2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S180

2층 고속열차 운영 요구사항 검토 - 차량 착설에 의한 자갈비산 피해방지를 중심으로 -

Operator Requirement Analysis of the Double Deck High Speed Train

정형일*†, 김대식*, 소진섭*, 김진우*, 이성준*, 김주원*, 강대현*, 김용한*

Hyeongil Jeong*†, Dae-Sik Kim*, Jin-Sub So*, Jin-Woo Kim*, Seoung-Jun Lee*, Dae-Hyeon Kang*, Yong-Han Kim*

Abstract It is easy to accrete snow to the under body of a high speed train when it snows over the certain amount due to climatic characteristic of South Korea. The accreted snow which falls at high speed by vibrations and temperature changes, makes ballasts fly and consequentially damages vehicles and facilities. Especially at the high speed line, the damages have been occurring constantly and we should check infrastructural measures as well as vehicle design approaches. This paper is aimed at reviewing effective measures of the damages and drawing operational requirements

applicable to the double deck high speed train design for reducing risk of ballast scattering damages. Keywords : Double deck high speed train, Operational requirement, Snow accretion, Ballast scattering

초 록 습설(濕雪)이 많이 내리는 우리나라 기후의 특징으로 인하여 겨울철 일정 이상의 적설량을 기록할 경우, 철도차량 하부에 착설(着雪)이 용이하게 되고 열차풍에 의해 다져진 착설이 차량진동, 온도변화 등 다양한 인자에 의해 낙하하게 되어 고속에서 자갈을 비산시켜 철도차량 및 시설물에 피해를 입히게 된다. 특히, 겨울철 고속선에서 착설피해가 지속적으로 발생하고 있으며 이러한 문제의 해결을 위해서는 고압세척기, 차량융설장비 등 인프라적 측면의 대책을 검토함은 물론이고 고속열차 개발 시 차량 설계상의 대응방안에 대한 접근이 이루어져야 할 것이다. 본 연구는 2층 고속열차 실용화 시 착설피해를 줄이기 위하여 국내외 고속열차 착설피해 대책을 검토하고 2층 고속차량 설계 시 적용 가능한 착설관련 운영 요구사항을 도출 및 제시함을 목적으로 한다.

주요어 :2층 고속열차, 운영 요구사항, 착설, 자갈비산

1. 서 론

KTX-산천, HEMU-430x 등의 개발을 통하여 우리나라의 고속열차 개발기술은 지속적으로

발전하고 있고 현재 국토교통부에서는 철도분야 국가연구개발사업을 통해 프랑스의 TGV-

Duplex와 같은 대량수송용 2층 고속열차를 개발 중에 있다. 비약적인 기술발전에도 불구하고

고속선 자갈비산으로 인한 철도차량 및 시설 등의 피해는 고속열차의 주행 안전성을 위협하는

위험요인 중 하나로 여전히 상존하고 있다. 본 연구에서는 2층 고속열차 실용화 시

착설피해를 줄이기 위하여 국내외 고속열차 착설피해대책을 검토하고 2층 고속차량 설계 시

적용 가능한 착설관련 운영 요구사항을 도출 및 제시함을 목적으로 한다.

† 교신저자: 한국철도공사 연구원(jhi8476@korail.com)

* 한국철도공사

2. 본 론

2.1 사업개요

국토교통부에서는 2013년 11월부터 철도기술분야 국가연구개발사업의 일환으로 ‘2층 고속

열차 기술개발’을 진행 중에 있다. 본 과제는 국가 정책적인 측면에서 고속철도 중심의 주요

간선망과 연계된 수송체제 구축 및 철도 수요증대 및 효율성 강화에 대한 세부 실천과제이며,

특히 중앙행정기관의 세종시 이전, 오송생명과학단지 조성 등으로 교통수요가 급증하고 있는

서울~대전 고속선 구간의 수송인원 증대(KTX-산천 대비 편성당 2배 이상)에 주요 목표를 두고

있다. 또한 차량 성능시험을 위한 시험열차는 1층 화물, 2층 여객을 수송할 수 있는 여객화물

복합차량(가제:Hy-SoBex)과 2층 여객차량과의 혼합편성으로 구성될 예정이고 운행 및 계측시

험을 통하여 열차의 성능을 검증할 계획이다. 현재 설계과정에서부터의 운영상의 know-how 반

영을 위하여 KTX, KTX-산천 등의 고속열차 운영경험이 있는 한국철도공사의 2층 고속열차 기

술개발에 관한 요구사항을 수집 및 분석 중에 있다.

