테마기획   G7 고속전철 기술개발사업
 

 

김기환 | 고속철도기술개발사업단장 (khkim@krri.re.kr)
박철암 | 고속철도기술개발사업단 사업총괄팀장 (capark@krri.re.kr)
현승호 | 고속철도기술개발사업단 시스템개발팀장 (shhyun@krri.re.kr)

1. 서론

 건설교통부는 과학기술부, 산업자원부와 함께 1996년 12월부터 경부고속철도사업을 통하여 수입된 프랑스의 선진고속철도 core system 기술과 유지·보수 및 운영기술을 보다 적극적으로 수용하고, 계승·발전시키기 위하여 선도기술개발사업으로 “고속전철기술개발사업”을 추진하였다. 현재 5차년도, 즉 2단계 2차년도 사업이 진행되고 있다. 본 사업에서는 이전기술의 완벽한 소화와 발전뿐만 아니라, 선진국에서 이전을 기피하는 핵심기술인 설계/인터페이스/시스템 통합기술을 자체적으로 확보하고 세계적으로도 선구적인 차세대 고속전철 시스템을 개발하고 있다.

2. 본 론

2.1 기술개발의 목표 및 개요

 고속전철기술개발사업의 최종목표는 최고속도 350km/h의 한국형 고속전철 시스템을 개발하고 핵심기술을 확보하는 데에 있다. 경부고속철도 사업을 통하여 이전되는 기술은 제작기술이 큰 비중을 차지하고 있으나, 이 개발사업을 통하여 산 학 연 공동으로 설계 및 제작에 필요한 기술을 완벽하게 소화흡수하고 세계적인 추세에 맞는 기술개발을 함으로써 명실공히 독자적인 고속철도 기술 보유국가로 도약할 수 있게 될 것이다.
 기술개발사업 기간은 1996년 12월부터 2002년 10월까지 총 6년간이다. 총 사업비는 2,874억원으로 정부와 민간이 각각 1,437억씩 투자하게 계획되어 있다. 사업 종료년도인 2002년에는 7량의 시제열차가 완성되어 350km/h의 속도로 시운전을 실시할 예정이다.
6년에 걸친 사업 기간을 3년씩 2단계로 나누어 진행하며, 1999년 10월까지 진행된 1단계에는
 ● 차세대 한국형 시스템 사양 결정 및 상세설계
 ● 시제차 모형 제작 완성
 ● 신호장치 프로토타입 개발
 ● 선로구축물의 설계기술 개발
로 부분시스템 단위의 상세설계 및 모형 제작이 이루어졌고, 1999년 11월 시작된 2단계는
 ● 시제차 완성 및 시운전
 ● 350km/h 고속전철의 시험평가 기술 자립
 ● 시스템 엔지니어링 기술 자립
 ● 신호장치 시제품 개발 완료
 ● 선로구축물의 설계기술 자립
등을 목표로 수행할 계획으로 있으며, 시제열차를 완성하여 시험평가를 거쳐 350km/h의 시운전을 수행하는 것을 최종목표로 하고 있다.
올해에는 총 40여개 산·학·연 연구기관이 최종목표달성을 위하여 노력하였다.

3. 주요 개발 내용

 본 사업에서 개발하고 있는 한국형 고속전철 시스템은 경부고속철도 시스템을 근간으로 하면서 최근의 기술 동향을 반영하여 부분적으로 새로운 기술을 적용하고 있다. 2001년부터 시운전될 프랑스의 차세대 TGV인 AGV(Automo trice a Grand Vitesse)도 편성의 차이점을 제외하고는 우리의 한국형 고속전철과 거의 유사한 기술적인 내용을 포함하고 있다. 주요개발내용을 살펴보면 시스템엔지니어링 분야와 차량시스템 및 부품분야로 구분할 수 있다.

3.1 시스템엔지니어링 분야

 시스템 분야에서는 시스템엔지니어링, 시험평가, 신호 시스템, 선로구축물 시스템 등이 포함되어 있으며, 이들 세부분야별 성과들을 살펴보면, 먼저 체계적인 개발과정 및 시스템 품질 관리를 위하여 지난해부터 도입된 전산지원 S/E 체계가 더욱 발전되었다. 시스템간의 불일치를 최소화하기 위하여 체계적인 시스템 통합 절차를 제공할 수 있는 시스템엔지니어링 체계를 RDD-100을 이용하여 구축하고 시스템 요구조건부터, 설계사양, 시험 및 평가 등을 관리할 수 있는 DB를 개발하고 있다. 이와 연계하여 최종연도에 실시될 시운전과 함께 시험평가계획에 따른 종합관리 체계를 구축하였다.
 시스템 기본 사양에서 개발되는 차량은 경부고속철도의 20량 1편성을 기본편성으로 하고, 수송수요에 적절히 대응하기 중간을 분리할 수 있도록 구성하였다. 연구개발사업의 예산 및 일정상의 문제로 본 연구개발사업에서는 전체 20량 편성의 기능과 특성을 확인할 수 있도록 7량 1편성의 시제차량<그림 1>을 제작한다.
 동력차, 동력객차 및 객차 등이 각기 다른 형태로 되어있는 것을 볼 수 있다. 시제 열차는 경량화를 위하여 알루미늄을 기본재료로 사용함으로서 객차의 폭은 2,970mm이다. 이는 기존의 차량한계를 그대로 유지하면서 강도유지를 위하여 경부고속철도 보다는 156mm 넓게 설계되어 현재 제작되고 있다.

