김휘준 | 한국생산기술연구원 선임연구원 (khj@kitech.re.kr)
배정찬 | 한국생산기술연구원 수석연구원 (jcbae@kitech.re.kr)

1. 서 론

 판토그라프는 주행하는 전철의 동력차 옥상에 설치되어 가선을 따라 차량과 동일한 속도로 이동하면서 가선으로부터 전력을 받아 동력차의 주변압기에 공급해 주는 고속전철의 핵심부품이다. 판토그라프 설계 및 제작 기술은 고속전철의 한계속도를 결정하는 주요 기술 중의 하나인데, 세계적으로 고속용 판토그라프 제작기술을 보유하고 있는 나라는 5개국에 불과하며, 기존의 경부고속전철사업에서도 기술이전을 가장 꺼리는 품목이다. 판토그라프의 구조는 차량 및 가선의 조건에 따라 여러 가지 종류가 있는데 다이아몬드형, 크로스암형, 그리고 싱글암형 등이 가장 널리 사용되고 있으며, 가선과의 사이에 일정한 정적 압상력을 가해주는 구동방식으로는 스프링 상승식, 공압 실린더 상승식 및 에어 벨로우즈 상승식 등이 있다. 국내 지하철의 경우 초기에 다이아몬드형이 사용되었으나 임의의 집전높이에 대해 옥상 설치공간을 보다 줄일 수 있는 크로스암형이 현재 가장 널리 사용되고 있으며, 최근 신설된 일부 지하철에는 일정 설치공간에서 가장 높은 집전높이를 확보할 수 있는 싱글암형이 채택되고 있다. 현재 시험운행 중에 있는 경부고속전철에는 프랑스 Faiveley사의 GPU-25K 싱글암형 판토그라프가 사용되고 있다.
 일본에서는 재래선의 경우, 크로스암형과 싱글암형의 적용비율이 거의 같으나 신간센에서는 크로스암형이 압도적으로 많고 1990년대 중반이후 저소음 구조인 V형 판토그라프 개발과 함께 싱글암형의 적용 비율이 높아지고 있다. 한편, 유럽에서는 가선의 높이 변화가 심해 싱글암형 판토그라프가 가장 널리 사용되고 있다. 판토그라프의 신뢰성은 차량의 고속 주행에 필수조건이 되기 때문에 고속전철을 개발한 프랑스, 독일, 일본 등 선진 각국들은 10년 이상 걸려 자국 차량 및 선로에 적합한 판토그라프를 개발하였으며, 열차 성능 향상의 요인이 되는 집전 성능 및 소음저감에 대한 연구개발을 계속하고 있다. 국내에서는 120Km/h 속도의 전기 기관차용 판토그라프를 제작하고 있으나, 크로스암형이나 다이아몬드형 판토그라프에 한정되어 있다.
 고속전철용 집전 시스템의 경우, 설계 및 생산 경험이 없으며, 경부고속전철 건설사업과 관련하여 일부 연구기관과 학계 등에 의하여 기술조사와 시스템의 동특성 해석에 관한 기초연구가 수행된 바 있다. 현재 G7 고속전철 기술개발 사업의 일환으로 350km/h의 고속에 적용될 수 있는 한국형 고속용 판토그라프의 개발이 구조분야 및 집전판분야에 대해 진행 중에 있다. 구조분야의 경우 싱글암형 판토그라프의 해석, 설계, 제작 및 시험평가에 대해 연구를 수행 중이며, 2차에 걸쳐 시작품을 제작하여 성능을 시험했다. 본 고에서는 G7 판토그라프의 요구특성에 대해 설계 시에 고려되고 적용되는 주요 설계인자들을 살펴보고, 2차 시작판토그라프의 시험결과에 대해 정리해 보았다.

