동향   해외고속철도차량 기술동향
 

 

백광선 | 시스템개발팀 선임연구원 (ksbaik@krri.re.kr)
김석원 | 시스템개발팀 선임연구원 (swkim@krri.re.kr)
최강윤 | 시스템개발팀 책임연구원 (kchoe@krri.re.kr)

1. 서 론

 신간선의 개발시 초기에는 300km/h가 차량한계로 생각되었으나 TGV 및 ICE의 시험결과 그 한계는 더 멀리 있다고 판명되었고, 최근에는 약 480km/h 정도가 차량한계로 생각되고 있다. 이와 같은 차량의 고속화에 있어 일본과 유럽은 사용되는 조건 등이 다르고 환경에 맞게 별도로 기술개발을 추진해온 관계로 철도차량이 구성이 특징을 갖고 개발되어 왔다. 이와 같은 기술동향은 과거에는 차량을 고속화하기 위한 연구가 주류를 이루었으나 1990년대를 정점으로 궤도 및 터널 등과 조화를 이루어 속도향상이 가능하게 하기 위하여 차량의 경량화 연구, 공력해석을 통한 차량형상의 최적화 및 틸팅대차의 개발 등이 주류를 이루고 있다. 또한 승객의 안락성과 편의성에 대한 요구가 증가함에 따라 차량의 성능뿐만 아니라 인간공학적인 측면과 환경 친화적인 측면의 연구개발이 이루어지고 있다. 고속전철기술선진국에서의 기술개발의 방향은 다음과 같다.
 * 틸팅시스템 등을 통한 승차감 향상 등으로 승객서비스 향상
 * 공기 역학적 차체 외형설계 등을 통한 환경/실내소음 감소
 * 핵심 전장/기계부품의 고효율화를 통한 경량화 등을 통한 차량의 경량화
 * 고효율의 전력소자 활용 등을 통한 고효율의 추진시스템 개발
 * 대차 성능향상 등을 통한 주행안정성 및 충돌안전도 향상
 * 소재개발 및 열용량 증대 등을 통한 고성능제동시스템 개발

2. 차량의 구성

 고속열차의 편성은 동력분산식과 동력집중식이 있다. 동력분산식은 점착성능이 높아 가속성과 제동성능이 좋아지며, 축중이 가벼워지며, 한 개의 차량이 고장나더라도 그 영향이 전체적으로 적지만 주행저항 및 에너지 소모가 크고, 총 중량 및 제작비가 증가하며 유비보수의 면에서 불리하고 소음원이 광범위하게 확산되는 단점이 있다. 또한 열차길이당 좌석수를 증가하고 많은 전동기를 제동시에도 사용할 수가 있어 기계제동에 의한 소모를 감소시킬 수 있으므로 일본에서 모든 신간선에 적용하고 있다. 이에 반해 추진부분이 집중된 동력집중식은 분산식에 비하여 가속도를 크게 얻을 수가 없고, 역이 많은 곳에서 기계제동의 마모가 크지만 동력기기의 집중으로 보수작업과 여객차 내의 쾌적성이 유리하여 유럽에서는 지반에 문제가 없는 관계로 근거리열차에서 고속열차까지 광범위하게 채용하고 있다. TGV-PSE, TGV-A, ICE 등에서 채용되고 있다. 그러나 차량의 고속화가 레일에 미치는 영향 등에 따라 유럽에서도 ICE-T(1998년), ICE3(2000년)와 AGV(프랑스) 등과 같이 동력분산식을 개발, 운용하고 있다.

