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작성자 이창호
작성일 2003-04-27 (일) 07:12
분 류 사전3
ㆍ조회: 2229      
[근대] 전차=전기철도 (브리)
전기철도 電氣鐵道 electric railway

전기를 동력으로 해 열차나 차량을 일정한 궤도 위에서 운행하는 철도. 전철(電鐵)이라고도 한다.

종류

전기철도의 운행구간에 따라서 시내전기철도·교외전기철도·도시간전기철도, 전력공급방식에 따라서 가공선식(catenary)·제3궤조식·자기부상식(magnetic levitation) 등으로 구분된다. 현재 전기철도의 대부분이 채택하고 있는 가공선식은 단순가선방식(simple catenary)·복합가선방식(compound catenary)·변Y형가선방식(stitched catenary)·강체가선식(剛體架線式) 등이 있다.

또한 공급전력의 종류에 따라서 직류전기철도와 교류전기철도로 대별할 수 있으며, 직류전기철도는 전압의 크기에 따라 600V(볼트)·1,500V·3,000V 방식으로 나누어진다. 교류전기철도는 전압의 크기와 주파수에 따라서 매우 다양해 50㎐ 또는 60㎐의 상용주파수 25kV 방식과 16⅔㎐ 15㎸ 방식이 대표적이다.

이들 전기철도 방식은 각 나라별로 특수한 환경과 역사적 배경 속에서 발전되어왔으며, 직류방식에서 교류방식으로, 저전압방식에서 고전압방식으로, 그리고 특수주파수방식에서 상용주파수방식으로 발전하고 있다.

발달

1879년 독일에서 개최된 베를린 만국박람회에서 독일 지멘스사(社)가 직류 전기기관차(125V, 3HP)를 제작해 제3궤조식의 전기철도를 선보임으로써 그 역사가 시작되었고 영업을 목적으로 한 최초의 전기철도는 1881년 독일의 지멘스사가 베를린 교외에서 역시 제3궤조식의 전기철도를 운행함으로써 비롯되었다.

한국에서는 경인선이 개통되기 전 해인 1898년에 미국인 H. C. 콜브렌과 H. D. 보스트윅 두 사람이 청량리-서대문 간에 궤도를 부설하고 직류 600V 방식의 노면전차를 운행하기 시작했으며, 1915년에는 부산, 1923년에는 평양에 노면전차가 개통되었다. 그러나 이들 노면전차는 1968년 서울과 부산에서 도로교통상의 문제와 자동차에 밀려 사라지게 되었다.

제1차 세계대전이 끝난 후 세계 각국은 전철화에 대한 관심과 인식이 새로워지게 되었다. 연료의 절약, 수력발전에 의한 전기이용, 철도의 경영개선적 관점에서 전면적인 전철화 계획을 세워 추진했으며, 이때 추진된 모든 전기철도는 직류방식이었다. 1950년경 프랑스 국철(國鐵)이 처음으로 상용주파수 25kV 교류전철방식을 실용화하는 데 성공함으로써 전기철도의 새 장을 열었다.

한국에서는 시내 노면전차가 아닌 간선철도의 전철화 계획이 일제강점기에 추진되어 1931년 철원-내금강 간의 금강산 철도가 직류 1,500V 방식으로 처음 영업운전을 시작했고, 1937년에는 경원선 복계-고산 간이 직류 3,000V 방식으로 전철화되었다.

1960년대에 들어서면서 경제성장에 따른 산업물자의 수송수요 증가에 대비하기 위해 영동선 태백지구와 수도권을 연결하는 산업선 전철화가 추진되어 1973년 중앙선 청량리-제천, 1974년에는 태백선, 1975년에는 영동선이 교류 25kV 상용주파수 방식으로 각각 개통되어 한국의 교류전철시대가 시작되었다.

한편 수도권의 도시 광역화와 교통체증 해소를 위해 서울특별시 지하철 1호선을 포함하는 수도권 전철화 사업도 산업선 전철과 병행 추진되어 1974년 8월 수도권에 약 100㎞의 전철망을 형성한 바 있으며, 이후 경부선 구로-수원 간 복복선(復復線) 전철화(1981), 경원선 성북-의정부 간 복선 전철화(1986), 안산선 복선 전철화(1988) 등을 추진하여 수도권 전철기능을 확장, 보강했다.

그밖에 금정-사당 간 과천선 전철화, 지축-일산 간 일산선 전철화, 분당-왕십리 간 분당선 전철화, 서울-구로 간 3복선 전철화 사업이 추진중에 있다.

