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문제 정의
- 이 글에서는 한국형 고속열차(HSR-350x)의 기술적 특성을 차량 중심으로 살펴보고 시운전 시험을 통해 밝혀진 한국형 고속전철의 성능에 대하여 기술하고자 한다.
제안 방법
- 7량 1편성으로 제작된 HSR-350x 시제열차의 기능과 성능이 설계 요구사항에 만족되는 지를 판단하기 위해 공장 내 시험과 열차 시운전 시험이 수행되었다. 공장 내 시험은 각 구성부품의 단품 및 조립시험, 편성시험 등으로 [Figure 5]에서 보는 바와 같이 각종 차량에 대해 총 4,386항목의 시험이 실시되었으며, [Figure 6]과 같이 이중 약 67%가 기능 동작 시험으로 가장 큰 비중을 차지하였다.
- HSR-350x는 [Figure 1]에서 보여준 바와 같이 공력해석과 충돌해석을 통해 차량의 안전성을 확보함과 동시에 고유 형상을 갖도록 전두부 형상을 설계하였다. [Figure 2]와 같이 객차의 차체는 알루미늄 압출재를 사용하여 차량의 경량화를 추구하였고 제동시스템은 350km/h의 영업속도에서 안전하게 정차할 수 있도록 KTX에서 채택하고 있는 제동장치(기계제동: 디스크, 답면, 전기제동: 회생, 저항)에 휠 디스크제동과 와전류 제동장치를 추가하였다.
- HSR-350x는 주전력 변환장치의 전력소자를 위해 최첨단 IGCT를 세계최초로 철도분야에 적용하였고, 차량의 유지보수를 원활히 하도록 유도전동기를 사용하였다. 제어분야는 PWM제어와 VVVF제어를 통해 유도전동기가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 설계하였다.
- 한국형 고속열차는 KTX의 기술을 활용하여 독자적으로 개발하였으나, Table 1에 나타낸 바와 같이 상당히 많은 부분에서 기술적인 차이를 갖고 있다. [Figure 1]은 두 차량의 전두부 외형을 보여주는 사진으로, 이들 차량에 대한 주요 특성을 비교해 보면 KTX는 주행속도 300 km/h (최고속도 330 km/h)의 영업운전을 위해 개발된 차량으로 편성은 20량고정편성이고, 추진장치로는 동기식 전동기, 객차 차체 재질은 마일드 스틸(Mild steel)로 되어 있는 반면에 한국형 고속열차는 주행속도 350 km/h(최고속도 385 km/h)의 영업운전을 위해 알루미늄 압출재를 이용한 차체와 유도전동기에 의한 추진장치 그리고 KTX에는 적용되지 않은 와전류 제동장치와 여압장치 등의 새로운 기술을 적용하였다. 또한, HSR-350x는 고정편성이 아닌 20량, 11량 가변 편성을 할 수 있도록 하여 차량 편성의 유연성을 확보하도록 하였다.
- HSR-350x는 [Figure 1]에서 보여준 바와 같이 공력해석과 충돌해석을 통해 차량의 안전성을 확보함과 동시에 고유 형상을 갖도록 전두부 형상을 설계하였다. [Figure 2]와 같이 객차의 차체는 알루미늄 압출재를 사용하여 차량의 경량화를 추구하였고 제동시스템은 350km/h의 영업속도에서 안전하게 정차할 수 있도록 KTX에서 채택하고 있는 제동장치(기계제동: 디스크, 답면, 전기제동: 회생, 저항)에 휠 디스크제동과 와전류 제동장치를 추가하였다. 판토그래프는 KTX에서 적용한 GPU 판토와 비슷한 형식으로 국내에서 자체 설계 제작하였다.
- [Figure 1]은 두 차량의 전두부 외형을 보여주는 사진으로, 이들 차량에 대한 주요 특성을 비교해 보면 KTX는 주행속도 300 km/h (최고속도 330 km/h)의 영업운전을 위해 개발된 차량으로 편성은 20량고정편성이고, 추진장치로는 동기식 전동기, 객차 차체 재질은 마일드 스틸(Mild steel)로 되어 있는 반면에 한국형 고속열차는 주행속도 350 km/h(최고속도 385 km/h)의 영업운전을 위해 알루미늄 압출재를 이용한 차체와 유도전동기에 의한 추진장치 그리고 KTX에는 적용되지 않은 와전류 제동장치와 여압장치 등의 새로운 기술을 적용하였다. 또한, HSR-350x는 고정편성이 아닌 20량, 11량 가변 편성을 할 수 있도록 하여 차량 편성의 유연성을 확보하도록 하였다. Table 2는 두 차량에 대한 상세 성능을 비교한 것이며 HSR-350x와 KTX의 차이점을 좀더 세부적으로 살펴보기 위하여 차량기계와 전기 분야로 나누면 다음과 같다.
- Table 4는 HSR-350x와 KTX의 견인전동기를 비교한 것이다. 또한, 운전자가 열차상태및 운전상태를 쉽게 판단하도록 국제표준인 TCN(Train Communication Network)을 통해 열차의 모든 정보를 운전자가 모니터링 할 수 있도록 하였다. [Figure 4]는 HSR-350x의 운전실을 나타낸 것이며, Table 5와 Table 6은 HSR-350x와 KTX의 제어시스템과 컨트롤 패널을 비교한 것이다.
- 판토그래프는 KTX에서 적용한 GPU 판토와 비슷한 형식으로 국내에서 자체 설계 제작하였다. 또한, 터널에서 승객에게 발생할 수 있는 이명현상을 방지하기 위해 여압장치를 추가하였다.
