전차선로의 장력조정장치는 전차선 및 조가선에 상시 가해지고 있는 가선장력을 항상 일정하게 유지시켜주는 역할을 담당하고 있으며 동 계열 재질인 전차선 및 조가선은 가선이 완료된 후 시간이 경과함에 따라 크리프(creep) 현상으로 인해 자연적인 연신이 발생되게 되며 이러한 연신은 곡선당김금구 등의 설치 위치를 변형시켜서 전기차량의 집전성능에 좋지 않은 영향을 미치게 하여 열차운행에 저해요인이 되므로 열차 운행 시에 크리프(creep) 연신율을 최소화할 필요가 있다.
본 논문에서는 전차선 및 조가선의 영구신장조성 기법 최적화 제시를 위해서 국내·외에서 시행하고 있는 영구신장조성 절차와 방법, 기준 등을 고찰하였고, 인가장력 및 시간에 대한 과학적인 기준 정립을 위해 현장 설치시험을 통해서 크리프 연신율을 분석하였다.
전차선 및 조가선의 크리프 연신율 특성 확인을 위한 현장 설치시험은 IoT 기반 상태감시 시스템을 개발하여 현장에 직접 가지 않고 실시간으로 데이터를 전송 받을 수 있도록 구축하여 신뢰성 확보를 위한 공인기관 인증시험 및 현장 적용성 시험과 장기간 검증을 통해 전차선 및 조가선의 영구신장조성 현장시험에 적용할 수 있는 기반을 다질 수 있었다.
전차선 및 조가선 크리프 현장 설치시험은 건설중인 선로에 IoT 기반 상태 감시 시스템을 연계한 활차식 장력조정장치를 설치하고 국내에서 사용하고 있는 과하중 기준과 시공 활용성을 고려하여 전차선 및 조가선 각각 4가지 케이스를 선정하고 시험을 수행하여 전차선 및 조가선의 크리프 연신 특성을 도출할 수 있었다.
과하중 부가 중 전차선의 경우 과장력을 표준장력의 150% 72시간, 150% 30분, 표준장력의 200% 30분, 200% 10분을 가했을 때 크리프 연신이 최대 약 200㎜ 발생됨을 알 수 있었고, 조가선의 경우 과장력을 표준장력의 150% 10분, 150% 30분, 표준장력의 110% 10분, 110% 5분을 가했을 때 크리프 연신이 최대 약 10㎜가 발생됨을 알 수 있었다.
이는 조가선이 동합금 재질이기 때문에 순동 재질인 전차선보다 크리프 연신이 현저하게 낮게 발생됨이라 판단된다. 따라서 동합금 재질은 크리프 연신이 거의 발생되지 않기 때문에 전선을 펴는 것에 초점을 맞추는 영구신장조성 기법을 선정하여야 한다.
과하중 부가 이후에는 약 2개월간 진행된 요크각 변화에 따른 전차선 및 조가선의 크리프양을 감안할 때 크리프 연신은 과하중 유지시간보다 과하중의 크기가 큰 경우에 크리프 연신이 작게 발생됨을 알 수 있었다.
이러한 설치시험 결과를 종합하여 고려하면 전차선 및 조가선 영구신장조성 기법의 최적 방안으로는 표준장력의 200%를 부가하고 유지시간을 30분 이상 적용해야 한다. 즉, 과장력의 크기가 유지시간보다는 중요하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 제시한 영구신장조성 철차에 의해 과장력 시행 이후 일괄 장력 방식에서 전차선 및 조가선을 요크에 접속 시에는 향후 운영기간 동안 크리프 연신을 감안하여 요크 각도를 전차선 쪽 방향으로 기울어지게 시공하면 시간이 경과함에 따라 요크각이 수직으로 유지되어 집전 성능이 향상될 수 있으며 과하중 부가 시에는 가동브래킷의 곡선당김금구가 올라가지 않도록 경간길이를 고려하여 장력조정장치의 설치높이를 적정하게 선정하여야 한다는 결론에 도달할 수 있었다.
이와 같이 건설 중인 선로에서 현장시험을 통해 제시된 영구신장조성 기법은 신설선로 건설뿐만 아니라 개량시기가 도래된 경부고속철도 및 일반철도의 운행선 구간에서 야간 단전시간의 짧은 시간에 개량 시 시공성 향상과 더불어 유지보수의 효율성에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.