우리나라 전기철도 급전방식은 직류 1.5kV와 교류 25kV가 표준으로 운영되고 있다. 직류 1.5kV 급전방식은 단거리 운송에 적합한 도시철도에 적용하고 있고 교류 25kV 급전방식은 고속철도 등 장거리 대용량 수송이 필요한 노선의 표준 급전방식으로 적용되고 있다.
교류 25kV 급전방식에 사용하는 애자(Insulator)는 특고압 전기를 절연하는 전차선로 핵심설비로 오염이나 낙뢰(Thunderbolt) 등의 환경적, 기후적 영향에 관계없이 장기간 사용해도 본연의 절연성능 유지가 필요지만 산악지역이 많고 바다와 가까운 국내 철도노선의 환경적 특성으로 인하여 터널에 설치된 애자는 각종 분진에 의한 오염이 심하고, 바다와 가까운 곳에 설치된 애자는 염분부착에 의한 오염으로 절연성능이 나빠지고 있어 오염지역에 설치된 전차 선로 애자는 정기적인 절연성능 진단과 세척 등 특별한 관리가 필요하다.
또한, 오염지역이 아닌 곳에 설치된 애자가 낙뢰의 영향이나 알 수 없는 원인에 의하여 섬락현상(Flashover)이 발생되고 있다.
현재 국내 교류 25kV 급전방식에 사용되고 있는 애자의 절연성능은 시스템 도입 당시 기술기준을 적용하여 일반철도는 일본 철도(절연강도 69kV급), 고속철도는 프랑스 철도(절연강도 46kV급)의 애자 사양에 맞추어 폴리머애자를 국산화 개발하여 사용하고 있다.
최근에는 건설비 절감을 위해 터널 단면적을 축소하는 방법으로 애자 길이를 줄이는 경향이 있어 장기간 사용에 따른 오염으로 부터 안정적인 전원공급과 효율적인 유지관리를 위하여 국내 운영환경을 반영한 전차선로 애자 설계 기준을 재정립할 필요가 있다.
본 논문에서는 철도터널, 염해지역의 환경적 오염 특성과 낙뢰 등 이상전압으로 부터 섬락을 방지하기 위하여 전기적, 기계적인 사양은 철도용품 표준규격과 IEC 60815, EN 50151 등의 국제기준을 만족하고, 철도건설기준에서 정한 터널 단면적과 전차선로 설계기준을 변경하지 않는 범위가 되도록 설계하여 표면누설거리는 기존의 애자와 비교하여 약 60%를 향상하고 뇌충격 내전압은 350kV에 이상이 없도록 제작하여 오염이 가장 심한 터널과 염해지역에 현장 시험설치 하였다.
새로운 애자의 절연성능 향상 효과를 정량적으로 검증하기 위하여 현재 사용하고 있는 애자와 같은 위치에 설치하여 약 10개월간 온도, 습도, 누설전류를 측정한 결과 충북선 인등터널의 경우 기존 장간애자는 최고 l,300㎂, 개발된 애자는 100㎂가 흐르는 것을 실증시험을 통하여 확인할 수 있었다.
금번 연구 결과는 향후 전차선로 애자를 설계할 때 국내 오염지역 환경과 외부 이상전압으로부터 섬락을 예방할 수 있는 자료로 활용될 것으로 기대한다.