2. G7 판토그라프의 요구사양

 G7 판토그라프의 요구사양은 G7차량편성조건 및 KNR가선계를 기준으로 판토그라프 형식, 동작방식, 조작 전압 및 공기압, 추종모델의 등가질량 값, 작용높이, 시험기준 등이 결정되었으며 주요내용을 <표1>에 정리했다. KNR가선계의 경우 기존구간과 고속구간으로 구분되는데, 기존구간의 가선 최고 높이는 레일선단으로부터 5400㎜, 최저 높이는 5100㎜로 변화폭이 300㎜이고, 고속구간은 최고 5330㎜에서 최저 5230㎜로 변화폭은 100㎜이며, 고속구간의 높이는 기존구간의 범위에 포함된다. KNR가선조건 및 차량한계를 바탕으로 한국형 고속용 판토그라프의 집전높이를 결정하면, 최저 집전높이는 레일선단으로부터 4288.5㎜, 지붕으로부터 808.5㎜, 접은위치에서부 터 100㎜이며, 최고 집전높이는 레일선단으로부터 5600㎜, 지붕으로부터 2120㎜, 접은위치에서부터 1411.5㎜이다.
 한편, 최대 개방높이는 접은위치에서부터 1811.5㎜로 결정했는데, KNR가선계에 따라 판토그라프의 작동높이를 100㎜부터 1811.5㎜로 했을 때, 유럽형 판토그라프의 100㎜부터 2800㎜보다 작동폭이 작기 때문에 프레임길이 및 크기를 줄일 수 있어 경량화가 가능하여 추종성 확보에 유리할 것으로 기대된다. 한국형 고속용 판토그라프의 등가질량값들은 KNR가선조건에 3자유도 모델의 판토그라프를 적용하여 한국철도기술연구원에서 보유하고 있는 프로그램을 이용하여 동특성 해석을 수행한 후 차량속도가 250km/hr에서 350km/hr까지의 속도에서 추종성이 가장 높은 조건을 선정하였다.
 G7고속전철의 경우 집전전류가 1000A로 KTX에 비해 2배 높기 때문에, 집전판의 소재는 대용량의 전류흐름을 확보하기 위해 용침탄소계 또는 용침탄소계와 순탄소계의 조합이어야만 한다. 용침탄소계 집전판은 순탄소계 집전판에 비해 굽힘강도가 2배이상 높고, 집전전류량도 3배정도 많지만, 비중이 커서 집전판 자체의 무게의 경우 1.1kg(60%) 증가하므로 추종특성에 불리한 조건을 준다. G7판토그라프에서는 소재의 경량화 및 팬헤드 구조의 개선을 통해 추종특성에 가장 큰 영향을 미치는 2차 현가계에 가해지는 하중을 GPU-25K 판토그라프에 비해 약 2kg정도 저감시켰다. G7판토그라프의 표준 정적압상력은 표준집전높이에서 KTX와 동일한 70N인데, 상승과 하강시의 편차는 10N이내이고 전체 작동범위에서는 20N이내가 되도록 설계했다. 요구사양에서 결정된 표준 정적압상력 및 압상력의 편차를 충족시키기 위해서는 구동시스템의 설계가 중요한데, G7 판토그라프에서 상승은 주스프링에 의해 하강은 공압실린더에 의한 KTX와 동일방식을 채택했다. 판토그라프의 집전높이에 따른 정적압상력의 변화폭을 최소화하기 위해서는 주축과 주스프링을 연결하는 캠 형상의 설계가 가장 중요한 요인이다. G7 판토그라프의 경우, 자체 제작하고 일본의 Toyodenki Seizo K.K.사의 검증을 통해 확정한 프로그램에 의해 얻어진 구조해석 자료를 입력하면, 최적의 캠형상이 설계될 수 있는 계산 프로그램을 자체 개발해서 활용하고 있다. <그림 1>은 계산된 캠 형상이며, <그림 2>는 G7판토그라프 시작품에 설치된 캠 형상며, <그림 3>은 집전높이에 따른 정적압상력의 변화이다.

<표 1>판토그라프 운영환경 및 요구사항



<그림 1> S/W 상의 캠 설계결과

<그림 2> G7판토그라프 시작품에 설치된 캠

<그림 3> 집전 높이에 따른 정적 압상력

3. G7 판토그라프 시작품의 성능

 판토그라프의 성능시험은 본선 주행 시험이전에 판토그라프의 성능을 종합적으로 점검하는 시험으로서 동특성 해석을 통해 결정된 m,c,k로 구성된 싱글암 판토그라프의 주파수 응답특성을 조사하는 추종특성시험, 비록 강체 가선이지만 가선이 최대 속도 300km/h로 판토그라프와의 습동 상태를 모의하여 이선율 및 내구특성을 조사하는 종합성능시험, 그리고 최고 350km/h의 풍속에서 판토그라프의 양력, 항력, 공력소음 및 각부 진동을 조사할 수 있는 저속 및 고속 풍동시험 등이 있다. G7 판토그라프 개발과제의 4차년도 연구에서는 2차 시작판토그라프를 제작한 후 성능검토를 위해 일본의 Toyodenki Seizo K.K.사, 일본철도기술종합연구소(RTRI), 일본자동차연구소(JARI)에서 각각 추종특성시험, 종합성능시험, 저속 풍동시험을 수행했다.