2.2 착설피해에 관한 요구사항 분석

2.2.1 정의

착설피해란 차량에 달라붙은 눈이 주행 중에 떨어져서 발생하는 피해를 말하며 주로 고속선

에 특히 피해를 많이 입히고 있다. 강설 시 눈이 쌓여있는 구간을 열차가 주행할 때, 궤도 내

적설된 눈이 차체하부의 복잡한 구조에 부착되고 차량에 부착된 눈덩어리가 압축되거나 동결

된 후 주행 중에 낙하하여 선로 주변 시설물이나 도상자갈을 비산시키는 경우로서 자갈도상인

경부고속선 1단계 구간에서 피해가 주로 나타난다.

Fig. 1 The formation of a test train

2.2.2 피해 분류

착설에 의한 자갈비산으로 인해 야기될 수 있는 피해는 크게 네가지로 분류해 볼 수 있다.

우선 가장 심각도가 큰 것은 인명피해로서 열차가 고속으로 측면방호가 되지 않는 선로나 정

거장을 통과할 경우, 주변 작업자나 승객들이 위험에 노출되게 된다. 고속의 높은 운동에너지

로 비산된 자갈은 치명적인 피해를 불러 올 수 있다. 두번째는 발생빈도가 가장 높은 고속열

차의 차체손상이다. 특히, 고속선 구간 눈이 많이 내렸던 2010~2011년 겨울철 KTX 및 KTX-산

천 차량피해 데이터(Fig.3)를 살펴보면 차량 측면의 유리창과 함께 차축 테로텍스, 차상신호장

치 커버 등의 차량하부 장치 파손이 두드러짐을 알 수 있다. 마지막으로 시설물에 대한 피해

는 비산된 자갈이 방음벽 등의 선로주변 시설물에 직접 피해를 입히는 경우뿐만 아니라, 2 차

적으로 자갈이 레일 위로 올라간 상태에서 열차가 통과하게 될 경우, 레일 손상 및 차륜 균열

을 초래할 수 있다.

Fig. 2 A snow accretion model

Fig. 3 The snow accretion damages

2.2.3 피해 대책

착설피해대책은 크게 속도규제, 제설 및 융설, 자갈비산방지설비, 차량설계대책 등으로 나

눌 수 있으며, 우선 속도규제대책은 자갈비산 등으로 차량하부에 소음, 진동 등의 이상징후

발생 시 속도를 규제하는 사후대응적 방법과 선로변의 적설량 또는 차량하부 착설량에 따라

속도를 규제하는 사전예방적 방법으로 나눌 수 있다. 두번째 제설 및 융설대책은 제설차, 살

수융설장치 등을 사용하여 선로와 차량하부의 눈, 얼음 등의 위험원인을 제거하는 방법이다.

세번째 자갈비산방지대책은 도상자갈의 비산 방지를 위한 자갈스크린, 자갈네트 설치 및 합성

수지 살포 등의 1차적인 방법과 자갈비산 시 주변시설 및 인명피해 방지를 위한 방호벽 설치

등의 2차적인 방법으로 나눌 수 있다. 마지막으로 차량설계대책은 차량 하부 착설방지 및 자

갈비산 피해의 저감을 위하여 고속차량의 설계 시 자가 제설 및 융설기능을 확보함은 물론,

주요 차량하부 기기를 보호 할 수 있는 설비 등을 고려할 수 있는 방법이다.

