전철변전소
電鐵變電所 / Substation(S/S)
1. 개요
전철변전소는 외부로부터 전기를 받아서 적절한 전압/전류 로 변성한 뒤, 전차선로 및 배전선[1]에 전기를 공급해주는 설비이다. 외부로부터 공급받는 전력은 그대로 사용하기에 전압이 너무 높으므로 전철변전소에서 부하에 알맞게 젼력을 변성시킨다.
추가적으로 전차선로 등에 전기사고가 발생할 시 급전 차단, 회생제동으로 인한 잉여전력 흡수[2] 등의 역할을 맡는다.
예전에는 운전원이 직접 현장에 상주하여 관리하였으나, 요즘에는 SCADA 등의 원격 모니터링 및 제어 설비를 통하여 관제실에서 통합 관리한다.
2. 외형상 구분
2.1. 옥외철구형
야외에 변전 시설을 설치한 형태이다. 구조가 옥내형에 비해 평면적이라 단순하다. 하지만 소음 발생 및 외부 환경에 취약하며, 더 넓은 부지를 필요로 한다.
2.2. 옥내형
변전시설용 건물을 지은 뒤 건물 내부에 변전 시설을 설치한 형태이다. 소음 발생 및 외부 환경에서 자유로우며, 부지 비용을 절감할 수 있다. 하지만 구조가 옥외철구형에 비해 입체적이므로 복잡하다.
2.3. 하이브리드형
옥외철구형에 GIS(Gas Insulated Switch Gear)를 혼합한 형태이다. GIS는 용지 비용 절감, 외부 먼지, 염해 등에 의한 설비의 오손과 소음을 줄이고자 고압설비[3]를 접지된 탱크 안에 내장하고, 절연내력이 우수한 육불화황(SF6)[4] 가스를 봉입함으로써 절연이격거리를 크게 줄인 설비이다.
3. 전기방식에 의한 분류
3.1. 직류식
외부로부터 들어온 전력[5]을 받아 직류[6]로 변성하여 공급한다. 한국을 비롯한 많은 나라에서는 아래와 같은 특성 때문에 주로 도시철도 등에 이용되고 있다.
3.1.1. 장점
1. 절연을 위한 공간을 교류식보다 적게 잡아먹는다.
2. 전파유도장해가 적다.
3.1.2. 단점
1. 급전전압이 낮아 교류식에 비해 촘촘한 변전소 설치가 필요[7]하다. 따라서 노선이 길수록 비경제적이다.
2. 급전전압이 낮아 운전전류와 사고전류를 구분하기 힘들어 급전 차단이 곤란하다.
3. 전식[8] 발생 우려가 있어, 이에 대한 대책이 필요하다.
3.1.3. 급전방식
3.1.3.1. 병렬급전식
양측 변전소로부터 모두 급전하는 방식으로 급전선, 전차선을 병렬로 설치하고 레일을 귀선으로 이용한다. 한국에서는 이게 표준이다.
3.1.3.2. 정류포스트(RP)식
대지로의 누설전류를 경감시키기 위해 주변전소로부터 3상 교류를 곳곳에 분산된 정류포스트(RP)에서 수전하여 직류로 변성시킨 뒤 전차선에 공급하는 방식이다. 정류포스트(RP)에는 변성용 변압기, 정류기만을 설치하고, 고속도차단기 등의 보호설비는 부하중심인 주변전소에만 설치하여 건설비용을 절감한다.
3.2. 교류식
외부로부터 들어온 전력[9]을 받아 교류[10]로 변성하여 공급한다.
간단히 말하자면, 직류변전소의 직류로 강압, 변성하는 부분을 차량 쪽으로 떠넘긴 형태라 할 수 있다.[11] 한국에서는 주요 간선 등에 교류를 쓰지만 다른 나라, 특히 유럽이나 일본을 보면 주요 간선이 직류를 쓰기도 하는데 이는 교류전철이 직류전철보다 늦게 상용화되었기 때문이다.
3.2.1. 장점
1. 급전전압이 높아 직류식에 비해 변전소 설치 간격이 길고[12], 전압강하에 더 자유롭다. 따라서 노선이 길수록 경제적이다.
2. 직류 변환을 위한 설비가 생략되어 구조가 단순하다.
3. 운전전류가 낮아 사고전류 차단이 용이하다.
3.2.2. 단점
1. 높은 전압으로 인해 절연이격거리가 직류보다 더 필요하므로, 구조물이 조금 더 커진다.
2. 유도장해가 발생하므로 이에 대한 대책이 필요하다.
3.2.3. 급전방식
3.2.3.1. 직접급전
전철변전소로부터 전차선으로 전력을 공급하고, 레일을 귀선으로 삼는 매우 간단한 방식이다. 그러나 통신유도장해 문제가 있어 대신 아래의 BT, AT 급전식을 사용한다.
3.2.3.2. BT(흡상변압기) 급전
약 4km마다 권선비가 1:1인 흡상변압기(Booster Transformer)를 직렬로 설치하여 귀선로(레일)에 흐르는 귀선전류를 부급전선으로 흡상시킨다.