<그림 1> 시제열차의 편성

 또한 개발되는 7량 1편성의 차량중에서 1량은 각종 시험장비가 탑재될 예정이다.
 이를 위하여 측정위치 및 센서 선정으로부터 데이터 분석장치에 이르는 계측시스템 설계가 이루어졌다<그림 2>.

<그림 2> 시제차량 계측시스템 설계

 신호제어분야에서는 신호시스템의 통합시뮬레이터를 개발하였으며 곧 개발 완료될 분산형 전자연동장치, TVM 430을 기본으로 하는 자동열차제어장치 등 신호장치들이 한곳에서 시험을 실시할 계획이다.
 고속차량의 주행안전성 및 승차감을 고려한 선로구축물 설계 및 성능향상을 위하여 선로구축물분야에서는 차량/궤도/교량의 상호작용해석기법개발, 궤도의 각 구성품에 따른 영향을 고려한 궤도종합성능평가 프로그램 및 고속분기기의 설계 등을 개발하였다. 또한 고속철도 슬라브궤도의 체계적 개발을 위하여 이미 사용중인 고속철도 슬래브 궤도의 장단점을 분석하여 부설속도가 빠르고 경제성이 높을 뿐만아니라 시공오차를 줄일 수 있는 궤도설계기술개발을 완성하였다<그림 3>. 이 외에도 속도증가에 따라 필요한 성능향상기술을 개발하고 시운전시의 각종 시나리오에 대한 선로구축물의 영향을 분석하였다.

<그림 3> 슬래브궤도 3차원 전경

 시스템 엔지니어링 분야에서는 차량-가선시스템, 차량-궤도시스템, 차량-신호시스템, 그리고 차량-환경과의 인터페이스 연구가 수행되었고, 신호시스템 주요 핵심장치를 개발하였으며, 선로구축물 시스템 연구를 통해 설계자동화 및 유지·보수 시스템 개발 등이 수행되었다.
그리고 차량-가선 동특성 S/W, 차량-궤도 동적 상호작용 해석 S/W 등이 개발되어 하부 시스템 설계 및 제작에 활용되었다. 또한 기반기술과제에서는 1단계 평가시 제시된 전두부에 대한 각종의견에 따라 제작과제와 협의하에 전두부의 설계<그림 4> 변경을 수정하였으며, 이 과정은 그동안 개발된 각종 해석과 시험을 통하여 이루었다.


<그림 4> 전두부 형상

3.2 차량 시스템 분야

 차량 시스템엔지니어링은 1단계에서 개발된 설계를 더욱 발전시켜 생산설계를 마무리하였다. 그동안 발생된 문제점을 수정보완하고 부분적으로는 설계변경을 이룩하였으며, 각종 치공구도 설계제작하여 본격적으로 차량제작이 될 수 있도록 준비하였다. 또한 부족한 국내 기술을 보완하고 더욱 고도화하기 위하여 독일의 DE-Consult, Bomardier Talbot 및 스위스의 Alu-Swiss등과의 기술협력을 통하여 선진기술을 접목하고, 본 사업에서 진행되고 있는 설계에 대하여 상세한 검토를 수행하였다. 이 뿐만이 아니라 변압기, 주전력변환장치, 견인전동기를 종합하여 시험할 수 있는 종합장치<그림 5>도 개발되었다.

