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| ▲ 집전장치의 구조도(KTX) |
1. 개요
집전장치(集電裝置, Pantograph)
전기차의 지붕에 설치하여 전차선으로부터 전기를 받아들이는 장치로 스판형으로 된 집전장치.
국가철도공단 철도 용어 사전 8579 · 국토교통부 철도산업정보센터
전기차의 지붕에 설치하여 전차선으로부터 전기를 받아들이는 장치로 스판형으로 된 집전장치.
국가철도공단 철도 용어 사전 8579 · 국토교통부 철도산업정보센터
집전장치는 전동차 또는 전기 기관차에 달아 전선에서 전기를 끌어 들이는 장치이다. 용수철이나 압축 공기로 오르내리고, 전차선(電車線)과의 접촉면은 평동판이나 롤러로 되어 있다.[1]
2. 설명
많은 경우 레일 위에 전차선이 설치되고, 철도차량의 옥상에 집전장치를 포함한 집전설비가 설치되어 있으며 집전장치가 상승하여 전력을 공급받는다. 전차선에서 떨어지면 전력을 공급받지 못해 운행이 중단되므로, 고속으로 달려도 전차선에서 떨어지지 않도록 이선현상을 최소화하는 것이 중요하다.집전장치의 발전은 전기철도의 고속화에 기여했지만, 현대에는 오히려 고속화를 가로막는 물건이기도 하다. 기본적으로 툭 튀어나온 물건이라 200km/h~350km/h 대의 초고속 주행시 엄청난 공기저항과 소음 및 마찰을 일으키기 때문이다. 그래서 고속철도 차량은 가급적 집전장치를 적게 두려고 한다. 한국의 고속철도 차량인 KTX-I, KTX-산천, KTX-청룡 등은 집전장치를 2개 달고 있지만 고속선 주행 중에는 1개만 사용하며, 일본의 신칸센은 극초기 차량인 0계에는 16량 1편성에 8개나 되는 집전장치를 들고 나왔지만 똑같은 16량 1편성인 최신형 차량 N700S계는 2개만 달고 있다. 그 외에도 신칸센은 소음 저감을 위해 집전장치에 커버를 달거나 특이한 모양의 집전장치를 개발하는 등의 노력을 하고 있다.
3. 종류
3.1. 팬터그래프
Pantograph
전차선이 맞닿는 집전판을 지지하는 구조를 관절 구조로 만들어서 전차선과 차량이 안정적으로 연결될 수 있도록 한 것이 특징이다.
Pantograph는 접촉 부분이 축도기 모양을 닮았다는 데서 유래했다. 흔히 일컫는 팬터그래프는 외래어표기법이다.[2]
크게 더블암(Double-arm)과 싱글암(Single-arm)으로 나눌 수 있다. 하지만 이 두 종류 외에도 특이한 형태가 종종 있는데 대표적으로 신칸센 500계 전동차가 300km/h로 주행했을 시절에 사용하던 날개형도 있다.[3]
3.1.1. 더블암
마름모 형태로, 싱글암에 비해 구조적으로 튼튼하고 파손율이 낮지만, 고속주행시 공기저항이 크고 유지보수비용이 많이 든다. 더블암은 다시 능형(菱形)과 하부교차형으로 나뉜다.3.1.1.1. 능형
| |
| JR 동일본 209계 전동차 |
3.1.1.2. 하부교차형
| |
| 한국철도공사 321000호대 전동차 |
능형에 비해 가볍고 유지보수가 쉽다는 장점이 있다. 능형에 비해 고속주행 면에서도 이점이 있으나 싱글암보다는 고속주행에 불리하다.
일본에서 개발된 것으로 신칸센 시험차인 신칸센 1000형 전동차 개발과 함께 개발되어 신칸센 0계 전동차에 처음 채택되었다.[4] 그리고 수도권 전철 1호선 개통에 따라 일본에서 초저항을 수입하면서 한국에도 도입되었다. 오세아니아권에서도 호주와 뉴질랜드 등에서 일본제 전장품을 수입, 현지 라이센스 생산을 하며 하부교차형 판토를 뉴 사우스웨일즈 S형 전동차, 뉴 사우스웨일즈 86형 전기기관차 등, 여러 철도차량에 적용하였다.
그러나 얼마 못 가 다른 나라에서는 싱글암이 대세가 되면서 하부교차형은 한국과 일본, 호주와 뉴질랜드 밖에서나 사용하지 않는 방식이 되었다.
