객차 전원 공급 장치

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1. 개요
2. 역사
3. 국가별 현황
4. 기술 방식
5. 대안
참조

1. 개요

객차 전원 공급 장치는 열차 내 조명, 난방, 환기, 에어컨, 주방 설비 등 모든 기능에 필요한 전력을 공급하는 장치이다. 1842년 등유 램프가 열차 조명으로 처음 도입된 이후, 석탄 가스, 전기 조명으로 발전했다. 초기에는 차축 발전기, 증기 기관차의 증기, 개별 엔진 등이 사용되었으나, 유지보수 문제로 인해 헤드엔드 파워(HEP) 시스템이 등장했다. HEP는 기관차 또는 별도의 발전차(동력차)를 통해 전력을 공급하며, 전압은 국가별, 지역별로 다르다. 최근에는 동력차 또는 기관차에 장착된 엔진, 또는 기관차의 동력원에서 전력을 공급받는 방식이 사용된다.

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객차 전원 공급 장치
개요
총괄 전력 (HEP)
정의	기관차에서 객차로 전력을 공급하는 방식
필요 전력	난방, 조명, 에어컨 등에 필요한 전력
대안	객차 축발전기, 개별 디젤 발전기
장점	더 조용함 유지 보수 비용 절감 더 가벼움 더 적은 오염
단점	특수 기관차 필요
역사
초기 사용	증기 기관차 시대, 증기 난방 대체용
전력 공급 방식	기관차에 설치된 증기 터빈 발전기
캐나다 내셔널 철도	1920년대 후반, 증기식 총괄 전력 도입
미국	1930년대, 전기식 총괄 전력 도입
주요 사용자	볼티모어 오하이오 철도, 시카고 밀워키 세인트폴 태평양 철도, 일리노이 센트럴 철도
암트랙	1970년대, 총괄 전력 시스템 표준화
전압 및 표준
북미	480V AC (60Hz) 575V AC 1000V AC (42Hz) 480V DC 600V DC
유럽	1500V DC 3000V DC 1500V AC 3000V AC
영국 철도	850V AC (단상)
오스트레일리아	480V AC
연결 장치
북미 표준	AAR S-905 커넥터 (AMP 369030-1)
핀 배열	A: 접지 B: 위상 A C: 위상 B D: 위상 C
전선 크기	300kcmil (1500A) 500kcmil (2500A)
객차 전원 공급 장치 (PSG)
정의	각 객차에 전력을 공급하는 독립적인 발전기 세트
작동 방식	디젤 엔진으로 구동되는 발전기
위치	객차 아래에 장착
장점	모든 기관차와 호환 가능 총괄 전력 시스템이 없는 노선에서 사용 가능
단점	더 시끄러움 유지 보수 비용 증가 더 무거움 더 많은 오염 발생

2. 역사

1842년 열차 조명으로 등유 램프가 처음 도입되었다.^[2] 1870년 랭커셔 앤 요크셔 철도는 경제적인 이유로 등유를 석탄 가스 조명으로 대체하려 했지만, 열차 내 가스통 폭발로 인해 이 실험을 중단했다.^[2] 이후 등유 가스 조명이 도입되었다. 1881년 10월 조지프 스완의 탄소 필라멘트 램프와 카미유 알퐁스 포르의 납 축전지를 연결하여 전기 조명이 도입되었는데, 재충전 전까지 약 6시간 동안 사용할 수 있었다.^[1]

1881년 노스 브리티시 철도는 ''Brotherhood'' 증기 기관차에 발전기를 사용하여 열차에 전기 조명을 공급했지만, 높은 증기 소비량 때문에 폐기되었다.^[1] 1883년 런던 브라이튼 앤 사우스 코스트 철도는 차축 구동 발전기로 열차 3대에 전기를 공급했는데, 차장이 장비를 작동하고 유지 관리했다.^[1]

1885년 프랑크푸르트 암 마인의 열차에는 뫼링형 발전기와 축전지를 사용한 전기 조명이 도입되었다. 발전기는 18km/h에서 42km/h 속도로 차축의 풀리와 벨트에 의해 구동되었으며, 더 낮은 속도에서는 전력이 손실되었다.^[3] 1887년 미국의 ''플로리다 스페셜''과 ''시카고 리미티드'' 열차의 수하물 차량에 있는 증기 구동 발전기는 전선을 통해 열차의 모든 객차에 전기 조명을 공급했다.^[4]^[5]

