전기철도

電氣鐵道

1. 개요2. 특성

2.1. 장점2.2. 단점2.3. 복선화와의 비교

3. 역사

3.1. 유럽3.2. 미국3.3. 일본3.4. 대한민국3.5. 북한3.6. 대만3.7. 중국

4. 송전 전력에 따른 분류

4.1. 직류4.2. 교류

5. 전력 공급 방식에 따른 분류

5.1. 가공전차선5.2. 제3궤조집전식5.3. 유도 집전 방식5.4. 배터리

6. 철도차량 제어 방식에 따른 분류7. 국가별 일반철도 전철화 방식 분류

7.1. 직류 750V7.2. 직류 1,500V7.3. 직류 3,000V7.4. 교류 15,000V7.5. 교류 20,000V

7.5.1. 50Hz7.5.2. 60Hz

7.6. 교류 25,000V

7.6.1. 50Hz7.6.2. 60Hz

8. 관련 문서

1. 개요

전기철도는 전기를 동력원으로 사용하는 철도를 말한다. 1970년대 우리나라에 본격적으로 도입된 이후 2017년 기준 우리나라 철도의 73.62%가 전철화됐다. 전기철도는 매연이 없고 수송능력 향상, 소음 저감, 고속 운행 등 많은 장점을 가진 친환경적인 교통수단으로 각광받고 있다.

한국철도공사 공식 소개문

전기를 동력으로 하여 열차나 차량을 운행하는 철도이다. 준말은 전철.

오늘날 대한민국의 주요 간선은 대부분 전철화되어 있기 때문에 KTX, ITX, 전기 기관차 견인 무궁화호 등도 전철이지만 한국은 주요 간선의 전철화 역사가 짧은 편이라 대개 이런 장거리 열차들은 증기 기관차 시절의 용어를 답습해 기차라고 하고 그 대신 본래 전기철도인 도시철도, 광역철도 등 흔히 '지하철'이라고 불리는 노선에서 운행되는 열차를 전철이라고 한다. 하지만 이런 사회적 통념상의 전철의 의미와 실제 전철의 의미는 다르다. 통념상 말하는 '전철'에 관한 정보는 도시철도, 광역철도 문서를 참조.

국토교통부에서는 이를 다음과 같이 설명하고 있다.

전철이란 기술적으로는 전기동력(전동차, 전기기관차)으로 운행하는 철도를 뜻하나, 사회적 통념으로는 지하철 등 여객전용 전동차를 지칭합니다. 또한 건설시 주체와 재원에 따라 일반철도, 광역철도, 도시철도 등으로 구분하나, 건설 후 운영단계에서는 구분하지 않고 동력이 전기라면 ‘전철’로 통칭하고 있습니다. #

디젤전기기관차 등 전기로 구동하지만 그 전기를 외부에서 받는게 아닌 차량 내부에서 다른 연료를 통해 생산해내는 경우는 전기철도로 분류하지 않는다.

2. 특성

2.1. 장점

전기철도에서 사용하는 전동기는 증기기관이나 디젤 엔진에 비해 효율이 좋으므로 연료 비용 및 에너지 절약에 큰 도움이 되며, 같은 이유로 환경에도 보다 친화적이다.
증기기관이나 디젤엔진에 비해 출력이 높아 편성당 수송 능력이 크게 향상된다.
전동기 구동은 내연기관, 외연기관 구동에 비해 효율성이 높고 회생제동을 통한 에너지 회수가 가능하여 연료비용의 낭비를 최소화할 수 있다.
디젤 엔진이나 증기기관, 가솔린 엔진에 비해 진동과 소음이 적으며, (전동차를 그 외의 내연기관과 비교할 때) 승차감이 좋아진다.
증기기관이나 내연기관에 비해 구조가 간단해서 정비가 용이하다.
가감속 및 최고속도면에서 유리하며 이로 인하여 선로에서 수용 가능한 최대 편성을 늘릴 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
운전 과정에서 대기오염 물질을 배출하지 않아 지하나 장대터널에서도 운용이 가능하다.
기동/정지가 증기기관이나 내연기관에 비해 쉽고 DRY-START[1]가 없다.

