제3궤조집전식
第三軌條集電式 Third-Rail
철도 운행에서도 특히 전기와 관련된 방식.
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1. 개요
전차선이 공중에 있는 가공전차선 방식과 달리 철로와 철로 사이, 혹은 철로 옆에 있는 방식을 말한다. 그래서 위에서 보면 3가닥의 철로가 있기 때문에 '''3개의 궤도로 구성된 집전방식'''이라는 뜻에서 제3궤조집전식이라고 부른다. 사진처럼 팬터그래프 대신 집전 슈(shoe)를 이용하며, 집전 슈가 위에 닿는 방식 외에 옆에 닿는 방식, 아래쪽에 닿는 방식 등 여러 가지가 있다.
2. 장단점
이런 방식으로 건설되는 노선은 전동차의 지붕에 팬터그래프가 필요 없기 때문에, 지하철을 지을 때 터널을 크게 뚫을 필요가 없어서 공사비가 싸게 먹힌다는 장점이 있다. 또한 지상으로 달리는 경우에도 일반적인 가공전차선 방식보다 더 저렴하며, 위로 치렁치렁 전선이 올라가지 않기 때문에 보기가 좋고 육교 등을 설치하기 쉽다는 장점도 있다.
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위와 같이 차량 위에 전차선 구조물이 필요 없기 때문에 터널을 차량 크기 만큼만 작게 뚫어도 된다. 사진은 런던 지하철 노던 선 열차로, 건설 당시 기술로는 템즈 강 유역의 연약지반 아래에 터널을 뚫으려면 튜브 형태로 차량한계에 가깝게 뚫어야 하는 악조건이었기 때문에 제3궤조 사용이 불가피했다.
하지만 고압 전기가 흐르는 통로가 지면과 가까운 바닥에 있다는 특징은 양날의 검이다. 가공전차선 방식에 비해서 급전궤도와 지면 간의 거리가 가깝기 때문에, 높은 전압을 공급했을 때 감전의 위험 없이 지면이나 승강장과 안전하게 절연시키기 어렵다. 이 때문에 대개 직류 600 ~ 800V 정도의 낮은 전압을 사용하며 직류 1000V를 넘기는 사례는 함부르크 S반(1200V), 인천공항 자기부상철도, 광저우 지하철 4, 5호선(1500V)밖에 없다. 만약 대한민국 광역철도에 사용되는 '''교류 25,000V'''를 제3궤조로 흘려 보낸다면? 접근은 말할 것도 없고 승강장에서 발만 잘못 뻗어도 감전되는 수가 있다.[1]
선로에서 홈으로 무언가를 던져 올리기보다는 홈에서 선로로 무언가가 떨어질 확률이 더 높다. 선로 아래에 운행 궤도밖에 없다면 작은 장애물 정도는 무시하고 지나갈 수 있지만, 급전 궤도에 이물질이 떨어지거나 사람 혹은 동물이 실수로 밟으면 합선 사고가 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 급전 궤도 위에 덮개를 씌우고 집전 장치를 궤도 아래쪽으로 붙도록 만들기도 하지만, 작정하고 덮개 아래로 들어가는 물체를 막을 수는 없다. 그래도 급전 레일이 대놓고 노출된 것에 비해선 안전 사고에서 안전한 편이라 런던 도클랜즈 경전철, 대만의 타이베이 첩운, 타오위안 공항 첩운, 가오슝 첩운 등에서 사용한다. 다만 최고속도 면에서 상단 접촉식에 비해 절반 정도 속도로 제한되는 것이 또 다른 단점이다.
땅 위로 전류가 흐르기 때문에 건널목과는 최악의 궁합을 자랑한다. 제3궤조 구간 내에 건널목이 있다면 건널목 자체를 절연구간으로 만들어 버린다. 아래 링크는 베를린 S반에 있는 철도 건널목 중 하나로, 건널목 전후로는 흰 덮개가 있는 급전 궤도가 있으나 건널목에는 아무것도 없음을 볼 수 있다.#[2] 그래도 작정하고 급전 궤도로 들어갈 사람은 들어가지만… 도쿄메트로 우에노 검차구에서는 건널목을 아예 이동식 울타리로 막아버렸다. 다만 전고가 높은 컨테이너 차량이나 2층버스 등의 통과가 쉽다는 장점은 있다.[3]
또한 물과 전기는 최악의 궁합을 자랑하기 때문에, 방수 대책이 되어 있지 않은 곳에서 비나 눈이 오면 누전을 피할 수 없다.#[4] 침수라도 발생하면 그대로 헬. 덤으로 보수나 점검 작업도 힘들어진다. 그런 관계로 위험해서 지상 철도나 간선 철도에는 거의 사용하지 않는다.