Table 1 Classification of measures for damages

Classification Description

Speed regulation

Speed regulation following the amount of snowfall around tracks

Speed regulation following the amount of snow accretion under the train

Speed regulation when arising abnormal vibration or noise

Snow removing /

Deicing

Clearing snow on the track by a snowplough

Snow removing operation on the track

Deicing under the train by a water sparkling snow meting device

Ballast scattering prevention

Installing ballast prevention equipment

Constructing protective walls

Vehicle design Design of the railway vehicle to prevent snow accretion

Design of the railway vehicle to prevent ballast scattering damage

2.2.4 운영 요구사항 검토

앞서 살펴본 바와 같이 착설피해의 효과적 저감을 위해서는 고속차량의 설계 시 착설피해

방지대책의 적용이 필요하고 이를 개발 중인 2층 고속열차 설계과정에 반영하기 위하여 요구

사항을 검토하였다.

우선 차량하부 주요 착설위치에 융설히터를 설치하는 방법으로써 눈이 많이 내리는 일본의

경우, 대차커버 부분에 반도체 및 원적외선 융설히터를 설치하여 그 융설효과를 확인하였다.

융설히터의 설치를 위해서는 히터의 전원공급장치를 고정하고 히터 케이블이 다른 장치들에

설치 및 제거 시 방해 받는지에 대해 확인할 필요가 있다. 또한 효율이 뛰어난 히터를 선택하

고 적정 위치에 설치하는 것이 가장 중요한 요소라고 할 수 있다.

Fig. 4 Bogie cover snow melting heater(Left, Middle) and snow melting using air conditioner exhaust(Right)

융설히터에 의한 방법은 전원공급 및 유지보수, 비용 등의 문제가 발생할 가능성이 존재하므

로 히터 이외의 융설방법을 검토해 보았다. 겨울철 객실 내의 공기는 승객들이 안락함을 느낄

수 있도록 외부기온보다 높게 설정된다. 또한 내부공기는 공기정화를 위하여 외부로 배출되게

되기 때문에 배출공기의 열에너지를 이용하여 융설시스템을 개발하는 방법을 이용할 수 있다.

이 방법은 연료를 사용하지 않기 때문에 비용적인 측면에서 효과적이라는 장점이 있는 반면에,

배관을 설치할 장소가 필요하고 공기조화장치 주변에 설치되어야 한다는 제약조건이 따른다.

마지막으로 공기역학 이론을 바탕으로 수치적 유체 시뮬레이션을 이용하여 착설이 어려운

차체하부형상을 설계하는 방법이다. 국내에서는 소음 진동의 저감효과, 유지보수의 효율성 등

에 의해 대차커버 도입에 찬반이 엇갈리고 있지만 차체 측면으로부터의 눈의 유입 방지에는

효과적이라고 할 수 있다.

Fig. 5 The example of bogie covers shape

3. 결 론

우리는 2층 고속열차 개발 시 운영 요구사항 반영을 위하여, 차량착설에 의한 자갈비산

방지대책에 대해 알아보고 착설피해를 효과적으로 줄일 수 있는 대책을 검토하여 2층

고속열차 설계 시 적용 가능한 요구사항을 도출 및 제시하였다. 향후 차량개발에 관한 착설

이외의 운영 요구사항에 대해서도 검토할 예정이다.

대차의 눈의 부착을 방지하는 것은 중요한 문제고 착설피해 저감에 주요한 인자로 작용할 수

있다. 또한 제시한 방법 중 배출공기의 열을 이용한 융설시스템을 구축하는 방법이 가장

효과적일 것으로 예상된다. 그러나 이 방법에도 배기덕트의 구조와 같은 실제 설치 시 발생

가능한 문제들이 여전히 남아있기 때문에 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌

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[2] Hyeok-bin Kwon(2004) Research on Countermeasures for accreted snow and ice from high-speed

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[3] Nak-kyun Song(2011), A Study on the Running Speed Control According to the Snow Accretion under

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Bogie Shape Variation, Seoul Natioanal Univ.