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전철
전철(Electric railway)은 전기에서 구동력을 얻어 움직이는 철도를 말하며 전기철도(電氣鐵道)의 줄임말이다. 다만 한국에서는 전철을 도시철도의 의미로 쓰는 경우가 일반적이다. 전철을 지하철이라 부르기도 하나, 전철은 동력을 기준한 분류이고 지하철은 위치를 기준한 분류이므로 엄밀히는 잘못된 표현이다.
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개요[편집]
전철은 전기를 동력으로 하여 열차나 차량을 운행하는 철도이다. 1834년 미국의 T.다벤포트가 전지(電池)로 달리는 모형전차를 만들고, 1879년 베를린 공업박람회에서 여객수송용 전기기관차(125V, 3HP)가 최초로 등장했다. 영업을 목적으로 처음 전기철도가 부설된 것은 1881년인데, 독일의 W.지멘스가 베를린 교외에 제3궤조식의 시가전차(市街電車)를 운행하기 시작하였다.
1898년 한국에 처음으로 전차가 등장하였으며, 미국인 H.콜블렌과 H.D.보스트윅 두 사람이 황실의 특허를 얻어 그해 12월 서대문∼청량리간에 궤도를 부설하고 영업을 개시하였다.
차량에 필요한 전력은 전차 내부의 엔진이나 발전기가 아닌 외부 동력원인 발전소에서 공급받는다. 차량은 집전장치를 통해 전력을 공급 받으며, 공급받은 전력을 전동기(모터)를 통해 동력으로 변환하여 주행한다. 연료의 공급이 불필요하기 때문에 차량 운영상의 제한이 적고, 운전 횟수가 많은 노선에서 유리하다. 그리고 다른 종류의 열차보다 소음이 적고, 연기나 배기가스를 배출하지 않기 때문에 대기 오염의 우려도 없다.
더불어 다른 열차보다 높은 속도를 낼 수 있다. 그래서 프랑스의 테제베(TGV)와 일본의 신칸센, 한국의 KTX 등도 전철 형태로 시속 약 300km/h로 운행한다.
최근에는 리니어 모터를 동력으로 하는 자기부상열차라는 더욱 빠른 열차가 실용화되기 시작하였다. 독일은 1971년에 처음으로 유인 주행에 성공하였다. 대한민국에서는 1993년에 대전 국제무역박람회에서 8명이 탈 수 있는 자기부상열차를 자체 시험 운행하였고, 2016년 2월 3일에 처음으로 인천공항 자기부상철도로 상용화를 시작하였다.
장단점[편집]
장점[편집]
- 전기철도에서 사용하는 전동기는 증기기관이나 디젤 엔진에 비해 효율이 좋으므로 연료 비용 및 에너지 절약에 큰 도움이 되며, 같은 이유로 환경에도 보다 친화적이다.
- 증기기관이나 디젤엔진에 비해 출력이 높아 편성당 수송 능력이 크게 향상된다.
- 모터 구동은 내외연기관 구동에 비해 효율성이 높고 발전제동을 통한 에너지 회수가 가능하여 연료비용의 낭비를 최소화할 수 있다.
- 디젤 엔진이나 증기기관, 가솔린 엔진에 비해 진동과 소음이 적으며, (전동차를 기타 내연기관과 비교할 때) 승차감이 좋아진다.
- 증기기관이나 내연기관에 비해 구조가 간단해서 정비가 용이하다.
- 가감속 및 최고속도면에서 유리하며 이로 인하여 선로에서 수용 가능한 최대 편성을 늘릴 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
- 운전 과정에서 대기오염 물질을 배출하지 않아 지하나 장대터널에서도 운용이 가능하다.
- 기동/정지가 증기기관이나 내연기관에 비해 쉽고 DRY-START가 없다.
단점[편집]
- 전철화 공사 비용이 비싸고, 전철화를 하지 않은 것에 비해 추가적인 유지 비용이 들어간다. 선로 전체에 전선을 놓아야 하며, 적합한 전압의 전기를 공급하기 위해 변전이 필요하므로 변전소를 따로 설치해야 한다.
