에 맞게 변경 제작했는데, 전체 46편성 중 12편 성은 알스톰에서, 34편성은 알스톰으로부터 기술이전을 받아 국내 차량사 에서 제작했다. 경부고속철도 건설 사업은 1970년대 초반부터 프랑스, 일본 등의 교통 전 문가들이 오랜 연구를 거쳐 그 타당성을 검증한 사업이다. 1989년 5월 경부 고속철도 건설 방침이 결정된 후 사업 추진을 위해 1992년 3월 한국고속철 도건설공단이 설립되었으며, 1994년 6월에 프랑스의 TGV 시스템으로 차량 도입 계약이 체결되었다. 1992년 6월 대전-천안 구간 시험선 공사를 시작 명, 일반실 808명으로 총 935명이다. 또한 차량은 기밀(외부 기압의 영향을 받 지 않는 상태) 설계되어 있어 터널 내에서 이명 현상 없이 300km/h의 주행이 가능하다. 실내에 모니터와 오디오를 설비해 승객 편의성도 갖추었다. KTX가 운행되면서 전국은 2시간대 생활권으로 연결되어 경제, 사회, 문 화 등 사회 전반에 큰 변화를 몰고 왔다. 승객과 화물 수송 능력도 크게 증 가해 철도 주력 수송수단이 KTX로 바뀌었다. 시간편익(time benefit) 과 수 송혁명 으로 물류비용을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 기대된다. 현재 KTX는 철도 수요의 63%를 맡고 있다. 첨단 기술의 집약체인 고속열 차는 차세대 대표 교통수단으로서 철도의 새로운 르네상스 시대를 열어가 고 있다. 038 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 039

20 02 우리 힘으로 만든 한국형 고속열차, HSR-350X 연합뉴스 2004년 12월 16일, 한국형 고속열차는 시운전 시험에서 352.4km/h의 기 록을 달성했다. 이로써 우리나라는 세계 4번째로 고속철도 개발 기술 보유 국이 되었다. 한국형 고속열차는 G7 고속전철기술개발사업을 통해 개발된 고속전철시스템으로, KTX 시스템의 성능을 기반으로 국내 기술로 제작된 고속열차이다. 우리나라는 경부고속철도의 건설과 KTX의 도입으로 고속철도 보유국이 되었다. 그러나 진정한 철도 기술의 자립을 이뤘다고 말하기는 어려웠다. 진정한 자립은 궁극적으로 시스템 통합 기술의 확보로 완성되는데, 이를 확 보하지 못하는 한 해외 선진국에의 기술 의존을 탈피할 수 없다. 결과적으 로 국내 철도시스템의 주요 전장품 및 핵심 부품에 대한 기술 자립 기반이 취약해지는 중요한 요인이 된다. 1996년 12월부터 2002년 10월까지 G7 선도기술개발사업의 하나인 고속 전철기술개발사업이 착수되었다. 프랑스로부터 이전된 고속철도 자료와 기 술을 국내에서 효과적으로 소화 흡수하고 이를 기반으로 고속철도시스템 을 독자 개발할 수 있는 원천 설계기술을 확보하기 위한 사업이었다. 총 사 업비 2100억 원이 투입되어 최고속도 350km/h급 핵심 설계기술 확보와 최고속도 350km/h를 달성한 HSR-350X 한국형 고속열차 개발을 목표로 추진된 이 사업을 통해 7량 1편성의 한국 형 고속열차의 시제열차가 탄생했다. 이 시제열차의 이름은 HSR-350X로, High Speed Rail 350km/h experiment 의 약어이다. 고속전철기술개발사업의 연장선으로 2002년 12월부터 2007년 10월까지 는 이전 사업에서 개발된 한국형 고속열차의 실용화를 위해 신뢰성 확보와 성능의 안정화를 목표로 고속철도기술개발사업이 추진되었다. 즉 1단계인 고속전철기술개발사업(1996~2002년)에서는 고속전철의 시스 템 엔지니어링, 요소기술 연구 및 차량제작에 대한 기술개발을 통해 2002 년에 시제열차 7량 편성을 제작 완료하여 시험운행을 실시하는 성과를 올 렸으며, 2단계인 고속철도기술개발사업(2002~2007년)에서는 시스템 안정 화, 신뢰성 및 안전체계 구축에 대한 기술개발을 추진한 것이다. 그 결과 HSR-350X는 2004년 12월 16일 354.2km/h의 기록을 달성했고, 최종 20만 5000km 이상의 시험주행을 완료하면서 사업이 종료되었다. 한국형 고속열차는 디자인에서부터 핵심장치까지 순수 국내 기술로 설 계 제작한 우리 고유의 모델로서 국산화율을 약 92%까지 끌어올렸다. 고 040 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 041

21 속주행 시 공기저항과 소음을 해결하기 위해 첨단 공기역학 컴퓨터 해석프 로그램과 모형 풍동시험을 통해 동력차의 선두를 코 부분에서부터 지붕까 지 단일곡선을 유지하는 형상으로 설계 제작했다. 또한 공력설계를 한 결 과 KTX 대비 공기저항이 약 15% 감소하고, 터널통과 시 차량에 작용하는 외부압력이 약 8% 감소하는 것으로 나타났다. 한국형 고속열차는 에너지 절감과 열차의 가 감속 성능도 향상시켰다. 이를 위해 18.6m 알루미늄 압출재를 적용해 차체를 경량화했고, 1100kW 급의 고출력 유도전동기와 세계 최초로 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 방식 전력반도체 소자를 적용한 2.5MW급 대용량 전력변환장치 동력추진장치를 독자적으로 개발, 탑재한 것이다. 나아가 IT 기술을 접목시켜 기관사 운전정보 표시 방식을 디지털 방식으 로 바꾸었다. 또한 열차의 주요 장치마다 약 420개의 측정센서를 갖추고 중 요한 성능의 측정, 분석이 가능한 시운전 종합계측시스템을 자체 개발하여 운용함으로써 성능의 안정화와 신뢰성을 극대화했다. 최고속도 350km/h로 운행 가능한 한국형 고속열차는 동력차 2량, 동력 객차 4량과 객차 14량의 총 20량을 1편성으로 구성되며, 수송 수요에 유연 한국형 고속열차와 경부고속전철(KTX) 비교 주요항목 한국형 고속열차 KTX(경부고속전철) 최고속도 350km/h 300km/h 열차편성 20량, 10량 가변 중련 편성 20량 1편성 고정 객차차체 알루미늄 압출재(경량화) 마일드 스틸(steel) 전두부 공력해석( 空 力 解 析 )에 의한 독자설계 프랑스 설계 견인전동기 유도전동기 동기전동기 추진제어 IGCT 타입 사이리스터(thyristor) 타입 운전제어 디지털 방식 아날로그 방식 제동시스템 마찰 전기 와전류 제동 마찰 전기 제동 차체 기밀( 氣 密 ) 기밀 구조 + 여압장치 기밀 구조 을 둔 KTX-II(현 KTX-산천) 차량이 프랑스의 알스톰을 제치고 선정되어 실 용화에 성공하며 세계 시장 진출의 기틀을 마련했다. 향후 해외 고속철도 프로젝트에서도 활발히 참여하게 될 것으로 기대된다. 열차 상용화 후 20년 동안은 생산유발효과 약 26조 원, 부가가치유발효과 약 3조 원, 약 16만 명 의 고용창출효과가 예상된다( 실용화예비타당성 조사, 교통연구원). 또한 철도차량 사업의 성공적인 추진으로 차량설계와 제작기술을 비롯해 전기, 전자, 신호, 제어, 통신, 토목 등 관련 기술도 함께 발전할 것으로 기대된다. 성을 갖기 위하여 10량 중련 편성(각각의 편성된 열차 2대를 붙여 1대의 열차로 편성하는 것)이 가능하도록 설계되었다. 시제열차는 동력(운전)차 + 동력객 차 + 객차3량 + 동력객차 + 동력(운전)차 의 7량 1편성인데, 20량 또는 10량 편성 단위로 열차의 성능과 특성을 시험할 수 있도록 설계되었다. 한국형 고속열차와 현재 운행 중인 KTX와 간단히 비교해 보면 43쪽의 표 와 같다. 2005년 한국철도공사가 실시한 국제 입찰에서 한국형 고속열차에 기반 달리는 지식열차 사이리스터(thyristor) 전류나 전압의 제어 기능을 가진 반도체 소자이다. 트랜지스터로 감당하기 어려운 산업용 기기, 대형 컴퓨터 따위의 대전류와 대전압에 쓴다. KTX의 추진제어는 사이리스터 위상제어 방식인데, 이는 교 류를 직류로 변환하는 정류회로의 소자에 사이리스터를 사용해 출력 전력을 제어하는 방법이다. 042 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 043

