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최근 수정 시각 : 2024-11-21 04:10:28

제3궤조집전식


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||<table align=center><tablewidth=500><table bordercolor=#000><:><#000><-5> 철도의 구조||
레일 레일
침목
도상(철길 지지 구조)
노반
기타 분기기 | 전차선 ( 가공전차선 | 제3궤조집전식 | 전자기유도집전)


파일:external/www.railway-technical.com/3rd001.gif
1. 개요2. 특징
2.1. 장점2.2. 단점
3. 집전 슈의 위치4. 쓰는 곳5. 여담6. 관련 문서

1. 개요

제3궤조집전( 第 三 軌 條 集 電, Third rail current collector) 방식 또는 간단히 제3궤조(Third rail)는 철도의 급전 방식 가운데 전차선이 철로와 철로 사이, 혹은 철로 옆에 위치하는 방식을 말한다. 공중에 떠 있는 가공전차선 방식과 구별된다. 위에서 보면 3가닥의 철로가 있기 때문에, '3개의 궤도로 구성된 집전 방식'이라는 뜻에서 제3궤조집전식이라고 부른다. 사진처럼 집전장치 대신 집전 슈(shoe)를 이용해 전력을 공급 받는다.

2. 특징

2.1. 장점

제3궤조 방식으로 건설되는 노선은 전동차의 지붕에 집전장치가 필요 없기 때문에, 공사할 때 터널을 크게 뚫을 필요가 없어서 공사비가 싸게 먹힌다는 장점이 있다. 이는 모든 구간이 터널인 지하철에서는 상당히 강력한 장점이다.

파일:external/upload.wikimedia.org/1280px-Why_London_Underground_is_nicknamed_The_Tube.jpg

위와 같이 차량 위에 전차선 구조물이 필요 없기 때문에 터널을 차량 크기 만큼만 작게 뚫어도 된다. 사진은 런던 지하철 노던선 열차로, 건설 당시 기술로는 템스강 유역의 연약지반 아래에 터널을 뚫으려면 튜브 형태로 차량한계에 가깝게 뚫어야 하는 악조건이었기 때문에 제3궤조 사용이 불가피했다.

지상으로 달리는 경우에도 일반적인 가공전차선 방식보다 가설비용 및 유지보수 비용이 더 저렴하다. 제3궤조는 강체이므로 가공전차선에 비해 쉽게 마모되지 않아 마모로 인한 관리 및 유지보수 비용이 절감된다.[1] 마모를 더욱 줄이기 위해 몸체는 전도성이 높은 알루미늄으로 만들고 집전장치와 맞닿는 부분만 마모에 강한 스테인리스강으로 만들기도 한다.

가공전차선과는 달리 위로 치렁치렁 전선이 올라가지 않기 때문에 보기가 좋고 육교 등을 설치하기 쉽다는 장점도 있다. 특히 가공전차선에 비해 전고가 높은 컨테이너 차량이나 2층버스 등의 통과가 쉽다.[2]

2.2. 단점

고압 전기가 흐르는 통로가 지면과 가까운 바닥에 있다는 특징은 양날의 검이다. 가공전차선 방식에 비해서 급전궤도와 지면 간의 거리가 가깝기 때문에, 높은 전압을 공급했을 때 감전의 위험 없이 지면이나 승강장과 안전하게 절연시키기 어렵다. 이 때문에 법적으로 직류 600 ~ 800V 정도의 낮은 전압만을 사용하며 직류 1000V를 넘기는 사례는 함부르크 S반(1200V), 인천공항 자기부상철도, 베이징 지하철 7호선, 광저우 지하철 4호선, 5호선(1500V)밖에 없는 것이다. 만약 대한민국 광역철도와 일반철도에 사용되는 교류 25,000V를 제3궤조로 흘려 보낸다면 지락사고에 대단히 취약하지며, 사람이 근처에 접근하는 것도 사실상 불가능하고 승강장에서 발만 잘못 뻗어도 감전되는 수가 있는 것이다. 지하철의 경우 일반적으로 가공전차선보다도 낮은 전압을 쓰기 때문에 변전소가 더 촘촘하게 들어서야 하고, 이 때문에 터널 굴착에서 비용을 절감한 의미가 없어지는 경우도 있다.

