[HEMU 특집 포스팅 5편] 차세대 고속열차 HEMU-430X의 특고압 전력공급 구조 및 집전장치 분석

HEMU-430X 특집 포스팅 4편을 연재합니다.

이번편 부터는 본격적으로 HEMU-430X의 차량 자체를 뜯어보기 시작합니다.

1편에서는 차량의 개발배경과 사업개요 그리고 차세대고속열차와 어께를 나란히 할 외국의 선진 고속철에 대해 이야기 했고

2편에서는 동력분산형 고속철도의 특장점에 대해 이야기 했습니다.

3편부터 본격적으로 차량성능에 대해 이야기 하면서 최고속도, 견인력등에 대한 기술적 분석을 하였고

이번 4편부터는 외형 및 내부적으로 차량의 설계구조가 어떠한가에 주안을 두고 깊숙하게 들어가 보는 단계입니다.

이만큼 장편의 포스팅을 기획할 만한 가치가 충분히 있는 차량이고, 분명하게 많은 부분에서 종래의 차량들과 그리고 해외의 선진 고속철과 차별화된 요소가 많습니다. 우리나라 독자적으로 새롭게 개발된 기술적 요소들도 많이 포함되어 있기에 장편의 특집 포스팅을 기획하기에 이만한 차량이 또 있을까 싶을 정도입니다.

※본 포스팅에 기술된 내용의 90% 이상은 본인이 직접 추론하여 기술한 것 입니다.
제작사 및 차량 연구개발 주체로 부터 어떠한 도면, 회로도, 기술사양 등의 정보를 제공 받은 사실이 없으며 필자가 어린 시절부터 독학한 철도차량공학, 물리학 전반, 전자공학, 기계공학 적 내용과 다년간 실차를 관찰하며 축적한 지적 데이터를 기반으로 작성된 내용임을 밝힙니다.※

모든 내용에 대해 단순히 추측한 내용은 과감히 싣지 않습니다.
여 덧붙이게 되어도 ‘추측이다.’ 라고 명시를 하며, 객관적인 근거와 공학적 원리를 통해 추론하여 확실하게 뒷받침 될 수 있는 내용만을 엄선하고 최대한 신뢰도 높은 정보만을 제공할 수 있도록 노력했습니다.

본론으로 들어 가겠습니다.

이번 편 부터는 HEMU-430X을 430km/h 의 속도로 달리게 해주는 추진제어 시스템인 주 회로 시스템(Main Circuit System.) 과

차량 구동을 제외한, 차량내 서비스 전원을 공급하는 보조 회로 시스템(Auxiliary Circuit System.) 전반에 대해 다루도록 합니다.

사실 철도차량의 전장품 계통을 분류하는데 있어 가장 큰 범주로 나누자면, 저는 1. 주회로(추진 제어) 2. 보조회로(서비스 전력) 3. 제동제어 의 세가지 영역으로 나누는데, 사실 철도차량을 구성하는 요소가 거의 이 세가지 안에 다 들어갑니다.

1번은 차량을 움직이기 위한 설비로 일단 밀던 당기던 지면으로 부터 철도차량을 움직이게 만드는 동력을 제공해야 하니 가장 중요하고

2번 사항은 1번과는 별개로 객실내 승객을 위한 실내등 전원과 각종 냉ㆍ난방기, 객실 내ㆍ외부 출입문 제어등에 쓰이는 말 그대로 서비스 전원을 위한 전력 계통 이며

3번은 제동인데, 달리는것 보다 중요한건 멈추는것 이라는 말이 있을 만큼 철도차량에 있어 주회로 만큼이나 중요한 것이 제동입니다.

이 세가지 전반적인 범주중 우선 1번 추진 제어 시스템에 초점을 맞추려 합니다.

철도차량의 주회로 계통에는 크게 다음과 같은 설비들이 있습니다.

①. 가선으로 부터 고압전원을 수전받는 집전장치(Pantograph)와 고압 집전계통을 보조하는 설비들(VCB, AC Arr, CT등)

②. 고압 전류를 차내에서 사용할 수 있는 주회로 전원으로 바꾸어 공급하는 주변압기(Main Transformer)

③. 주회로에 인가된 전원을 이용하여 전류의 형태와 전압 및 주파수를 제어하는 추진장치인 주전력변환장치(Main Converter Inverter)
④. 주전력변환장치로 부터 출력되는 전력을 바탕으로 차축에 회전력을 제공하는 모터장치인 견인전동기 (Traction Motor).

이들에 대한 전반적인 이야기는 5편쯤에서 개론적으로 다시한번 훑고 넘어가기로 하구요.

(그 때, 주회로 보조회로 설비에 대한 이야기를 자세히 훑어 나갈겁니다.)

이들에 대해 알기에 앞서 가장 먼저 또 깊이 파고들어야 할 부분이 1번으로 체크한 집전설비들이 되겠습니다. 이번편에서는 줄창 저 얘기만 하게 될겁니다.

기본적으로 고속철은 전기를 먹고 달립니다. 이에 전력공급 체계에 대해 이야기 하려면, 지붕을 봐야 합니다.

자, 그럼 지붕을 봅시다.


[HEMU-430X의 지붕장치 루프 커버 배치모습]

해무의 지붕이 그나마 잘 보이는 구도의 세로샷 한장을 엄선해 봤습니다.

지붕에 유난히 혹덩이를 많이 달고 다니는 해무는 전량의 상부에 커버가 씌워져 있습니다.