21세기 이후로는 도시철도의 경우 스크린도어가 보편화되어 있는 관계로 전기 사고 관련 문제는 어느 정도 보완된다. 그러나 침수 문제는 어쩔 수 없다. 2014 동남권 폭우 사태 때는 제3궤조를 쓰는 부산 지하철 4호선이 금사역 침수로 전 구간의 전기가 끊겼다. 선로 물 뺄 때까지 기다리고 안전 점검 하느라 운행 재개도 다른 노선에 비해 상당히 늦었다.
또한 고속 주행에 적합하지 않다. 일단 안전 문제로 높은 전압의 전기를 급전하기 어려우니 출력을 크게 내기가 어려울 뿐더러, 급전 궤도의 끝에서 집전 장치에 가해지는 기계적인 충격 때문에 속도를 높이기가 어렵다. 시험운전까지 고려해도 시속 170km 정도가 한계. 영국과 프랑스를 잇는 해저 터널을 지나는 유로스타의 운영 초창기에는 영국 본토에서 제3궤조의 일반선을 빌려서 뽈뽈뽈 기어 다닌 적이 있다. 런던과 채널터널 사이 전용 고속선인 High Speed 1 완공 이후에는 잘 날아다니고 있다.
제3궤조는 선로가 분기하면 열차가 지나갈 공간을 만들기 위해 전원 공급 레일이 반드시 끊어져 있어야 한다. 그래서 분기기 구간의 운전 취급이 어렵다. 가공가선의 경우 선로 분기기 부분에서도 어차피 공중에 가설되어있기 때문에 합쳐지거나 갈라지거나 교차하는 선로를 따라 똑같이 가선도 합쳐지고 갈라지고 교차할 수 있다.[5] 이 때문에 과거 배터리 기술 수준이 낮아 제3궤조에서 공급되는 전류로 직접 전등 등을 가동했던 옛날 지하철은 분기 구간에 들어서는 걸로도 전등이 꺼졌다. 오늘날에는 배터리 성능 향상과 열차 성능 향상으로 거의 사장된 단점이기는 하다.
3. 쓰는 곳
뉴욕 지하철이라든가 시카고 전철 및 BART 그 외 유럽 및 영미권의 많은 지하철 노선이 이 방식을 사용하고 있다.[6] 파리 지하철 등 운영 역사가 오래된 지하철에서도 종종 볼 수 있다. 일본에서도 도쿄메트로의 긴자선, 마루노우치선과 나고야 시영 지하철의 히가시야마선, 메이죠선, 메이코선을 비롯해 오사카메트로의 많은 노선들이 이 방식을 사용하고 있다. 특히, 긴자선 같은 경우에는 1900년대 초반에 영국에서 기술을 들여와서 지은 노선으로, 영국식 제3궤조를 사용 중이다. 또한, 마루노우치선의 경우도 패전 이후에 개통했지만 긴자선과의 호환을 위해서 영국식으로 지어졌다[7]. 이외에도 베를린 S반, 함부르크 S반 같은 오래된 광역 철도 노선에도 가끔 쓰인다. 특이하게도 20세기 말에 지어진 타이베이 첩운도 표준궤 + 제3궤조의 조합이다.
런던 지하철이 흔히 제3궤조로 알려져 있는데, 사실은 제4궤조(4th rail)다. 런던 지하철의 궤도 사진을 잘 보면 두 개의 주행 궤도에 두 개의 급전 궤도가 평행으로 깔려있다. 레일 자체가 제3궤조 급전용에 비해서 작은 편이라(주행용 궤도에 가까움) 한쪽엔 +, 한쪽엔 -를 걸어서 공급 전압을 거의 맥시멈에 가깝게 땡겨서 쓴다.
대구 도시철도 3호선같은 고무차륜 모노레일이나 부산 도시철도 4호선같은 고무차륜열차는 귀전선 역할을 해줄 철로가 없으므로 집전레일이 궤도빔 양 측면(모노레일) 혹은 선로 양측(고무차륜열차)에 각 하나씩, 있다. 한 쪽이 +, 다른 한 쪽이 -극이다.
멕시코시티 도시철도에서도 A호선과 12호선을 제외한 모든 노선에서 제3궤조집전식을 사용하고 있다.
