[논문]최고속도 400 km/h급 전차선 개발

이기원; 권삼영; 강승훈

문제 정의

400 km/h급 전차선 장력 및 전류용량에 대응하기 위하여 고강도/고전도도 전차선 개발이 필요하지만, 세계적으로 상용화된 전차선의 경우 사양을 만족하는 선을 찾아볼 수 없다. 따라서 본 연구에서는 운영 최고속도 400 km/h에 적합한 전차선을 개발하였다. 개발한 전차선은 굽힘피로 특성 등을 확인하였고, 한국철도연구원 구내 시험선로에서 개발한 전차선과 관련 부품에 대하여 현장 적용성/시공성 및 설치상태에서의 피로특성 등을 검증하였다.
따라서 현재 개발 중인 최고시속 400 km/h급의 차세대 고속열차를 국내에 적용하고 나아가서는 해외 진출을 하기 위하여 본 연구에서는 최고시속 400 km/h 운행에 적합한 새로운 고속 전차선을 개발하였다. 개발한 전차선과 400 km/h급 전차선로 시스템은 향후 호남고속철도 시범설치구간에 설치하여 그 성능을 검증할 예정이다.
%로 증가할수록 인장강도는 420 MPa에서 470 MPa로 증가하나, 도전율은 IACS 77%에서 IACS 62%로 감소하는 경향이 있다. 이에 본 기술개발에서는 현재 상용 전차선 합금 중 최고 성능을 인정받은 Cu-Mg 고용강화 합금을 대상으로 인장강도는 향상시키고, 도전율 하락을 최소화할 수 있는 개량화 원소 첨가를 검토하였다.

가설 설정

전차선의 안전율을 2 [5]로 설정하고 전차선 최대 마모율을 15%로 가정하면 개발에 필요한 최소 인장한도는 540 MPa이다. 따라서 400 km/h급 전차선은 최소 인장강도 540 MPA 및 최소 전기 전도도 IACS 70% 이상의 전차선을 개발하여야 한다.

제안 방법

5wt.%Mg 전차선 합금보다 인장강도성능을 높이고 도전율 하락을 최소화할 수 있음을 확인한 후, 실제 전차선 시험품 제작을 수행하였다. 전차선은 EN50149에서 명시된 BC-150 원형 전차선을 기준으로 제작하였으며, 주조 및 압출공정에서 미세조직을 제어하고 압연 및 신선공정에서 가공경화를 형성할 수 있도록 함으로써 전차선의 기계적/전기적 특성을 개선할 수 있도록 하였다.
5wt.%Mg에 개량화 원소를 첨가한 Cu-Mg계 합금을 동일한 조건에서 시험편을 제작하여 비교평가 하였다. 시험편 제작과정은 첨가원소인 Mg 및 개량화 원소들이 용해과정에서 소실되는 현상을 방지하기 위해 진공 아크 용해로를 이용하여 모합금을 별도로 제작하고, 진공 고주파 용해로를 이용하여 주조하였다.
400 km/h급 전차선의 경우 경도가 높아 설치에 애로사항이 있어 개발한 Straightener를 이용하여 시공하였다. 전차선 등 개발한 400 km/h급 전차선로 부품들은 시공성 등에 문제가 없었고, 현재 가진기를 이용하여 설치상태에서 피로시험을 수행 중에 있다.
따라서 본 연구에서는 운영 최고속도 400 km/h에 적합한 전차선을 개발하였다. 개발한 전차선은 굽힘피로 특성 등을 확인하였고, 한국철도연구원 구내 시험선로에서 개발한 전차선과 관련 부품에 대하여 현장 적용성/시공성 및 설치상태에서의 피로특성 등을 검증하였다. 또한, 향후 호남고속철도 운영선로 시범설치구간에 설치하여 그 성능을 검증할 예정이다.
그림 3. 고강도/고전도도 전차선용 합금 시험편의 조성 및 성능 비교.
또한, 기존 국내 고속철도에 적용되고 있는 경동 전차선과 400 km/h급 전차선으로 개발된 Cu-Mg 합금계 전차선 시험품의 내 마모 특성 비교 평가 수행하였으며, 접촉 마모 대상을 상용 팬터그래프 집전판 소재로 진행함으로 고속철도 실제 운행조건에 부합할 수 있도록 하였다. 내마모 특성 비교 결과 개발 전차선이 경동 전차선에 비해 마모량은 82% 적게 나타났으며, 집전판에 미치는 영향도 55% 낮게 확인됨으로 기존 경도 전차선에 비해 내마모 특성이 우수하고, 팬터그래프 집전판 마모에도 유리할 것으로 판단된다.
개발한 전차선에 대하여 아래와 같이 사용 상태에서 전차선 굽힘피로 특성을 시험하였다. 시험기는 유압 Actuator를 이용하여 동전차선에 굽힘 스트로크 (Stroke)를 부가할 수 있도록 제작하였고, 사용 상태를 모의하기 위하여 전차선의 한 쪽 끝에 무게 추(Dead weight)를 달아줌으로써 전차선에 장력을 부가할 수 있도록 구성하였다. 전차선이 지지되는 쪽의 말단에는 5 Ton 용량의 힘 센서 (Load cell)를 설치하여 실제 전차선에 부가되는 장력을 측정할 수 있도록 하였다.
%Mg에 개량화 원소를 첨가한 Cu-Mg계 합금을 동일한 조건에서 시험편을 제작하여 비교평가 하였다. 시험편 제작과정은 첨가원소인 Mg 및 개량화 원소들이 용해과정에서 소실되는 현상을 방지하기 위해 진공 아크 용해로를 이용하여 모합금을 별도로 제작하고, 진공 고주파 용해로를 이용하여 주조하였다. 제작된 합금 Bar는 압하율 70%로 냉간압연 하여 가공경화 시킨 후, 방전가공을 통해 인장강도 및 도전율 시험편을 제작하였다.
위와 같은 시험기를 이용하여 전차선에 대한 굽힘피로 특성을 시험하였고, 시험 결과는 열차가 400 km/h의 속도로 운행 시 전차선의 최대 제한 변형률 기준으로 사용할 것이다.
%Mg 전차선 합금보다 인장강도성능을 높이고 도전율 하락을 최소화할 수 있음을 확인한 후, 실제 전차선 시험품 제작을 수행하였다. 전차선은 EN50149에서 명시된 BC-150 원형 전차선을 기준으로 제작하였으며, 주조 및 압출공정에서 미세조직을 제어하고 압연 및 신선공정에서 가공경화를 형성할 수 있도록 함으로써 전차선의 기계적/전기적 특성을 개선할 수 있도록 하였다.
시험기는 유압 Actuator를 이용하여 동전차선에 굽힘 스트로크 (Stroke)를 부가할 수 있도록 제작하였고, 사용 상태를 모의하기 위하여 전차선의 한 쪽 끝에 무게 추(Dead weight)를 달아줌으로써 전차선에 장력을 부가할 수 있도록 구성하였다. 전차선이 지지되는 쪽의 말단에는 5 Ton 용량의 힘 센서 (Load cell)를 설치하여 실제 전차선에 부가되는 장력을 측정할 수 있도록 하였다.
시험편 제작과정은 첨가원소인 Mg 및 개량화 원소들이 용해과정에서 소실되는 현상을 방지하기 위해 진공 아크 용해로를 이용하여 모합금을 별도로 제작하고, 진공 고주파 용해로를 이용하여 주조하였다. 제작된 합금 Bar는 압하율 70%로 냉간압연 하여 가공경화 시킨 후, 방전가공을 통해 인장강도 및 도전율 시험편을 제작하였다.