2.2. 단점

전철화 공사 비용이 비싸고, 전철화를 하지 않은 것에 비해 추가적인 유지 비용이 들어간다. 선로 전체에 전선을 놓아야 하며, 적합한 전압의 전기를 공급하기 위해 변전이 필요하므로 전철변전소를 따로 설치해야 한다.
고압 전선을 바깥에 매달아두거나( 가공전차선), 바닥에 배치하기 때문에( 제3궤조) 안전에 문제가 있다.
전철화 설비가 망가지면 노선을 (일부) 운행하지 못하게 된다. 이는 단순한 고장이 아닌 국가적 재난이나 전쟁 시 치명적인 약점으로 작용한다.[2]
전기철도의 발전원이 태양광, 풍력, 수력, 원자력이 아닌 석탄, 석유, LPG, LNG일 경우 미세먼지와 온실가스를 배출한다.[3]

2.3. 복선화와의 비교

전기철도는 전기철도가 아닌 경우에 비해 수송량을 증대할 수 있다. 이 특성으로 경제 사정이 여유롭지 않은 국가에서 단선 철도의 수송 능력을 늘리고자 할 때 복선화와 함께 검토하는 옵션이 된다. 토지 수용 비용이 적게 들고 평지가 많아 토목 공사의 난이도가 낮은 경우 복선화를 선택하는 경우도 많지만 산악 지형으로 복선화를 할 때 난이도가 높고 비용도 많이 드는 경우에는 상대적으로 토목 공사를 적게 할 수 있는 단선 전철화를 선택하기도 한다. 대한민국의 경우 태백선이나 영동선이 단선 전철화가 이뤄진 것도 이러한 이유 때문이다. 반대로 평지 비율이 높았던 충북선은 전철화 대신 복선화를 먼저 택했다. (현재는 전철화도 완료) 다만 이 목적의 전기철도 도입은 신호장 건설과 선로 직선화, 노반 및 선로의 중량화, 신호 등의 개량이 뒷받침되지 않으면 제 효과를 발휘할 수 없으며, 이러한 개량 없이 전기철도 도입에만 목숨을 걸었다 제대로 망한 것이 바로 북한.

3. 역사

3.1. 유럽

전기철도의 역사는 의외로 오래되었다. 본래는 배터리로 구동하는 전기철도를 먼저 연구해왔으나 배터리 용량의 한계로 인해 써먹을 만한 수준의 전철을 개발할 수는 없었고, 1879년에 지멘스에서 가공전차선 방식의 직류전기기관차를 박람회에서 시연한 것이 첫 전기철도이다. 이렇게 개발된 전철은 1881년에 베를린 전차에 채택되어 처음으로 상용화되었다. 이후 1890년대에 교류를 이용한 전기철도도 개발되었다.

그러나 한동안 전철은 노면전차나 지하철, 일부 증기기관차를 사용할 수 없는 간선철도 구간[4]을 제외하고는 널리 채택되지 못했다. 당대에는 서유럽조차 현대와 달리 전력공급이 안정적이지 못했고, 전철화 비용이 비쌌기 때문이다. 그나마 노면전차나 지하철은 배차간격이 짧아 운행횟수당 전철화 비용이 상대적으로 저렴해서 채택될 수 있었다.

1910년대를 기점으로 유럽에서는 직류전철과 교류전철이 장거리 간선철도에도 보급되기 시작했다. 처음에는 철도회사들이 제각기 사정에 맞춰 전철화를 했으나, 점차 주요 간선철도가 국유화되면서 전철 규격을 통일해갔다. 유럽은 각 나라의 사정에 맞춰 직류 1500V, 직류 3000V, 교류 15000V, 교류 25000V 중 하나를 채택하였고, 프랑스처럼 복수 표준(교류 25000V, 직류 1500V)을 채택한 국가도 있다. 교류의 경유 그 특성에 따라 주파수도 결정할 필요가 있었는데 유럽은 50Hz로 통일되어갔다.