혹자는 고속철 지붕에 저렇게 방해물이 많으면 빠르게 달리는데 많은 방해가 될것이다 라고 말하기도 하는데, 저도 처음 봤을때, 뭔데 저렇게 덕지덕지 붙어있지? 하는 생각을 했습니다.

해무의 지붕에 붙어있는 주요 계기들을 이번편에서 낱낱이 해부합니다.

그러기에 앞서서 전기 철도차량의 ‘지붕’ 하면 가장 먼저 떠오르는 핵심 전장품 부터 짚고 넘어가 보도록 합시다.

고속전철 HEMU-430X는 전기차량 입니다.

주 연료원이 전기이고 우리나라 고속선은 AC 25,000V 60Hz의 전원을 사용합니다.

고속철이 이를 받아 차내에서 가용할 수 있는 전력으로 바꾸어야 차량이 움직일 수 있게 될 텐데, 가선으로 부터 전력을 공급받는 설비가 참 중요하게 되겠죠.

가선으로 부터 특고압 전력을 수전받아 차내로 공급시키는 집전장치인 팬터그래프는 어떻게 생겨 먹었나 보도록 합시다.

1. HEMU-430X의 집전장치(팬터그래프) 분석.

[HEMU-430X 의 집전장치(Pantograph)]
HEMU-430X의 밥줄인 팬터그래프 입니다.

모양이 제법 근사하게 생긴게 성능도 아주 탁월할것 처럼 생겼습니다.

사진상에 보이는 팬터그래프.. 어디서 많이 봤다 싶은 모양새를 하고 있는데, KTX-산천에서 본듯만듯 한 느낌이 듭니다.
실제로 동일 부품 인것으로 알고 계신 분들도 계시던데, HEMU-430X에 쓰인 팬터는 이것과 엄연히 다른 모델입니다.

모양새만 보고 “KTX-산천에 달아 상용화 하려다가 실패한 부품을 재활용 했다” 라는 추측성 발언이 심심찮게 쏟아져 나오는것 같아서, KTX-산천 팬터그래프와 비교해 드립니다.

KTX-산천이 출고당시 달고 나왔던 집전장치는 독일 MELECS 라는 회사에서 납품한 SSS400+ 라는 모델의 팬터그래프 였습니다.

고속철도차량 전용으로 설계된 이 팬터그래프는 우선 KTX-산천 100량에 기본으로 탑재되어 출고 되었다가, 작년 말 부터인가 19편성 190량 전량의 팬터그래프 38개가 모두 뜯겨 나가고, 집전판 1개에 스테빌라이저가 바로 붙어있는 갸냘픈 형태의 팬터로 모두 교체 되었습니다.

교체 사유는 아껴 둿다가 나중에 하고싶은데, 중련운행시 상당히 골칫거리가 되었기 때문 이었습니다.

(산천 포스팅이 아니기에 더 깊은 이야기를 하다간 논지를 흐릴 여지가 있어 과감히 덮어 둡니다.

지금 산천의 중련운행이 부활했으니, 슬슬 이야기를 꺼낼 시점에 도달한듯 합니다.)

KTX-산천 초도 편성이 2009년 2월에 출고되었는데, 산천이 출고되기도 전에 우리나라에서는 산천에 새롭게 탑재되려던 팬터그래프를 개량한 국산 팬터를 만드려는 움직임을 보이고 있었습니다. HSR350X 개발당시 팬터그래프 조립체도 연구개발을 하긴 했지만, 이것은 양산화 과정에서 묻혀버렸기 때문에, 양산차량 에서는 집전설비 만큼은 외산 자재를 수입탑재 하게 되었던 전력이 있었습니다.

2006년에 중소기업청 으로 부터 수요처에서 해당 기술력을 바탕으로한 설비를 구입하는 조건으로 연구 개발비를 지원하는  ‘구매조건부신기술개발사업’ 에 의해 유진기공산업과 한국철도기술연구원이 연구개발을 맡고 한국철도공사가 수요처로서 지원하는 형태로 사업이 진행 되었습니다.

사실 이 팬터그래프는, 기존에 도입 운행중이던 KTX형 고속열차 46개 편성내 92개 팬터그래프를 대체하기 위한 목적으로 설계가 진행 되었던 것으로서 개발 목적은 보다 안정적인 집전성능을 보장하되, 공력설계를 강화시켜 주행저항은 최소화 하고 보다 가볍게 만드는것이 목표였습니다.

지금 KTX에 달려 있는 GPU 타입 팬터그래프도 못 쓸 물건은 아니고 수십년간 축적된 TGV기술력을 바탕으로 완성된 것인데, 우리나라 고속철의 운행 특성상 고속선에서만 달리지 아니하고 고속선과 기존선을 혼합운행 하다보니 호환성 측면에서 보다 안정적인 팬터그래프 모델의 필요성을 느끼게 된것 이었습니다.

사실 그래서 KTX-산천도 도입 당시에 SSS400+형 팬터그래프를 그대로 달고 나왓던 것이구요.

이에 2년간 기술개발이 진행되었고 KTX-산천 초도편성이 출고되고 있던 2009년 봄에 현차 탑재 시험이 이루어 지기도 했습니다.

실제로 KTX 차량중 한개 편성을 뜯어 기존 팬터그래프를 떼어내고 개발품을 탑재하여 시험하여 제법 안정적인 결과치가 도출 되었는데, 결국 전반적인 교체에는 이르지 못 했습니다.

이에 대해 자세한 내막까지는 모르는데. 성능에 대한 개선 효과가 미미했던 것 인지 철도공사에서 아예 손을 뗀 것인지는 모르겠지만, 여튼 아직까지도 양산차에 탑재 소식은 들려오지 않고 있습니다.

