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

46 높이를 낮게 만들 수 있고, 안정성이 높다는 장점이 있어서 외국의 경우 속 도가 낮은 구간에서 널리 사용되고 있다. 또한 종 방향으로 침목을 배치한 종침목(세로 침목) 등과 같이 최근에는 자갈층에 가해지는 하중을 보다 넓게 분포시켜서 궤도의 파괴를 줄이기 위한 특수한 침목이 개발되고 있다. 궤도는 크게 자갈 궤도와 슬래브 궤도로 구분된다. 자갈 궤도(Ballast track) 는 자갈을 쌓아서 도상을 만든 궤도를 말하며, 자갈도상궤도라고도 한다. 재래식 궤도이지만 건설비용이 상대적으로 적게 들고, 궤도틀림이나 변형 이 발생했을 때 쉽게 바꿀 수 있다는 장점도 있어 아직까지 국내뿐만 아니 으로 대신한 것을 슬래브 궤 도(slab track)라고 한다. 콘크 리트로 자갈층을 대신한 콘크 리트 슬래브 궤도와 아스팔트 노반 위에 침목을 올리고 레 일을 고정한 형식의 아스팔트 슬래브 궤도가 개발되어 있 다. 슬래브 궤도는 자갈 궤도 부드러운 고무를 사용한 체결장치 라 전 세계적으로 가장 널리 사용된다. 그러나 자갈 궤도는 열차가 빠른 속 도로 자주 운행되면 자갈입자가 부서지고, 노반에 박히거나 옆으로 밀려나 는 등의 변형이 수반하게 된다. 이러한 변형은 결국 궤도의 선형을 나쁘게 만들어 열차의 주행 안전을 위협하고, 승차감도 악화시킨다. 따라서 자갈 궤도는 끊임없이 유지 보수를 해야 하고, 많은 인력과 유지비가 소요되는 단점이 있다. 와 비교할 때 콘크리트나 아스팔트 층에 의하여 훨씬 더 견고하다. 또한 자 갈 궤도처럼 영구 변형이 발생하지 않기 때문에 훨씬 더 안정적일 뿐만 아 니라 더 오랜 기간 동안 유지 보수가 필요 없게 된다. 대신 슬래브 궤도에 서는 자갈 궤도에서 충격을 흡수해 주는 자갈층이 없기 때문에, 열차에 의 한 충격과 진동을 줄여 주기 위하여 체결장치에 더 부드러운 고무를 사용하 거나 침목 아래에 고무판을 설치하기도 한다. 자갈 궤도의 단점을 보완하기 위해서 자갈층을 콘크리트나 아스팔트 등 슬래브 유지 볼트용 구멍 레일 전단돌기 아스팔트 또는 콘크리트 노반 체결장치 CA모르타르 또는 토목섬유 콘크리트 패널 또는 광폭침목 콘크리트를 사용한 슬래브 궤도 슬래브 궤도의 구조 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 093

47 02 고속열차의 갈림길과 교차로 코레일 코레일 열차를 다른 궤도로 주행시키기 위해서는 2개의 레일을 교차시킨 분기 고정크로싱과 결선부 가동크로싱 기(turnout) 라는 특별한 시스템이 필요하다. 분기기는 포인트부, 리드부, 크로싱부로 구성되어 있다. 포인트부는 열차 의 주행 방향을 결정하는 텅레일이 있는 부위다. 이 텅레일을 움직이는 것 에 의해 기준선 측 혹은 분기선 측으로 열차 주행 방향이 형성된다. 열차 주 행 방향 구성에 있어서, 직선에 가까워 고속으로 주행할 수 있는 쪽을 기준 선 측이라 부른다. 이 기준선 측에서 일정한 각도를 가지고 분기되며, 분기 에 있어 속도를 부득이 제한하는 쪽을 분기선 측이라 한다. 리드부는 포인 트부 후단에서 크로싱부 전단에 이르는 곡선 구간, 크로싱부는 기준선 측과 분기선 측의 분기기 내측 레일이 교차하는 개소를 가리킨다. 현재 국내의 고속선에서는 열차가 300km/h로 고속 주행하기 때문에 분기 기에는 주행 안전 확보를 위한 특별한 안전장치들을 필요로 한다. 대표적인 안전장치로 고정크로싱과 가동크로싱을 들 수 있다. 기존선에 적용되고 있는 분기기에는 열차의 차륜 플랜지(차륜이 레일로부터 벗어나지 않도록 돌기시킨 부분)가 크로싱부의 기준선 측과 분기선 측의 분기기 내측 레일이 교차하는 개소를 통과할 수 있도록 플랜지웨이(근접한 레일 사이를 차륜 플랜지가 통과하는 경우 레일 머리부 사이의 간격) 폭을 확보하기 위하여 결선 부를 두고 있다. 이를 고정크로싱이라 한다. 열차가 고정크로싱을 통과할 때 결선부에 의해 충격이 발생하여 주행 안 전이 저하될 수 있다. 고속분기기에서는 이러한 충격이 발생하지 않도록 충 분한 길이를 가진 노스를 움직이도록 하여 결선부를 없앤 안전장치를 적용 했는데, 이것이 바로 가동크로싱이다. 국토교통부 국내에서는 경부고속철도 2단계 구간에는 독일의 고속분기기를 부설했 다. 반면 2015년 4월에 개통한 호남고속철도 구간(오송-광주 송정)에는 국내 분기기의 구성 에서 개발한 고속분기기를 적용하는 성과를 이루어냈다. 094 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 095

48 03 고속열차로 강 건너기 적 형식에 따라 단순 거더교(simple girder bridge, 거더란 건설 구조물을 떠받치는 보로, 보통 I형이나 상자형 단면으로 만든다), 트러 스교(truss bridge), 아치교, 라멘교, 현수 교, 사장교, 엑스트라도즈교(extradosed bridge) 등으로 구분한다. 우리나라 고속 철도 교량의 대부분은 PC를 재료로 하 원시 시대 냇물에 돌다리를 놓은 것으로 시작된 교량은 18세기 산업 혁명 고, 단순 거더교의 한 형태인 PC 박스거 고속철도 엑스트라도즈교 으로 인해 철강이 대량 생산 되면서부터 본격적으로 발전하기 시작했다. 이 어 19세기에 시멘트와 콘크리트가 발명되면서 눈부신 발전을 이룩했다. 작 은 냇물을 연결하던 교량이 깊은 계곡을 건널 수 있게 하고, 커다란 강과 바 다를 통과할 수 있게 해주었다. 즉, 사람과 사람을 연결하는 것에서 나아가 산업과 산업을, 문화와 문화를 연결하게 된 것이다. 교량은 건설 재료에 따라 강교와 콘크리트교로 나눌 수 있다. 대부분의 콘크리트교는 콘크리트 내부에 강재로 만든 케이블을 넣어 더 큰 하중을 견 디게 하는 PC(프리스트레스트 콘크리트)를 재료로 쓴다. 교량은 통행 대상에 따라 사람이 건너 는 보도교, 자동차가 주로 다니는 도로 교, 그리고 기차가 지나다니는 철도교로 구분할 수 있다. 영종대교처럼 자동차와 열차가 함께 사용하는 복합교량도 있다. 더교(box girder bridge, 상자형 교량)로 구성되어 있다. 최근에는 케이블을 이 용해 지지하여 길이를 훨씬 늘인 엑스트라도즈교도 건설된 바 있다. 강과 산이 많은 우리나라는 고속철도를 건설함에 있어서도 교량이 많 은 부분을 차지한다. 경부고속철도의 경우 총 연장 418.7km 중 교량은 28.7%인 114.5km이며, 호남고속철도는 총 연장 231.0km의 거의 절반인 111.7km(48.4%)가 교량으로 건설되었다. 고속철도 교량은 300km/h 이상의 매우 빠른 속도로 열차가 달리기 때문 에 일반 철도교에 비해 더더욱 안전하고 편안함을 제공해야 한다. 1990년 대, 처음 고속철도(경부고속철도 1단계)를 건설할 당시에는 이러한 교량에 대 한 경험이 거의 없어 유럽이나 일본 같은 철도 선진국의 기술을 많이 따라 야 했다. 그러나 경부고속철도 2단계와 호남고속철도를 연이어 건설하면서, 국내의 철도교량 기술은 비약적인 발전을 이룩하여 우리 고유의 설계기술 과 시공기술을 갖추게 되었다. 고속철도 교량을 설계하기 위한 기준도 우리 기술로 만들어 제정했으며, 다양한 현장 조건에 맞는 최첨단 시공법을 개발 고속철도 PC 박스거더교 좀 더 일반적으로는 교량의 모양과 구조 했다. 096 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 097

49 04 터널, 산 넘고 바다 건너 열차를 포함한 모든 교통수단은 사람 과 물건을 원하는 장소로 안전하고 편리 하게, 그리고 신속하게 옮기는 것이 주 목적이다. 터널은 이들 목적 가운데서도 터널을 통과하는 고속열차 특히 신속한 이동을 위한 방편으로 개발 된 것이다. 비행기를 제외한 모든 교통 수단의 신속한 이동을 위해서는 교통수 단의 속도를 증가시키는 것이 선행되어 야 하지만, 이동 경로의 직선화도 중요하다. 자동차의 경우는 도로, 열차의 경우는 철도의 직선화가 실현되어야 한다. 이동 경로에 곡선이 많거나 곡선 반경이 작은 경우(급커브)에는 안전을 위해 속도를 줄일 수밖에 없다. 대부 분의 교통수단은 감속과 가속을 반복하면 에너지 효율이 저하된다. 열차도 예외가 아니다. 이동 경로를 직선화할 경우 가장 문제가 되는 것은 산이다. 따라서 이동 경로를 결정할 때 가능한 한 산을 피해서 적절한 예산으로 원하는 성능을 갖출 수 있도록 몇 가지 계획을 비교 검토한다. 그러나 부득이한 경우, 즉 일본의 세이칸 터널 예산이 과다 투입 된다거나, 높은 산에 의해 이동 경로를 확보하지 못할 때 는 산을 관통하는 터널을 건설하게 된다. 최근에는 산을 관통하는 터널뿐만 아니라 강을 가로지르는 터널, 국가와 국가 간 또는 육지와 섬을 연결하기 위해 바다 밑을 가로지르는 해저터널도 건설하고 있다. 현재 운행되고 있는 철도 해저터널로는 영국과 프랑스를 연결한 터널과, 일본의 북해도와 하코 다테를 연결하는 세이칸 터널이 대표적이다. 우리나라에서도 오래전부터 일본과 연결되는 해저터널 및 제주도까지의 해저터널 건설에 대한 의견이 나오고 있다. 최근에는 해저터널보다 건설비 가 저렴하고 건설 공기(공사하는 기간)를 단축시킬 수 있는 해중터널 연구를 진행 중이다. 해저터널은 바다 밑 지반을 관통하여 건설하는 터널이지만, 해중터널은 바닷속에 떠 있는 터널이다. 098 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 099

50 저심도 지하철 개념도 해중터널 개념도 앞에서 언급한 산을 관통하여 만든 터널은 산악터널 이라 부른다. 그런 데 우리가 평상시에 자주 접하는 터널은 산악터널보다는 도시에 건설되어 있는 지하철일 것이다. 터널의 일종인 지하철을 산악터널과 대별하기 위해 할 수 있다는 장점이 있지만 아직까지는 연구 단계이다. 지금까지 알아본 것처럼 터널은 산뿐만 아니라 도심지와 바다에까지 활 발하게 건설되고 있다. 향후 터널은 더욱더 안전하고, 더욱더 경제적인 구 조물로의 발전이 기대된다. 도시터널 이라 부른다. 깊은 땅속에 터널을 굴착하여 조성하는 지하철, 즉 도시터널은 도시 내에 이미 건설되어 있는 빌딩과 도로 등에 영향을 받지 않도록 건설한다. 이 도 시터널은 역과 역 사이를 가장 빨리 이동할 수 있는 최적의 수단이다. 따라 서 지금까지도 가장 많이 이용되고 있다. 대부분의 지하철은 도심지 깊은 지하로 운행을 하고 있다. 이 때문에 지 하철 건설에 많은 비용과 기간이 소요된다는 단점을 피하기 어렵다. 최근에 는 기존의 도로를 따라 지하철을 건설하는 저심도 지하철에 대한 연구가 진 행되고 있다. 저심도 지하철은 공사비가 저렴하고 이용자가 편리하게 이용 100 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 101

51 05 열차와 사람이 만나는 곳, 기차역 코레일 정거장은 열차에 여객이 타고 내리고, 화물을 싣고 내리는 시설을 말한 조차장에서의 열차 점검 신호장 다. 철도 운영을 위한 주요 시설로서, 여객과 화물 수송의 거점이다. 현재 고 속열차 정거장은 그 도시의 상징적인 역할을 하고 있다. 교통거점으로서의 역할은 물론, 더 나아가 상업과 업무를 위한 공간으로도 활용되고 있다. 효 율적인 정거장 시설은 도시의 경제 발전과 질적 성장을 이끌어 낼 수 있는 원동력이 된다. 수행하는 업무에 따라 정거장은 조금 더 상세히 구분된다. 여객과 화물을 취급하는 철도 영업을 위한 역, 여객이나 화물은 취급하지 않고 열차의 정 거 교행 추월 등을 관리하는 신호장, 열차 점검과 세차 및 소독을 실시하 고, 차량의 입환(차량의 분리와 결합, 차량이 선로를 바꾸는 전선 등의 작업)을 수행 하는 조차장으로 나눌 수 있다. 정거장은 완공 후 개량이 어렵기 때문에 정거장을 계획할 때는 장래 수송 량 증가를 예상하여 그 규모와 위치를 결정해야 한다. 따라서 여객과 화물 이 모이는 중심에 가깝고, 도로와 항공 등 다른 교통수단과의 연계 수송 및 환승이 편리한 곳에 만들어야 한다. 또한 정거장 간격도 적정하게 유지하는 것도 중요하다. 승강장은 기관사가 열차 전체를 볼 수 있도록 설계되어야 한다. 또한 여 객이 안전하게 타고 내릴 수 있으려면, 가능한 한 승강장 부근의 선로는 직 선 구간으로 하는 것이 좋다. 아울러 열차가 멈췄을 때 굴러 내려가는 것을 방지하기 위해 가능한 수평으로 만들어야 한다. 정거장의 배선은 평면선형 및 종단선형(선로의 기울기나 세로 곡선처럼, 선로 의 긴 쪽 방향의 고저 변화 형상)과 함께 열차 운전의 효율성을 좌우하는 중요 한 사항이다. 특히 차량기지는 효율적인 작업, 차량의 원활한 입출고가 가 능하도록 배선 계획을 수립해야 한다. 정거장의 선로는 크게 본선과 측선으로 구분되는데, 본선은 열차를 출 발 도착 통과시키기 위해 항상 사용되는 선로이며, 측선은 그 이외의 선 로를 말한다. 정거장 구내는 모든 선로가 가능한 한 수평이고 직선인 것이 좋다. 그러나 지형상 부득이한 경우나 분기기의 배치 등으로 곡선 배치를 하게 된다. 또 정거장 내의 모든 선로 간에는 궤도 중심 간격을 다른 곳보다 더 넓게 하는데, 이는 신호기와 표지 등의 설치가 많기 때문이며, 아울러 각 종 구내 작업을 원활하게 하기 위함이다. 102 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 103

52 06 천재지변으로부터 철도를 보호하는 기술 우리나라에서는 매년 5월부터 10월까지 장마, 태풍, 집중호우 등의 천재 지변으로 인해 재해가 발생하고 있다. 철도 안전에 영향을 미치는 대표적인 자연 현상은 온도, 강우, 지진, 바람, 번개, 천둥 등이다. 이로 인한 철도 인 프라의 재해는 열차운행 제한 및 중단, 기찻길이 휘어지는 궤도 좌굴, 산사 태나 지반붕괴와 같은 지반구조물 피해, 배수시스템 불량에 의한 침수, 터 널 교량 전차선 등의 손상으로 나타난다. 이와 같은 재해로부터 고속열차와 철도 인프라를 보호하기 위해 어떤 노 력을 하고 있을까? 가장 먼저 진행되는 것은 철도 인프라에 대한 조사 및 점검으로 현재 상태를 평가해 재해우려 인프라 를 추출하는 일이다. 다음 으로는 재해우려 인프라에 대한 보수 보강을 단계적으로 시행하여 지금보 다 튼튼하게 성능을 개선하는 것이다. 모든 철도 인프라를 동시에 보수 보강하려면 막대한 비용이 들어간다. 따라서 제한된 예산으로 좀 더 많은 숫자의 인프라에 대한 안전을 확보하기 위해 감시시스템을 설치해 인프라의 상태를 실시간으로 평가한다. 교량, 터 널, 지하철, 급경사지, 전차선 등 대상별로 특화된 실시간 감시시스템은 자 연재해 발생 시 철도 피해를 최소화한다. 우리나라는 세계적인 IT기술을 활 강우 시 열차 운전규제기준(예) 용한 첨단 모니터링 시스템을 개발하고 있으며, 무인항공기인 드론(drone) 을 이용한 구조물 안전 확보 방안도 개발 중이다. 철도에는 다른 교통시스템과 다른 독특한 재해최소화 방안이 존재한다. 바로 운전규제기준 이다. 이는 각종 자연재해가 우려되는 시점에 주의, 서행, 정지 등의 지시로 열차의 운행을 통제하여 재해를 회피할 수 있도 록 돕는 것이다. 현재 일반 철도에서는 전국 208개소에 설치된 강우량계를 통해 자동으로 실시간 강우량 정보를 얻어내며, 이 정보를 활용해 강우 시 열차 운전규제기준 과 연동된 강우자동경보시스템 을 운용하고 있다. 경부 고속철도의 경우 과열방지시스템, 지장물 검지장치, 열차 접근경보장치, 레 일온도 검지장치, 자동화 기상관측시스템이 설치되어 있으며, 이 데이터를 이용해 고속열차의 운행을 자동으로 제어하고 있다. 가까운 미래에 철도 안전은 유비쿼터스 환경을 이용해 강화될 것이다. 철 도 인프라와 고속열차 모두에 센서(IoT, Internet of Things. 사물인터넷. 생활 속 사물들을 유무선 네트워크로 연결해 정보를 공유하는 환경)가 설치되어, 실시간으 로 안전운행 정보를 전송함으로써 자연재해에 대응하게 될 것이다. 104 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 105