현재는 일본도 싱글암이 대세가 되면서 더 이상 채택되지 않고 있으며[5][6], 한국철도공사도 한동안 수도권 전철용 전동차에서 더블암 방식 집전장치를 사용해오다가 311B95~312B03편성을 시작으로 2016년부터 싱글암 방식 전동차를 도입하기 시작했다.[7] 그러나 서울교통공사 등의 도시철도 운영사는 계속 하부교차형 더블암 방식 집전장치를 채택한 전동차를 도입하고 있다. 이는 도시철도는 광역철도에 비해 고속운전을 할 필요가 없고, 싱글암 방식은 가공강체가선과 이선현상을 자주 일으키기 때문으로 추정된다. 즉 하부교차형 더블암 집전장치를 2020년대인 지금도 신차로 출고하는 국가는 이제 한국 외엔 없다.[8] 개발도상국의 전동차의 경우에도 1970년대 이후 생산분의 경우, 싱글암 집전장치를 사용하며, 그나마 더블암 집전장치를 보수적으로 고집하던 트레니탈리아조차도 E.464형 전기 기관차를 마지막으로 2015년 이후로 더이상 도입하지 않으며, 도이체반의 경우, 원래 더블암 집전장치를 채용했던 독일철도 151형, 103형, 112형 등 의 차량을 싱글암으로 모조리 교체해버린지 오래이다.
한편, 한국철도공사에서 341B31~341B37편성에서 도입한 싱글암 방식 집전장치가 서울 지하철 4호선 구간의 가공강체가선의 노후화로 인해 아크현상 등의 문제를 계속 일으켜 해당 편성 및 341B38~341B55편성의 싱글암 방식 집전장치를 기존의 하부교차형 더블암 방식으로 교체했으며, 312B16~312B56편성 및 368~370, 387~394, 395~399편성, 341B56~341B60편성에서 더블암 방식 집전장치를 채택하였다. 그러나 서울 지하철 1호선 구간에서는 해당 문제가 없는 것으로 밝혀졌고, 한국철도공사 312B57~312B70편성에서 다시 싱글암 방식 집전장치를 채택했다.
3.1.2. 싱글암
| | |
| 한국철도공사 311000호대 전동차 | 한국철도공사 210000호대 전동차 (ITX-새마을) |
반면 일본의 경우 1971년 케이한 2000계[10] 1량에 상술한 프랑스 훼브레사의 싱글암을 일본 최초로 도입했으나, 정식으로 채택되지는 못했다. 프랑스 훼브레사의 특허가 만료된 1980년대 말 이후부터 일본 업체들도 싱글암을 만들기 시작했고, 오사카메트로 70계 전동차부터 싱글암이 본격적으로 채택되기 시작했다.
더블암 방식에 비해 공기저항이 적고 높이 변화 폭도 더 여유롭기 때문에 고속운전을 하는데 더욱 적합하지만 주습판을 양쪽에서 지지하는 더블암과 달리 한쪽에서만 주습판을 지탱하기 때문에 전차선의 장력 등의 상태가 열악한 경우에 발생하는 이선현상[11]에 취약하다. 이 때문에 전차선 상태에 영향을 크게 받으며 전차선 상태가 열악한 곳에는 적합하지 못하다. 특히 재질의 특성상 이선현상이 심하고 집전특성이 나쁜 가공강체가선 중에서도 이선율이 높아 고속주행에 불리한 T-bar형 가공강체가선에는 더욱 적합하지 못한 편이었으나, 2021년 현재 시점에서는 집전장치 기술 자체도 발전했고 전차선 관리를 더욱 세심하게 하는 등의 노력으로 거의 완전히 극복하는 데 성공했다.[12]
특이하게도 이 문제에 대한 유럽과 일본의 접근 방법이 판이하게 달랐는데, 유럽은 집전장치의 개수를 최소화하는 것이 이선 현상을 최소화하는 데 유리하고 유지관리에서도 효율적이라 판단하고 집전장치의 개수를 줄이는 방향으로 발전했으나, 일본은 복수의 집전장치를 설치하면 이선 현상이 생기더라도 적어도 1개의 집전장치가 접촉을 유지하기 때문에 문제를 안전하게 보완할 수 있는 방법이라고 판단했다.[13]
한국에서는 프랑스와의 기술협력을 통해 들여온 8000호대 전기기관차에서 처음으로 싱글암 방식을 채택했다. 이후 철도청에서는 KTX, 8100, 8200호대 전동차 같은 동력집중식 차량과 EEC에는 싱글암 방식을, 동력분산식 통근형 전동차는 더블암 방식을 사용해왔는데, 2000년도 후반에 도입된 한국철도공사 200000호대 전동차을 시작으로 한국철도공사 368000호대 전동차, 한국철도공사 21000호대 전동차 등 동력분산식 전동차에서 싱글암 팬터그래프를 채택하기 시작했다. 수도권 전철 전동차에서는 2010년부터 신분당선 D000호대 전동차에서 최초로 싱글암 팬터그래프를 채택했으며, 철도청의 후신인 한국철도공사에서는 311B95~312B03편성을 시작으로 싱글암 집전장치를 채택하기 시작했다.