3.2. 미국

미국은 유럽과 비슷한 시기에 동부 철도를 중심으로 전철화를 해왔다. 미국은 유럽과 달리 모든 철도가 사철이었고 철도 국유, 국영화를 진행하지 않아 각 철도회사가 알아서 자기 돈 들여 전철화를 해왔고, 그 결과 각 철도회사들이 독자적인 표준을 고수하여 온갖 규격이 난무했다. 이런 독자적인 규격들은 설비 갱신 과정에서 점차 사라져가고 있기는 하나, 지금도 미국에서는 다른 나라에서는 찾기 힘든 교류 12000V 25Hz같은 독자 규격을 흔하게 볼 수 있다.

3.3. 일본

일본의 경우 유럽과 달리 오랫동안 간선철도의 전철화에 부정적이었는데, 육군이 변전소나 전선 등 전력 시설이 공격받으면 마비된다는 전철의 특성을 들어 반대해왔기 때문이다. 그럼에도 사철에서는 직류 1500V 전철화가 이루어져 왔고 국철에서도 도쿄나 오사카의 대도시 근교 구간은 통근 및 통학 수송 등의 이유로 직류 전철화가 이루어져 왔다. 전후에는 대도시 근교의 전철화 구간을 확장하는 방식으로 전후 복구와 함께 직류 전철 구간을 확장해 왔고, 1960년대에 교류 전철을 상용화해 대도시 간선 철도에 채택해 왔다. 일본에서 직류 전철이 간토, 고신에쓰, 도카이, 간사이, 주고쿠, 시코쿠 지방에서 주로 채택되고 교류 전철이 호쿠리쿠, 도호쿠, 규슈, 홋카이도에서 채택된 것은 이러한 역사적 경위가 있다.

일본의 교류전철은 신칸센이 25000V인 것을 제외하면 모두 20000V인데 이는 전세계에서 오직 일본만이 채택한 독자 규격이다. 일어 위키에 따르면 당시 일본의 직류 변전소의 표준 공급전압이자 특별고압송전망 말단의 전압규격이 20000V라 그렇다고. 신칸센은 송전효율을 고려해 세계 표준인 25000V를 채택했다.

3.4. 대한민국

대한민국은 20세기 초중반엔 빈국이었던 관계로 간선철도 전철화를 할 엄두를 내지 못하고 있었다가 중앙선 전철화를 시작으로 간선철도 전철화를 시작했다.[5] 이는 산업화 시대에 수송량이 포화상태에 이르자 용량 확대를 검토하면서 복선화와 전철화 중 전철화가 더 싸다는 결론이 났기 때문이다. 중앙선 전철화는 프랑스와의 기술협력을 통해 이루어졌으며, 교류 25000V 60Hz를 표준으로 정한 것과 알스톰에서 만드는 8000호대 전기기관차를 들여온 것도 프랑스와의 기술협력의 결과이다.

1973년 6월 20일 청량리역~ 제천역 구간을 최초로 전철화하였으며, 이후 1987년 12월 제천역~ 단성역, 1988년 12월 단성역~ 영주역 이렇게 완료되었다. 이 시기 태백선과 영동선도 같이 전철화되어 8000호대 전기기관차 운행이 시작되었다. 이후로도 한동안 전시상황에 전철은 부적합하다는 이유로 전철화가 미진하다가 KTX 도입을 계기로 2004년 3월 24일에 호남선이 전철화되고, 제1간선인 경부선의 전 구간 전철화가 2006년 12월 7일에 완료되었다. 그 이후로도 노선 개량과 함께 전철화를 진행하여 현재 대한민국은 대부분의 간선철도가 전철이다. 일단 북한과 적대하고 있으므로 전시 상황을 대비해서 관련법에 따라 일정 수량 이상의 디젤 기관차를 구비해놓고 있으나, 이는 말 그대로 구비해두라는 것이지 운행하라는게 아니므로 실제로 운행하는 디젤 기관차 수는 지속적으로 줄이고 있고, 머지않아 사라질 전망이다.