53 더 알아보기 Asadal 토목의 뜻을 알려드립니다 만리장성 토목( 土 木 )은 지구를 조각하는 종합 예술이다. 선조들은 토목학을 제왕학 ( 帝 王 學 ) 이라고 불렀다고 한다. 제왕학 이란 왕가에서 후계자에 대해 어린 시 절부터 시키는 특별 교육을 일컫는다. 이러한 특별 교육 에 토목학이 포함된 것은 역사적으로 왕들의 가장 중요한 일 중 하나가 치산치수( 治 山 治 水 )였기 때문일 것이다. 치산치수가 제대로 되지 않으면 곧 자연재해로 연결됐고, 백성들은 자연재해를 왕의 부덕의 소치로 여기 는 풍토가 있었기에 어떤 왕도 치산치수에서 완전히 자유로울 수 없었다. 치산치수 에서 치산 은 국토 개발을 의미한다. 치수 는 물의 자원화를 가리 킨다. 토목공학을 오행( 五 行, 우주 만물을 이루는 다섯 가지 원소인 쇠, 물, 나무, 불, 흙 을 말한다)의 관점에서 보면, 토목( 土 木 ) 은 단순히 흙과 나무 가 아니다. 오행에 서 토 는 지구를, 목 은 인공 자연 시설물을 뜻한다. 이러한 의미에서 토목을 지구를 조각하는 일이며, 우주 전체를 다루는 학문으로 바라볼 수 있다. 한편, 유럽에는 시민 공학(civil engineering) 이라는 단어가 있다. 18세기 중엽 에 생겨난 이 단어는 전쟁에서 승리하기 위한 무기 개발에 치중하는 군사 공학 (military engineering) 이라는 단어에 대응해서 탄생한 것이다. 도로, 수도처럼 시 민의 편의를 위한 기술을 가리킨다. 즉 유럽에서는 시민을 위한 모든 공학이 토 목이었던 것이다. 하지만 현대에는 분야별 공학이 모두 독립되어 있고, 건설 및 환경과 관련한 고유의 업무만을 갖고 있는 분야를 토목공학이라 부른다. 고대 중국의 만리장성과 로마의 아피아가도는 토목공학의 정수( 精 髓 )라 할 수 있는 건축물들이다. 이 두 건축물은 흙과 돌만으로 지은 것인데, 수천 년이 지난 지금까지도 튼튼하게 건재하고 있으니, 실로 놀라울 뿐이다. 하지만 마냥 놀라 고만 있다면 조금 곤란하다. 오늘날에도 흙과 물만을 사용해 댐, 철도, 도로 등 의 사회간접자본을 건설하고 있으니까! 그러고 보면 흙과 돌의 힘은 참으로 대 단하다. 고속열차가 주행하는 선로인 기찻길은 바로 토목공학의 각종 기술을 적용하 여 건설된다. 제아무리 빠른 고속열차 가 개발되어도 달릴 수 있는 길이 없다 면 무용지물 아니겠는가? 고속철도 선 로는 고속열차가 안전하게 달릴 수 있 도록 구조, 지반, 수리( 水 理 ), 수문( 水 文 ) 등의 다양한 분야의 여러 기술을 적 용하고 있다. 아피아가도 106 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 4 고속철도 인프라에는 뭐가 있을까? 107

54 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 5 01 철도신호는 왜 필요할까? 02 열차 속도에 따라 발전한 철도신호 03 철도신호의 발전 04 우리나라 고속철도의 철도신호 05 철도신호 방식의 혁신, 무선통신 기술 06 고속철도와 지하철의 안전 설비 07 미래의 철도신호는 어떻게 바뀔까? 더 알아보기 미래로 씽씽! 레일 위로 600km/h! 철도에도 신호등이 있어요

55 01 철도신호는 왜 필요할까? 시작하자 안전을 위해서 철도변에 일정 한 간격을 두고 사람(폴리스맨)을 배치했 다. 폴리스맨은 통과하는 열차에게 손으 로 진행 또는 정지 신호를 보냈다. 영국 의 그레이트 웨스턴 철도의 경우, 열차가 통과한 후 10분 동안은 정지 신호를 보 냈고, 다음 7분 동안은 주의 신호, 17분이 열차 운전자(기관사)는 철도변 또는 운 경과하면 통과 신호를 보냈다. 그 후 오 열차 운전실에 설치된 신호표시 장치 선로변에 설치된 신호기 전실 안에 설치되어 있는 신호기(신호등) 를 확인하고 열차의 출발, 주행 및 정차 를 제어한다. 철도신호를 사용하는 목적 은 열차와 열차 간 충돌사고를 방지하는 것이다. 열차 운전에 자동운전, 무인운전 기술을 적용하면서 열차 간 충돌사고뿐 만 아니라 열차와 철로에 있는 장애물(일 반인, 작업자, 낙하된 장애물 등)과의 충돌사 고 방지 효과도 확대되었다. 열차의 제동거리는 자동차의 제동거 래지 않아 신호기가 탄생했고, 폴리스맨을 대신해 열차에 신호를 보내게 되 었다. 이어서 세마포어(semaphore)라고 불리던 완목식 신호기(기둥에 붙인 가 로대를 올렸다 내렸다 함으로써 열차의 운전 조건을 지시하는 신호기)가 등장했다. 폴리스맨이 일정한 시간 간격을 두고 수신호를 바꾸는 방식(시간 간격법) 은 사고 위험이 크다. 산기슭의 곡선 구간 또는 터널 등에서 고장으로 열차 가 정차하고 있으면, 후속열차가 이를 알 수 없으므로 고장 난 차량과 추돌 하는 사고가 발생한다. 이러한 사고를 막기 위해 폴리스맨은 앞선 열차의 고장을 확인하면 후속열차가 따라오는 방향으로 달려가서 수신호로 정지신 호를 보낸다. 또는 소형폭탄(뇌관)을 레일 위에 설치해 후속열차가 이 폭탄 을 밟고 지나가면서 폭발음을 듣게 하는 방법으로 위험을 알려준다. 이 방 리보다 2배 이상 길다. 열차는 브레이크를 밟아도 신속히 정차할 수 없다는 의미다. 이에 따라 철도에서 충돌사고를 막고 열차 진로를 알기 위해서는 독특한 신호방식이 필요하다. 열차가 처음 개통된 무렵에는 열차의 속도가 그다지 높지 않았기에 말을 탄 사람이 신호를 선도했다. 철도가 건설되고 열차가 본격적으로 운행하기 법은 야간이나, 안개 등으로 폴리스맨의 수신호를 확인하는 것이 어려울 때 효과적이다. 또한 이 방법은 선행 중인 열차의 고장 유무와 관련 없이 선행열차와 후 속열차 간의 일정한 거리를 유지하는 방식, 즉 거리 간격법이 등장하는 계 기가 되었다. 110 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 111

56 02 열차 속도에 따라 발전한 철도신호 개량된 제동장치, 폐색장치와 연동장 치는 철도의 안전시스템을 개선하는 데 크게 기여했다. 그러나 사람의 주의력에 의지하고 있어서 사람이 실수를 하면 대 형사고로 이어질 우려가 늘 존재했다. 사 람의 실수란, 기관사의 신호기 확인 실 수, 역 근무자의 분기기나 신호기 취급 W 철도가 처음 탄생했을 무렵, 최대 관심사는 기관차를 빨리 달리게 하는 실수 등을 말한다. 일본 여객열차에 설치된 ATS 것이었고, 상대적으로 제동에는 관심이 적었다. 그 시절 철도는 속도가 느 리고, 기관차가 끄는 객차나 화차의 수량도 적었으므로 제동설비가 큰 문제 가 되지 않았기 때문이다. 그러나 1870년대 들어 열차 속도가 100km/h에 도달하고 운행 횟수도 증가하면서 대형 철도사고가 잇달아 발생했다. 따라 서 이러한 사고를 방지하기 위해 제동장치의 개량, 폐색(block)장치 및 연동 장치의 필요성이 요구되었다. 열차는 고속으로 달리다가 전방에 정차한 열차를 발견하고 제동을 인가 했을 때는 이미 늦은 상태가 되어 추돌사고를 피하기 어렵다. 이러한 열차 추돌사고를 막기 위해서 열차방호라는 개념을 생각해냈다. 전신기가 발명 되면서 철도에서 가장 먼저 도입한 개념으로, 선행열차가 다음 역에 도착한 것을 전신기로 이전 역에 연락하는 방법이다. 이를 통해 후속열차를 안전하 게 출발시킬 수 있다. 이 열차방호 개념은, 일정 시간이 경과하면 열차를 출 발시키는 시간 간격법에서, 선행열차의 도착을 확인하고 다음 열차를 출발 이러한 사람의 실수를 막는 대책은 궤도회로다. 궤도회로는 선로에 설치 된 두 개의 레일에 전류를 흘려두고, 열차가 블록으로 진입하면 열차의 차 축으로 전류가 흐르도록 해서 열차가 위치한 곳을 확인할 수 있는 장치다. 이를 이용해 신호기나 분기기의 조작실수를 방지할 수 있다. 궤도회로의 길이는 지하철의 경우 200m, 새마을호가 달리는 일반철도는 600~800m, KTX 고속철도의 경우는 1200m이다. 궤도회로를 사용한 안전시스템으로 대형 철도사고는 줄었지만, 1920년 대부터 급행열차가 운행하는 간선철도에서 대형사고가 발생하기 시작했다. 궤도회로도 기상악화로 인해 기관사가 지상에 설치된 신호기를 확인하지 못하는 일까지는 막지 못했다. 이에 따라 기관사가 정지신호를 확인하지 못 했을 때 즉시 차내에 경보를 울리는 경보장치를 설치하게 되었다. 경부선, 호남선 등 국내 간선철도에는 ATS(Automatic Train Stop, 자동 열차정지 장치)라 는 신호장치가 설치되어 있다. 시켜 안전한 간격을 확보하는 거리 간격법으로의 전환이다. 이 거리 간격법 은 현재 철도에 적용되고 있는 폐색시스템의 시초가 되었다. 112 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 113

57 03 철도신호의 발전 철도신호는 선행열차와 후속열차 간 추돌사고를 방지하기 위해서 도입 되었다. 현재 열차를 검지하는 궤도회로를 적용한 거리 간격법을 사용하고 있다. 철도 초창기, 기관사는 말을 타고 철도 선두에서 달리는 기마사가 빨간 깃발을 이용해 알려 주는 신호를 직접 보면서 열차를 운전했다. 이후 역과 철도가 나누어지는 분기개소에 폴리스맨을 배치해 수신호로 진행 열차에 대한 진행 주의 정지 를 표시했다. 수신호에서 한 단계 발전한 신호기는 완목 신호기이다. 완목 신호기란, 기둥 위에 직사각형 모양의 완목(어깨막대)을 설치하고, 가로대의 각도에 의 해 신호를 나타내는 신호기다. 사람이 손으로 레버를 움직이고, 그 움직임 을 케이블로 전해 가로막대를 작동시키는 방식으로 되어 있다. 1841년 영 국의 찰스 그레고리는 먼 거리에서 직사각형의 기울기에 따라 신호를 명확 하게 구별할 수 있다는 점에 착안해 직사각형 판을 사용해 신호를 전달하는 기구를 고안했다. 이것이 현재에도 일부 사용 중인 완목 신호기의 기원이 다. 완목 신호기는 수평일 때는 정지, 하향 45 에서는 주의, 수직일 때는 진 행을 나타낸다. All Right(진행) Caution(주의) Danger(정지) 폴리스맨의 수신호 완목 신호기는 밤에 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이 단점을 보완한 것 이 조명 신호기다. 초기의 조명 신호기는 빨간색과 흰색 신호등을 사용했 다. 이후 신호등의 색유리가 깨져 사고가 발생하면서 녹색은 진행 신호, 노 란색은 주의 신호, 빨간색은 정지 신호로 정했다. 통표는 일종의 열차 운전허가증이다. 1874년 그레이트 웨스턴 철도에서 열차 충돌사고가 발생한 후 등장했다. 통표폐색 방식은 단선선로에서만 사 용된다. A역과 B역 간에는 원형 통표, B역과 C역 간에는 삼각형 통표만을 쓰기로 약속하면, B역에서 A역으로 열차를 보내고자 할 때, B역에서 원형 통표를 A역에서 쓰는 통표폐색기에 넣고 A역에 기차를 보내겠다는 신호를 보내는 것이다. B역에서 기차를 보내도 좋다는 스위치를 보내면 통표가 폐 색기에서 빠져나온다. 빠져나온 통표는 기관사에게 전달되고, 기관사는 통 표가 맞으면 열차를 출발시킨다. 이 통표폐색 방식은 오늘날에도 많은 나라 에서 사용한다. 다만 이 방식은 통표를 주고받는 과정에서 열차 속도가 줄 어드는 단점이 있다 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 115

58 신호기A 폐색A 신호기B 폐색B 신호기C 폐색C 계전기 (릴레이) 제 동 장 치 차상 신호 장치 모뎀장치 전원공급장치 녹색신호등-열차주행속도를 제한하지 않음. 열차운전자-늦었다. 빨리가자 동으로 감속한다. ATS는 정차해 있거나 서행 중인 선행열차와 후속열차 간 추돌사고를 방지할 수는 있으나, 곡선 구간, 교량 구간, 터널 구간 등에서 는 속도를 제어할 수 없기 때문에 열차탈선을 막는 것이 곤란하다. 그러나 ATC는 열차가 제한속도를 초과하면 자동으로 제동을 인가하여 속도를 낮 추므로 탈선을 막을 수 있다. ATC는 열차의 주행속도가 높은 간선철도(경부 신호기기실 고속철도, 호남고속철도)에 주로 적용되지만, 선행열차와 후속열차 간 안전간 자동폐색장치의 원리 ATS의 동작 원리 및 문제점 격을 단축하기 위해서 도시철도(서울 5, 6, 7, 8, 9호선, 부산 1호선, 대구 1호선)에 자동폐색장치는 역과 역 사이에 폐색장치를 설치해 역 간에 여러 편성의 열차가 운행할 수 있도록 한다. 자동폐색식은 열차가 점유하고 있는 궤도회 로 상태에 맞춰 신호기를 제어해 기관사에게 정보를 알려준다. 신호기는 열차가 달리는 선로변에 설치되어 있어 눈보라, 안개, 폭우 등 의 날씨에서는 기관사가 신호기를 정확히 확인하는 것이 어렵다. 이 때문에 기관사가 신호를 잘못 인식하거나 신호를 확인하지 못해서 추돌사고가 발 생하는 경우가 있다. 이를 차단하기 위해서 운전실 내에 설치한 장치가 앞 서 소개한 ATS다. ATS는 빨간색 정지 신호가 켜진 상태에서 열차가 감속하 지 않으면 기관사에게 벨을 울려 경고하고, 5초 이상 경과해도 감속하지 않 으면 비상제동을 인가하여 열차를 정차시킨다. ATS가 설치된 우리나라 경부선의 열차 운행속도 제한은 150km/h 이하 이다. 이보다 빠른 속도로 열차가 운행하면 ATC(Automatic Train Control, 자동 열차제어 장치)가 필요하다. 따라서 열차 운행속도 제한이 300km/h 이하인 경부고속철도에는 ATC가 설치되어 있다. ATC는 선로 구간별로 열차탈선을 방지하기 위한 열차 제한속도를 설정한 뒤 열차의 현재 속도와 열차의 제한 도 적용되고 있다. ATC로 열차의 안전 운행을 충분히 보장받을 수 있으나, 열차 제어장치 가 컴퓨터화되고 열차 제어기능이 소프트웨어로 구현되면서, 지상에서 수 행하던 많은 열차 제어기능을 열차 내에서 수행하는 것이 가능해졌다. 더 불어 열차 속도제어의 효율성도 높아졌다. 그 획기적인 제어장치는 바로 ATP(Automatic Train Protection, 자동 열차방호 장치)이다. ATC는 열차 제한속도를 지상에서 전송받는 단방향통신방식이다. 반면 ATP는 양방향통신방식이다. 즉 ATP는 열차에서 지상으로 열차 확인번호, 열차 주행방향, 열차 속도 등의 정보를 우선 전송하면, 지상에서 열차로 열 차가 안전하게 주행할 수 있는 목표지점인 이동권한(MA, Movement Authority) 과 목표지점까지의 구간별 열차 제한속도(정적속도 프로파일)를 전송하는 것 이다. 이를 통해 안전성을 더 높일 수 있다. 또한 ATP는 무선통신을 이용한 열차 제어시스템에 사용되었으며, 국내의 경우 간선철도신호개량노선(경부 선, 호남선, 전라선, 경춘선), 도시철도(인천 1호선, 대전 1호선, 부산 2호선)에 적용 되었다. 속도를 지속적으로 감시하고, 기관사가 열차를 감속하지 않으면 열차를 자 116 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 117

59 04 우리나라 고속철도의 철도신호 는 제한속도를 km/h로 감 속한다. 정차 중인 선 행열차가 앞으로 주행 하여 현재의 폐색을 벗어나면 제한속도가 80km/h에서 160km/h 경부고속철도에서 열차의 영업운행 최고속도는 305km/h이다. 이 속도의 안전 주행을 보장하기 위한 철도신호시스템은 ATC이다. ATC는 선행열차와 후속열차 간 안전거리를 유지하기 위해 일정 간격(국 로 높아진다. 고속열차에 설치되 는 ATC 차상장치(지상 ATC 장치 구성도 내의 경우 1.5km)으로 폐색을 설치하고, 두 열차 간에 확보된 안전거리에 맞 추어 각 폐색에 열차 제한속도를 설정한다. 아래 그림을 보면, 선행열차가 정차한 상태에서 후속열차가 선행열차방향으로 계속 접근하면 후속열차 신호기의 신호를 전달받아 열차를 자동적으로 정지시키는, 차상에 설비된 여러 기기) 는 차상제어장치, 궤도회로에서 전송되는 열차 제한속도를 읽는 ATC 안테 나, 운전자에 열차 제한속도와 현재 속도를 보여 주는 운전자표시장치, 열 차의 현재 속도를 검출하는 속도센서 등으로 구성된다. ATC 차상장치는, ATC 안테나가 검지한 열차 제한속도와 속도센서로 검출한 열차의 현재 속 도 간의 속도차가 일정 범위를 벗어나면 운전자에게 경고한다. 이때 운전자 가 대응하지 않으면 자동으로 열차를 정차시킨다. 또한 다음 폐색까지 남은 거리도 연산해 운전자에게 알린다. 고속열차가 300km/h로 주행하면 운전자가 선로 상태를 육안으로 확인하 는 것은 불가능하다. 따라서 고속철도는 일반철도에는 없는 안전 설비를 갖 추며, 이 설비들은 검지한 정보를 ATC에 제공한다. 열차의 차축 온도를 일 정 거리마다 측정하는 차축온도검지장치, 선로 위의 눈을 녹여 주는 융설장 ATC의 속도 코드 설정 원리 치, 지진감시시스템 등이 대표적인 고속철도의 안전 설비다. 118 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 119