3.1.2.1. 분류
한국철도공사는 전기차량용 싱글암 집전장치를 5개 종으로 분류한다.- 1종: KTX 고속차량용
- 2종: 8200호대 전기기관차용
- 3종: 누리로 전기동차용
- 4종: ITX-청춘, ITX-새마을, 8500호대 전기기관차, 인버터형 전기동차(AC구간 차량)용
- 5종: 인버터형 전기동차(AC/DC 겸용 차량)용
3.1.3. 날개형 팬터그래프
| |
| 신칸센 500계 전동차 |
싱글암으로도 잡지 못한 공기 저항을 극단적으로 최소화하기 위해 신칸센 500계 전동차에 장착했던 팬터그래프로, 이 차량에만 유일하게 설치되었다. 다만 도카이도 신칸센에서의 운용을 마친 이후 싱글암 팬터로 교체되었다.
3.1.4. 역(逆)팬터그래프
팬터그래프를 차량이 아닌 지상에 설치한 것으로 차량의 옥상에는 집전판이 설치되고 지상의 팬터그래프가 차량으로 내려와 급전하는 방식이다.주로 무가선 노면전차의 급전(충전)용으로 채택하며 현재 대한민국에는 오송기지 노면전차 시험선로에 1개소가 설치되어 있다.
3.2. 집전봉
| |
| 운행 중인 홍콩 트램 차량 |
Trolley Pole
전차선과 차량을 금속 막대기로 연결하는 방식의 집전장치이다. 전차선과 막대 사이에 롤러나 집전판을 설치해 이를 통해 집전한다. 차량 측에 탑재된 스프링이나 자체 탄성을 통해 집전장치가 전차선에서 떨어지는 이선현상을 막는다. 보통 주행방향에 대해 반대편 대각선으로 올려서 사용하였다.
전기철도의 발명과 함께 개발된 방식으로 과거 미국에서 널리 쓰였으나 아래와 같은 단점이 있었다.
- 탄성에 한계가 있어 집전봉이 전차선에서 떨어지는 이선현상이 잦았다. 게다가 이렇게 떨어지고 나면 집전봉이 알아서 다시 제자리로 돌아오지 못해 사람이 직접 다시 연결해줘야 했다. 이 때문에 고속화에 매우 불리했다.
- 집전봉이 떨어질 때 전차선에 충격을 줘서 가선이 파손되기 일쑤였다.
- 분기기에 들어서면 운전사나 승무원이 잠깐 집전봉을 내렸다가 다시 올려야 해서 취급이 어려웠다.
이 때문에 서서히 팬터그래프로 대체되었다. 그럼에도 팬터그래프에 비해 저렴하다는 장점이 있어 무궤도전차와 노면전차에 널리 사용되었다. 무궤도전차의 경우 선로를 사용한 귀전이 불가능하여 전차선이 2개가 필요한데, 이 경우 팬터그래프를 2개나 설치하기에는 공간이 모자라 공간을 덜 차지하는 집전봉으로 대체한다. 노면전차의 경우에도 과거에는 선로를 통해 귀전할 경우 전식 현상이 발생해 전차선을 2개 쓰는 경우가 많았고, 이 경우 역시 집전봉을 사용했다.
구한말 서울 전차 개통 당시 사용했던 집전장치가 바로 집전봉이었다.
