[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ⑤철도전력망편(下)

[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ⑤철도전력망편(下)

대학생신재생에너지기자단 23기 김용대, 28기 정성엽

본 '대신기와 맞춰보는 전력 퍼즐' 시리즈는 전력 분야와 관련된 기초적인 개념에 대해 다룬다.

해당 시리즈의 다섯 번째 기사 주제는 ‘철도전력망'이다. 출퇴근할 때나 혹은 여행 갈 때 철도 위에 고압전선이 있다는 것을 흔히 볼 수 있다. 즉, 철도에도 전력망이 존재한다. 그러나 일반적인 전력망에 비해 전원 공급방식, 부하특성, 전력설비 등이 다른데, 이 부분에 대해 짚어보고자 한다.

철도전력망편(下) 개요 - 철도전력망의 주요 전력설비

지난 철도전력망 上편에서는 철도전력망의 전원공급 방식과 시간대별 부하패턴에 대해 알아보았다. 이번 철도전력망 下편에서는 철도전력망을 구성하는 주요 전력설비에 대해 서술하고자 한다.

철도전력망은 일반적인 전력망과 유사하게 변압기, ESS가 있지만 팬터그래프처럼 철도에서만 사용하는 특수 설비들이 있다. 또한 변압기 역시 일반 변압기와 다른 스코트결선의 변압기를 사용하는 특징이 있다.

따라서 이번 편에서는 철도변압기와 팬터그래프, ESS 순으로 철도전력망을 이루는 주요 전력설비에 대해 알아보고, 향후 철도전력망에서의 발전기술에 대해 서술하며 마무리하고자 한다.

 

철도전력망의 주요 전력설비 1 - 철도변압기

첫 번째 철도전력망의 주요 전력설비는 ‘변압기’이다.

국내 철도망은 전력회사로부터 전기를 받아 차량 구동에 필요한 전력을 공급받는다. 이때 전기철도차량에 전력을 공급하는 방식을 급전방식이라 하며, 직류식과 교류식으로 분류한다. 일반적으로 도시철도(지하철)는 직류 변압기, 광역철도는 교류 변압기를 사용한다.

• 직류(정류기)

한국전력은 송전 방식에 있어서 3상 교류의 형태로 22.9kV의 전력을 공급한다. 이후 직류 철도에서 정류기를 거쳐 교류에서 직류로 바꿔준다. 그 과정을 풀어보면 다음과 같다. 우선 22.9kV를 수전받은 후, 변압기를 통해 정류기 입력에 적합한 약 600V의 교류로 강압시켜 준다. 이때 600V로 변환된 전압은 정류기로 입력이 되고 정류작용이 일어나게 되는데, 간단히 말해서 교류의 음(-) 반주기를 양(+) 방향으로 올린 후 펄스 수를 늘려 리플전압을 감소시키는 것이다. 이는 직류전압의 증가를 뜻한다. 정류 과정을 마친 전압은 600V에서 약 1600V DC(두 정류기의 합산 값)로 출력이 되고 전차선에 공급된다.

해당 과정을 회로도로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 변압기를 통해 전압을 강압시켜 위상을 만드는 단계이다. 한국전력으로부터 △결선 22.9kV를 받아 2차측 △, Y을 통해 600V 교류로 변환해주는 모습을 볼 수 있다. 이때 600V로 출력을 해주면서 위상차를 30도로 형성해준다. 그 결과 두 정류기의 리플이 어긋나게 만들 수 있고, 보다 부드러운 직류를 얻을 수 있다.

위 그림은 600V AC를 입력 받은 이후이며, 정류기를 통해 AC를 DC로 바꿔주는 단계이다. 2차측의 △결선과 Y결선은 각각 6펄스씩 입력해주고, 정류기를 통한 직류출력이 약 800V로 설정되어 있다. 이를 직렬로 구성하여 약 1600V DC, 12펄스를 만들어주는 역할을 한다.

• 교류(스코트 변압기, 단권 변압기)

이번엔 교류 철도를 살펴보고자 한다. 전력퍼즐 다섯 번째 시리즈에서 언급했듯, 교류 방식의 전철은 한국전력 변전소로부터 154kV의 전력을 수전받고, 전철변전소를 거쳐 25kV의 교류 전압이 공급된다. 여기서 사용되는 핵심 설비가 바로 스코트 변압기이다. 스코트 변압기는 한국전력으로부터 154kV를 수전받고 90도 위상차, 55kV의 단상전력을 갖는 M상, T상으로 변환시켜주는 장치이다. 스코트 변압기를 거쳐 55kV가 된 단상전력은 변전소를 통해 운용전압에 적합한 50kV로 변환하여 단권 변압기에 공급된다. 이 과정을 거쳐 25kV의 단상교류 공급전이 가능해진다. 이 과정을 자세하게 알아보자.