◆ 추종특성성능
 추종특성시험에서는 판토그라프의 표준설계조건을 기준으로 팬헤드의 질량을 5.5kg, 6.5kg, 7.5kg으로변화시키고, 가진위치를 팬헤드 중앙, 그리고 스테거링 거리인 중앙으로부터 200mm 옆에서 1∼70Hz의 주파수에 대해 이선이 시작되는 진폭(0.01 ∼20mm)을 측정하고, 각부 진동 및 응력을 조사했다. G7 판토그라프 2차 시작품의 추종특성은 그림4에서 보는 바와 같이 전형적인 3DOF 추종특선 곡선 형태인데, 2차 현가계에 가해지는 질량이 증가할수록 스팬 주파수대역에서는 이선이 시작되는 진폭은 비슷하나 행거 주파수 대역에서는 10.5Hz에서 이선 시작 진폭이 작아졌다. 모든 조건에서 G7 시작 판토그라프의 추종진폭이 일본의 고속용 판토그라프의 10㎜보다 우수한 20㎜이상이었는데, 이 결과는 이선에 있어 보다 유리한 조건으로 기대된다.

<그림 4> 표준조건에서의 추종특성곡선



<그림 5> 추종특성시험 중인G7판토그라프 시작품

◆ 판토그라프 종합성능
 종합성능시험에서는 판토그라프 인자 및 가선조건을 변화시키면서, 최고 300km/h의 속도까지 일정 속도 간격으로 이선율, 각부응력, 진동 및 통전특성 등을 조사하였다. 이선율은 모의 가선과 판토그라프 사이에 전압(15V정도)을 걸어 측정하는데, 이 시험기에서의 이선율은 실제의 탄성을 갖는 카테너리 가선조건이 아니기 때문에 실차 측정값보다 매우 크고 측정한 값을 상대 비교하여 좋고 나쁨을 판단하는 자료로 활용하고 있다.
 G7 2차 시작 판토그라프의 이선률은 차량 주행속도가 100km/hr일 때에는 역방향설치가 이선률이 커지나 200km/hr이상에서는 가진이 없거나 스팬 주파수 가진일 때 판토그라프의 설치방향에 대하여 큰변화가 없고 행거 주파수 가진일때는 역방향 설치일 때 이선률이 낮아졌다. G7 2차 시작 판토그라프의 경우 어떤 조건에서도 30%이하로 안정적인 추종특성을 나타냈으며, 행거 주파수에서 10mm진폭으로 가진할 때 300km/hr에서 이선율이 60%를 넘은 일본 고속용 판토그라프에 비해 추종특성이 우수했다. 이는 2차 현가계에 부가되는 하중이 낮고, 탄소계 집전판의 우수한 윤활작용 때문인 것으로 사료된다.

<그림 6> G7판토그라프의 종합성능시험



<그림 7> G7 시작판토그라프의 이선율 변화

◆ 저속풍동시험
 판토그라프와 관련하여 풍동시험을 통해 양력, 항력, 소음, 흐름의 가시화, 각부 진동 및 응력을 측정할 수 있는데, 양력의 측정은 집전판과 로드셀(베이스 프레임에 설치)과를 와이어로 연결하고 하중의 변화를 측정한다. 항력은 풍동장치내에 설치된 3분력 천칭에 의해 측정했다. G7 2차 시작 판토그라프에 대한 저속풍동시험에서는 유동의 방향, 높이, 측풍의 각도, 받음각, 유동속도(120km/h, 150km/h, 180km/h) 등을 주요 변수로 하여 양력, 항력, 모멘트, 각부 진동 및 응력 특성을 조사했다. G7 시작판토그라프의 공력압상계수는 그 값이 10-4정도의 차수를 가지며, 전체적으로 속도의 증가는 양력 크기의 절대값을 증가시켰으며, 같은 속도 하에서 받음각이 0。 일 경우에 비해 +3。 일 경우는 양력이 증가하고 받음각이 -3。일 경우는 감소했다. 풍동시험을 통해 공력압상계수를 1.0×10-4∼1.0×10-3[N/(km/h)2]의 범위내에서 임의로 제어할 수 있는 방안을 얻었다.

<그림 8> 저속풍동시험

 G7 판토그라프 개발의 5차년도 연구에서는 성능시험결과를 토대로 설계를 보완하여 3차 시작판토그라프를 제작한 후 350km/h까지의 고속풍동시험을 통해 양력 및 소음 특성을 최적화할 계획이다.

< 참고문헌 >

[1] 한국생산기술연구원보고서, “판토그라프 개발”, 2000
[2] 동양전기제조(주)보고서, “일본의 고속신간선용 판토그라프의 개발현황”