등유 가스 조명은 전기 조명보다 더 밝았기 때문에, 1913년 9월 에이스길 철도 사고가 발생하기 전까지 널리 사용되었다. 이 사고로 철도 회사들은 열차 조명에 전기를 채택하게 되었다.^[1]

증기 기관차 시대와 초기 디젤 시대에 객차는 기관차에서 공급되는 저압 포화 증기로 난방되었고, 객차 조명 및 환기용 전기는 각 객차의 차축 구동 발전기나 엔진 발전기 세트에서 공급되는 전지에서 얻었다. 1930년대부터 객차에 에어컨이 도입되었으며, 작동 에너지는 차축의 기계적 동력 인출 장치, 소형 전용 엔진 또는 프로판 냉장고에서 제공되었다.

조명 전력, 증기 난방, 엔진 구동 에어컨의 개별 시스템은 유지 보수 작업량과 부품 증가를 야기했다. 헤드엔드 파워는 단일 전원으로 전체 열차에 대한 모든 기능을 처리할 수 있게 해준다. 증기 시대에 핀란드와 러시아의 모든 객차에는 나무 또는 석탄을 때는 난로가 있었는데, 대부분의 유럽 국가에서는 화재 위험으로 간주되었지만 러시아에서는 그렇지 않았다.

2. 1. 초기 발전

1842년, 등유 램프가 열차 조명으로 처음 도입되었다.^[2] 1870년대에는 등유 가스 조명이 도입되었다.^[2] 1881년 10월, 조지프 스완의 탄소 필라멘트 램프와 카미유 알퐁스 포르의 납 축전지를 연결하여 전기 조명이 도입되었는데, 재충전 전까지 약 6시간 동안 사용할 수 있었다.^[1]

1881년 노스 브리티시 철도는 ''Brotherhood'' 증기 기관차에 발전기를 사용하여 열차에 전기 조명을 공급했지만, 높은 증기 소비량 때문에 폐기되었다.^[1] 1883년 런던 브라이튼 앤 사우스 코스트 철도는 차축에서 구동되는 발전기를 사용하여 열차 3대에 전기를 공급했다. 발전기는 차장의 차량에 있는 납 축전지를 충전했고, 차장이 장비를 작동하고 유지 관리했다. 이 시스템은 열차에 전기 조명을 성공적으로 제공했다.^[1]

1885년, 프랑크푸르트 암 마인의 열차에 뫼링형 발전기와 축전지를 사용하여 전기 조명이 도입되었다. 발전기는 18km/h에서 42km/h 속도로 차축의 풀리와 벨트에 의해 구동되었으며, 더 낮은 속도에서는 전력이 손실되었다.^[3]

1887년, 미국의 ''플로리다 스페셜''과 ''시카고 리미티드'' 열차의 수하물 차량^[4]에 있는 증기 구동 발전기는 전선을 통해 열차의 모든 객차에 전기 조명을 공급했다.^[5]

2. 2. 등유 가스 조명에서 전기 조명으로

1842년, 열차 조명으로 등유 램프가 처음 도입되었다.^[2] 랭커셔 앤 요크셔 철도는 1870년에 경제적인 이유로 등유를 석탄 가스 조명으로 대체하려 했지만, 열차 내 가스통 폭발 사고로 인해 이 실험을 중단했다.^[2] 이후 등유 가스 조명이 1870년 말에 도입되었다.

등유 가스 조명은 전기 조명보다 더 밝았기 때문에, 1913년 9월 미들랜드 철도의 에이스길에서 발생한 철도 사고로 많은 승객이 사망하기 전까지 널리 사용되었다.^[1] 이 사고를 계기로 철도 회사들은 열차 조명에 전기를 채택하게 되었다.^[1]

2. 3. 증기 난방에서 전기 난방으로

증기 기관차 시대에는 객차 난방을 위해 기관차에서 저압 포화 증기를 공급받았다.^[1] 디젤 기관차와 전기 기관차가 증기 기관차를 대체하면서, 객차 난방은 증기 난방 보일러를 통해 이루어졌다. 디젤 기관차의 증기 난방 보일러는 기름을 사용했고, 전기 기관차는 전기 발열체를 사용했다. 그러나 유류식 증기 난방 보일러는 신뢰성이 낮아, 장착된 모든 기관차에서 다른 어떤 시스템이나 부품보다 더 많은 고장을 일으켰다. 이는 객차 난방의 더 신뢰할 수 있는 방법을 채택하는 주요 요인이 되었다.