전철은 하나의 선로를 따라가며 단상부하로서 작용하는데, 한국전력의 3상 전력을 그대로 적용시킬 경우 부하 불평형 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하고자 스코트 변압기를 사용한다. 스코트 변압기는 M상과 T상 각각에 3상 전원을 연결함으로써 90도 위상차를 갖는 2상 출력을 만들 수 있다. 해당 자료에서 왼쪽 그림은 3상에서 2상으로 결선이 변화하는 과정을 나타냈고, 우측 그림은 M상과 T상 각각의 등가회로를 보여준다. M상은 3권선 변압기로 표현됐고, T상은 2권선 변압기로 표현됐다.

단권 변압기는 기본적으로 스코트 변압기-변전소를 거친 50kV전압을 인가받는다. 이때 50kV라 함은 전차선과 급전선 사이에 걸리는 선간전압이다. 이때 레일이 중성점이 되고, 전차선과 열차 사이는 25kV, 열차와 급전선 사이는 -25kV가 된다. 여기서 전차를 움직여주는 전압은 전차선과 열차 사이 25kV가 되며, 선간전압이 50kV이기에 귀선전류를 억제해주는 효과를 볼 수 있다. 또한, 선로 양단의 전류가 대칭을 갖게 되어 전력 손실과 불평형을 감소시킨다. 즉, 전력 품질과 효율이 좋아진다.

왼쪽 그림을 보면 단권 변압기는 일반적인 변압기와 달리 1차 권선과 2차 권선이 붙어 있다. 이는 좌측 아래 전류 식을 보고 유추할 수 있다시피, 권선 일부에서 반대 방향 전류가 흐르도록 유도한 것이다. 반대방향 전류가 흐르게 되면 전류(I)가 감소되며, 권선재료(R)가 절감되기 때문에 전력손실 공식에 의해 구리손(동손, I^2R) 손실 감소와 변압기 효율이 증가한다. 우측 그림은 단권 변압기의 전기적인 특성에 기초한 회로로, 권선 손실과 철심 손실을 표현한 것이다.

 

철도전력망의 주요 전력설비 2 - 팬터그래프

두번째 철도전력망의 주요 전력설비는 '팬터그래프'이다.

일반적으로 발전소로부터 고압의 전기를 변전소에서 강압시키고 전차선을 통해 열차로 전력이 전달된다. 여기서 전차선과 열차 사이에 전기를 전달해주는 장비로써 '집전장치'가 쓰인다. 집전장치는 크게 팬터그래프, 뷔겔, 집전봉, 제3궤조 등의 방식이 사용되고, 집전장치의 종류와 구조적 특징에 따라 장단점이 존재한다. 현재 상용화가 원활한 장치는 팬터그래프이며, 이를 더욱 상세히 알아보고자 한다.

[자료1. 팬터그래프 구조적 특징]

출처: ⓒ28기 정성엽

팬터그래프는 열차의 지붕에 위치해 있으며, 공중가선식으로 열차 위쪽에 설치된 전차선으로부터 전류를 공급받는다. 팬터그래프식 집전장치는 전차선이 위아래로 움직이는 종변위에 자동적으로 대응하도록 구성되어 있다. 그 이유는 자동으로 따라 갈 수 있는 스프링 구조나 상부암과 하부암이 여러 개의 링크로 이어진 연결구조이기 때문이다. 쉽게 말하면 스프링이 높이 변화에 따라 알맞게 밀어주고, 상부암과 하부암이 접혔다가 펴지며 높이를 자동적으로 조절해준다는 것이다. 이러한 팬터그래프는 기본적으로 더블암과 싱글암으로 구분하여 볼 수 있다.