이 방식은 약 25kV의 전원을 전차선에 공급한다.
한국의 경우 기존 산업선[13] 전철화 시에 널리 사용되었으나, AT 방식에 비해 비경제적이기 때문에 요즘에는 신규설치하지 않는다.
3.2.3.3. AT(단권변압기) 급전
약 10km마다 급전선과 전차선 사이에 일부 권선을 공유하는 단권변압기(Auto Transformer)를 설치하고, AT의 중성점을 레일과 연결하여 급전회로를 구성한다.
이 방식은 약 50kV의 전원을 전차선에 공급하나, 결선 상 실제 차량으로 공급되는 전력의 전압은 1/2인 25kV이다.[14] 따라서 전류는 1/2, 전압강하는 1/4로 줄어든다. 그리고 레일에 흐르는 부하전류는 인접한 AT에 흡상되므로 통신유도장해가 적다.
BT방식보다 전압강하에 자유롭고, 경제적이며, 열차의 고빈도 운행에 따른 부하 급증에 대응하기 위해 요즘 건설되는 전기철도는 이 방식을 채택한다.
4. 하위 급전설비
4.1. 급전구분소(SP)
Sectioning Post
변전소와 변전소 사이에 단로기와 차단기를 설치한 설비이다.
DC 구간은 전압강하 보상을 위해 일반적으로 병렬급전 방식을 사용하므로 상/하선을 차단기로 연결한 뒤, 평소에는 차단기를 투입시키고, 점검 및 사고 발생 시 구간한정을 위해 차단기를 개방한다. 이에 반해 AC 구간은 보통 위상차 문제로 병렬급전을 하지 않으므로 급전계통의 분리를 위해 평소에는 차단기를 개방함으로써 절연하고, 변전소 점검 및 사고 발생 시에는 연장급전을 위해 차단기를 투입한다. 인접한 곳에 절연구간이 있다.
4.2. 급전타이포스트(TP)
Tie Post
급전타이포스트(TP)는 직류전철방식에서 전차선 전압강하를 경감하기 위해 선로 말단이나 중간에 상선과 하선을 차단기[15]를 통해 연결하는 설비이다. 의외로 상술한 정류포스트(RP)와 많이 헷갈려하는데 주의하도록 하자.
4.3. 보조급전구분소(SSP)
Sub Sectioning Post
변전소와 급전구분소 사이에 설치되어, 점검 또는 사고 발생 시 피해범위를 최소화하기 위해 단로기, 차단기를 설치한 설비이다.
4.4. 단말보조급전구분소(ATP)
Auto Transformer Post
전차선로의 말단에 전압강하 보상 및 유도장해 경감을 목적으로 단권변압기, 차단기, 단로기, 피뢰기를 설치한 설비이다.
4.5. 병렬급전소(PP)
Parall Post
PP 급전계통[16]에서 상선과 하선을 평소에는 전기적으로 연결하여 전압 강하 보상과 회생전력 배분을 수행하다, 비상 시에는 상하선을 구분하여 상태가 양호한 선로만 운용하기 위해 단로기, 차단기 등을 설치한 설비이다. 전차선에는 구분장치를 설치하지 않는다.
5. 여담
이 문서는 전기철도의 대략적인 내용만 기술하였기 때문에 더 자세히 알아보고 싶으면 전기철도공학 관련 책을 읽으면 된다.
6. 관련 문서
[1] 역사, 건널목, 신호보안장치 등에 전력(22.9kV)을 공급하기 위해 설치한 선로[2] 회생제동 시 추진력이 전력으로 변환되는데, 급전구간에 부하요소가 없다면 전차선로 전압이 지나치게 높아져 회생제동의 효율이 떨어진다. 잉여전류는 저항으로 열로 발산시키거나, 인버터를 통해 다시 AC로 변환하여 전력회사로 되돌려보내는데, 보통 후자의 경우가 많이 쓰인다. 이유는 생략[3] 고압모선, 차단기, 단로기 등[4] 단 SF6는 온실가스라 환경 규제를 받으므로 최근에는 다른 기체로 대체를 시도중이다.[5] 한국 기준 AC 22.5kV 또는 154kV 60Hz[6] 600V, 750V, 1.5kV, 3kV[7] 5~15km[8] 전기에 의한 부식[9] 한국 기준 AC 154kV 60Hz[10] 25kV, 50kV[11] AC 차량도 내부적으로 구동을 위해 차량의 주변압기를 통해 DC 1500V 등으로 변성한다. 동력분산식은 대부분 모터카에, 동력집중식은 당연히 기관차에 있다. [12] 30~100km[13] 중앙선, 태백선, 영동선[14] 급전선과 전차선의 전위차가 50kV, 전차선/급전선과 레일 사이 전위차는 25kV임[15] 이상전류가 흐를 때 설비를 보호하기 위해 설치한다.[16] 교류 전철 계통 구성 방식의 하나로, 상/하선을 PP나 SP에서 상시로 연결하고, 선로 장애 시 분리하여 건전선로만 운행하는 방식. 경부고속철도에 적용되어 있다.