이 시기에 객차 조명은 열차가 움직일 때 각 객차 아래에 설치된 배터리로 충전되는 발전기에서 전력을 공급받았다. 카페 객차는 조리와 온수 난방을 위해 병입 가스를 사용했다.^[1]

3. 국가별 현황

객차 전원 공급 장치(HEP)는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진이나 기관차의 동력원에 의해 구동될 수 있다.

3. 1. 영국

후기 디젤 및 전기 기관차에는 '''전기 열차 난방''' ('''ETH''') 장치가 장착되어 객차에 전력을 공급했다. 이 장치는 증기 난방 장치와 함께 설치되었으며, 이전 기관차와 함께 사용하기 위해 증기 난방 장치는 유지되었다. 이후 객차 설계에서는 증기 난방 장치를 폐지하고 ETH 공급 장치를 사용하여 열차 내 난방, 조명(열차 조명 배터리 충전 포함), 환기, 에어컨, 팬, 소켓 및 주방 장비를 사용했다. ETH는 '''전기 열차 공급''' ('''ETS''')으로 이름이 변경되었다.^[1]

각 객차에는 사용 가능한 최대 전력 소비량과 관련된 지수가 있다. 모든 지수의 합은 기관차의 지수를 초과해서는 안 된다. "ETH 지수 단위" 1개는 5kW에 해당한다. ETH 지수가 95인 기관차는 열차에 475kW의 전력을 공급할 수 있다.

3. 2. 북아메리카

보스턴 앤드 메인 철도는 보스턴의 통근 열차 서비스에서 낮은 평균 속도와 잦은 정차로 인해 발생하는 조명 및 환기 문제 해결을 위해 기관차에 더 높은 용량의 발전기를 설치했다.

초기 디젤 유선형 열차는 고정 편성 구조를 활용하여 전기로 구동되는 조명, 에어컨 및 난방 장치를 사용했다. 예를 들어, 네브래스카 제퍼 열차에는 온보드 장비에 전력을 공급하기 위해 첫 번째 객차에 3개의 디젤 발전기 세트가 있었다.

1950년대 후반 시카고 앤드 노스웨스턴 철도는 통근 서비스에서 EMD F7 및 E8 기관차의 증기 발생기를 제거하고 디젤 발전기 세트를 설치했다.

1971년 설립된 암트랙은 도시 간 여객 철도 서비스 이관 후 점차적으로 HEP를 채택하고 구형 시스템을 중단했다. 암트랙은 초기 기관차로 SDP40F를 도입하여 구형 증기 난방 여객 차량과 함께 최신 동력을 사용할 수 있도록 했다.

1975년, 암트랙은 제너럴 일렉트릭(GE) P30CH 및 E60CH 기관차가 견인하는 완전 전기식 앰플릿(Amfleet) 차량을 인도받기 시작했으며, 이후 EMD F40PH 및 AEM-7 기관차가 추가되었으며, 이 모든 기관차는 HEP를 제공하도록 장비를 갖추었다. 5대의 암트랙 E8이 HEP 발전기로 개조되었고, 15대의 수하물 차량은 HEP 발전기 차량으로 개조되었다. 앰플릿 도입 이후, (전기식) 슈퍼라이너 철도 차량이 장거리 서부 노선에서 운행되었다. 암트랙은 1980년대 중반까지 개조되지 않은 나머지 차량을 폐기했다.^[6]

HEP 발전기는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진 또는 기관차의 동력원에 의해 구동될 수 있다. 기관차의 동력원(prime mover)은 추진력과 동력(head-end power)을 모두 제공하며, HEP 발전기가 엔진에 의해 구동되는 경우, 필요한 50 Hz 또는 60 Hz AC 라인 주파수를 유지하기 위해 일정한 속도(RPM)로 작동해야 한다.^[10]

최근에는 기관차가 트랙션 발전기에서 전력을 공급받는 정적 인버터(static inverter)를 사용하여 동력원(prime mover)이 더 넓은 RPM 범위를 갖도록 했다. 동력원(prime mover)에서 파생된 경우, HEP는 견인력의 희생으로 생성된다. 예를 들어, 제너럴 일렉트릭(General Electric) 3200hp P32 및 4000hp P40 기관차는 HEP를 공급할 때 각각 2900hp에서 3650hp로 감산된다.