대상 데이터

그림 5. 400 km/h급 전차선 개발 시험품.
또한, 개발한 400 km/h급 전차선과 곡선 당김금구 및 장력조정장치 등에 대한 현장 적용성/시공성 및 설치상태에서의 피로특성 등을 검증하기 위하여 그림 9,10과 같이 한국철도기술연구원 내 약 450 m 시험선로에 시범설치 하였다.

성능/효과

1wt.% 저감하고 개량화 원소를 첨가한 시험편의 인장강도는 530 MPa 도전율은 IACS 65%로써 400 km/h급 전차선 목표성능에 접근함을 확인하였다. 또한, 미세조직 분석을 통해 시험편 내부에 주조상태의 조직이 잔존함을 확인함으로써 실제 전차선 제조공정상의 미세조직 제어를 통해 기계적/전기적 특성을 추가적으로 개선할 수 있을 것으로 기대하였다.
5wt.%로 증가할수록 인장강도는 420 MPa에서 470 MPa로 증가하나, 도전율은 IACS 77%에서 IACS 62%로 감소하는 경향이 있다. 이에 본 기술개발에서는 현재 상용 전차선 합금 중 최고 성능을 인정받은 Cu-Mg 고용강화 합금을 대상으로 인장강도는 향상시키고, 도전율 하락을 최소화할 수 있는 개량화 원소 첨가를 검토하였다.
개발된 400 km/h급 전차선 시험품에 대한 성능 평가 결과 최소 인장강도는 540 MPa이상 그리고 연신율은 9~10%를 확인하였으며, 최소 도전율은 IACS 70% 이상을 만족하였다. 이와 같은 결과는 EN50149에 명시된 기존 합금 전차선과 비교할 때 최고의 기계적 특성을 확보했음을 의미한다.
또한, 기존 국내 고속철도에 적용되고 있는 경동 전차선과 400 km/h급 전차선으로 개발된 Cu-Mg 합금계 전차선 시험품의 내 마모 특성 비교 평가 수행하였으며, 접촉 마모 대상을 상용 팬터그래프 집전판 소재로 진행함으로 고속철도 실제 운행조건에 부합할 수 있도록 하였다. 내마모 특성 비교 결과 개발 전차선이 경동 전차선에 비해 마모량은 82% 적게 나타났으며, 집전판에 미치는 영향도 55% 낮게 확인됨으로 기존 경도 전차선에 비해 내마모 특성이 우수하고, 팬터그래프 집전판 마모에도 유리할 것으로 판단된다.
전차선의 안전율을 2 [5]로 설정하고 전차선 최대 마모율을 15%로 가정하면 개발에 필요한 최소 인장한도는 540 MPa이다. 따라서 400 km/h급 전차선은 최소 인장강도 540 MPA 및 최소 전기 전도도 IACS 70% 이상의 전차선을 개발하여야 한다. 400 km/h급 전차선의 요구 성능을 확보하기 위해서는 기존 상용 전차선의 한계를 극복할 수 있는 신규 전차선용 합금 개발과 제조 공정조건 최적화를 통한 미세조직 제어가 동반되어야 한다.

