궤도회로의 전기적 특징과 종류

목차

궤도회로의 전기적 특징과 종류에 대해 알아보겠습니다. 궤도회로를 전기적 회로로 구성하면 아래의 사진과 같습니다. 이러한 기본형태를 평형을 이루었다고 말하며, 대지와 레일 간 절연된 경우에 적용됩니다.

궤도회로

궤도회로의 전기적 특징

궤도회로의 전기적 특징을 직류회로와 교류회로고 구분하여 살펴보고, 저항과 인덕턴스 등 적용사례를 알아보겠습니다. 또한 누설전류에 의한 누설 컨턱턴스란 어떤 것인지 설명하도록 하겠습니다.

 

1) 직류회로

직류회로에서 레일에 연결된 저항 r은 60kg 형 레일에서 약 0.03~0.08 ohm/km입니다. 레일 간의 절연을 위한 절연 저항은 궤도회로가 길어 길어질수록 작아집니다. 보통 레일의 길이는 절연저항 값이 2 ohm/km 이상이 되도록 조절하고 있습니다. 

 

2) 교류회로

교류회로에서는 주파수 값이 증가하면 레일의 직렬저항값이 커집니다. 예를 들어 50Hz에서의 직류저항은 약 0.14 ohm/km인데, 주파수가 2,000Hz로 증가하면 저항값이 1.2 ohm/km로 증가하고 있습니다. 나란한 레일 사이의 절연저항 값은 직류와 동일하고, 직렬 인덕턴스 L는 약 1~2 mH/km입니다.

 

3) 누설 컨덕턴스

궤도회로에 흐르는 전력은 레일 저항에 의해 전압강하가 생기거나 도상이나 대지로 누설 전류가 생기면서 그 값이 적어집니다. 변화량은 기후의 영향을 받거나 궤도회로에 연결된 기기들의 특성에 따라 차이가 생깁니다. 예를 들어, 비가 오거나 습기가 많으면 누설 컨덕턴스가 증가하여 전압 강하가 많이 이루어지고 공기 중 수분량이 감소하면 전압이 소폭 상승하기도 합니다. 

 

누설 컨덕턴스를 설정할 때 주의해야 할 구간은 분진이 많이 생기는 터널구간이나 강 위에 설치된 고가 구간 등이 있습니다. 이러한 구간에서는 누설 컨덕턴스가 일반 궤도보다 증가하는 폭이 커서 구간 값에 여유를 두고 설치하고 있습니다.

 

4) 감쇠 현상

감쇠현상은 궤도회로의 전류가 누설되면서 전압이 줄어드는 것이며, 입력과 출력 관점에서 이야기하면 전원장치에서 출발한 전압보다 궤도계전기에 도착한 전압이 작게 나타나는 것을 말합니다. 감쇠의 정도는 전력과 저항의 관계처럼, 직류회로에서는 누설 컨덕턴스의 값에 따라 변하게 되고 교류회로에서는 레일 임피던스 Z에 따라 변하게 되는 것입니다.

 

	건조한 날씨	분진이 많은 지역 / 눈이나 비
누설 저항	증가	감소
누설 컨덕턴스	감소	증가
감쇠의 정도	비교적 적음	평소보다 커짐
궤도 계전기 출력 전압	높음 (전원 장치와 비슷함)	낮음 (전원 장치보다 작아짐)

 

위의 도표는 날씨나 특정한 지역에서 임피던스값에 따른 감쇠 현상을 설명하는 것입니다.

 

궤도회로 내 레일의 역할

레일은 일정한 길이의 철 구조물을 일렬로 부설한 것입니다. 보통 25m를 주로 사용하며 고속철도 같은 경우 승차감 등을 고려해 200m 이상의 장대레일을 사용하기도 합니다. 철 구조물 사이에 물리적인 이격이 생길 수밖에 없는데, 이 부분에서는 전류가 흐르지 못하게 될 우려가 있어 레인 본드로 연결합니다.