- 고압 전선을 바깥에 매달아두거나(가공전차선), 바닥에 배치하기 때문에(제3궤조) 안전에 문제가 있다.
- 전철화 설비가 망가지면 노선을 (일부) 운행하지 못하게 된다. 이는 단순한 고장이 아닌 국가적 재난이나 전쟁 시 치명적인 약점으로 작용한다.
- 전기철도의 발전원이 태양광, 풍력, 수력이 아닌 석탄, 석유, LPG, LNG일 경우 미세먼지와 온실가스를 과다배출한다.
이러한 전기철도의 특성으로 경제 사정이 여유롭지 않은 국가에서 단선 철도의 수송 능력을 늘리고자 할 때 복선화와 함께 검토하는 옵션이 된다. 토지 수용 비용이 적게 들고 평지가 많아 토목 공사의 난이도가 낮은 경우 복선화를 선택하는 경우도 많지만 산악 지형으로 복선화를 할 때 난이도가 높고 비용도 많이 드는 경우에는 상대적으로 토목 공사를 적게 할 수 있는 단선 전철화를 선택하기도 한다. 대한민국의 경우 태백선이나 영동선이 단선 전철화가 이뤄진 것도 이러한 이유 때문이다. 반대로 평지 비율이 높았던 충북선은 전철화대신 복선화를 먼저 택했다. 다만 이 목적의 전기철도 도입은 신호장 건설과 선로 직선화, 노반 및 선로의 중량화, 신호 등의 개량이 뒷받침되지 않으면 제 효과를 발휘할 수 없으며, 이러한 개량 없이 전기철도 도입에만 목숨을 걸었다 제대로 망한 것이 바로 북한.
역사[편집]
유럽[편집]
전기철도의 역사는 의외로 오래되었다. 본래는 배터리로 구동하는 전기철도를 먼저 연구해왔으나 배터리 용량의 한계로 인해 써먹을 만한 수준의 전철을 개발할 수는 없었고, 1879년에 지멘스에서 가공전차선 방식의 직류전기기관차를 박람회에서 시연한 것이 첫 전기철도이다. 이렇게 개발된 전철은 1881년에 베를린 전차에 채택되어 처음으로 상용화되었다. 이후 1890년대에 교류를 이용한 전기철도도 개발되었다.
그러나 한동안 전철은 노면전차나 지하철, 일부 증기기관차를 사용할 수 없는 간선철도 구간을 제외하고는 널리 채택되지 못했다. 당대에는 서유럽조차 현대와 달리 전력공급이 안정적이지 못했고, 전철화 비용이 비쌌기 때문이다. 그나마 노면전차나 지하철은 배차간격이 짧아 운행횟수당 전철화 비용이 상대적으로 저렴해서 채택될 수 있었다.
1910년대를 기점으로 유럽에서는 직류전철과 교류전철이 장거리 간선철도에도 보급되기 시작했다. 처음에는 철도회사들이 제각기 사정에 맞춰 전철화를 했으나, 점차 주요 간선철도가 국유화되면서 전철 규격을 통일해갔다. 유럽은 각 나라의 사정에 맞춰 직류 1500V, 직류 3000V, 교류 15000V, 교류 25000V 중 하나를 채택하였고, 프랑스처럼 복수 표준(교류 25000V, 직류 1500V)을 채택한 국가도 있다. 교류의 경유 그 특성에 따라 주파수도 결정할 필요가 있었는데 유럽은 50Hz로 통일되어갔다.
미국[편집]
미국은 유럽과 비슷한 시기에 동부 철도를 중심으로 전철화를 해왔다. 미국은 유럽과 달리 모든 철도가 사철이었고 철도 국유, 국영화를 진행하지 않아 각 철도회사가 알아서 자기 돈 들여 전철화를 해왔고, 그 결과 각 철도회사들이 독자적인 표준을 고수하여 온갖 규격이 난무했다. 이런 독자적인 규격들은 설비 갱신 과정에서 점차 사라져가고 있기는 하나, 지금도 미국에서는 다른 나라에서는 찾기 힘든 교류 12000V 25Hz같은 독자 규격을 흔하게 볼 수 있다.
