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전기 기관차

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목차

1. 개요

전기 기관차는 전력을 사용하여 운행하는 철도 차량으로, 19세기 중반부터 개발이 시작되었다. 초기에는 갈바니 전지의 성능 한계로 실용화에 어려움을 겪었지만, 1879년 베르너 폰 지멘스의 실험을 통해 실질적인 발전을 이루었다. 이후 도시 지역의 매연 문제와 기술 발전을 통해 널리 보급되었으며, 직류, 교류, 교류직류 겸용 등 다양한 종류가 존재한다. 전기 기관차는 전력 공급 방식, 구동 방식, 제어 방식에 따라 분류되며, 배터리 기관차, 슈퍼커패시터 기관차 등 특수한 형태도 있다. 전기 기관차는 디젤 기관차보다 친환경적이고 출력이 높지만, 전철화된 노선에서만 운행 가능하다는 제약이 있다. 현재는 고속철도 시대를 맞아 고속 운행에 적합한 기술 개발이 이루어지고 있으며, 각 지역별로 다양한 형태의 전기 기관차가 운용되고 있다.

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전기 기관차
지도
기본 정보
유형기관차
동력전기
최고 속도357 km/h (222 mph)
역사
개발 배경전철화의 경제성
환경
배출 가스배출 가스 없음 (연료 연소 없음)
환경 규제미국 환경 보호국(EPA)의 규제 대상
특징
전력 공급외부 전력 공급 필요
작동 방식전기 모터로 바퀴 구동
일본에서의 약칭電機 (전기)
관련 항목
관련 차량전기·디젤 양용 차량

2. 역사

== 역사 ==

전기 기관차는 19세기 중반부터 개발이 시작되었지만, 초기에는 갈바니 전지의 성능 한계로 실용화되지 못했다. 1837년 스코틀랜드의 로버트 데이비드슨이 최초로 갈바니 전지를 이용한 전기 기관차를 제작했으며, 1841년에는 더 큰 기관차 '갈바니'를 만들어 전시회에 출품하기도 했지만, 전지의 제한된 출력 때문에 실용적인 수준에 이르지는 못했다.

실질적인 전기 기관차의 발전은 1879년 베르너 폰 지멘스가 2.2 kW의 전동기로 3량의 여객차를 견인하는 데 성공하면서 시작되었다. 이 기관차는 시속 13 km로 운행하며 4개월 동안 약 9만 명의 승객을 수송했고, 전력 공급에는 제3궤조 방식이 사용되었다. 같은 해, 세계 최초의 전기 트램 노선이 베를린 근교에서 개통되었으며(그로스-리히터펠데 트램웨이 및 베를린 시내 트램 참조), 1883년에는 영국 브라이턴에서 볼크의 전기 철도가 개통되었다. 미국에서는 1888년 프랭크 J. 스프레이그가 리치먼드 연합 여객 철도에 전기 트롤리를 도입하며 전기 철도 발전에 기여했다.

도시 지역 터널 증가와 증기 기관차의 매연 문제는 전기 기관차 발전을 더욱 가속화시켰다. 도시들은 증기 기관차 사용을 금지하기 시작했고, 1890년 개통된 영국의 시티 앤 사우스 런던 철도는 최초의 전기식 지하철로, 설립 법안에 증기 기관차 사용 금지 조항이 포함되어 있었다. 스프레이그의 다중 단위 열차 제어 발명(1897년)은 지하철 전철화를 확대하는 계기가 되었고, 1895년 볼티모어 앤 오하이오 철도의 볼티모어 벨트 라인이 본선 최초의 전철화 구간이 되었다. 이후 뉴욕 중앙 철도(1904년), 펜실베이니아 철도(1930년대) 등이 전기 기관차 운행을 시작했지만, 디젤 기관차의 등장과 전력 공급 인프라 유지 비용 문제로 미국의 전철화는 도시 교통 중심으로 축소되었다. 유럽에서는 1,500V 직류와 25kV 50Hz 전력 시스템을 이용한 전철화가 계속 발전했다. 최초의 전기 기관차로 알려진 1837년 로버트 데이비드슨이 만든 기관차는 애버딘에서 제작되었고, 갈바니 전지를 사용했다. 1841년에는 이를 대형화하여 ''Galvani''라 명명하고 왕립 스코틀랜드 예술 협회 박람회에 출품했으며, 1842년 에든버러-글래스고 간 철도에서 시험 주행을 실시했으나, 전지 사용으로 주행 거리가 제한되어 실용화되지 못했다. 1879년 베르너 폰 지멘스가 베를린에서 실용화한 전기 기관차는 2.2 kW의 전동기로 3량의 여객차를 연결하여 최고 시속 13 km로 주행했고, 약 300m의 원형 철로에서 4개월 동안 약 9만 명의 승객을 수송했다. 전력 공급에는 제3궤조 방식이 사용되었다. 1881년 베를린 근교 리히터펠데의 노면 전차는 베르너 폰 지멘스가 제작한 전기 기관차를 사용하여 상업 운용을 시작했다. 영국에서는 1883년 브라이턴에서 마그누스 볼크의 철도(볼크의 전기 철도)가 개통되었다. 미국에서는 1888년 프랭크 스프레이그의 설계로 리치먼드 유니온 여객 철도가 최초의 노면 전차를 운행하기 시작했다. 영국 최초의 전기 기관차를 사용한 지하철인 시티&사우스 런던 철도(현재 노던선의 일부)는 1890년에 개통되었고, 매터 앤 플랫 제작의 전기 기관차를 사용했다. 1897년 프랭크 스프레이그의 총괄 제어 발명은 지하철의 급속한 전철화를 촉진하는 데 기여했다. 지상 철도는 법률 등으로 강제로 전환될 때까지 증기 기관차를 계속 사용했다. 지상 본격적인 철도에서 최초로 전철화된 노선은 볼티모어 앤 오하이오 철도(B&O)의 총연장 4마일 정도의 볼티모어 벨트 라인(볼티모어 환상선)으로, 1895년의 일이다. 볼티모어 시내 변두리를 통과하기 위해 몇몇 터널이 필요했고, 인접한 펜실베이니아 철도 노선의 증기 기관차 연기가 환경오염 문제를 야기할 것으로 예상되어 전철화가 추진되었다. B&O에서는 남쪽 끝에서 열차에 전기 기관차를 연결하여 반대쪽 끝까지 견인했다.

2. 1. 초기 전기 기관차

1837년, 스코틀랜드의 로버트 데이비드슨이 갈바니 전지를 사용한 최초의 전기 기관차를 애버딘에서 제작했다. 1841년에는 이를 대형화하여 ''Galvani''라 명명하고 왕립 스코틀랜드 예술 협회 박람회에 출품했으며, 이듬해 에든버러-글래스고 간 철도에서 시험 주행을 실시했으나, 전지를 사용했기 때문에 주행 거리가 제한되어 실용화되지 못했다.[44][45] 실제로 승객을 태운 여객차를 견인한 최초의 전기 기관차는 베르너 폰 지멘스가 1879년 베를린에서 실용화한 것으로, 2.2 kW의 전동기로 구동되어 3량의 여객차를 연결한 상태에서 최고 속도 13 km/h로 약 300미터의 원형 철로 위를 주행하며 4개월 동안 약 9만 명의 승객을 수송했다. 전력 공급에는 제3궤조 방식이 채택되었다. 1881년에는 베를린 근교 리히터펠데의 노면 전차가 베르너 폰 지멘스에 의해 상업 운용되었다. 영국에서는 1883년 브라이턴에서 마그누스 볼크의 전기 철도가 개통되었고, 같은 해 글래스고의 딕 커 앤드 컴퍼니도 가스 엔진의 경편 철도 사업에 진출했다. 미국에서는 1888년 프랭크 스프레이그의 설계로 리치먼드 유니온 여객 철도가 최초의 노면 전차로 운행을 시작했다.[46] 영국 최초의 전기 기관차를 사용한 지하철인 시티&사우스 런던 철도선(현재 노던선의 일부)은 1890년 운행을 시작했으며, 증기 기관차의 유해한 연기 문제와 관련 법률이 배경에 있었다.[47] 1897년 프랭크 스프레이그가 총괄 제어를 발명한 것도 지하철의 급속한 전철화를 촉진하는 데 기여했다. 지상 철도는 법률 등으로 강제로 전환될 때까지 증기 기관차를 계속 사용했다. 지상 본격적인 철도에서 최초로 전철화된 노선은 볼티모어 앤 오하이오 철도(B&O)의 볼티모어 벨트 라인(볼티모어 환상선)으로, 1895년에 총연장 4마일 정도의 구간이 전철화되었다. 이는 B&O의 간선과 뉴욕까지의 노선을 연결하는 부분으로 볼티모어 시내 변두리를 통과하기 위해 몇몇 터널이 필요했고, 펜실베이니아 철도의 증기 기관차 운행으로 인한 환경오염 문제를 해결하기 위한 조치였다. B&O에서는 남쪽 끝에서 열차에 전기 기관차를 연결하여 반대쪽 끝까지 견인했다.[48]

2. 2. 직류 전기 기관차의 발전

19세기 후반, 전기 기관차는 혁신적인 기술 발전을 통해 등장했다. 1837년, 스코틀랜드의 로버트 데이비슨은 최초의 전기 기관차를 갈바니 전지로 작동시키는 데 성공했지만, 전지의 제한된 출력으로 인해 실용화에는 이르지 못했다. 1841년, 데이비슨은 더 큰 기관차인 '갈바니'를 제작하여 왕립 스코틀랜드 예술 협회 전시회에 출품했다. 하지만 갈바니 전지의 한계는 여전히 극복되지 않았다. [4] [5] [6]

진정한 의미의 전기 기관차 개발은 베르너 폰 지멘스의 업적으로 이어진다. 1879년 베를린에서 지멘스는 2.2kW 직렬 권선 모터로 구동되는 전기 기관차를 선보였다. 이 기관차는 3량의 열차를 견인하여 시속 13km로 운행하며 4개월 동안 9만 명의 승객을 수송했다. 전력 공급은 선로 사이에 설치된 제3궤조 방식을 통해 이루어졌다.

같은 시기, 세계 최초의 전기 트램 노선은 1881년 독일 베를린 근처에서 베르너 폰 지멘스에 의해 개통되었고(그로스-리히터펠데 트램웨이 및 베를린 시내 트램 참조), 1883년에는 영국 브라이턴에서 볼크의 전기 철도가 개통되었다. 미국에서는 프랭크 J. 스프레이그가 1888년 리치먼드 연합 여객 철도에 전기 트롤리를 도입하며 전기 철도의 발전에 기여했다. [7]

도시 지역의 터널 증가는 전기 기관차의 발전을 더욱 가속화했다. 증기 기관차의 연기 문제가 심각해짐에 따라 도시들은 증기 기관차 사용 금지 조치를 취하기 시작했다. 1890년 개통된 영국의 시티 앤 사우스 런던 철도는 최초의 전기식 지하철로, 설립 법안에 증기 기관차 사용 금지 조항이 포함되어 있었다. [9] 스프레이그의 다중 단위 열차 제어 발명(1897년)은 지하철의 전철화를 더욱 확대하는 계기가 되었다. 미국에서는 1895년 볼티모어 앤 오하이오 철도의 볼티모어 벨트 라인이 본선 최초의 전철화 구간이 되었다. 이는 증기 기관차의 연기 문제 해결을 위해 시행된 조치였다. [10] 1904년 뉴욕 중앙 철도는 전기 기관차 운행을 시작했고, 1930년대에는 펜실베이니아 철도가 펜실베이니아주 해리즈버그 동쪽 지역을 전철화했다. 밀워키 로드는 1915년부터 로키 산맥을 가로지르는 노선을 전철화했으나, 이후 디젤 기관차의 등장과 전력 공급 인프라 유지 비용 문제로 인해 미국의 전철화는 도시 교통 중심으로 축소되었다. 유럽에서는 1,500V 직류와 25kV 50Hz 전력 시스템을 이용한 전철화가 계속해서 발전했다.

2. 2. 1. 주요 직류 전기 철도 노선

최초의 전기 기관차는 1837년 스코틀랜드의 로버트 데이비드슨이 갈바니 전지를 사용하여 애버딘에서 제작했으나, 전지의 한계로 실용화되지 못했다. 1841년에는 이를 대형화하여 'Galvani'라 명명하고 왕립 스코틀랜드 예술 협회 박람회에 출품했으며, 1842년 에든버러-글래스고 간 철도에서 시험 주행을 실시했으나 역시 실용화에는 이르지 못했다.[44][45]

실제 승객 수송에 성공한 최초의 전기 기관차는 베르너 폰 지멘스가 1879년 베를린에서 제작한 것이다. 2.2 kW의 전동기로 3량의 여객차를 13 km/h로 운행, 제3궤조 방식으로 전력을 공급받았으며, 약 4개월 동안 9만 명의 승객을 수송했다. 1881년에는 베를린 근교 리히터펠데의 노면 전차에 같은 방식의 전기 기관차가 상업 운용되었다. 영국에서는 1883년 브라이턴에서 마그누스 볼크의 철도(볼크의 전기 철도)가 최초로 전기 기관차를 사용하여 개통되었다. 미국에서는 1888년 리치먼드 유니온 여객 철도가 프랭크 스프레이그의 설계로 최초의 노면 전차를 운행하기 시작했다.[46]

영국에서는 증기 기관차의 연기 문제로 도시 지역에서 사용이 제한되면서 전기 기관차 개발이 촉진되었고, 1890년에 개통된 시티&사우스 런던 철도(현재 노던선의 일부)가 영국 최초의 전기 기관차를 사용한 지하철이 되었다.[47] 이 노선은 매터 앤 플랫 제작의 전기 기관차를 사용했다. 1897년 프랭크 스프레이그의 총괄 제어 발명은 지하철의 전철화를 더욱 가속화시켰다.

