전기철도의 방식

전기철도의 전기방식에는 직류식(直流式)과 교류식(交流式)이 있는데, 표준전압 ·주파수 등에 따라 여러 종류로 세분된다.

직류방식으로 기동시(起動時)에 견인력이 크고 속도가 상승함에 따라서 견인이 감소하며, 과부하(過負荷)시에도 큰 힘을 낼 수 있다. 또 경부하(輕負荷)시에는 고속운전이 가능한 직류를 직접 사용할 수 있으므로 제2차 세계대전 이전까지는 일반화된 전기철도의 방식으로 보급되어 왔다. 그러나 직류방식에 있어서는 전기차 내에서 전압을 간단하게 변성할 수 없으므로 가공전차선의 전압은 전동기에 공급하는 전압과 동일하여야 한다.

견인전동기의 단자전압은 전동기의 절연문제와 정류(整流)문제로 너무 높은 전압을 공급할 수 없으므로 DC 300 V 이하로 제한된다. 또한 직류방식에서는 열차단위가 커지고 전기차의 용량이 증대되면 부하전류가 커지므로 단면이 큰 급전선을 사용하여야 하고 전차선에 전압강하를 방지하기 위하여 변전소의 수를 증가시켜야 한다.

변전소는 교류 특별고압을 수전(受電)하므로 먼저 변압기로 전압을 낮추고 실리콘정류기로 교류를 직류로 정류하여 가공전차선에 공급한다.

교류방식으로 상별(相別)과 주파수별로 분류하고 상별에는 단상(單相)과 3상(三相), 주파수별로는 16 ²/₃ C/S, 25 C/S, 50 C/S, 60 C/S 등의 방식이 있다. 3상교류에서는 2조의 전차선이 있어야 하므로 집전장치(集電裝置)가 복잡하고 절연이 곤란하다. 따라서, 고전압은 사용할 수 없고 보통 3,000 V 정도로, 16²/₃ C/S 또는 25 C/S를 사용한다.

전기차의 주요 전동기는 3상유도전동기를 사용하므로 직류식과같은 정류상의 문제는 없으나 기동력이 적고 속도제어의 범위가 좁다. 그러므로 평탄하고 정전회수가 적은 선구간에 적합하며 전력희생제동이 쉽다는 이점이 있다. 이 방식은 이탈리아 등에서 일부 사용하였으나 직류 3 kV방식으로 변경되었다.

3상교류방식은 유럽의 여러 나라에서 많이 발전되어 왔으며, 스위스 ·스웨덴 ·독일(16²/₃ C/S, 1.5 kV) ·미국(25 C/S, 11 kV) 등지에서 주로 채택하고 있다. 전기차는 단상교류전동기 또는 반발전동기 등의 정류자(整流子)전동기를 사용하며 차내에 설치되어 있는 변압기에 의하여 400∼500 V 이하의 전압으로 강하하여 전동기에 공급한다.

이 방식은 직류방식에 비하여 전차선 전압이 높기 때문에 변전소의 급전 가능거리는 길어지나 상용주파수(常用周波數)가 아니므로 전용발전소 설비를 하거나 일반 송전선에서 주파수를 변환하는 변전소 설비를 갖추어야 한다.

따라서 이 방식이 직류방식에 비하여 반드시 유리하다고는 볼 수 없다. 상용주파수 25 kV의 단상교류방식은 제2차 세계대전 직전에 독일에서 처음으로 연구를 시도하였으나 결실을 보지 못하고, 전후에 프랑스 국철이 실용화에 성공하여 현재 이 방식이 세계 각국에서 가장 많이 채택되고 있다.