사실 700~800V 직류 체계에서는 제3궤도를 만진다고 무조건 감전되지는 않는다. 예를 들면 뉴욕 지하철에 돌아다니는 시궁쥐들은 이 전력공급이 되는 궤 위에 서있어도 잘만 걸어다니는데, 이는 기존 선로 중 하나가 -극 역할을 하고, 전류 공급이 +극에서 -극으로 이어지는 회로가 성립이 되어야 감전이 일어나기 때문이다. 전선 위의 참새가 감전되지 않는 것과 같은 원리. 허나 그건 몸집이 작은 동물에 한정되고, 사람을 비롯한 개, 고양이, 호랑이, 코끼리 등 포유류의 경우 제3궤조에만 몸이 걸칠 가능성이 극히 없고 대부분 제3궤조에 몸의 일부가 걸친 상태에서 바닥과 동시에 접하게 되므로 회로가 구성되어 감전될 가능성이 높다.

아울러 급전 궤도에 이물질이 떨어지거나 사람 혹은 동물이 실수로 밟으면 합선 사고가 발생할 수 있다.

땅 위로 전류가 흐르기 때문에 건널목과는 최악의 궁합을 자랑한다. 제3궤조 구간 내에 건널목이 있다면 건널목 자체를 절연구간으로 만들어 버린다. 아래 링크는 베를린 S반에 있는 철도 건널목 중 하나로, 건널목 전후로는 흰 덮개가 있는 급전 궤도가 있으나 건널목에는 아무것도 없음을 볼 수 있다. 베를린[3] 영국[4] 시카고[5] 그래도 작정하고 급전 궤도로 들어갈 사람은 들어가지만… 도쿄메트로 우에노 검차구에서는 건널목을 아예 이동식 울타리로 막아버렸다.

또한 물과 전기는 최악의 궁합을 자랑하기 때문에, 방수 대책이 되어 있지 않은 곳에서 비나 눈이 오면 누전을 피할 수 없다. #[6] 침수라도 발생하면 그 날 운행중단으로 헬이다. 덤으로 보수나 점검 작업도 힘들어진다. 그런 관계로 위험해서 지상 철도나 간선 철도에는 거의 사용하지 않는다.

21세기 이후로는 도시철도의 경우 스크린도어가 보편화되어 있는 관계로 전기 사고 관련 문제는 어느 정도 보완된다. 그러나 침수 문제는 어쩔 수 없다. 2014 동남권 폭우 사태 때는 제3궤조를 쓰는 부산 도시철도 4호선이 금사역 침수로 전 구간의 전기가 끊겼다. 선로 물 뺄 때까지 기다리고 안전 점검 하느라 운행 재개도 다른 노선에 비해 상당히 늦었다.

또한 고속 주행에 적합하지 않다. 일단 안전 문제로 높은 전압의 전기를 급전하기 어려우니 출력을 크게 내기가 어려울 뿐더러, 급전 궤도의 끝에서 집전 장치에 가해지는 기계적인 충격 때문에 속도를 높이기가 어렵다. 시험운전까지 고려해도 170km/h 정도가 한계. 영국과 프랑스를 잇는 해저 터널을 지나는 최고 300km/h의 유로스타의 운영 초창기에는 영국 본토에서 제3궤조인 일반선에서 160km/h[7]로 운행했지만 현재는 런던과 채널터널 사이 전용 고속선인 High Speed 1이 완공되어 300km/h의 정상속도로 운행중이다.

제3궤조는 선로가 분기하면 열차가 지나갈 공간을 만들기 위해 전원 공급 레일이 반드시 끊어져 있어야 한다. 그래서 분기기 구간의 운전 취급이 어렵다. 가공가선의 경우 선로 분기기 부분에서도 어차피 공중에 가설되어있기 때문에 합쳐지거나 갈라지거나 교차하는 선로를 따라 똑같이 가선도 합쳐지고 갈라지고 교차할 수 있다.[8] 이 때문에 과거 배터리 기술 수준이 낮아 제3궤조에서 공급되는 전류로 직접 전등 등을 가동했던 옛날 지하철은 분기 구간에 들어서는 걸로도 전등이 꺼졌다. 오늘날에는 배터리 성능 향상과 열차 성능 향상으로 거의 사장된 단점이기는 하다.