지상 철도에서는 1895년 볼티모어 앤 오하이오 철도(B&O)의 볼티모어 벨트 라인(볼티모어 환상선, 총연장 약 4마일)이 최초로 전철화되었다. 이 노선은 볼티모어 시내 변두리를 지나는 터널 구간을 포함하고 있었으며, 증기 기관차의 연기 문제 해결을 위해 전철화가 추진되었다. B&O는 남쪽 끝에서 전기 기관차를 연결하여 열차를 견인하는 방식으로 운행했다.[48]

2. 3. 교류 전기 기관차의 도입

1891년, 취리히의 마시넨파브리크 엘리콘에서 근무하던 찰스 유진 랜슬럿 브라운은 실용적인 교류 전기 기관차를 설계했습니다. 그는 국제전기기술전시회를 위해 라우펜암네카르의 수력발전소와 프랑크푸르트암마인 서부의 전시장 사이 280km 거리에 걸쳐 3상 교류를 이용한 장거리 송전을 시연했습니다. 장 엘만과 함께 증기-전기 기관차 설계 경험을 바탕으로, 브라운은 3상 전동기가 직류 전동기보다 출력 중량비가 높고 정류자가 없어 제작 및 유지보수가 간편하다는 점을 확인했습니다.[11] 그러나 당시 직류 전동기보다 훨씬 크기 때문에 기관차 바닥의 대차에 장착할 수 없었고, 기관차 차체 내부에만 설치할 수 있었습니다.[12] 1896년 엘리콘은 루가노 트램웨이에 이 시스템을 최초로 상용화했습니다. 30톤짜리 기관차에는 각각 110kW의 모터 두 개가 장착되었고, 750V 40Hz 3상 전력으로 작동했습니다. 3상 모터는 일정 속도로 작동하며 재생 제동을 제공하므로 경사가 급한 노선에 적합했습니다. 1899년 브라운(당시 발터 보베리와 파트너십을 맺은 브라운 보베리)은 스위스 40km의 부르크도르프-툰 철도에 최초의 본선용 3상 기관차를 공급했습니다. 산업용 주파수 단상 교류 전력을 기관차에 처음 적용한 것은 1901년 엘리콘으로, 한스 벤-에센부르크와 에밀 후버-스토카르의 설계를 사용했습니다. 스위스 연방 철도의 제바흐-베팅겐 노선에 대한 설치는 1904년에 완료되었습니다. 15kV, 50Hz, 345kW의 기관차는 변압기와 회전 변환기를 사용하여 직류 견인 전동기를 구동했습니다.[13]

1894년 헝가리 엔지니어 칼만 칸도는 피브-릴 회사에서 전기 기관차용 새로운 유형의 3상 비동기식 전동기와 발전기를 개발했습니다. 칸도의 초기 설계는 1896년에서 1898년 사이에 건설된 에비앙레뱅의 짧은 3상 교류 트램웨이에 처음 적용되었습니다.[14][15][16][17] 1918년, 칸도는 회전상변환기를 발명하여 전기 기관차가 단일 가선을 통해 공급받으면서도 고전압 국가 전력망의 단상 교류를 사용하여 3상 전동기를 사용할 수 있게 했습니다.[18] 이탈리아 철도는 짧은 구간이 아닌 전체 간선에 전기 견인을 도입한 세계 최초의 철도였습니다. 106km의 발텔리나 노선은 1902년 9월 4일에 개통되었으며, 칸도와 강츠 공장 팀이 설계했습니다.[19] 전기 시스템은 3kV 15Hz의 3상이었습니다. 전압은 이전보다 훨씬 높았고 전동기와 스위칭 장치에 대한 새로운 설계가 필요했습니다.[20] 3상 2선식 시스템은 이탈리아 북부의 여러 철도에서 사용되었으며 "이탈리아 시스템"으로 알려지게 되었습니다. 칸도는 1905년 Società Italiana Westinghouse의 경영을 맡도록 초청받아 여러 이탈리아 전기 기관차 개발을 이끌었습니다.[21] 이탈리아 철도의 전철화 기간 동안 어떤 유형의 전력을 사용할지에 대한 테스트가 이루어졌습니다. 2차 세계 대전 후 이탈리아 철도 시스템 전체에 3kV 직류 전력이 선택되었습니다.[22] 강츠 공장과 소시에타 이탈리아나 웨스팅하우스에서 함께 일하던 칸도의 후속 개발은 전기 기계식 변환기였는데, 이를 통해 단상 교류에서 3상 전동기를 사용할 수 있게 되어 두 개의 가선이 필요 없어졌습니다.[23] 1923년 헝가리 최초의 상변환기 기관차가 칸도의 설계를 바탕으로 건설되었고, 그 후 곧 양산이 시작되었습니다. 16kV 50Hz의 최초 설치는 1932년 부다페스트와 코마롬 사이 56km 구간의 헝가리 국철에서 이루어졌습니다. 이는 성공적이었고 1934년 헤예샬롬까지 전철화가 확장되었습니다.[24] 유럽에서는 여러 가지 이유로 산악 지역을 중심으로 전철화 사업이 시작되었습니다. 2차 세계 대전 후 프랑스의 SNCF에서 교류 기관차의 광범위한 채택에 중요한 기여를 했습니다. 이미 프랑스 노선에 설치된 약 3,200km의 고전압 직류를 무시한 SNCF의 결정은 유럽 다른 국가들이 선택한 표준에 영향을 미쳤습니다.[25] 1960년대에는 많은 유럽 본선의 전철화가 이루어졌습니다. 유럽 전기 기관차 기술은 1920년대부터 꾸준히 향상되었습니다. 1980년대에는 초고속 서비스 개발로 인해 전철화가 더욱 확대되었습니다. 2006년 9월 2일, 유로스프린터 ES64-U4형(ÖBB 1216형)은 357km/h를 기록했습니다.[26]

2. 3. 1. 삼상 교류 시스템

삼상 교류 시스템은 직류 시스템에 비해 구동력이 크고, 정류자가 없어 제조 및 수리가 용이하다는 장점이 있다. 샤를 르네 브롱은 1891년 수력 발전소를 이용한 장거리 송전 실험을 통해 삼상 교류 시스템의 실용성을 확인했다. 1896년, Oerlikon은 루가노의 노면 전차에 세계 최초로 상용 삼상 교류 시스템을 적용했다. 이 시스템은 일정 속도로 작동하고 재생 제동 장치를 갖춰 경사가 심한 지역에 적합했다.

삼상 교류 전기 기관차가 본격적인 철도에 최초로 도입된 곳은 1899년 스위스 부르크도르프와 툰을 잇는 노선으로, 브롱의 시스템이 사용되었다. 헝가리의 칸도 카르만은 미국의 웨스팅하우스 일렉트릭과 협력하여 전기 기계식 변환 장치를 개발, 단상 교류로 삼상 교류 전동기를 구동하는 기술을 확보하여 필요 전선 수를 줄였다.[49]

유럽에서 철도 전철화는 초기 산악 지대에 집중되었는데, 이는 산악 지대의 석탄 공급 어려움과 수력 발전의 용이성, 그리고 급경사 노선에 전기 기관차의 적합성 때문이었다. 세계 최초로 간선 전체를 전철화한 곳은 이탈리아의 발텔리나선(Valtellina line)으로, 1902년 9월 4일에 개통하여 3,000V·15Hz의 삼상 교류를 사용했다. 이탈리아 노선의 전철화 과정에서는 다양한 전압과 주파수의 전력 공급 시험이 실시되었으며, 3,600V, 16.6Hz의 삼상 교류, 1,500V의 직류, 3,000V의 직류, 10,000V·50Hz의 교류 등이 시험되었다.[50][51][52][53] 1930년대 이후 이탈리아에서는 3,000V 직류 송전 시스템이 표준으로 채택되었으나, 프랑스와 가까운 지역에서는 1,500V 직류를, 고속철도의 대부분은 25,000V·50Hz 교류를 사용했다.[45]

2. 3. 2. 단상 교류 시스템

최초의 전기 기관차는 1837년 스코틀랜드의 로버트 데이비드슨이 갈바니 전지를 사용하여 애버딘에서 제작했다.[44][45] 1841년에는 이를 대형화하여 'Galvani'라 명명하고 왕립 스코틀랜드 예술 협회 박람회에 출품했으며, 1842년 에든버러-글래스고 간 철도에서 시험 주행을 실시했지만, 전지 사용으로 주행 거리가 제한되어 실용화되지 못했다. 실제 승객 수송에 성공한 최초의 전기 기관차는 1879년 베르너 폰 지멘스가 베를린에서 선보인 2.2 kW 전동기 기관차로, 3량의 여객차를 연결하여 최고 시속 13 km로 약 300m의 원형 철로를 주행하며 4개월 동안 약 9만 명의 승객을 수송했다.[44] 전력 공급에는 제3궤조 방식이 사용되었다. 1881년에는 베를린 근교 리히터펠데의 노면 전차에 같은 방식의 전기 기관차가 상업 운용되기 시작했다.[44] 영국에서는 1883년 브라이턴에서 마그누스 볼크의 전기 철도가 개통되었고, 미국에서는 1888년 리치먼드 유니온 여객 철도가 프랭크 스프레이그의 설계로 최초의 노면 전차를 운행했다.[46]

철도망 확장과 도시 지역 터널 건설은 전기 기관차 개발을 촉진했다. 증기 기관차의 유해한 연기 문제로 도시 지역에서 증기 기관차 사용 제한 움직임이 확산되었고, 이는 1890년 개통한 영국 최초의 전기 기관차를 사용한 지하철인 시티&사우스 런던 철도(현재 노던선의 일부) 건설의 배경이 되었다.[47] 1897년 프랭크 스프레이그가 발명한 총괄 제어는 지하철의 전철화를 더욱 가속화시켰다.[47] 지상 철도는 법률 등의 강제 조치가 있기 전까지 증기 기관차를 계속 사용했다. 지상 철도의 본격적인 전철화는 1895년 볼티모어 앤 오하이오 철도의 볼티모어 벨트 라인(총연장 4마일)에서 시작되었다. 이 노선은 볼티모어 시내 변두리를 통과하는 터널을 포함하고 있었고, 인근 펜실베이니아 철도의 증기 기관차 연기가 환경 오염 문제를 야기할 것으로 예상되어 전기 기관차가 도입되었다.[48]

최초의 교류 전기 기관차는 샤를 르네 브롱이 1891년 삼상 교류를 이용하여 수력 발전소에서 철도역까지 장거리 송전 실험을 통해 설계했다. 1896년에는 루가노의 노면 전차에 세계 최초의 상용 교류 시스템을 공급했고, 1899년에는 스위스 부르크도르프와 툰을 잇는 노선에 삼상 교류 전기 기관차가 처음으로 도입되었다. 헝가리 간츠사의 칸도 카르만은 웨스팅하우스 일렉트릭과 공동으로 전기 기계식 변환 장치(회전 위상 변환기)를 개발하여 단상 교류로 삼상 교류 전동기를 구동할 수 있도록 했다.[49] 유럽의 철도 전철화는 초기 산악 지대에 집중되었는데, 이는 산악 지대의 석탄 공급 어려움과 수력 발전 용이성, 급경사 노선에 전기 기관차의 적합성 때문이었다. 세계 최초로 간선 전체를 전철화한 것은 이탈리아의 발텔리나선(총연장 106km)으로, 1902년 9월 4일 개통하여 3,000V·15Hz의 삼상 교류를 사용했다.[50][51] 뉴욕시에서는 1908년 7월 1일 이후 할렘 강 이남으로 연기를 내뿜는 기관차의 진입을 금지하는 조치로 인해, 뉴욕 센트럴 철도가 1904년 전기 기관차 도입을 시작했다. 1915년부터 밀워키 철도는 로키 산맥과 태평양 연안의 노선 전철화를 시작했으며, 버지니아 철도와 노퍽 앤드 웨스턴 철도는 산악 지대 일부 구간만 전철화했다. 1923년 칸도의 설계를 기반으로 한 단상-삼상 변환기를 사용한 전기 기관차가 헝가리에서 제작되어 대량 생산되기 시작했고, 이를 바탕으로 부다페스트-빈 간 철도가 건설되었다. 1960년대에는 대부분의 유럽 간선 철도가 전철화되었고, 전기 기관차 기술은 꾸준히 발전하여 2006년에는 오스트리아 연방 철도의 1216형 기관차가 시속 357km의 최고 속도를 기록했다.