3.5. 북한

북한의 간선철도는 직류 3000V로 전철화되어 있다. 이는 일제강점기에 북한 지역에 깔린 경원선 복계~고산 구간 전철의 규격을 준용한 것이라 알려져 있다.

북한은 대한민국보다 전력 사정이 좋았던 이유 등으로 인해 한국보다 이른 시기에 전철화를 단행해 주요 간선이 모두 전철화되어 있다. 그러나 1980년대부터 심각한 발전 연료 부족과 시설 노후화로 인해 전철을 제대로 운용하지 못하고 있다.

3.6. 대만

대만은 영국의 기술협력을 얻어 1979년에 국가 제1간선인 종관선의 지룽역 - 가오슝역 구간을 교류 25000V 60Hz로 전철화한 것이 전철화의 시초이다. 그 이후 한동안 전철화가 이루어지지 않다가 2000년에서 2014년에 걸쳐 동부간선을 전철화하고, 2016년에서 2020년에 걸쳐 핑둥선과 남회선을 전철화함으로써 현재는 모든 간선철도가 전철화되어 있다.

3.7. 중국

중국 철도는 1950년대부터 전철화가 이루어져 현재 주요 간선은 모두 전철화가 완료되었다.

최초의 전철화 구간은 1961년 8월 15일에 전철화한 쓰촨성 청두와 산시성 바오지를 잇는 바오청철도(宝成铁路)[6] 바오지 - 펑저우 91km 구간으로 초기에는 DC 3000V로 설계되었으나, 중간에 프랑스와 소련의 영향을 받아 설계를 바꿔 오늘날 유럽의 지상철도와 같은 규격인 AC 25KV 50Hz로 바꾸었다.[7]

중국 철도의 전철화율은 78%이다.

4. 송전 전력에 따른 분류

전기철도는 직류가 쓰이기도 하고 교류가 쓰이기도 하는데, 직류 전기철도는 1880년대, 교류 전기철도는 1900년대에 처음 개발되었고, 서로 특징이 달라서 경우에 따라 직류전철화가 이루어지기도 하고 교류전철화가 이루어지기도 한다. 서로 다른 방식의 전류를 사용하는 구간끼리의 직통을 위해 절연구간 등이 생기기도 한다.

4.1. 직류

직류철도는 송전 문제로 교류에 비해 변전소가 상대적으로 많이 필요하지만 직류 전동차가 교류 전동차에 비해 저렴하고, 교류에 비해 직류 전기철도가 터널을 더 작게 만들 수 있기에[8] 배차간격이 짧은 도시철도 노선과 지하철에서 직류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다.

간선철도에는 주로 1500V와 3000V가 사용되며, 도시철도나 노면전차에서는 600V, 750V, 1000V, 1200V 등도 볼 수 있다. 한국은 도시철도를 위주로 직류가 사용되며, 일반 중전철은 직류 1500V, 경전철은 직류 750V로 규격화되어 있다.

4.2. 교류

교류는 대규모 송전에 유리하므로 변전소를 많이 설치할 필요가 없고 대출력을 내기 유리하며 같은 출력에서라면 직류 모터보다 교류 모터[9]가 효율이 높기에 배차간격이 길고 화물열차나 장거리 열차가 많은 노선과 고속철도에서는 교류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다.

직류와 달리 시간에 따라 전류값이 변하므로 주파수로 이를 나타내는 표시를 해 주어야 한다. 전세계적으로는 50Hz가 대세이지만, 미국의 영향을 받은 나라들은 60Hz를 사용한다. 한국과 대만은 60Hz를 사용하고, 일본은 동부는 50Hz, 서부는 60Hz를 사용하며, 유럽 대부분과 중국은 50Hz를 사용한다.

