동력분산식 열차

3. 디자인

대부분의 동력분산식 열차(MU)는 견인 전동기를 통해 구동된다. 전력 공급 방식은 크게 두 가지로 나뉜다. 제3궤조 방식이나 가공 전선을 통해 외부에서 전기를 직접 공급받는 전기 동차(EMU) 방식과, 열차 내에 디젤 엔진과 발전기를 설치하여 견인 전동기를 구동할 전기를 자체 생산하는 디젤 동차(DMU) 방식이 있다.^[1]

동력분산식 열차는 기관차와 동일한 동력 및 견인 부품을 갖추고 있지만, 이 부품들이 하나의 차량(기관차)에 집중되지 않고 열차를 구성하는 여러 객차에 분산되어 배치된다는 점이 특징이다. 이 때문에 각 객차는 열차의 일부로 연결되어야만 추진력을 얻을 수 있는 경우가 많아, 반영구적으로 연결되어 운행된다. 예를 들어, 디젤 동차의 경우 어떤 객차에는 원동기와 견인 전동기가 탑재되고, 다른 객차에는 전력 공급용 엔진이 탑재될 수 있다. 전기 동차의 경우, 한 객차에 팬터그래프와 변압기가 설치되고 다른 객차에 견인 전동기가 설치되는 방식으로 구성될 수 있다.^[1]

동력분산식 열차의 객차는 동력을 가진 '전동차'와 동력이 없는 '부수차'로 나뉜다. 모든 객차가 반드시 동력을 가질 필요는 없다. 부수차에는 공기 압축기, 배터리 등 열차 운행에 필요한 보조 장비가 탑재되기도 하며, 운전실이 설치된 부수차도 있다.^[1]

일반적으로 동력분산식 열차는 열차의 맨 앞이나 뒤에 위치한 전용 운전실 객차에서만 운전 및 제어가 가능하다. 하지만 일부 열차는 모든 객차에 운전 콘솔과 제어 장치가 설치되어 있어, 동력 유무와 관계없이 어떤 객차든 열차의 맨 끝에 위치하면 운전실로 사용할 수 있다. 뉴저지 교통국의 애로우(Arrow) 열차가 이러한 구성의 대표적인 예이다.^[1]

유럽에서는 과거부터 근교 수송용 소형 전동차나 기동차가 존재했지만, 장거리 열차는 주로 기관차가 객차를 끄는 방식이 일반적이었다. (시마 히데오가 시찰했던 네덜란드 철도는 예외적으로 동력분산식을 일찍 도입했다.)^[2] 독일은 열차 속도 향상을 위해 증기 기관차 개량과 더불어 동력분산식 고속화 방안을 모색했고, 그 결과 유선형 기동차인 플리겐더 함부르거를 개발하여 1933년부터 영업 운전을 시작했다. 이 기동차는 최고 속도뿐만 아니라 가속력이 뛰어나, 베를린 레르터역에서 함부르크 중앙역까지의 283km 구간(전체 운행 구간 293km)을 중간 정차 없이 2시간 18분 만에 주파했다. 이는 역간 평균 속도 124km/h에 달하는 당시 세계 최고 기록이었다.^[2]

한편, 이탈리아 국철은 1930년대부터 고속 전동차 개발에 힘써 1936년 세계 최초의 장거리 고속 특급 전동차인 ETR200형을 선보였다. 제2차 세계 대전 이후에는 '세테벨로'라는 애칭으로 유명한 ETR300형과 펜돌리노 등 동력분산식 고속열차를 지속적으로 개발했다.^[2] 독일 역시 "루프트한자 공항 익스프레스" 등에 사용된 ET403형 전동차나 후기 ICE 모델에 동력분산 방식을 채택하는 등, 고속 철도 분야에서 동력분산식 열차를 도입하는 것이 세계적인 추세가 되었다. 다만, 프랑스 SNCF의 TGV는 예외적으로 동력집중 방식을 유지하고 있다. 과거 동력분산식 차량(AGV)을 개발하기도 했으나, 많은 승객 수송을 위해 저상형 2층 객차가 필요하다는 판단 하에 동력집중 방식을 고수할 예정이다. 이때 개발된 AGV는 이탈리아의 민간 철도회사 NTV에서 도입하여 운행 중이다.^[2]

4. 동력집중식 열차와의 비교

동력집중식 열차와 비교했을 때, 동력분산식 열차는 여러 장점과 단점을 동시에 가지고 있다. 각 방식의 특징과 장단점에 대한 자세한 내용은 아래 문단에서 설명한다.

