한국생산기술연구원 Korea Institute of Industrial Technology
등록번호
TRKO200200057202
DB 구축일자
2013-04-18
초록▼
1. 세계 각국의 고속전철시스템 현황분석 일반적으로 궤도 차량에 있어서 200km/h 또는 그 이상의 속도를 낼 수 있는 모든 열차에 대해 '고속'이라는 용어를 사용한다. 본 과제에서는 세계적으로 고속전철로 분류되는 주요 시스템에 대해 각 나라별로 현재 운행중인 고속열차의 도입배경 및 사양, 운영환경 등에 대해 심도있게 조사 하였다. 특히 일본에서 광범위한 시험을 통해 개발중인 새로운 초고속 열차시스템인 신간선의 개발방향에 대해 분석하였으며 우리나라 고속전철의 개념설계의 기본 모델이 되는 프랑스의 TGV-K와 독일의 ICE 3에
1. 세계 각국의 고속전철시스템 현황분석 일반적으로 궤도 차량에 있어서 200km/h 또는 그 이상의 속도를 낼 수 있는 모든 열차에 대해 '고속'이라는 용어를 사용한다. 본 과제에서는 세계적으로 고속전철로 분류되는 주요 시스템에 대해 각 나라별로 현재 운행중인 고속열차의 도입배경 및 사양, 운영환경 등에 대해 심도있게 조사 하였다. 특히 일본에서 광범위한 시험을 통해 개발중인 새로운 초고속 열차시스템인 신간선의 개발방향에 대해 분석하였으며 우리나라 고속전철의 개념설계의 기본 모델이 되는 프랑스의 TGV-K와 독일의 ICE 3에 대해 집중적으로 사양을 비교하였다. 다음의 표는 세계적인 고속전철 시스템의 현재의 경향을 요약하여 보여 주고 있으며 미래의 개발 경향을 이끌어줄 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 표에서 보듯이 동력집중식 차량과 분산식 차량은 상당히 많이 사용되고 있는 반면 관절차량은 비교적 적게 사용되고 있다. 스페인의 고속전철이 관절 형태를 취하는 것은 이 시스템이 프랑스의 TGV-K 시스템과 기술적으로 연관되어 있다는 것을 고려하여야 한다. 견인 시스템은 비동기 모터를 갖는 3상 드라이브가 우세하게 많이 사용된다. 틸팅 시스템은 저속 차량에 집중되어 사용되는데, 이는 기존의 선로망을 사용하는 적용 범위 때문이다. 액티브 틸팅 시스템은 보다 많이 사용되며 틸팅 메카니즘에 유압 구동방식에서 전기 기계적인 구동 방식으로 변화하는 추세다. 경량화의 요구로 인해 가벼운 구조와 재료가 필요하다. 따라서 알루미늄과 섬유복합 재료의 사용이 증가하고 있다. 2. 신간선 고속전철 분석 전세계적으로 고속전철은 동력집중방식과 동력분산방식, 관절차량과 비관절차량으로 구분되어 대변되고 있으며 이러한 차량편성과 아울러 곡선 구간에서 주행속도 향상을 위한 틸팅시스템 채용 등이 눈에 띄고 있다. 이러한 세계적인 고속전철 중에서 세계적으로 가장 오래된 고속전철로서 고속주행을 위한 기술향상에 매우 많은 투자를 하며 집중적인 연구를 수행하고 있는 것은 일본의 신간선 시스템이다. 일본의 신간선 시스템의 분석은 우리나라와 같이 이제 고속전철에 대한 기술개발을 시도하는 나라에서는 배울 부분이 많다. 즉, 일본 고속전철의 기술개발방향에 대한 많은 시도들에서 우리는 우리나라 고속전철의 개발 방향에 대한 개념을 도입하고 세계적인 기술변화의 추이를 충분히 가늠할 수 있다. 