22 03 대한민국에서 세계로! KTX-산천 KTX-산천은 우리 기술력으로 설계 제작되어 상용화된 최초의 고속열차 모 델이다. 프랑스에서 도입한 KTX의 운 행 경험과 G7 고속전철기술개발사업 (1996~2002) 및 고속철도기술개발사업 (2002~2007)을 통해 개발된 한국형 고속 터 1차 도입분이 모두 반입되어 고속선 주행시험이 진행되었다. 그리고 같 은 해 10월 13일, 서울역에서 열린 타자! 기차를! 발대식에서 정식으로 세 상에 공개되었다. 첫 운행은 2010년 3월 2일부터 경부선과 호남선에 각각 투입되어 시작했 다. 현재 경부선(서울-부산), 경전선(서울-창원), 호남선(서울-목포), 전라선(서 울-여수), 인천국제공항철도 구간에 24편성이 투입되어 운행되고 있다. 또한 2015년 개통된 호남고속철도와 조만간 개통 예정인 원강선(원주-강릉) 및 수서고속철도에도 투입될 계획이다. KTX-산천의 기본 1편성은 동력차 2량, 객차 8량의 총 10량 구성이다. 2 개의 편성을 한데 붙여 운행하는 방식의 중련 편성을 통해 20량으로도 운 행이 가능하다. KTX가 20량 고정편성으로 운행되는 데 비해, KTX-산천은 10량과 20량 운행이 별도로 가능하기 때문에 이용객 수에 따라 탄력적으로 운영할 수 있다. KTX-산천 열차(HSR-350X)의 기술력을 바탕으로 상 용 모델로 제작되었다. 한국형 고속열차 에서 개발된 알루미늄 압출재, 대차, 유도전동기 방식(변압기, 모터블록, 전동 기 등), 제동장치 및 TCN(Train Communication Network, 열차통신네트워크) 기술 등이 KTX-산천으로 실용화되었다. KTX-산천의 외부는 공기저항을 줄이기 위해 우리나라 토종 물고기인 산 천어의 이미지를 모티브로 하여 유선형으로 제작되었으며, 파란색, 흰색 도 색으로 산천어의 무늬도 형상화하였다. 이름 역시 산천어의 두 글자를 따서 산천 이라고 지었다. KTX-산천은 2008년 11월 25일 첫 양산차가 출고되었고, 2009년 9월부 KTX-산천의 중련 편성 반쪽날개의 환상누각 044 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 045

23 KTX-산천의 10량 편성 차량은 총 출력 8.8MW, 최대견인력 약 210kN이 KTX-산천의 주요 제원 다. 설계 최고속도는 330km/h, 운행 최고속도는 300km/h에 달한다. 정지 항목 내용 상태에서 300km/h까지 가속하는 데 걸리는 시간은 316초로 16.4km가 소 요되며, 정상 동력의 75%로 정상 속도 운행이 가능하다. 또한 핵심 기술인 추진제어시스템은 기술적으로 검증된 안정적인 전력소자인 IGBT를 사용한 인버터제어시스템을 기본으로 하여 유도전동기를 구동하는 방식으로 변경 되었다. 기존 KTX는 추진제어시스템으로 동기전동기를 사용했다. 이 외에도 KTX-산천은 열차 안에 설치된 컴퓨터 시스템도 개선했다. 운 전실에 2대의 모니터를 설치하고 차량 장비를 제어하는 첨단 제어모듈을 통해 열차제어 기술을 향상시켰다. KTX-산천의 차량 내 좌석은 1편성당 총 363으로, 특실은 1줄에 3석 배 열, 일반실은 1줄에 4석 배열이다. 모든 좌석이 회전 가능한 형태로 되어 있 어 기존의 KTX와 달리 역방향 좌석이 없다. 또한 좌석 간 거리가 50mm 늘 어나 쾌적성이 향상되었다. 편성 2P(동력차) 8T(객차) 열차길이 (m) 201 열차중량 (ton) 434 폭(width)/높이(height) (m) 2.97/3.73 축중 (ton) 17 좌석수 363(특실 30, 일반실 333)/410(33, 377) 차체 알루미늄 압출재 최대속도 (km/h) 330 운영속도 (km/h) 300 총출력 (MW) 8.8 최대견인력(tractive effort) (kn) 210 전력제어 IGBT사용 / VVVF 인버터 동력방식 동력집중 견인전동기형식/용량(kW) 유도전동기/1100 전력소자 IGBT 출력(kW)/중량(ton) 현재 대만, 미국, 중국, 브라질, 러시아 등 고속철도 건설을 추진 중이거나 계획하는 국가가 전 세계적으로 확대되는 추세이다. 이러한 시기에 국내 고 유 모델인 KTX-산천의 독자적인 기술력은 국내 고속철도 기술의 자립 및 선진화의 실현을 가능하게 만들 것이다. 이뿐만 아니라 해외시장 진출을 위 한 기술력 확보로 우리 산업계에 미치는 경제적 파급효과도 매우 클 것으로 예상된다. KTX-산천을 바탕으로 최근 건설된 호남고속철도 등 국내 고속철도 및 전 철화 노선의 수요를 자체 기술로 해결할 수 있을 것이다. 나아가 중국, 러시 아, 동남아 지역으로의 기술 수출에도 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 046 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 047

24 04 400km/h를 넘어 미래로! 차세대 고속열차, HEMU-430X 국내 철도 분야는 그동안 우리나라 실정에 맞는 독자적인 고속철도 기술 과 시스템을 구축하려는 노력을 꾸준히 지속해 왔다. 특히 프랑스, 일본, 독 일 등 철도 선진국들이 가 감속이 유리하며 수송용량이 높은 동력분산식 고속차량을 대상으로 속도 향상 기술경쟁에 매진함에 따라 우리나라도 이 러한 국제적인 철도 기술 개발환경에 대응하기 위해 동력분산식 고속철도 차량의 국내 기술 개발이 시급한 실정이었다. 이에 우리나라는 국내 최초의 동력분산식 고속열차인 차세대 고속열차를 개발했고, 현재 시제열차인 해 무(HEMU-430X) 를 시운전 중에 있다. 해무(HEMU-430X) 는 High-speed Electric Multiple Unit 430km/h experiment 의 약어로, 바다의 안개 해무(바다 海, 안개 霧 )처럼 미래를 기다 리는 상서로운 의미와 빠르게 달린다는 해무(빠를, 달릴 )의 의미를 나 란히 갖고 있다. 국토해양부의 미래가치 창출 10대 사업 의 일환으로 세계 최고의 고속철도 기술 확보를 목표로 추진되었던 차세대 고속철도기술개발 사업(2007.7~2012.9)의 결과물로, 최고 시험속도 430km/h급 동력분산식 고 속열차다. 차세대 고속열차는 현재 운행 중인 기존의 동력집중식 고속열차(KTX, 차세대 고속열차 KTX-산천)에 비해 가속성능 개선(300km/h까지 도달 시간 KTX-산천 대비 1분 42 초 단축), 최고속도 향상(운영 최고속도 : 300km/h 370km/h, 최고 시험속도 : 330km/h 430km/h), 최신 IT기술 적용(개별 좌석 LCD 장치의 운행정보, 긴급상 황 및 도착역 알림, 승무원 원격호출 기능, 공기청정도 자동감시 기능 등) 등을 실현 한 최신형 국산 고속철도 차량시스템이다. 축중도 가벼워(KTX 대비 20% 감 소) 철도 인프라 비용 및 시설물의 유지 보수 비용 절감이 가능하고, 가 감속 성능이 우수해 역 간 거리가 짧은 국내 운영 환경에 적합하다. 또한 유도전동기와 영구자석 동기전동기를 병행하는 독자적인 추진시스템과 공 기저항을 최소화시킨 유선형 전두부를 적용해 430km/h급 쾌속성을 보장 한다. 차세대 고속열차는 승객 편의성도 크게 향상시켰다. 자동회전식 안장 조 절기능이 있는 좌석, 승객의 선호도를 만족시키기 위한 다양한 좌석 배치, 048 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 049