팬터그래프 자체 성능에 대한 이야기를 하기 전에 직수입한 KTX-산천의 팬터와는 분명히 다르다는 것을 보여드리고 넘어 가야겠죠

[KTX-산천과 HEMU-430X의 팬터그래프 형상 비교 (상단부 팬 헤드측)]

좌측이 HEMU-430X의 것이고 우측이 KTX-산천에서 초기에 달고 다니던 것입니다.

주황색으로 표기한 부분은 상부암(Upper arm) 부분과 파손방지용 평행 봉(Paralled Guide Bar) 입니다.
한눈에 봐도 형상이 다릅니다. 산천의 것은 뒤에서 부터 V자로 퍼져 올라오고 해무는 굵게 하나로 뻗다가 팬헤드 부분에서 Y자로 퍼집니다.
그 다음 녹색으로 표기한 플렉시블 로드 부분인데, 역시 형상이 많이 다른 것을 알 수 있습니다.

[KTX-산천과 HEMU-430X의 팬터그래프 형상 비교2 (하단부 하부암 측)]
내친김에 좀 더 보여드립니다.
팬터그래프 하부가 보이는 사진인데, 좌측의 해무는 하부암(Under arm)이 아래에서 U자로 갈라지는데, KTX-산천은 일자로 내리 꽃는 형태입니다.

KTX-II 라는 이름으로 개통을 목전에 두고 시운전 중이던 당시에 촬영된 사진입니다.
하부 암 형상이 일자로 된 것을 육안으로 확인 할 수 있습니다.

여튼 결론적으로 제법 다르다는 것을 알 수 있겠죠?

그리고 지금 달리고 있는 KTX-산천의 팬터그래프는 아래와 같은 것으로 모두 바뀌었습니다.

[KTX-산천 PC차량의 집전장치부]
기존 편성에는 모두 교체되어 출고되고 3차분 50량 (20~24편성)은 출고 당시부터 달고 나온 개량형 팬터그래프의 모습입니다.

자세한 설명은 묻어두고 해무의 팬터그래프나 보다 자세히 뜯어보도록 합시다.

[HEMU-430X 팬터그래프 상부 팬헤드측 클로즈업]

HEMU-430X의 팬터그래프 모습입니다.

먼저 봄(bomb)라고 표시한 부위를 보시면, schunk 라는 마크가 보입니다.

유진에서 만들었다더니, Schunk는 뭐냐! 라고 하실것 같아서 위의 사진과 비교해 드립니다.

위에 연합뉴스 사진을 보시면, KTX-산천의 SSS400+ 팬터에도 동일한 마크가 붙어 있습니다.

슝크(schunk) 사는 독일의 유명한 기계ㆍ전자장치 제조회사 인데, melecs 사와 협력업체 관계에 있는 기업입니다.

철도차량 팬터그래프의 팬헤드는 가선과 직접 접촉하는 부품들을 지지하기 때문에, 강성이나 유연성이 무척 중요하게 되는데 이 때의 팬헤드와 상부암과 같은 일부 부품을 슝크에서 제작ㆍ공급 했었습니다.

여튼 SSS400+원형과는 모양새가 좀 다른데, 팬헤드측을 기준으로 주요 부위에 대한 명칭 표기를 해 뒀습니다.

흰색으로 해 놓은것은 구조상 여느 싱글암 팬터그래프 에서 쉽게 볼 수 있는 부분인데요.

주황색, 청색, 녹색으로 표기한 세가지가 이 팬터그래프 에서만 찾아 볼 수 있는 특징적인 부분입니다.

먼저 습판은 특별한 기술력이 들어가서 별도로 표시한 것은 아니구요. 습판 사이의 경간이 여느 싱글암 판타에 비해 제법 긴 편이고 가이드혼도 꽤 길게 내려와서 뻗어 있습니다. 이러한 형상이 특징적이란 의미로 별도로 표기해 두었습니다.

정말 중요한 것은 익형과 스포일러 라고 해 놓은 부분인데,

비행기에 관심 많으신 분들은 에어포일 이라고 하면 눈이 번쩍 뜨이실 지도 모르겠습니다.

팬헤드 아래쪽으로 뻗어있는 두개의 장비를 자세히 보면, 그 모양새가 마치 비행기 날개나 프로펠러의 단면을 잘라놓은듯 한쪽면이 평평하고 배면이 볼룩한 구조를 취하고 있습니다.

모양새가 비행기의 그것들과 닮아있기도 하지만, 기능적 측면에서도 그들과 비슷한 역할을 수행하기에 이름을 에어포일 이라고 가져다 붙였습니다.

저 조그만한 날개가 고속주행시 양력을 받아 팬터그래프가 안정적으로 가선에 붙어있도록 도와 집전력을 향상시키고 공기저항을 최소화 시키는 역할을 하는 핵심 장비가 됩니다.

사진상에는 배를 아래로 깔고 있는데, 주행환경에 따라 위로 볼록하게 놓거나 아래로 놓아서 이를 조정하여 주행환경에 최적화된 상황을 제공하게 됩니다.

그리고 팬헤드로 부터 별도의 브라켓에 의해 총 4개가 달려 있는것은 스포일러인데, 역시 항공기에서 쓰이는 그것과 거의 비슷한 역할을 합니다.

고정된 장치인 이것 역시 공력(Aerodynamic) 설계를 위해 고안된 물건입니다.

[HEMU-430X 팬터그래프 하부 프레임측 클로즈업]

이번에는 아래를 봅니다.