또한 일본의 지형적, 환경적 여건이 우리나라와 유사하기 때문에 우리나라의 고속전철 환경의 변화에 대한 대처를 유사하게 할 수 있기 때문이다. 1990년 이후 일본에서 개발되고 있는 시스템은 기존의 신간선과 더불어 신간선 300(Nozomi), STAR 21, WIN 350 그리고 300N을 포함하여 5가지이며 그 중에서 두 시스템은 이미 상용화되었으며 후자의 세 시스템은 아직 시제품 시험 단계에 있다. JR이 국부적으로 민영화된 운영 체제(JR-East, JR-Central, JR-West)로 분리된 이래로, 다음과 같은 목적을 갖는 rolling stock 개발 및 조달을 위한 활동적인 프로그램이 진행되어 왔다.- 기존의 신간선에 대해, 여행시간의 단축을 위해 궤도 형상(또는 track force에 대한 역충격과 중요한 보수 수준), 운행 비용, 지반의 진동, 외부 소음 수준 등에 큰 변화없이 최대 속도의 향상- 기존의 좁은 궤간의 동적 외관 변화 없이 표준 궤간(軌間)의 재설치를 통한 기존 노선에 신간선 타입의 차량 운행 확대- 운영되는 차량의 수 또는 전체 구성 길이의 교체없이 열차당 수송능력을 증가시키기 위해 이층객차 또는 다른 새로운 장비를 사용하여 차량의 수송능력 확대 고속전철 신간열차의 성공은 환경보존 대책을 훼손시키느냐 아니면 고속 열차의 진동 및 소음 문제를 충분히 개선하느냐에 심각하게 달려있다. 부분적으로 이런 대책들은 소음과 진동 발생에 관해 운송부 장관에 의해 발표된 엄격한 법규를 충족시켜야 한다. 터널 진입 시 발생하는 압력변동 문제는 고속전철의 경우 심각해진다. 폭넓은 연구 및 세심한 노력을 통해 새로운 및 953는 이러한 요구를 충족시킬 수 있도록 설계되었다. 특히, 이 열차는 철로 주변 지역의 환경적 충격을 최소화하고 안정적인 주행성능 및 현저한 하중 감소(차축 하중-8톤)를 달성할 수 있도록 진보적으로 설계된 것이 특징이다. 250km/h이상의 속도에서는 공기역학적 소음이 심각하므로, 판토그라프를 덮고 덮개의 측면을 감소하는 것이 대책으로서 제기되었다. 공기역학적 소음을 감소시키기 위해 차체높이를 낮추도록 더욱 노력하는 것이 반드시 필요하며, 현재 연구 중에 있다. 3. TGV-K 및 ICE3 시스템 분석 독일에서 1998년 운행을 목표로 1994년 Siemens AG에 발주한 50편성(13편성은 다국적 운행)의 고속전철은 300 km/h 이상의 운행속도, 40%에 이르는 가파른 언덕, 그리고 제한된 운행시간을 만족하기 위한 50 %의 가속력 증대를 비롯한 가혹한 운행조건들로 인하여 기존의 ICE-1 및 ICE-2에 적용되어 왔던 기본적인 설계개념을 수정해야만 하였다. 먼저 요구되는 조건을 모두 만족하기 위해서는, 기존의 11.48kW/ton의 동력에서 21.92 kW/t로 변경되어야 하였으며, 동시에 에너지의 소모도 줄여야 되는 상호 모순되는 문제를 해결해야만 하였다. 많은 기술적 검토 후 이를 모두 충족시키기 위하여 동력 분산식과 Dynamic Braking 방식이 제안되게 되었다. ICE-2와 비교할 때에 차량무게는 418 ton에서 365 ton 정도로 약 10 % 감소하였고, 최대 추진력은 200 kN (4,800 kW)에서 300kN (8,000 kW)으로, 최대 운행속도는 280km/h에서 330 km/h로 증대되었음에도 불구하고, 동력 분산식의 장점으로 인하여 제동시 에너지를 회생제동에 의하여 전량 회수함으로써, 에너지 소모는 25 %가 감소되었다. 부가적으로 이로 인한 carbon-dioxide의 방출도 3.9 ㎏/100 km에서 3.2㎏/100 km로 감소되었다. 또한, 추진 동력장치를 적절히 분산 배치함으로써 축중은 12.5 ton으로 감소되어 track에 작용하는 stress와 소음이 경감되었다. 이로 인한 추가적인 장점으로는 모든 동력장치가 차량 하부에 설치되어 주행의 안정성이 향상되었고, 축중의 감소 및 저감된 소음이 차량의 하부에서 발생되어 방음벽 설치시 이의 효과가 극대화되었다. 