25 신뢰성 검증 및 안정화를 위해 경부고속선(부산-광명 구간) 및 호남고속선 (광주-오송 구간)에서 영업열차 운행 사이에 본선 시운전을 수행하고 있다. 2014년 12월에는 누적 주행거리 10만 km를 돌파했다. 차세대 고속열차의 성공적인 기술 개발을 통해 우리나라는 동력집중식 및 동력분산식 모두에 대한 고속열차 제작 및 시험 평가기술을 확보하게 되 뉴타임즈코리아 었다. 프랑스, 중국, 일본에 이어 세계 4번째 고속철도기술보유국으로 도약 한 것이다. 이와 동시에 연간 250조 원에 달하는 세계 철도시장을 선점할 승객의 선호도를 만족시키기 위해 다양하게 배치된 좌석. 2등실(왼쪽)과 가족실(오른쪽) 인간공학적 공간 디자인과 실내 공간 증 대, 기존 고속열차와 동일한 수준의 객실 소음 차폐 등은 차세대 고속열차의 자랑 거리다. 고속열차의 안전성 향상을 위해 수 있는 토대도 마련했다. 현재 일본, 프랑스, 독일 등에서는 400km/h대의 고속철도를 개발하고 있 으나, 많은 기술적 어려움으로 상용화는 못하고 있는 실정이다. 따라서 우 리나라가 운영속도 370~400km/h에 성공하면 고속철도 선진국들을 제치 고 세계 최고 철도기술 보유국으로 우뚝 설 수 있다. 철도안전법에서 제시하는 성능 항목도 뉴타임즈코리아 모두 만족시키며, 유럽 시장 진출을 위 한 유럽 규격(TSI, Technical Specification for 인간공학적으로 설계된 운전실 Interoperability)에도 적합하다. 이 외에도 차세대 고속열차는 최적화를 통한 초경량 알루미늄 압출재 차 체, 고성능 제동시스템, 고속 대응 현가장치를 적용한 대차, 저소음 팬터그 래프, 차세대 차상컴퓨터제어장치, 최소형 보조전원장치, 고용량 소형 배터 리장치가 개발되어 적용되었다. 차세대 고속열차의 시제열차는 약 5년간의 연구 개발 과정을 거쳐 2012 년 5월 16일 출고되었다. 그리고 2013년 3월 28일 국내 최고이자 세계 4 위인 421.4km/h라는 최고 시험속도 기록을 달성했다. 현재 개발 시스템의 세계 각국의 고속열차 최고속도 기록 050 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 051

26 더 알아보기 한 층 더 업그레이드! 이층고속열차 철도차량은 시설물과 차량의 충돌을 방지하기 위해 차량의 크기에 대한 한계 를 정하고 있다. 이를 차량한계 라고 부르는데, 철도차량은 차량한계의 범위 내 에서 차량을 설계해야 한다. 이층고속열차는 승객이 탑승하는 객차를 차량한계에 가깝도록 최대한 크게 함으로써 복층 공간이 가능하도록 제작하는 고속열차 차량이다. 복층 공간은 객 차를 지지하는 2개의 바퀴 구조물 사이에 구성되는데, 1층은 일반 단층 차량의 위치에 비해 낮게 배치한다. 그렇게 함으로써 차량 전체 높이를 단층열차에 비 해 700~800mm 정도만 높게 하고 차량한계 범위 내에서 2층의 공간을 확보한 다. 복층 공간은 단층열차에 비해 객실의 공간을 1.5배 이상 확보하게 됨에 따라 수송력 증대 또는 서비스 공간 확대에 활용 가능하다. 따라서 이층고속열차는 이동 승객이 몰리는 특정한 시간대나, 명절과 휴가철 등 이용 승객이 많을 때 기 존의 일반 단층 고속열차를 대신해 운영된다. 열차는 도로를 달리는 자동차와 달리 철도를 이용하는 교통수단으로, 정해진 신호시스템에 의해 안전이 확보되는 간격 이상을 두고 운행된다. 따라서 자동차 처럼 많은 열차가 동시에 움직일 수 없으므로, 더 많은 열차 운행을 위해서는 선 로를 추가로 설치하거나 신호시스템 체계를 변경해야 한다. 그러나 2층 열차를 이용하면 선로의 추가 설치나 신호시스템 변경 없이 수송 력을 증대할 수 있다. 또한 수송력의 증대를 통해 승객 수는 많아지더라도, 열차 운행에 들어가는 비용은 기존 열차와 비슷해 승객 운임 비용을 줄일 수 있게 된 다. 이에 따라 더 많은 승객이 저렴한 비용으로 열차를 이용하게 되어, 열차의 이층고속열차와 열차의 내부 이용률을 증대시키는 효과를 가져 올 수 있다. 객실은 1층과 2층으로 넓어지게 되어 승객 편의시설의 추가 설치가 가능해지며, 좌석의 간격들을 넓히거나 좌석 의 다양한 배치를 통해 안락성을 향상시킬 수 있다. 또한 2층 객실에서는 시선 이 3m 정도의 높이가 되어 일반 열차에서 창밖을 바라볼 때보다 풍경을 즐기기 에 좋은 시야를 확보할 수 있다. 따라서 관광열차로 활용할 수도 있다. 단, 이층고속열차는 층과 층 사이를 이동하거나 다른 차량으로 이동할 때 계 단을 오르내려야 하기 때문에 일반 고속열차에 비해 이동경로가 복잡하다. 따라 서 계단, 출입문 및 차량 연결통로의 배치 시 승객의 이동경로를 최소화하고 편 리한 구조가 될 수 있도록 인체공학적 설계가 필요하다. 또한 열차의 크기가 커 지고 탑승객이 많아지면서 열차의 전체 무게가 증가하기 때문에 열차를 좀 더 가볍게 만들기 위한 연구도 필요하며, 열차 운행에 필요한 전기장치를 기존의 고속열차에 비해 가볍고 작게 제작하여 탑재할 수 있는 기술도 요구된다. 이와 더불어 무게중심이 단층열차에 비해 올라가는 특징을 고려하여 고속주행에도 안정성을 유지할 수 있는 흔들림 방지장치를 설치해야 한다. 052 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 2 우리나라의 고속열차가 달려온 길 053

27 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 3 01 열차 주행의 원리 02 열차는 얼마나 빨리 달릴 수 있을까? 03 고속열차의 구성 04 고속열차의 동력시스템 05 추진 성능 06 공력 성능 07 주행 성능 08 소음 저감 성능 09 점착 성능 10 제동 성능 11 집전 성능 12 차량 경량화 기술 더 알아보기 수송의 혁신, 고속화물열차 고속철도의 차량시스템 기술

28 01 열차 주행의 원리 (D1 D2)으로 레일과 접촉하면서 회전하게 된다. 윤축은 좌우 차륜이 결합 되어 있어 같은 회전수로 회전하는 좌측 차륜이 우측 차륜보다 더 많은 거 리를 달려 앞으로 나가려 한다. 상대적으로 우축 차륜은 우측으로 당기는 힘이 발생, 윤축을 원위치로 되돌아오게 한다. 우측으로 쏠리는 경우는 그 반대 현상이 나타난다. 이 현상은 곡선 구간에서도 그대로 적용되어 열차가 곡선 구간을 부드럽게 통과할 수 있게 한다. 차량이 주행하면서 가 감속을 할 수 있는 것은 차륜이 레일 위에서 미끄 열차의 주행은 궤도를 따 러지지 않는 힘, 즉 차륜답면과 레일과의 마찰력 때문인데, 이를 점착력 이 테이퍼 복원력 방향 차륜답면 라 전후 방향으로만 움직 라 한다. 구동력이나 제동력이 점착력보다 큰 경우 가속할 때는 공전(바퀴가 차축 이는 1차원의 자유도만 있 레일 위에서 헛돌아 바퀴의 회전속도가 커져서 바퀴만 고속으로 회전하는 현상)하고 D1 D2 다. 열차가 움직이는 데 쓰 제동할 때는 활주(제동 시 차륜이 레일 위를 미끄러지는 현상)한다. 이는 핵심 장치는 윤축이 동력을 가진 바퀴가 레일 면을 미끄러지지 않고 구동력과 제동력을 전달 레일 다. 견인전동기나 엔진 크 하려면 F μw의 조건이 필요하다. 자동차의 경우 F μw인 상태라면, 빗길 랭크축의 회전력을 받아 이나 눈길에서 출발할 때 바퀴가 헛돌거나 브레이크를 잡아도 미끄러지는 철도차량 윤축 1 회전운동을 하여 차량을 현상이 일어난다. 열차는 마찰이 발생하는 차륜과 레일이 모두 금속이어서 선로 위로 전 후진시키는 것이 윤축의 역할이다. 윤축은 차륜과 차축으로 구성되며, 선로 상에서 열차를 지지한다. 차륜에 서 레일과 항상 접하고 있는 부분을 차륜답면이라 한다. 좌우 한 쌍으로 이 자동차에 비해 마찰계수가 훨씬 적다. 이러한 악조건 속에서 어떻게 점착력을 차륜 루어진 차륜답면은 테이퍼(taper, 서로 상대하는 양측면이 대칭적으로 경사가 져 있는 상태)가 진 모양으로 레일 위를 구르게 된다. 열차는 기본적으로 주행 최대한 유효하게 이용하여 가 감속 및 제동을 반복 레일 윤중 W 점착(마찰)계수 방향을 바꾸는 조향장치가 없는데, 주행할 때 차량이 한쪽으로 쏠릴 경우 할 수 있을 것인가가 주요 경사진 테이퍼로 인한 복원력이 작용, 차량을 똑바로 운행할 수 있게 한다. 관건이다. 윤축이 좌측으로 쏠리는 경우 좌측 차륜은 우축 차륜보다 직경이 큰 부분 점착의 조건 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 057