특별하다 싶은건 없는데, 적색으로 표기한 공기 벨로우즈 장치(Air Bellow Drive)를 통해 이 팬터가 공기상승ㆍ자중하강 타입이라는 것을 알 수 있습니다.

근래 유진에서 개발ㆍ공급하는 팬터그래프 대부분이 벨로우즈 타입인데, 신형전기기관차에 들어가는 YP200L이나 준고속 EMU용 YP200S, YP165형식 팬터그래프도 모두 공기벨로우즈 장치와 공압 컨트롤 박스를 통해 제어되는 방식을 따르고 있습니다.

KTX나 HSR350X의 경우에는 공기상승ㆍ스프링 하강 방식이었구요.

사진상에 스프링이 아닐까 하는 모양새를 하고 있는건 하강ㆍ상승시 지지용이 아니라, 완충용으로 설치된 부품입니다.

[[HEMU-430X 팬터그래프 하부 프레임측 클로즈업2]

후면에서 바라본 모습입니다.

위쪽 팬터에는 없는 네모난 박스 두개가 보이는데, 계측설비로 보입니다.

처음엔 저게 공압제어장치 인줄 알았는데, M4 차량 상면 집전부에는 설치되지 않았고 M1 차량 집전부에만 설치되어 있었습니다.

여튼 엄연히 KTX-산천에 쓰인것과는 다른 물건이고 개량하여 국산화가 완료된 장비 입니다.

특히 고속 주행시 안정적인 전력 공급을 위해 설치된 익형이나 스포일러 같은 장치들까지 있어 이들이 430km/h로 주행하는데에 있어 기존의 고속형 팬터그래프 보다 탁월한 성능을 발휘할 수 있지 않을까 기대도 됩니다.

팬터그래프에 대한 이야기는 이쯤 해두고 본격적으로 전력공급에 대한 이야기로 넘어가 봅시다.

2. 특고압(AC 25kV) 전력공급 구조 파악하기

이제 본격적으로 HEMU-430X의 특고압 전력공급 구조에 대해 알아보도록 합시다.

여기서 진행될 작업은 지붕에 탑재되는 모든 주요 전기 설비들을 분석하게 되는 것 인데, 여타 철도차량에 비해 고압계통 설비의 배치가 제법 복잡합니다.

그래서 지붕에 혹을 저렇게 많이 달은것인지 모르겠지만, 외형상으로 그리 흉하지도 않고 어떤면에서 보면 저러한 모습 자체도 한국형 차세대 고속열차의 디자인 아이덴티티를 살릴 수 있는 부분이 아닌가 싶기도 합니다.

[HEMU-430X의 전력 공급 구조]
사진으로 보이듯 6량 시제편성내에는 2개의 집전장치부 동력차 (MP)가 존재합니다.
각각의 MP 차량에는 1기의 팬터그래프가 탑재되고 있는데, 기동 상태에서는 진행방향 기준 뒤쪽 MP 차량의 팬터그래프 만이 상승되어 있습니다.

지난 2편을 꼼꼼히 보신 분 이라면, HEMU는 2량 단위 유닛구조를 채용하여 개별 유니트가 독립적으로 작동한다는 것을 알고 계실 것입니다.
그런데, 사진상으로는 한개 유니트의 팬터만이 올라간 모습을 보이고 있죠.

설마, 하나의 유니트가 고장이나서 해당 유닛만 차단 이라도 시킨 것 일까?
아닙니다. 위는 지극히 정상 상태에서 기동된 모습입니다.
아래 사진을 봐 주시기 바랍니다.

[KTX-산천의 전력공급 구조]
운행중인 KTX-산천의 모습입니다.
10량 편성 산천에는 PC1, PC2 으로 통칭되는 동력 운전제어차 2량이 편성 전ㆍ후에 위치하여 2개의 독립된 유닛 구조를 가지는데. 사진상에는 PC2 차량의 팬터그래프 만이 상승된 모습을 보이고 있습니다.

그렇다면, PC1 차량까지의 전력공급은 어떻게 할까요.

설마 무접촉 급전은 아닐테고.. (지금 철기연에서 연구중인 상황. 아직 상용화는 멀었음)
위에 주황색으로 표시한 라인에 주목해 주시기 바랍니다.
KTX-산천은 운행방향 기준 후방 동력차의 팬터그래프가 상승되면, 팬터그래프가 특고압 전력을 받아 팬터가 상승된 해당 차량내 주 변압기에 우선 공급하고. AC 25kV를 별도의 권선으로 빼 내어 사진으로 표기한 지붕의 고압모선(Roof Cable)을 통해 진행방향 기준 전방 동력차 까지 공급하는 구조를 취하고 있습니다.

가선으로 부터 AC 25kV를 받아 전압 강하를 거치지 않은 순수한 특고압 전력을 지붕라인으로 흘려 보내니, 결국 지붕에 또하나의 가선을 두고 있는 셈이 되는 것이라 봐도 됩니다.

팬터그래프가 많이 있으면, 있는대로 모두 상승 시키면 보다 안정적으로 전력을 수전받을 수 있을텐데, 무엇하러 하나만 쓸까.
지하철 전동차는 동력차 마다 집전장치를 올려 많게는 10량 편성에 10개의 팬터그래프를 올리고 가는 경우도 있는데, 팬터그래프를 설치만 해 두고 한기만 올리려 할까.
개별 팬터그래프를 상승 시키면 지붕에 고압 모선을 설치할 필요도 없어져 차량 중량 부담도 저감시키고 유지보수 개소도 줄일텐데, 왜 그럴까.
갖은 의문점들이 꼬리를 물기 쉬운 대목중 하나죠.