차량성능을 향상시키기 위하여 다음과 같은 추가적인 기술이 적용되었다. - 중앙 집중식 보조 전원장치와 중앙 집중식 급수공급(4 차량 기준) - 고주파 변압기와 IGBT를 보조 전원장치에 사용 - 경량화와 환경문제 해결을 위한 Air-Charged HVAC - 경량화를 위한 Aluminium Monocoque 구조의 차체 - 차량의 전자 제어회로에 표준화된 BUS를 사용하여 Module간의 Interface 감소 - 회생제동, 비접촉 제동, 그리고 마찰제동을 설치하여 정상제동시에는 회생제동과 비접촉 제동을, 비상시에는 마찰제동을 사용함으로써 마찰제동의 보수비용 절감 - 차량편성의 유연성이 증대되어 승객 탑승률 제고 - 50 % 정도 낮은 점착력 이용과 25 % 낮은 축중으로 인하여 차량과 궤도의 LCC(Life Cycle Costs) 감소 이외에도 ICE-3에는 running gear, 공력소음, 대차, 그리고 좌석 경량화에 대한 많은 개선으로 1998년 운행을 목표로 현재 시험중에 있다. 4. 한국형 고속전철 기본모델 검토 한국형 차량시스템의 기본모델을 선정하는데 있어서 연구기획 방향과 부합되고 현재 도입되는 TGV-K 이전기술을 소화할 수 있는 기본모델 뿐만 아니라 세계적인 기술개발 추세에 부합할 수 있는 기본모델을 동시에 검토하였다. 이러한 기본모델을 검토하기 앞서 본 연구에서는 연구기획 시 미리 파악하지 못했던 여러가지 부분에 대한 기술적 타당성을 점검하기 위해 동력 집중식 차량과 분산식 차량, 관절차량과 비관절 단일차량의 장단점을 정성적으로 비교하는 연구를 진행하였으며 이러한 비교 결과를 보다 정량적으로 수치화하여 각각의 시스템의 특성을 비교할 수 있도록 평가방안을 제안하였다. 또한 고속 차량을 350km/h의 속도로 운행하기 위해 미리 고려되어야 할 여러가지 검토사항을 분석하였다. 이러한 검토 사항에는 속도 향상의 요인 뿐만 아니라 경제성과 직결과는 수송력 향상 및 유지 보수 비용 절감 측면의 고려도 포함되어 있다. 검토된 한국형 고속전철 차량시스템의 기본모델은 크게 3종류이다. 하나의 모델은 TGV-K를 수정한 모델로서 한국고속철도건설공단의 시스템 운영 요구 사항에 부합되는 모델이다. 이 TGV-K수정모델은 TGV-K의 20량 편성을 16량으로 축소 편성하여 350km/h의 최고속도를 달성할 수 있도록 하였다. 따라서 전체 열차의 길이는 300m정도이며 좌석수가 735석 정도이다. 그러나 이 모델은 서울 - 부산간의 운행시간을 기존의 114분에서 104분으로 10분정도 밖에 단축시키지 못하면서 수송능력을 200명 가량 희생하여야 한다. 과연 이러한 시스템의 개발 필요성에 대해 의구심을 갖지 않을 수 없다. TGV-K와 그나마 유사한 수송 능력을 갖도록 하는 편성은 객차 1량을 희생하여 Booster차인 동력차로 편성하는 것이다. 이러한 차량시스템 모델을 본 보고서에서는 TGV-K 수정모델Ⅱ라고 이름하였다. 이러한 두 모델의 차량시스템은 많은 부분에 단점을 가지고 있다. 무엇보다도 유연한 차량편성을 할 수 없으며 현가하질량이 많아 고속에서 선로에 주는 영향이 매우 크고 승객수송 능력이 떨어진다는 것이다. 두번째 모델은 이러한 단점을 보완하여 유연한 차량편성이 가능한 동력분산식 차량시스템 기본 모델을 검토하였다. 동력분산식 차량시스템의 대상 모델은 현재 독일에서 개발중인 ICE 3모델을 기본으로 하였다. 