29 02 열차는 얼마나 빨리 달릴 수 있을까? 주행방향 추진력 저항력 열차가 주행할 때 저항력과 추진력과의 관계 속도에서는 더 이상 속도가 증가하지 않고 등속으로 주행하게 된다. 프랑스에서 고속열차가 574.8km/h를 달성하고, 중국에서도 500km/h급 고속열차 시험이 진행되고 있는 등 철도 선진국 간에 치열한 속도 경쟁이 벌어지고 있다. 도대체 기차는 얼마나 빨리 달릴 수 있을까? 자전거를 생각해 보자. 가속할 때는 페달을 힘차게 구르면 된다. 마찬가지 로 열차도 속도를 높이려면 끄는 힘, 즉 추진력(견인력)을 증가시켜야 한다. 열차가 선로 위를 주행할 때 주행 방향의 반대 방향으로 열차 주행을 방 해하는 힘이 나타나는데, 이를 열차저항이라 한다. 열차저항은 크게 열차가 달릴 때의 공기저항, 차량의 베어링 등 회전 부분의 마찰저항, 오르막을 오 를 때의 구배저항, 곡선 구간을 통과할 때의 곡선저항 등으로 나뉜다. 결국 열차가 가속하는 데 소용되는 힘은 열차의 추진력에서 열차저항(공기저항 + 마찰저항 + 구배저항 + 곡선저항)을 뺀 값으로 표시할 수 있다. 고속열차의 추진력은 속도가 증가함에 따라 반비례하여 감소한다. 반면 주행저항은 속도가 증가함에 따라 증가한다. 특히 공기저항은 속도가 느릴 때는 속도에 비례하지만 속도가 빠를 때는 속도의 제곱에 비례하여 커지게 된다. 따라서 열차의 속도를 점점 높여 어느 속도에 이르면 열차저항이 추 진력과 같게 되어 더 이상 속도를 높일 수 없는 단계에 이르게 되는데, 이 이 속도가 곧 고속열차가 달릴 수 있는 최고속도이며, 이때의 속도를 균 형속도라고 한다. 현재 우리나라 KTX-산천의 최고속도는 경사도 5 (퍼밀, 즉 거리 대비 높이 비. 5퍼밀은 1000m 거리 이동 시 높이 5m 상승) 선로에서 최고 속도 약 348km/ h까지 가능하다. 하지만, 고속열차 운행 시 안전성과 경제성을 고려하여 현 재는 300km/h의 속도로 영업 운행하고 있다. 속도를 높이는 것이 마찰력(점착력)에 의해 제약받는 소위 차륜식(바퀴식) 열차는 400km/h 전후가 실제 운행할 수 있는 실용 속도의 한계라고 여겨져 왔다. 그러나 이를 극복하여 500km/h 이상의 고속에서 운행할 수 있는 고 속열차의 개발이 우리나라를 비롯한 철도 선진국들에서 진행되고 있다. 한편 레일과 차륜 사이의 마찰력에 의해 속도를 제한받는 차륜식 열차의 대안으로 점착력을 이용하지 않는 자기부상열차가 대두되고 있다. 특히 일 본과 독일에서는 500km/h 이상의 속도로 달리는 자기부상열차가 실용화 단계에까지 이르렀다. 자기부상열차는 추진력의 거의 모두를 공기저항을 이기는 데만 사용할 수 있기 때문에 속도 향상에 유리하고, 그래서 미래의 철도로 각광받고 있다. 058 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 059

30 03 고속열차의 구성 에 견딜 수 있는 일정한 강도가 필요하다. 이 때 문에 동력차는 차체 소재로 강재 및 복합재를 사 용하며, 객차는 차량 무게 감소를 위해 경량화된 알루미늄 압출재를 사용한다. 대차는 철도차량의 핵심 주행장치 중 하나다. 차량의 무게를 지지하고 현가장치를 통해 안락 한 승차감을 제공하며, 휠과 레일 간의 접촉을 고속열차가 주행하기 위해서는 여러 요소가 필요하다. 사람, 화물, 각종 기계장치를 탑재할 수 있는 차체, 차체를 싣고 레일을 달리는 대차, 차량에 전원을 공급해 추진력을 제공하는 동력장치, 차량 주요장치들을 제어하고 기능에 대한 모니터링을 수행하는 열차진단제어장치, 차량을 정지시키는 통해 차량을 추진시킨다. 또한 고속주행에도 안 정성을 보장해 준다. 견인전동기의 장착 여부에 따라 동력대차와 부수대차로 구분된다. 동력장치는 전차선에 공급되는 전기를 받는 제동장치 제동장치 등은 고속열차의 핵심 장치라고 할 수 있다. 차체는 차륜과 대차에 지지되며, 각 차체 전 후의 연결장치를 통해 연 결된다. 사람이나 화물을 싣고 주행하므로, 상하 좌우 전후 방향의 진동 집전장치인 팬터그래프, 팬터그래프를 통해 공급받은 고압전원을 차량에서 필요한 전압으로 바꿔 주는 주변압기, 주회로에 인가된 전원을 이용해 전류 의 형태, 전압, 주파수 등을 제어하는 추진장치인 주전력변환장치, 주전력변 환장치의 출력으로부터 차축에 회전력을 제공하는 견인전동기 등으로 구성 된다. 열차진단제어장치는 열차의 출발 고속주행 정지에 필요한 각종 기기 들을 제어하는 장치로서, 자동으로 운전을 제어하는 컴퓨터를 내장하고 있 다. 기본적으로 네트워크를 기반으로 구성되어, 차량 장치들의 정보 및 고 장 발생에 대해 신속하고 정확하게 대응한다. 제동장치는 열차가 계획된 속도 및 시간표에 따라 운행할 수 있도록 속도 를 억제 또는 감속하며 정해진 위치 또는 비상 시에 신속하고 완전한 정지 대차 를 할 수 있도록 설치된다. 060 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 061

31 04 고속열차의 동력시스템 시스템이 탑재되지 않는다. 동력분산식은 최근 국내에서 개발된 차세대 고속열차(HEMU-430X)와 같 이 동력을 차량에 분산 배치해 열차를 견인하는 방식으로, EMU(Electric Multiple Unit) 차량을 말한다. 견인전동기의 수와 용량은 열차가 운행될 노선 에 대한 선로 조건, 수송여객 수, 가속성능 등에 따라 결정한다. 동력집중식은 큰 추진력을 얻기 위해 동력차에 대용량의 추진시스템을 집중 설치한다. 따라서 구성이 단순하며, 부품수가 비교적 적고, 차량의 유 열차를 고속으로 달릴 수 있게 하는 가장 중요한 장치는 동력시스템이다. 고속열차의 동력시스템은 구성 방식에 따라 크게 동력집중식(Concentrative Power Type)과 동력분산식(Distributed Power Type)으로 나뉜다. 동력집중식은 KTX, KTX-산천과 같이 열차의 동력을 열차의 일부 위치, 즉 별도의 동력차에 집중 배치하여 열차를 견인하는 방식을 말한다. 동력차 는 전체 열차 편성의 전 후부 또는 전부에 위치한다. 동력차를 제외한 차 량은 승객탑승을 위한 객차와 기타 서비스를 위한 차량(식당차 등)으로, 추진 지 보수가 편리하다. 반면, 가속성능이 낮으며, 궤도에 부담을 주어 유지 보수 비용이 증가한다. 동력분산식 열차의 추진시스템은 주로 승객을 위한 객실 하부에 설치되 어 있다. 따라서 별도의 동력차가 필요한 동력집중식보다 열차 한 편성당 좌석 수가 늘어 승객 수송력 측면에서 경제적이다. 또한 교통수송량이 높은 구간, 지반이 연약해 축중을 낮춰 건설해야 하는 지역, 역 간 거리가 짧아 큰 가속성능이 필요한 노선 등에서는 동력분산식이 적합하다. 반면 차량가 차량 맨 앞과 뒤의 동력차에서 차량을 끄는 동력집중식 동력집중식 열차의 장단점 구 분 내 용 동력차 객차(동력 없음) 동력차 장 점 동력차에 동력시스템을 집약하여 설치함으로써, 열차 전체의 부품수가 적어 차량 가격이 낮다 동력시스템의 구조가 간단하고, 부품수가 적어 제작비가 낮다 동력시스템의 대용량이 가능해 큰 추진력을 얻을 수 있다 객실이 동력차와 분리되어 소음과 진동이 작다 동력시스템의 유지보수가 용이하며, 비용이 적게 든다 운전실객차(동력 없음) 동력 객차 동력이 각 차량에 분산 배치되는 동력분산식 동력집중식과 동력분산식 예시 운전실객차(동력 없음) 단 점 동력시스템이 동력차에 집중되어 차축 중량이 무겁다 차축 하중이 커져 궤도파손으로 인한 보수비가 증가한다 동력시스템 고장 시 정상운행이 어렵다 편성당 동력을 전달하는 차축수가 적어 가속력이 작다 제동장치의 분담률이 커서 유지 보수비가 많이 든다 062 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 063

