전기공사기사 열차운전 및 제어 — 집전·급전 계통과 견인력·캔트 계산

급전계통은 전력이 흐르는 순서로 이해하면 구간이 저절로 나뉜다. 변전소에서 나온 전력은 급전선을 지나 트롤리선 곧 전차선에 이르고, 집전장치가 그것을 받아 주전동기에 보낸다. 돌아오는 전류는 레일을 타고 변전소로 돌아간다. 따라서 급전선의 구간은 변전소에서 트롤리선까지이며, 트롤리선에서 집전장치로 넘어간 뒤는 차량 측 회로다.

집전장치는 차량이 전선에 접촉해 전기를 끌어오는 부품이다. 우리나라 전기철도는 가공전차선에 닿는 팬터그래프 방식을 주로 쓴다. 뷔겔과 트롤리봉은 초기 노면전차에 쓰인 방식이고, 집전슈는 별도의 제3궤조에 닿아 전기를 받는 방식이라 서로 구분한다.

귀선에서 흙으로 새어 나가는 누설전류는 금속을 녹슬게 하는 전해 부식을 일으키므로 줄여야 한다. 대책의 방향은 궤조의 전압강하를 작게 만드는 것이다. 크로스 본드로 레일들을 병렬 접속하거나 보조 귀선을 두어 귀선 저항을 낮추고, 귀선을 대지에 대해 음극성으로 만든다. 정극성으로 두면 누설전류와 부식이 오히려 커지므로 경감 대책이 아니다.

교류 급전 방식은 쓰는 변압기로 이름이 정해진다. AT 급전 방식은 급전구간마다 권수비 1:1의 단권 변압기를 설치해 높은 전압으로 송전한 뒤 전차선과 레일 사이의 전압으로 낮추어 공급한다. 레일에 흐르는 전류가 작아져 전압강하와 유도장해가 줄어든다. 전압 불평형은 스콧 결선이 맡는다. 단상 부하를 3상 전원에 그대로 걸면 불평형이 생기므로, 3상을 2상으로 바꾸어 부하를 고르게 분담시킨다.

차량용 전동기는 직류형과 교류형의 특징이 반대다. 교류전동기는 브러시와 정류자가 없어 구조가 간단하고 소형·경량으로 큰 출력을 낼 수 있으며, 유지보수가 쉽다. 인버터 제어로 넓은 범위의 속도제어가 가능하고 무접점 주회로를 만들 수 있다. 그러므로 "브러시와 정류자가 있어 구조가 간단하다"는 설명은 직류전동기의 특징을 섞은 틀린 주장이다.

견인력은 바퀴가 레일 위에서 미끄러지지 않고 낼 수 있는 힘으로, 점착계수와 점착중량을 곱해 구한다. 점착중량은 기관차 전체 무게가 아니라 구동 바퀴에 실린 무게다. 동륜상 중량이 75t이고 점착계수가 0.2이면 0.2×75,000kg으로 15,000kg이 된다. 전체 무게 100t을 곱하면 함정 선지에 걸린다.

경사를 오르는 데 필요한 견인력은 중량에 경사비를 곱한다. 30t의 전동차가 30/1000의 경사를 오르면 30,000kg×30/1000으로 900kgf다. 곡선의 고도는 궤간과 속도의 제곱을 곱하고 127과 곡선 반경을 곱한 값으로 나누어 구한다. 궤간 1067mm, 시속 35km/h, 반경 1000m이면 약 10.3mm이고, 궤간 1m, 시속 64km/h, 반경 1270m이면 약 25.4mm다.