개통된지 오래된 노선의 경우 집전장치와 제3궤조가 부딪히는 소리가 난다. 긴자선과 마루노우치선, 일부 런던 지하철이 대표적인 예로, 해당 노선의 경우 최신 전동차라도 똑같이 난다. 다만 비교적 최근에 개통된 노선의 경우 이 소음은 나지 않는다.

3. 집전 슈의 위치

집전 슈가 제3궤조 위에 닿는 방식, 옆에 닿는 방식, 아래쪽에 닿는 방식 등 여러 가지가 있다.
출처1 출처2

4. 쓰는 곳

뉴욕 지하철이나 시카고 전철 및 BART 그 외 유럽 및 영미권의 많은 지하철 노선이 이 방식을 사용하고 있다.[9] 파리 지하철 등 운영 역사가 오래된 지하철에서도 종종 볼 수 있다. 일본에서도 도쿄메트로의 긴자선, 마루노우치선과 나고야 시영 지하철의 히가시야마선, 메이죠선, 메이코선을 비롯해 오사카메트로의 미도스지선, 타니마치선, 요츠바시선, 츄오선, 센니치마에선, 요코하마 시영 지하철의 블루라인이 이 방식을 사용하고 있다.[10] 특히, 긴자선 같은 경우에는 1900년대 초반에 영국에서 기술을 들여와서 지은 노선으로, 영국식 제3궤조를 사용 중이다. 마루노우치선도 긴자선과의 호환을 위해서 영국식으로 지어졌다. 이외에도 베를린 S반, 함부르크 S반 같은 오래된 광역 철도 노선에도 가끔 쓰인다. 특이하게도 20세기 말에 지어진 싱가포르 MRT, 타이베이 첩운도 표준궤 + 제3궤조의 조합이다.[11]

런던 지하철이 흔히 제3궤조로 알려져 있는데, 사실은 제4궤조(4th rail)다. 런던 지하철의 궤도 사진을 잘 보면 두 개의 주행 궤도에 두 개의 급전 궤도가 평행으로 깔려있다. 레일 자체가 제3궤조 급전용에 비해서 작은 편이라(주행용 궤도에 가까움) 한쪽엔 +, 한쪽엔 -를 걸어서 공급 전압을 거의 맥시멈에 가깝게 땡겨서 쓴다. 이 방식은 세계에서도 오직 런던 지하철과 밀라노 지하철 1호선만이 채택하고 있다. 런던보다 늦게 도시철도가 부설된 유럽 본토 지역부터는 기술이 조금 더 발전해서 레일 한 줄로도 더 큰 전압을 잘만 공급하고있다.

대구 도시철도 3호선같은 고무차륜 모노레일이나 부산 도시철도 4호선같은 고무차륜열차는 귀전선 역할을 해줄 철로가 없으므로 집전레일이 궤도빔 혹은 선로 측면에 1개가 있다. 한 전선이 활선, 다른 한 전선이 중성선이다.

멕시코시티 도시철도에서도 A호선과 12호선을 제외한 모든 노선에서 제3궤조집전식을 사용하고 있다.

인구 밀도가 높은 영국 동남부 지역 및 리버풀 인근 지역의 철도는 간선까지 제3궤조로 되어 있다. 쉽게 생각하면 새마을, 무궁화 열차가 제3궤조를 사용하는 전동차로 운행된다는 이야기이다. 고속철도인 유로스타에도 쓴 적이 있다. 물론 영국 철도 시설을 관리하는 네트워크 레일에서도 3궤조 방식의 단점을 모르는 건 아니라서 장기적으로 교체할 계획이라곤 하는데, 이게 워낙 많이 깔려서 난감하다고 한다. 20세기 초 영국 철도가 4대 사철 체제이던 시절 석탄 수송 및 장거리 여객으로 돈 벌던 다른 회사와 달리 런던 교외 통근 여객이 주 수입이던 서던 철도에서 해당 지역의 전철화를 선도적으로 추진한 것이 오늘날의 비극을 낳은 셈이다. 오늘날 영국 철도 중 전철화 구간의 36%가 이에 해당한다고 한다. 다만 2차대전 이후에야 전철화를 시작한 다른 노선은 가공전차선 방식을 채택하고 있다. 이 지도에서 초록색 선 대부분이 제3궤조 구간이다.