32 터키 등 고속철도 건설 계획 국가 등에서 동력분산식 고속열차 적용을 검토 하고 있다는 사실에서 그 흐름을 알 수 있다. 동력분산식 열차의 장단점 중국의 동력분산식 고속열차, CRH3(왼쪽)과 CRH380D(오른쪽) 격이 높고, 소음 진동이 크며, 유지 보수 비용이 많이 들어간다는 단점이 있다. 동력집중식과 동력분산식은 각각의 장점과 단점을 갖고 있기 때문에 단 순 비교로 그 우수성을 결정하는 것은 어렵다. 어떤 방식을 채택할지는 열 차가 운행될 노선의 선로 환경 및 여객수송 요구에 따라 결정될 수 있다. 일본의 경우 태평양 연안에 위치한 화산국으로서 지반이 연약하기 때문에 열차의 무게를 여러 차량에 나누어 분산시켜야 할 필요성이 있어 도입 초 기부터 주로 동력분산식 고속열차를 운영하고 있다. 프랑스와 독일 등 유럽 지역에서는 도시 간 거리가 비교적 멀고 평야지역과 산악지역을 장거리로 운행해야 할 필요에 따라 주로 동력집중식을 운용하고 있다. 최근 고속철도의 개발은 동력분산식을 채택하는 추세이다. 속도 300km/h 를 초과하는 고속영역에서의 점착력 한계, 궤도 유지 보수 비용 증가, 수송 용량 증대의 필요성 등의 이유로 동력분산식이 주목받고 있다. 지금까지 동 력집중식 고속열차를 고수해 왔던 독일과 프랑스가 최근 신규 고속열차 개 발 시 동력분산식으로 전환한 일본, 중국 등의 최근 건설 노선들과 브라질, 구 분 장 점 단 점 내 용 편성조성이 다양해 수송 수요에 쉽게 대응할 수 있다 구동축이 많아져 가 감속 성능이 우수하다 동력 구동축이 분산되어 차축 중량이 작아 궤도 손상이 적다 편성당 좌석수가 많아 경제적이며, 동력 구동측이 많아 전기제동의 분담율이 높다 일부 동력시스템 고장 시에도 정상 운전이 가능하다 동력장치가 분산되어 있고, 전기장치 부품 수량이 많아 유지보수비가 많이 든다 객실 하부에 추진시스템이 설치되어 소음 및 진동이 크다 추진시스템이 복잡해 제작이 어렵고, 고가이다 064 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 065

33 05 추진 성능 유도전동기는 고정자 권선에 3상 교류전원을 인가하여 회전 자계( 磁 界 )를 형성하면 회전자에 전류가 유기되고, 유기된 전류에 따라 자계가 형성되어 고정자의 회전자계에 따라 전원이 없는 회전자에도 회전력이 발생하는 원 리로 동작한다. 동기전동기의 고정자는 유도전동기와 동일하지만 회전자가 영구자석으로 구성되어 유도전동기의 경우와 같이 자화( 磁 化 )가 필요 없어 고정자의 회전자계에 따라 회전하는 구조로 되어 있다. 일반적으로 유도전동기는 내구성이 우수하고, 제작비용이 저렴하며, 유 고속열차의 추진 성능은 견인전동기에서 나온다. 견인전동기에서 발생하 는 회전력을 차축에 전달하여 발생된 견인력에 의해 열차가 달리게 된다. 따라서 견인전동기와 견인전동기 제어를 위한 전력변환장치의 동작원리를 이해하는 것이 중요하다. 고속열차의 추진시스템은 전차선에서 전류를 공급받아 고성능의 견인전 동기를 회전시켜 나오는 힘을 차륜에 전달하여 필요한 견인력으로 고속의 추진력을 얻는 원리로 동작한다. 현재 고속열차에 주로 사용되는 견인전동 기는 유도전동기와 영구자석형 동기전동기다. 지 보수비도 적다. 반면 영구자석 동기전동기에 비해 무게와 부피가 크고 효율이 낮다. 영구자석 동기전동기는 제작비용이 많이 소요되며 유도전동 기에 비해 내구성이 떨어지지만 효율이 높은 장점을 가지고 있다. 전차선에서 공급받는 전원은 단상 25kV이며, 대부분의 고성능 견인전동 기는 3상의 전압을 입력받아야 동작이 가능하다. 따라서 단상 전압원을 3상 전압원으로 변경하기 위한 장치가 필요한데, 이를 전력변환장치라 한다. 68쪽의 그림과 같이 주변압기는 팬터그래프에서 받은 단상 교류 25kV 의 전원을 입력받아 전력변환장치의 입력 전원에 맞도록 단상 교류 1400V(1.4kV)로 전압을 낮추어 주는 기능을 한다. 외부 팬 프레임 컨버터는 일반적으로 교류를 직류로 변환하는 장치이며, 인버터는 직류 고정자 권선 회전자 철심 및 케이지 베어링 를 교류로 변환하는 장치이다. 전력변환장치는 입력받은 단상 교류를 컨버 터를 통해 직류 2800V 전압으로 평활하며, 평활된 직류전압은 인버터를 통 해 견인전동기에 입력이 되는 3상 교류전원을 생성한다. 이러한 과정을 통 고정자 철심 해 단상 교류전원은 원하는 크기의 3상 교류전원으로 변환하게 된다. 높은 전압과 전류를 효과적으로 제어하기 위해서 IGBT(Insulated Gate 유도전동기의 구조 Bipolar Transistor)라는 전력소자와 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 사용 066 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 067

34 교류 1.4kV IM 1 교류 25kV IM 2 주변압기 컨버터 직류 2800V 인버터 주집력변환장치 추진시스템의 구조 주변압기 되고 있다. PWM 제어는 일정한 신호 주기 내에서 Duty 비(일정한 주파수를 가진 어떤 신호가 존재할 때 그 신호가 한 주기당 어느 정도 ON 상태가 되는지를 나타 내는 비율)를 변화시켜 평균전압을 제어하는 방법이며, IGBT는 PWM 제어를 통해 높은 전력을 제어할 수 있는 기능을 갖춘 스위칭 소자이다. 전력변환장치는 상기의 원리를 이용하여 견인전동기를 제어하며 열차를 추진하는 역할도 수행하지만 제동 기능도 가지고 있다. 전력변환장치가 가 진 제동 기능은 전기제동 이다. 전기제동은 다시 회생제동과 저항제동으로 구분된다. 회생제동은 열차의 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 제동력 을 발생시키고, 발생한 전기는 전력공급선을 통해 되돌려 다른 차량에서 다 시 한 번 사용할 수 있도록 하는 방법이다. 저항제동은 회생제동을 사용하 지 못하는 경우 발생한 전기를 저항기를 통해 열로 변환시켜 발산시키는 방 법이다. 달리는 지식열차 3상 교류 3상 교류란 3개의 선에 전압도, 주파수도 같은 3개의 교류를 120 씩 위상(Phase)을 늦추어 흐르게 하는 것을 일컫는다. 위상이란 주기적인 신호의 한 사이클, 또는 한 주기 내에서 시작 시점을 기준으로 위치나 시간 차이를 나타내는 값이다. 068 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 069

