2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A228 국내고속철도증속을위한전차선로요구조건분석 Analysis on Conditions of Catenary System for Speeding Up the Domestic High Speed Railway 유향복 *, 박민주 *, 정상국 *, 양인동 *, 박윤철 ** Hyang-Bok Ryoo *, Min-Ju Park *, Sang-Gug Jeong *, In-Dong Yang *, Yoon-Cheol Park ** Abstract The Catenary system of Korean High Speed Railways (HSR) is currently under operation at speeds of 300km/h (Gyeongbu HSR) and 350km/h (Honam HSR) in Korea. The Gyeongbu HSR(Seoul~Busan) adopted from the French TGV, was originally designed to run at speeds of 350km/h, but the maximum operating speed is limited to 308km/h, which is 70% of wave propagation speed of catenary system. The Honam HSR(Osong-Gwangju) was designed and constructed so that it can run up to speeds of 350km/h. Suseo-Pyeongtaek HSR is being constructed for the maximum operating speed of 310km/h lowering the tension of the catenary from 26kN to 20kN, even though the designed speed was 350km/h. If Korea adopts new rolling stock which can run at speeds over 310km/h under current railway conditions, we cannot delay the improvement of the catenary system. This paper is to suggest the best ways to improve the catenary facilities in order to accelerate the train speeds to 350km/h by analyzing the relationship between catenary system s dynamic characteristics and tensions, where between electric car lines, depending on the various maximum speeds. Keywords : Speed-up, Catenary, High speed railway 초록우리나라의고속철도전차선로는 300km/h 급 ( 경부 ), 350km/h 급 ( 호남및수도권 ), 400km/h 급 ( 호남 ) 이건설되어운영되고있다. 경부고속철도는프랑스로부터도입된설비로설계속도는 350km/h 이나최고운행속도는파동전파속도의 70% 수준인 308km/h 로제한되고있다. 호남고속철도는설계속도와최고운행속도가동일하게 350km/h(400km/h 일부 ) 로건설되었다. 수도권고속철도는 350km/h 급으로설계하였으나 TPS 결과에따라최고운행속도를 310km/h 수준으로하여가선장력을 20kN 으로적용설치하였다. 향후수도권고속철도선로조건에서 310km/h 이상증속이가능한차량이도입될경우전차선로의일부개량이필수적으로요구된다. 본논문에서는최고속도별전차선로동특성과가선장력간의관계를분석하여 350km/h 로증속시전차선로의시설개량에대한방안을제시하고자한다. 주요어 : 속도향상, 전차선로, 고속철도 교신저자 : 한국철도시설공단기술본부전철처 (ryoohb@kr.or.kr) * 한국철도시설공단기술본부전철처 ** 한국철도시설공단 KR연구원기술연구처
