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철도의 전철화

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1. 개요

철도의 전철화는 차량 외부에서 전기를 공급받아 운행하는 방식으로, 가공 전차선 방식과 제3궤조 방식이 주로 사용되며, 전원의 종류는 직류와 교류로 나뉜다. 전철화는 에너지 효율, 출력, 환경적 이점, 소음 감소 등의 장점이 있지만, 초기 투자 비용, 경관 훼손, 유지보수 비용, 비호환성 등의 단점도 존재한다. 전철화는 1879년 독일에서 전기 기관차가 처음 등장한 이후, 19세기 말 스위스에서 교류 전철화가 시작되었고, 20세기 초부터 각국에서 본격적으로 도입되었다. 현재 스위스, 네덜란드 등은 높은 전철화율을 보이며, 한국은 일제강점기에 시작되어 1970년대부터 본격적으로 추진되어 높은 전철화율을 유지하고 있다. 전철화는 국가별 철도 정책, 전력 사정, 산업 동향에 따라 차이를 보이며, 비전철화 구간과의 혼재 및 대응을 위해 다양한 기술이 활용된다.

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철도의 전철화
개요
정의철도 차량의 동력원으로 전기를 사용하는 방식
목적에너지 효율 향상
환경 오염 감소
운행 성능 향상
전력 공급 방식
직접 급전 방식가공 전차선 방식
제3궤조 방식
간접 급전 방식변전소
전력 공급 시스템
전철화 방식별 특징
직류 (DC) 방식장점: 건설 비용 저렴, 유지 보수 용이
단점: 전압 강하 문제, 장거리 전송에 불리
교류 (AC) 방식장점: 전압 강하 적음, 장거리 전송에 유리
단점: 건설 비용 비쌈, 유지 보수 복잡
교직 겸용 방식장점: 직류 및 교류 구간 모두 운행 가능
단점: 차량 및 설비 복잡
전압 및 주파수
직류750V (영국, 네덜란드 등)
1500V (일본, 오스트레일리아, 프랑스, 미국 등)
3000V (벨기에, 이탈리아, 폴란드, 러시아 등)
교류15kV 16.7Hz (독일, 오스트리아, 스위스, 스웨덴, 노르웨이 등)
25kV 50Hz (한국, 프랑스, 중국, 인도 등)
25kV 60Hz (미국)
전철화의 장점
에너지 효율전기 기관차는 내연 기관차보다 에너지 효율이 높음
환경 친화성배출 가스 감소, 대기 오염 감소
성능 향상가속력 및 등판 능력 향상, 운행 시간 단축
유지 보수유지 보수 비용 절감
전철화의 단점
초기 투자 비용전철화 설비 구축에 높은 초기 투자 비용 소요
설비 유지 보수전철화 설비의 지속적인 유지 보수 필요
전력 공급 의존성전력 공급 중단 시 열차 운행 중단 가능성
안전 문제고전압 설비로 인한 안전 사고 위험
각국의 전철화 현황
유럽높은 전철화율, 국가 간 연계 강화
아시아전철화 확대 추세, 고속철도 중심
북미화물 철도 중심, 전철화율 낮음
한국의 전철화
전철화율높은 전철화율, 지속적인 확대 추진
주요 노선경부선, 호남선, 중앙선
전철화 방식교류 25kV 60Hz (주요 간선)
직류 1500V (일부 노선)
미래 전망
기술 발전무가선 트램 (Tram)
배터리 동차
수소 연료 전지 열차
친환경 철도지속 가능한 철도 시스템 구축

2. 운영 방식

차량 밖에서 전기를 받는 것이 일반적이지만 차량에 축전지 등의 전원을 탑재하는 것도 존재한다. 차량 밖에서 전기를 보내는 것을 "궤전"(饋電)이라고 부르며, 차량에서 그 전기를 받는 것을 "집전"(集電)이라고 부른다[128]. 집전방식은 가공 전차선 방식과 제3궤조 방식으로 구분된다. 또 전원의 전류는 직류를 이용하는 것과 교류를 이용하는 것으로 나뉜다.

외부에서 받은 전력은 주전동기의 종류에 따라 차량 안에서 변환한 다음 사용된다.

2. 1. 집전 방식

유럽의 전철화 시스템


프랑스의 LGV Sud-Est는 25 kV 50 Hz 가공전차선을 사용한다.


프랑스 앙제의 앙제 트램은 750 V DC 가공전차선을 사용한다.


집전 방식은 크게 가공 전차선 방식과 제3궤조 방식으로 나뉜다.[92] 가공 전차선 방식은 전차선을 통해 전력을 공급하는 방식으로, 고속철도 및 간선철도에 주로 사용된다. 제3궤조 방식은 선로 옆에 설치된 제3의 레일을 통해 전력을 공급하는 방식으로, 주로 지하철 및 경전철에 사용된다.

전철화 시스템은 전압, 전류(직류/교류, 주파수), 접촉 시스템(가선, 제3궤조, 제4궤조, 지상 전력 공급)의 세 가지 주요 매개변수로 분류된다.[19] 전철화 시스템의 선택은 에너지 공급, 유지 보수 및 자본 비용의 경제성과 화물 및 여객 운송으로 얻는 수익을 비교하여 결정된다. 도시 지역과 도시 간 지역에는 서로 다른 시스템이 사용되며, 일부 전기 기관차는 운영의 유연성을 위해 다른 공급 전압으로 전환할 수 있다.

  • 가공 전차선 방식: 1,500V DC는 일본, 인도네시아, 홍콩(일부), 아일랜드, 호주(일부), 프랑스(일부), 네덜란드, 뉴질랜드(웰링턴) 등에서 사용된다. 슬로바키아에는 고타트라 산맥에 두 개의 협궤 철도가 있다. 3kV DC는 벨기에, 이탈리아, 스페인, 폴란드 등에서 사용된다. 600V에서 750V 사이의 DC 전압은 대부분의 트램과 트롤리버스 네트워크, 그리고 일부 지하철 시스템에서 사용된다.


루마니아 부쿠레슈티 지하철의 하부 접촉식 제3궤조 전철화 시스템


런던 지하철은 주행 레일 옆과 사이에 제3레일과 제4레일을 사용한다.