3. 차량 메카니즘

3.1 전동기 및 제어장치

 고속전철용 구동용전동기는 처음에는 동력분산식과 집중식 모두 직류전동기가 사용되었다. 일본의 0∼200계, 400계, 프랑스의 TGV-PSE, 이탈리아의 ETR450이 직류전동기 구동이다. 이 전동기를 제어하기 위해서 전류회로(轉流回路)가 설치되어야 하며, 정류의 문제점, 전동기의 크기, 특히 전기자의 직경에 대한 고출력의 정류가 어려우며 정류자와 브러시의 빈번한 유지보수, 출력 강화도 곤란 등의 단점을 가지고 있어 무정류자 전동기에 대한 개발이 진행되었는데, 독일에서는 유도전동기 구동시스템의 개발을 먼저 시작했고 프랑스는 동기전동기를 개발하였다. 이에 따라 유도전동기를 사용하는 시스템을 적용하는 시제차가 유럽에서는 1971년에 등장하였고 일본에서는 1982년에 등장한 이래 ICE와 이탈리아의 ETR500 그리고 300계 이후 신간선에서는 유도전동기 구동기술을 사용되어 1990년대에는 광범위하게 사용되고 있고 프랑스는 동기전동기 구동기술을 사용하여 전류형 인버터와 결합하여 TGV-A, TGV-R, AVE 에 적용하고 있다.
 소음, 진동 등의 환경 대책과 고속에서의 안정된 성능 그리고 소형화와 경량화 그리고 시스템의 대용량화를 위해서는 유도전동기 구동방식이 유리하고 차량의 경량화로 인해 더 작은 크기로 고출력을 낼 수 있는 제품이 계속 연구되고 있으므로 동기전동기를 사용하는 나라에서도 유도전동기를 사용하는 인버터제어가 주류를 이루게 될 것이고 소형 대출력 견인전동기의 개발을 위한 노력이 계속될 것이다. 전동기와 제어장치의 출력이 크다고 무조건 속도가 빨라지는 것은 아니다. 점착한계 내에서 견인력 및 제동력을 제어해야 하기 때문이다.
 그런데 VVVF 제어와 유도전동기 구동기술 및 점착제어기술의 증대에 따라 전동기의 소형화 및 대출력화가 진행되어 일본에서는 전동차의 비율을 작게 하는 경향이 나타나고 있다.(300계-300kw-10M/6T, E1계 410kW-6M/6T). 이태리에서도 ETR450에서 310kW 직류전동기 2개를 차체에 탑제한 전동차 6량/부수차 1량의 구성이었으나 1996년 등장한 ETR460에서는 490KW 유도전동기를 채용하여 6M3T로 변경 적용하고 있다. 제어기술이 발달해도 인버터를 구성하는데 있어서도 사용되는 반도체 소자가 받쳐주지 않는다면 어느 정도 한계에 도달하게 된다. 초기에는 반도체 소자로 싸이리스터가 사용되었으나 점진적으로 스위칭 속도가 빠른 소자가 개발되어오고 있으며 이는 차량의 점착성제어, 고조파문제 등을 줄이는데 도움을 준다.
 독일과 스위스에서는 무정류자 전동기의 개발에 정진하여 1970년대에는 정지형 인버터에 의한 유도전동기 구동시스템을 시험 제작하여 GTO 등 전력용 반도체소자를 개발하여 1980년대에는 대용량 인버터 기관차를 실용화하여 ICE에 GTO가 사용되었고, 최근에는 스위칭 속도가 빨라 소음, 점착력 개선 제어, 고조파 발생량 등에서 유리한 IGBT가 대용량으로 개발되어 동력분산식(E4계-일본, ICE3-독일)에서는 사용되고 있으며 동력집중식에도 적용이 가능한 대용량 소자도 시험 중에 있다. 국내에서 개발중인 G7 고속전철에서는 동력집중식인 관계로 GTO보다 효율이 좋고 고속스위칭이 가능한 IGCT가 사용되어 개발되고 있다. 축당 토크가 크거나 정밀하게 토크제어가 필요한 경우는 1개 인버터 1개 전동기를 사용하나 비용감소를 위하여(분산식)1대의 인버터로 2대 이상의 전동기를 제어하고 있으며 X2000에서는 1인버터 2전동기가 적용되고 있다.