2. 4. 전철화의 확산

20세기 초, 유럽과 북미에서 전철화가 확산된 배경에는 증기 기관차의 한계와 기술 발전이 있었다. 최초의 전기 기관차는 1837년 스코틀랜드의 로버트 데이비드슨이 갈바니 전지를 이용하여 제작했으나, 갈바니 전지의 제한된 성능으로 실용화되지 못했다. 1841년에는 더 큰 전기 기관차 ''Galvani''를 제작하여 전시회에 출품했지만, 역시 실용화에는 이르지 못했다. [44][45]

실제 승객 수송에 성공한 최초의 전기 기관차는 1879년 베르너 폰 지멘스가 베를린에서 제작한 것으로, 2.2 kW의 전동기로 3량의 여객차를 최고 시속 13 km로 운행했다. [46] 약 300미터의 원형 철로에서 4개월 동안 약 9만 명의 승객을 수송했으며, 제3궤조 방식의 전력 공급 방식을 사용했다. 1881년에는 베를린 근교 리히터펠데의 노면 전차에도 지멘스가 제작한 전기 기관차가 상업 운용되었다.

영국에서는 1883년 브라이턴에서 마그누스 볼크의 전기 철도(볼크의 전기 철도)가 개통되었고, 같은 해 글래스고의 딕 커 앤드 컴퍼니도 가스 엔진 경편 철도 사업에 진출했다. 미국에서는 1888년 프랭크 스프레이그 설계의 리치먼드 유니온 여객 철도가 최초의 노면 전차로 운행을 시작했다. [47]

도시 지역의 철도망 확장과 터널 건설은 전기 기관차 개발을 더욱 촉진시켰다. 증기 기관차의 연기로 인한 환경 문제가 심각해지면서 도시 자치단체들은 증기 기관차 사용 제한에 나섰다. 영국 최초의 전기 기관차를 사용한 지하철인 시티&사우스 런던 철도(현재 노던선의 일부)는 이러한 법률적 배경 하에 1890년 운행을 시작했으며, 매터 앤 플랫 제작의 전기 기관차를 사용했다. 1897년 프랭크 스프레이그의 총괄 제어 발명은 지하철의 전철화를 더욱 가속화시켰다. 하지만 지상 철도는 법률에 의해 강제되지 않는 한 증기 기관차를 계속 사용했다.

지상 철도의 본격적인 전철화는 1895년 볼티모어 앤 오하이오 철도(B&O)의 볼티모어 벨트 라인(볼티모어 환상선, 총연장 약 4마일)에서 시작되었다. 볼티모어 시내 변두리를 통과하는 터널 구간이 필요했고, 인근 펜실베이니아 철도의 증기 기관차 연기로 인한 환경 오염 문제도 전철화의 배경이 되었다. B&O는 남쪽 끝에서 전기 기관차를 연결하여 열차를 견인하는 방식으로 운행했다. [48]

2. 4. 1. 유럽의 전철화

유럽에서는 19세기 후반부터 전기 기관차 개발과 전철화가 진행되었다. 초기에는 갈바니 전지를 사용하는 등 기술적 한계가 있었지만, 베르너 폰 지멘스가 1879년 베를린에서 2.2kW 전동기로 3량의 여객차를 견인하는 데 성공하면서 실용화의 길을 열었다. 이후 1881년 베를린 근교 리히터펠데에 최초의 상업용 전기 기관차가 운행을 시작했고, 1883년에는 영국 브라이턴에서 마그누스 볼크의 전기 철도가 개통되었다. 미국에서는 1888년 프랭크 스프레이그의 설계로 리치먼드 유니온 여객 철도가 최초의 노면 전차를 운행하기 시작했다.

도시 지역 터널 건설과 증기 기관차의 매연 문제는 전기 기관차 개발을 더욱 촉진했다. 영국에서는 증기 기관차 사용 제한 법률에 따라 1890년 시티&사우스 런던 철도(현재 노던선 일부)가 매터 앤 플랫 제작의 전기 기관차를 도입하여 운행을 시작했다. 1897년 프랭크 스프레이그의 총괄 제어 발명은 지하철 전철화를 더욱 가속화시켰다. 지상 철도는 법률 등의 강제 조치가 있기 전까지는 증기 기관차를 계속 사용했다. 1895년 볼티모어 앤 오하이오 철도의 볼티모어 벨트 라인이 지상 철도 최초의 전철화 노선이 되었다. 이 노선은 볼티모어 시내 변두리를 통과하는 터널을 포함하고 있었고, 인접한 펜실베이니아 철도의 증기 기관차 매연 문제 해결을 위해 전기 기관차가 도입되었다.

2차 세계대전 이후, 프랑스국철(SNCF)의 적극적인 전철화 정책은 유럽 전철화 표준에 큰 영향을 미쳤다. 독일철도(DBAG), SNCF, 스위스연방철도(SBB CFF FFS) 등 유럽 주요 철도 사업자들은 고성능 전기 기관차를 도입하여 최고 시속 200km/h의 고속 운행을 실현했다. TGV와 같은 준동력집중방식 고속열차도 기관차 견인 방식으로 볼 수 있다. 2000년대 이후에는 봄바르디어 트랜스포테이션, 지멘스, 알스톰 등 제조사 주도로 전기 기관차의 표준화가 추진되고 있다. 견인력 측면에서도 뛰어난 성능의 기관차들이 개발되었는데, 특히 스웨덴과 노르웨이에서 운용되는 IORE형은 1량으로 최대 1400kN의 힘을 발휘하며, 8600t의 화물을 견인할 수 있다. 이러한 고성능 기관차는 주로 철광석 수송에 활용되고 있다. 하지만, 일본과 달리 유럽에서는 전동차 보급이 상대적으로 낮아 장거리 열차는 기관차 견인 방식이 주류를 이룬다. [44] [45] [46] [47] [48]

2. 4. 2. 북미의 전철화

공중에 제3궤조를 배치하여 전류를 흘리는 방식이었다]] 하지만, 이후 디젤 기관차의 등장과 함께 전기 기관차는 점차 디젤 기관차로 대체되는 경향을 보였다. 도시 지역의 터널 건설과 증기 기관차의 연기 문제가 전기 기관차 개발을 촉진하는 요인으로 작용했지만, 지상 철도는 법률 등의 강제적인 조치가 없으면 증기 기관차를 계속 사용하는 경향이 있었다. [48]

2. 5. 현대의 전기 기관차

20세기 후반부터 현대에 이르기까지 전기 기관차 기술은 괄목할 만한 발전을 이루었다. 특히 고속철도의 등장은 전기 기관차 기술 발전에 큰 영향을 미쳤다. 초고속 전기 기관차의 개발은 지속적으로 이루어지고 있으며, 이는 더욱 빠르고 효율적인 철도 시스템 구축으로 이어질 것으로 전망된다. 고속철도의 발전과 더불어, 전기 기관차는 친환경적인 대안으로서 그 중요성이 더욱 커지고 있으며, 향후 기술 발전에 따라 더욱 효율적이고 친환경적인 운행이 가능해질 것이다. KTX와 같은 고속철도 시스템의 성공적인 운영은 한국의 전기 기관차 기술의 발전을 보여주는 좋은 사례이다. 다만, 고속철도 건설 과정에서 발생하는 환경 문제 및 토지 수용 문제에 대한 지속적인 사회적 논의와 개선이 필요하다. 또한, 전기 기관차 운행에 필요한 전력 공급 시스템의 안정성 확보 및 효율적인 에너지 관리 방안 마련도 중요한 과제이다. 향후 전기 기관차 기술 발전은 에너지 효율 향상, 소음 감소, 자동 운전 기술 발전 등 다양한 방향으로 진행될 것으로 예상된다.

2. 5. 1. 고속철도 시대의 도래

20세기 후반, 일본의 신칸센과 프랑스의 TGV를 필두로 고속철도 시스템이 본격적으로 개발되면서 전기 기관차 기술은 새로운 전기를 맞이하게 된다. 신칸센 0계 전동차는 1964년 도쿄 올림픽 개최를 계기로 등장하여, 당시 세계 최고 수준의 고속 운행을 실현했다. 이후, 신칸센은 꾸준한 기술 발전을 거듭하며 속도와 안전성을 더욱 향상시켰고, 일본의 경제 성장과 사회 발전에 크게 기여했다. 프랑스의 TGV 역시 고속 철도 기술의 선구자로, 높은 운행 속도와 편리성으로 유럽 고속 철도의 표준을 제시했다. 이러한 고속 철도 시스템의 확장은 전기 기관차의 성능 향상, 특히 추진 시스템 및 제어 기술의 발전을 촉진시켰고, 더욱 안정적이고 효율적인 고속 운행을 가능하게 했다. 다만, 초기 고속철도 건설은 막대한 예산 투입과 환경 문제에 대한 우려를 야기하기도 했다는 점 또한 주목할 만하다. 현재는 한국의 KTX를 비롯한 전 세계 여러 국가에서 고속철도 시스템이 운영되고 있으며, 이러한 기술 발전은 전기 기관차 기술의 지속적인 발전과 함께 이어지고 있다.

3. 구조

전기 기관차의 구조는 크게 주요 장치, 구동 방식, 제어 방식으로 나눌 수 있다.

주요 장치는 전동기, 기어, 대차 등으로 구성된다. 전동기는 동력을 발생시키고, 기어는 감속하여 차륜으로 전달한다. 감속 단수는 대개 1단이지만, 2단 감속이나 잭샤프트를 거쳐 연결봉으로 각 축에 동력을 전달하는 방식도 있다. 전동기는 일반적으로 대차의 각 축에 1개씩 장착되지만, 1개의 전동기로 2축을 동시에 구동하거나, 2개의 전동기로 1축을 구동하는 경우, 또는 차체 바닥면에 전동기를 탑재하는 경우도 있다. 대차 장착 방식에서는 구조가 간단한 현수식이 일반적이며, 궤도 부담과 충격 완화를 위해 링크식이나 퀼식과 같은 방식도 사용된다. 차체 바닥면 장착 방식에는 재크축식이나 부흐리식 등이 있다. 직류 또는 교류 직류 양용 기관차의 제어 방식은 저항 제어와 직병렬 조합 제어가 일반적이며, 가속 시 공전을 줄이기 위해 버니어 제어가 병용되기도 한다. 교류 기관차에는 저압 탭 제어 외에, 정류기 기능을 이용한 사이리스터 위상 제어 등 무접점식 제어 방식도 사용된다. 교류 기관차는 출력 전압을 연속적으로 변화시킬 수 있어 직류 기관차보다 적은 동축 수로 동일한 점착 성능을 얻을 수 있다. 1990년대 이후에는 다람쥐형 삼상 유도 전동기를 사용한 VVVF 인버터 제어 방식이 고출력 기관차에 많이 사용되고 있다. 보조 기기로는 제어 장치 및 등화 전원을 공급하는 전동 발전기, 주전동기 및 저항기 냉각용 전동 송풍기, 공기 브레이크용 전동 공기압축기 등이 있다. 여객 열차용 기관차에는 증기 난방용 증기 발생 장치(SG)나 전기 난방용 교류 전원 장치(전동 발전기 또는 정지형 인버터)가 탑재되기도 한다. 교류 전기 기관차에서는 주변압기 2차측에 별도의 권선(3차 권선)을 설치하여 보조 전원을 공급하는 것이 일반적이다.

구동 방식은 초기의 잭샤프트 방식에서 부흐리식, 퀼식, 차축 현가식으로 발전해왔다. 초기 전기 기관차는 큰 전동기 때문에 잭샤프트 구동 방식을 사용했지만, 소형 경량 전동기 개발 이후 대부분 폐기되었다. 이후 등장한 부흘리 구동 방식(Buchli drive)은 1920년대부터 SNCF와 스위스 연방 철도(Swiss Federal Railways)에서 주로 사용되었고, 퀼 구동 방식(quill drive)은 펜실베이니아 철도 GG1 기관차에 사용되었으나 저속 화물 기관차에서는 인기가 줄고 유럽 고속 여객 기관차에서 주류를 이룬다. "양극" 시스템은 전기자 자체가 차축인 방식으로, EP-2형 기관차처럼 많은 동력 차축을 사용했다. 현대 화물 전기 기관차는 대부분 각 동력 차축에 하나의 전동기를 사용하는 차축 현가식을 사용하며, 평기어를 통해 동력이 전달된다.

제어 방식은 직류/교류 직류 양용에서는 저항 제어, 직병렬 조합 제어, 버니어 제어가 사용되고, 교류용에서는 저압 탭 제어나 사이리스터 위상 제어 등이 사용된다. 1990년대 이후에는 다람쥐형 삼상 유도 전동기를 사용한 VVVF 인버터 제어가 많이 사용된다. 교류 기관차는 출력 전압을 연속적으로 변화시킬 수 있어 직류 기관차보다 적은 동력 차축으로 동등한 성능을 낸다.