60 05 철도신호 방식의 혁신, 무선통신 기술 구분 지상 차상 전송정보 차상 지상 전송정보 운영노선 예 궤도회로 방식 - ATS, ATC 열차제한속도 - 서울지하철 경부선, 호남선 경부고속철도 무선통신 방식 열차이동권한 열차제한속도 비상제동 열차확인번호(열차 ID) 열차위치정보 신분당선 부산김해경전철 많이 필요하다. 궤도회로 방식의 신호시스템은 선행열차가 있는 궤도회로 와 바로 뒤의 궤도회로에는 후속열차가 진입하지 못하도록 한다. 따라서 선 전신기는 현재 철도신호시스템의 기본 원칙인 폐색 방식이 만들어지는 데 크게 기여했다. 폐색 방식이란, 각 역에 폐색기라는 안전장치를 설치하 고, 인접 역의 폐색기와 전신으로 연결한 것이다. 열차를 출발시킬 때는 먼 저 다음 역에 전신기로 선행하는 열차가 도착했는지의 여부를 확인한다. 이 미 도착한 경우에는 전신기로 열차 출발을 기다리고 있는 역으로 선로 개 통 신호를 보내고, 폐색의 개통표시용 바늘을 수직 위치에서 비스듬한 위 치로 바꾼다. 이러한 방식으로 열차의 안전성은 크게 발전했다. 행열차와 후속열차 간의 최소한의 안전 간격은 폐색 1개 이상이다. 무선통신 방식의 신호시스템은 궤도회로 없이도 열차 위치를 끊김 없이 추적해서 선행열차와 후속열차 간 안전 간격을 확보한다. 선행열차가 갑자 기 정차했다고 가정한 뒤 후속열차의 현재 속도를 기준했을 때의 열차제동 거리와 안전마진을 계산해 후속열차를 최대한 선행열차에 가깝게 접근시킨 다. 따라서 동일 선로를 사용할 경우 궤도회로 방식보다 더 많은 여객을 나 를 수 있다. 열차 위치를 정확하게 파악하면 안전성을 높일 수 있다. 현재는 열차 위 치를 정밀하게 검지하기 위해 무선통신 방식이 사용된다. 열차제어를 위해 사용되는 무선통신 방식은 무선 랜(LAN)과 이동통신(GSM, LTE)이다. 무선 랜 방식은 열차 이동 속도가 높으면 지상의 제어장치와 차상의 제어장치 간에 정보전송 안전성이 낮아져 도시철도용 열차제어시스템에 적용한다. 이동통 신 방식은 일반철도와 고속철도용 열차제어시스템에 적용한다. 도시철도처럼 운행 빈도가 높은 경우는 궤도회로의 길이를 짧게 하여 열 차 간 운전 시간 차이를 최대한 줄이고 있다. 그러나 궤도회로를 짧게 할수 록 사용하는 부품의 수량이 늘어나서 고장 가능성이 높아지고, 설치 공간도 궤도회로 방식(위)과 무선통신 방식(아래)의 신호 시스템 120 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 121

61 06 고속철도와 지하철의 안전 설비 고속철도와 지하철에서 사용하는 안전 설비에는 다소 차이가 있다. 도시 철도의 경우 운전자의 실수에 의해 발생할 수 있는 철도 사고를 방지하기 차축온도검지장치 (3) 열차 내 장치제어 레일온도검지장치 위해서 운전자가 담당하던 일부 기능을 자동화한다. 국내 지하철인 신분당 - 열차에 있는 승객 안내 장치, 방송 장치, 인터폰 등을 제어 선, 부산김해경전철 등은 운전자가 탑승하지 않고 무인으로 운전하는 열차 제어시스템을 적용하고 있다. 지하철에 적용되고 있는 자동 운전 기능에는 다음과 같은 것이 있다. 고속철도는 특별한 안전 설비를 사용한다. 먼저 차축온도검지장치를 꼽 을 수 있다. 고속으로 달리는 열차는 바퀴가 빠르게 회전하므로 높은 마찰 온도가 발생한다. 따라서 차축온도 관리를 철저히 해야 하는데, 이를 위한 (1) 열차 운전속도 자동 제어 - 열차가 제한속도를 넘지 않도록 열차 제동곡선 작성 - 열차 제동곡선에 맞추어 열차 속도 제어 (2) 역에서 정위치 정차 및 출입문 제어 - 역에서의 정위치 정차(역의 정차선을 기준으로 ±30cm 이내) - 열차 출입문과 승강장 스크린도어 여닫기를 제어 - 인칭 제어 : 열차가 정차선을 30cm 이상 넘거나 30cm 앞에서 정차한 경우, 열차 설비가 바로 차축온도검지장치이다. 다음은 레일온도검지장치다. 고속철도 의 선로는 레일을 길게 하나로 이어서 만들었는데, 그래서 여름에 고온으로 인해 레일이 늘어나는 경우가 있다. 이를 대비하여 레일온도검지장치로 레 일 온도를 지속적으로 측정하여 관리해야 한다. 이 외에도 지장물검지장치가 있다. 지장물검지장치는 고속철도 위를 횡 단하는 고가도로와 산을 깎아서 선로를 만든 곳에 설치한다. 고가도로에서 선로로 자동차가 떨어졌을 때, 흙이나 돌이 무너져서 선로에 들어왔을 때 열차를 안전하게 보호한다. 가 자동 또는 수동으로 정차선까지 이동하도록 제어 122 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 123

62 07 미래의 철도신호는 어떻게 바뀔까? 무선통신을 적용한 현재의 철도신호 현재 철도신호로 사용하고 있는 무선통신 기술은 미래에도 적용될 것이 다. 그런데 지상에서 수행하는 기능과 열차에서 수행하는 기능에는 차이가 있을 것이다. 무선통신 기술을 사용하는 현재의 철도신호는 지상에서 열차 선행열차 A는 앞으로 진행하면서 열차 위치 정보, 열차 속도 정보를 후속열 차 B로 직접 보낸다. 후속열차 B는 선행열차 A가 보낸 정보를 활용하여 열 차 이동을 직접 제어한다. 의 현재 위치를 감시하고 열차의 이동을 제어하지만, 미래의 철도신호는 이 러한 제어를 열차에서 시행한다. 열차에서 열차의 이동을 직접 제어하기 위 해 선행열차와 후속열차 간에 직접 통신을 한다. 현재의 철도신호는 선행열 차와 후속열차 간에 직접적으로 이루어지는 통신은 없다. 현재의 철도신호의 경우, 주행 중인 모든 열차(선행열차 A, 후속열차 B, C)는 열차의 현재 위치 정보를 지상의 제어장치로 전송한다. 지상의 제어장치는 모든 열차가 보낸 열차 위치 정보를 활용해서 열차 속도제어 정보(열차 이동 권한 등)를 만들고 이것을 해당하는 모든 열차에 보낸다. 해당 열차는 지상 에서 보낸 열차 속도제어 정보에 맞추어 열차 속도를 제어하고 이를 통해서 선행열차와 추돌하는 사고를 방지한다. 미래의 철도신호는 열차 속도제어와 관련한 정보를 지상에서 만들지 않 무선통신을 적용한 미래의 철도신호 미래의 철도는 IoT(사물인터넷) 기술을 열차에 적용할 것이다. 그에 따라 열차에 설치된 대부분의 장치는 서로 연결되어 수많은 정보를 주고받을 것 이다. 또한 열차에서 만들어진 대규모 정보(big data)는 지상으로 보내지며, 철도신호도 대규모 정보를 활용할 것이다. 다시 말해, 철도신호는 대규모 정보를 통해 열차 상태를 스스로 진단해 필요한 조치를 스스로 취할 것이 며, 필요한 경우 지상에서 원격으로 적합한 작업을 수행할 것이다. 는다. 모든 열차는 필요한 열차 속도제어 정보를 각각 만든다. 또한 열차 운 전을 수행하기 전에 열차 운행 스케줄을 저장한 후 열차 운전을 시작한다. 124 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 125

63 더 알아보기 미래로 씽씽! 레일 위로 600km/h! 레일 방식 초고속열차의 콘셉트 철제 차륜과 철제 레일에 의해 안내 되는 레일 방식은 단순하면서도 안전 하여 철도가 시작한 이래 고속열차에 까지도 꾸준히 적용되어 왔다. 이 방 식의 최고속도 기록은 574.8km/h로서 2007년 프랑스에서 수립되었다. 레일 방식 고속열차가 달릴 수 있는 속도 한계는 여러 가지 기술적 요인에 좌우된다. 첫째, 안정성을 상실하는 동역 학적 임계속도가 존재한다는 것이다. 둘째, 주행 저항을 이기는 추진력이 차륜 에서 레일로 전달되어야 하는데, 속도가 높아지면 미끄럼 없이 전달하는 힘(점 착력 또는 점착 한도)의 크기가 감소하는 특성이 있어 점착 측면의 한계속도가 존 재한다는 것이다. 셋째, 전력을 공급받는 전차선에서 발생하는 파동이다. 열차 의 속도가 이 파동 전파 속도에 다가서게 되면 이선(전차선과 집전판의 접촉이 끊 어지는 현상)이 심해져서 전차선 집전 측면의 한계속도가 존재하게 된다. 철도 초창기에는 많은 전문가들이 열차의 한계속도가 300km/h를 넘지 못할 것으로 예상했다. 그러나 그 가설은 오래전에 깨어졌고, 프랑스의 고속열차 실 험을 통해 한계속도가 574.8km/h 이상임을 입증한 바 있다. 우리나라 고속철도의 기술 경쟁력을 높이고, 글로벌 미래 사회의 초고속열차 시대에 대비하기 위해 한국철도기술연구원에서는 레일 방식 초고속열차 핵심 요소 기술 개발 을 수행 중에 있다. 프랑스의 고속열차가 세운 한계속도를 넘어 레일방식 고속열차의 장점 - 단순성과 안정성 - 호환성(기존 철도망 사용) - 분기기(네트워크의 확장성) 레일 방식 고속열차와 자기부상열차의 장점 비교 설 수 있는 레일 방식 초고속철도에 대한 기초 연구를 추진하고 있는 것이다. 초 고속열차의 콘셉트는 기존 고속철도망에 접목될 수 있도록 차륜-레일의 고전적 안내 방식에 자기부상열차의 고속 고출력 추진 방식을 융합한 것이다. 다시 말해, 한국철도기술연구원이 연구 중인 초고속열차는 안정적인 초고속 주행을 위해 IRW(독립회전차륜) 방식의 주행 장치 기술을 기반으로 했다. 기존 고 속철도 노선의 개량을 최소화하기 위해 공심형 초전도 선형 추진 방식을 기반 으로 한 핵심 기술을 우선적으로 개발하고 있다. 자기부상열차의 장점 - 우수한 추진시스템 (고출력, 점착한계극복, 경량화) - 전차선 제거(외관, 안전성, 파동 전파속도한계 극복) 126 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 5 철도에도 신호등이 있어요 127

64 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 6 01 철도를 획기적으로 바꾸는 기술, LTE-R 02 아날로그 철도와 디지털 철도의 차이 03 기관사 없이 무인으로 움직이는 열차의 비밀 04 고속철도에서는 왜 통화가 잘 안 될까? 05 열차 안에서 어떻게 인터넷을 할 수 있을까? 06 승무원은 왜 무전기를 사용할까? 07 철도 IT는 가정용 IT와 다른 기술인가? 더 알아보기 KTX의 운전실에는 무엇이 있을까? 고속열차도 통신을 한다

65 01 철도를 획기적으로 바꾸는 기술, LTE-R 비음성 데이터(멀티미디어 콘텐츠 다운로드, 영상 통화, 이메일 및 문자 메시지)가 모두 가능하게 한 방식이다. 인터넷, 채팅 등이 가능한 3G 통신 을 대표하는 휴대전화가 스마트폰이다. 2007년 애플이 아이폰 을 처음 출시한 후, 2008년 아이폰 3G 가 등장하면서 휴대전화는 1973년에 발명되었다. 그로부터 10년 뒤인 1983년에 상용 휴 스마트폰 시장은 급속도로 성장한다. 그 LTE-R을 이용해 열차 안에서 무전을 하는 모습 대전화가 처음으로 세상에 나왔다. 이때의 휴대전화 무게는 1.13kg, 10시 간 배터리 충전에 사용시간은 고작 20분, 가격은 4,000달러(한화 기준 약 440 만 원) 정도였다. 당시로서는 휴대전화가 너무 비쌌기 때문에 부의 상징처럼 여겨졌다. 이후 1989년 모토롤라에서 마이크로택(Microtcac) 이라는 최초 의 초소형 휴대전화를 세상에 내놓았다. 마이크로택의 무게는 348g밖에 나 가지 않았다. 여기까지를 1세대 이동통신(1G)이라고 부르는데, G 는 영어 Generation(세대) 의 머리글자다. 아날로그 시대를 거쳐 디지털 시대로 진화하면서 휴대전화 기술이 급속 도로 발전했다. 이때부터 2세대 이동통신(2G), 즉 디지털 이동통신 시대가 개막되었다. 또한 아날로그에서 디지털로 세대교체가 이루어지면서 휴대전 화로 문자 메시지와 이메일 등의 데이터 전송도 가능하게 되었다. 1990년 대 후반부터는 인터넷이 활성화되고 2G 통신이 본격화되면서 카메라, mp3, 화음 벨소리, 게임, 동영상 등의 기능도 추가되었다. 그로 인해 획기적으로 빠른 데이터 전송 속도가 필요해졌고, 이를 해결하기 위해 3세대 이동통신 기술이 개발되었다. 3세대 이동통신 서비스는 휴대전화에서 음성 데이터와 러나 애플의 아이폰은 곧바로 3G 통신망을 포화상태로 만든다. 다양한 콘 텐츠와 영상 이용 시 기존의 통신망으로 감당할 수 없는 엄청난 양의 데이 터가 전송되기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 등장한 초기 기술이 바 로 와이맥스(WiMAX)이다. 와이맥스는 인텔에서 주도한 원거리 무선 컴퓨터 네트워크 표준으로, 우리나라의 와이브로(WiBro)가 여기에 속한다. 그러나 와이맥스는 3G, 2G 이동통신망과 호환되지 않는 치명적인 단점 때문에 통 신 사업자와 소비자에게 외면당했다. 결국 4세대 통신으로 명명된 LTE(Long Term Evolution)가 최근 이동통신 시장을 주도하게 되었다. LTE-R은 4G 이동통신 기술인 LTE를 철도에 활용하기 위해 개발된 기술 이다. LTE-R 의 R 은 Railway의 머리글자다. LTE-R은 달리는 열차 안에 서 음성, 영상, 데이터를 자유롭게 전송하기 위해 2010년부터 한국철도기술 연구원에서 개발을 시작해서 2014년에 완성한 철도 전용 통신기술이다. 이 기술을 철도에 응용하면 무선통신 서비스 품질을 크게 향상시킬 수 있다. 이뿐만 아니라 다양한 멀티미디어 콘텐츠를 사용함으로써 좀 더 편리하게 열차를 이용할 수 있게 된다. 130 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 131

66 02 아날로그 철도와 디지털 철도의 차이 접목하여 실시간으로 관련 정보를 차량기지 및 관제센터에 전송함으로써 고장이 발생하기 전에 미리 예측하고 적절한 조치를 취할 수 있다. 또한 선 로 및 역 주변에 위험 요소가 발생했거나 관련 설비가 제대로 작동하지 않 을 경우 통신망을 이용해 실시간으로 감시하거나 진단하여 정확한 고장 원 인을 규명하는 것도 가능하다. 디지털 철도시스템이 구축되면 승객은 열차표를 구입하는 일부터 목적지 에 도착할 때까지의 모든 일을 스마트폰으로 쉽게 처리하고 이용할 수 있 영화 <트랜스포머>에서처럼 지능을 가진 열차가 스스로 판단하고 행동할 수 있다면 세상은 어떻게 될까? 긍정적인 면도 있겠지만 부정적인 면도 적 지 않을 것이다. 미래에는 기술 진보 과정에서 발생할 수 있는 여러 부정적 인 요소를 최소화하는 방향으로 연구가 진행될 것으로 예측된다. 이런 관점 에서 아날로그 철도와 디지털 철도를 비교한다면 좀 더 이해가 쉬울 것이다. 게 된다. 또한 버스나 택시 등 다른 교통수단과의 연계 정보를 활용함으로 써 편리함뿐만 아니라 시간 여유도 얻을 수 있다. 말하자면 승용차를 이용 할 때 얻는 편리함과 시간 절약의 이점을 철도에서도 얼마든지 누릴 수 있 게 되는 것이다. 이러한 다양한 기술을 접목한 디지털 철도시스템은 가까운 미래에 완벽하게 구축될 것으로 기대된다. 만약 철도가 없다고 가정해 보자. 수많은 사람들이 심각한 교통난에 처하 게 될 것이 명확하다. 이러한 난국을 미연에 방지하기 위해 철도 기술을 개 선, 보완하고 발전시키려는 시도가 계속되어 왔다. 궤도취약구간 감시 건널목 감시 지진 감시 전차선 감시 터널화재 감시 디지털 철도는 아날로그 철도와 어떻게 다를까? 아날로그 철도의 단점 을 정보통신기술(ICT, Information & Communication Technology)을 이용해 획기 적으로 개선한 미래형 철도가 바로 디지털 철도다. 즉, 모든 철도 교통 관련 구성시스템에 지능을 부여하여 사람에게 의존해 왔던 업무를 자동화 처리 할 수 있는 지능화된 교통수단으로 변화시킨 것이다. 최근 한국철도기술연 구원은 디지털 철도 시대에 맞게 해무, 틸팅, 차세대 전동차 등을 개발했다. 디지털 열차의 내부에는 첨단 기술이 적용된 핵심설비가 장착되어 있으 고정밀 위치검지 차량화재 감시 추진장치 이상감지 차량탈선 감시 며, 그중 일부 설비는 자가진단 기능도 갖고 있다. 여기에 정보통신기술을 디지털 철도 활용의 예 132 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 133