 

전기 철도는 귀선 전류가 레일에 흐르게 되고, 높은 전류가 흐르면 안전사고의 위험이 있어 안정적인 수치로 낮추는 작업을 합니다. 본드의 단면적을 크게 하거나 저항력이 큰 물질을 사용하는 등 여러 방법으로 상황에 맞는 궤도를 구성하고 있습니다. 

 

궤도회로의 불평형 전류

궤도회로의 불평형이란 나란한 레일을 기준으로 양쪽의 전기회로가 동일하게 평형을 이루던 것이 깨지는 현상을 말합니다. 이러한 현상이 발생하는 이유는 다 야하지만, 레일의 일부분이 파손되거나 레일을 연결하는 볼트나 본드의 절연이 파괴되면 발생합니다.

 

궤도회로 간 불평형이 발생하면 흐르는 전류의 크기가 달라지고, 이는 전기회로상 노이즈를 발생시킵니다. 불평형 정도를 나타내는 불평형률은 각 레일에 흐르는 전류의 크기를 측정해 값을 구할 수 있습니다. 

 

궤도회로의 종류

궤도회로는 회로를 구성하는 방법이나 절연 방법, 사용 전원에 따라 분류하기도 하는데 여기서는 전원 차이에 의한 분류를 중점적으로 설명하도록 하겠습니다.

 

1) 직류 궤도회로

직류 궤도회로는 직류 전원을 사용하고, 계전기 또한 직류용을 사용해야 합니다. 직류 궤도회로에서는 정류기를 이용해 부동식 충전 회로를 구성하고, 이는 전원이 끊어지는 상황을 대비해 항상 일정량의 전기를 충전하는 것을 말합니다. 또한 궤도회로에서 발생한 전기를 건널목 경보기나 선로 전환기 등 전원 확보가 힘든 기기에 연결하여 사용하기도 합니다.

 

2) 교류 궤도회로

교류 궤도회로는 전차선이 없는 구간이나 직류를 사용하는 열차에 주로 사용됩니다. 교류 궤도회로는 주파수에 따라 구분하는 게 일반적이고, 직류에 비해 기기의 수명이 길고 신뢰도가 높다는 특징이 있습니다. 

• 상용 주파수 궤도회로 : 전원 장치는 50Hz 또는 60Hz 주파수의 상용 전원을 사용합니다. 우리가 주로 사용하는 전기회로의 기기로 회로를 구성하고 있어서 안정적입니다. 궤도 길이에 따라 컨덕턴스를 조정하여 설계하고, 레일의 손상이나 기타 누전에 대한 대비로 가변 저항기를 설치해 신뢰도 높은 회로를 구성합니다.
• 고전압 임펄스 궤도회로 : 국내 전차선 전압을 이용한 도시철도 대부분이 교류 25000V를  주전원으로 사용하고 있습니다. 이러한 교류 전원 철도에서 가장 많이 사용하는 방식이 고전압 임펄스 궤도회로입니다. 교류 구간의 궤도회로는 전차선을 통해 들어오는 전기가 주파수와 전압이 계속 같은 크기로 들어오지 않기 때문에 궤도회로의 전원 장치로 사용하기 어렵습니다. 회로 구성 중 특징적인 부분은 전압안정기인데, 여기서 균일한 정격전압 110V 또는 220V를 공급하고 있습니다. 

그 밖에도 교류를 정류기를사용해 전원을 맥류로 만들어 회로를 구성하는 정류 궤도회로, 코드를 통해 계전기를 동작시키는 코드 궤도회로 등이 있습니다. 

 

이상으로 궤도회로의 전기적 특징과 종류에 대해 알아보았습니다. 궤도회로의 종류는 이 밖에도 다양한 기기들이 있지만 필수적인 내용은 직류와 교류 궤도회로라고 생각됩니다. 

 

 

궤도회로의 정의, 원리, 구성 요소