4. 1. 장점

• 열차의 중량이 전체 차량에 분산되어 있어 에너지 효율성이 뛰어나다. 승객을 수송하지 않으면서 열차 전체 중량에 기여하는 무거운 기관차가 없기 때문에, 기관차 견인 열차보다 더 높은 출력 대 중량비를 갖는다. 이는 특히 열차 운행 중 잦은 정차가 필요한 경우 가속에 소비되는 에너지를 절약하는 데 유리하다.
• 가감속 성능이 우수하여 정차역이 많은 단거리 운행에 적합하다. 점착력이 좋고 가속 능력이 뛰어나, 잦은 출발과 정지가 필요한 지하철^[12]이나 도시 철도 시스템에서 선호된다. 대한민국의 지하철에서 운행하는 모든 열차가 동력분산식을 채택하고 있으며, 네덜란드나 일본과 같이 인구 밀도가 높은 지역에서도 널리 사용된다. 많은 고속철도 열차(예: 일본 신칸센, 독일 ICE 3, 프랑스 AGV) 역시 동력분산 방식을 채택하여 우수한 성능을 발휘한다.
• 대부분의 동력분산식 열차는 양쪽 끝에 운전실이 있어 종착역이나 스위치백 구간에서 기관차를 반대 방향으로 다시 연결할 필요 없이 빠르게 회차할 수 있다^[13]. 이는 회차 시간 단축, 승무 비용 절감, 안전성 향상으로 이어진다. 빠른 회차 시간은 통근 철도 서비스에서 높은 운행 빈도를 가능하게 한다. (푸시풀 열차의 등장으로 기관차 견인 열차도 회차 문제는 일부 해결되었다.)
• 운행 도중 열차를 여러 단위로 신속하게 연결하거나 분리하여 다양한 길이로 운용할 수 있다. 예를 들어, 하나의 열차로 운행하다가 분기점에서 각기 다른 목적지로 향하는 짧은 열차로 나눌 수 있다^[13]. 대한민국의 새마을호 복합 열차가 대표적인 예시다.
• 동력집중식 열차에 비해 각 차축에 가해지는 무게(축중)가 가볍다^[12]. 이로 인해 상대적으로 구조가 약한 선로나 경량 선로에서도 운행이 가능하며, 선로 마모를 줄이는 효과가 있다. 또한 커브나 분기기에서의 제한 속도를 높일 수 있고, 선로 유지보수 주기를 늘려 비용을 절감할 수 있다.
• 동력분산식 열차의 각 차량은 일반적으로 강체 연결기를 사용하여 기관차와 객차보다 더 강력하게 연결된다. 이는 제동이나 가속 시 차량 간에 전달되는 충격을 줄여 승차감을 개선하고, 더 빠른 제동 및 가속 조작을 가능하게 한다.
• MT비(동력차와 부수차의 비율)를 높게 설정할 수 있어 기동 가속도가 뛰어나다. 이는 오르막 구배 구간에서도 고속 주행을 가능하게 하며, 곡선 구간이 많거나 잦은 가감속이 필요한 노선에서도 유리하다. 여러 개의 차축으로 구동력을 분산하기 때문에, 각 차축에 허용되는 최대 축중(W)과 구동축 수(N), 점착 계수(μ)의 곱($\backslash mathit\{F\}=\backslash mathit\{N\}\backslash mathit\{W\}\backslash mu$)으로 결정되는 최대 견인력 측면에서 동력집중식보다 유리할 수 있다. 특히 일본과 같이 허용 축중이 작은 환경에서는 이 장점이 더욱 부각된다.
• 기관차가 객차를 끄는 방식에 비해 각 차량에 걸리는 인장력이 작아, 차량 대차의 강도를 낮추고 더 가볍게 만들 수 있다.
• 전동차나 하이브리드 동차의 경우, 회생 제동을 효과적으로 사용할 수 있다. 이를 통해 에너지 절약 효과를 얻을 수 있으며, 지연 제어나 순 전기 제동 기술을 활용하여 브레이크 슈의 마모를 줄이고 교체 주기를 연장할 수 있다. 결과적으로 제동 성능이 향상되어, 같은 제동 거리 조건에서 더 높은 최고 속도를 설정할 수 있다.
• 장애 대응력이 높다. 편성 내 일부 동력 장치(엔진/모터)에 고장이 발생하더라도 나머지 동력 장치로 운행을 계속할 수 있는 경우가 많다^[12]. 반면 동력집중식 열차는 일반적으로 하나의 기관차에 의존하므로, 기관차 고장 시 열차 운행이 중단될 위험이 더 크다. (다만, 일부 기관차 견인 열차는 2개 이상의 동력 장치를 갖추기도 한다.)