• 더블암(능형)

 

더블암은 대개 링크 구조(암의 연결 구조)에 따라 세부적으로 능형과 하부 교차형 등으로 분류가 가능하다. 능형은 가장 기본적인 더블암 구조로 마름모 꼴을 가지고 있다. 이는 링크가 중앙에서 교차하기 때문에 보이는 형태라고 할 수 있다. 능형은 가장 오래된 방식으로, 전차선의 높이 변화를 조절하는 것에 초점이 맞춰져 있다. 하지만 사용되는 부품수도 많고, 무게도 많이 나간다는 단점이 있다. 또한 부품과 무게로 인해 공기저항이 함께 커져 고속주행시 효율이 떨어진다.

• 더블암(하부교차형)

하부교차형은 링크 구조의 교차가 하부에서 이루어져 있다. 따라서 부품의 대부분이 차체와 연결된 부분에 많이 사용된다. 하부는 진동이 많은 상부보다 제어할 부분이 적기에 비교적 부품이 적게 들어간다. 다시말해 구조가 단순하며 경량화에 유리하다고 할 수 있다. 이러한 특징을 통해 능형에서의 공기저항 문제를 해결할 수 있으며, 장거리 운행에서 보다 우수한 모습을 보인다. 공간 절약 측면에서도 뛰어난 모습을 보여 냉난방 장치 등의 탑재가 가능하다. 따라서 현행 철도차량에 적합하다고 평가를 받는 방식이다.

• 싱글암

싱글암식 팬터그래프는 더블암을 절반으로 잘라놓은 형태와 비슷한 모습을 볼 수 있다. 싱글암식은 접촉면과 차체 사이에 하나의 링크로만 연결되어 있다. 부품이 절감된 만큼 가볍다는 장점이 있는데, 이는 앞서 보았던 하부교차형과 마찬가지로 공기저항이 적어 고속철도에 적합하다고도 볼 수 있다. 또한 유연한 링크 구조로 구성되어 있기에 가선 높이에도 유연하게 대응하는 장점을 보인다. 과거에는 지하철 등 고속주행이 요구되지 않는 환경에서 더블암 팬터그래프를 주로 이용했다. 하지만 현재는 경량화 및 효율성을 위해 싱글암 팬터그래프를 확대하는 추세이다. KTX나 많은 준고속전철 차량은 과거부터 현재까지 꾸준히 싱글암 방식을 사용 중에 있다.

전차에서 팬터그래프를 안정적으로 사용하기 위해서는 기본적으로 전기 공급이 안정적이어야 한다. 안정적으로 전기를 공급받기 위해서는 전차선과 일정한 거리 유지가 중요하다. 특히 압상력(접촉 압력)을 일정하게 유지해줘야 하며, 절연거리를 확보할 수 있어야 한다. 이와 같은 기능은 스프링이나 공기압 장치 등 다양한 장비와 기술을 요구한다. 또한 전차 정지 시 팬터그래프에서 발생하는 최대 전류값은 전차선 재질 및 수량, 집전판 수량 및 재질, 접촉력, 열차속도, 환경조건에 따라 다르게 고려되어야 한다.

 

철도전력망의 주요 전력설비 3 - ESS

[자료2. 전동열차 내 ESS에 회생에너지가 저장되는 과정]

출처 : Chat-GPT

세번째 철도전력망의 주요 전력설비는 ‘ESS’이다.

ESS(Energy Storage Sytem)란 에너지를 저장하는 장치로, 배터리나 슈퍼커패시터와 같은 ESS가 전동열차 혹은 역사 내 변전소에 설치되어 회생에너지를 저장 및 활용할 수 있는 기능을 수행한다. 이를 통해 열차 운행에 필요한 전력을 절감해 에너지 효율을 높일 수 있다. 국내에서는 대표적으로 인천 2호선 역사 내 변전소에 ESS가 설치되어 있다.

전동차의 회생제동은 열차가 감속할 때 모터를 발전기처럼 동작시켜 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 원리이다. 이렇게 발생한 회생에너지는 먼저 같은 급전구간 내 가속 중인 다른 열차에 공급되어 재사용되고, 남는 잉여 전력은 별도 조치가 없으면 제동저항기에 열로 소모되어 버려진다. 또한 역사의 조명이나 승강기 등의 부하에 공급함으로써 에너지를 재활용하는 경우가 있다. 그 사례로, 한국철도기술연구원에서 개발한 인천 2호선 ‘직류 도시철도 역사연계 회생인버터 시스템’에서 시운전 기준으로 하루 평균 800kWh 이상의 회생에너지를 공급할 수 있는 성능이 검증된 바 있다.

