전기철도 고조파 리스크[하] “THD 기준만으론 못 막는다”…철도 고조파 공진, 사전관리 체계 시급

- 코레일, 철도 고유 고조파 기준 부재…사고 사례 기반 자체 관리선 운용

- 호남권 20개 구간 RLC뱅크 보강…경인선 실증서 고조파 약 80% 저감

- 신규 EMU-320·중련운행 확대 앞두고 차량-급전계통 호환성 검증 필요

철도 급전계통의 고조파 공진 위험을 줄이기 위해서는 취약구간에 저감설비를 설치하는 데 그치지 않고, 차량 특성과 급전계통, 편성·운행조건 변화를 함께 반영해 공진 가능성을 사전에 판단하는 관리체계가 필요하다는 지적이 나온다.

8일 안태준 더불어민주당 의원실이 한국철도공사(코레일)로부터 제출받은 ‘전국 전철구간 전력품질 및 고조파 관리 개선 대책’에 따르면, 국내에는 전차선로와 철도 급전계통에 적용할 독자적인 고조파 판정기준이 마련돼 있지 않은 것으로 나타났다.

철도 분야는 현재 한국전력공사의 전력품질 기준을 준용한다. 한전의 총고조파왜형률(THD) 기준은 송전선로 3%, 배전선로 5% 수준이다. 그러나 철도는 열차가 가속·감속과 회생제동을 반복하는 이동부하 환경이다. 차량 종류와 편성 수, 운행 간격, 변전소 운전방식, 전차선 길이에 따라 계통 조건도 달라진다.

이에 따라 일반 전력계통의 THD 기준만으로 차량과 급전계통이 결합할 때의 공진 위험을 판단하기는 어렵다. 같은 THD 수준이라도 특정 차수의 고조파와 계통의 공진 주파수가 맞물리면 위험도는 달라질 수 있다. 총왜형률뿐 아니라 차수별 고조파 성분, 주파수별 계통 임피던스, 차량 운전조건을 함께 살펴야 하는 이유다.

코레일은 철도 고유 기준이 마련되기 전까지 사고·장애 사례를 토대로 자체 관리선을 운용하고 있다. THD 25% 이상은 ‘조치’, 15% 초과~25% 미만은 ‘위험’, 10% 이상~16% 미만은 ‘주의’로 분류한다. 피뢰기 소손 등 중고장 구간의 평시 왜형률과 차량 보조전원장치(SIV) 차단 등 경고 발생 당시 수치를 분석해 정한 기준이다.

다만 실제 장애 사례를 토대로 관리선을 설정하는 방식은 사후 대응 성격이 강하다. 운행환경이 바뀌거나 새 차량이 투입돼 기존과 다른 고조파 특성이 나타날 경우, 관리선 이내라도 공진 조건이 형성될 가능성을 배제하기 어렵다. 열차 편성 확대나 차량 혼용, 변전소 운전방식 변경도 계통 임피던스와 공진 주파수에 영향을 줄 수 있다.

코레일은 이를 보완하기 위해 전 노선 전기적 특성 분석과 급전계통 이상전압 원인 분석을 추진 중이다. 차량 추진제어 특성과 변전소별 계통을 모델링해 상호작용을 분석하는 ‘차량과 인프라 간 전력품질 분석 시뮬레이터’도 개발하고 있다. 전 노선 분석용역은 2028년 5월까지 진행되며, 분석 결과를 토대로 철도 고유의 고조파 관리기준을 마련할 계획이다.

설비 보강도 병행된다. 호남고속선·호남선·전라선 분석에서는 20개 구간이 고조파 저감 대상으로 확인됐다. 코레일은 지난 7월까지 RLC뱅크 9대를 설치했고, 하반기 11개 구간에 13대를 추가 설치할 계획이다. 이 가운데 2대는 목포보성선으로 이설했던 설비를 원상 복구하는 물량이다. 2027년 3월까지 설치를 마칠 방침이다.

RLC뱅크는 기존 RC뱅크에 리액터(L)를 결합한 고조파 저감설비다. 저항(R)·콘덴서(C)·리액터의 조합으로 특정 고조파 대역의 임피던스를 조정해 고조파와 공진 에너지를 감쇠한다.

코레일은 2024년 3월 경인선에서 차량고장 16건이 집중 발생하자 RC뱅크를 긴급 이설했으나 저감 성능이 충분하지 않다고 판단했다. 이후 전문가와 일본 고조파 저감장치 제작사 자문 등을 거쳐 같은 해 4월 인천SSP에 RLC뱅크 1대를 설치했다. 성능 확인 결과 고조파 전 대역에서 약 80%의 저감 효과가 나타났다. 기존 RC뱅크의 저감 효과는 약 15% 수준이었다.

호남권 외 전 노선 조사에서도 59개 변전소 118개 구간 가운데 30개 구간이 취약구간으로 분류됐다. ‘조치’ 대상은 7개, ‘위험’은 12개, ‘주의’는 11개 구간이다. 코레일은 조사 결과를 토대로 2027년 중 추가 저감설비 설치 방안을 추진할 계획이다.

향후 운행환경 변화도 관리 필요성을 키우는 요인이다. 고속철도 통합 운행 이후 호남권 전체 노선의 THD는 10~30% 수준으로 파악된다. KTX-산천과 SRT의 중련·복합 운행 확대에 이어 오는 12월 EMU-320 31편성이 영업운전에 들어가면 다차종·다빈도 운행에 따른 전력품질 영향도 커질 전망이다.

한편 해외에서는 고조파 공진을 급전계통의 상시 관리 대상으로 보고 있다. 특히 일본은 전력변환 차량에서 발생한 고조파가 장거리 전차선·급전선, 단권변압기(AT), 변전소 설비 특성과 맞물려 증폭되는 위험에 대응해 HMCR·CR 계열 공진 억제장치와 분로 콘덴서 등을 운용해 왔다. 1994년 재래선 교류 급전구간 47곳 가운데 다수 구간에 억제장치가 설치됐고, 도호쿠·호쿠리쿠·도카이도·산요 신칸센 일부 설비에도 적용된 바 있다.

안태준 의원은 “차량과 시설이 각각 기준을 충족해도 실제 운행에서 공진 장애가 발생한다면 개별 설비 점검만으로는 한계가 있다”며 “신규 차량 투입과 노선 개통, 차량 편성·제어방식·급전방식 변경 전에 차량과 급전계통의 전기적 호환성을 검증해야 한다”고 밝혔다.

이어 “저감설비 설치와 사전 예방체계 구축을 통해 급전장애와 차량고장 위험을 줄이고 국민의 철도 이용 안전을 확보해야 한다”고 강조했다.

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