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Nikkei X-TECH_2024.3.27

영업 열차에서 '세계 첫' 초전도 송전
이즈하코네 철도, 노동력 부족의 대책도 되는 이유

철도총합기술연구소(철도총연, 도쿄)와 이즈하코네철도(시즈오카현)는 2024년 3월 21일, 이즈하코네철도의 슨즈선 오히토역(시즈오카현 이즈노쿠니시)에 설치한 ‘초전도 궤전(饋電) 시스템’을 공개했다. 이 궤전 시스템은 전차를 움직이는 전력을 초전도 케이블로 공급하는 시스템이다. 철도총연은 “영업 열차 운행에 적용하는 것은 이번이 세계 최초다”라고 설명한다.

지금까지 대부분의 철도회사는 막차 후나 첫차 전에 검증을 했었다. 철도총연은 이번에 개발한 기술에 대해 2023년 3월에 국토교통성으로부터 철도의 기술 기준을 충족시키는 취지의 인가를 받아, 영업 열차에서의 운용 검증을 이즈하코네철도와 공동으로 개시했다.

소형에 고성능 냉동기나, 초전도 케이블과 금속 케이블을 접속하는 장치 등의 개발을 통해 요소 기술은 대부분 등장했다고 볼 수 있다. “여러 철도회사로부터 도입 장소나 도입 규모에 대한 기대에 대해서는 이미 들었다.

거기에 맞추어 시스템의 용량을 확장하는 등의 개발은 남아 있다. 하지만 실제로 운용할 수 있는 신뢰성을 확립한 것은 매우 큰 스텝이다”(철도총연 초전도/저온연구실의 도미타(富田) 실장).

-- 변전소의 삭감이 가능 --
초전도 케이블이 가져오는 직접적인 이점은 송전 손실의 삭감이지만, 실제로는 그것에 수반해 가능해지는 “변전소의 삭감/집약 효과가 더 크다”(도미타 실장). 슨즈선과 같은 직류 전화(Electrification)는 교류 전화에 비해 변전소에서 전차로 보내는 전류가 크고 옴의 법칙에 의해 금속제 전선의 작은 저항으로도 전압강하가 크게 발생하기 때문에 실용 상으로는 수km의 범위에서만 전압을 유지할 수 있다.

그 범위에 대해 2배 이내의 간격으로 변전소를 배치해야 하므로, 설치와 유지보수에 비용과 인력이 소요된다. 철도총연에 의하면 일본 국내의 JR재래선의 36.4%, 민영 철도의 71%가 직류에서의 전화 구간이라고 한다.

도미타 실장은 설명회에서, 슨즈선에 3곳 있는 변전소(미시마, 바라키, 오히토) 중 “예를 들면 중간에 있는 바라키변전소를 없애는 것을 생각할 수 있다”라고 설명했다. 단순히 바라키변전소를 줄이는 것만으로는, 그 부근은 다른 변전소로부터 멀기 때문에 전차에 충분한 전압으로 전력을 공급할 수 없다.

그러나 미시마변전소나 오히토변전소에서 바라키변전소가 있는 곳까지 초전도 케이블을 부설해, 그 말단을 가선에 접속하면 바라키변전소가 있는 것과 동일한 전압을 유지할 수 있다. 변전소의 용량은 조정해야 하지만 변전소의 수가 줄면 유지보수의 수고를 줄일 수 있어 노동력 부족에 대한 대책이 된다.

도미타 실장은 “슨즈선에서도 과거에 변전소의 배치나 용량을 변경하는 검토나 개량을 실시한 적이 있다. 그러한 검토는 이즈하코네철도뿐만 아니라 모든 철도회사가 항상 검토하고 있는 공통 과제다”라고 지적한다. “현재 철도회사가 직면하고 있는 가장 큰 문제는 노동력 부족으로 유지보수를 제대로 할 수 없다는 것이다. 그 수고를 간소화하는 것이 우리의 몫이다”(도미타 실장).