3.2 집전장치

 차량 고속주행중의 차량진동, 트롤리선의 고저차와 진동을 흡수하여 전차선에 안정적인 집전을 이행하므로 차량을 고속화하는데 있어서 집전성능이 큰 비중을 차지한다. 따라서 공기와의 마찰로 인한 소음을 저감하기 위하여 개발이 수행되고 있다.
 이를 위하여 다양한 집전장치가 개발되어 왔다. 판토그라프에는 능형(菱形)(ETR450, 460)과 다이아몬드형(능형의 변형으로 0계 사용)이 처음에는 사용되어 고속으로 주행하면서 양력에 의한 압상력의 변화를 보전하여 일정 압상력을 유지하며 안정된 집전을 하기 위하여 집전주와 위쪽 프레임사이에 스프링을 삽입하거나 판토헤드의 형상을 고안하는 일이 진행되기도 했으며, 다이아몬드형의 경우 소음특성이 좋지 않은 것으로 판명되었다. 가선 높이의 변화와 고속주행시에도 가선에 재빠르게 추종하기 위하여 등가질량을 작게 한 싱글암형이 프랑스에서 개발되어 ICE, ETR500, X2000에서 채용되고 있다.
 또한 추종성을 좋게하기 위하여 스프링 상 등가질량을 작게한 2단식 싱글암형이 개발되어 TGV-PSE(1981년)에 사용되고 있다. 이 외에도 E3계는 저소음형의 싱글암 판토그라프가 채용되고 있으며, TGV-A는 안정판에 해당하는 기구를 소형화하여 경량화를 이룬 제품을 사용하고 있다. 또한 일본에서는 공기실린더의 내압을 제어하여 압상력을 일정하게 유지하는 T자형 판토그라프를 개발했는데, 이 장치는 복잡하지만 공력특성이 개선되고 소음이 작아지는 특징을 갖고 있으나 고속에서의 특성이 만족스럽지 않아 500계에서만 채용되고 있으며, 고속에서도 안정적인 집전이 이루어지도록 하는 연구가 진행되고 있다. 이 판토그라프는 최근까지 수동형 제어방식으로 사용하여 고속으로 주행할 수 있는 가선계가 제한되며, 고속으로 주행할 경우에는 접촉력이 크게 변하여 전차선의 파상마모, 집전판의 마모 등이 있을 수 있어 총순기비용이 클 수 있다. 이를 위해 능동형 제어장치의 판토그라프가 필요하다.
 이 판토그라프는 열차주행중에 판토그라프와 전차선 사이의 접촉력을 거의 일정하게 유지시켜줌으로 마모 발생량이 줄어들고 다양한 가선계에서도 고속주행시 양호한 집전성능을 얻을 수 있다. 외국에서는 이미 90년대에 연구를 시작했고 프랑스는 이미 CX를 개발하여 2층 열차인 PBKA에 활용하고 있으며, 이태리는 개발을 했고, 독일은 250km/h 이상의 고속용 판토그라프를 적극 개발 추진중이다. 그런데 현재 가선과 집전장치의 관련 측정 데이터를 전송하는 전송시스템가 필요한데 가격이 고가인 관계로 개발 단가를 맞추는데 어려움이 있다. 판토그라프의 수량도 고속주행에 중요하다. 신간선 0계에서는 2량당 1개의 집전장치를 사용했으나 고속주행시 전방 판토그라프의 가진으로 트롤리선이 후방 판토그라프에 영향을 주어 아크의 지속, 트롤리선과 집전주의 습판 마모, 소음 증가가 발생하였다. 1편성에 2대의 집전장치를 50m이상 떨어져서 설치하는 것이 소음저감과 집전성능확보에 가장 효과적이라는 결과에 따라 TGV는 뒤쪽의 1개만 사용하고 있으며 ICE는 각 기관차가 집전장치를 사용하도록 하고 있다. 일본에서는 판토그라프의 수를 200계에서는 편성 당 6개→3개→2개로, 300계에서는 3개→2개로 줄였으며, 현재 신간선은 편성에 관계없이 2개만 사용하고 있다. 이외에도 ETR450은 2대, ETR460은 1대만 사용하며. 프랑스에서는 대 전류로 인한 가선의 단선에 대한 우려로 저속에서는2대를 사용하나 고속에서는 1대만 사용하여 이선을 적게하는 운용방법을 사용하고 있다.


<그림 1> ICE3의 판토그라프(싱글암형)

3.3 대차

3.3.1 틸팅

 차량이 고속으로 곡선을 주행할 때 차에 탑승하고 있는 승객은 원심력으로 불쾌감을 느끼게 된다. 이를 극복하기 위한 방안으로 고속운전 전용선을 건설하거나 곡선반경을 크게 되도록 선형화하는 데는 막대한 비용이 소요되고 모든 열차에 적용되는 캔트를 만드는 것도 불가능하므로 상당한 수송수요가 예상되지 않는 선구에서 틸팅 기술이 적용되고 있다.
 프랑스의 경우, 1956년에 강제틸팅방식의 대차 시험을 성공적으로 하여 1970년 차량에 적용하여 시험을 했으나 차량구조가 복잡해지고 보수가 빈번해지는 관계로 개발을 보류했고, 최근에 TGV 틸팅차의 개발을 시작하기로 결정하여 진행중인 프랑스를 제외하고, 스페인, 스웨덴, 일본 등에서는 자연 틸팅을 시도하였다. 그러나 일본은 자연진자의 속도가 느려 승차감에 문제가 발생하여 유럽에서 1988년 이탈리아의 펜돌리노가 나올 때까지 적용하지 않았고, 스페인은 자연틸팅을 개발하여 사용중에 있으며, 스웨덴은 1981년에는 자연틸팅이 가능한 TALGO Pendulum을 영업운전했으나 X2000에서는 진동가속도 센서 사용하고 유압실린더로 경사 조정하는 방식을 사용하고 있으며 대부분의 틸팅시스템은 강제틸팅방식을 사용하고 있다.
 또한 초기에는 동력차에도 이 시스템을 적용하고자 하여 이탈리아의 펜돌리노와 ETR450에서는 동력차에 있는 집전장치가 틸팅에 의하여 영향을 받으므로 판토그라프의 위치를 보정하도록 하는 방식을 취하기도 했으나 현재 스페인의 탈고나 스웨덴의 X2000은 객차만 틸팅시스템을 도입하고 있다. 독일(ICT:전철구간, ICT-VT:디젤동력차), 이탈리아(ETR450) 및 미국 등지에서도 이 기술이 개발,연구되고 있다. 또한 유럽에서는 자이로스크프(이탈리아에서 병용)나 가속도센서를 설치하여 가속도의 변화에 따라 곡선진입을 감지하여 유압실린더 등으로 차체를 기울이는 강제진자방식이 주류를 이루고 있으며 차체의 진동을 혼돈할 수 있으므로 필터를 설치하여 감도조정이 필요한 방법을 적용하고 있다.
 유럽에서 신선을 만드는 경우 기존선에서 틸팅차를 이용하는 것보다 약 20배의 비용이 증가한다고 한다. 그래서 틸팅차를 개발하여 기존선에서 고속으로 열차를 운행하고 있다. 한국과 같이 기존선에 곡선이 많고 차량의 고속화가 필요한 나라에서는 틸팅차를 개발하여 운용하는 것이 적은 투자로 큰 효과를 낼 수 있는 좋은 방안이다.