이외에도 ESS의 전력을 철도전력망의 순간 피크전력을 감소시키는 용도로 사용하거나, 계통사고로 철도전력망에 정전이 발생했을 때 백업 전원으로도 활용할 수 있다. 특히 ESS를 철도시설의 유휴 부지에 설치된 태양광 등 신재생에너지 설비와 연계할 경우 철도 부문의 RE100 달성에도 기여할 수 있다. 하지만 차량 탑재형 ESS는 용량에 따라 차량의 중량과 부피가 더 커지므로 전력소모량과 비용이 상승하는 단점이 존재한다. 따라서 전동열차의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 최적용량 산정이 요구된다.

국외에서도 철도 분야에서 ESS를 활용하는 사례가 늘고 있다. 그중 미국 스타트업 SunTrain에서는 태양광으로 충전한 대용량 배터리 모듈을 화물열차에 실어 최대 2GWh의 에너지를 운반하는 등 철도 인프라를 활용한 이동형 ESS 기술도 등장하고 있다. 화물열차의 경우 무게에 대한 제한조건이 다른 교통수단에 비해 적기 때문에, 한국과 같이 송변전 설비의 부족으로 수도권 전력수요를 해결하지 못하는 문제를 겪는 경우, 이러한 철도의 이동형 ESS 기술이 하나의 대응방안이 될 수 있을 것으로 기대한다.

 

철도전력망편(下)에 대한 대신기의 생각

탄소중립이라는 목표 속에서 세상은 빠르게 변화해가고 있다. 특히 기술 측면에서의 변화가 눈에 띄는데, 철도 전력 시스템도 이를 피해 갈 수는 없다. 철도 전력망은 현재 ‘탄소중립 철도망 실현’이라는 대전환을 맞이하고 있다.

철도 전력망은 전기 요금의 인상으로 인해 전력을 구매하는 것이 아닌 자체적으로 생산하거나, 회생전력을 재활용 하는 등 자립형 전력체계를 만들려는 움직임이 보인다. 이에 따라 역사 지붕이나 차량기지 등의 공간을 활용하여 태양광 설비를 설치하려는 시도가 증가하고 있다. 하지만 태양광 설비 설치만으로는 전력 품질 저하 문제나 계통 안정성 문제를 해결할 수 없다. 따라서 단상 교류 및 직류 급전 구조와 부하 회생전력 변동성을 고려한 연계 기술이 잇따라 중요해지고 있다. 여기서 언급한 기술의 예시로는 '동기화 제어', '양방향 전력변환 장치', 'AI 예측 제어', '마이크로그리드 운영 기술'이 있다.

한국철도기술연구원 전철전력연구실은 철도를 '에너지 플랫폼'으로 전환하고자 연구를 추진 중에 있다. 주된 연구로는 디지털 트윈 기반 시뮬레이터, AI 예측 에너지 관리 시스템, 차세대 능동형 급전시스템을 진행중이다.

이와 같이 철도 전력망은 급변하는 시대와 환경 속에서 트렌드에 발 맞춰 함께 변해가는 모습을 엿볼 수 있다. 현재도 다양한 기술 개발이 이루어지고 있으며, 보다 친환경적이고 효율적인 철도 전력망을 만들기 위해 여러 연구가 진행 중에 있다. 이러한 노력을 바탕으로 앞으로의 철도 전력망은 자체적인 전력 생산 및 저장, 소비 등 하나의 ‘에너지 플랫폼’으로 자리할 가능성이 크다고 본다. 철도 전력망의 지속 가능한 성장을 기원한다.

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10월의 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[대신기와 맞춰보는 전력퍼즐] ⑤철도전력망편(上)", 23기 김용대, https://iksung.tistory.com/170

2. "[RE:CHARGE LIVE] BESS에 머무는 한국, HESS로 가야 할 이유", 28기 이건혁, https://iksung.tistory.com/172

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참고문헌

[철도전력망의 주요 전력설비 1 - 철도변압기]

1) 국토교통부;국토교통과학기술진흥원, "철도 급전계통 실시간 해석용 시뮬레이터 구축 및 모델 개발 최종보고서", 2022.09.30., https://www.codil.or.kr/viewDtlConRpt.do?gubun=rpt&pMetaCode=OTKCRK230017

2) 레일로, Naver Blog, "[기고] 전기철도시스템의 구성과 전기방식 (우송정보대학 철도교통학부 이해원 교수)", 2023.12.08., https://blog.naver.com/kr_blog/223286857668