  • 제3궤조 방식: 대부분의 전철화 시스템은 가공전차선을 사용하지만, 제3궤조는 최대 1,500V까지 사용할 수 있는 대안이다. 제3궤조 시스템은 거의 전적으로 직류(DC) 배전을 사용한다. 제3궤조는 가공전차선보다 더 컴팩트하여 직경이 작은 터널에서 사용할 수 있으며, 이는 지하철 시스템에 중요한 요소이다.


대차(Bogie)에서 MP 89 파리 지하철 차량. 측면 집전장치(contact shoe)는 고무 타이어 사이에 위치한다.

  • 제4궤조 방식: 런던 지하철은 4선식 시스템을 사용하는 몇 안 되는 노선 중 하나이다. 추가 레일은 제3레일 및 가선식 네트워크에서 주행 레일이 제공하는 전기적 복귀 경로를 제공한다. 밴쿠버 스카이트레인의 엑스포선과 밀레니엄선은 650V DC 전력 공급을 위해 측면 접촉식 제4레일 시스템을 사용한다. 프랑스 파리 지하철의 일부 노선은 4선식 전력 시스템을 사용한다.

2. 2. 전류 방식

차량 외부에서 전기를 취하는 것을 '''궤전'''(饋電)이라 하고, 차량 측에서 그 전기를 받는 것을 '''집전'''(集電)이라고 한다.[92] 집전 방식은 가공 전차선 방식과 제3궤조 방식의 두 가지로 크게 나뉜다. 또한, 전원의 전류는 직류를 사용하는 것과 교류를 사용하는 것의 두 종류로 나뉜다.

프랑스, 스페인, 이탈리아, 영국, 네덜란드, 벨기에, 터키의 고속선은 구소련의 고출력 선로와 마찬가지로 25kV를 사용한다.

철도와 전력 회사는 같은 이유로 직류(DC) 대신 교류(AC)를 사용한다.[22] 교류를 필요로 하는 변압기를 사용하여 더 높은 전압을 생성하기 위해서이다.[23]

전압이 높을수록 같은 전력에 대한 전류는 낮아지며, 전력 손실은 전류의 제곱에 비례한다. 전류가 낮으면 송전선 손실이 줄어들어 더 높은 전력을 전달할 수 있다.[24]

; 직류 급전

:; 장점

:* 여러 개의 철도 변전소에서 동시에 병렬로 급전할 수 있으므로, 사고나 공사 등이 발생해도 중복성이 있다.

:* 최근까지 주류였던 직류 정류자 전동기를 그대로 사용할 수 있었다.

:; 단점

:* 차량 측에서 변압하기에는 적합하지 않으므로, 전동기의 전압에 맞춰야 하기 때문에, 고전압/저전류로 할 수 없고, 저전압/대전류에서는 송전 손실이 커진다.[51] 또한, 송전 손실을 줄이기 위해 철도 변전소를 10~20km 간격으로 많이 설치해야 한다.

:* 대전력을 공급할 수 없으므로, 고속철도나 중화물 열차를 운행하는 노선에는 적합하지 않다.

:* 직류로 변환하는 철도 변전소는 기기가 고가가 된다.

; 교류 급전

:; 장점

:* 변압기를 이용하여, 주전동기에 가하는 전압을 손실 없이 쉽게 제어할 수 있다.

:* 고전압/저전류로 할 수 있으므로 송전 손실이 적고, 대전력을 공급할 수 있으며 변전소도 30~50km 간격으로 적게 설치해도 된다.

:; 단점

:* 직접 급전 방식과 같은 단순한 교류 급전에서는, 전선으로부터의 전자파에 의해 주변의 통신선에 장애를 미치는 "통신유도 장애"라고 불리는 현상이 일어나기 쉽다. BT급전이나 AT급전 등의 개선이 이루어진다.[51]

:* 차량에 탑재하는 기기 비용이 고액이 되기 쉽다. 이미 직류 전철화가 보급된 지역에서는, 교류 직결 등의 유지 관리 비용도 필요하게 되어 고액이 된다. 따라서 직류 전철화가 보급된 지역에서의 부분적인 교류 전철화는, 전부 직류화했을 때보다 총 비용이 커지는 경향이 있다.

2. 2. 1. 직류 궤전


  • 여러 개의 철도 변전소에서 동시에 병렬로 급전할 수 있으므로, 사고나 공사 등이 발생해도 중복성이 있다.
  • 과거에 주류였던 직류 정류자 전동기를 그대로 사용할 수 있었다.
  • 차량 측에서 변압하기에는 적합하지 않으므로, 전동기의 전압에 맞춰야 하기 때문에, 고전압/저전류로 할 수 없고, 저전압/대전류에서는 송전 손실이 커진다.[51] 또한, 송전 손실을 줄이기 위해 철도 변전소를 많이 설치해야 한다.
  • 대전력을 공급할 수 없으므로, 고속철도나 중화물 열차를 운행하는 노선에는 적합하지 않다.
  • 직류로 변환하는 철도 변전소는 기기가 비싸다.

2. 2. 2. 교류 궤전


  • 변압기를 이용하여 주전동기 전압을 손실 없이 쉽게 제어할 수 있다.[25][129]
  • 고전압/저전류 송전이 가능하여 송전 손실이 적고, 대전력 공급이 가능하며 변전소 설치 간격을 30~50km 정도로 넓힐 수 있다.[24][129]
  • 직접 궤전 방식과 같은 단순 교류 궤전에서는 전선에서 발생하는 전자파가 주변 통신선에 영향을 미치는 "통신유도 장애" 현상이 발생하기 쉽다. BT급전이나 AT급전 등의 방식으로 개선된다.[129][51]
  • 차량에 설치하는 기기 비용이 비싸다.[129] 이미 직류 전철화가 보급된 지역에서는 교류-직류 접속 설비 등의 유지 비용이 추가로 발생한다. 따라서 직류 전철화가 된 지역에서 부분적인 교류 전철화는 모두 직류 전철화 할 때보다 총 비용은 커지는 경향이 있다.[129]

3. 전압의 표준화

유럽 및 국제 표준화를 위해 가장 일반적으로 사용되는 6가지 전압이 제정되었다.[13][14][52][53] 이 전압 중 일부는 접촉 시스템과 무관하여, 750V DC는 제3궤조 또는 가공선 모두에 사용될 수 있다. 표준화된 전압 외에도 다양한 전압 시스템이 사용되며, 철도 전철화 시스템 목록에는 표준 전압과 비표준 전압 시스템이 모두 포함되어 있다.