<그림 2> ICT의 대차(틸팅)

3.3.2 일반대차 및 관절대차
 일반대차는 차체와의 결합이 간단하고 하중의 불균형을 제어하기가 용이하고 차량 연결기가 전후의 충동을 흡수하므로 큰 충격을 가할 때 대책을 얻기 쉽고 편성량 수의 증감은 용이하다는 장점으로 사용되고 있지만, 전체 중량 저감에는 불리하고 객실이 대차위에 있는 관계로 차내 소음면에서는 바닥을 차음구조로 해야하는 단점이 있다. 관절대차의 경우 2층차를 만들면 면적 증가의 효과가 있다. 객실부분이 대차 위에서 떨어지게 힘으로 차내 환경측면에서는 유리하지만 대차와 차체의 결합이 복잡하고 연결부에 완충기를 설치하는 것이 불가능하므로 충격 흡수구조를 별도로 설치해야 하는 단점이 있으나, 통계상으로 사고시 탈선과 관련하여 인명피해가 적다는 장점이 있으므로 사용자의 필요에 따라 별도 개발, 발전되어 왔다.
 고속용 차량에는 일반대차(독일, 일본 등)와 관절대차(프랑스)가 많이 사용되고 있다. 일본에서 STAR 21에서 관절대차와 일반대차를 시험했으나 주행성능과 승차감에서 현저한 차이는 없었다고 한다. 일본에서는 1950년대 3000계에서 우수한 승차감은 물론 가능한 한 고속주행을 목표로 경량화, 저중심화를 주안점으로 설계, 일본 최초로 관절대차를 적용하기도 했으나 최근의 신간선에는 일반대차를 주로 적용하고 있다.

3.3.3 볼스타 및 볼스타레스대차
 볼스타가 좌우 움직임과 상하 움직임을 흡수하도록 한 스윙행거식이 독일에서 200km/h로 주행하는 객차에 활용되었고, 볼스타와 볼스타스프링의 위치를 변화시키고 볼스타 위에 볼스타스프링을 배치하여 차체를 직접 지지한 직접 마운트식이 일본의 0계, 100계, 200계 신간선에서 사용되고 있다. 그러나 최근에는 차량의 경량화의 일환으로 진행되고 있는 대차의 경량화로 인하여 좌우 사이드 빔을 연결하는 볼스타를 없애고 대차 프레임위에 볼스타스프링을 설치하여 대차의 회전방향 변위도 흡수하는 볼스타레스방식이 적용되는 경향이다.
 유럽의 경우, 이탈리아에서는 처음부터, 프랑스에서는 1972년 코일 스프링식 볼스터를 개발하여 200km/h로 운전하는 객차대차에 널리 사용되며 1978년부터 유럽의 표준 객차용 대차로 채용되어 주류를 이루고 있는데, 처음에는 금속코일스프링(ICE 기관차, TGV,HST,ETR500)을 이용했으나 승차감 향상을 위하여 공기스프링으로 대체 TGV-A 이후로는 전부 공기스프링방식을 사용하고 있다.
 일본은 최고속도 300km/h 정도를 목표로 하기 위하여 고속주행안정성, 곡선주행성능, 승차감, 진동을 동시에 개선하고 경량화한 대차를 개발하기 위하여 1980년경부터 신간선전차용으로 연구개발 시작하여 1988년 공기스프링식을 개발하여, 100계에 적용되는 대차 대비 2,160kg의 중량을 감소(7700kg 달성)하였으며 300계 및 400계 이후로 전부 볼스타레스 대차를 적용하고 있다.