67 03 기관사 없이 무인으로 움직이는 열차의 비밀 운전하는 방식으로 이루어진다. 기관사는 컴퓨터 화면에 표시된 정보를 보 고 열차의 출발, 가속, 감속, 정지 등을 자동으로 실행한다. 열차 운행에 부 적합한 상황이 발생할 경우, 즉시 적절한 조치를 취하거나 열차 운행에 필 요한 안전장치를 감시함으로써 운행을 돕는다. 기관사가 열차를 안전하게 운행하도록 돕는 지상 차량 통신 설비를 열차 제어시스템 이라 부른다. 무인운전시스템에서는 관제사(지상 제어센터에서 열차 운행을 통제하는 사람) 보다 지상 컴퓨터의 역할이 더 중요하다. 과거 기관사의 역할이 상당 부분 드론으로 택배를 배달하는 아마존부터 무인 자동차 개발에 열을 올리는 구글에 이르기까지 바야흐로 세상은 무인운전이 대세다. 철도도 예외는 아 니다. 이미 북미 유럽에서는 오래전부터 무인운전이 상용화되어 있으며, 우리나라 역시 2011년부터 신분당선 지하철 노선에서 무인운전으로 지하 철을 운행하고 있다. 그 밖에 김해, 김포 등에서 운행되는 경전철도 무인운 전으로 운행된다. 무인운전은 기관사가 열차 내부가 아니라 지상의 제어센터에서 원격으로 지상 컴퓨터에게 주어진다. 지상 컴퓨터는 열차 진행 방향, 속도 등 운행에 관계된 모든 설비의 기능과 동작을 실시간 감시 및 통제하고, 비정상 상태 에 대해 경보등이나 지시등을 통해 위험을 예보한다. 관제사는 이 경보를 통해 안전조치를 취한다. 한국철도기술연구원은 세계 최초로 LTE 이동통신 방식을 이용하여 무인 운전이 가능한 한국형 열차제어시스템(KRTCS, Korea Radio based Train Control System)을 개발하여 2013년 첫 무인운전을 시험했다. 또한 국내 도시철도법 이 정한 성능 기준 시험을 당당히 통과했으며, 국내 최초로 세계적인 성능 인증기관에서 안전성 검증(SIL, Safety Integration Level) 인증서도 발급받았다. 이 한국형 열차제어시스템은 순수 국내 기술로 개발 및 제작되었으며, 3개 관제센터 의 컨소시엄이 각기 다른 기술을 적용하여 시스템을 개발한 후 서로 호환될 수 있도록 했다. 한국 철도의 무인운전 관련 기술은 이렇듯 세계적으로 앞 선행열차 안전거리 확보 후속열차 서 있으며, 앞으로도 발전 가능성이 높다. 무인운전의 원리 134 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 135

68 04 고속철도에서는 왜 통화가 잘 안 될까? 주파수 속도 핸드오버 주기 100km 이동 시의 핸드오버 횟수 120 km/h 1.8 GHz LTE 60초 2km 60초 2km 60초 2km 50회 휴대전화는 끊김 현상이 종종 일어나는데, 기지국 문제인 경우가 대부분 이다. 기지국에서 멀리 떨어져 있으면 끊김 현상이 발생하기 쉬우므로 통신 사는 최대한 많은 기지국을 확보하여 통화 품질을 높이려고 노력한다. 국내 300 km/h 24초 2km 24초 2km 24초 2km 에는 현재 SKT, KT, LGU+가 약 45만 개의 기지국을 보유하고 있다. 열차가 도심지를 벗어나면 끊김 현상은 더 자주 나타난다. 기지국이 선로 에서 멀리 떨어져 있어 발생하는 문제다. 이 경우 통화 품질이 나빠지고, 전 력 소모가 커지며, 배터리 소모가 많아진다. 터널을 통과할 때도 전파가 도 달하지 않아 끊김 현상이 일어난다. 이를 방지하기 위해 터널 내부에 중계 기를 설치한다. 고속철도의 경우 속도에 대한 검토도 필요하다. 고속열차는 최대 시속 300km로 달리는데, 1초에 83m를 주행하는 셈이다. 따라서 이동통신 설비 의 속도 한계 역시 검토가 필요하다. 연구 결과, 약 350km/h까지 통화가 가 능한 것으로 확인되었다. 그러나 속도가 증가할수록 기지국 사이를 이동하 는 핸드오버 의 주기가 짧아진다. 핸드오버란 단말기가 연결된 기지국에서 다른 기지국으로 이동할 때 그 기지국의 서비스 공간에 할당된 통화 채널에 연결되는 기능을 의미한다. 따라서 차량 속도가 빨라질수록 핸드오버 빈도 이동 속도에 따른 핸드오버 주기 및 횟수 수도 높아진다. 또한 핸드오버 빈도수가 높아질수록 짧은 시간 동안 서비스 기지국을 자주 변경해야 하기 때문에 안정적인 통신이 어려워진다. 이러한 현상은 터널에서 더 심하게 나타난다. 고속철도의 터널 안에는 기 지국이 설치되어 있지 않은 데다 길이도 매우 길다. 따라서 터널을 통과하는 고속열차 안에서 통화할 때 자주 끊김 현상이 일어난다. 위의 그림은 이동하 는 물체의 속도와 현재 사용 중인 LTE 방식의 핸드오버 횟수를 나타낸다. 한국철도기술연구원은 통화 시 끊김 문제를 해결하고 이동통신을 포함한 서비스의 향상을 위해 연구 개발에 몰두하고 있다. 그 노력의 일환으로 철 도에서 사용하는 LTE 관련 기지국도 설치했다. 열차 이동을 무인으로 실행 하기 위해 시험용으로 설치한 것인데, 향후 고속철도의 휴대전화 끊김 현상 해결에도 이바지할 것이다. 나아가 승객과 승무원 모두 고속열차 안에서 다 양한 콘텐츠를 자유롭게 사용할 수 있으리라 기대한다. 136 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 137

69 05 열차 안에서 어떻게 인터넷을 할 수 있을까? 일반 사무실에서는 무선 안테나나 케이블을 통해 인터넷을 연결해서 사 용한다. 사무실에서 무선 인터넷을 사용하려면 무선 공유기를 설치해야 하 는데, 일반 사무실의 경우 대부분 자유롭게 무선 인터넷을 사용할 수 있도 록 회사 차원에서 지원된다. 그러나 불특정 다수의 사람이 함께 사용해야 하는 단점 때문에 보안 문제를 심각하게 고려하지 않을 수 없다. 보안을 위 해 무선 공유기를 사용할 때 접속 시 암호를 설정하여 불특정 다수의 접속 을 막아야 한다. 이 원리는 열차에도 적용된다. 고속철도의 경우, 열차에서 인터넷 사용에 필요한 무선 정보를 제공받기 위해 선로 근처에 위치해 있는 기지국을 이용 할 수 있다. 이때 고속열차의 운행 구간이 기지국이 감당할 수 있는 구역에 포함되도록 셀(cell)을 설정한다. 셀이란 하나의 기지국이 감당해 내는 구역 을 의미한다. 고속선에는 터널이 많아 이곳을 통과하는 동안 인터넷이 끊어지지 않 게 하기 위해 추가로 안테나나 유선 설비를 설치해야 한다. 열차에서는 안 테나를 통해 무선 정보를 수신하는데, 이때 관련 정보가 열차에 설치된 AP(Access Point)를 통해 각 객실로 보내진다. AP는 유선 인터넷 신호를 무선 KTX의 AP 설치 위치 으로 변환시키는 기기라고 보면 된다. 열차에서 사용하는 인터넷은 유선 인터넷에 비해 상대적으로 속도가 느 리고 종종 오류가 발생한다. 이는 열차의 속도와도 연관된 문제다. 이 문제 를 개선하는 일 또한 고객을 위한 철도 서비스의 품질을 높이는 중요한 일 가운데 하나다. 참고로, 고속열차에서 무선 인터넷을 사용하려면 코레일 (Korail)의 KTX 무선 인터넷 사용설명서 를 참조하기를 권한다. 설명서에는 차량별 접속용 AP 추천 안내도가 들어 있는데, 이를 확인하여 객실에 적합 한 AP를 연결하면 된다. 한 예로 7호차 객실에서 인터넷을 사용할 경우 그 림에서와 같이 AP3을 연결하여 사용하는 것이 적절하고, 14호차의 객실의 경우 AP5를 선택하면 최상의 상태에서 인터넷을 활용할 수 있다. 그림과 같 이 AP는 3호차, 5호차, 8호차, 11호차, 14호차, 17호차에 설치되어 있으며, 한 개의 AP가 세 개의 객차를 담당한다. 이제 머지않아 초고속으로 달리는 열차 안에서도 마치 사무실에서처럼 자유롭게 인터넷을 즐기는 일이 가능해질 것이다. 138 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 139

70 06 승무원은 왜 무전기를 사용할까? 영 및 유지 보수를 담당하는 요원이 함 께 들을 수 있다. 따라서 통화를 원할 때는 스위치를 누른 다음 통화하면 된다. 즉, 휴 대전화처럼 동시에 말하고 듣는 것이 아 교통사고나 화재 등 재난이 발생한 곳에 맨 먼저 도착하여 사고를 수습하 고 위기에 처한 이들을 구하는 경찰관과 소방관. 이들은 사고 현장에 도착 니라 스위치를 누른 다음 말하고 스위치 를 놓은 다음 들으면 된다. 이러한 기능을 PTT(Push To Talk)라고 한다. 여기에는 여 러 사람이 함께 말할 수 있는 다중통화, 위 급한 상황을 위한 비상통화, 긴급 시 남 KTX 승무원의 무전기 VHF, TRS-Astro, TRS-Tetra 방 식의 세 종류를 가지고 다닌다. 새누리당 이우현 의원실 한 뒤 중앙센터에 보고하는데, 이때 휴대전화가 아닌 무전기를 주로 사용한 다. 왜일까? 도청, 감청, 혼선 등을 피하기 위해서다. 실제로 휴대전화의 경 우 많은 인파가 몰리는 곳에서 통신 장애 및 지연 현상이 발생하기 쉬우며, 통화량 폭주로 통화 자체가 불가능한 사태가 날 수도 있다. 긴급 상황에서는 통화 불능 사태가 자칫 생명과 직결되는 심각한 문제가 될 수 있으므로 그런 위험을 막기 위해 무전기를 사용한다. 무전기는 특수 한 목적을 위해 사용하는 휴대전화의 일종이다. 철도 승무원도 이와 비슷한 이유에서 휴대전화가 아닌 무전기를 주로 사 용한다. 예컨대 갑작스러운 폭우로 철로가 끊긴 상황을 보고해야 하는데, 통화 불능인 경우 자칫 대형 열차사고로 이어질 수도 있다. 또한 누군가가 휴대전화로 허위 정보를 제공하여 엄청난 교통 혼잡을 불러일으킬 수도 있 다. 아무튼 이때 교신 내용은 빠짐없이 기록된다. 승무원은 차량의 출발, 정지, 비상 상황, 열차 운행 관련 정보를 수시로 중 의 통화를 가로채는 가로채기 등 다양한 기능이 탑재되어 있다. 운영 및 유 지 보수 요원의 무전기도 이와 유사하다. 이들의 무전기는 선로에서 작업 할 때 열차가 작업 구간에 접근하는지를 알려주거나, 위급 시 대피를 돕는 식으로 안전과 관련된 보고 등에 사용된다. 참고로 현재 일반철도에서 사용하는 무전기는 VHF(Very High Frequency) 방식이다. 광명-동대구 경부고속선 구간에는 TRS-Astro 방식(TRS Analog)을, 그리고 동대구-부산 구간 고속선에는 TRS-Tetra(TRS Digital) 방식을 사용한 다. 따라서 각 구간을 통과하는 KTX 승무원은 VHF, TRS-Astro, TRS-Tetra 방식의 세 종류의 무전기를 가지고 다닌다. 한국철도기술연구원에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 음성, 영상, 메시지, PTT는 물론 휴대전화처럼 동시에 듣고 말하는 기능을 갖는 미래의 무전기를 LTE 방식으로 개발했으며, 시험을 통해 성능을 입증했다. 이러한 미래형 무전기는 조만간 LTE-R을 통해 활용될 예정이다. 앙센터와 교신한다. 철도용 무전기는 같은 채널을 사용하는 승무원과 운 140 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 141

71 07 철도 IT는 가정용 IT와 다른 기술인가? 철도 IT는 글자 그대로 철도에 적용되는 IT다. 열차의 상태, 인터넷, 통신, 승객 및 승무원 서비스 등에 IT 기술은 매우 폭넓게 응용된다. 문제는 고속 열차가 300km/h의 매우 빠른 속도로 이동하기 때문에 철도에 IT 기술을 제 대로 적용하기 위해서는 좀 더 심도 있는 연구가 필요하다는 점이다. IT 기술은 철도의 안전 점검 및 보수에도 활용된다. 점검이 필요한 시설물 에 자동화 센서를 설치하고, 사고 위험이 높은 장소에는 CCTV를 설치하여 실시간으로 감시하고 진단하며 예방조치를 취한다. IT는 Information Technology(정보기술)의 약어로, 정보화를 위한 이론과 방법, 더불어 시스템까지 포괄하는 용어다. 하드웨어, 소프트웨어, 통신기술 을 종합적으로 활용하는 IT는 좁게는 자동화 전산화 시스템화를, 넓게는 정보사회의 구축을 의미한다. IT는 인간의 복잡한 사회적 욕구를 충족하는 데 없어서는 안 될 핵심적인 기술로 자리매김했다. 즉, 생산현장의 자동화 와 전산화를 넘어 가정에서도 일상적으로 활용되는데, 이를 가정용 IT라고 부른다. 가정용 IT에는 어떤 것이 있을까? 첫째, 최첨단 기술이 적용된 경비시스 자동화 센서, 감시용 카메라, 열화상 카메라 같은 설비를 철도 IT 기술에 적용하면 열차의 운행 상황을 조기 점검하고 진단하는 것이 가능하다. 그렇 게 되면 열차의 고장 및 점검 시간 예측, 필요 시 대기 중인 열차로의 환승 등 각종 불미스러운 일에 효과적으로 대비할 수 있어 승객에게 수준 높은 서비스를 제공할 수 있다. 실시간으로 열차 상태 및 선로 주변 환경의 운영 상태를 파악하여 더 많은 열차를 보낼 수 있게 한 것 또한 철도 IT의 대표적 인 사례다. 이 밖에도 새롭게 연구 개발하여 적용할 수 있는 철도 IT 영역 은 그야말로 무궁무진하다. 템 을 들 수 있다. 예컨대, 가정용 IT 기술이 적용된 오늘날의 아파트는 간 단하게 외출버튼 하나만 누르면 관리실이나 무인경비실로 연결되고 움직임 감지 센서가 작동하여 외부의 침입을 막아준다. 둘째, 자동화 센서를 이용 하여 원격으로 TV 같은 전자제품을 켜거나 끄고, 가스와 수도를 관리하며, 화재를 예방하는 식으로 안전하고 편리한 생활을 가능하게 해준다. 셋째, 어린아이나 노인을 돌보는 데에도 최첨단 IT 기술이 사용되는데, 돌보미 태 그, 당뇨, 고혈압 자동 진단 및 결과 전송, 활동량 검지 등 다양한 방면에 IT 기술이 적용된다. 철도 IT 적용 분야 142 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 143

72 더 알아보기 KTX의 운전실에는 무엇이 있을까? KTX 운전실의 내부 모습과 무전 장치의 위치 KTX의 운전실은 어떻게 구성되어 있을까? 누구나 한번쯤 궁금해 한 적 이 있을 것이다. 왼쪽의 사진을 보면 그러한 궁금증이 조금은 해소될지 모 르겠다. 이제, 열차 제어 및 통신 관련 KTX 운전실에만 있는 몇 가지 기능을 알아 보자. 자동차의 경우, 운전자가 도로에 설치된 신호등을 보고 운전한다. 철도에도 기관사가 지켜야 할 속도를 나타내는 신호등이 있다. 그런데 이 신호등을 보고 열차를 운행하면 안전이 보장될까? 안 타깝게도 그렇지 않다. 왜냐하면 160km/h 이상의 속도로 열차가 달릴 때는 인 간의 눈으로 신호등을 정확하게 보고 판단하는 일이 말처럼 쉽지 않기 때문이 다. 따라서 이런 상황에서는 신호등이 아니라 열차의 내부에 설치된 현시장치를 보고 운행해야 한다. 현시장치는 차량에 장착된 차상 컴퓨터를 통해 선로변의 정보를 분석하여 기 관사에게 운전하는 데 필요한 속도 정보를 제공할 수 있도록 구성된다. 이를 MMI(Man Machine Interface)라고 한다. KTX에서는 ATC 차상신호 계기판 이 바로 현시장치다. ATC(Automatic Train Control)는 고속선의 자동 열차 제어장치다. 이를 통해 KTX의 속도는 000, 170, 230, 270, 300 등과 같은 속도 코드를 기관사에게 제공 하여 앞차와의 운행 간격을 조절한다. 또한 선로변 임의 구간의 제한 속도 등에 따라 제한되는 또 다른 속도 코드를 기관사에게 제공하는 일도 가능하다. 기관 사에게 제공되는 속도의 종류는 운행 구간에서 준수해야 하는 최고속도, 기관사 가 지켜야 할 명령속도, 그리고 열차의 운행제한속도 등이 있다. 기관사는 이러 한 여러 가지 속도 코드와 현재의 열차 속도를 표시하는 속도계를 보고 안전하 게 운행할 수 있는 속도를 선택하여 열차를 운행한다. 데이터 무전기(TRS) 음성용 무전기(TRS) 음성용 무전기(VHF) KTX의 무전 장치와 활용 현황 통 신 방 식 구 분 VHF TRS-ASTRO TRS-TETRA 일반 철도 전 구간 서울~광명 광명~대전 경부 고속철도 1단계 대전 도심 대전~동대구 동대구 도심 2단계 동대구~부산 호남 고속철도 - 오송~광주 (설계중) 수도권 고속철도 - 수서~평택 (설계중) 144 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 6 고속열차도 통신을 한다 145