따라서 ICE 3를 TGV-K수정모델과 동일한 300m 열차길이를 갖고 350km/h의 속도로 운행이 가능하도록 수정한 ICE 3수정모델과 열차의 길이가 400m가 되도록 편성한 ICE 3수정모델Ⅱ를 검토하였다. ICE 3수정모델Ⅱ는 ICE 3수정모델의 확장 편성일 뿐 별다른 다른 변화는 없다. ICE 3수정모델은 TGV-K 수정모델과 유사한 견인력과 에너지를 소모하면서 200명 이상을 더 수송할 수 있는 능력을 가지고 있다. 두 종류의 기본 모델에 대한 정량 평가결과는 물론 ICE 3수정모델이 TGV-K수정모델에 비해 차량설계, 휠레일의 상호작용, 유지보수 및 감가상각비, 편성의 유연성 등에서 좋은 평가를 받고 있다. 그러나 TGV-K수정모델에 비해 고음과 진동, 승객의 안락성 측면에서 좋지 못하다. 앞서 언급한 4종류의 기본모델은 현재 운행중이거나 향후 운행 예정인 시스템을 모방한 것에 지나지 않는다. 또한 두 시스템은 서로의 장단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 세번째 모델로 TGV-K수정모델과 ICE 3수정모델의 강점을 취합하여 최적의 차량시스템으로서 차세대 한국형 고속전철 모델로서 충분히 내세울 만한 가치가 있고 현존하지 않는 차량시스템 모델을 제시하였다. 이 차량시스템 모델은 HSR 300모델과 HSR 400 모델이며 각각 300m, 400m 열차길이로 차량을 편성한다. 기본적으로 HSR 모델은 ICE 3수정모델과 동일하게 동력분산식의 구동방식을 채택하고 관절방식으로 차량을 연결하는 모델이다. 따라서 Transformer와 Converter가 별도의 차량하부에 탑재되며 Converter가 탑재된 차량이 구동축을 형성한다. 따라서 이러한 목표를 달성하기 위해서는 아직까지 실용화되지 않은 구동축을 가지는 신뢰성 있는 관절대차를 제작하여야 한다. 이 모델은 TGV-K수정모델과 ICE 3수정모델의 강점만을 취합하여 만든 열차편성이기는 하나 기술적으로 많은 부분에 대한 검토가 계속적으로 이루어져야 한다. 이러한 3종류의 기본모델을 검토한 결과, 각각의 시스템은 나름대로 특징을 가지고 있다. 비록 TGV-K수정모델이 구시대적이고 성능면에서 뒤떨어진 시스템이기는 하나 우리나라에 도입되는 TGV-K시스템의 기술을 충분히 소화할 수 있는 차량시스템 모델이다. ICE 3수정모델이 TGV-K수정모델에 비해 높은 수송능력과 편성의 유연성을 가지고 있으나 기술이전이 이루어지는 TGV-K 기술과는 동떨어져 있다는 것을 부인할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 다음과 같은 결론에 도달하였다. 첫째, TGV-K수정모델만으로는 철도선진국의 기술수준을 만족시킬 수 없으며 우리나라와 같이 단시간에 많은 승객을 수송하기에는 적합하지 않으며 차세대 시스템으로서 합당한 기술개발 방향이 아니다라는 것이다. 둘째, ICE 3수정모델은 선진국형 차량시스템이기는 하나 별도로 독일로부터 많은 추가 기술도입이 필요하다. 셋째, HSR모델이 독자모델로서 최상의 차량시스템 모델이기는 하나 아직까지 개발성공 가능성 및 신뢰성측면이 증명되지 않은 시스템이다. 따라서 HSR모델에 대한 계속적인 검토작업이 진행되어야 한다. 따라서 어느 시스템을 한국형 고속전철 차량시스템의 기본모델로 선정하는 가는 상위과제의 역할로 남겨둘 수 밖에 없으며 합당한 시스템 운영요구사항과 향후 기술추세에 따라 결정하여야 한다. 본 연구과제에서는 1,200정도의 수송능력을 가지고 있으며 차량편성이 자유롭고 충분한 기술개발 가치가 있는 HSR 모델을 차세대 한국형 고속전철 기본모델로 제안하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.