3.4 제동

 제동관의 압력을 감소시켜 보조공기탱크의 공기가 제동실린더로 보내져 제동력을 발휘하는 자동공기제동방식이 사용되었으나 제동지령의 전달속도가 공기의 압력전파속도에 의존하여 편성이 길어지면 제동효과가 개시되기까지 시간이 길어지는 단점때문에 전기지령으로 전자밸브를 작동하여 제동관의 급배기를 이행하는 전자자동공기제동이 개발되어 TGV와 ICE에 사용되고 있다. 초기에는 아나로그 전압을 사용했으나 제동력을 단계적으로 조정하는 것이 가능한 디지털식이 개발되어 일본의 200계 및 100계 이후의 신간선은 모두 전기지령식을 사용하고 있다. 그런데 전자자동공기제동은 보조공기탱크의 공기를 동력원으로 하는 관계로 보조공기탱크에 공기를 넣는 시간이 필요하고 제동을 반복하여 사용하는 경우 제약이 있다.
 또한 전기제동과 공기제동을 혼합하는 경우에 잘 부합하지 않으므로 응답성, 동기성, 제동성이 우수하고 반복제동의 제약이 적은 전자직통공기제동이 개발되어 사용되고 있다. 기계제동의 기초적인 제동으로 답면제동(TGV 동력차)이 있는데 1950년대부터 각 대차에 제동실린더를 설치하여 이용해 왔으며, 제동슈를 차량 답면에 붙여 제동을 하는 방법으로, 큰 제동력이 필요한 경우에는 슈의 온도가 상승하고 답면의 마모도 증가하여 유지보수 측면에서 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 차륜과는 별도로 디스크를 설치하여 제동실린더와 레버로 제동라이닝을 눌러 붙여 제동력을 얻는 디스크제동이 개발되어 신간선 0계에서 사용되고 있다. TGV-PSE, TGV-A에서는 답면제동과 병용하고 있으며, TGV-Duplex에서는 부수대차 뿐만 아니라 동력대차도 포함하여 전부 디스크 제동을 사용한다.
 현재는 고열을 견딜 수 있는 재료가 개발중에 있다. 과거 직류전동기의 위상제어시 회생되는 전력의 파형이 정현파가 되지 않고 역률도 나빠져 일반 전력송전망으로 되돌려 보내지 못하였다. 이런 문제 극복과 안정적 제동력을 얻기 위하여 제동에너지를 저항기에서 열로 방산하는 발전제동이 사용되어 신간선 0계, 100계, 200계, 400계와 TGV-PSE, ETR450, 유로스타에서 사용되었으나 최근에는 잔류 에너지를 전원측으로 돌려주는 회생제동이 개발되어 신간선의 E1계 이후와 독일의 ICE 그리고 한국의 KTX에 사용되고 있다. 또한 속도가 증가함에 따라 350km/h이상에서는 기존의 제동만으로는 제동력 확보에 어려움이 발생하므로 대차프레임에 설치된 전자석과 디스크 또는 레일의 전자유도에 의하여 제동력이 발생하는 비접촉방식의 와전류제동이 개발되어 신간선의 100계, 300계, 500계 부수차에 사용되고 있으며, ICE1,2와 일본의 8000계에서는 전자석의 흡착력을 이용하여 대차에 부착된 슈를 레일에 밀어붙이는 전자흡착식 레일제동을 비상제동시에 사용하는 방식도 개발되어 사용되고 있다. 이외에도 와전류방식의 레일제동을 ICE3에서 사용하며, 전기제동과 기계제동의 브렌딩(blending)제어를 확대하여 전동차와 부수차의 제동력을 한꺼번에 제어하는 고속영역에서는 전기제동을 full로 사용하고 저속영역에서 전기제동력이 부족할 때 부수차의 제동을 동작시키는 공기보충 제동제어가 ICE4와 신간선 200계에서 사용되고 있다. 전기제동이 우선으로 사용되고 있다.

3.5 차체경량화

 초기에는 스틸차체가 신간선의 0계, 100계 그리고 TGV-A 등에서 사용되었으나 알루미늄이나 스테인레스를 사용한 차체가 개발되어 사용중에 있다. 스테인레스는 부식에 강해 판의 두께를 연강에 비해 얇게 하는 것이 가능하나 재료의 특성 때문에 연속용접이 아닌 스폿용접을 하여 기밀구조가 어려워 1990년 영업운전이 시작된 X2000의 경우 기밀구조를 채용하고 있지 못하고 있다. ICE, ETR 및 신간선 E2계 이후에는 가볍고 기밀구조가 가능한 알루미늄차체를 사용하고는 있으나 경량화에 유리하나 가격이 비싼 단점이 있다.
 따라서 TGV-Duplex는 일체로 성형한 대형알루미늄압출형제를 사용하여 제작비를 내리고 있다. 일본에서는 1953 ~ 55년에 차량의 경량화를 위한 연구가 중점 연구과제로 선정된 후로 보통강의 쉘구조이던 것이 1965년부터 알루미늄 경합금제 차체의 연구개발이 착수되어 1973년 제작된 381계 전차와 신간선 시험차에 채용되었고 1985년 10월 출현한 100계는 알루미늄차체로 제작되었다. 그리고 STAR21에는 항공기용 고장력 알루미늄합금제 리벳 결합구조를 사용하였다. 또한 차체의 프레임에는 내화성, 내부식성, 고강도, 저보수성의 스테인레스강을 사용하고 상부에는 경량성, 기밀성, 저보수성의 알루미늄 합금을 이용한 하이브리드형 차체가 개발되었으며, 비강도(比强度), 비강성(比剛性)이 우수한 탄소섬유강화수지가 시험 제작되었으나 너무 고가인 관계로 실용화는 되지 않고 있으나 장래의 차체용 소재로 기대되고 있다. 이외에도 고출력견인전동기개발, GTO 인버터 사용, 볼스터레스대차의 사용 및 각종 기기의 경량화로 300계의 경우 최대 축중을 11.3톤으로 할 수 있었다.