고속열차를 만듦에 있어, 기술자들이 가장 많이 고민하는 문제중 하나가 바로 주행저항(Running resistance) 문제 입니다.
선로와 직접적으로 마찰을 일으키며 달리는 윤축-선로간의 저항을 이겨내기 위해 노력하랴, 고속에서 극대화되는 공기저항의 영향을 이겨내랴 신경을 쓸 부분이 한 두군데가 아니게 되기에 특히 고속열차를 설계할 때, 공력설계에 많은 비중을 두게 됩니다.

집전장치와 가선의 접촉 역시 위에서 말한 주행저항의 범주 내에 속하게 됩니다.
차륜과 같이 주행하는 내내 카본 스트립 소재의 습판이 탱탱한 장력을 지닌 가선을 대놓고 긁고 지나가는데, 저항이 안 생길수가 없죠.
이 때의 저항력은 주행 속도에 비례하여 차량 속도가 빨라질 수록 더 거세게 높아집니다.
일단 이런 이유 때문에 팬터그래프 개수를 최소화 할 수록 좋은 것 인데, 더 큰 이유는 여러개의 팬터그래프를 올리면 주행 안정성에 영향을 초래할 수 있기 때문입니다.

시속 300km로 주행하는 열차의 집전장치는 항시 가선에 접촉된 상태로 팽팽하게 늘어진 트롤리선을 긁고 지나갑니다.

300km/h 에서 카본소재 집전판이 가선을 칠 때 마다, 가선에는 심한 파동이 전달되게 되는데 이 파동 에너지 때문에 가선이 일정시간 동안 흔들릴 수가 있습니다. 그런데, 파동 에너지가 다 퍼져 미약해지기도 전에 뒤쪽 팬터그래프가 이를 치고 지나가면 자칫하다간 이선이 발생할 우려가 있단 것이죠.

여튼 열차의 주행속도가 빨라지면 빨라질 수록 집전장치의 개수는 줄이는게 좋습니다.

이제, 어떠한 방식으로 전력공급이 이루어지는지 대강 알았으니, HEMU-430X 의 고압 모선을 한번 볼까요?

[차량 상부의 고압 모선(Roof Cable)]

위와 같은 이유로 HEMU-430X도 편성내 하나의 집전장치만을 올리고, 다른 유니트 까지는 지붕의 고압모선을 이용해 전력을 공급하는 구조를 취하고 있습니다. 그런데, 자세히 보면 사진상 아래쪽에 있는 차량의 지붕과 위쪽 차량의 지붕 고압모선의 형상이 조금 다릅니다.


[(좌) MP차량 상부의 고압 모선 / (우) M차량 상부의 고압 모선]
개별 사진으로 다시 비교해 보겠습니다.

왼쪽은 집전장치 탑재부 동력차인 M1,M4 (MP)의 지붕이고 오른쪽은 M2,M3형 동력차(M)의 지붕입니다.
전자는 지붕 고압모선 라인이 두줄인데, 우측은 한줄이죠.

국내 철도차량중에 지붕 고압모선이 이러한 방식으로 복렬 배치 된 사례는 해무 이전에 전무합니다.
저도 현장에서 실차를 몇시간동안 관찰하며 참 의아해 했던 부분이고 현장에서도 의문이 풀리지 않았던 부분 이었는데, 집에 와서 분석을 해서 겨우 그 이유를 밝혀 낼 수 있었습니다.

집에 오는 동안에도 피곤에 쩔어서 자는 시간을 제외하고는 저것에 대한 궁금증이 머릿속을 떠나지가 않았는데, 정말 별의 별 생각을 다 했던 기억이 나네요.
집에 와서도 모니터를 켜서 화면을 뚫어져라 쳐다보기도 하고 이래저래 다방면으로 생각해 보았고 그럭저럭 ‘아~ 이거 일것 같다’ 하는 추측만 들 뿐, 그 추측을 뒷받침 해 줄 수 있는 근거를 찾을 수가 없었습니다.

결국 지붕 전체를 펼쳐놓고 하나하나 꼼꼼히 분석했더니, 그 해답이 너무나도 명쾌하게 풀려 버렸습니다.
정말 이럴때 느끼는 그 성취감 그리고 짜릿한 그 느낌이란.. 요즘들어 더더욱 자주 느끼면서도 매번 감회가 새롭습니다.

아직도 하룻강아지 아마추어라 그런가 봅니다.

 진짜 현업 연구원 분들은 이렇게 알아 내어 놓고도 “음~ 이거군.” 하고 별 것도 아니란듯이 넘어가지 않으실지도 모르겠네요.

멋있습니다.

그럼, 이제부터 본격적으로 해무의 지붕을 샅샅히 뜯어봅시다.

일단, HEMU-430X 시제편성의 지붕장치는 아래와 같이 네가지 타입으로 나눌 수 있겠습니다.

[TC-M1 차량간의 루프 커버]

[M1차량 2위측, M4차량 1위측의 루프 커버]

[M2-M3 차량간의 루프 커버]

[MC-M4 차량간의 루프 커버 배치]

(썬팅된 측창의 색이 은근히 매력적으로 보이는군요.)

일단 이정도로 나뉘고 기기류 배치를 자세하게 보기 위해 위에서 아래로 내려다 보고 찍은 구도의 사진을 올려 봅니다.

[MP차량 1위측 상단부 집전설비 배치]
루프 케이블은 왜 한줄에 두줄에 혼합되어 있는지 안그래도 의문 투성이인데, 이걸 보고 또한번 멘붕이 터집니다.