인구 밀도가 높은 영국 동남부 지역 및 리버풀 인근 지역의 철도는 간선까지 제3궤조로 되어 있다. 쉽게 생각하면 새마을, 무궁화 열차가 제3궤조를 사용하는 전동차로 운행된다는 이야기이다. 고속철도인 유로스타에도 쓴 적이 있다. 물론 영국 철도 시설을 관리하는 네트워크 레일에서도 3궤조 방식의 단점을 모르는 건 아니라서 장기적으로 교체할 계획이라곤 하는데, 이게 워낙 많이 깔려서 난감하다고 한다. 20세기 초 영국 철도가 4대 사철 체제이던 시절 석탄 수송 및 장거리 여객으로 돈 벌던 다른 회사와 달리 런던 교외 통근 여객이 주 수입이던 서던 철도에서 해당 지역의 전철화를 선도적으로 추진한 것이 오늘날의 비극을 낳은 셈이다. 오늘날 영국 철도 중 전철화 구간의 36%가 이에 해당한다고 한다. 다만 2차대전 이후에야 전철화를 시작한 다른 노선은 가공전차선 방식을 채택하고 있다. 이 지도에서 초록색 선 대부분이 제3궤조 구간이다.
모스크바 지하철과 베이징 지하철[8], 그리고 싱가포르 MRT도 제3궤조를 채택하고 있다.
한국에서는 전기철도 도입 초창기에는 모두 가공전차선 방식을 선택해서 제3궤조집전식 철도는 한동안 없었지만, 2010년대부터 도입된 경량전철에서 이 방식을 채택하고 있다. 부산김해경전철과 부산 도시철도 4호선[9], 인천 도시철도 2호선, 의정부 경전철, 용인경전철, 우이신설경전철, 김포 도시철도이 제3궤조집전식으로 전원을 공급받아 운행 중.[10] 추후 개통하는 양산 도시철도 또한 제3궤조집전식[11]으로 전원을 공급받는다.
베를린 U반 차량을 수입해서 쓰는 북한의 평양 지하철도 역시 제3궤조 방식을 채택하고 있다. 따라서 현재는 평양 지하철이 한반도 내의 유일한 제3궤조 중전철이다.
가끔 구미권 국가들이 이것을 쓴다고 이게 선진적인 방식이고, 사실상 반대되는 방식인 가공전차선 방식은 후진적이라고 생각하는 사람들이 있다. KBS 뉴스에서도 "선진국들이 이 방식을 쓴다, 그러니까 이 방식은 선진적인 방식이고 가공전차선 방식은 후진적인 방식이다."라는 투로 보도를 내기도 했는데, 물론 실제로는 그런 거 없다. 별로 선진국으로 보이지 않는 멕시코나 러시아, 인도 등지에서도 이러한 방식을 많이 사용한다. 다만 아무래도 선진국에 역사가 오래된 지하철이 많고 역사가 오래된 지하철이 당시의 부족한 기술력으로도 터널 등의 노선망을 확보하기 좋은 제3궤조집전식을 사용해 지어졌던 경향이 있기는 하다.
노면전차에서도 제3궤조를 쓸 수 있다. APS 참조.
경사진 폐선로를 재활용하여 만드는 철도형 에너지 저장장치에서도 사용된다. 제3궤조를 통해 전기를 공급하여 무거운 화물차를 꼭대기로 올려보낸 뒤 에너지가 필요한 시점에 아래로 내려보내면 회생제동과 비슷한 원리를 이용하여 다시 전기를 공급받을 수 있다.
4. 여담
영미권에서 많은 지하철이 3궤조를 써서 "Touching the third rail"(제3궤조 만지기)라는 숙어도 흔히 쓰인다. 뜻은 한마디로 온전히 살아남지 못할 짓이라는 이야기. 정치인들이 건들지 말아야 할 이슈[12]를 건들 때 많이 쓰인다. 한국 속담의 '섶(지푸라기) 지고 불 속 뛰어들기'와 그 의미가 비슷하다. 혹은 '지뢰 밟는다'는 것과 뜻이 통한다.
해외에서 철로에 떨어졌을 경우 잘 모른다면 무작정 올라오지 말고 차라리 역직원이 오기를 기다리자, 3궤조가 밟고 올라오기 아주 좋은 위치에 있는 경우도 있기 때문에 밟는 순간 저승행이다. 특히 머리 위에 전선이 없다면 말이다...
1977년 시카고 전철 브라운 라인 켓지 역에서는 술 취한 한국인 아재가 제3궤조에 오줌을 누다가 감전사한 사고가 있었다. 시카고 교통국은 1992년 지루한 법정공방 끝에 유족들에게 150만 달러를 배상했다. 출처
2006년 10월 22일 당시 영국에서 유학 중이던 진념 전 경제부총리 아들이 런던 인근 뉴몰든 역에서 선로에 떨어져 그대로 감전사한 사례가 있다.
서울시의 2기 지하철 계획에서 건설비용을 절약하기 위해, 기존 1기 지하철의 연장 구간을 제외하고 새로 건설되는 노선에 제3궤조집전식을 도입하려고 검토했던 적이 있었다. 그러나 건설비용은 줄일 수 있어도 이후 유지비용과 안전사고 대비 비용(당시엔 스크린도어는 상상도 할 수 없던 시대이다)을 고려할 때 장기적으로는 제3궤조집전식이 더 비용이 많이 들 것이라는 이유로 기존 가공전차선 방식을 채택했다.