3.6 신호

 200km/h 이상의 속도로 주행하는 열차의 승무원이 육안으로 확인하고 제동동작을 실행하는 것은 불가능하므로 차내신호시스템 및 열차제어시스템이 활용되고 있다.
 신간선이나 TGV430의 경우 신호에 따라 신호장치 또는 사람이 제동을 하는 방식을 사용하고 있다. ICE의 LZB의 경우에는 조금 더 복잡하게 지상컴퓨터에 열차의 위치정보가 송신되어 지상으로부터 열차에 전방열차의 위치, 선로구배 및 허용속도가 송신되고 차내에는 목표속도, 정지거리 및 허용속도가 표시되도록 하는 시스템을 사용하고 있다.
 최근에는 일본의 경우 지진이 일어나는 빈도가 잦고 이로 인하여 궤도에 이상을 주는 경우 고속으로 운행하는 열차는 탈선을 하여 큰 인명과 재산적인 피해를 보게되므로 UrEDAS(Urgent Earthquake Detection and Alarm System)라는 시스템을 개발하여 초기의 미진을 감지하여 진원의 위치와 규모를 예측하고 주행중인 열차가 큰 지진이 도달하기 전에 정지하거나 저속운전을 하도록 하는 시스템이 개발되고있으며, 무선기술과 컴퓨터기술을 구사하여 열차의 본체에 조립된 제어기능에 의하여 앞뒤 차량의 위치, 속도 등을 통신으로 전송받아 자신의 속도를 제어함으로 지상설비를 경감하는 CARAT(Computer And Radio Aided control system)이 개발되었다. 이 시스템은 이동폐색(Moving Block)이 가능하고 열차의 운전간격을 단축시키는 장점이 있다. 1990년대 초반부터 개발된 이 신호체계는 3세대 신호체계라고 할 수 있는 이 개발을 시작하여 일부 국가에서는 도시철도에서 사용중에 있다.
 이 시스템은 일본에서는 CARAT, 북미에서는 ATCS, 유럽에서는 ETCS(레벨 3)가 있다.

3.7 차량 형상

 고속화를 위해서는 차량 전두부 형상이 중요하다. 전두부 형상은 주행중의 공기저항감소와 터널통과시의 미기압파를 줄이기 위하여 유선형을 많이 사용해왔으며, 형상을 더 날렵하게 하는 연구가 진행되어 왔다.
 그러나 이 형태로는 개선의 여지가 적고 차량의 모양을 돌고래형, 카스프형(오리주둥이), 쐐기형 등으로하는 연구가 진행되어 왔고 후자가 효과가 더 있어 최근 차량은 이를 근거로 설계를 하고있다. 또한 차량 측면의 돌출부를 없애고 차체 단면적을 줄이는 등의 개선 노력이 계속되고 있다. 독일이 가장 앞선 것으로 판단되고 있다.

3.8 기타

 전동기 출력의 증가로 좌석수를 증가시키기 위해 2층 열차를 개발하고 있는데, 일본의 100계(1985년)에서 고속열차로 개발한 이후, E1계(1992년-전동차도 2층)가 개발되었고, 프랑스는 100계 열차를 보고 확신을 갖게되어 2층 열차를 개발하기 시작하여 1996년부터 운행(동력집중식인 관계로 양단의 기관차는 제외)하고 있다. 이외에도 차량 중심을 낮게하는 연구, 환기장치의 개선 등이 진행되고 있다. <표 1>은 고속철도가 발달한 국가별 연구개발 목표에 대하여 간략하게 정리하였고 <표 2> 및 <표 3>은 연도에 따른 국가별 고속철도차량 주요장치의 변경사항을 정리한 것이다.

국가
연구기관
및 기업
연구개발 목표
주요성과
독일

DB
DEConsult
Siemens
Adtranz

차량의 고속화 및 경량화
새로운 철도시스템 개발
차별화된 기술개발
사용자 중심의 차량개? 도입

330km/h급의 분산식 고속전철 Al차량개발, 경량·저소음 대차 및 전자스티어링 1축 대차개발
Network 통신시스템 개발
차세대 대차 공동개발(JR-East)
고급객차개발