표준화된 전압에 허용되는 전압 범위는 표준 BS EN 50163[13] 및 IEC 60850[14]에 명시되어 있다. 이는 전류를 끌어들이는 열차의 수와 변전소로부터의 거리를 고려한 것이다.

전철화 시스템전압
최소
임시
최소
영구
공칭최대
영구
최대
임시
600V DC400V400V600V720V800V
750V DC500V500V750V900V1,000V
1,500V DC1,000V1,000V1,500V1,800V1,950V
3kV DC2kV2kV3kV3.6kV3.9kV
15kV AC, 16.7Hz11kV12kV15kV17.25kV18kV
25kV AC, 50Hz (EN 50163)
및 60Hz (IEC 60850)
17.5kV19kV25kV27.5kV29kV



4. 역사

철도는 증기기관을 동력으로 하는 것으로 출발했다. 의 견인력을 사용한 마차에 의한 수송부터 부분적으로 궤도와 전기동력으로 전환하는 이 흐름 속에서 철도의 전철화가 진행되었다.


  • 1879년: 독일지멘스사가 베를린 공업박람회에서 전기기관차를 선보였다. 이는 궤간 490mm, 총 연장 300m 정도의 작은 선로에 외부 집전 방식의 전기 기관차를 운행한 것이었다.[54]
  • 1881년: 독일 베를린 교외에서 세계 최초로 전차 영업 운전이 시작되었다.(:en:Gross-Lichterfelde Tramway)[10][56] 당시에는 진동하는 전차 바퀴에 모터의 기어가 빠지지 않도록 동력을 벨트로 전달했다.[55]
  • 1883년 8월: 영국의 휴양지인 브라이턴에서 Magnus Volk에 의해 Volk's Electric Railway가 개통되었다.[58] 같은 해 10월에는 오스트리아 에서 세계 최초로 가선 집전 방식의 Mödling and Hinterbrühl 노면전차가 운행을 시작했다.
  • 1887년: 미국인 프랭크 스프레이그가 고안한 전기 궤도가 부설되었다.[56]
  • 1890년: 일본 우에노 공원에서 열린 제3회 내국 권업 박람회에서 일본 최초의 전차 운행이 시연되었다.[60]
  • 1895년: 교토에서 일본 최초의 전차 영업 운행이 시작되었다. 같은 해 미국의 볼티모어 앤드 오하이오 철도에서 전기 기관차 3량이 제작되어 하워드 스트리트의 1마일이 넘는 급경사 터널에 사용되었다.[61][62][63]
  • 1897년: 이탈리아에서 축전기, 650V 제3궤조, 3000V 15Hz 삼상 교류 등의 송전 시스템을 비교하여 3000V 15Hz 삼상 교류가 안전성 등에서 가장 우수하다고 판단했다.[63]
  • 1899년: 스위스 부르크돌프-툰 철도의 산악선에서 세계 최초의 교류 전철화(삼상 750V) 영업 운행이 시작되었다.[65]
  • 1905년: 스위스의 에어리콘(Alikon)사에서 단상 교류가 개발되었다.[66]
  • 1913년: 스위스에서 베른-레치베르크-심플론 철도(BLS)가 단상 교류 1만 5천 볼트의 고압 전철화에 성공했다.[67]
  • 1923년: 헝가리의 부다페스트 서역 - 뉴가티 및 알래그 간에 16kV 50Hz의 상용전원주파수에 의한 단상 교류로 전철화된 철도가 부설되었다.
  • 1936년: 독일 남부의 헬렌 타르선에서 시험을 진행, 제2차 세계 대전 이후, 프랑스가 이들 기관차와 설비를 접수하고 프랑스 국내의 교류 전철화를 추진한다. 교류 전철화에서는 BT궤전 방식에서 AT궤전 방식이 주류이다.

4. 1. 초기 전철화

철도는 증기기관을 동력으로 하는 것으로 출발했다. 의 견인력을 사용한 마차에 의한 수송부터 부분적으로 궤도와 전기동력으로 전환하는 이 흐름 속에서 철도의 전철화가 진행되었다.[54]

1879년: 독일지멘스사가 베를린 공업박람회에서 전기기관차를 선보였다. 이는 궤간 490mm, 총 연장 300m 정도의 작은 선로에 외부 집전 방식의 전기 기관차를 운행한 것이었다.[54]

1881년: 독일 베를린 교외에서 세계 최초로 전차 영업 운전이 시작되었다.(:en:Gross-Lichterfelde Tramway)[10][56] 당시에는 진동하는 전차 바퀴에 모터의 기어가 빠지지 않도록 동력을 벨트로 전달했다.[55]

1883년 8월: 영국의 휴양지인 브라이턴에서 Magnus Volk에 의해 Volk's Electric Railway가 개통되었다.[58] 같은 해 10월에는 오스트리아 에서 세계 최초로 가선 집전 방식의 Mödling and Hinterbrühl 노면전차가 운행을 시작했다.

1887년: 미국인 프랭크 스프레이그가 고안한 전기 궤도가 부설되었다.[56]

1890년: 일본 우에노 공원에서 열린 제3회 내국 권업 박람회에서 일본 최초의 전차 운행이 시연되었다.[60]

1895년: 교토에서 일본 최초의 전차 영업 운행이 시작되었다. 같은 해 미국의 볼티모어 앤드 오하이오 철도에서 전기 기관차 3량이 제작되어 하워드 스트리트의 1마일이 넘는 급경사 터널에 사용되었다.[61][62][63]

1897년: 이탈리아에서 축전기, 650V 제3궤조, 3000V 15Hz 삼상 교류 등의 송전 시스템을 비교하여 3000V 15Hz 삼상 교류가 안전성 등에서 가장 우수하다고 판단했다.[63]

1899년: 스위스 부르크돌프-툰 철도의 산악선에서 세계 최초의 교류 전철화(삼상 750V) 영업 운행이 시작되었다.[65]

1905년: 스위스의 에어리콘(Alikon)사에서 단상 교류가 개발되었다.[66]

1913년: 스위스에서 베른-레치베르크-심플론 철도(BLS)가 단상 교류 1만 5천 볼트의 고압 전철화에 성공했다.[67]

1923년: 헝가리의 부다페스트 서역 - 뉴가티 및 알래그 간에 16kV 50Hz의 상용전원주파수에 의한 단상 교류로 전철화된 철도가 부설되었다.