지붕 장치에 팬터그래프를 빼고는 거의 모든 기기류의 형상이 처음 보는 것 들이라 더더욱 그랬죠.

한편으로는 해무를 개발하신 분들이 참 대단하다는 생각이 또 다시 들게 되더군요.

고속열차 시스템 전체를 개발하면서 대부분의 설비들을 모두 새롭게 제작했다는 것이 신기하기도 하고 놀랍습니다.

위로 올라가서 [KTX-산천 PC차량의 집전장치부] 라고 해 놓은 사진을 봐 주시기 바랍니다.

팬터그래프도 다르지만, 그 외에 붙어있는 전기 설비들도 모양새가 많이 다릅니다.

차세대 고속철도 개발사업에 있어 동력분산형 고속철도로 430km/h을 낸다는 것이 가장 핵심적인 사안 이지만, 이를 실현하기 위해 모든 전장품의 사이즈를 압축하고 분할해야 하는것은 아닙니다.

위에 보이는 전력공급을 위한 주요 설비 같은건 기존 설비를 유용해도 될 텐데, 기존 차량보다 조금이라도 더 개선되고 더 향상시키기 위해 모든 기기류를 제작하는데 총력을 기울였다는 느낌을 곳곳에서 받게 되더군요.

대신, 그만큼 차를 관찰하는 데에는 더 많은 노력이 필요하게 되긴 하지만. 마냥 좋아서 하는 일이니 불만은 없습니다. 오히려 감사해야죠.

일단 전기차라면 지붕에 당연히 팬터그래프를 얹어야 하고 주차단기 정도 까지는 싣어줘야 하겠죠.
교류 차량이라면, 반드시 지붕에 탑재되어야 하는 필수 설비가 있습니다.

일단, 우리나라 고속선은 AC 25kV 60Hz를 사용합니다.
변화하는 전류라는 뜻의 Alternating Current의 약호로 AC를 쓰는 교류는 그 자체로 상당히 불안정한 전류입니다.
25,000V의 특고압 교류의 정현파(sin파형)가 1초에 60회 진동한다는 뜻으로 1초에 양(+), 음(-) 극이 120회 바뀐다는 말이죠.
그리고 통상적인 직류전원에 비해 전압의 세기가 10배 이상 높고 가선 전력의 편차 또한 직류회로 보다 심합니다.

AC 25kV 라고 하지만, 실제로는 ±2,000V이상의 편차가 생겨 19.5~27.5kV 범위 내에서 변화하기도 하고 변전소로 부터의 전력공급 상태에 따라 29kV 이상을 초과하기도 합니다.
가선 전력의 편차는 차량 성능에도 변동을 줄 수 있는데, 차량성능을 극대화 시키기 위해 일부러 가선 전압세기를 정상치보다 과도하게 높게 잡은 채로 차량 성능 시험을 거친 사례도 드러나 있습니다.

1편에서 소개한 TGV-POS V150 편성의 경우 최고속도 시험시 가선 전압을 31kV로 무척 강하게 하여, 정상 상태에서의 차량의 성능인 19,600kW 보다 훨씬 강력한 32,000kW (42,880HP)의 괴력의 파워를 얻어내어 587.4km/h를 이루어 내기도 했고요.
여튼 교류라는것 자체가 불안정 하기 때문에 자칫하다간 차내 주회로 설비에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다.

V150의 경우는 의도적으로 오버를 한 사례이지만, 일반적으로 불안정한 교류 전력을 최대한 편차 없이 차내로 공급시키기 위해 여럿의 부대설비가 따라 붙게 됩니다.

차량내 주요 설비의 손상을 방지하기 위해 교류 차에 필수적으로 탑재되어야 하는 설비로는
①. 특고압 전력을 차내로 공급시키기 이전에 과도한 사고전류의 차단 및 주 회로의 개/폐기 기능을 동시에 하는 주차단기 (MCB=VCB).

②. 한쪽단은 주차단기의 출력단에, 한쪽은 차체 상면에 접지형태로 설치되어 외부로 부터 벼락(낙뢰)나 가선으로 부터 누설전류가 발생하였을 때, 단시간에 과도하게 증가하는 전류량 (서지 라고함)을 신속하게 방전하여 차내 기기 손상을 방지하기 위해 설치된 교류 피뢰기(AC Arrester).
(직류차 역시 과전류 보호를 위해 직류 피뢰기(DC Arrester) 이 설치됨)

③. 주회로의 특고압 공급전원을 측정함에 있어 25kV라는 특고압을 직접 측정하는 것이 매우 위험하기 때문에. 입력부 권선비와 동일한 배율을 가지는 소형 변압기를 설치하여 100V 내외의 전압을 통해 고압회로 전원을 간접 측정하는 역할을 하는 고압 계기용 변압기(High Voltage Potential Transformer).

④. 비상시 회로를 단락시키는 비상 접지 스위치(Emergency Ground Switch).
으로 나눌 수 있습니다.
일단 여기까지가 기본중의 기본이고 직ㆍ교류 겸용차 라면 직류회로 설비와 직ㆍ교 절환 설비가 추가로 따라 붙기도 합니다.

위치나 모양새가 영락없는 주차단기의 모양을 하고 있는 흰색 물체가 있긴 한데, 저것이 MCB 라고 확정 지을 수 있는 근거를 찾고 싶었습니다.

일단, 지금까지 양산화된 철도차량 에서는 한 번도 보지 못 했던 물건 같아서 조금 발품을 팔아보니 (얼마전에 8500호대 지붕도 보고 왔는데, 저게 아니었음) 특허청에 이런게 등록되어 있더군요.