73 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 7 01 열차의 심장, 동력원의 변화 01 깨끗한 전기철도 01 열차에 따라 사용하는 전기가 달라요 01 움직이는 열차에 어떻게 전기를 공급할까? 01 전기 사고 방지 대책 01 고속열차의 힘과 전기 공급 01 무선 급전시스템의 원리 및 적용 사례 01 우리나라 철도차량의 무선 급전시스템 더 알아보기 고속열차의 친구, 초고속 자기부상열차 고속철도를 움직이는 전기의 힘

74 01 열차의 심장, 동력원의 변화 경유를 사용하는 디젤기관차 디젤엔진은 실린더 속으로 분사된 연료가 점화되기까지 충분한 온도로 공기를 압축해 연소시킴으로써 동력을 얻는 내연기관이다. 1893년 독일의 기술자 루돌프 디젤이 디젤엔진을 발명한 후 1912년 최초의 디젤기관차가 만들어졌다. 낮은 에너지 이용효율, 오랜 기동 준비시간, 잦은 점검 주기, 많 은 운용 인원이 필요한 증기기관차는 1930년대 이후 점차 무연 고속 고 성능의 디젤기관차로 교체되며 디젤기관차의 시대가 개막되었다. 끓는 물을 사용하는 증기기관차 디젤기관차는 디젤엔진에서 직접 동력을 얻는 방식에서 개량되어, 디젤엔 증기기관은 보일러 내에서 연료를 연 소시키고, 이때 발생하는 연소가스의 열 을 보일러물에 전달해 증기를 만들고, 진에 발전기를 붙여 전기를 만든 후 그 전기로 전동기를 돌려 움직이는 디젤 전기기관차로 발전했다. 디젤전기기관차는 당시 전기기관차와는 달리 값싼 연료를 사용했으며, 전철화가 이루어지지 않은 곳에서도 운행 가능했다. 이 증기에 의해 왕복기관을 움직이는 동 BY-SA 력원이다. 증기기관이 처음 발명된 때는 1705년이며, 1769년 제임스 와트가 피 스톤을 증기압력으로 구동하도록 증기 전기를 사용하는 전기기관차 전기기관차는 외부의 전선 또는 내부의 배터리에서 전기를 공급받아 전 기전동기를 구동해 움직이는 기관차다. 최초의 전기기관차는 영국인 로버 증기기관차 기관을 개량해 오늘날 증기기관의 기초 트 데이비슨이 1840년부터 1842년까지 스코틀랜드 철도에서 시운전한 열 를 마련했다. 이어 1776년 최초의 상업용 증기기관이 만들어졌다. 증기기관차가 철도로 짐을 실어 나르기 시작한 것은 1825년 세계 최초의 증기기관차 로커모션 호가 운행을 하면서부터다. 이를 계기로 철도가 실생 활에 적용되었으며, 이후 철도는 전 세계적으로 급속히 펴져 나갔다 년에는 깜짝 놀랄 만한 기술적 진전도 이루어졌다. 독일의 BR05형 증기기 관차가 최고속도 200km/h를 기록한 것이다. 차다. 이 열차는 갈바니전지(음양의 양 전극이 화학적으로 동일 조성의 물질에 접 촉되어 있는 전지)가 공급하는 전기로 6km/h의 속력을 낼 수 있었다. 최초의 전차선은 1850년 미국 보스턴 출신의 토머스 홀이 지상에 설비된 전지를 이용해 만든 제3궤조 방식의 2인승 전기차이다. 전기철도의 효시는 1879년 독일의 지멘스사가 베를린에서 열린 세계산 업박람회에 출품한 12km/h, 20인승 규모의 전기기관차다. 한편 1881년 베 를린 남부에서 영업을 개시한 것을 전기철도 실용화의 첫걸음으로 본다. 148 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 149

75 02 깨끗한 전기철도 원료인 디젤기관은 경유에 함유된 유황분이 광화학스모그의 주원인이 되는 질소산화물과, 산성비를 만들어 내는 이산화황과 같은 황산화물질을 배출 시킨다는 문제점을 갖고 있다. 이에 비해 전기로 전동기를 구동하는 전기철 도는 매연이 없고, 소음이 적다. 전 세계적으로 공해 문제가 심각한 현 시점 에서 장점이 아주 돋보이는 친환경적인 동력원이다. 특히 지하 구간을 운행 하는 도시철도시스템에서 전기철도는 필수적이다. 에너지로 사용 가능한 자원으로서 보통 석탄 유류 수력 원자력 자원 Kabelleger 디젤기관차 기차가 움직이려면 기계적인 운동에 너지가 필요하다. 이 에너지를 얻으려면 다른 에너지원으로부터 기계적인 운동 에너지로 변환해야 한다. 기차를 움직이 도록 철도에서 사용되는 에너지 변환장 치는 여러 가지가 있다. 먼저 석탄 등을 태워 만든 증기의 힘으로 피스톤을 왕복 운동시킴으로써 기계적 에너지를 얻는 등을 꼽는다. 이러한 에너지 자원을 어떠한 형태로 변환해 동력으로 활용하 는 것이 가장 큰 효율을 낼 수 있는지가 중요하다. 철도차량에서 이용하는 에너지원에 따른 에너지 이용효율을 비교해 보 면, 디젤기관차를 기준으로 할 때 전기기관차는 에너지를 25% 정도 적게 사용함으로써 에너지를 크게 절감할 수 있다. 따라서 우리나라처럼 석유가 생산되지 않는 나라에서는 전철화하는 것이 석유를 기반으로 하는 디젤기 관차에 의존하는 것보다 훨씬 유리하다. 증기기관이 있다. 그 밖에 실린더 속으로 분사된 경유가 점화되기까지 충분 한 온도로 공기를 압축해 연소시킴으로써 피스톤을 왕복 운동시켜 기계적 에너지를 얻는 디젤엔진, 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용해 전기에너지를 기계적인 회전에너지로 바꾸는 전동기 등이 있다. 이와 같이 기차가 움직이는 데 필요한 에너지를 얻으려면 다양한 에너지 원을 기계적인 운동에너지로 변환해야 한다. 이러한 변환 과정에서 소음, 분진, 연기 등과 같은 공해가 발생하기도 한다. 증기기관의 경우 석탄을 태 울 때 매연이 발생하며, 증기기관차의 독특한 소음도 발생한다. 경유가 주 화력발전소 (송전단) 전기기관차 디젤기관차 증기기관차 직류 37 (87) 교류 37 (87) 송 전 선 전철용변전소 전 차 선 기 관 차 견인에 유효하게 이용되는 에너지 24 (57) 에너지원에 따른 철도 에너지 이용효율 [단위 %] 25 (58) 기 관 열효율 30 기 관 열효율 60 기관차 85 기관차 11 전달효율 80 전달효율 80 견인에 유효하게 이용되는 에너지 20 견인에 유효하게 이용되는 에너지 5 ( )는 수력발전의 경우 150 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 151

76 03 열차에 따라 사용하는 전기가 달라요 경량전철과 중량전철 모델명 한국철도공사321000호대 파리 지하철 MP 05 부산교통공사4000호대 봄바르디어플렉시티 베를린GT8-08ER 종류 철차륜 중전철 고무차륜 중전철 고무차륜 경전철 철차륜 노면전차 전폭 3.2m 2.44m 2.1m 2.4m 전장 20m 15m 9.4m 40m 량수 8량 1편성 6량 1편성 6량 1편성 1량 굴절차량 Minseong Kim 부산-김해 구간을 운행하는 경량전철 경량전철(경전철)은 지하철과 버스의 단점을 보완한 대중교통수단으로 선진 국에서는 1980년 이후 실용화되었다. 우 리나라에서는 의정부경전철, 용인경전 철, 부산4호선, 김해경전철 등이 운행 중 에 있으며, 향후 건설 계획 중인 대부분 의 지하철이 경량전철 방식으로 추진되 고 있다. 경량전철은 지하철, 전철과 같은 중량전철(중전철) 과 반대되는 가벼운 전철을 가리킨다. 수송용량이 지하철과 버스의 중간 규모이면서도 시스템 에 따라 교통수요 처리 능력이 다양해 기존 전철의 지선과 중소도시의 간 선, 대도시와 위성도시를 연결하는 수단으로 적합하다. 경량전철은 건설비가 중량전철에 비해 싸고, 유지비가 저렴하며, 저공해 친환경 교통수단으로 적합하다. 기존 도로변이나 도로 위에 지상과 고가로 건설할 수 있고, 차량 회전반경과 오르막 등판 능력, 가 감속 및 차량 운행 간격 등에서 장점을 인정받고 있다. 낮은 소음, 대기오염 감소, 높은 접근성, 정원 1256명 794명 316명 239명 무인자동운전 같은 장점까지 갖춰 건설 운영 수송효율 환경보존 면에 서 효율적이다. 경량전철과 중량전철을 구분하는 가장 좋은 방법은 수송인원 수를 비교 하는 것이다. 중량전철과 경량전철은 차량편성 수와 크기가 유사하더라도 수송인원 측 면에서 크게 차이가 난다. 통상적으로 시간당 3만 명 이상을 수송할 수 있 으면 중전철, 3만 명 이하이면 경전철로 분류한다. 또한 법적인 구분에서는 설계 축중을 기준으로 한다. 설계 축중이란 1개의 차축에 연결된 모든 바퀴 가 수직으로 지면을 누르는 힘이다. 국내에서는 설계 축중 13.5톤 이하의 전기철도가 경전철에 해당된다. 모 노레일, 고무차륜, 철제차륜, AGT(Automated Guideway Transit, 무인자동안내시 스템), LIM(Linear Induction Motor, 선형유도전동기), 노면전차로 경량전철을 정 의한다. 경량전철의 궤도간격은 철제차륜 1435mm, 고무차륜 1700mm이 며, 전력은 직류 750V 또는 1500V를 표준으로 정하고 있다. 전동차는 단거리 도시 간 철도 및 도시철도에 사용하는 차량으로, 빈번한 152 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 153

77 경량전철 차량별 승객 정원과 차량전압 수도권을 제외한 부산, 대구, 인천, 광주, 경량전철 종류 대상차량 차량편성 차량정원 운행최고속도 차량전압 대전에서 운행 중이다. 6량 1편성을 기 고무차륜 AGT K-AGT (우진산전) 2량편성 200명 60km/h DC 750V 준으로 연속정격 2400kW의 출력을 내 철제차륜 AGT LIM 모노레일 자기부상 로템철제 (로템) MK-II (Bombardier) Hitachi표준형 (HITACHI) HSST (HSST) 2량편성 304명 70km/h DC 750V 1량편성 219명 80km/h DC 600V 2량편성 252명 60km/h DC 1500V 2량편성 314명 85km/h DC 1500V 며, 직류 1500V를 공급받아 운행한다. 우리나라에서 전기기관차는 처음에는 주로 중앙선에서 화물열차를 끌었으나, 경부선과 호남선을 비롯한 주요 간선철 도가 전철화됨에 따라 장거리 여객열차 전기기관차 George Chernilevsky 노면전차 City-Tram (Bombardier+Adtranz) 2량편성 304명 70km/h DC 750V 주행과 정지가 반복되는 도심 구간과 근교의 수송수요를 담당하고 있다. 가 장 큰 수송용량과 높은 가 감속 성능을 가진 교통수단이다. 전동차는 차량 의 형식에 따라 대형 전동차와 중형 전동차로 분류된다. 대형 전동차는 한 번에 최대 10량까지 연결해 최대 110km/h까지 운행하 는 차량이다. 승차 정원 150명 규모 이상의 차량 6~10량을 1개 편성으로 와 화물열차를 수송하는 역할도 하고 있다. 전기기관차는 가급적 많은 화물 을 빨리 수송하기 위해 초대형 출력의 직류 EF200형식, 교직류 EF500형식 의 인버터 제어와 교류유도전동기를 채용하고 있다. 전기기관차의 출력은 3900~5200kW에 달한다. 한편 200~250km/h 이상으로 달리는 고속열차는 교류 2만 5000V를 사용 한다. 연결하여 시간당 4만 명 이상 규모의 수송용량을 담당할 수 있는 최대 규모 의 도시전철이다. 수도권 경부선, 경인선, 경원선, 서울1호선~8호선 등 주 로 수도권 구간에서 운행을 하고 있다. 10량 1편성을 기준으로 연속정격 4000kW의 대용량 출력을 내는데, 서울메트로와 같이 지하철 운영기관에서 관리하는 구간에서는 직류 1500V, 한국철도공사가 관리하는 구간에서는 교 류 2만 5000V를 공급받아 운행한다. 중형 전동차는 승차정원 120명 규모의 차량 4~8량을 1개 편성으로 연결 하여 시간당 2만 5000~4만 명 규모의 수송용량을 담당하는 도시철도이다. 154 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 155

78 04 움직이는 열차에 어떻게 전기를 공급할까? 전압을 높게 할 수 없어 운전전류가 커지고, 그만큼 전압강하(전기회로 내의 저항이나 그 밖의 회로 소자에 전류가 흐르고 있을 때 그 양단에 생기는 전압차)가 커 지는 단점이 있다. 일반적으로 직류전기 방식의 전철변전소는 5~20km 간 격으로 마련되어 있다. 교류방식의 전철변전소는 구성 방식에 따라 BT(Booster Transformer) 급전 방식과 AT(Auto Transformer) 급전 방식으로 나뉜다. BT 급전 방식은 권수비 (변압기에서 고압 측 권선과 저압 측 권선에 감겨 있는 코일 수의 비)가 1 : 1인 흡상 변전 설비 열차가 달리기 위해서는 에너지를 공급하는 시설이 필요하다. 디젤기관 차는 경유를 저장 공급할 수 있는 저장탱크 시설이, 전기차량은 전기를 공 급하는 변전소와, 전차선과 차량에서 전기를 받는 설비가 있어야 한다. 열차에 전기에너지를 공급하는 방법은 2가지로, 교류전기를 이용하는 방 변압기를 설치해 급전하는 방식으로, 선로변 유도장해를 경감시키는 특징 이 있다. AT 급전 방식은 권수비가 1 : 1인 단권변압기를 설치해 급전하는 방식으로, 전차선의 전압강하를 줄이는 특징이 있다. 교류전철변전소의 간 격은 BT 급전 방식의 경우 30km 내외, AT 급전 방식의 경우 50km 내외이 다. 에너지 이용률이 높으며, 사고 시 선택차단이 용이하다는 장점도 있어 법과 직류전기를 이용하는 방법이 있다. 교류전기 철도 방식의 경우, 발전 소에서 생산한 345kV 또는 154kV의 전기가 전력회사 변전소를 거쳐 송전 정류기용 변압기 선로를 통해 전철변전소로 보내진다. 이에 전철변전소에서는 변압기를 통 해 교류 27.5kV로 변환해 전차선로를 통해 차량에 공급한다. 직류전기 철도 방식에서는 한전변전소에서 교류 22.9kV를 배전선로를 통 해 지하철 변전소로 공급하면, 지하철 변전소에서는 공급받은 교류 22.9kV 실리콘 변압기 직류 차단기 급전선 전원을 정류기를 통해 직류 1500V 또는 직류 750V 전원으로 변환해 전차 선로를 통해 차량에 공급한다. 전기차량의 속도 제어가 용이하고, 선로에 근접한 통신선에 대한 유도장해가 없다는 장점이 있어 도심 지하 구간 등 에어 섹션 조가선 전차선 단거리 수송 분야에서 주로 적용된다. 그러나 차량 내에서 전압 변경이 어 려워 전동기의 사용 전압과 같은 전압으로 급전(전기 공급)하기 때문에 급전 직류급전 방식 레일 156 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 157

79 간선 철도 등 대용량의 중장거리 수송 분야에서 주로 사용한다. 국내에서 교류전기 철도 방식을 사용하는 구간은 고속철도가 운행하는 경부고속선과 호남고속선을 비롯해 일반 간선철도 구간(경부선, 호남선, 중앙 선 등)과 수도권 전철 구간(경인선, 과천선, 경의선, 분당선 등)이다. 주로 AT 급 급전선 조가선 드로퍼 전 방식을 사용하고 있다. 직류전기 철도 방식을 사용하는 구간은 지하철과 경전철이 운행하는 대부분의 구간이다. 가동 브래킷 전차선 전주 전차선로 변전소에서 선로를 주행하는 전기차에 전력을 공급하기 위해 선로를 따 라 설치한 전선로를 전차선로라 한다. 이 전차선로는 보통 전기차보다 위 에 설치되어 있는 팬터그래프로 습동(미끄럼 마찰)하는 가공식, 지하철 등에 서 사용하는 강체식(전차선을 강체에 완전하게 일체화시켜서 고정한 것으로, 터널 등의 천장에 애자 또는 측면에 브래킷을 장착하고 여기에 강체 전차선을 매다는 방식), 경전철 등 신교통 시스템에서 적용하는 제3궤조식 등으로 나눌 수 있다. 제 3궤조식은 지상의 주행 레일과 병행해 전력 공급용으로 제3의 레일을 부설 하는 방식이다. 전차선로는 지지물, 조가선(전차선을 매다는 선), 전차선, 가선금구(전차선 고 정시설), 애자(전선을 철탑 또는 전봇대의 어깨쇠에 고정시키고 절연하기 위하여 사용 하는 지지물) 등으로 구성되어 있다. 그 구성 형태에 따라 커티너리(전차에 전 력을 공급하는 가선을 매다는 케이블) 조가식, 직접 조가식, 강체 조가식 등으로 나눈다. 커티너리 조가식은 전차의 속도 향상을 위해 조가선을 전차선 위에 가선 하여 전차선이 일정한 높이로 유지되도록 하는 방식이다. 대부분의 교류전 전차선로의 구성도 기 철도가 이 방식을 사용한다. 직접 조가식은 가장 단순한 구조의 방식으 로 전차선만 1조로 구성된다. 저속의 구내측선이나 유치선에 사용된다. 강 체 조가식은 강체 바를 이용하여 전차선을 직접 조가하는 방식으로, 도시철 도 지하 구간에서 주로 사용한다. 전차선로는 전차선, 조가선 및 두 전선을 연결하는 드로퍼(dropper) 혹 은 행거(hanger) 등이 복합적으로 가공 현수되어 있다. 전차선로시스템 에서 사용되고 있는 전차선로에는 현수 형태에 따라 단순커티너리(simple catenary), 변Y형가선(stitched catenary), 복합가선(compound catenary) 등 여러 가지 타입이 있다. 변Y형가선은 단순커티너리식의 지지점 아래 부근에 작 은 커티너리를 삽입한 것으로, 고속 노선에서 많이 사용한다. 우리나라의 고속철도를 비롯한 교류전기 철도 방식에서는 단순커티너리 방식의 전차선로를 채택하여 사용하고 있다. 158 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 159