전압은 일반적으로 25000V를 사용한다. 25000V가 표준이 된 것은 전압을 높이는 데 따른 설비 비용 증가와 송전효율 개선 등을 고려했을 때 비용 대비 최적의 전압이 25000V인 것으로 알려져 있기 때문이다.

5. 전력 공급 방식에 따른 분류

5.1. 가공전차선

상부의 전선을 통해 전력을 공급받는 방식이다. 공(空)중에 가(架)설한 전차선이라는 의미의 가공(架空)전차선이다.

대부분의 간선철도와 노면전차에서 채택한 방식이다.

5.2. 제3궤조집전식

전차선이 철로와 철로 사이, 혹은 철로 옆에 있는 방식을 말한다. 많은 나라의 도시철도에서 사용하고 있으며, 대한민국은 경전철에서만 사용하고 있다.

5.3. 유도 집전 방식

전차선이 어떻게든 무조건 집전장치와 직접 접촉해야한다는 조건은 안정적인 고속주행을 어렵게 하므로, 아예 집전장치를 버리고 열차 하부와 선로에 매설된 특수한 장치로 계속 전력을 무선충전기로 스마트폰을 충전시키는 방식처럼 계속 급전받아 열차를 운행시킨다는 '비접촉 유도 급전(집전) 방식' 이 연구되고 있다.

이 방식을 이용하면 전차선과 열차의 집전장치( 팬터그래프)가 없어지기에 고속주행시 마찰로 인한 잔진동이나, 소음문제, 감전문제, 토지보상 문제 그리고 선로변 미관 문제가 한번에 해결되며 공기역학적으로 차체의 저항이 줄어들기에 500km 이상의 초고속 주행이 더욱 쉬워질 수 있다. 이러한 이유로 미래의 차세대 전차선의 형태라고 기대받고 있는 방식이다.

단점이라면 열차가 가는곳마다 선로에 많은 양의 코일을 깔아줘야 한다는 것이다.[10] 2014년 당시 전차선 설치비용이 15억이었는데 무선급전장치 설치비가 25억이었다고 한다.

5.4. 배터리

전기철도는 본래 배터리로 구동되는 것이 초기 콘셉트였으므로 다양한 배터리 전동차들이 전기철도의 여명기에 등장했으나 대부분 널리 이용되지 못하고 사장되었다.

그러나 최근에는 배터리 기술의 발전으로 인해 전기자동차처럼 배터리(이차 전지)로 구동되는 철도차량도 등장하고 있다. 배터리의 특성상 대출력은 아직 어렵지만 저밀도 수송 구간에서는 전차선 등을 이용한 전철화 대신 배터리를 사용한 전동차를 투입해 전철화와 비슷한 효과를 볼 수 있다. 전철화의 걸림돌 중 하나가 고가의 고압전선설비 비용인데 이를 설치하지 않아도 되기 때문. 또한 노면전차 등 도시 미관을 신경써야 하는 도시철도에서도 강력한 이점이 될 수 있다.

배터리로 구동되는 열차는 전차선이 각 역의 천장에만 달려 있어서 정차 중에 팬터그래프를 올려 배터리를 충전하는 방식을 주로 쓴다. 역에 정차할 때 슈퍼커패시터에 급속충전을 하고 그 전력으로 운행하는 방식이다. 일본에서 개발된 EV-E301계 전동차나 EV-E801계 전동차, BEC819계 전동차 등의 배터리 전동차는 수십km 이상을 배터리로 주행할 수 있어 운행구간 말단부에만 충전시설을 설치해도 될 수준까지 왔다.