전기 기관차와 증기 기관차의 성능 비교는 기동력과 최고 속도 측면에서 이루어졌다. 전기 기관차는 증기 기관차보다 가볍고 고성능으로 평가받지만, 과거에는 전동기의 특성상 저항기를 이용한 전압 제어로 기동 시 토크를 억제해야 한다는 잘못된 인식이 있었다. 반면 증기 기관차는 기동 시 최대 토크를 발생시킬 수 있다. 하지만 일본국유철도의 줄다리기 시험 결과는 EF15형 전기 기관차의 압승으로 끝났고, 이후 증기 기관차의 견인 성능이 우수하다는 주장은 사라졌다.[54][55] 이러한 논쟁에는 직권 정류자 전동기의 특성에 대한 이해 부족과 무연화 추진에 따른 인원 감축에 대한 노동조합의 반발 등 정치적 배경도 작용했다.

3. 1. 분류

전기 기관차는 전력 공급 방식에 따라 크게 직류 전기 기관차, 교류 전기 기관차, 그리고 교류직류 겸용 전기 기관차로 분류된다. 초기에는 직류 전원을 사용하는 것이 일반적이었지만, 대전력 송전이 가능한 교류 전원의 사용이 실용화되면서 교류 전기 기관차가 보편화되었다. 교류 전기 기관차의 경우, 상용 주파수의 단상 특고압을 주로 사용하지만, 초기에는 삼상 교류나 저주파수를 사용하는 경우도 있었다. 집전 방식은 고속 운전에도 적합한 가공 전차선 방식이 일반적이며, 일부 노선에서는 제3궤조 방식을 채택하기도 한다. 최근에는 충전식 에너지 저장 시스템, 예를 들어 배터리나 초고용량 축전기를 사용하는 광산용 전기 기관차도 등장하고 있다.

3. 2. 주요 장치

전기 기관차의 동력은 전동기에서 발생하며, 기어를 통해 감속되어 차륜으로 전달된다. 감속 단수는 대개 1단이지만, 2단 감속이나 재크축을 거쳐 연결봉으로 각 축에 동력을 전달하는 방식도 있다. 전동기는 일반적으로 대차의 각 축에 1개씩 장착되지만, 1개의 전동기로 2축을 동시에 구동하거나, 2개의 전동기로 1축을 구동하는 경우, 또는 차체 바닥면에 전동기를 탑재하는 경우도 있다. 대차 장착 방식에서는 구조가 간단한 현수식이 일반적이며, 궤도 부담과 충격 완화를 위해 링크식이나 퀼식과 같은 방식도 사용된다. 차체 바닥면 장착 방식에는 재크축식이나 부흐리식 등이 있다.

직류 또는 교류 직류 양용 기관차의 제어 방식은 저항 제어와 직병렬 조합 제어가 일반적이며, 가속 시 공전을 줄이기 위해 버니어 제어가 병용되기도 한다. 교류 기관차에는 저압 탭 제어 외에, 정류기 기능을 이용한 사이리스터 위상 제어 등 무접점식 제어 방식도 사용된다. 교류 기관차는 출력 전압을 연속적으로 변화시킬 수 있어 직류 기관차보다 적은 동축 수로 동일한 점착 성능을 얻을 수 있다. 1990년대 이후에는 다람쥐형 삼상 유도 전동기를 사용한 VVVF 인버터 제어 방식이 고출력 기관차에 많이 사용되고 있다.

보조 기기로는 제어 장치 및 등화 전원을 공급하는 전동 발전기, 주전동기 및 저항기 냉각용 전동 송풍기, 공기 브레이크용 전동 공기압축기 등이 있다. 여객 열차용 기관차에는 증기 난방용 증기 발생 장치(SG)나 전기 난방용 교류 전원 장치(전동 발전기 또는 정지형 인버터)가 탑재되기도 한다. 교류 전기 기관차에서는 주변압기 2차측에 별도의 권선(3차 권선)을 설치하여 보조 전원을 공급하는 것이 일반적이다.

3. 2. 1. 구동 방식

초기 전기 기관차는 견인 전동기가 크고 무거워 차축에 직접 장착할 수 없었기에 잭샤프트 구동 방식을 사용했다. 이 방식은 기어를 통해 잭샤프트를 구동하는 방식으로, 많은 기계 부품으로 인해 잦은 정비가 필요했다. 더 작고 가벼운 전동기 개발과 함께 대부분 폐기되었다.

이후 부흘리 구동 방식(Buchli drive)이 등장했다. 스프링으로 장착되어 전동기 무게가 구동 바퀴와 분리된 이 방식은 1920년대부터 SNCF와 스위스 연방 철도(Swiss Federal Railways)에서 주로 사용되었다. 같은 시기에 개발된 퀼 구동 방식(quill drive)은 전동기를 차축 위나 측면에 장착하고, 중공 샤프트(퀼)를 통해 차축에 연결하는 방식이다. 펜실베이니아 철도 GG1 기관차가 이 방식을 사용했지만, 저속 화물 기관차에서는 인기가 줄었고, 유럽 고속 여객 기관차에서 주류를 이룬다.

"양극" 시스템은 전기자 자체가 차축이고, 전동기 프레임과 필드 어셈블리는 트럭(대차)에 고정된 방식이다. 출력 제한으로 EP-2형 기관차처럼 많은 동력 차축을 사용해야 했다.

현대 화물 전기 기관차는 대부분 각 동력 차축에 하나의 전동기를 사용하는 차축 현가식을 사용한다. 전동기 하우징은 차축에 통합된 저널 위에 지지되고, 다른 쪽은 트럭(대차) 볼스터에 연결된다. 평기어를 통해 동력이 전달되며, 기어비는 화물용은 높고 여객용은 낮다. 전동기에서 출력된 동력은 기어에 의해 감속되어 차륜으로 전달된다. 감속 단수는 1단이 일반적이며, 2단 감속이나 잭샤프트를 거쳐 각 축으로 출력되는 경우도 있다. 전동기는 대차의 각 축에 1개씩 장착되는 것이 일반적이지만, 1개의 전동기로 2축을 동시에 구동하거나, 2개의 전동기로 1축을 구동하는 경우, 차체 바닥면에 장착하는 경우도 있다. 대차 장착 시에는 구조가 간단한 현수식이 일반적이며, 퀼식이나 링크식도 있다. 차체 바닥면 장착 시에는 부흐리식 등이 있다.

제어 방식은 직류/교류 직류 양용에서는 저항 제어와 직병렬 조합 제어, 버니어 제어가 사용된다. 교류용에서는 저압 탭 제어나 사이리스터 위상 제어 등이 사용되며, 출력 전압을 연속적으로 변화시킬 수 있어 직류용보다 적은 동력 차축으로 동등한 성능을 낸다. 1990년대 이후에는 다람쥐형 삼상 유도 전동기를 사용한 VVVF 인버터 제어가 많이 사용된다.

3. 2. 2. 제어 방식

직류용이나 교류 직류 양용 전기 기관차의 경우, 저항 제어와 직병렬 조합 제어가 일반적인 속도 제어 방식이다. 가속 시 공전을 줄이기 위해 버니어 제어를 병용하는 경우도 있다. 교류용 전기 기관차에서는 저압 탭 제어 외에, 정류기를 활용한 무접점식 사이리스터 위상 제어가 사용된다. 교류용은 직류용에 비해 적은 동축 수로 동등한 점착 성능을 발휘할 수 있다는 장점이 있다.

1990년대 이후에는 다람쥐형 삼상 유도 전동기를 사용한 VVVF 인버터 제어 방식이 고출력 전기 기관차에 많이 사용되고 있다.

3. 3. 증기 기관차와의 성능 비교

전기 기관차는 증기 기관차보다 고성능으로 평가받아 왔다.[54] 이는 전기 기관차가 가선으로부터 전력을 공급받기 때문에 탄수차나 보일러가 필요 없어 무게가 가볍기 때문이다. 그러나 과거에는 전기 기관차의 가속 성능에 대한 오해가 있었다. 전동기의 특성상 저항기를 이용한 전압 제어로 기동 시 토크를 억제해야 한다는 잘못된 인식이 퍼져 있었던 것이다. 반면, 증기 기관차는 기동 시 최대 토크를 발생시킬 수 있다.(디젤 기관차 등 내연기관을 사용하는 경우에는 기관 시동 시 부하를 걸 수 없어 변속기가 필요하거나 전기식 구조를 채택해야 한다. 전기식 디젤차는 사실상 전기 기관차와 같으며, 마찰 클러치를 사용하는 방식은 실용적이지 않다. 따라서 동일한 축중량과 기관 출력이라면 디젤차가 가장 유리할 수 있지만, 당시에는 이를 충분히 고려할 만한 성능의 디젤 기관차가 없었다.)

최고 속도 면에서는 전기 기관차가 유리하지만, 중량급 열차 견인 능력에서는 차이가 없다는 주장도 있었다. 이를 확인하기 위해 일본국유철도는 1967년 신쓰루미 기관구에서 EF15형 전기 기관차와 D51형 증기 기관차의 줄다리기 시험을 실시했고, 그 결과 EF15형이 압승했다.[55] 이 논쟁에는 직권 정류자 전동기의 특성에 대한 이해 부족 외에도, 무연화 추진에 따른 인원 감축에 대한 노동조합의 반발도 작용했다. 직권 정류자 전동기의 토크는 전류에 의해 결정되며, 저항 제어는 회로 손상 방지를 위한 것이지 토크 제한을 위한 것이 아니다. 이후로는 증기 기관차의 견인 성능이 우수하다는 주장은 사라졌다.

3. 3. 1. 기동력 비교

전기 기관차는 증기 기관차보다 고성능으로 여겨져 왔다.[54] 이는 에너지를 가선에서 수시로 공급받기 때문에, 탄수차나 보일러가 필요 없어 무게 면에서 유리하기 때문이다. 하지만 과거에는 전기 기관차의 기동력에 대한 이견이 있었다. 전동기의 특성상 저항기를 삽입하여 토크를 억제하며 기동해야 한다는 오해 때문이었다. 반면 증기 기관차는 기동 시 최대 토크를 발생시킬 수 있다.

디젤 기관차 등 내연기관을 사용하는 경우, 부하 상태에서 시동이 불가능하여 변속기를 사용하거나 전기식 구조로 한다. 마찰 클러치 사용 시 토크가 감소하고, 토크 컨버터 사용 시 토크 증폭 작용으로 더 큰 토크를 발생시킨다. 전기식 디젤 기관차는 사실상 전기 기관차와 동일하며, 마찰 클러치로 기동하는 실용적인 디젤 기관차는 없다. 따라서 같은 축중량과 기관 출력이라면 디젤 기관차의 견인 성능이 가장 유리할 수 있다. 하지만 당시 충분한 성능의 디젤 기관차가 없어 고려되지 않았다.

최고 속도 면에서는 전기 기관차가 유리하지만, 중량급 열차 견인에서는 차이가 없다는 의견도 있었다. 이 논쟁에 종지부를 찍기 위해, 일본국유철도는 1967년 신쓰루미 기관구에서 EF15형 전기 기관차와 D51형 증기 기관차를 이용해 줄다리기 방식으로 기동력 비교 실험을 실시했다. 결과는 EF15형의 압승이었다.[55] 이 논쟁에는 직권 정류자 전동기의 특성을 제대로 이해하지 못한 것 외에도, 무연화 추진에 따른 인원 감축에 대한 노동조합의 저항이라는 정치적 배경도 있었다.

직권 정류자 전동기의 토크는 전류에 의해 결정되며, 회전 속도가 높아짐에 따라 역기전력으로 전류가 감소한다. 저항 제어 시 삽입되는 저항기는 회로 손상 방지를 위한 것이며, 기동 시 최대 토크는 전기 회로가 허용하는 최대치이다(저항기는 “토크”가 아니라 “출력”을 제한한다). 이후 “증기 기관차의 견인 성능이 우수하다”는 주장은 사라졌다.

4. 전력 공급 방식

전력 공급 방식

전기 기관차는 전력을 공급받는 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다. 크게 가공전차선을 이용하는 방식과 제3궤조를 이용하는 방식으로 나눌 수 있다.

가공전차선 방식은 상공에 설치된 전차선으로부터 집전장치를 통해 전력을 공급받는 방식이다. 가장 널리 사용되는 집전장치는 팬터그래프이며, 이는 높은 효율과 안정성을 자랑한다. 팬터그래프는 접촉면적을 넓혀 안정적인 전력 공급을 가능하게 하고, 고속 주행 시에도 안정적인 접촉을 유지하도록 설계되었다. 구조는 프레임, 집전부, 상승/하강 장치로 구성되며, 운전사의 조작에 따라 팬터그래프가 올라가고 내려간다. 한국철도공사를 비롯한 많은 철도 운영 기관에서 팬터그래프를 채택하고 있으며, 기술 발전에 따라 더욱 안정적이고 고성능의 팬터그래프가 개발 및 적용되고 있다. 일부 노선에서는 활주식 집전 장치를 사용하기도 하지만, 팬터그래프에 비해 속도 제한 및 유지보수 측면에서 불리하여 점차 사용이 감소하는 추세이다.