1936년: 독일 남부의 헬렌 타르선에서 시험을 진행, 제2차 세계 대전 이후, 프랑스가 이들 기관차와 설비를 접수하고 프랑스 국내의 교류 전철화를 추진한다. 교류 전철화에서는 BT궤전 방식에서 AT궤전 방식이 주류이다.

4. 2. 교류 전철화의 등장

19세기스위스의 등산철도에 교류 전철화된 철도가 등장했다. 1899년 스위스 부르크돌프-툰 철도의 산악선에서 세계 최초로 교류 전철화(삼상 750V) 영업 운행이 시작되었다.[65]

1923년 헝가리의 부다페스트 - 뉴가티 및 알래그 간에 16kV 50Hz의 상용전원주파수에 의한 단상 교류로 전철화된 철도가 부설되었다. 1923년 헝가리 부다페스트 서역 - 부다케시 아라그 역 간에 16kV 50Hz의 상용 주파수를 사용하는 "상변환식 교류 전기 기관차[69]"의 시험 운행이 시작되었다.[68] 이후 1932년, 1923년부터의 실험 후 헝가리 부다페스트 - 코마롬 역 간에 16kV 50Hz의 "영업 운행"이 시작되었다.[68]

1936년 독일 남부의 헬렌 타르선에서 시험을 진행, 제2차 세계대전 이후, 프랑스가 이들 기관차와 설비를 접수하고 프랑스 국내의 교류 전철화를 추진한다. 1935년 독일 남부 헤렌탈선 일부에서 교류 정류자 전동기와 수은 정류기 + 직류 전동기를 사용한 전기 기관차를 비교하고, 교류 2만 V 50Hz의 연구를 시작하여 상용 단상 교류 급전 방식의 기반을 구축했다. 제2차 세계대전 후 프랑스가 이러한 기관차와 설비를 접수하여 국내 교류 전철화를 추진했다.[68] 교류 전철화에서는 BT급전 방식에서 AT급전 방식이 주류가 되었다.[68]

5. 국가별 사례

각국의 전철화율은 국책, 전력 사정, 산업 동향 등에 따라 차이를 보인다.[9] 스위스, 네덜란드 등은 90% 이상의 높은 전철화율을 보인다.[47][48] 독일, 러시아, 일본은 50% 이상의 전철화율을 보인다.[9] 대한민국·중국2000년대 이후 철도 전철화 비율을 빠르게 올리고 있다.[9]

스위스는 전철화 비용이 저렴하여 거의 모든 노선이 전철화되었다. 미국, 오스트레일리아 등의 대륙 횡단 철도는 전철화되지 않은 구간이 대부분이지만, 러시아를 횡단하는 시베리아 철도는 전철화되었다.[50] 아시아와 유럽 국가들의 도시 철도나 지하철은 모든 노선이 전철화되는 것이 원칙이다.

2023년 기준 스위스 철도망은 세계에서 가장 큰 완전 전철화 네트워크이며, 라오스, 몬테네그로, 인도, 벨기에, 조지아, 대한민국, 네덜란드, 일본이 그 뒤를 잇는다.[47][48] 중국은 약 100,000km, 인도는 60,000km 이상, 러시아는 54,000km 이상의 전철화 철도를 보유하고 있다.[48] 유럽 연합은 114,000km 이상의 전철화 철도를 보유하고 있지만, 총 철도 길이의 약 55%만 차지한다.[48] 인도 철도와 이스라엘 철도는 철도망의 전부 또는 대부분을 전철화할 계획을 발표했다.[49]

국가별 전철화 시기와 경위가 다르기 때문에 전압과 주파수도 제각각이다. 유럽의 경우, 제2차 세계 대전 이전에는 프랑스, 네덜란드, 영국[86]은 직류 1500V, 독일과 스칸디나비아 국가들은 단상 교류 15,000V 16.67Hz, 이탈리아, 러시아, 스페인은 직류 3000V를 사용했다. 1970년대 이후 50Hz 단상 교류 급전이 확산되었지만, 기존 방식을 유지하는 노선도 많아 전기차가 3종류 또는 4종류의 전력을 사용해야 하는 경우도 있었다.[87]

일본의 경우, 초기에는 노면 전차 시스템에서 전철화가 시작되었고, 일반 철도에서는 1904년 중앙본선의 일부 구간이 전철화된 것이 시작이다.[92] 당시에는 600V 직류 급전이 채택되었다.[93] 이후 야마노테선 등 도쿄 도시권과 조토선 등 오사카 도시권에서 통근 전철 운행을 목적으로 전철화가 실시되었다. 1914년 게이힌선 전차 운전 개시에 따라 전압 강하 방지를 위해 1,200V로 승압되었고, 1922년에는 도카이도 본선 전선 1,500V 전철화 계획이 발표되었다.[95] 이후 사철에서도 1,500V 직류 전원이 채택되기 시작했다.

1937년 중일전쟁 발발과 1941년 대미 개전으로 전철화 공사는 전후까지 이월되었다.[99] 전후에는 도카이도 본선을 시작으로 많은 노선이 전철화되었고, 1956년 도카이도 본선 전선 전철화가 완료되었다. 이를 기념하여 1964년 11월 19일을 '철도 전철화의 날'로 제정했다. 1950년대 이후에는 교류 전철화 시험이 시작되어 1957년부터 센잔선호쿠리쿠 본선에서 영업 운전이 시작되었다.[110]

6. 한국의 철도 전철화

한국의 철도 전철화는 일제강점기에 시작되었으며, 1944년 경원선 복계-고산 구간이 최초로 전철화되었다. 해방 이후 한국전쟁으로 철도 시설이 파괴되었으나, 1960년대부터 경제 개발과 함께 철도 전철화가 다시 추진되었다.

1973년에는 산업선(중앙선, 태백선, 영동선) 전철화가 완료되어 석탄 수송 효율 증대와 지역 개발 촉진에 기여했다. 1974년에는 수도권 전철 1호선(서울-인천, 서울-수원)이 개통되면서 대도시 광역 교통망 구축의 기반이 마련되었다. 1980년대 이후 경부선, 호남선 등 주요 간선 철도의 전철화가 지속해서 추진되었다.