모스크바 지하철과 베이징 지하철[12], 칭다오 지하철, 싱가포르 MRT, 타이베이 첩운도 제3궤조를 채택하고 있다.

한국에서는 전기철도 도입 초창기에는 모두 가공전차선 방식을 선택해서 제3궤조집전식 철도는 한동안 없었지만, 2010년대부터 도입된 AGT 경량전철은 제3궤조 방식으로 표준화되어 있다. 이에 따라 부산김해경전철과 부산 도시철도 4호선, 인천 도시철도 2호선, 의정부 경전철, 용인 에버라인, 서울 경전철 우이신설선, 김포 골드라인, 서울 경전철 신림선이 제3궤조집전식으로 전원을 공급받아 운행 중이며, 전부 직류 750V를 사용한다. 이 중 부산 4호선과 신림선, 의정부경전철은 고무차륜열차이므로 급전선과 귀전선 두 개를 깔아 쓴다. 추후 개통하는 양산 도시철도 또한 직류 750V 제3궤조집전식으로 전원을 공급받는다.

베를린 U반 차량을 수입해서 쓰는 북한의 평양 지하철도 역시 제3궤조 방식을 채택하고 있다. 따라서 현재는 평양 지하철이 한반도 내의 유일한 제3궤조 중전철이다.

가끔 구미권 국가들이 이것을 쓴다고 이게 선진적인 방식이고, 사실상 반대되는 방식인 가공전차선 방식은 후진적이라고 생각하는 사람들이 있다. KBS 뉴스에서도 " 선진국들이 이 방식을 쓴다, 그러니까 이 방식은 선진적인 방식이고 가공전차선 방식은 후진적인 방식이다."라는 투로 보도를 내기도 했는데, 물론 실제로는 그런 거 없다. 별로 선진국으로 보이지 않는 러시아및 구 소련권, 중국, 북한, 멕시코나 인도 등지에서도 이러한 방식을 많이 사용한다. 다만 아무래도 선진국에 역사가 오래된 지하철이 많고 역사가 오래된 지하철이 당시의 부족한 기술력으로도 터널 등의 노선망을 확보하기 좋은 제3궤조집전식을 사용해 지어졌던 경향이 있는점을 봤을땐, 오히려 인과관계가 뒤바뀐 것이라고 볼 수 있다.

노면전차에서도 제3궤조를 쓸 수 있다. APS 참조.

경사진 폐선로를 재활용하여 만드는 철도형 에너지 저장장치에서도 사용된다. 제3궤조를 통해 전기를 공급하여 무거운 화물차를 꼭대기로 올려보낸 뒤 에너지가 필요한 시점에 아래로 내려보내면 회생제동과 비슷한 원리를 이용하여 다시 전기를 공급받을 수 있다.

5. 여담

영미권에서 많은 지하철이 3궤조를 써서 "Touching the third rail"(제3궤조 만지기)라는 숙어도 흔히 쓰인다. 뜻은 한마디로 온전히 살아남지 못할 짓이라는 이야기. 정치인들이 건들지 말아야 할 이슈[13]를 건들 때 많이 쓰인다. 한국 속담의 '섶( 지푸라기) 지고 불 속 뛰어들기'와 그 의미가 비슷하다.