제3궤조 방식은 지상에 설치된 레일을 이용하여 전력을 공급하는 방식이다. 터널 크기를 줄이고 다리 높이 제한을 낮출 수 있으며, 가선 단선에 영향을 받지 않아 교통량이 많은 곳에 유리하다. 런던 지하철 등 일부 시스템은 네 개의 레일을 사용하기도 한다. 런던 지하철 하지만 평면 교차로가 복잡해지고, 갭 섹션이 필요한 단점이 있다. 볼티모어 앤 오하이오 철도의 초기 전철화 시스템은 가선을 사용했으나, 불만족스러워 제3궤조로 대체되었다. 기관차는 양쪽에 여러 개의 픽업을 장착하여 선로 작업으로 인한 전력 공급 중단을 방지한다. 좁은 간격을 유지할 수 있어 지하철에 적합하다. 제3궤조 방식은 지하철이나 교외선과 같이 전차선 설치가 어려운 곳에서 주로 사용된다. 전력 공급이 안정적이고 설치 및 유지보수가 비교적 용이하다는 장점이 있지만, 접촉 불량이나 단락사고의 위험, 고전압 노출로 인한 안전사고 위험도 존재한다. 런던 지하철은 오랜 기간 제3궤조 방식을 사용해 왔지만, 안전 문제와 시스템 개선의 필요성으로 일부 노선에서는 다른 시스템으로 교체하는 작업을 진행 중이다. 런던 지하철은 제3궤조 방식의 대표적인 사례이자 장점과 단점을 모두 보여주는 예시로, 안전사고에 대한 우려와 더욱 안전하고 효율적인 전력 공급 시스템 도입의 필요성을 보여준다. 런던 지하철

4. 1. 가공 전차선

가선은 일반적으로 상부 전선을 사용하며, 이를 "가선"이라고 부른다. 전기를 공급받는 방식은 크게 세 가지가 있다.

첫째, 트롤리 폴은 긴 유연한 막대기로 바퀴나 슈를 이용해 전선에 접촉한다. 둘째, 집전기는 긴 집전봉을 전선에 대고 고정하는 프레임 방식이다. 셋째, 팬터그래프는 힌지가 달린 프레임으로, 집전 슈를 전선에 고정된 기하학적 형태로 고정하는 방식이다. 이 중 고속 운행에는 팬터그래프 방식이 가장 적합하다. 일부 기관차는 상부 전선과 제3궤조 방식을 병용하기도 한다(예: 영국철도 92형). 유럽에서는 팬터그래프의 형태와 모양에 대한 표준이 EN 50367/IEC 60486에 정의되어 있다.[23]

4. 1. 1. 집전 장치

전기 기관차의 전력 공급은 상공의 가공선으로부터 이루어지며, 이를 위한 장치가 바로 집전 장치이다. 여러 종류의 집전 장치가 존재하지만, 현재 가장 널리 사용되는 것은 팬터그래프이다. 팬터그래프는 접촉부의 면적을 넓혀 안정적인 전력 공급을 가능하게 하고, 고속 주행 시에도 안정적인 접촉을 유지하도록 설계되었다. 팬터그래프의 구조는 크게 프레임, 집전부, 상승/하강 장치로 구성된다. 프레임은 지붕 위에 설치되며, 집전부는 가공선과 접촉하여 전력을 수집한다. 상승/하강 장치는 운전사의 조작에 따라 팬터그래프를 올리고 내리는 역할을 한다. 팬터그래프의 효율적인 작동은 안정적인 전력 공급을 보장하며, 이는 전기 기관차의 안전하고 효율적인 운행에 필수적이다. 일부 노선에서는 활주식 집전 장치가 사용되기도 하지만, 팬터그래프에 비해 속도 제한 및 유지 보수 측면에서 불리하여 점차 사용이 감소하고 있다. 특히, 한국철도공사의 경우, 거의 대부분의 전기 기관차에 팬터그래프를 채택하고 있으며, 기술의 발전에 따라 더욱 안정적이고 고성능의 팬터그래프가 개발 및 적용되고 있다. 이는 한국 철도 시스템의 안정성과 효율성 향상에 기여하고 있다고 평가할 수 있다.

4. 2. 제3궤조

제3궤조 방식은 가선 대신 지상에 설치된 레일을 이용하여 전력을 공급하는 방식이다. 터널 크기를 줄이고 다리 높이 제한을 낮출 수 있으며, 가선 단선에 영향을 받지 않아 교통량이 많은 곳에 유리하다. 런던 지하철 등 일부 시스템은 네 개의 레일을 사용하기도 한다. 런던 지하철

하지만 평면 교차로가 복잡해지고, 갭 섹션이 필요한 단점이 있다. 볼티모어 앤 오하이오 철도의 초기 전철화 시스템은 가선을 사용했으나, 불만족스러워 제3궤조로 대체되었다. 기관차는 양쪽에 여러 개의 픽업을 장착하여 선로 작업으로 인한 전력 공급 중단을 방지한다. 좁은 간격을 유지할 수 있어 지하철에 적합하다.

4. 2. 1. 제3궤조 전기 기관차

제3궤조 방식은 지하철이나 교외선과 같이 전차선 설치가 어려운 곳에서 주로 사용된다. 전기 기관차는 레일과 평행하게 설치된 제3궤조에서 전력을 공급받는다. 이 방식은 전차선 방식에 비해 전력 공급이 안정적이고, 설치 및 유지보수가 비교적 용이하다는 장점이 있다. 하지만 접촉 불량이나 단락사고의 위험이 있으며, 고전압이 노출되어 안전사고 발생 위험도 높다. 특히 런던 지하철은 오랜 기간 제3궤조 방식을 사용해 왔으며, 이는 런던 지하철의 역사와 밀접한 관련이 있다. 그러나 최근에는 안전 문제와 시스템 개선의 필요성으로 인해, 일부 노선에서는 제3궤조를 다른 시스템으로 교체하는 작업도 진행되고 있다. 런던 지하철의 경우, 오랜 기간 동안 제3궤조 방식을 운영하면서 축적된 기술과 경험을 바탕으로 안전 관리 시스템을 강화하고, 시스템 개선을 지속적으로 추진하고 있다. 하지만 여전히 안전사고에 대한 우려는 존재하며, 더욱 안전하고 효율적인 전력 공급 시스템 도입을 위한 노력이 필요하다. 런던 지하철은 제3궤조 방식의 대표적인 사례로, 장점과 단점을 모두 보여주는 좋은 예시라고 할 수 있다. 하지만 보수적인 운영 방식 때문에 안전사고에 대한 비판도 받고 있으며, 진보적인 개선이 요구된다.

5. 전기 기관차의 종류

== 전기 기관차의 종류 ==

전기 기관차는 전력 저장 방식과 사용 전력의 종류에 따라 다양한 형태로 분류된다. 대표적으로 배터리 기관차, 슈퍼커패시터 기관차 등이 있다. 각 기관차의 특징과 장단점, 그리고 사용 사례를 살펴보자.

배터리 기관차(배터리 전기 기관차)는 차량에 탑재된 배터리로 구동되는 기관차로, 전력 공급이 불안정하거나 전력 공급 자체가 없는 구간에서 유용하다. 예를 들어, 전철화 구간의 유지보수 작업이나, 화재 및 폭발 위험이 있는 산업 시설(폭발물 공장, 정유소, 화학 공장 등) 또는 광산 철도에서 안전상의 이유로 배터리 기관차가 선호된다. 이러한 환경에서는 디젤 기관차나 일반 전기 기관차의 사용이 어렵거나 위험하기 때문이다. 가스가 집전장치에서 아크에 의해 점화되거나 레일 이음매에서의 전기 저항으로 인한 누전 위험도 배터리 기관차 사용의 이유가 된다.[24]

배터리 기관차의 역사는 1837년 스코틀랜드의 화학자 로버트 데이비슨이 갈바니 전지로 구동되는 최초의 배터리 기관차를 제작한 것으로 거슬러 올라간다. 케네콧 구리 광산 알래스카 맥카시에서는 1917년 지하 운송로 확장과 함께 4.5톤급 배터리 기관차 두 대를 도입했다.[25] 1928년에는 85톤급 배터리 기관차 4대가 주문되었는데, 750볼트 가공전선으로 작동하면서 배터리로 추가 주행거리를 확보하는 방식이었다.[26] 이 기관차들은 니켈-철 배터리를 사용했고, 납축전지로 교체된 후 퇴역했다. 일부는 현재 박물관에 전시되어 있다. 토론토 교통국은 1968년부터 닛폰샤료가 제작한 배터리 전기 기관차를 토론토 지하철에서 운영했으나 2009년에 퇴역시켰다.[27] 런던 지하철은 현재도 유지보수 작업에 배터리 전기 기관차를 사용하고 있으며, 2022년 기준으로 7 및 14 MWh 용량의 배터리 기관차가 개발 중이다.[28]

'배터리 로코'라고도 불리는 축전지 기관차는 장거리 운행에는 적합하지 않지만, 탄광, 광산,[56] 화학 공장 등 인화성 가스 발생 위험이 있는 곳이나 관광 철도 등에서 사용되어 왔다. 일본 간사이전력 구로베 전용 철도의 고열 터널 구간에서 축전지 기관차가 사용되고 있으며, 과거 국철의 AB10형이 본선 주행용으로 사용되었으나, 후에 가선 집전 방식의 EB10형으로 개조되었다.[57] 미이케 철도는 분진 폭발 방지를 위해 가선 집전 방식 전기 기관차 후부에 납축전지를 탑재한 전원차를 연결하여 비전화 구간을 주행하기도 했다. 일부 철도 회사에서는 축전지 전차를 운용하고 있다.

2020년에는 중국의 CRRC 주저우 기관차가 노면전차용으로 개발된 슈퍼커패시터를 활용한 축전식 전력 시스템을 기반으로 슈퍼커패시터 기관차 개발을 발표했다.[29] 슈퍼커패시터 기관차는 배터리 기관차에 비해 충전 시간이 짧고 수명이 길다는 장점이 있지만, 아직 대용량 슈퍼커패시터의 가격 경쟁력 확보와 기술적 완성도 향상이 과제로 남아있다.

5. 1. 직류 및 교류 기관차

초기 전기 기관차는 교류 전력 시스템에 대한 이해 부족과 고전압 절연 기술의 미흡으로 직류 전력을 사용했습니다. 직류 기관차는 일반적으로 600~3,000볼트의 낮은 전압에서 작동하여, 충분한 전력을 공급받기 위해 높은 전류가 필요했습니다. 이는 장비의 크기와 무게 증가, 전력 전송 손실 증대를 초래하여 잦은 간격으로 전력 공급이 필요하게 만들었습니다.[22]

교류 모터의 개발로 장거리 노선에서 교류 전기 기관차가 주류가 되었습니다. 교류 시스템은 수만 볼트의 고전압을 사용하여 전류를 낮추고 전력 손실을 최소화합니다. 전력 손실은 전류의 제곱에 비례하기 때문에, 고전압 저전류 시스템은 더 가볍고 저렴한 전선으로 장거리 고전력 전송을 가능하게 합니다. 기관차의 변압기가 고전압 저전류의 교류 전력을 모터 구동에 적합한 저전압 고전류로 변환합니다. 직류의 전압/전류 변환은 교류 변압기처럼 효율적이지 않아 직류 기관차에는 유사한 고전압 저전류 시스템을 적용하기 어렵습니다.

일부 교류 전기 기관차는 두 개의 가공선을 사용하는 삼상 교류 시스템을 채택했습니다. 이 시스템은 민감한 정류자가 필요 없고 재생 제동 구현이 용이한 유도 전동기를 사용합니다. 속도 조절은 고정자 회로의 극쌍 수를 변경하고, 가속은 회전자 회로에 저항기를 추가하거나 제거하여 조절합니다. 하지만 두 개의 상선을 사용하는 것은 시스템의 무게와 복잡성을 증가시키는 단점이 있습니다. 이러한 시스템은 1976년까지 이탈리아 북부에서 널리 사용되었고, 일부 스위스 랙 레일웨이에서 여전히 사용되고 있습니다. 고장 안전 전기 브레이크의 간편한 구현은 장점이지만, 속도 제어의 어려움과 두 개의 상선이라는 복잡성은 문제점으로 남아 있습니다.

교류 전력 전송과 직류 모터를 결합한 정류기 기관차가 일반적이었지만, 직류 정류자는 시동 및 저속 운전 시 문제를 야기했습니다. 현대의 고급 전기 기관차는 브러시리스 삼상 교류 유도 전동기를 사용하며, GTO, IGCT 또는 IGBT 기반 인버터에서 전력을 공급받습니다. 현대 기관차의 전자 장치 비용은 차량 전체 비용의 최대 50%에 달할 수 있습니다.