2004년 경부고속철도(KTX) 개통으로 한국은 고속철도 시대를 맞이했으며, 전국을 반나절 생활권으로 연결하는 데 크게 기여했다.

현재 한국은 높은 철도 전철화율을 바탕으로 친환경적이고 효율적인 철도 교통 시스템을 구축하고 있다. 한국철도공사(코레일)와 국가철도공단은 지속적인 전철화 사업을 통해 간선 철도망의 전철화율을 높이고, 광역 철도망을 확충하여 대중교통 중심의 교통 체계를 구축하고 있다.

더불어민주당 문재인 정부는 친환경 정책의 하나로 디젤 철도 차량을 전기 차량으로 교체하는 사업을 추진하여 탄소 배출량 감소 및 지속 가능한 교통 시스템 구축에 힘쓰고 있다.

7. 전철화의 장단점

7. 1. 장점

전기 열차는 주동력 장치, 변속기 및 연료의 무게를 실어 나르지 않아도 되지만, 전기 장비의 무게로 부분적으로 상쇄된다. 재생 제동은 전력을 전철 시스템으로 되돌려주어 같은 시스템의 다른 열차가 사용하거나 일반 전력망으로 되돌릴 수 있다. 이는 특히 무거운 화물 열차가 긴 경사면을 내려가야 하는 산악 지역에서 유용하다.[29]

중앙 발전소의 전력은 종종 이동식 엔진/발전기보다 높은 효율로 생산될 수 있다. 발전소 발전과 디젤 기관차 발전의 효율은 공칭 상태에서 거의 동일하지만,[30] 디젤 모터는 저출력의 비공칭 상태에서 효율이 떨어지는 반면[31] 발전소가 전력 생산량을 줄여야 할 경우 가장 효율이 낮은 발전기를 멈추어 효율을 높일 수 있다. 전기 열차는 재생 제동을 통해 그리고 디젤 기관차처럼 정지하거나 관성 주행할 때 유휴 상태로 에너지를 소모할 필요가 없어 디젤 열차에 비해 에너지를 절약할 수 있다.

대규모 화력 발전소는 높은 효율로 운영되며, 지역 난방이나 지역 냉방에 사용되어 총 효율을 높일 수 있다.[32][33] 전기 철도 시스템의 전력은 재생에너지, 원자력 또는 기타 저탄소 배출원에서도 얻을 수 있으며, 이는 오염이나 배출을 발생시키지 않는다.

전기 기관차는 대부분의 디젤 기관차보다 훨씬 큰 출력으로 쉽게 제작될 수 있다. 고속철도는 전철화되어 있다. 전기 기관차의 높은 출력은 또한 경사면에서 더 높은 속도로 화물을 견인할 수 있는 능력을 제공하며, 혼잡한 교통 상황에서는 열차 간격을 줄일 수 있어 운송 능력이 증가한다.

전철화의 장점은 승객이 기관차 배기가스에 노출되지 않는다는 점과 기관차 및 중련운전의 건설, 운영, 유지보수 비용이 낮다는 점이 있다. 전기 기관차는 중량 대비 출력 비율이 높아 가속도가 빨라지며, 실질적인 출력 한계가 높아지고, 속도 제한이 높아지며, 소음 공해가 줄어든다. 가속도가 빨라지면 도시 철도에서 선로를 더 빨리 비울 수 있으므로 선로에 더 많은 열차를 운행할 수 있다.[39]

이외 장점은 다음과 같다.

  • 고도가 높아질수록 동력 손실이 감소한다 (''동력 손실''에 대해서는 디젤 엔진 참조)
  • 변동하는 연료 가격으로부터 운영 비용의 독립성
  • 안전상의 이유로 디젤 기관차가 운행할 수 없는 지하역에 대한 서비스 제공
  • 전기가 화석 연료로 생산되더라도 인구 밀집 지역에서 환경 오염 감소
  • 슈퍼커패시터를 사용한 운동 에너지 회생 제동을 쉽게 수용
  • 기관차에 바닥에 디젤 엔진이 없으므로 중련 운전 시 더욱 편안한 승차감
  • 재생 제동으로 인해 부분적으로 에너지 효율이 다소 높고[40] "공회전" 시 에너지 손실이 적음
  • 더욱 유연한 1차 에너지원: 디젤 연료 대신 석탄, 천연가스, 원자력 또는 재생 에너지(수력, 태양열, 풍력)를 1차 에너지원으로 사용 가능
  • 전체 네트워크가 전철화되면 연료 보급소, 정비 시설 및 디젤 기관차 차량과 같은 디젤 인프라를 폐기하거나 다른 용도로 사용할 수 있다. 동력 장치의 종류가 하나뿐이면 차량의 동질성이 높아져 비용을 줄일 수 있다.

7. 2. 단점

전철화는 여러 단점을 수반한다.

우선, 높은 초기 투자 비용이 필요하다. 기존 선로 주변에 변전소, 전차선 등 새로운 인프라를 구축해야 하기 때문이다. 특히 터널, 교량, 기타 장애물 등의 여유 공간을 확보하기 위해 변경이 필요한 경우, 비용이 더욱 증가한다.[35] 또한, 새로운 교통 특성에 맞춰 철도 신호 시스템을 변경하거나 업그레이드하고, 견인 전류로 인한 간섭으로부터 신호 회로 및 궤도 회로를 보호하는 데에도 추가 비용이 발생한다.

영국에 있는 로열 보더 브리지(Royal Border Bridge), 보호되는 기념물. 기존 구조물에 전차선을 추가하는 것은 전철화 사업의 비용을 상당히 증가시킬 수 있다.


많은 상부 전차선 전철화 시스템은 여유 공간이 이중 컨테이너 차량을 충분히 허용하지 않는다.


경관 훼손 문제도 존재한다. 가공 전차선 구조물과 케이블은 지상에 신호 장비만 있는 비전철화 구간이나 제3궤조 전철화 구간에 비해 경관에 부정적인 영향을 미친다.