80 05 급전용 변압기 전기 사고 방지 대책 변압기를 거쳐 고압의 전기를 수전(보 내진 전력을 받는 일)받고 변환해 전차선로 에 공급하는 과정에서 각종 전기 사고가 발생할 수 있다. 모든 변전소는 이러한 사고를 즉각 감지하고 전기를 차단할 수 있는 보호설비를 갖추고 있다. 급전용 변압기의 경우 온도계, 유면계, 흡습 호흡기(습기 제거 장치), 콘서베이터 변압기 2차 측에는 전차선로에 전력을 공급하는 급전설비의 보호를 위해 개폐장치인 차단기, 단로기와 보호장치 등을 설치했다. 차단기 전단에는 계 기용 변류기, 후단에는 계기용 변압기가 설치되어 있으며, 거리계전기(44F), 고장선택계전기(50F), 과전류계전기(51F), 재폐로 계전기(79F), 저전압계전 기(27F), 고장점 표정장치(99F) 등의 보호계전기와 접속되어 있다. 보호계전기 중 거리계전기(44F)는 급전선로에서 애자의 절연파괴, 단락 또는 지락사고 등이 발생할 경우 이를 검출해 차단기를 자동 개방하여 2차 사고를 예방하기 위한 계전기다. 고장점까지의 거리에 따라 보호범위를 정 정하며 부하전류에는 동작하지 않도록 한다. 재폐로 계전기(79F)는 선로사 고로 인해 차단기가 자동 개방될 때 동작한다. 0.4~0.5초 후에 1회에 한하 여 자동적으로 차단기를 투입한다. 고장선택계전기(50F)는 거리계전기로 사고선택이 곤란할 때 쓰이는 후비 보호( 後 備 保 護 )용이다. 고저항의 접지사고 보호나 연장 급전 시 보호되지 않 는 사고보호 등에 사용된다. 과전류계전기(51F)는 과전류에 의해 동작하는 일반적인 계전기로 저항이 큰 장애를 검출하기 위한 경우와 급전 거리가 짧 (오일이 공기와 접촉해 열화하는 것을 방지하는 장치), 충격압력계전기, 방압판( 防 壓 板 ), 피뢰기 등이 장착되어 변압기를 보호한다. 변압기 1 2 3차에는 변 류기를 설치해 주회로에 흐르는 전류를 감시하기 위한 보호계통을 구성하 고 있다. 또한 변압기의 1차 측에는 3P차단기와 단로기가 설치되어 변압기 1차 전원을 동시에 투입 개방하며, 변압기의 2차 측에는 4P차단기와 단로 기가 설치되어 M상과 T상을 일괄하여 투입 개방한다. 급전용 변압기는 1차 측으로 3상 154kV를 받아서, 2차 측으로 2상의 55kV로 전압을 공급하는데, 이때 2상을 M상 및 T상이라고 부른다. 은 선로에 사용되고 있다. 저전압계전기(27F)는 전차선 전압이 차량운행에 필요한 최저전압 이상인지를 검지하는 데 사용된다. 고장점 표정장치(99F) 는 전차선로에 단락 또는 지락사고가 발생하면 바로 동작해 사고발생지점 까지의 거리를 나타내는 장치로, 사고의 조기복구에 기여한다. 이와 같이 고압의 전기를 수전받고 변환해 전차선로에 공급하는 전 과정 을 SCADA설비를 통해 감시제어를 수행하고 있다. SCADA는 Supervisory Control And Data Acquisition 의 약어로, 운영자가 지정한 명령에 따라 원격 지에 있는 설비를 제어할 수 있는 중앙집중제어장치이다. 160 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 161

81 06 고속열차의 힘과 전기 공급 를 한꺼번에 켤 수 있는 전력이며, 중형 자동차 180대가 동시에 끄는 힘과 같다. 전동차와 같은 전기차량의 지붕에 설 치되어 전차선과 직접 접촉하고 있는 사 마귀 앞발 모양의 장치가 있다. 바로 전 차선에서 전기를 받아 차량에 보내 주 는 팬터그래프이다. 전기로 전동기를 돌 열차를 고속으로 달리게 하는 원동력은 전동기(모터)에서 나온다. 전동기 려 달리는 전기차는 팬터그래프를 통해 KTX-산천의 팬터그래프 에서 발생한 회전력은 기어를 통해 차축으로 전달되어 발생된 견인력에 의 해 열차를 달리게 한다. 전동기의 힘은 주행저항, 열차 최고속도, 주행시간, 열차편성, 열차중량, 여유 가속도, 오르막 등판 능력 등과 관련이 있다. 또한 전동기의 힘인 견인 력이 차륜을 통해 레일에 전달되는 메커니즘이 전동기의 힘을 결정하는 요 소 중 제일 중요하다. 견인력은 열차를 추진시키는 기본 동력원이다. 견인 전동기에 의해 얻어진 동력은 감속기와 추진축 그리고 구동기어를 통해서 토크(내연기관의 크랭크축에 일어나는 회전력)의 힘으로 차륜에 전달되고, 이 토 크는 레일 위에서 차륜과 접촉한 면에서 작용한다. 견인력은 점착력보다 크 면 구동륜에서의 레일과 차륜의 점착한계를 넘어서는 공회전의 결과를 초 래하므로 항상 점착한계 내에서 존재해야 한다. 실제로 전동기는 얼마나 큰 힘을 낼까? 예를 들어, 20량 편성으로 열차중 량이 771톤인 KTX열차는 300km/h로 주행하기 위해 견인전동기를 12대 전기를 효율적으로 받아들일 수 있는 매커니즘을 갖추는 것이 중요하다. 그 런데 팬터그래프는 고속에서도 전차선과 잘 접촉하여 팬터그래프가 전차선 에서 일시적으로 떨어지는, 소위 이선 이 발생하지 않는 것이 무엇보다 중 요하다. 팬터그래프의 이선이 심하면 전기를 받아들이기 어려울 뿐 아니라, 아크가 튀어 전차선과 팬터그래프가 녹는 등의 손상이 발생해 정상 운행이 어렵게 된다. 이를 막기 위해 우선 공기피스톤에 의해 약 7kgf의 압상력으 로 팬터그래프의 접전판을 전차선과 접촉시키고, 전기가 필요 없는 경우 실 린더에서 공기를 빼주면 스프링의 힘으로 하강하여 팬터그래프를 접을 수 있도록 설계한다. 한 가지 재미있는 것은 팬터그래프의 상부암에 붙여 놓은 보조날개의 특 이한 구조다. 보조날개는 열차 속도에 따라 적절한 양력을 발생시켜 팬터그 래프의 전차선 접촉을 도와줌과 동시에, 보조날개에 부딪히는 공기로 공기 막을 만들어 고속운행 시 접전판 주위의 풍압을 줄여주는 역할도 한다. 탑재했다. 견인전동기 1대당 1130kW, 편성 출력은 1만 3560kW로 약 1만 8000 마력의 힘을 가지고 있다. 이는 40W짜리 가정용 형광등 33만 9000개 162 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 163

82 07 무선 급전시스템의 원리 및 적용 사례 급전 코일 집전 코일 교류 자기장 공기 중 최신 전기 공급 방법으로서 기존 전차선 및 팬터그래프를 이용한 접촉식 교류 전원 생성 장치 부하 전기 공급 방식과는 다른 자기 유도 현상을 이용한 무접촉 급전시스템이 개 발되고 있다. 자기 유도 현상이란 코일 주변 자기장의 크기가 시간에 따라 변하면 코일에 전압 또는 전류가 유기되는 현상이다. 열차용 무선 급전시스템은 두 개의 코일을 이용해 한 코일에는 교류 전류 를 흘려주어 시간에 따라 변하는 자속을 만들고 인접한 다른 코일에는 이러 한 자속의 변화에 따라 생기는 유도 전류를 이용해 열차에 필요한 전기를 공급하는 시스템이다. 이러한 무선 급전시스템은 기존의 전기 철도의 전차 선 및 팬터그래프의 접촉에 의한 전기 공급시스템과는 다른 무접촉 전원 공 급시스템이다. 전차선 및 팬터그래프의 마모에 의한 정기적인 유지 보수 가 필요하지 않고, 전차선이 없기 때문에 도시 미관을 개선할 수 있다. 또한 고전압의 전차선에 의한 전기 사고의 위험도 줄일 수 있어 최근 많은 연구 가 이뤄지고 있다. 무선 급전시스템을 만들기 위해서는 3가지 요소가 필요하다. 첫째, 직류 가 아닌 교류 전원을 만들어 주는 장치이다. 교류 전원을 사용해야 자기장 의 크기가 시간에 따라서 변하고, 인접한 코일에 전류가 흐르기 때문이다. 무선 급전시스템 둘째, 이러한 교류 전원을 자기장으로 만들어 주는 코일이다. 교류 전원을 이용해 교류 자기장을 만들어 주는 코일을 급전 코일 이라고 한다. 마지막 으로 이렇게 생성된 교류 자기장을 수신해 전기로 바꾸어 주는 코일이 필요 한데, 이를 집전 코일 이라고 부른다. 무선 급전시스템의 효율은 급전 코일과 집전 코일 간의 거리와 관계가 있 다. 일반적인 전자기 유도 현상만을 이용한 무선 전력전송시스템의 경우 거 리가 1cm 이상 되면 거리가 멀어질수록 전력전송 효율은 빠르게 감소한다. 거리가 먼 무선 급전시스템의 효율을 최대화하려면 공진 유도 기술 이 필 요하다. 공진 유도 기술은 무선 급전시스템의 핵심 기술 중 하나다. 아마도 유리 잔의 공진(공명) 주파수와 같은 주파수의 소리를 계속 내면 유리잔이 깨진 다는 이야기를 들어본 적이 있을 것이다. 이는 유리잔의 공진 주파수와 동 일한 주파수의 소리에너지를 계속 전달하면 유리잔이 소리에너지를 더 잘 164 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 165

83 아 공진 유도 방식을 사용하지 않고 일 반적인 전자기 유도 방식을 이용해 전력 을 전송한다. 공진 유도 방식을 이용한 무선 급전 시스템으로는 무선 전기 자동차, 태블릿 PC 등이 있다. 또한 휴대전화도 공진 유 도 방식이 존재한다. 삼성의 태블릿 PC 삼성전기 전자기 유도 원리를 이용한 무선 전동 칫솔 전자기 유도 원리를 이용한 휴대전화와 거치대 와 휴대전화의 경우 충전 거리 및 효율 공진 유도 방식을 이용한 휴대전화 받아들이게 되고, 유리잔의 진동 폭이 점차 커져서 파괴에 이르는 현상이 다. 즉, 공진 유도 기술이란, 급전 코일에서 집전 코일의 공진 주파수와 동 일한 주파수의 자기장을 계속해서 만들어 주면 집전 코일에서는 공진(공명) 현상에 의해 유도 전류가 더 많이 형성되고 더 큰 에너지를 전달할 수 있게 을 증가시키기 위해서 공진 유도 방식의 무선 급전용 패드를 연구 개발 중에 있다. 또한, 무선 전기 자동차의 경우 퀄컴(Qualcomm), 와이트리시티 (Witricity), 동원 OLEV 등의 회사에서 승용차 및 버스 등의 시스템에 적용한 예가 있다. 되어 전력전송 효율이 증가하게 되는 것이다. 이러한 공진 유도 기술을 이 용한 무선 급전방식은, 설계에 따라 전송 거리가 1m인 경우 90% 이상의 높 은 효율을 가질 수 있다. 전송 거리가 2m인 경우에도 40%의 효율을 가질 수 있는 것으로 밝혀졌다. 일상생활에서 무선 급전기술이 사용되고 있는 제품으로는 흔히 사용하 는 무선 전동 칫솔, 휴대전화 등이 대표적이다. 이 제품들은 공진 유도 방식 이 아니라 일반적인 전자기 유도 원리를 이용하고 있다. 무선 전동 칫솔이 나 휴대전화는 거치대에 제품을 놓으면 자동으로 충전되도록 설계되어 있 다. 무선 전동 칫솔의 경우만 말하자면 거치대에는 1차 코일을, 칫솔 바닥에 는 2차 코일을 감아서 전자기 유도 현상을 이용해 무선으로 전력전송을 하 게 된다. 이러한 제품들은 1차 코일과 2차 코일 간의 거리가 1cm도 되지 않 166 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 167

84 08 우리나라 철도차량의 무선 급전시스템 차량 하부에 장착된 집전 코일 4대 집전 코일 장착된 고속철도차량 급전 코일 지면에 장착된 급전 코일 고속철도차량용 무선 급전시스템의 급전 코일과 집전 코일 코일은 급전 코일에서 발생하는 교류 자기장을 받아 차량에 전력을 전달할 한국철도기술연구원에서는 2013년에 트램이라는 철도차량에 무선 급전 시스템을 적용해 시연 행사를 가졌다. 개발된 트램용 무선 급전시스템은 전 력 전송 효율이 90%에 달한다. 60kHz 공진 주파수를 사용하며, 200kW의 전력을 7cm 거리에 보낼 수 있다. 200kW의 전력은 60W 형광등 3300개를 동시에 켤 수 있을 만큼 큰 용량의 전력이다. 급전 코일은 200kW의 전력을 보낼 수 있도록 설계되었는데, 지상에 노출 되지 않도록 지면에 매설했으며, 자기장만 투과될 수 있도록 건설했다. 집 전 코일은 각각 60kW급으로 총 3대를 제작해 총 180kW의 전력을 받을 수 있도록 설계했다. 전송 효율이 90% 정도이므로 급전 코일에서 200kW를 보 낸다면 약 180kW에 해당하는 전력이 집전 코일에 전달된다. 이러한 집전 수 있도록 차량 하부에 장착했다. 이러한 트램용 무선 급전시스템은 한국철도기술연구원에 의해 세계 최초 로 연구 개발되었다. 전력전송 효율 또한 기존의 무선 전기버스 등에 비해 매우 우수하다. 60kHz의 높은 공진 주파수가 전력전송 효율을 높이는 데 큰 도움이 되었다. 기존의 카이스트 및 동원 OLEV에서 개발한 무선 충전 전기버스는 20kHz의 공진 주파수를 사용했는데, 전력전송 효율이 80~85% 정도였다. 철도차량에 적용된 무선 급전시스템은 이보다 3배 높은 주파수 를 사용해, 코일 간 전력전송 효율을 증가시킨 것이다. 한국철도기술연구원에서는 2014년에 트램용 무선 급전시스템을 한 단계 더 발전시켜 고속철도차량용 무선 급전시스템을 개발했다. 이는 트램용 무 선 급전시스템보다 5배 더 큰 1000kW급 무선 급전시스템으로, 세계 최초 이자 최대 용량의 무선 전력전송시스템이다. 고속철도차량용 무선 급전시 지면에 매설된 급전 코일 차량 하부에 장착 된 집전 코일 3대 지면에 매설된 급전 코일 차량 하부에 장착된 집전 코일 3대 스템 역시 60kHz의 공진 주파수를 사용했으며, 개발 중에 있는 시험용 고 속열차 HEMU-430X에 장착하여 실험했다. 60kHz급 대전력 무선 급전기술은 머지않은 미래에 다양한 물류 이송시 트램용 무선 급전시스템의 급전 코일과 집전 코일 스템에 광범위하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 168 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도를 움직이는 전기의 힘 169

85 더 알아보기 고속열차의 친구, 초고속 자기부상열차 기 차 선 로 흡인식 자기부상 원리 철 전자석 기존의 차륜식 열차는 바퀴와 레일 이 접촉하면서 움직인다. 이에 비해 초 고속 자기부상열차는 차량이 궤도 위를 뜬 상태로 움직이기 때문에 마찰이 없 어 고속 주행에 유리하다. 그리고 차륜 식 열차는 차량 안의 추진 장치에 의해 추진력이 발생하지만, 초고속 자기부상 열차는 차량이 아니라 전류가 공급되는 궤도에서 추진력을 일으킨다. 이러한 추진 방식에서는 더 많은 양의 전류를 공급해 큰 추진력을 만들 수 있고, 추진 장치가 없는 차량은 가벼워져서 고속 주행에 유리해진다. 또한 초고속 자기부상 열차는 열차가 궤도를 감싸고 있는 형태이므로 차량이 궤도를 이탈하는 탈선의 위험이 없고, 차륜식 열차에 비해 상대적으로 급커브 주행도 용이하다. 초고속 자기부상열차를 부상시키는 방법에는 흡인식과 반발식 두 가지가 있 다. 흡인식은 차량 밑에 설치된 전자석과 궤도에 설치된 철과의 인력을 이용해 차량을 부상시키는 방법이다. 이때 부상 간격은 약 10mm 이내인데, 전자석에 투입되는 전류의 양을 조절해 부상 간격을 제어한다. 반발식은 자석을 도체판 위에서 움직이면 발생하는 척력(밀어내는 힘)을 이용 해 차량을 부상시키는 방법이다. 도체판 역할은 궤도가 하고 자석은 차량에 부 착되는데, 이때 차량을 부상시킬 만한 충분한 힘을 만들기 위해서 초전도체를 이용한 전자석을 사용하게 된 다. 초전도체는 매우 낮은 온 도에서 저항이 없어지는 특징 을 가진 물체다. 이 물체로 전 자석을 만들면 엄청나게 큰 전류를 전자석에 흘릴 수 있 어 센 자력을 만들 수 있고, 이 힘을 이용해 차량을 띄울 수 있게 된다. 초고속 자기부상열차의 추진 장치는 회전형 동기전동기가 직선으로 펼쳐진 것(선형 동기전동기)이라 생각하면 된다. 즉, 회전형 동기전동기의 고정자가 궤도 를 따라 설치되고 회전자는 차량에 붙어 있는 형태이다. 이러한 상태에서 궤도 의 고정자에 N극과 S극이 연속적으로 바뀌도록 전류를 넣으면, 차량에 부착된 회전자와의 인력 및 척력으로 인해 차량이 움직이게 된다. 세계 최초의 초고속 자기부상열차는 독일이 개발한 트랜스래피드(Transrapid) 이다. 흡인식 부상 방식으로 궤도 위를 약 10mm 떠서 430km/h의 최고속도로 운행할 수 있는 이 열차는 현재 중국 상하이 푸동공항에서 시내 중심부를 잇는 약 30km 구간에서 운행 중이다. 회전자 (선형) 선형 동기전동기 (초고속 자기부상열차) 회전자 (회전형) 초고속 자기부상열차의 선형 동기전동기 우리나라는 흡인식 초고속 자기부상열차에 대한 연구를 2012년부터 본격적 으로 시작했다. 한국철도시설공단 내에 약 150m 길이의 초고속 자기부상철도 용 단거리 시험선을 구축했으며, 길이 13m, 폭 3.5m, 무게 28톤의 시험차량 1량 을 제작하여 현재 부상 및 추진 기술에 대한 연구를 수행하고 있다. 고정자 (선형) 고정자 (회전형) 회전형 동기전동기 170 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 7 고속철도차량 시스템 기술 171

