전동차에서 사용하는 전기 공급 방식에 대해 알아보기

도시에서 빠르고 편리하게 이동할 수 있는 지하철과 KTX 같은 고속철도는 전기를 사용하여 운행됩니다. 하지만 모든 전동차가 동일한 방식으로 전력을 공급받는 것은 아닙니다. 지하철과 KTX는 각기 다른 전력 공급 방식을 사용하며, 그 차이에 대해 알아보겠습니다.

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전동차 전력 공급의 기본 원리

전동차는 외부에서 공급받은 전기로 전기 모터(전동기)를 작동시키고, 이를 통해 바퀴를 굴려 이동합니다. 전력 공급 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

• 직류(DC) 방식: 주로 지하철에서 많이 사용
• 교류(AC) 방식: KTX와 같은 고속철도에서 주로 사용

각 방식에는 각각의 장단점이 있으며, 이를 선택하는 기준도 다릅니다.

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지하철에서 사용하는 직류(DC) 방식

대부분의 도시 지하철은 직류(DC) 전력을 사용합니다. 이는 전동차의 운행 환경과 효율성을 고려한 선택입니다.

제3궤조 방식 (Third Rail System)

• 전력 공급을 위해 지하철 선로 옆에 설치된 전기 레일(제3궤조)에서 전기를 받아 운행합니다.
• 전차선이 필요 없어 터널 내부에서도 효율적으로 전력을 공급할 수 있습니다.
• 그러나 전압이 낮고(보통 750V~1,500V) 대전류가 필요하기 때문에 장거리 운행에는 적합하지 않습니다.
• 감전 위험이 있어 지상 구간에서는 사용이 제한됩니다.

가공 전차선 방식 (Overhead Catenary System)

• 지하철이 팬터그래프(전력 집전장치)를 통해 전차선(가공선)에서 전력을 공급받는 방식입니다.
• 1,500V DC를 주로 사용하며, 전력 손실이 적고 유지보수가 상대적으로 용이합니다.
• 지상 구간에서도 사용이 가능하지만, 높은 건물이나 터널 높이와의 간섭을 고려해야 합니다.

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KTX에서 사용하는 교류(AC) 방식

고속철도(KTX)에서는 교류(AC) 전력을 사용합니다. 장거리 운행과 높은 속도를 유지하기 위해서는 높은 전압과 효율적인 전력 공급이 필요하기 때문입니다.

가공 전차선 방식 적용

• KTX는 팬터그래프를 이용해 가공 전차선에서 전력을 공급받습니다.
• 25,000V(25kV) 교류(AC) 전력을 사용하며, 이는 직류 방식보다 송전 손실이 적고 넓은 구간을 안정적으로 전력 공급할 수 있습니다.
• 교류를 이용하면 변전소의 간격을 넓힐 수 있어 인프라 비용을 절감할 수 있습니다.

전력 변환 과정

• 고속철도가 가공 전차선에서 받은 25kV 교류 전력은 차량 내부에서 변압 및 변환 과정을 거쳐 전동기에 적합한 전력으로 변환됩니다.
• 교류(AC)에서 직류(DC)로 변환한 후, 다시 모터에서 사용할 수 있도록 제어합니다.
• 이를 통해 고속철도는 높은 에너지 효율과 속도를 유지할 수 있습니다.

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전력 공급 방식의 차이점 비교

구분	직류(DC) 방식	교류(AC) 방식
사용 차량	지하철	KTX 등 고속철도
전압 수준	750V ~ 1,500V	25,000V
송전 방식	제3궤조 또는 가공 전차선	가공 전차선
장점	저전압으로 감전 위험 감소, 도심 운행 적합	장거리 운행 적합, 전력 손실 적음
단점	송전 거리 짧음, 전력 손실 큼	변압 및 전력 변환 장치 필요

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왜 고속철도는 교류 방식을 사용할까?

고속철도에서는 교류 방식이 필수적입니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 전력 손실 최소화: 높은 전압을 사용하면 전력 손실이 줄어들어 효율적인 송전이 가능합니다.
• 변전소 간격 증가: 직류 방식보다 변전소를 멀리 배치할 수 있어 비용 절감이 가능합니다.
• 고속 운행 적합: 높은 전력을 안정적으로 공급할 수 있어 KTX 같은 고속철도에 적합합니다.

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결론

지하철과 KTX가 사용하는 전기 공급 방식은 각자의 운행 환경과 요구 사항에 따라 다릅니다. 지하철은 낮은 전압의 직류(DC) 방식을 사용하여 도심 내 짧은 거리 운행에 최적화된 반면, KTX는 높은 전압의 교류(AC) 방식을 사용하여 장거리, 고속 운행에 적합합니다.

이처럼 전력 공급 방식은 단순한 선택이 아니라, 운행 목적과 환경에 맞춘 최적의 기술적 결정이라는 점이 흥미롭습니다. 앞으로도 철도 기술의 발전에 따라 더 효율적인 전력 공급 방식이 등장할지도 모릅니다.