선로 주변의 전기 장비(변전소, 가선 등)와 관련된 유지보수 비용 역시 추가적으로 발생한다.[35]

가공 전철화 시스템은 기계적 결함이나 강풍에 취약하다. 팬터그래프가 가선에 걸려 전선이 떨어지면, 인접 선로까지 전력 공급이 차단되어 전체 노선이 장시간 마비될 수 있다. 제3궤조 시스템은 겨울철 얼음 형성으로 운행에 차질이 빚어질 수 있다.[42]

구리 가격 상승으로 인해 가공 전선은 절도의 대상이 되기도 한다.[43] 25kV 활선 케이블 절도는 감전사로 이어질 수 있다.[44] 영국에서는 케이블 절도가 열차 운행 지연 및 장애의 가장 큰 원인 중 하나로 여겨진다.[45]

전철화 방식의 비호환성 문제도 있다. 디젤 열차는 모든 선로에서 운행 가능하지만, 전기 열차는 비전철화 구간이나 해당 열차에 맞지 않는 전철화 구간에서는 운행할 수 없다.

새들이 서로 다른 전하를 띤 부분에 앉거나, 동물이 전철화 시스템에 접촉하여 문제가 발생할 수 있다. 죽은 동물은 여우나 다른 청소 동물을 유인하여,[46] 열차 충돌 위험을 높인다.

세계 대부분의 철도 네트워크에서 상부 전기선 높이로는 이중 컨테이너 차량 등 높이가 큰 화물을 운송하기 어렵다.

8. 비전철화 구간과의 혼재 및 대응

네트워크 효과는 전철화에서 중요한 요소이다. 선로를 전철화할 때는 다른 선로와의 연결을 고려해야 한다. 비전철화 구간을 통과하는 열차 때문에 일부 전철화 구간이 철거된 경우도 있다. 비전철화 구간과 전철화 구간이 만나는 지점에서는 기관차를 교체하거나,[89] 이중 모드 기관차를 사용해야 한다.[88][64] 특히 인도 등의 국가에서 기관차 교체 방식이 자주 사용된다.[90][91]

기관차 교체 없이 전철화 구간과 비전철화 구간을 직통 운전하기 위해 전기-디젤 기관차가 사용되기도 한다. 혹은 단일 집전 장치 열차의 경우에는 차량에 장착된 배터리 또는 모터-플라이휠-발전기 시스템을 통해 전력 공급 간극을 극복할 수 있다. 2014년에는 역 사이에서 전기차에 전력을 공급하기 위해 대형 축전기를 사용하는 기술이 발전하고 있어, 역 사이의 상부 전선이 필요 없게 될 전망이다.[34]

일본 국내에서 전철화 구간과 비전철화 구간이 혼재하는 노선은 운행 계통이 끊겨 별개의 노선으로 취급되는 경우가 많다. 예외적으로 오이가와 철도 이가와선처럼 수송량 증대 목적이 아니라 어떤 이유로 인해 부득이하게 전기 운전을 사용하는 노선에서는 비전철화 측 열차가 직통하는 경우도 있다.

여객 수요 차이로 인해 일부 구간만 전철화된 노선도 있다. 이러한 노선의 대부분은 운전 계통이 분단되기 때문에 별개의 노선처럼 되어 있지만(교류·직류의 데드섹션을 사이에 두는 경우도 마찬가지) 오이가와 철도 이가와선처럼 일부 급경사 구간에 한해 전철화된 경우에는 전철화 구간에서 보조 기관차만 추가될 뿐 비전철화 차량으로 전 구간을 운행하는 경우도 있다.

전철화·비전철화 구간이 혼재하는 노선 중에는 가베선이나 삿쇼선처럼 전철화 구간을 남겨두고 비전철화 구간만 폐지된 사례도 있다. 에사시선도 해협선과 일체화되어 있는 전철화 구간을 남겨두고 비전철화 구간만 폐지되었다.

전철화 구간과 비전철화 구간의 경계역은 다음과 같다. (입출고용으로 전철화된 구간은 제외)

8. 1. 비전철화 구간과의 직통 운전

네트워크 효과는 전철화에서 중요한 요소이다. 선로를 전철화할 때는 다른 선로와의 연결을 고려해야 한다. 비전철화 구간을 통과하는 열차 때문에 일부 전철화 구간이 철거된 경우도 있다. 비전철화 구간과 전철화 구간이 만나는 지점에서는 기관차를 교체하거나,[89], 이중 모드 기관차를 사용해야 한다.[88][64] 특히 인도 등의 국가에서 기관차 교체 방식이 자주 사용된다.[90][91]

기관차 교체 없이 전철화 구간과 비전철화 구간을 직통 운전하기 위해 전기-디젤 기관차가 사용되기도 한다. 혹은 단일 집전 장치 열차의 경우에는 차량에 장착된 배터리 또는 모터-플라이휠-발전기 시스템을 통해 전력 공급 간극을 극복할 수 있다. 2014년에는 역 사이에서 전기차에 전력을 공급하기 위해 대형 축전기를 사용하는 기술이 발전하고 있어, 역 사이의 상부 전선이 필요 없게 될 전망이다.[34]

일본 국내에서 전철화 구간과 비전철화 구간이 혼재하는 노선은 운행 계통이 끊겨 별개의 노선으로 취급되는 경우가 많다. 예외적으로 오이가와 철도 이가와선처럼 수송량 증대 목적이 아니라 어떤 이유로 인해 부득이하게 전기 운전을 사용하는 노선에서는 비전철화 측 열차가 직통하는 경우도 있다.

여객 수요 차이로 인해 일부 구간만 전철화된 노선도 있다. 이러한 노선의 대부분은 운전 계통이 분단되기 때문에 별개의 노선처럼 되어 있지만(교류·직류의 데드섹션을 사이에 두는 경우도 마찬가지) 오이가와 철도 이가와선처럼 일부 급경사 구간에 한해 전철화된 경우에는 전철화 구간에서 보조 기관차만 추가될 뿐 비전철화 차량으로 전 구간을 운행하는 경우도 있다.

전철화·비전철화 구간이 혼재하는 노선 중에는 가베선이나 삿쇼선처럼 전철화 구간을 남겨두고 비전철화 구간만 폐지된 사례도 있다. 에사시선도 해협선과 일체화되어 있는 전철화 구간을 남겨두고 비전철화 구간만 폐지되었다.