35 06 공력 성능 물체와 공기의 상대 운동에 따라 둘 사이에 작용하는 힘이며, 이 힘과 관계 된 열차의 성능이 공력 성능이다. 일반적으로 어떤 물체가 느끼는 공기저항은 속도의 제곱, 공기의 밀도, 물체의 운동방향의 투영 면적(물체에 평행 광선을 투사했을 때 배후의 평면상에 생기는 그림자의 면적)에 비례하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 우리가 걷 는 경우에는 공기로부터 받는 저항이 크게 느껴지지 않지만 빠르게 달리거 나 자전거를 타고 움직이는 경우에는 저항이 더 크게 느껴지게 된다. KTX 공기와 물체의 상대적인 운동에 의해 물체가 받는 저항을 공기저항이라 고 한다. 달리 말해 물체가 공기 중에서 움직일 때 이 움직임에 저항하는 힘 이라고 할 수 있다. 공기 속을 물체가 이동하게 되면 공기를 헤치면서 나아 가야 하기 때문에 물체 주변 공기의 흐름에 변화가 생기고 그 변화에 의해 공기저항이 생기게 된다. 그러므로 지구상에서 움직이는 사람을 포함한 모든 물체들은 공기저항 을 받게 된다. 예를 들어 우리가 양팔을 벌리고 운동장을 뛰어가게 되면 느 껴지는 저항이 바로 우리 몸이 받는 공기저항이다. 즉 공력(또는 공기력)이란 와 같은 고속열차의 경우 운행 시 열차가 받는 공기저항이 무궁화호나 새마 을호와 같은 저속열차에 비해 매우 크게 나타나게 되며, 따라서 공기저항의 중요성 또한 훨씬 커지게 된다. 일반적으로 단순한 형상이 아닌 복잡한 형상을 가진 물체의 경우 그 형상 에 따라 공기저항이 달라진다. 고속열차의 경우에도 복잡한 형상으로 인해 형상의 변화에 따라 공기저항이 변화하게 된다. 그러므로 동일한 추진력으 로 더 나은 성능을 내기 위해 고속열차의 공기저항을 줄이려는 연구가 활발 하게 진행 중에 있으며, 공기저항이 더 작은 형상을 만들어 내거나, 투영 면 적을 줄이려는 시도를 통해 공기저항을 절감하려는 노력을 기울이고 있다. 대기 공기저항 물체 물체의 이동방향 땅 물체의 이동과 공기저항 070 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 071

36 07 주행 성능 유도 시스템이며, 이러한 다자유도 시스템에서는 자유도 수만큼의 진동모 드가 존재한다. 철도차량에서는 차체 롤링, 대차 피칭, 윤축 요잉 등과 같이 진폭이 가장 크게 나타나는 부분의 명칭과 진동의 차수를 조합하여 진동모 드로 명칭하고 있다. 철도차량에서 발생하는 진동이나 충격의 원인은 다양하다. 대표적인 것 으로 궤도의 틀림과 불연속, 궤도의 변화, 차륜과 레일의 접촉, 차량기기의 진동 등이 있다. 이 중 가장 큰 진동의 요인인 궤도틀림에는 상하틀림, 좌우 고속철도차량은 강체(힘을 받아도 형태가 잘 변하지 않는 물체)로 볼 수 있으 며, 각 차량에 대해 열차진행방향, 열차진행좌우방향, 열차진행상하방향에 대한 3방향 병진운동(강체의 운동 중에 각 점의 동일한 평행 이동만으로 이루어지 는 운동)과 이들 각각의 둘레로 회전하는 회전운동으로 6개의 자유도를 갖 는다. 열차진행방향인 x축 둘레로 회전하는 운동을 롤링(Rolling), 좌우방향 인 y축 둘레로 회전하는 운동을 피칭(Pitching), 상하방향인 z축 둘레로 회전 하는 운동을 요잉(Yawing)이라고 한다. 틀림, 궤간틀림 등이 있다. 철도차량에서 승차감은 진동, 소음, 냄새, 온도, 습도, 시각적 자극 등의 많은 요인들에 의해 영향을 받는다. 그중 가장 큰 영향을 미치는 것은 진동 이라고 할 수 있다. 이러한 진동을 억제하기 위해 철도차량에는 윤축과 대 차 사이에 1차 현가장치를, 대차와 차체 사이에 2차 현가장치를 설치하게 되는데, 현가장치는 스프링, 댐퍼(damper, 충격이나 진동을 약하게 하는 장치) 등 으로 구성된다. 철도차량은 다수의 차체, 대차, 윤축, 각종 현가장치로 구성되는 다( 多 )자 대차 차체 연결장치 2차 현가장치 모터 z Side View(측면 뷰) 감속장치 Rail Top(레일 상면) 요잉 x 롤링 윤축 z Front View(전면 뷰) 대차 프레임 y 피칭 Rail Top(레일 상면) 1차 현가장치 고속철도차량의 진동 모드 철도차량의 대차 072 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 073

37 승차감을 향상시키기 위해 다음과 같은 다양한 기술들이 사용된다. 할 수 있다. 1 사행동 특성의 개선 철도차량의 차륜은 원추형으로, 답면 구배(경사)를 가지고 있다. 이 답면 구배에 의해 차축이 레일의 한쪽으로 치우쳤을 경우 올바른 위치로 되돌리 는 복원력(자기조향)을 주어 곡선 구간을 원활하게 통과할 수 있다. 차륜의 4 윤축의 질량 언밸런스 관리 및 차륜 찰상 방지 차체의 전후진동에 대한 원인인 질량 언밸런스를 관리하거나, 차륜의 공 전과 활주를 방지해 차륜 찰상을 적게 하면 윤축에서 발생하는 진동을 방지 할 수 있다. 답면 구배에 의한 자기조향 기능은 윤축에 좌우방향의 운동을 일으키는 원 인이 되는데, 심할 경우 사행동을 일으킨다. 사행동은 주로 직선부를 고속 으로 주행할 경우 차체나 대차, 차축들이 연직축 둘레 방향으로 회전진동을 일으키는 현상이다. 이는 철도차량의 좌우방향 승차감을 떨어뜨리는 요인 이며, 심하면 차체나 궤도에 손상을 일으킨다. 사행동을 억제하려면 댐퍼의 제원과 차륜답면 형상을 최적화하고, 곡선 통과 성능을 악화시키지 않는 범 5 곡선 주행 시의 승차감 향상 기술 곡선 주행 시 초과 원심가속도를 억제해 승차감을 향상시키는 방법으로 차체경사장치(틸팅장치)가 실용화되고 있다. 또한 공기스프링의 위치를 높 게 하거나 안티롤(Anti-Roll) 기구를 설치하면 곡선 통과 시 차체가 밖으로 기울어지는 것을 방지할 수 있다. 위 내에서 축 간 거리, 대차중심 간 거리를 길게 하는 방법이 있다. 2 현가장치 최적화 차체를 지지하는 스프링계는 부드러운 것이 승차감을 높이는 경향이 있 지만, 차체의 변위( 變 位 )가 차량한계 내에 있어야 한다. 사행동 특성과 차량 한계와의 균형을 이루면서 스프링의 강성과 댐퍼의 감쇄( 減 殺 )계수 등을 적 절히 설계해야 한다. 6 능동형 현가장치의 적용 철도차량에는 진동을 억제하기 위해 1, 2차 현가장치가 적용되어 있는데, 종래에는 특성값이 고정되어 있는 수동형 현가장치를 적용했으나, 최근에 는 제어기술 발전으로 능동형 현가장치를 적용하는 사례가 늘고 있다. 능 동형 현가장치는 진동을 검진한 센서가 제어기를 통해 진동을 억제하기 위 한 신호를 액추에이터에 보내고, 신호를 받은 액추에이터는 진동을 저감하 도록 차체에 제어력을 가하는 방식이다. 능동형 현가장치를 적용하면 각 속 3 대차의 중량 감소 차축과 기어박스 등의 스프링하 질량, 대차프레임과 모터 등의 스프링 간 도대역별로 다른 현가장치 특성값을 적용할 수 있어, 열차가 운행하는 전체 속도대역에서 승차감을 향상시킬 수 있다. 질량을 작게 하여 주행안정성을 향상시키면, 외력에 의한 차체 진동을 저감 074 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 075