전기 기관차는 재생 제동을 사용하여 모터를 발전기로 활용하고, 기차의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력선으로 되돌려 보낼 수 있습니다. 특히 산악 지형에서 내리막 기관차가 오르막 기관차에 필요한 전력을 상당 부분 공급할 수 있어 효율적입니다. 대부분의 시스템은 고유한 전압과 교류의 경우 주파수를 가지며, 시스템의 겹침이나 업그레이드로 인해 다양한 전압과 주파수를 처리하도록 설계된 기관차도 있습니다. 예를 들어 미국의 FL9 기관차는 두 개의 서로 다른 전기 시스템에서 전력을 공급받을 수 있었고, 디젤 전기 기관차로도 운행이 가능했습니다.

현재는 교류 전력 시스템이 주류이지만, 영국(750V 및 1,500V), 네덜란드, 일본, 아일랜드(1,500V), 슬로베니아, 벨기에, 이탈리아, 폴란드, 러시아, 스페인(3,000V), 워싱턴 D.C.(750V) 등 많은 지역에서 여전히 직류 시스템이 사용되고 있습니다. 전원 공급 방식에 따라 직류 전기 기관차, 교류 전기 기관차, 교류직류 겸용 전기 기관차로 분류됩니다. 초기에는 직류 전원이 일반적이었지만, 대전력 송전이 가능한 교류 전원의 사용이 실용화되었습니다. 교류 시스템에서는 상용 주파수의 단상 특고압을 사용하지만, 초기에는 삼상 교류나 저주파수를 사용하기도 했습니다. 집전 방식은 가공 전차선 방식이 일반적이며, 일부 노선에서는 제3궤조 방식을 사용합니다.

5. 2. 배터리 기관차

배터리 전기 기관차(배터리 기관차)는 차량에 탑재된 배터리로 구동되는 일종의 배터리 전기 자동차이다. 디젤 기관차나 일반 전기 기관차가 부적합한 경우, 예를 들어 전력 공급이 차단된 전철화 구간의 유지보수 열차 운행 등에 사용된다. 특히 산업 시설(폭발물 공장, 정유소, 화학 공장 등)에서는 연소식 기관차의 화재, 폭발, 유독가스 위험 때문에 안전상의 이유로 배터리 기관차가 선호된다. 또한, 광산 철도에서도 가스가 집전장치에서 아크에 의해 점화되거나 레일 이음매에서의 전기 저항으로 인한 누전 위험 때문에 배터리 기관차가 유용하다.[24]

1837년, 스코틀랜드 애버딘의 화학자 로버트 데이슨이 갈바니 전지로 구동되는 최초의 배터리 기관차를 제작했다. 케네콧 구리 광산 알래스카 맥카시에서는 1917년 지하 운송로 확장으로 4.5톤급 배터리 기관차 두 대가 도입되었다.[25] 1928년에는 85톤급 배터리 기관차 4대가 케네콧 구리에 의해 주문되었는데, 750볼트 가공전선으로 작동하면서 배터리로 추가 주행거리를 확보하는 방식이었다.[26] 이 기관차들은 니켈-철 배터리를 사용했고, 납축전지로 교체된 후 퇴역했으며 일부는 박물관에 전시되어 있다.

토론토 교통국은 1968년 닛폰샤료가 제작한 배터리 전기 기관차를 토론토 지하철에서 운영했으나 2009년에 퇴역시켰다.[27] 런던 지하철은 현재도 일반 유지보수 작업에 배터리 전기 기관차를 사용한다. 2022년 기준, 7 및 14 MWh 용량의 배터리 기관차가 개발 중이다.[28]

'''축전지 기관차'''는 축전지에서 전력을 공급받는 전기 기관차로, ''배터리 로코''라고도 불린다. 자주 충전해야 하므로 장거리 운행에는 적합하지 않지만, 탄광, 광산[56], 화학 공장 등 인화성 가스 발생 위험이 있는 곳이나 관광 철도 등에서 사용된 실적이 있다. 일본의 간사이전력 구로베 전용 철도에서는 고열의 터널 구간을 가진 상부 궤도에서 축전지 기관차를 전용으로 사용하고 있다. 과거 국철의 AB10형이 본선 주행용으로 유일하게 사용되었으나, 후에 가선 집전 방식의 EB10형으로 개조되었다.[57] 미이케 철도는 분진 폭발 방지를 위해 가선 집전 방식 전기 기관차 후부에 납축전지를 탑재한 전원차를 연결하여 비전화 구간을 주행하기도 했다. 일부 철도 회사에서는 축전지 전차를 운용하고 있다.

5. 2. 1. 초기 배터리 기관차

초기 전기 기관차는 배터리를 동력원으로 사용했다. 영국의 발명가 로버트 데이비슨은 1837년에 최초의 실용적인 배터리 기관차를 제작했다. 이 기관차는 맨체스터와 리버풀 철도에서 시험 운행되었으며, 상당한 주목을 받았다. 하지만 당시 배터리 기술의 한계로 인해 주행 거리가 짧고, 충전 시간이 길어 상용화에는 어려움을 겪었다. 이러한 기술적 제약은 배터리 기관차가 널리 보급되는 것을 막았으며, 결국 전력선을 이용한 전기 기관차가 주류가 되는 데 영향을 미쳤다. 데이비슨의 기관차는 기술적인 혁신으로 평가받지만, 상업적인 성공을 거두지는 못했다. 데이비슨의 성공적인 시험 운행에도 불구하고, 당시 배터리 기술의 미성숙으로 인해 배터리 기관차는 한동안 주목받지 못했고, 이후 전력 공급 시스템의 발달과 함께 전력선을 이용한 전기 기관차 기술이 빠르게 발전하였다. 이는 한국에서도 마찬가지로, 초기 전기 철도의 발전에 큰 영향을 미쳤다.

5. 3. 슈퍼커패시터 기관차

2020년, 노면전차용으로 개발된 슈퍼커패시터를 활용한 축전식 전력 시스템을 제조하는 중국의 CRRC 주저우 기관차(CRRC Zhuzhou Locomotive)는 기관차 분야로 사업을 확장한다고 발표했다.[29] 이를 통해 슈퍼커패시터 기반의 새로운 전기 기관차 개발이 본격화될 것으로 예상된다. 슈퍼커패시터 기관차는 기존 배터리 기관차에 비해 충전 시간이 짧고 수명이 길다는 장점이 있으며, 친환경적인 운행을 가능하게 할 것으로 기대된다. 다만, 아직까지 대용량 슈퍼커패시터의 가격 경쟁력 확보와 기술적 완성도 향상이 과제로 남아있다. 향후 슈퍼커패시터 기관차 기술 발전과 상용화에 대한 지속적인 관심과 연구가 필요하다.

6. 지역별 전기 기관차 현황

== 지역별 전기 기관차 현황 ==

세계 각 지역의 전기 기관차 운용 현황과 특징은 매우 다양하다. 영국은 다양한 전압과 시스템을 사용하는 전철화로 인해 다양한 전기 기관차가 운용되고 있으며, 호환성 문제가 과제로 남아있다. 러시아와 구소련 국가들은 3,000V DC와 25kV AC 시스템을 혼용하고 있으며, 이는 기관차 운용에 특징적인 면을 만들어낸다. 북미 지역에서는 디젤 기관차가 압도적으로 많이 사용되지만, 북동부 복도 등 일부 지역에서는 전기 기관차가 운용되고 있다. 아시아 지역은 국가별로 철도 인프라와 전력 시스템이 다르며, 일본은 신칸센을 중심으로 고속 전기 기관차 기술이 발달했고, 한국 또한 KTX를 운행하며 기술력을 축적하고 있다. 중국은 광대한 철도망을 바탕으로 고출력 전기 기관차를 운용하고 있으며, 인도는 25kV AC 시스템을 주로 사용하고 있다. 각 지역별 특징을 자세히 살펴보자.




영국의 전기 기관차는 다양한 전압과 시스템을 사용하는 전철화 상황을 반영하여 여러 유형이 운용된다. 초기 직류 시스템에서 점차 교류 시스템으로 전환되면서, 각 시스템에 맞는 기관차들이 개발되었다. 민영화 이후 다양한 사철의 등장은 기관차의 다양성을 더욱 높였다. 최근에는 친환경적인 설계와 운용 방식을 적용하는 추세지만, 노선별 전압과 주파수 차이로 인한 호환성 문제는 여전히 해결 과제이다. Network Rail은 통합적인 전기 시스템 구축을 계획하고 있지만, 이는 장기적인 과제이다.




러시아와 구소련 국가들은 3,000V DC와 25kV AC 시스템을 혼용한다. DC 시스템은 단순성 때문에 초기부터 채택되었고, AC 시스템은 1960년대 정류기 기반 기술이 개발되면서 도입되었다. VL80 (AC), VL10 (DC), EP20 (이중 시스템) 등이 대표적인 기관차이다. 시베리아 횡단철도는 25kV AC와 3,000V DC 시스템을 모두 사용한다. 1990년대에는 일부 DC 노선을 AC로 개조하는 작업이 진행되기도 했다.




북아메리카에서는 디젤 기관차가 압도적으로 우세하다. 미국은 북동부 복도를 제외하면 전철화가 미흡하며, 장거리 화물 수송은 대부분 디젤 기관차가 담당한다. 앰트랙과 일부 통근 열차 노선에서 지멘스 ACS-64 등의 전기 기관차가 운행되고 있지만, 그 비중은 작다. 캐나다 역시 디젤 기관차가 주류이며, 전기 기관차 운용은 제한적이다. 소규모 격리된 철도에서 일부 전기 기관차가 운용되고 있으며, 미래에는 GO 트랜짓이 새로운 전기 기관차 도입을 계획하고 있다.




아시아 지역은 국가별로 전기 기관차 운용 상황이 크게 다르다. 일본은 신칸센을 중심으로 고속 전기 기관차 기술이 발달했지만, 전동차(EMU)가 더 많이 사용된다. 한국은 KTX를 운행하며 기술력을 축적하고 있으며, 중국은 광대한 철도망과 고출력 전기 기관차를 운용하고 있다. 인도는 25kV AC 시스템을 주로 사용하며, WAP-7급 전기 기관차가 운행된다. 동남아시아 국가들은 전기 기관차 도입이 상대적으로 느린 편이다.




중국은 10만 km가 넘는 광범위한 전철화 철도망을 보유하고 있으며, 고출력 전기 기관차를 이용해 대부분의 간선 화물열차와 장거리 여객열차를 운행한다. 중국철도 HXD3D 기관차는 대표적인 예이다.




인도는 50Hz 25kV AC 상선 전철화 방식을 주로 사용하며, 전기 기관차를 이용해 화물 및 여객 운송의 85%를 담당한다. 인도 철도 WAP-7급 전기 기관차가 대표적이다.




일본은 전철화율이 높지만, 짧은 거리와 산악 지형으로 인해 전동차(EMU)가 전기 기관차보다 많이 사용된다. 전기 기관차는 화물 및 일부 장거리 서비스에 한정되며, 최근에는 사철에서의 운용이 감소하는 추세이다.




대한민국은 1970년대 중앙선, 태백선, 영동선 전철화 이후 본격적으로 전기 기관차를 도입했다. 8000호대, 8100호대, 8200호대, 8500호대 등의 전기 기관차가 운용되고 있으며, 2025년 기준 총 2,727.1km의 전기철도 구간을 운영하고 있다.

종류형식명사용 기간[58]생산량잔존량
8000호대50 C/S Group1972~2017, 1986~2030944
8100호대ES64F1998~203822
8200호대ES64F2003~20488381
8500호대2012~20548787



6. 1. 유럽

유럽에서는 전철화가 광범위하게 이뤄져 있으며, 여객 열차에는 전동차가 주로 사용된다. 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 중 석탄 부족을 겪으면서 유럽 각국 정부는 철도망 전철화에 적극적으로 나섰다. 높은 운행 밀도로 인해 미국보다 운영비가 인프라 비용보다 중요하며, 전기 기관차는 디젤 기관차보다 운영비가 훨씬 저렴하다. 디젤 기관차는 같은 무게와 크기의 전기 기관차보다 출력이 낮다. 예를 들어, 현대식 영국철도 66형 디젤 기관차(2,200 kW)의 출력은 1927년의 전기 기관차 SBB-CFF-FFS Ae 4/7(2,300 kW)와 비슷하지만, 후자는 더 가볍다. 하지만 저속에서는 출력보다 견인력이 중요하며, 디젤 엔진은 느린 화물 운송에는 경쟁력이 있지만, 유럽의 여객 또는 여객/화물 혼합 운송에는 적합하지 않다. 특히 무거운 화물 열차를 고속(80km/h 이상)으로 운행해야 하는 경우에는 더욱 그렇다.