4. 2. 단점

• 동력 장치와 서비스 기계가 여러 차량에 분산되어 있어, 동력집중식 열차에 비해 정비 및 유지보수에 시간과 비용이 더 많이 소요된다. 동력 및 제어 기구가 많아 제조 비용과 유지 비용도 높다.^[14] 또한, 평소 사용하지 않는 차량을 장기간 유치해 두기 어려워 수송량 변동이 심한 노선에 대응하기 어렵다는 단점이 있다. 다만, 1990년대 이후 제어 장치 및 보조 전원 장치의 인버터화 등 유지보수 부담을 줄이는 기술이 발전하면서 이러한 단점은 일부 개선되었다. 그러나 2005년 일본 게이힌 토호쿠 선에서 발생한 고장 사고를 계기로 과도한 유지보수 간소화는 지양하는 추세이다.

• 사고 발생 시 동력부와 객차가 분리되지 않아 피해가 객차로 쉽게 확산될 수 있다. 과거 증기 기관차 시절에는 동력부와 객차가 분리되어 있어 사고 시 피해 전파까지 시간이 걸렸으나, 동력분산식은 구조적으로 취약할 수 있다. 또한, 기관차 고장 시에는 기관차만 교체하면 되지만, 동력분산식 열차는 특정 동력차가 고장 나면 편성 전체를 교체해야 하는 경우가 많아 복구에 시간이 더 걸릴 수 있다. 승객 역시 고장 난 열차에서 내려 다른 열차로 갈아타야 하는 불편함이 있다. 그러나 서울교통공사 3000호대 VVVF 전동차와 같이 최신 전동차 중에는 고장 난 차량을 분리하지 않고 다른 차량이 견인하여 운행할 수 있도록 설계된 경우도 있다.

• 고장 발생 시 원인 파악이 어려울 수 있다. 동력이 여러 차량에 분산되어 있어 고장 부위를 찾기 위해 여러 차량을 점검해야 할 수 있다.^[14] 하지만 21세기 들어 TIMS와 같은 열차 정보 관리 시스템이 실용화되면서 운전대에서 고장을 포함한 이상 상태를 쉽게 파악할 수 있게 되어 이 단점은 상당 부분 개선되고 있다.

• 열차 운영의 유연성이 부족하다. 단편성 동력차 여러 대를 연결하여 운행(중련)할 경우, 편성 사이를 승객이나 승무원이 자유롭게 이동하기 어렵다(일부 관통형 선두부를 가진 열차 제외). 이로 인해 승무원은 각 편성을 오가기 위해 열차에서 내렸다 타야 할 수 있으며, 식당차와 같은 서비스 시설이 특정 편성에만 있는 경우 다른 편성의 승객은 이용하기 어렵다. 또한, 열차 길이를 조절할 때도 객차 단위로 추가하거나 제거하기 쉬운 동력집중식과 달리, 동력분산식은 편성 단위로만 연결하거나 분리할 수 있어 유연성이 떨어진다. 2층 객차를 편성하는 데에도 구조적인 어려움이 따를 수 있다.

• 승차감 측면에서 불리할 수 있다. 동력 장치가 객차 바로 아래에 위치하기 때문에 여기서 발생하는 소음과 진동이 객실 내부로 전달되기 쉽다. 특히 디젤 동차(DMU)에서 이러한 문제가 두드러질 수 있다. 물론 대부분의 열차는 방음 및 진동 저감 대책을 적용하지만, 동력집중식 열차에 비해 정숙성 확보가 어려울 수 있다. 그러나 1990년대 이후 방음 및 차음 기술의 발전으로 일본 JR 큐슈의 787계 전동차처럼 객차 수준의 정숙성을 실현한 차량도 있다. 또한, 여러 동력차가 가감속을 반복하면서 발생하는 전후 충격이 클 수 있어, 이를 완화하기 위해 밀착식 연결기 사용이 필수적이다.^[15]

• 성능 및 효율 면에서도 단점이 존재한다. 동력 전달 과정에서 발생하는 저항이 커서, 특히 관성 주행 시나 고속으로 운행할 때 에너지 손실이 클 수 있다. (반대로, 이 저항을 이용하여 전기제동이나 회생제동의 효율을 높일 수도 있다.) 화물 열차의 경우, 동력 장치 자체의 무게 때문에 각 화차에 실을 수 있는 최대 적재 중량이 줄어든다. 또한, 사용하지 않는 동력분산식 열차는 값비싼 동력 장치를 낭비하는 결과를 낳을 수 있다. 반면, 동력집중식은 기관차를 분리하여 다른 화물 열차 견인 등에 활용할 수 있다.