효과

수송력의 증강

철도의 수송 능력은 열차당 견인량과 운전속도 등에 의해 결정되는 정해진 구간에서의 열차운행 가능 횟수로 표현된다. 일반적으로 전력을 직접 공급받아 전동기를 구동해 견인하는 전기철도의 전기차는 증기기관차와 디젤 기관차에 비해 견인력이 크고, 가감속도특성(加減速度特性)이 좋으며, 점착성능(粘着性能)이 향상되어 열차운전빈도(列車運轉頻度)가 높은 고속운전구간과 정차역이 많은 구간, 그리고 경사가 있는 구간에서 훨씬 높은 평균속도를 얻을 수 있기 때문에, 운행시간 단축과 더불어 수송능력을 40% 이상 증가시키는 효과를 갖는다.

에너지 절약과 에너지 자원의 유효 이용

자동차의 급증에 따라서 수송분야에서 소비되는 에너지는 높은 증가 추세를 보이고 있으며, 석유 에너지에 의존도가 높은 수송분야에서 에너지를 합리적으로 사용해야 하는 문제는 중요한 국가적 과제가 되고 있다. 수송수단별 단위수송량당의 에너지 소비율은 그 운행형태와 운행구간, 이용률에 따라 변동하게 된다(표1참조).

특히 철도에서 디젤과 전기철도 간의 에너지 소비율 차이는 철도 전철화의 경제성을 결정하는 매우 중요한 요소로서, 전기철도의 절약효과는 약 25%이다. 또한 전철의 에너지 소비율에 비교한 시내 버스, 승용차, 트럭 등의 도로교통 에너지 소비율은 약 4~8배에 달한다. 또한 전기철도는 석유에만 의존하지 않고 가스·수력·원자력 등 비교적 값싼 에너지를 유효하게 활용할 수 있는 장점이 있다.

서비스 향상과 환경개선

전철화에 의한 열차 속도와 운행횟수의 증가는 여객에게 편리한 교통 서비스를 제공해주며, 도시간 또는 도심과 주변지역 간의 교통거리를 단축시킴으로써 지역사회의 발전은 물론 대도시의 인구 분산 등의 효과를 가져온다. 전철은 매연이 없고, 소음이 적어 공해의 유발 소지가 적을 뿐 아니라 도로교통의 극심한 체증을 해결해주고 있다.

한편 전기철도에서는 일반철도에 없는 송전·변전·전차선(電車線) 등 특수설비를 갖추어야 하므로 많은 투자비가 소요된다. 특히 전차선 등 급전계통(給電系統)의 고장으로 인해 운전불능 상태를 초래할 수 있고, 감전의 위험과 인근 통신망에 유도장애(誘導障)와 매설 금속관 등에 대한 전식(電蝕)을 가져올 수도 있다.

직류전기철도와 교류전기철도

직류전기철도 방식은 교류방식에 비해 높은 전압을 얻기가 어려워 급전계통의 전류가 크게 증가하게 됨으로써 전차선로의 전류용량을 증대시키기 위한 별도의 시설이 필요하며, 전압강하가 커짐에 따라 변전소 간격을 짧게 해야 한다. 또한 변전소 내에는 직류를 얻어내기 위한 정류설비(整流設備)가 더 필요하고, 인근의 매설(埋設) 케이블과 수도관에 대한 전식을 초래하기도 한다.

그러나 전압이 낮아서 절연이격(絶緣離隔)이 쉽고 통신유도장애의 문제점이 없는 장점이 있다. 따라서 직류전기철도방식은 통신유도장애와 절연이격거리 측면에서 유리하지만 변전소 수의 증가와 전차선로 전류용량 증대를 위한 설비비의 증가, 전압 강하 및 전식, 신호용 궤도회로 응용면에서는 교류방식에 비해 불리하다.

전기차

차량 또는 열차 견인에 필요한 동력을 외부 전력계통에서 공급받는 철도차량을 전기차(電氣車)라고 하며, 전기차를 운행하는 철도가 곧 전기철도이다. 전기차에는 전기동차(electric railcar)와 전기기관차(electric locomotive)가 있는데 이들은 전차선에 집전장치(集電裝置 pantograph)를 습동(動)시켜 전력을 공급받는다.

지하철이나 수도권전철에서 운행중인 차량과 같이 동력을 발생하는 전동기가 여러 곳에 분산되어 있는 형식의 전기차를 전기동차, 산업선에 운행되는 전기차와 같이 견인용 동력을 1개 차량에 집중시킨 것을 전기기관차라고 한다.