일본[편집]
일본의 경우 유럽과 달리 오랫동안 간선철도의 전철화에 부정적이었는데, 육군이 변전소나 전선 등 전력 시설이 공격받으면 마비된다는 전철의 특성을 들어 반대해왔기 때문이다. 그럼에도 사철에서는 직류 1500V 전철화가 이루어져왔고 국철에서도 도쿄나 오사카의 대도시 근교 구간은 통근 및 통학 수송 등의 이유로 직류전철화가 이루어져왔다. 전후에는 대도시 근교의 전철화 구간을 확장하는 방식으로 전후복구와 함께 직류전철 구간을 확장해왔고, 1960년대에 교류전철을 상용화해 대도시가 적은 간선 철도에 채택해왔다. 일본에서 직류전철이 간토, 고신에쓰, 도카이, 간사이, 주고쿠, 시코쿠 지방에서 주로 채택되고 교류전철이 호쿠리쿠, 도호쿠, 규슈, 홋카이도에서 채택된 것은 이러한 역사적 경위가 있다.
일본의 교류전철은 신칸센이 25000V인 것을 제외하면 모두 20000V인데 이는 전세계에서 오직 일본만이 채택한 독자 규격이다. 일어 위키에 따르면 당시 일본의 직류 변전소의 표준 공급전압이자 특별고압송전망 말단의 전압규격이 20000V라 그렇다고. 신칸센은 송전효율을 고려해 세계 표준인 25000V를 채택했다.
북한[편집]
북한의 간선철도는 직류 3000V로 전철화되어 있다. 이는 일제강점기에 북한 지역에 깔린 경원선 복계~고산 구간 전철의 규격을 준용한 것이라 알려져 있다.
북한은 대한민국보다 전력 사정이 좋았던 이유 등으로 인해 한국보다 이른 시기에 전철화를 단행해 주요 간선이 모두 전철화되어 있다. 그러나 1980년대부터 심각한 발전 연료 부족과 시설 노후화로 인해 전철을 제대로 운용하지 못하고 있다.
대만[편집]
대만은 영국의 기술협력을 얻어 1979년에 국가 제1간선인 종관선의 지룽역 - 가오슝역 구간을 교류 25000V 60Hz로 전철화한 것이 전철화의 시초이다. 그 이후 한동안 전철화가 이루어지지 않다가 2000년에서 2014년에 걸쳐 동부간선을 전철화하고, 2016년에서 2020년에 걸쳐 핑둥선과 남회선을 전철화함으로써 현재는 모든 간선철도가 전철화되어 있다.
중국[편집]
중국 철도는 1980년대부터 전철화가 이루어져 현재 주요 간선은 모두 전철화가 완료되었다. 교류 25000V 50Hz를 채용하고 있다.
중국 철도의 전철화율은 78%이다.
대한민국[편집]
1969년 9월 12일에 산업철도인 중앙선(청량리∼제천) 155.2㎞, 태백선(제천∼정선) 107.9㎞, 영동선(철암∼북평) 85.5㎞를 비롯하여 고한선(고한∼황지) 15.0㎞ 등 모두 363.6㎞에 전철화 공사를 시작하였고, 이후 경원선(서울∼성북) 13.5㎞, 경인선(서울∼인천) 38.9㎞, 경부선(서울∼수원) 41.5㎞ 등 93.9㎞에 대하여 계속 공사가 진행되었다.