[특허등록된 HEMU-430X의 주회로 차단기]

일반적으로 특허청에 특허 출원을 하면 별도의 요청 없이는 18개월 이후에 보안이 풀려 공개되도록 되어 있습니다.
등록번호 3005915160000 으로 2011년 3월 2일에 등록 되었고 출원인을 보니 주식회사 비츠로테크라 쓰여 있네요.

비츠로테크는 철도차량 부터 산업 전반에 쓰이는 각종 전기장치 제작업체로 철도차량의 주 회로차단기, 각종 피뢰기, 절연용 애자 등을 공급하는 업체 입니다.

고속전철용 주회로 차단기라고 딱 쓰여져 있고 모양새가 위의 것을 빼어놓은듯 똑같으니 MCB의 위치 및 기능이 확실해 졌네요.
주차단기의 위치가 확실시 되었으니, 그 좌우로 붙은 기기들의 명칭을 추론하는 것 역시 어려운 일이 아닙니다.

각종 기기들이 수행하는 근본적인 기능을 생각해 보고, 이들이 다른 기기들과 어떠한 상호관계를 가지며 작동하는지 알면 나머지 계기들이 어떤 것인지 파악할 수 있습니다.

주 차단기가 확실해 졌으니, 출력단에 바로 붙어 9매의 절연 애자로 이루어진 물체는 때려 죽여도 교류 피뢰기(AC Arr) 이 됩니다.

가선 전압을 체크하는 계기용 변압기는 기기의 특성상 반드시 주차단기로 이어지기 전에 놓여야 합니다.

HvPT가 잽싸게 가선전압을 체크하여 시스템에 정보를 전달해야 차상 컴퓨터에서 이상을 감지해 곧바로 주차단기의 차단동작을 지시하죠.

팬터그래프와 주차단기 사이에 절연 애자를 빼 놓고 존재하는 물체라곤 눈을 씻고 보아도 저것 하나 뿐이니 PT의 위치도 확실시 되었습니다.

KTX-산천도 저것과 비슷한 형상의 PT를 씁니다.

이렇게 지붕에 탑재된 주요 설비인 주 차단기(MCB), 교류 피뢰기(AC Arr), 계기용 변압기(HvPT), 비상접지스위치(EGS)의 위치까지 확실해 졌으니, 이제 남은건 팬터그래프 로 부터 뽑아져 나오는 배선이 어떻게 연결 되었는지 차근 차근 따라가면 답이 나올겁니다.

[HEMU-430X M1, M2 및 MC 차량 상단부 집전설비 배치]

자, 이제 모든 설비들의 위치가 파악 되었습니다.

전력공급 계통은 표기한 번호 순대로 이루어 지고 번호를 따라 전력공급이 어떠한 방식으로 이루어 지는지 가볍게 훑어봅니다.

일단 2매의 습판을 지닌 팬터그래프는 4매의 애자에 의해 지지되어 있습니다.

적색 및 청색 1번으로 표기한 것은 가선 전원이 팬터그래프 주 습판을 통해 공급된다는 뜻으로 표시해 둔겁니다.
좌측 사진에서 우측 전, 후방으로 적색02, 청색02번이 각각 연결되어 있는데, 일단 청색부터 빼 나가 봅니다.
청색 2번을 거친 특고압 전류는 04번 주차단기 방향으로 흐르면서 03번 계기용 변압기에 의해 가선 전압의 측정이 이루어 집니다.
04번 주차단기에 도달한 후 진공식 차단부를 거치고 출력단에서 05번 교류 피뢰기로 흘러 접지면에 도달하고 동시에 분기되어 06번 절연 애자에 닿게 됩니다.

06번에 도달한 후에 한쪽으로는 MC차량으로 흐르고 나머지 하나는 고압모선 접속단으로 이동합니다.
여기까지 주회로 전류는 아직 차내로 유입되지 않았습니다.07번을 통해 지붕의 고압모선 (08번) 으로 흘러 2위측에 위치한 풍동 커버부 에서 잘리는데, 09번에서 비로소 차내로 들어가는 구조인 겁니다.

그리고 10번은 MC차량으로 보내지는 부분인데, MC에서도 전력공급 순서는 같습니다.

즉, M1, M4 차량 지붕에 루프케이블을 두줄이나 설치한 데에 있어 하나는 타차로의 특고압전력 송신용 선. 또 하나는 자차 전력을 자차 MTF 까지 공급시키기 위해 따 놓은 것 임을 알 수 있습니다. 이제 의문점이 명쾌하게 풀리고 동시에 지붕장치 배치까지 완벽하게 꿰뚫었습니다.

여기서 잠깐, 무엇하러 차내 입력부를 저렇게 복잡하게 뺀 것일까 하는 의구심이 드는데요.

아래 사진을 보면 답이 바로 나올겁니다.

[M1, M4차량 2위측 측면부]

M1 차량의 2위측 측면 사진입니다.차량을 정 측면에서 봤더니 공교롭게도 주 변압기가 절묘하게 딱 2위측 루프커버 아래 쪽에 위치하고 있네요.
다시 윗 사진으로 넘어가서 적색을 봅시다.