국내에서는 현대로템이 만든 현대로템 무가선 저상 트램이 있고, 대전 도시철도 2호선과 서울 경전철 위례선, 수원 도시철도 1호선에 투입될 예정이다. # 2019년 한국철도기술연구원의 무가선 저상 트램 실증노선 선정 공모에서 부산시의 오륙도선이 선정되면서 국내 처음으로 무가선 트램을 건설할 도시로 부산시가 선정되었다. 오륙도선 전체 계획의 일부인 1.9km를 실증노선으로 추진하여 2022년 개통을 목표로 하고 있다. 해외에서는 중국 광둥성 광저우 하이주 전차와 대만 가오슝 첩운 순환선 등에서 운행되고 있다.

6. 철도차량 제어 방식에 따른 분류

저항제어
전기자 초퍼제어
계자 초퍼제어
탭 제어
계자첨가 여자제어
버니어 제어
약계자 제어
VVVF

7. 국가별 일반철도 전철화 방식 분류

도시철도와 통근열차는 제외하며, 별다른 언급이 없는 경우 모두 가공전차선 방식을 사용한다.

7.1. 직류 750V

영국(런던 및 동남부 기존선, 제3궤조)

7.2. 직류 1,500V

네덜란드(고속선 제외)
일본( 간토, 간사이, 주고쿠, 시코쿠, 도카이, 고신에쓰의 기존 노선)
프랑스(남부)

7.3. 직류 3,000V

7.4. 교류 15,000V

주파수는 16.7Hz를 사용한다. 독일에서 만들어진 규격으로, 교류 25,000V 50Hz가 간선철도 전철화의 대세가 되면서 현재에는 독일과 주변 국가들에서만 사용한다. 특히 독일은 교류 25,000V 50Hz가 압도적 대세인 고속철도에서도 꿋꿋이 이 규격을 고집한다.

7.5. 교류 20,000V

7.5.1. 50Hz

일본( 도호쿠, 홋카이도의 기존 노선)

7.5.2. 60Hz

일본( 호쿠리쿠, 규슈의 기존 노선)

7.6. 교류 25,000V

7.6.1. 50Hz

7.6.2. 60Hz

대한민국
일본(중서부의 고속선)
대만
미국

8. 관련 문서

[1] 디젤철도차량은 엔진오일이 가라앉은 채 다시 시동을 걸면 실린더 벽에 흠집을 내며 자동차에도 흔한 현상이다. [2] 이러한 약점이 있어 상업운행을 대부분 전기철도로 하는 경우에도 비상시를 대비하여, 어느 정도 비율의 디젤 기관차를 구비해 놓는다. [3] 다만 DPF나 SCR 등 배기가스 저감장치를 별도로 장착해야 하는 내연기관 자동차나 철도차량과 달리 배출가스 배출원이 발전소뿐이기에 오염에 대한 통제는 상대적으로 쉽다. [4] 장대터널이 있는 구간에 증기기관차를 운행하면 승무원이나 승객이 질식할 위험이 있다. [5] 일제강점기의 경원선이나 금강산선은 제외 [6] 바오청철도의 경우 쓰촨성과 산시성 사이에 위치한 친링(秦岭)을 지나가는 철도로 최대 33‰경사와 굴곡이 매우 심해서 기존의 증기기관차에 비해 강력한 출력이 필요한 노선이다. [7] 대한민국의 지상철도와 전압은 AC 25KV로 같지만, 주파수는 60Hz로 다르다. [8] 교류 전기철도는 대체로 직류보다 전압이 높아 절연 문제로 인해 터널이 커진다. [9] VVVF가 상용화되기 이전에는 저항제어, 초퍼제어, 탭제어, 버니어제어, 계자첨가여자제어, 약계자제어에 직류전동기를 썼었다. [10] 이 때문에 밑의 배터리 방식과 결합하여 선로의 일부 구간에만 코일을 깔아서 코일이 있는 구간에서는 배터리를 충전하며 달리고 코일이 없는 구간에서는 배터리에 충전된 전력으로 달리는 방식이 제안된 바 있다.