이러한 이유로 대부분의 유럽 국가는 전철화율이 높다. 스위스처럼 전기 기관차만 운용하는 국가도 있으며, 많은 사설 부지에서도 전기 기관차를 사용한다. 제2차 세계 대전 당시 전기 기관차 건설에 필요한 재료가 부족하자 스위스 연방 철도는 수입 석탄 부족에 대응하기 위해 일부 증기 기관차의 보일러에 상부 전원에서 공급되는 전기 가열 장치를 설치했다.[30][31] 최근 유럽 각국의 대중교통 개선을 위한 정치적 노력은 전기 동력 사용 확대에 활력을 불어넣고 있다. 전철화되지 않은 구간을 줄여 해당 구간에서 디젤 기관차 대신 전기 기관차를 운행할 수 있도록 하기 위함이다. 국가의 철도 인프라 투자가 이러한 노선의 현대화와 전철화를 가능하게 했다.

영국 전동차는 1890년대 리버풀 고가철도 전동차 도입을 시작으로 현재까지 대중교통을 제공하고 있으며, 영국철도 76형, 영국철도 86형, 영국철도 87형, 영국철도 90형, 영국철도 91형, 영국철도 92형 등 다양한 전기 기관차가 운행 중이다. 일본과 달리 유럽에서는 전동기나 제어기 수 증가에 대한 우려가 크고, 전철 보급률이 낮아 장거리 열차는 기관차가 객차를 견인하는 형태가 주류다. 따라서 유럽 각국은 전기 기관차 제조에 힘쓰고 있으며, 독일철도(DBAG), 프랑스국철(SNCF), 스위스연방철도(SBB CFF FFS) 등에서는 최고 시속 200km/h로 운행되는 고성능 전기 기관차를 운용하고 있다. TGV와 같은 준동력집중방식 고속열차도 고정편성이라는 특성 때문에 기관차가 객차를 견인하는 형태로 볼 수 있다.

2000년대 이후 유럽에서는 제조사 주도로 기관차의 공통화가 추진되고 있으며, 철도 사업자는 제조사가 제시하는 몇 가지 계획 중 하나를 선택하는 세미 오더 메이드 방식이 늘고 있다. 봄바르디어 트랜스포테이션, 지멘스, 알스톰 트랜스포르 등 3대 철도 차량 제조업체는 각각 "TRAXX", "유로스프린터"·"벡트론", "Prima" 등의 표준 규격을 제시하고 있다. 속도뿐 아니라 견인력 측면에서도 뛰어난 성능을 가진 해외 기관차들이 있다. 특히 무거운 광석을 수송하는 노선에는 강력한 기관차가 배치되는데, 세계 최대 견인력을 가진 전기 기관차는 스웨덴과 노르웨이에서 운용되는 IORE형으로, 1량으로 최대 1400kN의 힘을 발휘하며 8600t의 화물을 견인할 수 있다. 주로 철광석 수송에 사용되며, 이러한 성능은 10.8MW의 출력과 30t의 축중, 그리고 단단한 북유럽 지반 덕분에 가능하다.

6. 1. 1. 영국의 전기 기관차

영국 철도의 전동화는 다양한 시스템과 전압을 사용하여 진행되어 왔으며, 이는 다양한 유형의 전기 기관차가 운용되는 결과를 가져왔습니다. 초기에는 직류 시스템이 주로 사용되었으나, 점차 교류 시스템으로 전환되면서 각 시스템에 맞는 기관차들이 개발되었습니다. 대표적인 예로, 런던 교외 지역을 중심으로 직류 시스템에 맞춰 제작된 기관차들이 존재하며, 이는 현재도 일부 운용 중입니다. 반면, 장거리 노선에는 주로 고전압 교류 시스템을 사용하는 기관차들이 도입되어 운행 중입니다. 영국철도는 과거 여러 민영화 과정을 거치면서 다양한 사철들이 각기 다른 기관차를 도입, 운용해왔고, 이는 현재 영국 철도의 다양한 전기 기관차들이 운행되는 주요 원인 중 하나입니다. 이러한 기관차들은 각 노선의 전기 시스템과 운행 특성에 맞춰 설계되었으며, 최근에는 환경 문제에 대한 관심 증대로 친환경적인 설계와 운용 방식을 적용하는 추세입니다. 특히, 영국 철도의 친환경 정책은 향후 전기 기관차 개발 및 운용에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 하지만, 노선별 전압과 주파수 차이로 인해, 호환성 문제는 여전히 과제로 남아 있습니다. 이는 기관차의 유지 보수 및 운용에 대한 비용 증가로 이어질 수 있습니다. Network Rail은 이러한 문제 해결을 위해 노력하고 있으며, 통합적인 전기 시스템 구축을 위한 계획을 추진하고 있습니다. 하지만, 이는 상당한 자본 투자와 시간이 필요한 장기적인 과제입니다.

6. 2. 러시아 및 구소련

러시아와 구소련 국가들은 역사적 이유로 3,000V DC와 25kV AC 전철화 시스템을 혼용하고 있다. 이는 기관차 운용에 특징적인 면을 만들어낸다. 블라디미르, 마리인스크 등 전 소련 지역에 약 15개 존재하는 "접속역"에서는 DC와 AC 전선을 전환할 수 있지만, 기관차 교체가 필수적이며 접촉 전선 전환과 함께 수행된다. [32]

대부분의 소련, 체코, 러시아, 우크라이나 기관차는 AC 또는 DC 중 하나에서만 작동한다. VL80은 AC 기관차, VL10은 DC 기관차의 대표적인 예이다. VL82와 같이 AC와 DC 모두 작동 가능한 기관차도 있었지만, 소량 생산되어 우크라이나 하르키우 주변의 일부 노선에서만 사용되었다. 최신 러시아 여객 기관차 EP20과 그 전신인 EP10은 이중 시스템을 갖춘 예외적인 경우이다.

3,000V DC 시스템은 단순성 때문에 초기부터 채택되었다. 조지아 산악 지대의 초기 실험 이후, 교외 지역 전철화와 전동차(EMU) 운행에 활용되었고, 우파-첼랴빈스크 간 산악 노선 전철화에도 사용되었다. 한때 교외나 산악 노선에만 적합한 것으로 여겨졌던 전철화는 1950년대 조세프 스탈린의 결정에 따라 옴스크-노보시비르스크 평야 지역 노선 전철화를 시작으로 주요 철도망으로 확대되었다.

25kV AC 시스템은 1960년대 소련이 정류기 기반 AC 전선 DC 모터 기관차를 건설할 수 있게 되면서 도입되었다. (소련 및 체코의 모든 AC 기관차는 이 방식을 사용했으며, 소련 붕괴 이후의 기관차부터 전자 제어 유도 전동기를 사용하기 시작했다.) 마리인스크-크라스노야르스크-타이셰트-지마 노선이 최초의 주요 AC 전력 노선이었고, 이후 모스크바-로스토프나도누 등 유럽 러시아 지역으로 확장되었다.

1990년대에는 VL85와 같은 대형 AC 기관차 운용을 위해 일부 DC 노선을 AC로 개조하는 작업이 진행되었다. 이르쿠츠크 주변 노선이 대표적인 예이며, 이로 인해 여유가 생긴 DC 기관차는 상트페테르부르크 지역으로 이동되었다.

시베리아 횡단철도는 1929년부터 부분적으로 전철화되었으며, 2002년 이후 완전히 전철화되었다. 크라스노야르스크 근처 마리인스크 접속역 이후 구간은 25kV AC 50Hz, 이전 구간은 3,000V DC이며, 열차 중량은 최대 6,000톤이다.

6. 3. 북아메리카

미국에서는 디젤 기관차가 전기 기관차보다 훨씬 널리 사용된다. 디젤 기관차는 증기 기관차에 비해 여러 장점을 가지고 있으며, 무엇보다 전력 공급망 구축이 필요 없다는 점이 큰 장점이다. 이러한 이유로 북동부 회랑을 제외한 미국 본토의 철도 전철화는 크게 후퇴하였다. 2000년대를 기준으로, 미국 철도의 전철화는 북동부 및 일부 도시 지역에 국한되었고, 장거리 화물 수송은 대부분 디젤 기관차가 담당하고 있다. 블랙 메사 앤드 레이크 파웰 철도와 같은 소규모 예외적인 경우는 있지만, 전기 기관차의 사용은 제한적이다. 펜실베이니아 철도의 GG1형 전기 기관차는 미국에서 운행되었던 대표적인 전기 기관차 중 하나로, 그 역사적 중요성을 보여준다.

6. 3. 1. 캐나다

캐나다는 역사적으로 다양한 전기 기관차를 사용해 왔는데, 특히 환기가 잘 되지 않는 터널 통과를 위한 여객 및 화물 수송에 중점을 두었다. 대표적인 예로는 세인트 클레어 터널 회사 박스캡 전기 기관차, CN 박스캡 전기 기관차, 그리고 GMD GF6C가 있다. 몽 로얄 터널을 통과하는 몬트리올의 엑소(Exo) 통근열차는 ALP-45DP 이중 모드 전기 디젤 기관차를 운영하여 전기와 디젤 모드를 모두 활용했다. 두 몽타뉴 노선 전체와 마스쿠슈 노선의 몬트리올 중앙역과 아앙시크 역 사이 구간에서는 전기 모드로 운행되었으나, 2020년 1월부터 몽 로얄 터널이 레조 익스프레스 메트로폴리탄 경전철 시스템의 본선으로 전환되고 마스쿠슈 노선이 아앙시크 역까지 단축되면서 디젤 모드로만 운행하게 되었다. [33][34]

미국과 마찬가지로, 디젤 기관차의 유연성과 상대적으로 저렴한 인프라 비용 때문에 법적 또는 운영상의 제약이 없는 한 디젤 기관차가 주로 사용되어 왔다. 따라서 캐나다의 전기 철도 인프라와 전기 기관차의 운영은 제한적이다. 2021년 기준으로, 캐나다 철광석 회사(Iron Ore Company of Canada)가 캐롤 레이크 광산에서 가공 공장까지 원광을 운반하는 소규모 격리된 철도에서 GMD SW1200MG 전기 기관차 한 대만 운영하고 있다.

미래에는 토론토의 GO 트랜짓이 GO 트랜짓 지역 급행 철도 계획의 일환으로 새로운 전기 기관차를 운영할 계획이며, 수소 연료 전지 기관차 사용의 타당성도 연구 중이다.[35]

6. 3. 2. 미국

미국의 전기 기관차 운용은 북동부 복도를 중심으로 이루어지고 있다. 워싱턴 D.C.와 보스턴 사이의 앰트랙 여객 열차와 일부 통근열차 노선은 전기 기관차를 사용한다. 지멘스 ACS-64와 같은 전기 기관차가 운행되고 있으며, 해리즈버그까지의 지선도 포함된다. 반면, 대부분의 장거리 여객 서비스와 화물 운송은 디젤-전기 기관차가 담당한다. 데저릿 파워 철도의 극히 예외적인 경우를 제외하면 대부분의 화물 운송은 디젤 기관차가 담당한다.

미국에서 디젤 기관차가 우세한 이유는 유연성과 상대적으로 저렴한 인프라 비용 때문이다. 전기 기관차 사용이 법적 또는 운영상 필수적인 경우, 예를 들어 앰트랙과 통근철도의 북동부 복도 운행처럼 전기 기관차가 사용된다. 앰트랙과 뉴저지 트랜짓의 뉴욕 복도는 ALP-46 전기 기관차를 사용하는데, 이는 펜실베이니아 역과 이어지는 노스 리버 터널과 이스트 리버 터널에서 디젤 운행이 금지되어 있기 때문이다. 펜 역으로 가는 다른 일부 열차는 듀얼 모드 기관차를 사용하여 터널과 역에서 제3궤조 전력으로도 운행한다.

과거 증기 시대에는 일부 산악 지역이 전철화되었으나, 현재는 중단되었다. 전철화 지역과 비전철화 지역의 경계는 기관차 교체 지점이며, 워싱턴 D.C. 남쪽으로 연장되는 북동부 복도 열차는 해당 지점에서 기관차를 교체한다. 뉴헤이븐에서의 기관차 교체 지연은 2000년 뉴헤이븐과 보스턴 사이 구간의 전철화 결정에 영향을 미쳤다.[36]

미국에서는 전기 기관차보다 디젤 기관차가 훨씬 보편적이다. 디젤 기관차는 증기 기관차에 비해 여러 장점을 가지고 있으며, 전력 공급망 구축이 필요 없다는 장점 때문에 북동부 복도를 제외한 미국의 간선 전철화는 크게 퇴보했다. 블랙 메사 앤드 레이크 파웰 철도와 같은 몇몇 예외를 제외하고, 2000년대 미국 철도 전철화는 북동부와 도시 지역에 한정되었으며, 화물 수송은 디젤 기관차가 담당하고 있다. 펜실베이니아 철도의 GG1형 전기 기관차는 과거 미국에서 운행되었던 대표적인 전기 기관차의 예시이다.