해외에서 철로에 떨어졌을 경우 잘 모른다면 무작정 올라오지 말고 차라리 직원이 오기를 기다리자. 제3궤조가 밟고 올라오기 아주 좋은 위치에 있는 경우도 있기 때문에 밟는 순간 저승행이다. 특히 머리 위에 전선이 없다면 말이다... 부에노스아이레스 지하철 등 해외 일부 노선에는 전력 공급 방식이 다른 노선간 직결운행을 위해 가공전차선과 제3궤조를 동시에 쓰는 경우도 있으므로 머리 위에 전선이 있어도 조심해야 한다.

1977년 시카고 전철 브라운 라인 켓지 역에서는 술 취한 한국인 아재가 제3궤조에 오줌을 누다가 감전사한 사고가 있었다. 시카고 교통국은 1992년 지루한 법정공방 끝에 유족들에게 150만 달러를 배상했다. 출처

2006년 10월 22일 당시 영국에서 유학 중이던 진념 전 경제부총리의 장남인 진강이 런던 인근 뉴 몰든 역에서 선로에 떨어져 그대로 감전사한 사례가 있다.

2023년 6월 파리 지하철에서 한국인 관광객 A씨가 감전사한 사고가 발생했는데 파리 경찰에 따르면 지하철이 제3궤조 방식인 줄 몰랐던 A씨가 지하철 선로를 건너려다 감전사한 것으로 추정된다고 밝혔다. 그도 그럴 것이 한국에서는 경전철을 제외하면 잘 쓰이지 않는 방식이기 때문에 한국에서는 선로를 무단횡단해도 감전당할 일이 없기 때문. 대신에 무단으로 열차 위를 기어오르거나 장대같은 물건을 옮기다가 전선에 접촉해 감전사하는 경우가 많다.

모형 기차에서는 두 레일 사이에 제3궤조를 배치하는 경우가 흔하다. 제3궤조가 없는 모형 기차들도 있는데, 주행 레일이나 혹은 선로 가운데 작은 전도성 돌기들을 배치하여 급전하기 때문이다. 실제 철도에서는 안전상의 우려로 인해 주로 선로 양옆에 제3궤조를 설치한다. 제4궤조인 런던 지하철도 가운데 레일의 전압은 -210V로 측면 레일(+420V)보다 낮게 공급한다.

레고 기차의 2세대인 12V 시리즈도 이 방식을 사용하되, 집전레일이 정 중앙에 배치되는 구조다. 그래서 동차 하단에 동그란 집전슈가 앞뒤로 두 쌍 붙어있다. 후에 출시된 9V 시리즈는 영국식 제4궤조 시스템과 유사하나, 외관상으론 레일과 통합된 구조로 변경되어, 호환되는 금속 바퀴를 통해 급전한다.

Lionel이라는 모형 기차 만드는 회사가 있는데 레일에 3개의 선로가 있다. 가운데 선로는 차체의 브러시에 연결이 되고 나머지는 바퀴에 연결이 된다. 선로에는 약 AC 18V가 흐른다.

폴아웃 4의 지역인 굿네이버에 있는 술집 이름이 제3궤조인데, 이는 대전쟁 이전에 원래 지하철 역이었던 것을 개조한 것에 기인한다. 이 지하철역은 실제로 제3궤조 방식으로 운영되었으며, 바닥에 뚫린 구멍을 통해서 보면 아직도 선로에 전류가 흐르는 걸 보아 현재로선 제3궤조가 그 시점 현재 송전선 역할을 하는 모양.

게임 GTA2에 등장하는 열차가 바로 이 방식으로 전류를 공급 받는 열차라는 설정이 있다. 때문에 경찰이나 적 세력 NPC를 피해 달아나다 선로 쪽으로 진입하면 무작위로 감전당해 죽기도 했는데 이런 방식으로 전력을 공급받는 구조 자체를 몰랐던 국내 플레이어들은 선로 위로 도망가는데 왜 감전사 하느냐고 짜증을 내기도 했다. 5편의 지하철은 가공전차선을 사용하므로 선로 위에서 아무리 뛰어다녀도 죽지 않는다.

모스크바 지하철이 배경인 영화 '메트로 : 마지막 탈출'에서는 터널이 침수되는데, 다른 전동차를 안전하게 역으로 보내기 위해 사고 후 계속 전기를 넣다가 아주 간발의 차이로 단전이 늦어져 사고 지역에서 대피하던 수백 명이 감전으로 끔살당한다.