일본

JR
RTRI

차량의 고속화
인간공학 및 환경문제 해결

450km/h급 초전도 마그레브 시운전
차량경량화 및 틸팅대차 실용화
전기제동장치 개발

프랑스

SNCF Alstom

차량의 고속화 및 경량화
저운영비 실현
기술의 우위지속

저소음판토그라프 개발
360km/h급 고속전철 시운전
동력분산식 변경을 통한 분산식
차량개념 도입
단편성 및 틸팅시스템의 재도입

<표 1> 국가별 연구개발 목표


명칭
편성
최고속도
대차의 체체지지방식
구동방식
제동
방식발
주요특성
영업
개시
0계
4M, 6M,
16M
220km/h
볼스타·
베어링지지
저압탭, 직류직권전동기
발전, 전자직통, 디스크
스틸 차체
1964년
200계
8M,10M,
12M ,14M2T
275km/h
볼스타·
베어링지지
사이리스터 위상제어, 직류직권전동기
발전, 전자직통, 디스크
알루미늄차체
1986년
100계
12M4T
230km/h
볼스타·
베어링지지
사이리스터 위상제어, 직류직권전동기
발전, 전기지령, 디스크 및 와전류제동
(부수차)
스틸 차체
1986년
300계
10M6T
270km/h
볼스타·
베어링지지
GTO/IGBT사용 VVVF 인버터, 유도전동기
발전, 전기지령, 디스크 및 와전류제동
(부수차)
알루미늄차체
1990년
700계
12M4T
270km/h
-
GTO/IGBT사용 VVVF 인버터, 유도전동기
회생, 전기지령, 디스크
알루미늄차체
1990년
400계
6M1T
220km/h
볼스타·
베어링지지
사이리스터 위상제어, 직류직권전동기
발전, 전기지령, 디스크
스틸 차체
1992년
E1계
6M6T
240km/h
볼스타·
베어링지지
GTO 사용 VVVF 인버터, 유도전동기회생,
발전, 전기지령, 디스크
스틸차체 모두 2층차
1994년
E2계
6M2T
275km/h
-
GTO/IGBT사용 VVVF 인버터, 유도전동기
회생, 전기지령, 디스크
알루미늄차체
1997년
E3계
4M1T
275km/h
-
GTO/IGBT사용 VVVF 인버터, 유도전동기
회생, 전기지령, 디스크
알루미늄차체
1997년
E4계
4M4T
240km/h
-
GTO 사용 VVVF 인버터, 유도전동기
회생, 전기지령, 디스크
알루미늄차체 전체 2층
1997년
500계
16M
300km/h
-
GTO/IGBT사용 VVVF 인버터, 유도전동기
회생, 전기지령, 디스크
알루미늄차체 T형 판토,
세미액티브
서스펜션
1997년

<표 2> 일본의고속철도차량 주요장치의 변경사항

명칭
편성
최고속도
구동방식
제동방식
주요특성
영업
개시
TGV-PSE
EL+8T+EL
270km/h
사이리스터 위상제어 및 초퍼제어, 직류직권전동기
발전, 전자자동, 디스크 및 답면
스틸 차체,
관절대차,
1981
TGV-A
EL+10T+EL
300km/h
사이리스터 사용 VVVF 인버터,
동기전동기
발전, 전자자동, 디스크 및 답면
스틸 차체,
관절대차,
1989
TGV-R
EL+8T+EL
300km/h
사이리스터 사용 VVVF 인버터,
동기전동기
발전, 전자자동, 디스크 및 답면
스틸차체,
관절대차,
기밀구조
1993
TGV- Duplex
EL+8T+EL
300km/h
사이리스터 사용 VVVF 인버터,
동기전동기
발전, 전자자동, 디스크
알루미늄차체,전부2층,
관절대차,
기밀구조
1996
Eurostar
EL+9T+9T+EL
300km/h
GTO사용 VVVF 인버터,
유도전동기
발전, 전자자동, 디스크
스틸차체,
관절대차,
알루미늄차체
1994
ETR450
8M1T또는 10M1T
250km/h
사이리스터 초퍼제어,
직류직권전동기
발전, 전자자동, 디스크
알루미늄차체, 틸팅대차
1998
ETR470
6M3T
270km/h
GTO사용 VVVF 인버터,
유도전동기
발전, 전자자동, 디스크
알루미늄차체, 틸팅대차
1995
ETR500
EL+12T+EL
200km/h
GTO사용 VVVF 인버터,
유도전동기
발전, 전자자동, 디스크
알루미늄차체
1995
AVEEL
EL+8T+EL
300km/h
사이리스터 사용 VVVF 인버터,
동기전동기
발전, 전자자동, 디스크 및
답면
스틸차체,
관절대차,
기밀구조
1992
ICE1
EL+12T/
14T+EL
280km/h
GTO사용 VVVF 인버터, 유도전동기 회생 및
발전, 전자자동, 디스크, 전자흡착레일제동
알루미늄차체, 기밀구조
1991
ICE2
EL+7T
80km/h
GTO사용 VVVF 인버터, 유도전동기 회생 및
발전, 전자자동, 디스크, 전자흡착레일제동
알루미늄차체, 기밀구조
1997
ICE3
4M4T
330km/h
GTO사용 VVVF 인버터, 유도전동기 회생 및
발전, 전자자동, 디스크, 전자흡착레일제동
알루미늄차체, 기밀구조
2000
X2000
EL+5T
250km/h
GTO사용 VVVF 인버터, 유도전동기 회생 및
발전, 전자자동, 디스크, 전자흡착레일제동