집전장치의 우측 하단 지지애자에 연결되어 곧바로 고압모선 접속단으로   통하여 08번 고압모선과 함께 흐르다가 04, 05번을 통해 끊기지 않고 곧바로 연결된 M 차량으로 통하는 모습을 볼 수 있습니다.
이렇게 연결된 루프 케이블은 다른 MP(M1 or M4)차량의 지붕까지 연결된 후 하강상태의 집전장치와 연결된 지지 애자를 통해 MCB를 거치지 않은 AC 25kV 전력을 다른 MP차량의 상부에 공급할 테고, 이것이 해당 MP 유닛에서 위 사진상의 청색 02~08번의 역할을 담당하게 되는 구조입니다.

이제 전반적인 전력공급 계통에 대해서 알았습니다.

그런데, 위에서 커버 유형이 4개라고 하였죠. MC-M4간 커버와 M1-TC간 커버내 기기배치는 거의 같습니다.

MC차량 지붕에 붙어있는 설비가 TC에는 공력설계를 위해 커버 말단부만 깎아 내리도록 설계했을 뿐 이구요.

그럼, 과연 나머지 부수차들 상단의 기기 배치 현황은 어떠할까요

[M1-M2, M3-M4 차량의 지붕간 루프케이블 연결부]

먼저 M1-M2, M3-M4으로 하나의 유니트(MP-M) 내의 부수차량간 루프케이블 접속면 입니다.

각각의 객실 상단에 25kV 특고압 케이블 헤드가 놓여 있고 이들간의 전기적 연결은 둘둘 말린 돼지꼬리(?)를 통해 통전되는 구조를 취합니다.

[25kV 케이블 헤드간 고압모선 접속단 클로즈업]

[M2-M3 차량의 지붕간 루프케이블 연결부]

다음은 M2-M3 즉, 유니트와 유니트간의 지붕 연결부 모습입니다.

위와 비교해서는 좀 더 복잡한 모양새를 띄고 있는데, 유니트 단위 전력공급의 차단을 위해 지붕장치 고압 모선 케이블 헤드를 보다 뒤로 빼 놓았고, 위쪽으로 연결되어 있는 M3차량 지붕에는 특고압 애자와 함께 비상시 차내 회로를 단락/개방 시키기 위한 단로기(Disconnecting Switch) 가 위치하고 있습니다.

KTX-산천이나 KTX 지붕의 PC-MT차량간 연결부, PT-ET차량간 연결부에도 위와 같은 단로기가 설치되고 있습니다.

[M4-MC 차량의 지붕간 루프케이블 연결부]

다음은 M4-MC 차량의 지붕장치 배치상태 입니다.

위와 비교할때, 유니트간 급전 케이블 배치가 별도의 케이블헤드를 통해 이루어진다는 점에서는 동일하나, 여기에는 M4차량에도 M1차량에도 단로기가 설치되지 않습니다.

M1-M4 차량의 연결면이나 M2-M3 차량간의 연결면 모두 유니트 단위로 구분되는 부분인데, 유독 M2-M3 차량간에만 단로기가 설치되어 있습니다.

왜 그런가 살짝 생각해 보니, 사실상 필요가 없겠더군요.

M2-M3 차량간의 전력공급조 에는 항시 VCB를 거치지 않은 순수 특고압 전류가 통전됩니다.

하지만, MC차량과 M4 차량간에는 M4 차량 자차 팬터그래프가 상승되건, M1 차량 팬터그래프가 상승되건 간에 상관없이 필히 M4 차량의 VCB를 거친 전류가 흐르게 됩니다.

개폐기를 이미 거친 전류이니 또한번 차단할 필요는 없는 것이죠. 다만, MC 차량 지붕에 자체적으로 또하나 탑재된 VCB는 자차에서 회귀되는 전류의 차단 트립을 위해 설치되었다고 볼 수 있는겁니다.

반면, M2-M3 차량간에는 항시 VCB를 거치지 않은 특고압 전류가 그대로 흐르기 때문에, 유사시 인접 유니트간 전력공급을 단락시킬 용구가 없습니다.

그래서 M3 차량 지붕에만 단락장치가 붙었다고 추론이 가능하다 볼 수 있겠습니다.

무슨 말인지 이해가 잘 안되시면 아래 그림을 보며 다시한번 읽어 보시기 바랍니다.

이해하는데 있어 훨씬 많은 도움이 될 것입니다.

[HEMU-430X 시제편성 특고압 전력공급 계통도]

위와 같은 방법으로 만들어 낼 수 있겠습니다.
일단, 위는 2번 유닛 팬터그래프 상승 상태의 모습이고 아래는 3번 유닛 팬터 상승상태 입니다.
각각의 유닛사이에는 별도의 개폐기가 위치하고 있고 유닛간 연결은 고압 모선을 통해 인통됩니다.

점선으로 표시한 것은 주차단기를 지나지 않은 AC 25kV의 특고압 전원.
실선으로 표시한 것은 VCB 인통 후의 전력공급을 뜻하며, 청색은 자차 공급 전력이고 적색은 타차 공급 전원을 뜻합니다.

점선으로 표시한 것은 각각의 팬터그래프 후방으로 부터 빠져나오는 특고압 전력의 이동경로를 의미합니다.

이로써 HEMU-430X의 전력공급 구조에 대한 이야기를 마칩니다.

다른편에 비해 글이 그렇게 긴건 아니었는데, 사진이 제법 많다보니 스크롤이 많이 내려갔네요.

사실 글 내용을 다이어트 시키기 위해 다방면으로 신경을 쓰긴 했습니다.

너무 많이 요약을 한건 아닌가 싶기도 하고. 다시한번 검토하며 곳곳에 살을 붙여보기도 했는데, 균형이 잘 맞는 글이 써졌는지는 모르겠습니다.

HEMU-430X 특집포스팅 5편에서 다시 인사 드리겠습니다.

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