38 08 소음 저감 성능 고속철도 차량의 기계장치에 의한 실내소음은 견인전동기, 기어박스, 냉 방장치, 팬터그래프 등 각종 기계장치가 구동되면서 발생한다. 이를 위해 기계장치의 구동 시 발생하는 소음을 분석하고 설계 변경을 통해서 소음발 생을 억제시키거나, 소음을 흡수하는 흡음재 등을 부착해 소음을 저감하고 있다. 차륜과 레일에서 발생하는 전동소음을 줄이기 위해서는 차륜과 레일 의 거칠기(표면의 거침 정도) 를 줄여주는 삭정을 수행하거나, 차륜과 레일에 댐퍼를 적용하는 연구가 수행되고 있다. 고속철도 차량에서 발생하는 실외소음은 선로 변에 거주하는 주민들에게 고통을 주는 공해로 인식되고 있어 법령으로 규제하고 있다. 차량 실내소음 의 경우에는 이러한 환경소음과 달리 법령으로 규제하지는 않지만 승객의 승차감에 중요한 요소로 인식되고 있기 때문에 실내소음 저감을 위한 노력 을 기울이고 있다. 고속철도 차량의 소음원은 차량에 장착되어 있는 장치에 의한 기계적 소 음, 차륜-레일의 접촉에 의한 전동소음, 그리고 고속에서 발생하는 공력소 고속열차는 300km/h 이상의 속도로 운행되고 있기 때문에 차량의 전두 부, 팬터그래프, 차량 연결부, 대차 등에서 발생하는 공력소음이 일반 철도 차량에 비해 매우 크다. 따라서 고속열차 설계 시 공력 해석을 통한 전두부 형상 최적화를 적용하고 있다. 차량 연결 부위에서도 공기 유동에 의한 소 음이 발생하므로 가능한 연결 부위를 없애거나 최적 설계를 통해 발생하는 소음을 저감한다. 또한 팬터그래프에 대해서는 집전판과 지지봉에서 발생 하는 유동 발생을 최소화하도록 설계해 소음 발생을 줄이고 있다. 음 등이 있다. 펜터그래프 소음, 공력 소음 공조계 소음 공력 소음 공력 소음 차륜 레일 소음 기계소음 고속철도차량의 소음원 고속열차 소음 발생 주요 부위 076 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 077

39 09 점착 성능 관계를 갖게 되며, 최대 가속도는 점착계수에 의해 결정된다. F =m a= m g a= g 여기서, F는 구동력, a는 열차 가속도, m은 열차 질량, 는 점착계수, g는 중력가속도를 나타낸다. M R ξ V ω V ωr 철도차량의 차륜과 레일은 자중(물건 자체의 무게) 때문에 탄성변형이 발생하 며, 타원형의 접촉면을 형성한다. 이 접 촉면에는 마찰력이라 할 수 있는 점착력 이 생기며, 이 힘에 의해 열차는 움직이 게 된다. KTX의 점착계수 열차속도[V, km/h] 0~ ~300 점착계수 (V - 200) 열차의 제동력이 점착력의 한계를 초과하는 경우 활주가 발생하며, 활주 가 심한 경우에는 차륜의 미끄러짐에 의한 마모라 할 수 있는 찰상이 발생 F r F w 차륜과 레일의 점착 현상 구동력은 열차를 움직이기 위해서 필 요한 힘이다. 최근에 개발되거나 운행되 되어 손상되는 경우도 있다. 는 열차는 대부분 전기를 이용한 전동기에 의해 구동된다. 전동기에서 발생 한 구동력은 전동기 감속장치와 연결샤프트, 차축 감속장치와 윤축을 거쳐 차륜에 전달된다. 점착력은 열차의 진행 방향과는 반대 방향으로 작용해 열차를 가속시켜 견인전동기(모터) 차축 감속장치 움직이게 한다. 점착력의 한계 내에서는 구동력이 크면 클수록 열차를 빠르 게 가속할 수 있지만, 점착의 한계를 벗어나면 아무리 구동력을 크게 해도 차륜이 공전하여 가속도가 증가하지 못하게 된다. 따라서 구동력의 최대값 모터 감속장치 연결샤프트 (별칭: 트라이포드 샤프트) 은 최대 점착력에 의해 제한되므로 열차의 가속도와 점착력은 다음과 같은 감속장치 078 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 079

40 10 제동 성능 여 제동력을 발생시킨 다. 전기에너지로 변환 된 만큼 열차는 운동에 너지를 잃게 되어 감속 제동밸브 선두차 공기 압력 주공기통 압축기 조정기 되며, 이때 발생된 전기 는 전력공급선을 통해 회수되어 다른 열차에 배기 제동관 보조 제어밸브 제동통 공기통 고속열차의 제동은 물체의 운동에너 서 재사용되거나 변전 지를 공기압을 이용한 마찰력을 열에너 소로 보내진다. 이러한 차륜 제륜자 지로 바꿔 소모시키는 공기제동과 운동 제동을 회생제동이라고 에너지를 전기에너지로 변환시켜 소모 한다. KTX 제동 블록도 캘리퍼 시키는 전기제동으로 구분된다. 공기제동은 차량의 주공기압축기에서 얻어진 압축공기를 이용하여 생성된 제 동압으로 제동력을 얻는다. 제동압이 제 동장치의 피스톤 혹은 캘리퍼(제동패드를 제동디스크에 밀착시켜 차륜을 잡아주 는 장치)를 작동시키면 제동패드가 차륜의 답면이나 제동디스크에 밀착되어 마찰력을 발생시키면서 제동력이 작용한다. 반대로 피스톤 혹은 캘리퍼에 작동하는 제동압을 배출시키면 제동력이 풀려 차륜이 자유롭게 회전할 수 있다. 전기제동은 기본적으로 발전기의 원리와 같다. 철도차량은 추진 시에는 견인전동기에 전기를 공급해 운동에너지로 변환시키지만, 반대로 제동 시 에는 전동기가 발전기의 역할을 하여 운동에너지를 전기에너지로 변환하 한편 회생제동을 사용할 수 없는 환경에서는 발생된 전기를 저항기에 통 과시켜 열로 발산시킴으로써 제동력을 얻게 되는데, 이를 저항제동이라고 부른다. 고속열차는 수백 톤의 중량, 300km/h 이상의 속도를 갖고 있기 때문에 그 운동에너지는 통상 100km/h로 달리고 있는 승용차의 2000~3000배에 달한다. 따라서 제동에 들어가는 에너지 역시 승용차의 수천 배 이상이다. 이런 특수 환경으로 인해 공기제동과 전기제동을 함께 사용하여 충분한 제 동력을 확보하고 있다. 또한 열차가 달리는 도중 연결된 차량이 분리될 경우 분리된 앞뒤 차량 모두 안전하게 정지할 수 있도록 자동으로 제동이 걸리게 한다. 이를 위해 평소 공기를 저장해 두었다가 저장된 공기를 외부로 배출하는 양이 커짐에 따라 제동력이 증가하도록 설계한다. 080 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 081

41 11 집전 성능 집전판 모든 전동열차는 전 차선으로부터 전기를 KTX의 GPU 팬터그래프(프랑스 파블레사) KTX-산천의 CX 팬터그래프(프랑스 페블레사) 상부암 공압 벨로우즈 주샤프트 하부암 댐퍼 공압라인 고속열차의 팬터그래프 구조 공급받아 추진력을 발 생시킨다. 이때 전차선 으로부터 전기를 받아 차량으로 전달하는 장 치가 바로 팬터그래프 (pantograph)이다. 고속 열차에서는 고속에서 의 공기저항 및 소음을 저감하기 위해 팬터그 래프의 크기를 최소화한다. 지하철처럼 속도가 낮은 경우는 큰 문제가 없지 만 고속철도처럼 속도가 높아지면 팬터그래프에 의한 공기저항과 소음 발 생이 커지기 때문이다. 고속열차에는 보통 2개의 팬터그래프를 차량의 앞 뒤로 설치하는데, 소음과 공기저항 저감을 위해 진행 방향에서 볼 때 뒤쪽 팬터그래프는 공기압을 이용해 구조물 을 상승시켜 집전판과 전차선을 접촉시 킨다. 공압라인을 통해서 차량으로부터 공기압을 공급받아 공압 벨로우즈를 팽 창시키면 주샤프트(축)가 회전하면서 하 부암 및 상부암을 들어올려 집전판이 전 차선과 접촉할 수 있도록 해주는 구조다. 현재 국내에서 운용 중인 고속열차용 HEMU-430X의 팬터그래프 (유진기공산업) 팬터그래프는 3종이다. KTX 차량에 장착되어 있는 GPU 팬터그래프, KTX 산천에 장착된 CX 팬터그래프, 마지막으로 해무(HEMU-430X) 에 설치된 팬 터그래프이다. 각 제품별로 모양과 구조는 조금씩 상이하나, 상부암, 하부 암, 벨로우즈, 집전판으로 구성된 기본 구조는 공통점을 갖는다. 팬터그래프 1개만 올리고 운행하게 된다. 082 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 083