• 운행 구간에 제약이 있을 수 있다. 전동차의 경우, 사용하는 전력 방식(철도 전철화)이 다른 구간이나 전철화되지 않은 비전철화 구간으로는 직접 운행하기 어렵다. 비전철화 구간을 운행하려면 별도의 디젤 기관차와 객실 서비스 전원 공급을 위한 발전기가 필요하다. 여러 국가를 오가는 국제열차의 경우에도 각국의 다른 시스템에 맞춰 편성을 쉽게 바꾸기 어려워 동력집중식에 비해 불리하다.

5. 국가별 현황

해외에서는 일반적으로 전철 구간만을 운행하는 단거리 열차는 동력 분산 방식을, 전철과 비전철 구간을 모두 운행하는 장거리 열차는 동력 집중 방식을 사용하는 경우가 많다. 비전철 구간이 많은 개발 도상국에서는 통근열차에도 동력 집중 방식을 사용하는 경우가 있다. 세계적으로 보면 일본과 같이 거의 모든 여객 열차가 동력 분산 방식으로 운행되는 경우는 드물었으나, 21세기에 들어 변화하는 추세도 나타나고 있다.

5. 1. 대한민국

5. 2. 일본

5. 3. 유럽

5. 4. 미국

• 펜실베이니아 남동부 교통국(SEPTA)의 지역 철도 부서는 일부 피크 시간대 급행 서비스를 제외하고는 거의 전적으로 EMU를 사용한다.
• 뉴저지 교통국의 노스이스트 코리도 선 서비스는 전기 기관차 견인 열차와 EMU를 함께 운영한다.
• 메트로-노스 철도의 뉴 헤이븐 선에서는 M2, M4, M6, M8 EMU가 운행된다. 이 열차들은 제3궤조 또는 가공전차선 양쪽에서 전력을 공급받을 수 있는 다중 시스템 차량이다. 이를 통해 뉴욕 펠햄과 코네티컷주 뉴 헤이븐 사이의 가공전차선 구간(암트랙의 노스이스트 코리도와 공유)과 펠햄에서 그랜드 센트럴 터미널까지의 제3궤조 구간 모두에서 운행이 가능하다.

참조

_[1] 웹사이트 'Rulebook Master: Glossary of Railway Terminology, Train Working "Coupled in multiple - Traction units coupled to allow through controls by one driver"' https://www.rssb.co.[...] Rail Safety and Standards Board 2017-09-28
_[2] 웹사이트 Liverpool Overhead Railway Motor Coach Number 3, 1892 http://www.liverpool[...] National Museums Liverpool 2011-01-21
_[3] 웹사이트 Mr Sprague answers Mr Westinghouse https://www.nytimes.[...] 2012-06-16
_[4] 뉴스 France unveils super-fast train http://news.bbc.co.u[...] BBC News 2008-02-05
_[5] 웹사이트 By Coradia to Batna https://www.railwayg[...] 2024-03-14
_[6] 문서 The ETR 470 is currently being retired. Both ETR are property of [[Cisalpino]], a company owned by the Swiss Federal Railways and [[Trenitalia]] and are used on [[Eurocity]] lines
_[7] 웹사이트 M – Sliding Door Suburban Motor Car http://www.pjv101.ne[...] 2007-08-30
_[8] 웹사이트 Chinese firm signs contract to supply trains for PNR Bicol project https://news.abs-cbn[...] 2020-10-01
_[9] 간행물 The Metro Manila LRT—A Historical Perspective https://www.ejrcf.or[...] 1998-06
_[10] 뉴스 DoTr prepares to award rolling stock contract https://www.bworldon[...] 2019-05-21
_[11] 웹사이트 The Post-War All-Electric PCC Cars (Classes A6-A8) http://transit.toron[...] Transit Toronto 2015-06-25
_[12] 문서 萩原 (1977) pp.132 - 133
_[13] 문서 萩原 (1977) pp.43, 132 - 133
_[14] 문서 萩原 (1977) p.43
_[15] 서적 日本の電車物語 旧性能電車編 創業時から初期高性能電車まで JTBパブリッシング 2007
_[16] 서적 日本の電車物語 旧性能電車編 創業時から初期高性能電車まで JTBパブリッシング 2007