전철화 구간과 비전철화 구간의 경계역은 다음과 같다. (입출고용으로 전철화된 구간은 제외)

8. 2. 전철화/비전철화 구간 혼재 노선 (한국)

네트워크 효과는 전철화에서 중요한 요소이며, 선로 전철화 시 다른 선로와의 연결을 고려해야 한다. 비전철화 구간을 통과하는 열차로 인해 일부 전철화 구간이 철거된 경우도 있다. 통과 열차가 이점을 얻으려면 기관차 교체나 이중 모드 기관차를 사용해야 하는데, 이는 장거리 운행에 문제가 된다. 많은 선로는 장거리 화물열차(주로 석탄, 광석, 컨테이너를 항구로 운송)의 통과 운행량에 의해 지배되는데, 이러한 열차는 전철화를 통해 비용을 절감할 수 있지만, 고립된 지역까지 전철화를 확장하는 것은 비용이 많이 들 수 있다. 따라서 전체 네트워크가 전철화되지 않는 한, 회사는 전철화 구간이 있더라도 디젤 열차를 계속 사용해야 하는 경우가 많다. 2층 컨테이너 수송용 궤간을 이용하는 컨테이너 운송 수요 증가는 기존 전철화의 네트워크 효과 문제를 야기하는데, 이는 이러한 열차에 대한 상부 전선의 간극이 부족하기 때문이다. 하지만 추가 비용을 들여 전철화 설비를 건설하거나 개조하여 충분한 간극을 확보할 수 있다.

일부 구간만 전철화된 노선에서는 운행 계통이 분리되는 경우가 많다.

한국에서는 다음과 같은 노선들이 전철화/비전철화 구간이 혼재되어 있으며, 굵은 글씨는 전철화/비전철화 경계역이다.

9. 전철화 설비 철거

전철화는 초기 투자가 필요하지만, 수송량이 많은 노선에서는 수송 단위당 유지비용이 일반적으로 낮다. 따라서, 일단 전철화된 노선의 전철화 설비가 철거되는 경우는 드물지만, 전철화 당시 예상했던 이용률이 줄어든 노선 등, 기관차 등의 발전으로 전철화가 반드시 경제적으로 유리하지 않은 경우가 발생할 수 있다.

또한, 급경사나 장대 터널에서 증기 기관차의 연기 대책을 위해 전철화했던 노선의 경우, 강력한 디젤 기관차와 환기 장치가 등장함으로써 대체될 수 있으며, 미국의 그레이트 노던 철도(현 BNSF 철도)가 건설한 캐스케이드 산맥 횡단 노선(캐스케이드 터널)은 증기 기관차 시대에 전철화되었지만, 이러한 이유로 디젤화가 진행되었다.

이 외에도, 미국 등의 인터어반이 화물 철도로 전환될 때, 전기 동차에 의한 빈번한 운행의 여객 열차가 소멸함으로써 전철화가 불필요하게 되어 전철화 설비가 철거된 사례도 많다.

또한, 상기 이유 이외에 설비가 철거된 예로는, 운용되는 전기 기관차를 포함한 기존의 직류 전철화 설비 전반의 노후화로 인해 설비를 갱신하지 않고 고성능 디젤 기관차로 교체하는 것이 있다. 예를 들어, 브라질 상파울루주에는 '''급경사 구간과 근교 철도가 운행되는 구간을 제외한 거의 모든 전철화 구간의 전기 설비가 철거되어 다시 비전철화된 노선이 여러 개 존재'''하며, 유사한 예는 칠레의 산티아고 - 발파라이소의 교외 구간이나, 콘셉시온 교외 - 템우코 구간 등에도 존재한다.

긴급한 전철화 해제(의도적으로 실시한 것)로는 제1차 세계 대전 당시 독일에서 자원 부족으로 전철화 철도의 가선을 철거하여 구리를 사용한 결과, 전기 기관차가 운행할 수 없게 된 사례도 있다.[123]

9. 1. 전철화 설비 철거/사용 중지 노선 (일본)

일본에서는 비용 절감을 위해 전동차·전기 기관차를 기관차로 교체한 사례가 있다. 다음은 전철화 시설을 철거하거나 사용을 중지하여 전동차 및 전기 기관차 운행을 중단한 노선들이다. 대부분 수익성이 없는 노선이었기 때문에 폐지되었다.

  • 이케다 철도 - 1936년에 기동차·디젤 기관차를 도입하여 내연화하였고, 1938년 6월 6일 폐지되었다.
  • 치토세 선 - 1957년 10월 1일 나에보 - 히가시삿포로 간 직류 전철화 설비가 철거되었다. 이 구간은 1973년 9월 9일에 폐지되었으나, 1980년 10월 1일에 치토세 선 자체는 교류 20,000V로 재전철화되었다.
  • 고사카 제련 고사카 선 - 1962년 10월 1일부터 궤간 변경과 동시에 내연화되었고, 2009년 4월 1일 폐지되었다.
  • 타마노 시영 전기 철도 - 1964년 12월 24일에 기동차를 양수받아 내연화하였고, 1972년 4월 1일 폐지되었다.
  • 이바라키 교통 이바라키 선 - 1965년 4월 25일, 미즈하마 선 조스이토 - 미토에키마에 간 영업 폐지(6월 11일)를 앞두고 아카츠카 - 다이가쿠마에 간 전차 운행을 폐지하였고, 1971년 2월 11일 폐지되었다.
  • 우고 교통 유쇼 선 - 1971년 7월 26일, 요코쇼 선 폐지로 확보된 기동차로 내연화하였고, 1973년 4월 1일 폐지되었다.
  • ★후쿠시오 선(후추 역 - 시모카와베 역 간) - 1962년 4월 1일부터 전철화 설비가 철거되었다.
  • 메이테쓰 야오쓰 선 - 1984년 9월 23일부터 기동차를 도입하여 내연화하였고, 2001년 10월 1일 폐지되었다.
  • 메이테쓰 미카와 선(사루토 역 - 니시나카가네 역 간, 헤키난 역 - 키라요시다 역 간) - 사루토 이북은 1985년 3월 14일부터, 헤키난 이남은 1990년 7월 1일부터 전철화가 중단되었고, 양 구간 모두 2004년 4월 1일 폐지되었다.
  • 구리하라 다엔 철도 선 - 1995년 4월 1일부터 제3섹터화와 동시에 기동차를 도입하여 내연화하였고, 2007년 4월 1일 폐지되었다.
  • 나가사키 본선(히젠하마 역 - 나가사키 역 간) - 2022년 9월 23일부터 전철화 설비 사용이 중지되었다.
  • ★이와키시 선(아이즈와카마쓰 역 - 키타가타 역 간) - 2024년 5월 17일부터 전철화 설비 사용이 중지되었다.[124] 2022년 3월 시간표 개정으로 전동차 정기 열차는 없어졌고, 임시 열차도 2023년 12월 「후루티아 후쿠시마」 운행 종료로 없어졌다.[124]