1. 서론 우리나라의고속철도전차선로는광명 ~ 부산간경부고속철도, 오송 ~ 광주송정간호남고속철도 및수서 ~ 평택간수도권고속철도로건설되어운영중에있으며, 수도권고속철도는제 2 의 철도사업자가운영을담당하고있다. 경부고속철도는프랑스로부터도입된설비로설계속도는 350km/h 이나최고운행속도는 파동전파속도의 70% 수준인 308km/h 로제한되고있다. 호남고속철도는설계속도와 최고운행속도가동일하게국내에서개발한시스템인 350km/h(400km/h 일부 ) 급으로건설되었다. 호남고속철도의일부구간은 400km/h 급으로건설되어 HEMU-430X 의고속시험및여러가지국가 R&D 사업의 Test-bed 로운영되고있다. 수도권고속철도는 350km/h 급시스템이적용되었으나 TPS 결과에따라최고운행속도를 310km/h 수준으로하여가선장력을 20kN 으로적용설치하였다.[1] 향후수도권고속철도 선로조건에서 310km/h 이상증속이가능한차량이도입될경우를대비하여 350km/h 로증속시 전차선로의시설개량에대한방안을제시하고자한다. 2. 본론 2.1 국내전차선로시스템비교철도설계지침및편람 (KR E-03040) 의해설3에의한국내전차선로시스템은 [ 표1] 과같이설계속도등급별설계사양을제시하고있으며, 해당선구의기본계획, 선로조건, 열차운행속도및기술개발등에따라변경하여설계에적용할수있도록하고있다.[2] [ 표1. 전차선로시스템비교 ] 설비구분 최고운행속도 설계속도 150km/h 200km/h 250km/h 300km/h 350km/h 전차선 Cu 110/150 mm2 Cu 110 mm2 Cu 110/120 mm2 Cu 150 mm2 Cu-Sn 150 mm2 조가선 Cu-Mg 65.4 mm2 Cu-Mg 65.4 mm2 Cu-Mg 65.4 mm2 Cu-Mg 65.4 mm2 Cu-Mg 116 mm2 전차선 높이 5.2m 5.2m 5.2m 5.08m 5.10m 사전이도 - S / 1,000 S / 2,000 S / 2,000 S / 3,000 가고 0.96m/0.71m 0.96m/0.71m 1.20m/0.85m 1.4m 1.4m 드로퍼배치 2.5/5.0m 2.5/5.0m 2.5/5.0m 4.5/6.75m 4.5/6.5m 장력조정장치 일괄 (2.0t, 2.4t, 3.0t) 일괄 (2.4t) 일괄 (T:1.4t, M:1.4t) 개별 (T:2.0t, M:1.4t) 개별 (T:2.6t, M:2.0t)
2.1.1 전기철도고속화와전차선로최고운행속도결정요인전기철도고속화는단순히차량성능향상만으로는불가능하며전차선로의속도향상과함께체계화 (Systemize) 하는것이필수적이다. 차량이나노반, 궤도, 신호시스템이최고속도에적합하다하여도전차선로의속도향상이없으면열차는속도를증속할수없게된다이는전기차량에전기를공급하는전차선과전기차량의집전장치 ( 팬터그래프 ) 간의접촉에관한메카니즘이숨어있기때문이다. 즉전차선은일정한압상력을가진팬터그래프가전차선과접촉하여운행함에따라전선에파동이생기는데이파동이진행되는속도를파동전파속도 (Wave propagation speed) 라하며집전장치보다앞서서진행된다. [3] 열차운행속도가파동전파속도에가까워질수록전차선의압상량등이증가되어집전에어려움이발생하고이선현상이발생하여아크를동반하게됨에따라열차에원활한전력공급에차질이생긴다 [4]. 이러한이유로, 철도국제기준 (EN 50119, UIC 799) 에도열차의최고운행속도는파동전파속도의 70[%] 이내로규정하고있다. 궁극적으로열차속도를올리기위해서는전차선의파동전파속도를증가해야한다는뜻이다. 파동전파속도를증가시키기위해서는전선의질량 (ρ) 을가볍게하거나가선장력 (T) 을높여야하는데, 전차선의부하전류와허용용량을감안할때기존규격의전차선으로는전선의굵기를줄이는데한계가있어합금전차선을적용하여상승된가선장력을견뎌낼수있도록함으로써파동전파속도를증가하게되었다. 그결과, 고장력 (26kN, 34kN) 에견디며도전율이 70[%] 이상확보되도록하는고도의합금기술이적용된전차선개발이요구되어, 호남고속철도에적용된 350km/h급, 400km/h급의전차선로시스템은기존의동 (Cu) 전선에주석또는마그네슘을첨가한합금전차선 (CuSn150mm2, CuMg150mm2 ) 으로개발하여파동전파속도를 502[ km /h] 와 574[ km /h] 로상승시키게되었다. 합금전차선을적용함에있어도전율에의한허용전류와마모한계에따른교체시기의경제성을감안하여전차선의안전율을합금계열은 2.0배순동계열은 2.2배를적용하였다.[2]