수도권에서 운행되는 전동차는 직통운전을 위해 교류 25㎸와 직류 1,500V 겸용방식을 채택하고 있으며, 10량 편성의 1개 열차는 2,880kW 출력에 최고속도 110㎞/h이다. 산업선의 전기기관차는 최대출력 3,900kW의 화물열차 견인전용으로, 최고속도 85㎞/h로 운행되고 있다. 한국의 전기차 수량은 1992년 현재 전기기관차 94량, 전기동차 2,034량(서울지하철 1,366량, 철도청 668량)이다.

전차선로

전기차에 전력을 공급해주기 위해 궤도 위에 일정한 높이 4.8~5.8m로 전차선을 시설해야 하는데, 전차선과 이를 지지해주는 구조물을 전차선로라 한다. 전차선로의 가선방식(架線方式)에는 가공식과 제3궤조식이 있다.

가공식은 전차선을 궤도상부에 가설해 집전하도록 하는 방식으로, 지하철에서 많이 채택하고 있는 강체가선방식과 기존철도에서 보편적으로 채택 사용하는 단순가선방식·복합가선방식·변Y형가선방식 등이 있다. 제3궤조식은 급전용 레일을 노면상 또는 측면에 설치하여 전력을 공급하는 방식이다. 초기의 지하철 등에서 사용했던 일반적 방식이었지만 지금은 거의 채택하지 않고 있다.

가공식 전차선로는 전기차의 팬터그래프(pantograph)와 직접 접촉해 습동하는 전차선과 이를 일정 높이로 지지해주는 전주·브래킷·조가선(弔架線), 그리고 전기적으로 급전계통을 이루는 급전선(給電線)·부급전선(負給電線)·보호선(保護線)으로 구성되며, 전차선로의 장력을 온도에 따라 일정하게 유지해주는 자동장력조정장치와, 전차선로를 전기적으로 구분해주는 구분장치, 건널선 개소에 사용되는 교차장치 등의 부속설비들이 있다.

전차선이 갖추어야 할 특성은 높은 전압과 큰 전류가 흐르게 되므로 전도율(電導率)이 좋아야 하고, 기계적인 강도가 커서 높은 장력과 팬터그래프의 습동에도 잘 손상되지 않아야 한다. 또한 열에 잘 견디고 내마모성(耐磨耗性)의 재질로서 내굴곡성(耐屈曲性)의 특성을 갖추어야 한다.

전차선은 일반적으로 경동선(硬銅線)을 사용하고 전선의 옆으로 홈을 파서 전차선을 조가선에 달아 맬 수 있도록 하고 있다. 고속전철용으로 은합금 또는 특수재질의 전차선이 개발되고 있으며, 원형·제형(梯形)·기마모형(旣磨耗形 preworn type)의 전차선이 쓰이고 있다. 전차선의 굵기는 107㎟·110㎟·120㎟·150㎟·170㎟ 등 여러 종류가 있으며, 전철의 운전 조건과 차량의 부하크기에 맞게 선정해서 사용한다.

변전설비

전력회사측의 전력계통에서 송전선로를 통해 전철변전소까지 전력을 인출하여 전기철도에 알맞은 전력으로 변성하는 일체의 설비를 전철변전설비라고 한다. 교류전철의 경우는 수전(受電)한 3상전력을 전철변전소에서 특수변압기(scott 또는 woodbridge)를 사용하여 단상 25kV로 변성한 뒤 전차선에 공급해준다.

변전소와 변전소 사이에는 이상전원(異相電源)을 구분해주고 연장급전등에 필요한 급전구분소(給電區分所)를 두며, 약 10㎞ 간격으로 보조급전구분소(補助給電區分所)를 두어 전차선로의 보수 또는 장애시 단전구간을 최소화하도록 하고 있다.

교류전철의 급전방식에는 흡상변압기(吸上變壓器 booster transformer) 방식과 단권변압기(單捲變壓器 auto transformer) 방식이 있는데, 흡상변압기방식은 4㎞마다 흡상변압기를 전차선로에 설치해 궤도에 흐르는 귀선전류(歸線電流)를 부급전선측에 흡상시켜주어 대지 누설전류(漏泄電流)을 경감시키고 통신유도를 억제하는 역할을 해주고 있으며, 단권변압기방식은 단권변압기를 약 10㎞마다 설치하여 2×25kW 급전계통을 형성함으로써 전차선로의 전압강하는 물론 궤도의 귀선전류를 대폭 감소시키는 가장 최신의 전철급전방식이다. 한국의 산업선전철은 흡상변압기방식, 수도권전철은 단권변압기방식을 채택하고 있다.

<안락균(安樂均) 글>

출전 : [브리태니커백과사전], 한국브리태니커, 2001
   
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