페어뱅크스 모스(Fairbanks-Morse) P-12-42는 견인 발전기 출력이 여기 전압 변화에 의해서만 조절되는, 일정한 속도로 작동하도록 동력원(prime mover)을 구성한 최초의 HEP 장착 기관차 중 하나였다. EMD 기관차의 동력원(prime mover)으로 구동되는 HEP의 첫 번째 테스트 중 하나는 1969년, 일정한 속도의 후방 엔진을 갖도록 개조된 밀워키 로드(Milwaukee Road) EMD E9 #33C에서 이루어졌다.^[11]

3. 3. 러시아

주어진 원본 소스에는 러시아에서 사용되는 객차 전원 공급 장치에 대한 내용이 나타나 있지 않아, 해당 정보를 바탕으로 문서를 작성할 수 없습니다.

3. 4. 유럽 (러시아와 영국 제외)

HEP 발전기는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진 또는 기관차의 동력원에 의해 구동될 수 있다.

3. 5. 중국

중국에서는 2005년 이전에 제작된 객차나 대부분의 25K형 객차는 발전차, 일부 디젤 기관차, 일부 SS9형 전철을 통해 3상 380V 교류(AC) 전원을 공급받는다. 대부분의 최신 25G형 객차와 25/19T형 객차는 SS7C, SS7D, SS7E, SS8, SS9, HXD1D, HXD3C, HXD3D형 등의 전기 기관차와 일부 DF11G형 디젤 기관차를 통해 600V 직류(DC) 전원을 공급받는다.^[1]

4. 기술 방식

객차 전원 공급 장치(HEP)는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진이나 기관차의 동력원을 통해 구동될 수 있다.

북아메리카에서는 열차 길이와 높은 전력 요구량 때문에 객차 전원 공급 장치(HEP)를 480V(미국 표준), 575V 또는 600V 삼상 교류 전력으로 공급한다. 각 객차에는 전압을 낮추기 위한 변압기가 설치되어 있다.^[12]

영국에서는 ETS가 800~1000V AC/DC 2극(400 또는 600A), 1500V AC 2극(800A) 또는 HST에서 415V 3상으로 공급된다.

아일랜드에서는 HEP가 유럽/IEC 표준 230/400V 50Hz(원래는 220/380V 50Hz)로 제공되는데, 이는 아일랜드 및 EU 가정, 상업 건물, 산업에서 사용되는 전력 시스템과 동일한 규격이다.

4. 1. 헤드엔드 파워 (HEP)

HEP 발전기는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진 또는 기관차의 동력원에 의해 구동될 수 있다.

4. 2. 동력차 (발전차)

'''동력차''' (또는 '''발전차''')는 객차 전원 공급 장치(HEP)를 공급하는 철도 차량이다. 대부분의 최신 기관차가 HEP를 공급하므로, 현재는 구형 기관차를 사용하는 유산철도 또는 장비를 견학에 사용하는 철도 박물관에서 주로 사용된다.^[7] 일부 동력차는 승객 설비에 HEP를 공급하기 위해 디젤 발전기와 연료 탱크를 갖추도록 개조된 다른 형태의 철도 차량으로 시작되었다.^[8]^[9]

브리티시 레일 마크 3 발전차는 수면 객차에서 나이트스타 국제 침대 열차 프로젝트(결국 취소됨)에 전력을 공급하기 위해 개조되었다.

디젤 동력 차량이 더 일반적이지만, HEP가 없는 기관차가 견인하거나 기관차에 연결되지 않은 경우 열차에 전력을 공급하는 데 사용되는 전기 동력차도 있다. HEP 발전기는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진 또는 기관차의 동력원에 의해 구동될 수 있다.

4. 3. 엔진

HEP 발전기는 기관차 또는 발전차에 장착된 별도의 엔진 또는 기관차의 동력원에 의해 구동될 수 있다.

4. 4. 전압

북아메리카에서는 열차의 길이와 높은 전력 요구량 때문에, 객차 전원 공급 장치(HEP)는 480 V (미국 표준), 575V 또는 600V의 삼상 교류 전력으로 공급된다. 각 객차에는 전압을 낮추기 위한 변압기가 설치되어 있다.^[12]

영국에서는 ETS가 800~1000V AC/DC 2극(400 또는 600A), 1500V AC 2극(800A) 또는 HST에서 415V 3상으로 공급된다.