2.1.2 고속철도속도별동특성비교 그동안국내에서건설된고속철도전차선로의시설물검증시험과개발차량의고속시험에서측정된것으로장력증가시드로퍼의변화및교체여부에대한판단자료로활용할수있을것이다. 이곳에서는차상시험인접촉력이나이선율측정은제외하고지상시험인압상량에대하여만언급하도록한다. [5] [ 표2. 고속선압상량측정결과 ] 속도별 경부고속 호남고속 수도권고속 300km/h 90.00 (1단계,20kN) 32.86 (26kN) 57.4 (20kN) 310km/h - 24.09 (26kN) - 330km/h 84.28 (2단계,23kN) - - 350km/h 90.50 (2단계,23kN) 38.7 (365km/h) - 차량 KTX,KTX-산천,HEMU KTX-산천 ( 호남 ) KTX-산천 (SRT) * 경부고속자료인용 : 철도연, 호남고속철도테스트베드구간증속시험수행결과,2014.4. [ 표 2] 의시험에서보는바와같이전차선의압상량기준인 200mm 보다낮게측정되고있으며 가선장력이낮은구간에서상대적으로압상량이높은것을알수있다. 2.2 경부고속철도의증속검토 2.2.1 해외사례에따른경부고속철도전차선로내구수명예측 우리나라가고속철도를도입한프랑스의경우경부고속철도와동일한시스템에서영업운행시작후 25년이경과하여전차선을교체하였고, 우리나라의열차운행횟수보다적은구간으로볼때현재경부고속철도는개통 (2004.04월) 이루약 12년동안사용되어일정만큼의마모가발생하였고개통후 20~23년시점에는교체시기가도래할것으로판단하고있다. [ 표 3. 전차선교체시기예측 ] 선규격현상태교체기준교체예정시기 ( 추정 ) Cu150 mm2 마모 5~7% 수준 (korail 제공 ) 단면적 15% 마모 1단계 : 2027년 ( 시험선구 :2024년) 2단계 : 2033년
2.2.2 경부고속철도속도향상검토 [ 표3] 과같이전차선의교체예정시기도래시에는현재와같은 300km/h 운행을위한개량을할것인지아니면 350km/h급이상으로개량을할것인지에대한검토가요구된다. 이미차량은 350km/h 이상을운행할수있는기술개발이완료된상태로향후경부고속선의속도향상을위하여는개량시기에고속화하는것이합리적인방안이라고보여진다경부고속철도는 1,2단계로구분되어 1단계구간인광명 ~ 동대구구간은자갈도상으로건설되었고, 2단계동대구 ~ 부산간은콘크리트도상으로건설되었다. 전차선로시스템은단계별구분없이동일한형식으로건설되었고, 일부애자류는국산화에따라전면폴리머애자를적용하였다. 자갈도상구간은고속화에매우취약하여콘크리트도상으로의개량이요구된다.[6] 즉현재상황에서고속화를추진하기에는콘크리트도상구간에해당된다고볼수있다. 이러한조건속에서경부고속철도구간에 300km/h 초과의속도향상에필요한전차선로시스템개량은다음과같이추진되어야할것으로보인다. [ 표 4. 속도별개량범위 ] 330km/h 증속 350km/h 이상증속 전차선장력증가 (20kN 23kN) 로가능최대마모율재설정, 전철주 / 기초보강검토필요 장력 / 선종변경, 전철주 / 기초보강검토필요 [ 표4] 와같은개량범위는국가R&D로추진된 차세대고속철도기술개발사업 (HEMU-430X) 의일환으로경부고속철도동대구 ~ 울산구간에서시행한증속시험의결과에서도출되었다.[7] 전차선의종류는순동 (Cu150mm2) 과합금선 (Cu-Sn, Cu-Mg) 으로구분되며현재경부고속선의전차선선종인 Cu150mm2에서 330km/h를운행가능하다는것은전차선의인장하중 (51.94kN) 이안전율 2.2를적용시 23.6kN의가선장력을인가할수있고, 이때파동전파속도가 330km/h에적합하게되는것이다. 그러므로 330km/h를운행목표로한다면전차선가선장력의 3kN 증가와오버랩구간의드로퍼및가동브래킷에대한일부정밀조정으로운행이가능하게된다. 다만, 350km/h의운행속도를목표로한다면전차선, 조가선, 장력조정장치의전면개량이요구되며아래와같이시설물개량에대한기간이소요될것으로판단된다. 또한고강도전차선과전차선단면적을줄이고 (Cu-Mg 120mm2 ) 적절한장력을부가하는연구등을통하면개량기간등을단축시킬수도있다.