레고 기차의 2세대인 12V 시리즈도 이 방식을 사용해 급전하며 동차 하단에 동그란 집전슈가 앞뒤로 두 쌍 붙어있다. 후에 출시된 9V 시리즈는 레일에서 직접 전력을 받는 구조로 변경된다.
폴아웃 4의 지역인 굿네이버에 있는 술집 이름이 제3궤조인데, 이는 대전쟁 이전에 원래 지하철 역이었던 것을 개조한 것에 기인한다. 이 지하철역은 실제로 제3궤조 방식으로 운영되었으며, 바닥에 뚫린 구멍을 통해서 보면 아직도 선로에 전류가 흐르는 걸 보아 현재로선 제3궤조가 그 시점 현재 송전선 역할을 하는 모양.
게임 GTA에 등장하는 열차가 바로 이 방식으로 전류를 공급 받는 열차라는 설정이 있다. 때문에 경찰이나 적 세력 NPC를 피해 달아나다 선로 쪽으로 진입하면 무작위로 감전당해 죽기도 했는데 이런 방식으로 전력을 공급받는 구조 자체를 몰랐던 국내 플레이어들은 선로 위로 도망가는데 왜 감전사 하느냐고 짜증을 내기도 했다.
모스크바 지하철이 배경인 영화 '메트로 : 마지막 탈출'에서는 터널이 침수되는데, 다른 전동차를 안전하게 역으로 보내기 위해 사고 후 계속 전기를 넣다가 아주 간발의 차이로 단전이 늦어져 사고 지역에서 대피하던 수백 명이 감전으로 끔살당한다.
영화 신비한 동물사전의 마지막 전투 장면에서 뉴욕 지하철이 등장하는데 이때 이 서드레일과 관련하여 고증 오류가 있다. 작중 '크레덴스'가 이 제3궤조집전식을 사용중인 서드레일 선로 바로 옆에 앉아 있었으며, 이는 실제로 감전당할 위험이 매우 크다. 만약 영화가 아닌 실제였다면, 뉴트와 크레덴스 둘 다 목숨을 잃었을 것이다. 게다가 전철이 들어오는걸로 봐선 단전상태가 아니였다.
Lionel이라는 모형 기차 만드는 회사가 있는데 레일에 3개의 선로가 있다. 가운데 선로는 차체의 브러시에 연결이 되고 나머지는 바퀴에 연결이 된다. 선로에는 약 AC 18V가 흐른다.
5. 관련 문서
[1] 제3궤도를 만진다고 바로 감전이 일어나지는 않는다. 예를 들면 뉴욕 지하철에 돌아다니는 시궁쥐들은 이 전력공급이 되는 궤 위에 서있어도 잘만 걸어다니는데, 이는 기존 선로 중 하나가 -극 역할을 하고, 전류 공급이 +극에서 -극으로 이어지는 회로가 성립이 되어야 감전이 일어나기 때문이다. 전선 위의 참새가 감전되지 않는 것과 같은 원리. 근데 제3궤조 선로에 떨어져서 감전사하는 사례가 있다는 소리는 결국 이론만 그럴 뿐 위험하다는 소리. 게다가 전압이 무지막지하게 높으면 절연파괴가 일어나서 소용 없다.[2] 시카고 전철 노선 중에서 일부 지상구간에서도 볼 수 있다.[3] 가공전차선 방식의 경우 일부 2층버스나 컨테이너 차량들은 다른 길로 돌아서 가야한다. 다만 가공전차선이라고 다 걸리는 것은 아닌게, 그게 문제가 될 정도로 그런 대형차량들이 많이 지나다니는 곳은 그냥 무식한 방법으로, 건널목 구간만 절연구간으로 만들어 버리기도 한다. 한국에서도 대불선에서 볼 수 있다.[4] 해당 노선은 요코하마 시영 지하철 블루라인 카미나가야역의 3000R호대 전동차이다.[5] 정확히는 복수의 가선을 잠시 모았다가 떨어뜨리는 형태로 팬터그래프가 복수의 가선을 모두 집전하고 있다가 어느 한 가닥의 가선을 따라간다. 때문에 집전이 끊어져 강제절연되는 일이 없다.[6] 유럽에서 예외적으로 스페인의 지하철은 가공전차선을 채택하고 있다.[7] 계획은 2차대전 이전 부터 있었다[8] 6호선과 14호선은 제외[9] 고무차륜열차 방식이라 급전궤도를 2개 깔아서 쓴다.[10] 전부 직류 750V를 사용한다. [11] 부산 도시철도 4호선과 동일한 차량과 레일을 사용한다.[12] 예를 들어 한국에서의 병역 문제라든가.