1973년 6월 20일에 가장 먼저 중앙선 청량리∼제천 간의 구간이 개통되었고, 이후 태백선과 고한선이 개통되었다. 수도권에서는 1974년 6월에 전철공사가 마무리되었다. 전철 개통으로 열차운행회수와 연간 수송능력이 크게 향상되었으며, 열차운행시간도 대폭 단축되었다. 이들 선로의 일일 열차운행회수는 편도 중앙선 45회, 태백선 26회, 영동선 28회로 증가하였고, 연간수송능력은 중앙선이 1040만톤에서 1420만톤, 태백선이 480만톤에서 780만톤, 영동선이 190만톤에서 370만톤으로 증가하여 태백산지 일대의 산업개발에 촉매역할을 하였다.
산업철도의 전철화가 마무리되고 그 성과가 가시화하자 1977년 12월에는 중앙선의 제천∼영주 간 63.9㎞에 대한 전철화의 타당성 조사를 실시하여 1988년 12월 23일 공사가 마무리되었다. 이로써 중앙선, 태백선, 영동선의 산업철도 전 구간에 대한 전철화공사가 이루어졌다. 2006년 12월 8일에 경부선 전 구간(441.7㎞)이 전철화됨으로써, 우리나라의 철도 노선에 대한 전철화 사업이 대부분 마무리되었다.
국토의 간선망을 형성하는 경부선을 포함하여 호남선, 충북선, 중앙선, 영동선 등에서 전기철도의 네트워크가 구축되었다. 이로써 전국 대부분 지역을 전기철도가 자유롭게 운행할 수 있게 되었고, 철도의 열차운용효율 및 수송능력은 크게 개선되었다.
1974년에 여객 수송용 전기철도가 서울에서 처음 개통되면서 지하구간을 운행함에 따라, 전기철도가 일반 대중에 의해 지하철이라는 용어로 통용되기 시작하였다. 기존에 지하철이라 불리던 철도 가운데 도시 간을 운행하는 노선에 대해서는 광역철도라 부르고, 특별시와 광역시 내에서 운행하는 노선에 대해서는 도시철도라 부르고 있다. 우리나라에서는 도시철도가 광역철도를 포함하는 경우가 일반적이다.
1974년 8월에 수도권 전철과 서울지하철 1호선이 개통되었으며, 수도권에서 강원 영동지방으로 연결되는 노선에 대한 전철공사가 완료되었다. 1기 노선으로 1983년 2호선, 1985년 3호선과 4호선이, 2기 노선으로 1995년 5호선, 2000년 6호선, 1996년 7호선과 8호선이, 3기 노선으로 2009년에 9호선이 개통되었다. 서울시 도시철도 노선의 운영기관은 노선에 따라 다른데, 1·2·3·4호선은 서울메트로(총영업연장 137.9㎞, 총건설연장 146.8㎞), 5·6·7·8호선은 서울도시철도(총연장 162.2㎞), 9호선은 서울시메트로9호선(주)와 서울9호선운영(주)(총연장 27.0㎞)에서 각각 운영하고 있다. 서울에서 운영되고 있는 이들 9개 도시철도 노선의 총연장은 327.1㎞이다.
2017년 5월 서울메트로, 서울특별시 도시철도공사가 통합되어 서울교통공사가 출범하였다.
부산에서는 부산도시철도 1·2·3·4호선의 4개 노선에서 총 107.8㎞가 운행되고 있으며, 대구에서는 대구도시철도 1·2호선에서 총 53.9㎞가 운행 중이다. 인천에서는 인천도시철도 1호선 29.4㎞, 광주에서는 광주도시철도 1호선 20.5㎞, 대전에서는 대전도시철도 1호선 20.5㎞가 운행 중이다.
도시철도는 대체로 대량수송이 가능한 중대형전철에 해당한다. 일부 도시에서는 대량수송보다는 신속성과 정확성을 추구하기 위하여 경전철이 운행 중이다. 경전철은 현재 3개 노선에서 운행되고 있다. 부산과 김해 사이에서는 부산-김해경전철이 2011년 개통하여 23.2㎞ 구간을 운행하고 있으며, 경기도의 의정부시와 용인시에서도 각각 의정부경전철(11.1㎞)과 용인경전철(18.1㎞)이 운행되고 있다. 서울을 비롯한 광역시에서 운행되는 도시철도 및 경전철의 총연장은 601.4㎞에 달한다.