스테인레스차체, 틸팅차량

1990

<표 3> 유럽의 고속철도차량 주요장치의 변경사항

4. 최근 개발사례

4.1 AGV

 Alstom사와 SNCF가 공동으로 개발하여 2001년 시험을 시작하게 될 차세대 고속전철로써 개발과 조달비용의 절감을 실현하고자 하는 열차이다. 이 열차는 동력분산형시스템과 IGBT 사용 VVVF 인버터의 사용으로 경량화가 되어 축중 17ton을 유지하고 있으면서도 기존의 분산형 추진시스템을 채용했던 일본의 신간센, 이탈리아의 펜돌리노, 독일의 ICE3와는 달리 안전성과 승차감이 우수한 관절대차를 채용하고, 평균속도 350km/h를 목표로 운전할 계획이다.
 차량의 종류는 크게 운전실을 가지고 있는 차량과 중간차량으로 구분되고 자체 냉각장치(팬)가 전동기에 직접 부착되고, 진동이 차체에 직접 전달되지 못하도록 방진 블록 등이 설치되어 차체에 직접 설치된 전동기가 있는 2대의 동력대차와 1대의 부수대차를 가지는 차량 3량을 기본편성으로 한다. 편성 끝단의 차량들은 변압기와 같은 중량물을 취부하게 되며 차량 안정성과 고속주행성을 향상시키기 위해 중량물의 무게중심을 낮게 위치시켰다. 이렇게 하여 AGV 1편성은 동력집중식인 TGV-R 1편성과 비교할 때 승객 수송량은 411명 대 377명으로 AGV가 더 많은 반면 주행소음 및 좌석당 소요비용은 더 적은 것으로 나타났다.
 또한 제동성능은 350km/h의 고속영역에서의 효과적인 제동을 위하여 개발되었던 와전류제동장치를 선두와 후부에 위치하는 2대의 동력대차에 장착할 예정으로 비상제동시에 200km/h까지 대차당 20kN의 제동력을 발생시킬 수 있고 상용제동시에는 10kN으로 동작한다. 3분시격일 때 레일의 온도상승과 수직방향으로 작용하는 자력에 의한 흡인력 모두 수용이 가능한 수준으로 1998년 개발되었다. 승객의 승차감 향상을 목적으로 전기적으로 작동되는 현가장치를 장착하여 기존의 TGV가 300km/h로 주행시와 동일한 승차감을 유지할 수 있도록 승차감 향상을 도모하였다. 차량의 경량화를 위하여 TGV Duplex에 사용되었던 알루미늄 차체구조가 적용되었으며 강재 차량에 비해 2ton의 경량화를 이루었다. Proto type 2대 제작 시험중에 있다.

<그림 3> AGV 열차

4.2 HSE(High Speed Train Europe)

 현재 대외적으로 공포된 자료는 아니나 독일 DB와 프랑스의 SNCF가 주축이 되어 관절형 대차, 2층객차 등 현재 고속화를 위하여 개발된 많은 기술들을 전반적으로 검토하여 이를 실용화하는 열차의 개발과 관련된 검토가 이루어지고 있다고 한다.

4.3 기타 경향

 이 외에도 대량운송이 가능한 다양한 시스템이 개발되고 있다. 시설비의 저렴화와 고효율이면서 환경친화적이고 안정성 등을 만족하는 지면을 낮게 나는 날개에 작용하는 위그효과를 이용하여 동체를 부상시키고 전기선로에서 공급받는 전기로 작동하는 공기부상 운행체(일본에서는 공기부상열차)가 연구되고 있고, 일본(초전도) 및 독일(상전도) 및 중국 등에서는 자기부상열차 개발이 추진되고 있다.

5. 결 론

 일본과 프랑스는 서로 다른 철도를 건설해왔다. 서로 다른 특징을 갖고 있으며 어느 부면에서는 서로 뒤지지 않는 기술을 갖고 있다. 그러나 최근에는 승객의 안전과 편의성을 증대하는 가운데 많은 인원을 운송할 수 있도록 하기 위하여 특정한 기술에 집착하여 계속 발전시키려는 것보다는 다른 시스템일지라도 검토하고 적용하려는 형태를 보이고 있다.
 따라서 이런 추세는 고속철도를 개발하고 있는 국내 실정에 있어서 기술개발을 위한 방향설정에 좋은 지침이 될 것으로 판단된다.

 

< 참고문헌 >

[1] 세계의 고속철도 장경수, 백남욱, 김기환 共譯 골든벨
[2] 한국철도기술정보지 2001년 1·2월호 기존선고속화와 신호체계
[3] InterCityExpress(ICE)/InterCity-Neitech(ICT) http://mercurio.iet.unipi.it/ice.html
[4] The Future of High Speed Rail http://www.o-keating.com/hsr/future.htm
[5] TGV Research Overview http://mercurio.iet.unipi.it/tgv/research.html
[6] G7 고속전철기술개발사업 2단계 1차년도 연차보고서 주전력변환장치 개발
[7] G7 고속전철기술개발사업 2단계 1차년도 연차보고서 차량시스템 엔지니어링 기술개발
[8] IRJ(International RailwayJournal) EDITORIAL - May 2000
[9] 선도기술개발사업-고속전철기술개발 1996 한국고속철도건설공단
[10] 세계의 고속철도와 속도향상 & 자기부상식 철도기술 住田俊介 著 골든벨