86 E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 8 01 검측시스템의 구성 02 우리의 안전을 지켜 주는 첨단 기술, 고속종합검측차 03 세계 여러 나라의 검측차 04 우리나라의 검측차 더 알아보기 미래의 철도, 튜브 속으로 달려요 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차

87 01 검측시스템의 구성 궤도검측 전차 및 신호검측 전차선로 검측 철도는 기타 교통수단에 비해 여러 가 지 장점을 가지고 있다. 사고율이 매우 낮 좌우 레일에 카메라 설치 신호검측 은 안전성 과 약속시간을 지킬 수 있는 검측이 이루어지는 과정 독일의 고속열차 사고 현장 정시성 이 그 대표적인 예다. 또한 운행 에 있어서 눈, 비, 바람 등 기상의 영향을 거의 받지 않는다. 이뿐만 아니라, 고속철 도의 개발을 통해 신속성까지 겸비해 차 세대 교통수단으로서 각광받고 있다. 그러나 운행 중에 사고가 발생할 경우 그 피해는 매우 크다. 예를 들어, 1998년 독일에서 발생한 고속열차 사고에서는 열차 바퀴 결함으로 인한 탈 선 및 탈선 열차의 콘크리트 기둥 충돌에 의한 붕괴로 101명이 사망했다. 2011년 중국에서는 벼락을 맞고 운행을 멈춘 열차를 뒤따라오던 열차가 추 돌하며 앞서 있던 열차가 교량 아래로 추락하는 사고가 일어났다. 이 사고 로 35명이 사망하고, 210명이 부상당했다. 또한 2013년 스페인에서는 고속 이러한 대형 사고를 막기 위해서는 철도 시설물에 대한 과학적이고 정밀 한 유지 보수가 필요하다. 이를 효율적으로 수행할 수 있게 도와주는 것이 바로 검측차 이다. 검측차는 열차가 주행하는 궤도(레일), 열차가 전력을 공 급받는 전차선, 그리고 신호장비를 점검하는 시스템 등으로 구성되어 있으 며, 검측장비를 차량에 설치해 선로의 안전성을 검측하는 역할을 수행한다. 현재 국내에서도 다양한 종류의 검측차를 이용해 철도를 검측하고 있다. 과거에는 궤도 검측과 전차선 및 신호 통신 검측은 목적에 맞는 장비를 이 용해 제각각 검측했다. 그러나 최근에는 효율을 높이기 위해 궤도 전기 신호 통신을 동시에 측정할 수 있는 종합검측차가 개발되고 있다. 한국철 도기술연구원이 그 개발에 앞장서고 있다. 열차가 운전자 과실 및 자동제어시스템 미작동으로 탈선해 80여 명의 사망 자를 냈다. 174 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 8 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차 175

88 02 우리의 안전을 지켜 주는 첨단 기술, 고속종합검측차 열차위치검측 선로순회 전차선 신호 데이터 수집 저장 평가 차량진동 과거의 검측차는 레일에 직접 접촉하는 센서를 이용해 궤도틀림(열차의 지속적 주행으로 인한 궤도의 변형) 등의 검측을 수행했다. 그러나 열차의 속도 궤도롤링 궤도구성품 가 빨라짐에 따라 검측차가 열차 운행에 지장을 주지 않고 선로검측을 수 행하려면 검측차의 속도 또한 빨라져야 한다. 과거의 검측 기술로는 열차의 진동 등에 의해 고속으로 주행하면서 정확한 검측을 수행하기가 곤란하다. 즉, 검측 방법 및 센서에 관한 최첨단의 기술이 필요한데, 이것이 적용된 것 이 바로 고속종합검측차이다. 고속종합검측차는 레일에 직접 접촉하지 않고, 레이저와 카메라를 통 해 고속으로 검측하는 광학기술을 이용한 비접촉식 방법을 사용한다. 또한 300km/h의 고속열차는 1초에 약 83m를 주행하는데, 선로의 정밀한 검측 (25cm 간격으로 검측)을 위해서는 1초에 300장 이상의 사진을 찍어야 한다. 더불어 이를 실시간으로 분석해 레일과 전차선 등의 결함을 밝혀내는 이미 지 처리 기술도 요구된다. 최근에는 항공기와 미사일 등에 사용되는 위성항법 기술을 활용해 궤도 틀림을 검측하고 있다. 선로의 변형은 1mm 이내의 오차로 측정되어야 하 고속종합검측차 요하다. 철도사고의 또 다른 주요 원인 중 하나는 기차에 전기를 공급해 주는 전 차선과 신호의 문제이다. 이들의 문제 발생을 막기 위해 자동열차제어(ATC) 시스템의 연속 불연속 정보에 대한 검측, 열차로 공급되는 전기 용량을 조 절하는 보상콘덴서와 무선으로 신호를 전달하는 시스템에 대한 검측 기술 도 필요하다. 또한 레일에 흐르는 전류를 측정하는 장치, 차량에 전기를 공 급하는 전차선의 마모 상태 및 전차선의 위치를 측정하는 장치 등도 매우 중요한 검측장치이다. 이와 같은 핵심 검측 기술을 통해 계측된 데이터는 고속종합검측차 내부 에 마련된 검측실로 수집되어 실시간으로 궤도의 안전성을 판단하는 데 쓰 인다. 이뿐만 아니라, 모든 데이터들은 선로 유지 보수 사업소에 전송, 저 장되어 철도 관리에 적용된다. 므로 오히려 위성항법 기술보다 훨씬 높은 수준의 정확도를 갖춘 기술이 필 176 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 8 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차 177

89 03 세계 여러 나라의 검측차 1호차 2호차 3호차 4호차 5호차 6호차 7호차 전차선 고압실 전기 신호 측정기기 통신시설 관측 둠 전기창고 궤도검측실 (궤도검측차) 다목적실험실 전원공급 휴게실 회의실 고압실 전기 관련 측정 전기 시설 측정기기 Dollyvarden ignis 프랑스의 고속종합검측차, 아이리스 세계의 여러 철도 선진국에서는 철도 운행 안전 확보를 위해 검측차를 개발 운영 중에 있다. 과거에는 1량 1편성의 검측차를 주로 사용했으나, 최근에는 고 속으로 주행하면서 궤도 전차선 신호 분야를 동시에 검측하는 고속종합검측 차를 사용하고 있다. 먼저 프랑스의 검측차 아이리스(TGV 일본의 고속종합검측차, 닥터 옐로 센 궤도 전기 종합검측차이다. 7량 1편성으로 구성되어 있다. 최고속도는 270km/h로, 10일에 1회씩 전국 노선을 검측하고 있다. 닥터 옐로의 1호차 는 전차선 신호 통신 검측실로 이루어져 있으며, 2호차와 3호차는 전기 검측실, 4호차는 궤도검측실, 5~7호차는 휴게실 등으로 마련되었다. 주요 검측 항목으로는 궤도틀림, 레일단면마모, 선로 순회, 차륜-레일 작용력, 전 차선, 통신, 위치 정보 등이다. 이탈리아의 대표적인 고속종합검측차는 아르키메데(Roger-2000) 이다. IRIS-320) 를 소개한다. 아이리스는 프랑스 철도(SNCF)의 고속종합검측차로, 프랑스어로 눈(홍채) 을 의미한다. 최고속도는 320km/h이며, 2주에 1회씩 고속철도 및 일반철도 노선을 검측한다. 연간 20만km까지 검측이 가능하 다. 아이리스는 TGV 고속열차 10량 1편성을 전용 검측차로 개조한 것으로, 궤도검측실 등의 검측실 4량, 회의실 1량, 승무원실 1량, 조리실 및 침실 2 량으로 구성되어 있다. 궤도틀림, 레일단면 마모, 선로 순회, 차륜-레일 작 용력, 차량 가속도, 전차선, 통신, 위치 정보 등을 검측한다. 아르키메데는 6량 1편성으로 구성되어 있으며, 운행 속도는 220km/h이지 만 최대 250km/h까지 달릴 수 있다. 아르키메데의 차량 구성은 다음과 같다. 1호차는 운전실, 2호차는 전차선 및 통신검측실, 3호차는 궤도검측실, 4~5호차는 수화물차, 6호차는 기관차 와 선로 순회 검측실로 이루어져 있다. 주요 검측 항목으로는 궤도틀림, 레 일단면 마모, 선로 순회, 차륜-레일 작용력, 차량 가속도, 전차선, 통신, 위치 정보 등이다. 일본의 대표적인 검측차 닥터 옐로(Dr. Yellow) 는 JR의 대표적인 신칸 178 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 8 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차 179

90 04 우리나라의 검측차 측을 담당하며 철도 안전의 파수꾼 역할을 했으나, 현재는 노후화되어 사용 하고 있지 않는 상황이다. Roger-1000K는 경부고속철도의 개통과 더불어, 2004년 고속철도 검측 을 위해 이탈리아의 메르멕(Mermec)사로부터 도입한 것이다. 이 검측차는 1 량 1편성으로 구성되어 있는데, 궤도, 전차선, 신호 및 통신 분야의 검측이 동시에 가능한 종합검측차이다. 최고속도 160km/h의 속도로 주행하면서 검측이 가능하나, 300km/h의 고속으로 주행하는 KTX가 운행하는 시간에 현재 우리나라에서 사용 중인 검측차는 모두 해외에서 수입한 것이다. 한국철도공사의 EM-120, Roger-1000K, EM-140과 서울메트로의 Roger- 600K 등이 있다. 먼저 EM-120은 오스트리아 플라서(Plasser)사에서 제작한 검측차이다. 120km/h의 속도로 주행하며 검측이 가능하다. 차량은 1량 1편성으로 구성 되어 있으며, 접촉식 센서를 사용하고 있다. 과거 일반철도의 전체 노선 검 는 고속선의 검측이 곤란해 야간에 선로 검측을 수행한다. 서울메트로에서는 서울 지하철의 검측을 위해 이탈리아 메르멕사로부터 Roger-600K 검측차를 도입했다. 전체적인 성능 및 기능은 Roger-1000K와 유사하다. 최대 80km/h로 주행하며 검측을 하는 것이 가능하다. 한국철도공사에서는 EM-120 검측차의 운행을 중단하며 그 대체 수단으 로써 2013년 플라서사로부터 EM-140을 도입했다. EM-140은 1량 1편성으 로 140km/h의 속도로 주행하면서 검측이 가능하다. 일반철도와 고속철도 노선의 검측을 담당하고 있다. EM-140은 항공기 및 미사일 등에서 사용하 는 위성항법 기술과 자이로스코프 등 최신의 검측 기술을 채택하고 있다. 현재 국내에서 보유하고 있는 검측차는 160km/h 이하에서만 검측이 가능 하다. 따라서 고속철도에서는 검측차의 주간 운행이 곤란해 야간에 검측을 수행하고 있다. 한국철도기술연구원에서는 검측차의 국산화를 목표로 고속 종합검측시스템 을 개발 중에 있는데, 2017년까지 이 시스템을 장착한 고속 종합검측차를 개발할 계획이다. 최고속도 421km/h의 HEMU-430X를 사용 한 총 6량(검측실 2량, 일반실 4량)의 고속종합검측차의 탄생이 멀지 않았다. 고속종합검측차의 검측 구조 (HEMU-430X 열차) 180 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 8 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차 181

91 더 알아보기 미래의 철도, 튜브 속으로 달려요 기차의 속도를 높이는 데 있어서 가장 큰 장애물은 속도를 높임에 따라 급속 하게 커지는 공기저항이다. 현재 항공기의 경우 운행 속도가 800~900km/h인 데, 항공기가 운행하는 고도에서는 대기압이 지상에 비해 약 10%에 불과해 공 기저항이 그만큼 작아 고속 운행에 유리하다. 이러한 원리를 철도에 적용한 것 이 바로 초고속 튜브 트레인이다. 초고속 튜브 트레인은 철도가 운행하는 통로를 튜브로 감싼 구조물이다. 튜브 속을 진공 또는 저진공 상태로 만들어 공기저항을 최소화시킨 것이다. 초고속 튜브 트레인에서는 대용량 추진전력 투입이 가능하고 비접촉 운행이 가능한 선 형동기전동기 방식의 자기부상철도를 이용하여 초고속 운행이 가능하도록 한 다. 이럴 경우 기존 항공기의 운행 속도에 버금가는 700~800km/h의 속도가 육 상에서도 가능할 것으로 예상된다. 초고속 튜브 트레인이 실현된다면 육상에서 는 가장 빠른 교통수단이 될 것이다. 초고속 튜브 트레인의 장점은 빠른 속도만이 아니다. 에너지 효율 측면에 서도 큰 장점이 있다. 튜브 내의 진공 또는 저진공 상태로 인해 공기저항을 최소화할 수 있어 다른 육상 교통수 단에 비해 에너지 소모가 적을 것으 로 예상된다. 그리고 비접촉 자기부상 초고속 튜브 트레인 기술을 이용하므로 유지 보수 비용 또한 절감될 것이다. 안전성 측면에서도 장점을 갖는다. 튜브 구조는 외부 환경과 단절되기 때문에 강 우, 강풍, 폭설 등 기 상 조건에 영향을 받 지 않을 뿐만 아니라, 스위스메트로의 튜브 트레인 모델 시스템 외부와의 사고도 피할 수 있다. 또한 튜브 구조로 인해 외부로 방사되는 소음도 차단할 수 있으며, 자기부상 기술로 인해 배기가스 등이 방출되지 않으 므로 대기오염도 없앨 수 있다. 산악지형이 많은 스위스의 경우 지하터널을 이용한 튜브 트레인이 상당한 장 점을 가진다는 판단 하에 1980년대부터 연구가 시작되었다. 연구 기관인 스위 스메트로 에서 제안한 열차 모델은 양방향 직경 5m인 저진공(0.1기압) 상태의 지하 튜브를 달리는 선형동기전동기 추진 기반의 자기부상열차이다. 미국의 ET3사에서는 1.5m 직경의 진공 튜브에서 6500km/h의 속도로 달릴 수 있는 일반 자동차 크기의 자기부상식 캡슐을 제안하기도 했다. 기존의 육상 교통수단보다 에너지 소모가 훨씬 적고 건설비가 저렴하다는 것이 회사 측의 설명이다. 또한 미국의 유명 전기자동차 회사인 테슬라(Tesla)의 창업자인 엘런 머스크 는 저진공 상태의 튜브 속을 최고속도 1200km/h로 운행하는 튜브 트레인을 제 안했다. 이 시스템에서는 선형유도전동기 방식의 자기부상 철도를 이용한 기존 튜브 트레인 개념과는 달리 공기압축 방식을 사용한 비접촉 구동 방법이 이용 된다. 스위스메트로 182 이지사이언스 시리즈 고속철도 CHAPTER 8 기찻길의 안전 지킴이 고속검측차 183

92 우리의 새로운 미래를 열어갈 미래교통과학기술 세계 최고의 운영속도 430km/h급 고속철도 최고속도 : 430km/h 고효율 유도전동기 탑재 동력 분산형 시스템 압출재 적용으로 차체 경량화 에너지효율이 높은 차세대 전동차 최고속도 : 130km/h 수송능력 : 784명/편성 에너지 20% 이상 절감 승객편의성 향상 버스같이 도로 위를 달리는 바이모달 트램 최고속도 : 80km/h 수송능력 : 93명(좌석 29석) 184 모듈형 스피드 정거장 최소 회전반경 12m, 자동운전 및 정밀정차 이지사이언스 시리즈 고속철도 지하철보다 저렴한 한국형 경량전철 최고속도 : 70km/h 수송능력 : 100명/량 무인자동운전 알루미늄차체 및 고무차륜형식 1축 대차 배터리로 움직이는 무가선 트램 최고속도 : 70km/h 수송능력 : 200명/편성 최소 곡선반경 25m, 실내소음 70dB(A) 이하 환경친화적 매립형 궤도 무인자동 미니트램 운행속도 : 40km/h 수송능력 : 1,200명/시간 저비용 교통수단 저심도 지하철도 환승 및 접근성 우수 급경사 운행가능한 LIM 채택 저소음 레일, 저비용 건설 독립차륜기술 활용, 차량 회전반경 축소 바다를 지나 대륙을 연결하는 해중철도 터널 단면적 : 98 중력식 계류장치 구조체 : 강철 + 콘크리트 탈선방지 가드레일 폭설, 결빙, 급경사에 관계없는 산악철도 목적지까지 자동운전 수직 및 수평 운행 가능 최고속도 : 70km/h 수송능력 : 300명/편성 등판능력 : 200 톱니바퀴형 대차 전차선을 없앤 무선전력 전송기술 대용량 전력을 무선으로 전송하여 차량을 움직이는 기술 주파수 : 60kHz 공급전력 : 1MW(세계 최초) 20시간 이내 콘크리트 급속양생기술 마이크로파를 이용한 발열로 콘크리트 양생시간 절반으로 단축 공기단축 및 공사비 절감, 극한 기후조건에서도 기술 활용 지능형 도시철도 운영계획 Dr. METRO 교통카드에 축적된 승객의 이동 자료로 최적의 열차운행 스케줄 수립 종합적인 대중교통 운영계획 수립 우리의 새로운 미래를 열어갈 미래교통과학기술 185