이와 함께 수도권에서는 경부선(122.9㎞, 장항선 19.4㎞ 포함), 경인선(27.0㎞), 경원선(42.9㎞), 중앙선(71.2㎞), 안산선·과천선(40.4㎞), 일산선(19.2㎞), 경의선(46.3㎞), 경춘선(81.3㎞), 인천국제공항철도(58.0㎞), 수인선(13.1㎞), 분당선(52.9㎞), 신분당선(17.3㎞) 등이 전기철도로 운행되고 있다.
우리나라에서 전기철도가 부설된 노선은 대도시에 부설된 도시철도 및 경전철을 비롯하여 경의선(서울∼문산), 경부선(서울∼부산), 호남선(대전 조차장∼목포), 경인선(구로∼인천), 경원선(용산∼소요산), 안산선(금정∼오이도), 분당선(왕십리∼수원), 과천선(금정∼남태령), 일산선(지축∼대화), 충북선(조치원∼봉양), 중앙선(청량리∼영주), 태백선(제천∼백산), 영동선(영주∼강릉), 경전선(삼랑진∼광주송정), 경춘선(망우∼춘천), 전라선(익산∼여수엑스포), 인천국제공항철도(서울∼공항차량기지), 신분당선(강남∼광교) 등이 있다.
2012년 말 기준으로 전기철도가 운행하는 구간은 KTX를 포함하여 총연장 2522.4㎞에 달하여, 철도의 총운행거리인 3650.1㎞의 69.1%를 차지한다. 우리나라의 전기철도 비율은 철도노선이 긴 중국, 일본, 독일, 프랑스보다 높은 수준이다. 2005년만 해도 전기철도의 운행거리는 1669.9㎞이었고, 철도의 총운행거리(3392.0㎞)에서 차지하는 비중은 49.2%에 불과하였다.
송전 전력에 따른 분류[편집]
전기철도는 직류가 쓰이기도 하고 교류가 쓰이기도 하는데, 직류 전기철도는 1880년대, 교류 전기철도는 1900년대에 처음 개발되었고, 서로 특징이 달라서 경우에 따라 직류전철화가 이루어지기도 하고 교류전철화가 이루어지기도 한다. 서로 다른 방식의 전류를 사용하는 구간끼리의 직통을 위해 절연구간 등이 생기기도 한다.
직류[편집]
직류철도는 송전 문제로 교류에 비해 변전소가 상대적으로 많이 필요하지만 직류 전동차가 교류 전동차에 비해 저렴하고, 교류에 비해 직류 전기철도가 터널을 더 작게 만들 수 있기에 배차간격이 짧은 도시철도 노선과 지하철에서 직류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다.
간선철도에는 주로 1500V와 3000V가 사용되며, 도시철도나 노면전차에서는 600V, 750V, 1000V, 1200V 등도 볼 수 있다. 한국은 도시철도를 위주로 직류가 사용되며, 일반 중전철은 직류 1500V, 경전철은 직류 750V로 규격화되어 있다.
교류[편집]
교류는 대규모 송전에 유리하므로 변전소를 많이 설치할 필요가 없고 대출력을 내기 유리하며 같은 출력에서라면 직류 모터보다 교류 모터가 효율이 높기에 배차간격이 길고 화물열차나 장거리 열차가 많은 노선과 고속철도에서는 교류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다.
직류와 달리 시간에 따라 전류값이 변하므로 주파수로 이를 나타내는 표시를 해 주어야 한다. 전세계적으로는 50Hz가 대세이지만, 미국의 영향을 받은 나라들은 60Hz를 사용한다. 한국과 대만은 60Hz를 사용하고, 일본은 동부는 50Hz, 서부는 60Hz를 사용하며, 중국은 50Hz를 사용한다.
전압은 일반적으로 25000V를 사용한다. 25000V가 표준이 된 것은 전압을 높이는 데 따른 설비 비용 증가와 송전효율 개선 등을 고려했을 때 비용 대비 최적의 전압이 25000V인 것으로 알려져 있기 때문이다.