아일랜드에서는 HEP가 유럽/IEC 표준 230/400V 50Hz(원래는 220/380V 50Hz)로 제공된다. 이는 아일랜드 및 EU 가정, 상업 건물, 산업에서 사용되는 전력 시스템과 동일한 규격이다.

5. 대안

대부분의 기관차 견인 열차는 기관차에서 직접 전력을 공급받지만, (주로 유럽 대륙에서) 열차가 정차해 있고 동력차가 연결되지 않은 경우 식당차가 전차선에서 직접 전력을 공급받는 경우가 있었다. 예를 들어, 독일 식당차 WRmz 135 (1969), WRbumz 139 (1975) 및 ARmz 211 (1971)에는 모두 팬터그래프가 장착되었다.

일부 핀란드 식당/케이터링 차량에는 기관차가 전력을 공급할 수 있는 경우에도 사용되는 자체 디젤 발전기 세트가 있다.

코네티컷 주가 쇼어 라인 이스트 서비스를 시작했을 때, 많은 경우 HEP를 공급할 수 없는 구형 화물 디젤과 함께 새로운 여객차를 사용했기 때문에 일부 코치에는 HEP 발전기가 설치되어 배송되었다. HEP를 갖춘 기관차를 획득하면서 이후 제거되었다.

여객 열차가 HEP 공급이 없는 (또는 호환되지 않는 HEP 공급) 기관차에 의해 견인되어야 하는 경우, 별도의 발전기 차량을 사용할 수 있다. 예를 들어 Amtrak Cascades 열차 또는 아일랜드 국철의 CAF Mark 4 운전 객차 (쌍둥이 MAN 2846 LE 202 (320kW) / Letag (330kVA) 엔진/발전기 세트, GESAN에서 조립)와 같은 별도의 발전기 차량을 사용할 수 있다. 키위레일(뉴질랜드)은 AG 클래스 수하물 발전기 차량을 Tranz Scenic 여객 서비스에 사용하고, 와이라라파 선의 Tranz Metro는 내장의 일부를 발전기를 수용하도록 개조한 SWG 클래스 여객 객차를 사용한다. 링링 브라더스 앤 바넘 앤 베일리 서커스 열차는 열차를 견인하는 호스트 철도 기관차에 의존하지 않기 위해 여객 객차에 HEP를 공급하는 최소 한 대의 맞춤형 동력차를 사용했다.

영국과 스웨덴에서 고속 열차 IC125와 X2000은 50 Hz 3상 전력선을 가지고 있다.

참조

_[1] 서적 Train lighting by electricity https://archive.org/[...] Ben Johnson & Co. 2013-03-17
_[2] 서적 The Impact of the Railway on Society in Britain: Essays in Honour of Jack Simmons https://books.google[...] Ashgate Publishing, Ltd. 2013-03-17
_[3] 서적 Scientific American https://books.google[...] Munn & Company 1885-07-04
_[4] 간행물 A Few Points in the History of Car Lighting https://books.google[...] 1919-05
_[5] 서적 The American Railroad Passenger Car https://books.google[...] Johns Hopkins University Press 1985
_[6] 뉴스 Head-end power http://trn.trains.co[...] 2006-05-01
_[7] 웹사이트 Nevada Southern Railway's website describing their head end power car http://www.nevadasou[...] 2021-12-06
_[8] 웹사이트 Cuyahoga Valley Scenic Railroad's description of their car's history and conversion http://www.cvsr.com/[...]
_[9] 웹사이트 Heart of Dixie Railroad Museum's equipment roster with a brief description of their HEP car http://www.hodrrm.or[...] 2021-12-06
_[10] 웹사이트 Head-end power – TRAINS magazine http://trn.trains.co[...] Kalmbach Publishing Co 2006-05-01
_[11] 웹사이트 Milwaukee Road Commuter Locomotives http://sbcglobalpwp.[...]
_[12] 웹사이트 HEP Trainline Configurations in North America http://www.nwrail.co[...] Northwest Rail 2011-01-29
_[13] 웹사이트 a generator van converted from a Mk.1 BG http://philtpics.fot[...] Phil Trotter 2011-01-29

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