후속연구

따라서 현재 개발 중인 최고시속 400 km/h급의 차세대 고속열차를 국내에 적용하고 나아가서는 해외 진출을 하기 위하여 본 연구에서는 최고시속 400 km/h 운행에 적합한 새로운 고속 전차선을 개발하였다. 개발한 전차선과 400 km/h급 전차선로 시스템은 향후 호남고속철도 시범설치구간에 설치하여 그 성능을 검증할 예정이다.
% 저감하고 개량화 원소를 첨가한 시험편의 인장강도는 530 MPa 도전율은 IACS 65%로써 400 km/h급 전차선 목표성능에 접근함을 확인하였다. 또한, 미세조직 분석을 통해 시험편 내부에 주조상태의 조직이 잔존함을 확인함으로써 실제 전차선 제조공정상의 미세조직 제어를 통해 기계적/전기적 특성을 추가적으로 개선할 수 있을 것으로 기대하였다.
개발한 전차선은 굽힘피로 특성 등을 확인하였고, 한국철도연구원 구내 시험선로에서 개발한 전차선과 관련 부품에 대하여 현장 적용성/시공성 및 설치상태에서의 피로특성 등을 검증하였다. 또한, 향후 호남고속철도 운영선로 시범설치구간에 설치하여 그 성능을 검증할 예정이다.
본 연구를 통하여 개발한 400 km/h급 전차선과 관련 금구 및 시스템 등은 현재 개발 중인 최고시속 400 km 이상 급의 차세대 고속열차를 국내 운행선로에 적용하고 나아가서는 해외 진출이 기대된다.
%Mg 합금의 인장강도는 452 MPa로써 상용 전차선 인장강도보다 낮게 확인되었다. 이는 실제 전차선 제조조건과 시험편 제작조건의 차이로써 제조과정에서 가공도 증가 및 미세조직 제어 등을 통해 추가적인 성능개선이 기대된다. 개량화 원소를 첨가한 Cu-Mg계 합금의 조성에 따른 성능비교 결과, Mg의 함량은 0.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전차의 운영속도가 400 km/h 정도로 증가할 때 발생하는 문제점은?	국토부 주관으로 최고시속 400 km/h 이상의 차세대 고속열차 개발에 나서고 있으나 현재 건설 중에 있는 호남고속철도 고속 전차선 로를 포함해서 기존의 전차선로에서 350 km/h를 넘어서는 고속 운행에 어려움이 있다. 운영속도가 400 km/h 정도로 증가하게 되면 전차선 진동과 파동전파반사가 격렬히 일어나고 공력이 집전성능에 의한 미치는 영향이 증대되어 안정적인 전력 공급이 곤란하게 된다 [1]. 열차의 속도를 시속 400 km로 증속하려면 프랑스와 중국의 경험에서 알 수 있듯이 다음과 같은 전차선의 파동전파속도를 높여야 한다[2].
	전차선로는 무엇으로 구성되어 있나요?	전기철도에서 전차선로는 열차에 전기를 공급하는 시스템으로 속도향상을 위한 핵심 구조물이다. 전차선로는 그림 1과 같이 열차 지붕의 팬터그래프 (Pantograph)와 직접 접촉하며 전기를 공급하는 전차선 (Contact wire), 전차선의 탄성을 균일하게 조가하기 위한 조가선 (Messenger wire) 및 드로퍼 (Dropper), 조가선을 현수하기 위한 가동브래킷, 팬터그래프 집전판의 마모를 고르게 하기 위하여 전차선의 지그-제그 편위를 주게 하기 위한 곡선당김금구, 지지물과 전기적으로 분리하기 위한 애자류 등을 지지하기 위한 지지물 등으로 구성되어 있다.
	일본의 전차선로 시스템은?	독일, 중국 및 스페인 등에서 주로 사용되는 Y-stitched 전차선로는 상대적으로 탄성이 높은 지지점 (전주)에 Y-stitch선을 적용하여 전체적으로 균일한 탄성을 유지할 수 있게 하였다. 일본에서 사용되는 컴파운드(Compound) 전차선로는 보조 (Auxiliary) 조가선을 적용하여 탄성을 균일하게 하였고, 여러 개의 팬터그래프를 운영하는 전기차 시스템에 대응하도록 하였다. 우리나라를 비롯하여 프랑스 및 중국 등에서 주로 사용하는 단순 (Simple) 전차선로 시스템은 상대적으로 높은 전차선 장력과 사전이도 (Pre-sag)를 적용하여 속도에 대응하도록 하였다.

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