3) 창상훈, "[K-고속철도] ⑤ 고속철도 전력품질 관건은…급전시스템 기술개발이 필수", 철도경제신문, 2024.09.24., https://www.redaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=10209

[철도전력망의 주요 전력설비 2 - 팬터그래프]

1) 국토교통과학기술진흥원, "동력분산식 고속철도 차량용 반 능동형 팬터그래프 개발", 2024.12.31., https://www.kaia.re.kr/portal/landmark/readTskView.do?tskId=163313&yearCnt=1&cate1=&cate2=&cate3=&year=&bizName=&psnNm=&orgNm=&tskName=%ED%8C%AC%ED%84%B0%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%94%84&sort=&pageIndex=1&menuNo=200028#none;

2) 산업통상자원부, "한국전기설비규정 개정 전문 (산업통상자원부 공고 제20204-749호)", 한국전기설비규정, 2024.10.24., http://www.kess.kr/sub/customer/library.asp?mode=view&bid=3&s_type=&s_keyword=&s_cate=&idx=132&page=1

3) 한국교통연구원, "집전장치", 철도산업정보센터, 2011.09.09., https://kric.go.kr/jsp/industry/knp/railCommonSenceDetail.jsp?p_id1=A010031131&p_id2=160&q_value=%EC%A7%91%EC%A0%84%EC%9E%A5%EC%B9%98&q_name=1

4) 한국교통연구원, "팬터그래프 속에도 재미있는 과학이 숨어있다", 한국교통연구원 철도정보포털, 2008.10.20., https://www.kric.go.kr/jsp/board/portal/sub05/knp/railCommonSenceDetail.jsp?p_id1=A010031131&p_id2=68&q_value=%ED%8C%AC%ED%84%B0%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%94%84%20%EC%86%8D%EC%97%90%EB%8F%84%20%EC%9E%AC%EB%AF%B8%EC%9E%88%EB%8A%94%20%EA%B3%BC%ED%95%99%EC%9D%B4%20%EC%88%A8%EC%96%B4%EC%9E%88%EB%8B%A4.&q_name=1

5) 현대로템, "알아두면 쓸데있는 팬터그래프 상식", 현대로템 공식 블로그, 2019.06.07., https://blog.hyundai-rotem.co.kr/312

6) 현대로템, "알아두면 쓸데있는 팬터그래프-전차선 인터페이스 상식", 현대로템 공식 블로그, 2019.12.24., https://blog.hyundai-rotem.co.kr/393

[철도전력망의 주요 전력설비 3 - ESS]

1) 김영준, “철도연 개발 '도시철도 회생에너지 재사용 시스템' 인천 2호선 상용화”, 전자신문, 2024.07.02, https://www.etnews.com/20240702000145#:~:text=현재 인천 2호선 주안국가산단변전소 내에,재사용할 수 있는 성능을 검증했다

2) 김윤희, “전철에서 버려지던 전력, ESS로 활용한다”, ZDNET Korea, 2024.06.28, https://zdnet.co.kr/view/?no=20240628095905#:~:text=전동차가 역에 도착하면서 제동을 걸,낮은 효율과 짧은 수명 때문이다

3) 박윤, “코레일, 호남서 생산된 재생E 철도망 운송 추진…기존 송전망 한계 극복”, 전기신문, 2025.08.12, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=358773#:~:text=코레일은 전기철도망과 컨테이너 운송 시스템을,열차로 운송하는 방안을 기획

4) 박위규, “철도변전소에 적용 가능한 전력피크 관리용 에너지저장장치(ESS) 개발현황”, RISS, 2015.02

5)인천교통공사, 전력설비 소개, https://www.ictr.or.kr/main/railway/major_facility/power2.jsp#:~:text=Image%3A 신재생에너지설비 사진3

6) 전현우, “[플랫폼] 재생 에너지와 철도 RE100의 길③ : 제1단계 '탐색', 철도경제신문, 2022.06.30, https://www.redaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=3868#:~:text=,전력을 공급하는 작업이 수행

7) SunTrain, TECH, https://www.suntrain.co/general-1

[철도전력망편(下)에 대한 대신기의 생각]

1) 공학저널, "철도 전력기술, 에너지 자립형 인프라로 진화한다", 2025.07.03., http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=3322