[ 표 5. 350km/h 급전차선로적용개량기간 ] 구간목표속도소요기간전차선 1 섹션교체작업일수 동대구 ~ 부산 350km/h 17개월 - 복선130.7km, 약 200섹션, - 5일 x 200 = 1,000일 * 2구간작업적용 1,000/2 = 약 500일 -임시도르래설치 1일 -전차선가선 (1섹션 1,300m 기준 ) - 과장력 3일 (72시간기준 ) - 전차선 / 조가선철거 / 신설 / 조정 1 2.3 수도권고속철도속도향상검토 수서 ~ 평택간수도권고속철도는대부분이터널로이루어져있으며고속운행구간과중저속운행구간으로구분된다. 수서정거장및주박기지는강체가선방식을적용하였고, 기타본선구간은심플커티너리방식을적용하였다. 아래그림에서보듯이호남고속철도와동일한전차선로시스템을적용하였으나전차선가선장력을 20kN으로설치하였다. [ 그림 1. 수도권고속철도 ] 수서 ~ 평택간에운행될차량의운전속도를감안하여경제적설계를위한방안이다. 향후 300km/h를초과하는차량이도입되어증속이필요할시전차선로가선속도를증가시키는것은필수적이다. 이미전차선은 350km/h급으로개발된 Cu-Sn150mm2를설치하였기때문에전차선의교체에대한문제는해결된다. 다만, 가선장력을올려속도를증가할때기존드로퍼의교체여부에대한검토로개량범위를 경제적으로결정할필요가있다. 우선 50m 경간에서 300km/h 초과에대한속도별가선장력과사전이도변화량을산정하면 [ 표6] 과같다.[2] [ 표6. 가선장력과사전이도변화량 ] 운행속도 (km/h) 파동전파속도 (km/h) 가선장력 (kn) 사전이도 (Pre-sag) 300 441 20.0 a / 2,000 20.50mm 310 443 20.2 a / 2,000 20.50mm 320 457 21.5 a / 2,080 19.71mm 330 473 23.0 a / 2,150 19.07mm 340 485 24.3 a / 2,210 18.55mm 350 502 26.0 a / 2,300 17.83mm Sag량차이 (350km/h : 300km/h) 2.67mm
위계산은장력증가에따른전차선의 Sag량변화만을감안해본내용으로드로퍼의길이는변화가없는것으로가정하였다. 최대 Sag량의차이는 2.67mm로실제경간중앙의드로퍼가 20kN 장력때보다약간들어올라옴을의미한다. 또한 350km/h급전차선로시스템의 압상허용량및사전이도크기 산정결과에따르면 a/2000, a/3000 모두압상량및집전성능이양호한것으로예측하였다.[8] 다만, 40m 경간에서 a/2000일때접촉력이 350N을미미하게초과하는부분이있으나, 위에서산정한결과인사전이도 a/2300로정밀검증한다면기준값이내로만족할것으로판단된다. 그리고위결과는간략계산법에의해검토된것으로실제개량단계에서는시뮬레이션과 Test-bed를구성하여체계적인검증이요구되고이러한과정에서개량범위를최소화하는경제적개량방안을마련하여야한다. 3. 결론 수도권고속철도와같이 350km/h급전차선로시스템에전차선가선장력을 20kN으로설치한경우장래속도증가시 350km/h까지드로퍼의길이와 Pre-sag에큰영향이없는것으로산정되기때문에교체까지의개량은요구되지않는것으로보인다. 다만흐름장지장치를중심으로양장력방향으로전차선의미세한흐름이발생하므로드로퍼의수직도, 곡선당김금구와진동방지파이프간의수직도를유지하기위하여전차선측에서의정밀조정은필요할것이다. 아울러, 가선장력만을단순하게증가시켜속도를향상하는방안에대하여는압상량의변화, 드로퍼에발생하는미세한굴곡등을감안하여동특성시뮬레이션과일부구간 Test-bed를구축하여현차시험에의한동특성을측정하는등정밀검증에따라결정되어야한다. 참고문헌 [1] 한국철도시설공단, 수도권고속철도설계보고서, 2013. [2] 한국철도시설공단, 철도설계지침및편람 (KR Code) KR E-03130(Rev.4), KR E-03220(Rev.3), KR E-03020(Rev.3), KR E-03040(Rev.6) [3] 김양수, 유해출 (2008), 전기철도공학, 동일출판사 [4] 이기원, 속도향상에따른열차속도와전차선파동전파속도에대한실험적연구, 전기학회논문집, Vol.62, No. 12 [5] 한국철도시설공단, " 시설물검증보고서 ( 경부 2010, 호남 2014)" [6] KOTI/ 유신, 경부및호남고속철도속도향상방안연구, 2011. 5월. [7] 한국철도기술연구원, " 경부고속철도증속계획 _ 전차선로가선장력증가 ", 2012. [8] 한국철도시설공단, 최고운행속도 350km/h급전차선로시스템기술개발 연구보고서,2011.12.