3.3. 뷔겔
| |
| 나가사키 전기궤도 160형 전차[14] |
Bügel
독일에서 개발된 집전장치로, 두 개의 금속 막대기 윗부분에 집전판을 붙여 연결하고 그 막대기를 차량에 연결해 집전판을 통해 집전하는 원리이다. 보통 주행방향에 대해 반대편 대각선으로 올려서 사용하였다.
집전봉에 비해 이선현상이 적어 안정성이 높다. 하지만 고속으로 가게 되면 이선현상이 증가하는 건 마찬가지였다. 이러한 이유로 인해 팬터그래프로 대체되었다.
해방 이후 운행되던 서울 전차 차량 대다수가 뷔겔 방식이었으며, 서울역사박물관 버스 정류장 근처에 보존되어 있는 서울전차 351호에도 뷔겔이 달려있다.
3.4. 집전 슈
제3궤조 집전식 전기철도에서 제3궤조로부터 전기를 공급받기 위해 차량 하부에 설치하는 집전장치이다. 제3궤조 집전식 문서 참조.[1] 표준국어대사전[2] 현장에서는 줄여서 '판토', '판타', 'Pan' 등 다양하게 부른다. 어차피 다 같은 걸 뜻하니 부를 때는 그냥 편한 대로 부르면 된다.[3] 날개형은 관절 구조가 없어서 팬터그래프로 볼 수 있는지 이의가 제기될 여지는 있다.[4] 통근형의 경우 주로 도부 철도, 한큐 전철, 한신 전기철도, 킨키 일본 철도 등 사철 구형 전동차에서 많이 사용하였다.[5] 특히 JR 동일본으로 넘어간 일부 201계, 205계 전동차와 분리 직후 생산된 초창기 전동차의 경우(209계, 211계, 253계, 651계, E351계, 신칸센 300계)처럼 90년대 말부터 싱글암을 장착한 전동차가 대거 쏟아져 나오면서 2000년대 초에는 멀쩡히 잘 달고 다니던 더블암을 싱글암으로 교체하는 일까지 벌였다.[6] 단 2012년에 도입한 케이한 13000계 전동차는 초기 도입분에 한하여 더블암 집전장치가 달려져있는데 이는 폐차된 구형 차량에서 적출하여 재활용하였다.[7] 무궁화호 및 통일호로 운행했던 EEC는 일본산 특급형 전동차인 485계 전동차를 기반으로 제작되었기에 싱글암 집전장치가 적용되었다.[8] 일본 철도동호인들이 서울교통공사나 한국철도공사의 신형 차량을 보고 최신형인 차체와 달리 집전장치가 고전적이라고 신기해하는 경우가 많다.[9] 프랑스의 철도 설비 및 전장품 장비 제조사로 지멘스, 알스톰, 봉바르디에, CAF, 히타치 레일 유럽지사, 일본차량제조, 슈타틀러 등 여러 철도차량 제조사에 집전장치 및, 전자, 전기 계통 부품을 납품하고 있다. 한국철도공사와도 인연이 깊은 기업으로, KTX-1과 KTX-산천, KTX-이음의 계기판 및 스위치류, 마스콘 레버와 집전장치 다이얼 등의 부품을 훼브레 및 체코법인 자회사인 레코프에서 공급받고있다. 현재는 미국 웹텍 코퍼레이션 (Wabtec Corporation)의 철도차량 부분에 합병되었다.[10] 이 전동차는 무려 1959년부터 운행을 시작하여 이후 1978년부터 1982년까지 1500V승압에 따라 2600계로 개번 및 대수선하여 2021년까지 운행하였다.[11] 집전장치가 전차선에서 순간적으로 떨어졌다가 다시 붙는 현상[12] 상술했듯이, 서울 지하철 4호선 구간의 가공강체가선 노후화로 인해 서울 지하철 구간에 입선하는 수도권 전철 전동차의 더블암 방식 집전장치로 회귀하기도 했으나, 같은 T-bar형 가공강체가선을 사용하는 서울 지하철 1호선의 경우 해당 문제가 없는 것으로 밝혀졌고, 향후 도입할 1호선 전동차에서 싱글암 방식 집전장치를 다시 적용하기로 했다.[13] 한국에서 도입한 KTX를 비록한 고속열차는 프랑스제 고속열차인 TGV 레조를 기반으로 고속철도 기술을 도입해 발전해나갔기에 집전장치의 개수가 최소화되었다.[14] 노면전차의 날인 6월 10일을 맞이해 특별히 운행하는 사양이다.