93 이미지 출처 및 참고문헌 E a s y S c i e n c e S e r i e s 이미지 출처 CHAPTER 1 17쪽 신칸센 0계 열차 출처 : CSui-setz : File:Shinkansen_0-series.jpg#/media/ File:Shinkansen_0-series.jpg 17쪽 신칸센 700계 열차 출처 : CSui-setz : Chttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:JR_ Central_Shinkansen_700.jpg#/media/File:JR_Central_ Shinkansen_700.jpg 18쪽 E5계 고속열차 출처 : CToshinori baba : TEC-E5_omiya.JPG#/media/File:JRE-TEC-E5_omiya. JPG 21쪽 TGV A 출처 : CSeeSchloss : Gare_Montparnasse.jpg#/media/File:TGV_Gare_ Montparnasse.jpg 21쪽 TGV R 출처 : TGV-R_526_at_Paris_Gare_du_Nord.JPG#/media/ File:SNCF_TGV-R_526_at_Paris_Gare_du_Nord.JPG 21쪽 유로스타 출처 : jpg#/media/file:eurostar_train.jpg 21쪽 TGV POS 출처 : C셔터스톡 22쪽 AGV 출처 : CBonaber : jpg#/media/file:ntv_.italo.jpg 25쪽 ICE3 출처 : CSese Ingolstadt : Oberhaider-Wald-Tunnel.jpg#/media/File:ICE_3_ Oberhaider-Wald-Tunnel.jpg 26쪽 Velaro D 출처 : _67bb9e88e7_o.jpg#/media/File:BR_407_ _67bb9e88e7_o.jpg 26쪽 Velaro E 출처 : CYrithinnd : clase_103.jpg#/media/file:renfe_clase_103.jpg 26쪽 Velaro Rus 출처 : CIgor Fedenko : Velaro_in_Saint_Petersburg.jpg#/media/File:Siemens_ Velaro_in_Saint_Petersburg.jpg 28쪽 CRH1 출처 : Guangshen_Railway.jpg#/media/File:CRH1_at_ Guangshen_Railway.jpg 30쪽 ETR 1000 출처 : CBjörn König : File:Frecciarossa_1000_at_InnoTrans_2014.jpg#/ media/file:frecciarossa_1000_at_innotrans_2014.jpg 31쪽 Class 100 출처 : CYrithinnd : clase_100.jpg#/media/file:renfe_clase_100.jpg 31쪽 Class 102 출처 : C셔터스톡 31쪽 Class 103 출처 : CGlucke : Class_103_and_Avant_Class_104.JPG#/media/ File:Ave_Class_103_and_Avant_Class_104.JPG 34쪽 틸팅열차 출처 : CPenpen : hokuto_001.jpg#/media/file:dc283_hokuto_001.jpg CHAPTER 2 38쪽 KTX 출처 : media/file:ktx.jpg 41쪽 최고속도 350km/h를 달성한 HSR-350X 출처 : (Uiwang).JPG#/media/File:HSR-350x_(Uiwang).JPG 41쪽 352.4km/h(HSR-350X의 속도 표시) 출처 : C연합뉴스 44쪽 KTX-산천 출처 : jpg#/media/file:korail_ktx-2.jpg 45쪽 KTX-산천의 중련 편성 출처 : C반쪽날개의 환상누각 : 49쪽 차세대 고속열차 출처 : C한국철도기술연구원 50쪽 승객의 선호도를 만족시키기 위해 다양하게 배치된 좌석. 2등실(왼쪽)과 가족실(오른쪽) 출처 : C뉴타임즈코리아 50쪽 인간공학적으로 설계된 운전실 출처 : C뉴타임즈코리아 51쪽 세계 각국의 고속열차 최고속도 기록 출처 : C한국철도기술연구원 53쪽 이층고속열차와 열차의 내부 출처 : C한국철도기술연구원 CHAPTER 3 59쪽 열차가 주행할 때 저항력과 추진력과의 관계 출처 : C한국철도기술연구원 60쪽 대차 출처 : West_ _ _WDT205A.jpg#/media/ File:JR_West_ _ _WDT205A.jpg 61쪽 제동장치 출처 : JPG#/media/File:Uzu-brake.JPG 62쪽 동력집중식과 동력분산식 예시 출처 : C한국철도기술연구원 64쪽 중국의 동력분산식 고속열차, CRH3 출처 : media/file:crh3.jpg 64쪽 중국의 동력분산식 고속열차, CRH380D 출처 : Guangzhou_North_Station.jpg#/media/File:CRH380D_ in_guangzhou_north_station.jpg 66쪽 유도전동기의 구조 출처 : C한국철도기술연구원 69쪽 주변압기 출처 : C한국철도기술연구원 73쪽 철도차량의 대차 출처 : C한국철도기술연구원 76쪽 고속철도차량의 소음원 출처 : C한국철도기술연구원 77쪽 고속열차 소음 출처 : C한국철도기술연구원 79쪽 감속장치 출처 : C한국철도기술연구원 80쪽 캘리퍼 출처 : C한국철도기술연구원 81쪽 KTX 제동 블록도 출처 : C한국철도기술연구원 82쪽 고속열차의 팬터그래프 구조 출처 : C한국철도기술연구원 83쪽 KTX의 GPU 팬터그래프(프랑스 페블레사) 출처 : C한국철도기술연구원 83쪽 KTX의 CX 팬터그래프(프랑스 페블레사) 출처 : C한국철도기술연구원 83쪽 HEMU-430X의 팬터그래프(유진기공산업) 출처 : C한국철도기술연구원 84쪽 철도차량용 대차의 경량화 추세 출처 : C한국철도기술연구원 85쪽 철도차량용 차체의 소재 변천 출처 : C한국철도기술연구원 86쪽 고속복합화물열차의 승객 승ㆍ하차 및 화물 적재 개념 출처 CHAPTER 4 : C한국철도기술연구원 90쪽 궤도의 구성 출처 : C셔터스톡 91쪽 자갈 궤도 출처 : C이미지 투데이 91쪽 자갈 궤도의 구조 출처 : C한국철도기술연구원 92쪽 콘크리트를 사용한 슬래브 궤도 출처 : C한국철도기술연구원 92쪽 슬래브 궤도의 구조 출처 : C한국철도기술연구원 93쪽 부드러운 고무를 사용한 체결장치 출처 : C한국철도기술연구원 94쪽 분기기의 구성 출처 : C국토교통부 95쪽 고정크로싱과 결선부 출처 : C코레일 95쪽 가동크로싱 출처 : C코레일 96쪽 고속철도 PC 박스거더교 출처 : C셔터스톡 97쪽 고속철도 엑스트라도즈교 출처 : C셔터스톡 98쪽 터널을 통과하는 고속열차 출처 : HighSpeedRail-700T-testrun jpg#/media/file:taiwan-highspeedrail-700ttestrun jpg 186 이지사이언스 시리즈 고속철도 이미지 출처 및 참고문헌 187

94 이미지 출처 및 참고문헌 E a s y S c i e n c e S e r i e s 99쪽 일본의 세이칸 터널 출처 : File:Seikantunnel_-_Tsugaru_street_detail.PNG#/ media/file:seikantunnel_-_tsugaru_street_detail.png 100쪽 해중터널 개념도 출처 : C한국철도기술연구원 101쪽 저심도 지하철 개념도 출처 : C한국철도기술연구원 103쪽 조차장에서의 열차 점검 출처 : C코레일 103쪽 신호장 출처 : C셔터스톡 106쪽 만리장성 출처 : CAsadal : AC%EC%9E%A5%EC%84%B1#/media/File:L JPG 107쪽 아피아가도 출처 : Via-Appia.jpg#/media/File:Minturno_Via-Appia.jpg CHAPTER 5 110쪽 선로변에 설치된 신호기 출처 : C한국철도기술연구원 111쪽 열차 운전실에 설치된 신호표시 장치 출처 : C한국철도기술연구원 113쪽 일본 여객열차에 설치된 ATS 출처 : CW : ATS-P.JPG 115쪽 폴리스맨의 수신호 출처 : Cwww.laluciole.net : 116쪽 자동폐색장치의 원리 출처 : C한국철도기술연구원 116쪽 ATS의 동작 원리 및 문제점 출처 : C한국철도기술연구원 118쪽 ATC의 속도 코드 설정 원리 출처 : C한국철도기술연구원 119쪽 ATC 장치 구성도 출처 : C한국철도기술연구원 121쪽 궤도회로 방식(위)과 무선통신 방식(아래)의 신호 시스템 출처 : C한국철도기술연구원 123쪽 차축온도검지장치 출처 : C한국철도기술연구원 123쪽 레일온도검지장치 출처 : C한국철도기술연구원 125쪽 무선통신을 적용한 현재의 철도신호 출처 : C한국철도기술연구원 125쪽 무선통신을 적용한 미래의 철도신호 출처 : C한국철도기술연구원 126쪽 레일 방식 초고속열차의 콘셉트 출처 : C한국철도기술연구원 127쪽 레일 방식 고속열차와 자기부상열차의 장점 비교 출처 CHAPTER 6 : C한국철도기술연구원 131쪽 LTE-R을 이용해 열차 안에서 무전을 하는 모습 출처 : C한국철도기술연구원 133쪽 디지털 철도 활용의 예 출처 : C한국철도기술연구원 134쪽 무인운전의 원리 출처 : C한국철도기술연구원 139쪽 KTX의 AP 설치 위치 출처 : C한국철도기술연구원 141쪽 KTX 승무원의 무전기 VHF, TRS-Astro, TRS-Tetra 방 출처 식의 세 종류를 가지고 다닌다. : C새누리당 이우현 의원실 143쪽 철도 IT 적용 분야 출처 : C한국철도기술연구원 144쪽 KTX 운전실의 내부 모습과 무전 장치의 위치 출처 : C한국철도기술연구원 145쪽 KTX의 무전 장치와 활용 현황 출처 : C한국철도기술연구원 CHAPTER 7 148쪽 증기기관차 출처 : CBY-SA : Pacific_844,_Painted_Rocks,_NV,_2009_(crop).jpg 150쪽 디젤기관차 출처 : CKabelleger : 4_%EA%B8%B0%EA%B4%80%EC%B0%A8#/media/ File:ACE_EMD_F40PH_Fremont_-_San_Jose.jpg 152쪽 부산-김해 구간을 운행하는 경량전철 출처 : CMinseong Kim : Gimhae_Light_Rail_Transit_1000_Series_EMU.jpg 155쪽 전기기관차 출처 : CGeorge Chernilevsky : ChS4-109_2012_G1.jpg 159쪽 전차선로의 구성도 출처 : C한국철도시설공단 160쪽 급전용 변압기 출처 : C셔터스톡 163쪽 KTX-산천의 팬터그래프 출처 : 82%B0%EC%B2%9C_%ED%8C%AC%ED%84%B0% EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%94%84.JPG#/media/ File:KTX-%EC%82%B0%EC%B2%9C_%ED%8C%AC% ED%84%B0%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%94%84. JPG 166쪽 전자기 유도 원리를 이용한 무선 전동 칫솔과 거치대 출처 : C셔터스톡 166쪽 전자기 유도 원리를 이용한 휴대전화와 거치대 출처 : C네이버캐스트 167쪽 공진 유도 방식을 이용한 휴대전화 출처 : C삼성전기 168쪽 트램용 무선 급전시스템의 급전 코일과 집전 코일 출처 : C한국철도기술연구원 169쪽 고속철도차량용 무선 급전시스템의 급전 코일과 집전 코 일 출처 : C한국철도기술연구원 170쪽 흡인식 자기부상 원리 출처 : C한국철도기술연구원 171쪽 초고속 자기부상열차의 선형 동기전동기 출처 : C한국철도기술연구원 CHAPTER 8 174쪽 독일의 고속열차 사고 현장 출처 : eschede_1.jpg 175쪽 검측이 이루어지는 과정 출처 : C한국철도기술연구원 177쪽 고속종합검측차 출처 : C한국철도기술연구원 178쪽 프랑스의 고속종합검측차, 아이리스 출처 : Cignis : Gare_du_Nord_Paris_FRA_008.jpg 179쪽 일본의 고속종합검측차, 닥터 옐로 출처 : CDollyvarden : Yellow.jpg?uselang=ko 180쪽 고속종합검측차의 검측 구조 출처 : C한국철도기술연구원 182쪽 초고속 튜브 트레인 출처 : C한국철도기술연구원 183쪽 스위스메트로의 튜브 트레인 모델 출처 : C스위스메트로 * 본 책은 독자들이 내용을 쉽게 이해할 수 있도록 다양한 이미 지를 인용했습니다. 이와 관련해 가능하면 저작권이 공개된 (public domain) 이미지를 사용하고자 노력했습니다. ** 출처가 표기되지 않은 사진은 한국철도기술연구원에서 제공한 사진이거나 이미지 투데이, 셔터스톡 등 이미지 판매 사이트에 서 구매해 사용한 사진입니다. 참고문헌 CHAPTER 1 13쪽 1. UIC(국제철도연합회) 15쪽 2. UIC(국제철도연합회) CHAPTER 3 56쪽 1. 과학기술로 달리는 철도, 한국철도기술연구원 57쪽 2. 과학기술로 달리는 철도, 한국철도기술연구원 CHAPTER 4 91쪽 1. 기차, 철도 속이 보인다, 이성혁 92쪽 2. 기차, 철도 속이 보인다, 이성혁 188 이지사이언스 시리즈 고속철도 이미지 출처 및 참고문헌 189

95 필자 소개 E a s y S c i e n c e S e r i e s 동력분산형 차세대 고속열차 개발을 담당하고 있어요. 차세대 고속열차 해무 는 400km/h 운행 중인 초고속 자기부상열차의 정확한 위치를 검출하는 기술과 여러 부품들이 제 성능을 이상으로 주행할 수 있는, 우리나라에서는 가장 빠른 교통수단입니다. 우리 힘으로 만든 고 잘 발휘하고 있는지를 판단하는 기술을 개발하고 있어요. 또한 차량의 더 좋은 운행 성능을 조홍식 속열차가 세계에서 가장 빠른 속도로 미국과 유럽까지 단숨에 달려갈 수 있도록 오늘도 연구 에 매진하고 있답니다. 이진호 구현하기 위해 차량의 운동을 해석하고 분석해서 설계에 반영하는 연구도 하고 있습니다. 더 빠르고 안전하며 쾌적한 자기부상열차의 개발을 위해서! 고속열차의 안전한 주행을 확보하기 위해 자연재해 저감기술 을 연구하고 있습니다. 이 기 첨단신소재인 복합소재 및 마그네슘합금을 이용해 철도차량을 경량화하는 연구를 하고 있습 술은 수치해석과 모형실험 등을 통해 자연재해로부터 철도인프라와 열차 안전을 확보하는 니다. 차량의 경량화는 에너지 비용을 절감하고 선로의 마모를 저감시켜 유지 보수 비용을 김현기 것이 목적입니다. 강우 시 열차 안전 확보를 위한 강우 시 열차운전규제기준 및 첨단 센싱 기술과 융합된 철도방재기술 개발을 주도하여 철도 자연재해 ZERO 화를 향해 달려가고 있 김정석 저감하는 데 기여합니다. 첨단신소재를 철도차량에 적용하고 이를 실용화하는 연구를 위해 꾸준히 노력하고 있답니다. 습니다. 전기철도 송 변전 분야 기술 개발을 위해 컴퓨터를 이용한 전기철도 에너지 시뮬레이션을 300km/h의 고속으로 주행하는 열차에서 궤도, 전차선 등의 이상 유무를 검측하는 검측차 연구하고 있습니다. 시뮬레이션을 통해 열차 운행에 필요한 에너지와, 이를 공급하기 위한 개발을 총괄하고 있어요. 사람이 아플 때 병원에서 의사의 진료를 받듯이 검측차는 철도의 이장무 철도변전소의 위치, 변전소의 공급용량 등을 미리 예측해 철도변전소 설계에 반영하는 것이 지요. 아울러 현재 운행 중인 전동차의 성능을 한 단계 업그레이드한 차세대 전동차량을 개 최일윤 병원과 의사 역할을 하지요. 여러분이 안전하고 즐거운 기차여행을 할 수 있도록 많은 사람 들이 한밤중에도 열심히 일하고 있다는 것을 기억해 주세요. 다음 여행은 기차를 타고 떠나 발, 시험하는 노력을 함께 수행하고 있습니다. 보세요. 칙칙폭폭~! 무선통신을 이용한 열차제어시스템개발을 최근에 완료했습니다. 무선통신을 이용하면 열차 위치와 진행 방향을 연속적으로 확인할 수 있어서 선행열차와 후속열차 사이의 간격을 줄일 윤용기 수 있고, 덕분에 열차 도착시간과 출발시간을 좀 더 정확하게 지킬 수 있습니다. 우리나라 철도기술이 더욱 발전할 수 있도록 계속 노력하고 있습니다. 철도차량용 무선 급전시스템의 급전 코일 및 집전 코일 설계 방법에 대해 연구하고 있습니 다. 시뮬레이션을 통해 무선 급전시스템의 효율, 자기장 분포 등을 미리 예측해, 안전하고 이승환 효율도 높은 무선 급전시스템을 만드는 것입니다. 무선 급전시스템이 휴대전화부터 시작해 노트북, 승용차, 버스, 기차까지 확대 적용 되는 모습을 지켜봐 주시기 바랍니다. LTE를 이용한 지능형 철도기술 개발을 담당합니다. 어떻게 하면 철도가 항공기처럼 고급 스럽고, 자동차처럼 쉽게 접근하고, 이용하는 동안 지루하지 않은 가장 안전한 교통수단이 김용규 될 수 있을까를 항상 고민하면서, 미래의 멋진 디지털 철도를 이루기 위해 열심히 연구 중 입니다. 190 이지사이언스 시리즈 고속철도 필자 소개 191