42 12 차량 경량화 기술 체 무게의 약 40%를 담당하는 가장 무거운 부품이다. 차체는 열차의 윗부 분인 객실, 지붕 및 부속실을 포함하는 곳으로, 철도차량 전체 무게의 약 20~30%를 차지한다. 대차의 경우 경량화를 위해 주로 대차를 구성하는 부품들을 소형화하는 추세이다. 대차의 무게는 레일에 직접적으로 부과되므로 대차의 경량화는 레일에 가해지는 부담을 줄이는 가장 중요한 기술이다. 차체의 경우 경량화를 위해 다양한 소재들이 적용되고 있다. 아래 그림은 철도는 다른 운송수단에 비해 친환경적인 운송수단이다. 하지만 다른 운 송수단에 비해 높은 승객당 중량(승용차 대비 4배, 항공기 대비 2배)으로 인해 건설비 및 유지 보수비가 많이 요구된다. 철도의 이러한 문제점을 극복하 기 위해서는 철도차량의 경량화 기술이 필수적이다. 열차에서 가장 무거운 부품은 대차, 차체, 그리고 전기장치들이다. 특히 대차는 철도차량의 무게를 지탱하고 열차를 견인하는 장치로, 철도차량 전 이러한 차체 소재의 변천과정을 나타낸 것이다. 철도가 출현한 과거에는 차 체를 목재로 제작했으나, 차량이 고속화되면서 연강 스테인리스강 알 루미늄합금으로 변화되어 왔다. 미래에는 밀도가 알루미늄의 2/3 정도에 달하는 첨단 탄소섬유 및 마그네슘합금이 적용될 것으로 기대된다. 이러한 신소재가 적용될 경우 차체의 무게는 스테인리스강 대비 약 50%, 알루미늄 대비 약 30% 이상 가벼워질 것으로 예상된다. 대전도시철도 KTX-II 마그네슘합금 하이브리드 (알루미늄+복합소재) KTX-I 알루미늄 (부분압출) 알루미늄 (완전압출) 서울메트로 소재 스테인리스 연강 목재 목재+연강 연도 철도차량용 대차의 경량화 추세 철도차량 차체의 소재 변천 084 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 085

43 더 알아보기 수송의 혁신, 고속화물열차 고속복합화물열차의 승객 승 하차 및 화물 적재 개념 고속화물열차는 폭발적으로 증가하는 물류시장에 대응하여 고부가가치 화물을 기존 고속철 도 인프라를 활용하여 300km/h 의 속도로 수송하기 위한 고속 화물철도 시스템 기술이다. 즉 철도 고유의 고속성, 정시성, 신속성을 살린 300km/h급 수송 시스템을 구현하는 것이다. 핵심기술로는 물류 상하역 시간 단축을 위한 화물 자동 환적(운송 중 화물 을 다른 운송수단에 옮겨 싣는 것) 시스템과 도로, 항공, 항만 등 타 교통수단과의 신 속 연계를 위한 레일포트(rail port, 상하역 환적 및 이송 시설을 갖춘 고속철도화물 전용 기지. 공항터미널, 도심화물터미널, 항만화물터미널 내에 위치)기술 개발이 있다. 고속화물열차 기술이 가지고 있는 고속성, 정시성, 신속성을 극대화하기 위해 서는 물류 상하역 성능 고도화를 비롯해 수송주행 안전성 확보를 위한 화물 체 결장치의 성능 고도화도 매우 중요하다. 특히, 첨단산업에 대한 고부가가치 대 상 물품의 신뢰성 있는 수송을 위해 화물적재 최적화 및 화물 추적관리 시스템 기술이 확보되어야 한다. 철도 네트워크 내 화물 수송뿐만 아니라 타 교통수단 과의 원활한 연계를 위한 인터모달 수송(inter-modal transport, 다수단 연계수송. 하 나 이상의 교통수단을 이용하는 방식) 관련 기술 및 운영모델 구축 역시 중요하다고 할 수 있다. 해외의 경우 프랑스의 TGV Postal, MGV, TGV Fret이 대표적이다. TGV Postal 은 1984년 알스톰에서 TGV 여객열차를 기반으로 개발한 열차다. 프랑스 우체 국인 La Poste에서 270km/h로 운영되고 있는, 현존하는 세계에서 가장 빠른 화 물열차다. 주로 취급하는 화물은 우편물이다. MGV는 1997년 화물기관차의 고속선 운행사용 허가를 계기로 시작한 고속 화물 서비스로, 샤를드골공항과 항공철도화물터미널 간의 복합운송 체계를 구 축하여 200km/h의 속도로 운행 중에 있으며, 지속적으로 네트워크를 확장하고 있다. 프랑스 철도 운영회사인 SNCF는 우편물 이외의 품목에 대한 화물 수송에 좀 더 적극적으로 고속서비스를 도입하기 위해 TGV Fret 철도화물서비스를 개발 했다. TGV Duplex 차량을 기반으로 40개의 10ft 전용 컨테이너를 160km/h로 수송하고 있다. 이 외에도 Euro CAREX(CArgo Rail EXpress) 프로젝트가 2016년 첫 노선 개통 을 목표로 추진되고 있다. 이 프로젝트는 유럽대륙 국가 간 트럭 또는 항공기를 통해 수송되는 화물들을, 기존 고속철도망을 활용해 300km/h 이상의 속도로 수송함으로써 철도물류로의 전환을 위해 구상된 것이다. 일본은 신칸센 구간 화물수송을 실행하고 있는데, 홋카이도 신칸센 회사는 일 부 구간을 일반 화물열차와 복합적으로 운영하고 있다. 우리나라 또한 한국철도기술연구원에서 CTX(Cargo Train Express) 개발 프로 젝트가 진행 중에 있으며, 고부가가치가 높은 고속화물열차에 대한 원천기술을 확보하려는 노력이 이루어지고 있다. 086 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 3 고속철도의 차량시스템 기술 087

44 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 4 01 고속철도의 선로, 이렇게 생겼어요 02 고속열차의 갈림길과 교차로 03 고속열차로 강 건너기 04 터널, 산 넘고 바다 건너 05 열차와 사람이 만나는 곳, 기차역 06 천재지변으로부터 철도를 보호하는 기술 더 알아보기 토목의 뜻을 알려드립니다 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까?

45 01 고속철도의 선로, 이렇게 생겼어요 일반적으로 궤도는 레일, 레일을 받쳐 주는 침목(sleeper 또는 tie), 레일을 침목에 고정해 주는 체결장치(또는 레일체결장치 ), 그리고 레일과 침목으 로 받치는 열차 무게를 노반에 골고루 분포시켜 주는 역할을 하는 도상으 로 이루어진다. 궤도가 견고하지 않으면 열차의 안정된 주행이 불가능하다. 또한, 열차의 반복 주행으로 궤도는 조금씩 변형되기 때문에 항상 일정한 상태가 유지되도록 손질해야 한다. 이를 위한 작업을 총칭하여 보선( 保 線, maintenance)이라 한다. 대부분의 열차는 비행기나 선박, 자동차와는 달리 정해져 있는 길 위로만 달릴 수 있다. 이와 같이 열차의 바퀴를 안내(guide)해 주는 역할을 하는 길 을 우리는 선로 라고 부른다. 선로는 열차가 정해진 속도로 달리기에 충분 한 선형( 線 形 )을 가지고 있어야 한다. 더불어 열차의 무게를 지탱할 수 있을 만큼 튼튼해야 한다. 그래서 선로는 견고한 노반( 路 盤 ) 위에 만들어져야 한 다. 노반은 교량, 터널, 토공 등 다양한 구조물로 구성된다. 상부로부터 전 달되는 열차 하중을 안전하게 지지하므로, 그 노반 위에 우리가 궤도( 軌 道, track)라고 부르는 구조가 놓이게 된다. 레일은 좌우 간격이 일정하게 유지되도록 침목에 의해 고정된다. 침목은 본래 졸참나무, 너도밤나무, 소나무 등의 목재에 크레오소트 등의 방부제를 주입한 목침목을 사용했으나, 최근에는 철근에 긴장력( 緊 張 力 )을 주어 강화 한 PC(Prestressed Concrete, 프리스트레스트 콘크리트)침목을 사용한다. PC 침목 은 목침목에 비해 내구성과 안정성이 우수하고, 장대레일(long rail)에도 적합 하다. 이 밖에, 내구성과 경량성이 우수한 합성수지제의 합성침목 등도 개 발되어 일부 사용되고 있다. 한편 철침목은 자갈의 파괴가 증가되는 등의 문제로 우리나라에서는 널리 쓰이지 않는다. 하지만 일반 침목보다 궤도의 궤도는 열차의 바퀴를 직 레일 체결장치 자갈 접 안내해 주는 레일을 지지 하는 역할을 하기 때문에 열 차 하중이 직접 작용하게 된 다. 따라서 그만큼 견고해야 침목 레일 궤광 체결장치 도상 침목 할 뿐만 아니라, 선형을 쉽고 빠르게 조정할 수 있는 구조 레일 궤도의 구성 를 갖춰야 한다. 자갈 궤도 자갈 궤도의 구조 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 091