9. 2. 경비 절감 목적으로 기동차 운행 (일본)

일본에서는 전철화 설비를 갖추고 있음에도 불구하고, 경비 절감 등의 목적으로 디젤 동차(기동차)를 운행하는 경우가 있었다. 이러한 노선들은 '''가선하 DC'''(DC=디젤카)라고도 불린다.[125]

  • 호사이선(오미이마즈역 - 오미시오쓰역 간): 1974년 개업 당시부터 전 구간이 전철화되었으나, 교류·직류 데드섹션이 존재하여 보통열차는 기동차로 운행되었다. 1991년 호쿠리쿠 본선 일부 구간 직류화와 함께 보통열차도 직류·교류 전동차로 전환되었다.
  • 가시마선(가시마신궁역 - 가시마 삭커 스타디움역 간): 1974년 전철화되었으나, 가시마 림카이 철도와의 직통 운행 및 가시마 림코 선(1983년 여객 영업 폐지), 오아라이가시마 선의 비전철화로 인해 가시마 림카이 철도의 기동차가 가시마신궁역까지 직통 운행하고 있다.
  • 다자와코선: 1982년 전철화되었으나, 특급 「다자와」만 전동차로 운행되고 보통열차는 기동차를 사용했다. 1997년 아키타 신칸센 개통으로 궤간이 변경되면서 보통열차도 전동차로 통일되었다.
  • 에사시선도난 이사리비 철도선(고류각역 - 키코우치역 간): 1988년 해협선 개통과 함께 전철화되었으나, 2002년 특급 「시라토리」「슈퍼 시라토리」 운행 이후 보통열차는 기동차로 운행되고 있다. 2016년 도난 이사리비 철도로 전환된 이후에도 동일하다.
  • 쓰가루 선(가니타역 - 츄슈코쿠역 간): 해협선 개통과 함께 전철화되었으나, 츄슈코쿠역 이북은 비전철화 구간이므로 가니타역 이북의 보통열차는 기동차로만 운행된다.
  • 나나오 선(나나오역 - 와쿠라온센역): 1991년 전철화되었으나, 노토 철도는 기동차만 보유하고 있어 이 구간의 보통열차는 기동차로 운행된다.
  • 오무라 선(하야키역 - 하우스텐보스역 간): 1992년 이 구간만 전철화되어 특급 「하우스텐보스」는 전동차로 운행되지만, 보통·쾌속 열차는 비전철화 구간으로 직통하여 기동차로 운행된다.
  • 우고 본선(무라카미역 - 쓰루오카역 간): 1993년에 무라카미역 - 사카타역 간의 모든 보통열차가 기동차화되었다. 이후 쓰루오카 이북에서 1왕복 전동차 운행이 설정되었으나, 쓰루오카 이남에서는 기동차만 운행된다. 이 구간에는 교류·직류 데드섹션이 존재한다.[126]
  • 히사츠 오렌지 철도선: 2004년 히사츠 오렌지 철도로 전환된 후, 정기 여객 열차는 HSOR-100형 기동차로 운행되고 있다.
  • 닛포 본선(사에키역 - 에노카역 간): 2009년부터 일시적으로 모든 보통열차가 기동차로 운행되었으나, 2018년부터 전동차 운행으로 변경되었다.
  • 센세키선(리쿠젠오노역 - 이시노마키역 간): 2011년 동일본 대지진으로 전철화 설비가 파손되어 기동차로 임시 운행하다가, 2015년 복구와 함께 전동차 운행이 재개되었다.
  • 에치고토키메키 철도 니혼카이 히스이 라인(이토이가와역 - 나오에쓰역 간): 2015년 에치고토키메키 철도로 경영 분리된 후, 이 구간의 보통열차는 기동차로 운행되고 있다. 2017년 쾌속 열차 폐지로 정기 여객 열차는 기동차로 통일되었다. 이 노선에는 교류·직류 데드섹션이 존재한다.[126]
  • 노이와 철도 아이즈기누가와 선(카미미요리 시오바라온센구치역 - 아이즈고원오제구치역 간): 2015년 폭우 피해로 인한 정전으로 잠정적으로 기동차가 직통 운행하다가, 같은 해 12월 전동차 운행이 재개되었다.[127]
  • 아이즈 철도 아이즈 선(아이즈타지마역 - 아이즈고원오제구치역 간): 2022년 다이어 개정으로 이 구간의 전동차 정기 열차는 특급 「리버티 아이즈」만 운행되고, 보통·쾌속 열차는 기동차로 운행된다.


이외에도 동경요코하마전철(東京横浜電鉄), 오미철도 본선(近江鉄道本線), 도야마항선 등에서 전철화 유지와 경비 절감의 목적으로 기동차와 전동차를 혼재하여 운행하였다.

참조

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[68] 문서 (持永2012)p.46-49「2.3.1(2)海外の交流電気鉄道の歴史」
[69] 문서 単相交流を車内で回転式相変換器により三相交流に変化させて三相交流用のモーターを回転させる方法。余り使い勝手が良くなくその後世界の商用周波数単相交流利用には広まらず。
[70] 문서 ここでいう「汽車」は都市の外に出て走る鉄道のこと。
[71] 脚注 朝倉1979-5 p.112
[72] 서적 鉄道の百科事典 鉄道の百科事典編集委員会 2012
[73] 脚注 フランコ2014 p.169
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[75] 문서 스위스 전철화의 배경
[76] 脚注 朝倉1979-5 p.114-115
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[78] 문서 600V 직류 전력의 장거리 송전 어려움
[79] 脚注 朝倉1979-11 p.104
[80] 脚注 朝倉1979-5 p.116
[81] 脚注 朝倉1979-5 p.115-117
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[83] 脚注 ロス2007 p.383
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[85] 脚注 タネル2014 p.193
[86] 문서 영국의 제3 레일 구간 현황
[87] 脚注 ロス2007 p.382-383
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