영화 신비한 동물사전의 마지막 전투 장면에서 뉴욕 지하철이 등장하는데 이때 이 서드레일과 관련하여 고증 오류가 있다. 작중 크레덴스가 이 제3궤조집전식을 사용중인 서드레일 선로 바로 옆에 앉아 있었으며, 이는 실제로 감전당할 위험이 매우 크다. 만약 영화가 아닌 실제였다면, 뉴트와 크레덴스 둘 다 목숨을 잃었을 것이다. 게다가 전철이 들어오는걸로 봐선 단전상태가 아니었다.

서울시의 2기 지하철 계획에서 건설비용을 절약하기 위해, 기존 1기 지하철의 연장 구간을 제외하고 새로 건설되는 노선에 제3궤조집전식을 도입하려고 검토했던 적이 있었다. 그러나 유지비용과 안전사고 대비 비용(당시엔 스크린도어는 상상도 할 수 없던 시대이다)이 가공전차선보다 더 많이 들고, 전압 강하로 인해 변전소를 더 많이 세워야 하므로 건설비조차 가공전차선에 비해 더 많이 들기에 기존 가공전차선 방식을 채택했다.[14]

유도집전방식이 널리 도입될 경우 제3궤조집전식을 대체할 수 있다. 제3궤조집전식은 터널을 작게 팔 수 있다는 점 때문에 많은 지하철에서 채택되었는데 제3궤조의 장점은 그대로 가지면서 안전 문제 등의 단점도 해결할 수 있기 때문.

6. 관련 문서


[1] 가공전차선은 일정 이상 마모될 경우 단선되어 사고를 유발할 수 있으므로 세심한 관리가 필요하다. [2] 가공전차선 방식의 경우 일부 2층버스나 컨테이너 차량들은 다른 길로 돌아서 가야한다. 대형차량들이 많이 지나다니는 곳은 건널목 구간만 절연구간으로 만들어 버리기도 한다. 한국에서도 대불선에서 볼 수 있다. [3] 하면접촉식 [4] 상면접촉식 [5] 상면접촉식. 의외로 시카고 전철 루프에 들어가는 4개 노선 중 3개 (브라운, 핑크, 옐로우) 노선의 교외 구간은 경전철처럼 지상 레벨에서 도로와 평면교차한다. [6] 해당 노선은 요코하마 시영 지하철 블루라인 카미나가야역의 3000R호대 전동차이다. 영상과 같은 문제는 가공전차선 방식도 존재( 205계 0번대 전철 하시모토역의 사례 링크)는 하나 상대적으로 대처는 쉽다. [7] 제3궤조 선로로서는 한계(170km/h)에 매우 근접한 빠른 속도지만 고속철도 노선으로서는 치명적일 정도로 느렸다. [8] 정확히는 복수의 가선을 잠시 모았다가 떨어뜨리는 형태로 집전장치가 복수의 가선을 모두 집전하고 있다가 어느 한 가닥의 가선을 따라간다. 때문에 집전이 끊어져 강제절연되는 일이 없다. [9] 유럽에서 예외적으로 이탈리아, 스페인의 지하철은 가공전차선을 채택하고 있으며, 독일에서도 트램과 지하철이 결합된 방식으로 U-Bahn을 운영하는 쾰른이나 슈투트가르트 곳은 가공전차선을 쓰기도 한다. [10] 일본에서는 1972년 개통한 요코하마 시영 지하철 블루라인 이후로 경전철이나 모노레일이 아닌 이상 잘 안 쓰이게 되었다. [11] 싱가포르의 경우 홍콩 MTR 차량이 채택되었다면 가공전차선이 사용되었을수도있었다. [12] 3호선, 6호선, 11호선, 12호선, 14호선, 16호선, 17호선, 19호선, 다싱국제공항선은 제외 [13] 예를 들어 한국에서의 병역 문제라든가. [14] 출처: 서울지하철건설 삼십년사

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