<그림 5> 추진시스템 종합 시험장치

 각각의 특성을 살펴보면 먼저 변압기는 고속철도 차량에 탑재되어 고속열차에 필요한 모든 전력을 공급하는 것으로, 경부고속철도에 비하여 용량은 약 20% 가량 증가한 반면 무게는 약 15% 감소되었으며, 개발과정을 통하여 대용량 전철용 변압기의 설계 및 제작기술을 확보하였다. 주전력 변환장치는 견인전동기에 공급되는 전력을 제어하여 열차의 속도와 가속도를 제어하기 위한 장치로, 2.5MW급 대용량 기기로는 세계 최초로 IGCT(Intergrated Gate Commutation Thyristor) 소자를 이용하여 효율과 제어성능을 향상하였다. 견인전동기는 1.1MW급 유도전동기로 1단계에 이미 개발 완료되어 단품시험에서 우수한 성능을 입증하였으며, 금년에는 2차 시작품을 개발하여 성능 향상을 꾀하였다. 진단 제어시스템은 사람의 신경회로망 처럼 각 열차의 부분에서 진행되고 있는 정보를 교환하고 각종 장치들의 상태정보와 제어정보를 수집, 분석 처리하여야 한다. 한국형 고속전철은 정보전달을 위해 TCN(Train Communication Network)을 채택하였다. TCN은 독일의 IEC (International Electrotechnical Commission)에서 표준네트워크로 설정한 것이며 분산화와 모듈화가 특징이다. TCN은 WTB(Wired Train Bus) MVB(Multifunction Vehicle Bus)로 이중계층구조로 구성되어 있다. 전자는 차량간의 노드를 연결하는 Bus이며, 후자는 차량내부의 기기 간을 연결하는 Bus이다.
 <그림 6>과 같이 한국형 고속전철의 모터블록은 두 대의 AC-DC PWM컨버터와 한 대의 인버터로 구성되어 있으며, 한 인버터는 두 대의 견인전동기를 병렬운전하는 형태로 이루어진다. 동력차에는 두 대의 모터블록이 있고, 동력객차는 1대의 모터블록을 가지고 있으며, 동력차의 변압기를 통하여 전력이 공급된다. 중간동력객차에는 동력차에 장착된 변압기와는 다른 변압기가 설치되어 있다. 열차의 총괄적인 제어는 SCU(Supervisory Control Unit)가 담당하며, 컨버터 제어기, 추진제어기(TCU : Traction Control Unit), 보조전원장치, 제동제어기 등의 장치별 제어기와 판토그라프, 승강구 출입문 등 SCU로부터 직접제어 지령을 받는 각종 장치들은 TCN을 통해 유기적으로 결합되어 있다.

<그림 6> 고속전철의 전기시스템 개요도

 현재 개발중인 한국형 고속전철에서는 1100KW 3상 농형 유도전동기를 적용하고 있다. 이 전동기는 이미 개발되어 시험중에 있으며, 획기적인 비용절감이 기대된다. 한국형 고속전철의 추진 제어 시스템은 IGCT 소자를 이용한 4상한 컨버터와 VVVF 인버터로 구성된다. GTO(Gate Turn Off) 소자에 비해 빠른 스위칭 속도를 갖는 IGCT 소자를 이용함으로서 역률 및 제어 효율을 향상시킬 수 있으며, 중간 동력객차에 장착된 능동 필터와 함께 고조파 저감을 이룰 수 있어 에너지 절감과 저소음화가 가능하다. 또한, 효과적인 전기제동과 아울러 고속에서의 제동력 확보를 위하여 동력이 없는 일반대차에는 와전류 제동장치를 구현하여 안전을 도모하고 있다.
이외에도 추진장치뿐만 아니라, 판토그라프, 감속구동장치, 동력객차용 대차 프레임, 제동장치, 여압장치 등의 차량 핵심장치들<그림 7>이 개발 제작되었다.

감속구동장치                                                  유도전동기
..

대차 프레임

<그림 7> 각종 핵심장치

3. 결론

 본 사업은 지난 1999년 1단계 사업을 성공적으로 수행하였다. 현재 2단계 2차년도 사업이 진행중이며, 그간의 성과물에 대한 시험과 평가를 통한 성능 향상과 신뢰성 확보를 위한 연구가 진행되었다. 2단계 1차년도의 평가시에 일부과제의 진행이 미흡한 것도 있으나, 빠른 시일내에 보완하여야 할 것이다.
 현재는 차량제작에 돌입하여 2단계 2차년도의 중반정도인 2001년 7월에는 차체의 윤곽이 어느정도 완성될 것이며, 각종 전장품의 제작이 완료되어 종합하게 되면 완전한 차량이 이루어지게 된다. 마지막 연도인 2002년 6월부터는 본선에서의 시운전이 실시될 계획이다. 시운전은 현 경부고속철도 시운전 구간이 가장 적절한 것으로 판단된다. 이 구간은 설계 최고속도 350km/h로 되어 있으나 일부 시설물, 예를 들어, 가선 시스템은 300km/h의 속도에 맞추어져 있다. 따라서 본 사업의 연구진들은 이 시험선에서 주행할 경우의 문제점 도출과 대책 수립을 병행하여 연구하고 있다.
 2002년 10월에 G7 고속전철기술개발사업이 종료되면 그동안 개발된 선로구축물, 신호, 차량 등의 각종 제품 및 소프트웨어의 실용화를 위한 기술의 안정화 단계가 반드시 필요하다. 또한 국내에서 최초로 개발되어진 시제차량의 활용을 위한 계획이 이루어져야 한다. 이를 위하여 기술개발은 단순히 G7 사업에서 종료되어서는 안될 것이며, 지속적으로 발전시켜나가기 위한 노력이 필요하다.

 

< 참고문헌 >

[1] "G7 고속전철기술개발사업 2단계 1차년도 연구성과 보고서", 12/2000
[2] "G7 고속전철기술사업과 동역학 및 제어분야 기술개발", 대한기계학회, 11/2000
[3] "2000년도 고속전철기술개발사업 기본계획", 9/2000