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| ▲ 집전장치의 구조도(KTX) |
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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 기관차의 지붕 위에 달아 전선에서 전기를 끌어 들이는 장치이다. 용수철이나 압축 공기로 오르내리고, 전차선(電車線)과의 접촉면은 평동판이나 롤러로 되어 있다.[1] 영칭인 Pantograph는 접촉 부분이 축도기 모양을 닮았다는 데서 유래했다. 흔히 일컫는 팬터그래프는 외래어표기법이다.[2] 가공전차선 방식 전기철도에서 전기를 동력으로 사용하는 철도차량이 외부로부터 전력을 공급받기 위하여 사용한다.
2. 설명
레일 위에 전차선이 설치되고, 철도차량의 옥상에 집전장치를 포함한 집전설비가 설치되어 있으며 집전장치가 상승하여 전력을 공급받는다. 전차선에서 전력을 공급받는 방식은 집전봉, 뷔겔 등이 존재했으나 이 두 가지 방식은 고속화에 매우 불리해 노면전차나 무궤도전차 등에서나 썼었고 오늘 날에는 거의 극소수의 국가에서만 사용하고 있을 정도로 사용이 드문 집전장치이다.[3]
집전장치는 전기철도의 고속화에 기여했지만, 현대에는 고속화를 가로막는 물건이기도 하다. 기본적으로 툭 튀어나온 물건이라 200km/h~350km/h 대의 초고속 주행시 엄청난 공기저항과 소음을 일으키기 때문이다. 그래서 고속철도 차량은 가급적 집전장치를 적게 두려고 한다. 한국의 KTX-I이나 KTX-산천은 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
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.3.1. 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. 능형
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| 209계 전동차의 능형 더블암 집전장치 |
3.1.2. 하부교차형
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| 한국철도공사 321000호대 전동차의 하부교차형 더블암 집전장치 |
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. 그러나 얼마 못 가 다른 나라에서는 싱글암이 대세가 되면서 하부교차형은 한국과 일본밖에 사용하지 않는 방식이 되었다.
현재는 일본도 싱글암이 대세가 되면서 더 이상 채택되지 않고 있으며[5][6], 한국철도공사도 한동안 수도권 전철용 전동차에서 이 방식의 집전장치를 사용해오다가 최근에는 싱글암 방식의 전동차를 주로 도입하게 되었다.[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 강체가선 아크현상을 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 최근까지 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 새로이 도입하는 광역전철 전동차에서는 더는 사용하지 않는 방식이 되리라 예상되었지만, 최근 도입한 전동차의 싱글암 방식 집전장치가 강체가선 아크현상 등의 문제를 계속 일으켜 기존의 하부교차형 더블암 방식으로 교체하기도 했다. 또한 최근 도입된 우진산전 제작 1호선 전동차에서도 여전히 싱글암 방식이 아닌 이 방식의 집전장치를 채택하였다. 자세한 것은 이 문서를 참고하기 바람.
3.2. 싱글암
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| 한국철도공사 311000호대 전동차의 싱글암 집전장치 | 한국철도공사 210000호대 전동차의 싱글암 집전장치 |
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.
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.
국내에서는 프랑스와의 기술협력을 통해 들여온 8000호대 전기기관차에서 처음으로 싱글암 방식을 채택했다. 이후 철도청은 KTX-1, KTX-산천같은 동력집중식과 EEC에는 싱글암 형식을, 전동차는 더블암 방식을 사용해왔는데, 그 후 2000년도 후반 즈음 도입된 TEC를 시작으로 ITX-청춘, ITX-새마을에서 본격적으로 싱글암을 채택했으며, 2016년부터 도입된 경강선 전동차와 동해선 전동차, 그리고 1호선 신차, 신분당선 전동차도 싱글암 팬터그래프를 채택하였다.
3.2.1. 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
3.3. 역(逆)팬터그래프
팬터그래프를 차량이 아닌 지상에 설치한 것이다. 차량의 옥상에는 집전판이 설치되고 지상의 팬터그래프가 차량으로 내려와 급전하는 방식이다. 주로 무가선 노면전차 노선 등에 채택하며, 현재 대한민국에는 오송기지의 노면전차 시험선로에 1개소가 설치되어 있다.[1] 표준국어대사전[2] 현장에서는 줄여서 '판토', '판타', 'Pan' 등 다양하게 부른다. 어차피 다 같은 걸 뜻하니 부를 때는 그냥 편한 대로 부르면 된다.[3] 과거 서울전차에 사용된 판토가 뷔겔이다. 서울역사박물관 버스 정류장 근처에 보존되어 있는 서울전차 351호에도 뷔겔이 달려있다.[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 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] EEC는 일본식 전동차를 기반으로 제작되었지만, 더블암이 아닌 싱글암 집전장치가 적용되었다.[8] 일본 철도동호인들이 서울교통공사나 한국철도공사의 현대로템 신차, 다원시스 신차, 우진산전 신차를 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