6. 4. 아시아

아시아 지역은 다양한 국가의 철도 인프라와 전력 시스템의 차이로 인해 전기 기관차 운용 현황이 매우 다양하다. 일본은 신칸센을 중심으로 고속 전기 기관차 기술이 매우 발달하였으며, 한국 또한 고속철도 KTX를 운행하며 기술력을 축적하고 있다. 중국은 광대한 영토에 걸쳐 다양한 전기 기관차를 운영하고 있으며, 최근에는 고속철도 건설에 박차를 가하고 있다. 반면, 일부 국가는 아직 전기 기관차 도입이 미흡하거나, 디젤 기관차를 주로 사용하고 있다. 특히 동남아시아 국가들은 경제 개발과 함께 철도 인프라 확충에 힘쓰고 있지만, 전기 기관차 도입은 상대적으로 느린 편이다. 아시아 지역 전기 기관차의 특징은 국가별로 상이한 전력 시스템과 궤간(궤도의 간격)의 차이를 보이는 것이다. 이러한 차이 때문에, 국제적인 상호 운용성 확보가 중요한 과제로 남아 있다. 최근에는 친환경적인 전기 기관차 도입이 확대되고 있으며, 기술 개발과 함께 아시아 지역 철도 교통의 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 특히 한국은 KTX의 성공적인 운영 경험을 바탕으로 해외 국가에 기술을 수출하며 국제 경쟁력을 강화하고 있다. 그러나 중국의 급속한 성장은 한국을 비롯한 다른 아시아 국가들에게 경쟁 압력으로 작용하고 있다. 중국은 자체 기술 개발을 통해 저렴하고 효율적인 전기 기관차를 생산하며 시장 점유율을 확대하고 있다. 이는 아시아 전기 기관차 시장의 경쟁 구도를 더욱 복잡하게 만들고 있다.

6. 4. 1. 중국

중국은 10만 km가 넘는 광범위한 전철화 철도망을 갖추고 있다.[37] 이를 통해 대부분의 간선 화물열차와 장거리 여객열차는 7200kW 이상의 고출력 전기 기관차를 이용하여 운행된다. 특히 중량 화물의 경우, "Shen 24" 시리즈와 같은 최대 28800kW의 초고출력 다중 편성 기관차를 이용하여 효율적인 운송을 실현하고 있다.[38] 중국철도의 HXD3D 기관차는 장거리 여객열차 견인에 널리 사용되는 대표적인 사례이다.

6. 4. 2. 인도

인도의 주요 전철화 노선은 50Hz 25kV AC 상선 전철화 방식을 사용한다. 2017년 3월 기준으로 인도 철도는 전기 기관차를 이용해 화물 및 여객 운송의 85%를 담당했고, 45,881km의 철도 노선이 전철화되었다.[39] 인도 철도 WAP-7급 전기 기관차는 이러한 전철화 노선에서 운행된다.

6. 4. 3. 일본

일본은 짧은 거리와 산악 지형으로 인해 전철화율이 높습니다. 특히 여객 서비스 비중이 높아 외딴 지역 노선까지 전철화가 진행되었지만, 이로 인해 전동차(EMU)가 전기 기관차보다 선호됩니다. 대부분의 전기 여객 서비스는 EMU가 담당하고, 전기 기관차는 화물 및 일부 장거리 서비스에 한정됩니다. 과거에는 일본철도청(철도성), 일본국유철도(JNR), JR 외 다수의 철도 사업자가 전기 기관차를 운용했으나, 2000년대 이후 사철에서의 운용은 감소했습니다. 1984년 일본국유철도의 화물 운송 체계 개혁으로 많은 사철의 화물 운송이 폐지 또는 축소된 것이 주요 원인입니다. 또한, 기관차 운전에는 전철과 다른 특수 기술이 필요하고, JR 여객 회사는 기관차 운전사 육성에 비용적인 부담을 느낍니다. 차량 수송은 전철 견인이나 자력 회송으로 대체 가능한 경우가 많아 전기 기관차 수요가 감소했습니다. 2003년 화물 운송을 종료한 도부철도는 전기 기관차를 퇴역시켰고, 현재 대형 사철 중 전기 기관차를 보유하고 운용하는 곳은 나고야 철도뿐입니다. 이는 자사 차량뿐 아니라 나고야시영지하철 차량 수송에도 메이테쓰선을 이용하기 때문입니다. 화물 운송 사철은 대부분 중소 사철로, 신규 기관차 개발 여력이 부족하고, 많은 곳이 낡은 기관차를 운용합니다. 구로베협곡철도는 23량의 전기 기관차를 보유, 여객 및 화물 모두 기관차 견인 운행을 하고 관광 시즌에는 중련 운전으로 13량 편성 열차도 운행합니다. 오이가와 철도도 전기 기관차를 활용하며, 신차 수송, 궤도 정비, 고장 구조 등에 사용하고, 성수기에는 가와네로호 객차를 전기 기관차로 견인하는 임시 급행을 운행하기도 합니다. 헤이세이 이후 JR 외 신조 전기 기관차 투입 사례로는 오이가와철도 ED90형 전기기관차, 도쿄도교통국 E5000형 전기기관차, 구로베협곡철도 EDV형 전기기관차, 나고야철도 EL120형 전기기관차 등이 있으나, 대부분 특수 목적 차량입니다. 예를 들어 오이가와 철도 ED90형은 급경사 구간 전용 압트식 기관차이고, 도쿄도교통국 E5000형은 도영지하철 오에도선 차량 검사를 위한 견인차입니다. 나고야 철도 EL120형은 전철 기술을 이용한 견인차 성격이 강합니다. 하지만 JR동일본 E493계 전차처럼 전철이면서도 높은 출력을 가진 차량도 존재합니다.

6. 4. 4. 대한민국

일제강점기에는 금강산선 운행을 위해 일본에서 데로형 전기 기관차를 도입했으나, 한국전쟁 이후 폐차되었다. 한국에서 전기 기관차가 본격적으로 도입된 것은 1970년대 중앙선, 태백선, 영동선 전철화 이후다. 태백선 전철화는 당시 대량의 석탄 수송을 위해 프랑스 알스톰사가 제작한 8000호대 전기 기관차 도입으로 이어졌다. 이후 1990년대 충북선, 경부선, 호남선 등의 전철화와 여객 열차 전철화를 위해 8100호대, 8200호대, 8500호대 전기 기관차가 도입되었다. 8100호대는 1998년, 8200호대는 2003년, 8500호대는 2012년부터 각각 운행을 시작했다. 2025년 기준으로 한국철도공사는 총 2,727.1km의 전기철도 구간을 운영하며, 174대의 전기 기관차를 운용하고 있다.

종류형식명사용 기간[58]생산량잔존량
8000호대50 C/S Group1972~2017, 1986~2030944
8100호대ES64F1998~203822
8200호대ES64F2003~20488381
8500호대2012~20548787



6. 5. 오스트레일리아

오스트레일리아에서는 20세기 초부터 전기 동력을 개척한 빅토리아 철도와 뉴사우스웨일스주 정부 철도가 전기 기관차 운행을 중단했다. 빅토리아주는 깁스랜드 노선만 전철화되어 전철화 네트워크를 벗어나는 구간에서는 기관차 교체가 필요했기에 전기 동력의 경제적 이점을 제대로 누리지 못했다. 빅토리아 철도 L급은 1987년 운행이 중단되었고, 깁스랜드 노선 전철화는 2004년 해체되었다.[40][41] 뉴사우스웨일스주에서 1983년 도입된 뉴사우스웨일스 86급 기관차 역시 인프라 유지 비용, 전철화 네트워크 끝에서의 기관차 교체 필요성, 높은 전기 요금 등으로 수명이 짧았고, 디젤 기관차로 대체되었다.[42]

반면 퀸즐랜드 철도는 1980년대부터 전철화를 진행하여, 현재 약 1,000km의 협궤 네트워크가 25kV AC 기술을 이용한 전철화를 완료했다. 석탄 수출을 위한 운송에 전기 기관차를 사용하고 있으며, 최근에는 3,000kW(4,020마력)의 퀸즐랜드 철도 3300/3400급 기관차가 운행 중이다.[43]

7. 장단점

== 장단점 ==

전기 기관차는 디젤 기관차나 증기 기관차와 달리 많은 연료나 물을 싣고 다닐 필요가 없어, 그 공간을 차체 크기 감소나 출력 증대에 활용할 수 있다. 운행 중 매연이나 배기가스를 배출하지 않아 차내 및 선로 주변 환경 개선에도 기여한다. 하지만 전철화된 노선에서만 운행 가능하고, 전철화 설비 유지에 상당한 비용이 든다는 점이 단점이다. 또한, 전동차와 달리 선두 차량만 견인 기능을 갖추고 후방 차량은 단순 객차나 화차이기 때문에, 고출력 전동기를 탑재해야 하며 견인 차량에는 화물이나 승객을 실을 수 없다. 결과적으로 전동차보다 제작비용은 저렴할 수 있지만, 견인 장비 때문에 승객이나 화물을 실을 공간이 줄어든다.

차체 전후에 운전대를 설치하기 쉬워 기점과 종점, 스위치백에서 전차대를 이용해 방향을 바꿀 필요가 없다는 장점이 있지만, 기관차 회전이라는 별도 작업이 필요하다. 유럽 등에서는 객차 전후에 기관차를 연결하거나, 객차 후부에 원격 조종이 가능한 운전대를 갖춘 푸시풀 열차가 실용화되었지만, 자동 연결기만 사용하는 일본에서는 추진 운전 시 속도 제한이 있어 영업 운전에는 제약이 있다. 관광열차처럼 저속 운전으로 충분한 경우에는 예외적으로 사용되고 있다.

전동차와 비교하면 편성당 제작비용이 저렴하지만, 선두 차량에 장애가 발생하면 주행이 불가능하고, 가감속 성능도 전동차보다 낮아 고밀도 운전에는 적합하지 않다. 하지만 객차에 전동기와 제어기가 없어 차내 정숙성이 중요한 침대 특급열차 등에는 적합하다. 프랑스의 TGV 등 세계적으로 고속철도에도 사용되는 방식이지만, 차체 측면의 냉각용 통풍구 때문에 차량 세척이 어려워 수작업으로 이루어지는 점도 단점이다.

7. 1. 장점

전기 기관차는 디젤 기관차나 증기 기관차와 달리 연료나 물을 많이 싣고 다닐 필요가 없어, 그 공간을 활용하여 차체 크기를 줄이거나 무게를 감소시키고 출력을 높일 수 있다. 또한, 운행 중 매연이나 배기가스를 배출하지 않아 차내 환경과 선로 주변 환경을 개선하는 데 기여한다. 전철화된 노선에서만 운행 가능하다는 단점이 있지만, 전동차와 달리 선두 차량만 견인차이고 후방 차량은 단순한 객차나 화차이기 때문에, 후방 차량의 전기 시스템을 생략하여 제작비용을 낮출 수 있다. 다만, 고출력 전동기를 탑재해야 하며, 견인 차량에는 승객이나 화물을 실을 수 없다는 점과, 거대한 전력 장비를 탑재해야 하므로 승객이나 화물을 실을 공간이 줄어드는 점은 단점으로 작용한다.

차체 전후에 운전대를 설치하기 쉽고, 기점과 종점, 스위치백에서는 증기 기관차처럼 전차대로 방향을 바꿀 필요가 없다. 하지만 기관차 회전 작업이 필요하며, 이를 해결하기 위해 객차 전후에 기관차를 연결하거나, 푸시풀 열차 방식을 활용하는 경우도 있다. 객차 각각이 동력을 가진 전동차에 비해 제작비용이 저렴하지만, 선두 차량에 장애가 발생하면 주행이 불가능해진다. 또한, 가감속 성능은 전동차가 더 우수하여 고밀도 운전에는 적합하지 않다고 여겨지지만, 객차에 전동기와 제어기가 없어 차내가 조용해야 하는 용도(침대 특급열차 등)에는 적합하다. 프랑스의 TGV 등 세계적으로 고속철도에도 사용되는 방식이다. 전동차와 달리 차체 측면의 냉각용 통풍구 때문에 차량 세척이 수작업으로 이루어지는 점도 특징이다.

7. 2. 단점

전기 기관차는 전철화된 노선에서만 운행 가능하며, 전철화 설비 유지에 상당한 비용이 든다는 단점이 있다. 디젤 기관차와 달리 연료를 싣고 다닐 필요가 없어 공간 활용에 유리하지만, 고출력 전동기를 탑재해야 하므로 견인 차량에는 화물이나 승객을 실을 수 없고 공간이 제한된다. 또한, 기관차 회전이라는 별도의 작업이 필요하며, 푸시풀 열차 방식이 유럽 등에서는 실용화되었지만, 일본처럼 자동 연결기만 사용하는 경우 추진 운전 시 속도 제한이 있어 영업 운전에는 제약이 있다. 객차 각각이 동력을 가진 전동차와 비교하면, 편성당 제작비용은 저렴하지만, 선두 차량에 장애 발생 시 주행이 불가능하고, 가감속 성능도 전동차보다 낮아 고밀도 운전에는 적합하지 않다. 다만, 객차에 전동기와 제어기가 없어 차내 정숙성이 요구되는 용도에는 적합하다. 아울러, 차체 측면의 냉각용 통풍구 때문에 차량 세척이 어려워 수작업으로 이루어지는 점도 단점이다.

참조

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