- 시운전 시험은 주행성능, 대차 및 차체진동성능, 제동성능 등이 포함된 16개의 성능 (세부시험 45개)을 확인하기 위해 차상 시험 (열차 내부, 11개 성능의 31개 세부시험 )과 지상 시험 (열차 외부, 5개 성능의 14개 세부시험)으로 구분하여 실시하였고, 전체적인 계측항목은 약 80개로 약 450개의 계측신호들을 측정하여 한국형 고속열차 시제차량의 성능 평가에 사용하였다. 시운전 시험을 위한 계측은 상시계측과 비상시계측으로 분리되어 수행되었고 상시계측용으로 차량에 전용 분산형 계측시스템을 설치 운영하였다. [Figure 7]은 분산형 계측시스템의 개략도를, [Figure 8] 은 분산형 계측시스템의 일부를 보여준다.
- HSR-350x는 주전력 변환장치의 전력소자를 위해 최첨단 IGCT를 세계최초로 철도분야에 적용하였고, 차량의 유지보수를 원활히 하도록 유도전동기를 사용하였다. 제어분야는 PWM제어와 VVVF제어를 통해 유도전동기가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 설계하였다. Table 3은 HSR-350x와 KTX의 주전력변환장치인 컨버터와 인버터의 주요 제원을 비교한 것이며, [Figure 3]은 HSR-350x에 사용한 유도전동기의 외형을 보여주고 있다.
- 시운전 시험은 경부 고속철도 시운전 구간인 동서울역 기점 95 km 지점 (천안역사) ～ 136 km 지점 (문곡)의 총 41 km 구간에서 주로 수행되었으며, 동대구-부산, 서대전-목포 구간에서 기존선 연계 시험도 실시되었다. 총 시험횟수는 120회, 주행거리는 35,000 km, 최고속도는 330 km/h까지 실시하였다. 시운전 시험은 주행성능, 대차 및 차체진동성능, 제동성능 등이 포함된 16개의 성능 (세부시험 45개)을 확인하기 위해 차상 시험 (열차 내부, 11개 성능의 31개 세부시험 )과 지상 시험 (열차 외부, 5개 성능의 14개 세부시험)으로 구분하여 실시하였고, 전체적인 계측항목은 약 80개로 약 450개의 계측신호들을 측정하여 한국형 고속열차 시제차량의 성능 평가에 사용하였다.
- [Figure 2]와 같이 객차의 차체는 알루미늄 압출재를 사용하여 차량의 경량화를 추구하였고 제동시스템은 350km/h의 영업속도에서 안전하게 정차할 수 있도록 KTX에서 채택하고 있는 제동장치(기계제동: 디스크, 답면, 전기제동: 회생, 저항)에 휠 디스크제동과 와전류 제동장치를 추가하였다. 판토그래프는 KTX에서 적용한 GPU 판토와 비슷한 형식으로 국내에서 자체 설계 제작하였다. 또한, 터널에서 승객에게 발생할 수 있는 이명현상을 방지하기 위해 여압장치를 추가하였다.
대상 데이터
- 시운전 시험은 경부 고속철도 시운전 구간인 동서울역 기점 95 km 지점 (천안역사) ～ 136 km 지점 (문곡)의 총 41 km 구간에서 주로 수행되었으며, 동대구-부산, 서대전-목포 구간에서 기존선 연계 시험도 실시되었다. 총 시험횟수는 120회, 주행거리는 35,000 km, 최고속도는 330 km/h까지 실시하였다.
- 총 시험횟수는 120회, 주행거리는 35,000 km, 최고속도는 330 km/h까지 실시하였다. 시운전 시험은 주행성능, 대차 및 차체진동성능, 제동성능 등이 포함된 16개의 성능 (세부시험 45개)을 확인하기 위해 차상 시험 (열차 내부, 11개 성능의 31개 세부시험 )과 지상 시험 (열차 외부, 5개 성능의 14개 세부시험)으로 구분하여 실시하였고, 전체적인 계측항목은 약 80개로 약 450개의 계측신호들을 측정하여 한국형 고속열차 시제차량의 성능 평가에 사용하였다. 시운전 시험을 위한 계측은 상시계측과 비상시계측으로 분리되어 수행되었고 상시계측용으로 차량에 전용 분산형 계측시스템을 설치 운영하였다.
성능/효과
- 이후에 개발된 시스템의 안정화와 신뢰성 확보를 위한 사업이 5개년에 걸쳐 추진되고 있다. 현재 시제열차는 KTX가 운행하는 고속선 구간에서 340km/h 증속시험을 11월 22일, 23일 양일간 수행하여 만족할만한 시험결과를 얻을 수있었으며 총 누적거리는 35,000km이다.
후속연구
- 2004년 4월부터 한국철도는 TGV 기술을 기반으로 한 KTX를 개통하여 운영하고 있다. 또한 우리의 손으로 개발한 한국형 고속열차도 속도를 증속하여 올해 내에는 350km/h까지 질주할 것이며 신뢰성과 안정화가 종료되는 2007년에는 국내 및 국외 시장에 진출할 계획이다. 이를 위해 다양한 성능평가를 수행하고 있으며 현재까지 만족할 만한 결과를 얻었다.
- 이러한 한국 고속철도의 기술은 도로에 편중되어 있는 국내의 교통 분야에 큰 영향을 줄 것이다.아울러 한국형 고속열차 개발시 부가적으로 연구된 복합운송시스템과 다중추진 시스템이 적용된다면 승객운송 수단의 역할뿐만 아니라 화물 등 물류분야에서 차지하는 비중도 높아지고 국내를 발판으로 하여 철의 실크로드를 연결하는 데에 있어서도 외국의 힘을 빌지 않고 순수 국내 기술을 사용할 수 있는 위치에 이르게 될 것이다.
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