전력 공급 방식에 따른 분류[편집]
가공전차선[편집]
상부의 전선을 통해 전력을 공급받는 방식이다. 공(空)중에 가(架)설한 전차선이라는 의미의 가공(架空)전차선이다. 대부분의 간선철도와 노면전차에서 채택한 방식이다.
제3궤조집전식[편집]
전차선이 철로와 철로 사이, 혹은 철로 옆에 있는 방식을 말한다. 많은 나라의 도시철도에서 사용하고 있으며, 대한민국은 경전철에서만 사용하고 있다. 북한의 평양 지하철도 역시 제3궤조집전식.
유도 집전 방식[편집]
전차선이 어떻게든 무조건 집전장치와 직접 접촉해야한다는 조건은 안정적인 고속주행을 어렵게 하므로, 아예 집전장치를 버리고 열차 하부와 선로에 매설된 특수한 장치로 계속 전력을 무선충전기로 스마트폰을 충전시키는 방식처럼 계속 급전받아 열차를 운행시킨다는 '비접촉 유도 급전(집전) 방식' 이 연구되고 있다.
이 방식을 이용하면 전차선과 열차의 집전장치(팬터그래프)가 없어지기에 고속주행시 마찰로 인한 잔진동이나, 소음문제, 감전문제, 토지보상 문제 그리고 선로변 미관 문제가 한번에 해결되며 공기역학적으로 차체의 저항이 줄어들기에 500km 이상의 초고속 주행이 더욱 쉬워질 수 있다. 이러한 이유로 미래의 차세대 전차선의 형태라고 === 배터리 === 전기철도는 본래 배터리로 구동되는 것이 초기 콘셉트였으므로 다양한 배터리 전동차들이 전기철도의 여명기에 등장했으나 대부분 널리 이용되지 못하고 사장되었다.
그러나 최근에는 배터리 기술의 발전으로 인해 전기자동차처럼 배터리(이차 전지)로 구동되는 철도차량도 등장하고 있다. 배터리의 특성상 대출력은 아직 어렵지만 저밀도 수송 구간에서는 전차선 등을 이용한 전철화 대신 배터리를 사용한 전동차를 투입해 전철화와 비슷한 효과를 볼 수 있다. 전철화의 걸림돌 중 하나가 고가의 고압전선설비 비용인데 이를 설치하지 않아도 되기 때문. 또한 노면전차 등 도시 미관을 신경써야 하는 도시철도에서도 강력한 이점이 될 수 있다.
배터리로 구동되는 열차는 전차선이 각 역의 천장에만 달려 있어서 정차 중에 팬터그래프를 올려 배터리를 충전하는 방식을 주로 쓴다. 일본에서 개발된 EV-E301계 전동차나 EV-E801계 전동차, BEC819계 전동차 등의 배터리 전동차는 수십km 이상을 배터리로 주행할 수 있어 운행구간 말단부에만 충전시설을 설치해도 될 수준까지 왔다.
국내에서는 현대로템이 만든 현대로템 무가선 저상 트램이 있고, 대전 도시철도 2호선과 서울 경전철 위례선, 수원 도시철도 1호선에 투입될 예정이다. 2019년 한국철도기술연구원의 무가선 저상 트램 실증노선 선정 공모에서 부산시의 오륙도선이 선정되면서 국내 처음으로 무가선 트램을 건설할 도시로 부산시가 선정되었다. 오륙도선 전체 계획의 일부인 1.9km를 실증노선으로 추진하여 2022년 개통을 목표로 하고 있다. 해외에서는 중국 광둥 성 광저우 하이주 전차와 대만 가오슝 첩운 순환선 등에서 운행되고 있다.
제어 방식에 따른 분류[편집]
- 저항제어
- 전기자 초퍼제어
- 계자 초퍼제어
- 탭 제어
- 계자첨가 여자제어
- 버니어 제어
- 약계자 제어
- 가변 전압 가변 주파수 제어
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