향후의 본격적인 도입을 위해서는, 철도회사의 요구에 맞춰 규모와 거리(케이블의 길이)를 확대할 필요가 있다. 규모의 경우, 소규모 시스템으로 충분하다면 현재의 기기를 그대로 사용할 수 있지만 대용량으로 할 경우에는 대응이 필요하다. 케이블의 길이에 대해서는 “장거리 실험은 영업 노선과는 별도의 장소에서 실시하고 있으며, 그 결과는 가까운 시일 내 공개할 생각이다”(도미타 실장).

통상의 전선에서는 송전 손실은 거리가 길수록 증가하기 때문에 초전도 케이블 도입 시에 얻을 수 있는 송전 손실 저감 효과도 송전 거리가 길수록 유리하게 된다. 송전 손실 저감 분에서 냉동기의 운전 비용 등을 공제한 수지를 흑자로 하기 위해서는 케이블의 길이가 1km 정도 이상 필요하다고 한다. 다만 냉동기 효율이 개량되면 더 짧은 거리에서도 이점을 얻을 수 있다고 한다.

-- 102m의 초전도 케이블로 송전 --
슨즈선과 오히토역이 검증의 장소가 된 이유는 공간이 넓어 설비 설치가 용이했기 때문이다. “이즈하코네철도의 협력을 얻을 수 있었던 점은 물론이고, 역의 옆에 변전소가 있어 선로를 따라 케이블을 부설하기 용이한 장소는 좀처럼 없다”(도미타 실장). 이번 시스템을 설치한 공간의 일부는 15년에 길이 6m의 초전도 케이블을 연결해 시발(始發) 전에 시험 열차를 달리게 했을 때도 사용한 장소다.

검증 시스템에서는 오히토역 하행선의 외측(동측)에 있는 오히토변전소의 피더에서 궤전선으로 향하는 케이블을 분기시켜, 통상의 동선 케이블로 초전도 케이블의 전류 단말 장치까지 이끈다.

전류 단말은 상온의 동선과 내부 온도가 약 76K(켈빈, 약 -197℃) 이하의 초전도 케이블 사이에서 전류를 전달하는 장치로, 초전도 케이블의 양단에 설치한다. 오히타변전소와 가까운 쪽의 전류 단말은 오히타변전소에서 슈젠지 방면(남)으로 십 수m의 장소에 설치했다. 이 장소에는 액체질소 냉동기, 펌프, 유량계도 두었다.

초전도 케이블은 이 전류 단말을 기점으로 미시마 방면(북)으로 뻗어 있어, 또 하나의 전류 단말까지의 102m를 연결한다. 미시마 방면의 전류 단말에서 초전도 케이블의 전류를 동선이 인계하고, 이 동선이 옆에 있는 가선주를 타고 궤전선으로 이어진다. 이 부근에서 미시마 방면, 바라키변전소까지의 구간을 주행하는 전차가 초전도 케이블을 통과한 전류를 받아 움직인다.

궤전선과 오히토변전소를 잇는 기존의 배선도 남겨 두었기 때문에 초전도 케이블을 경유하는 배선과 병렬로 급전하고 있다. 슈젠지 방면의 전차를 움직이는 전류는 주로 기존 배선을 경유해 흐른다고 볼 수 있다.

-- 에너지절약 효과 등의 데이터를 취득 --
초전도 케이블은 동축 구조로, 내측으로부터 액체질소 통로(가는 길), 초전도 선재의 통전층, 액체질소 통로(되돌아오는 길)가 있고, 이것이 단열관에 들어 있다. 단열관에는 진공 단열층과 방사열을 차단하는 알루미늄 포일을 설치했다. 통전층의 재질은 구리산화물 초전도체로, 케이블은 공동 연구를 진행하는 대형 전선 업체에서 제작한다고 한다. 철도총연은 국가 프로젝트 등을 통해서 여러 대형 전선 업체와 협력 관계에 있다.

실증 시스템에서는 오히타역 근처의 냉동기에서 액체질소의 온도를 낮춰, 펌프에서 전류 단말을 통해 초전도 케이블 내부에 보낸다. 액체질소는 미시마 방면의 전류 단말기에서 선회해 다시 초전도 케이블 내부를 펌프까지 되돌아간다.

이번에 부설한 초전도 케이블의 길이는 102m에 불과하기 때문에 에너지절약 효과보다 냉동기 운전에서 소비하는 에너지가 더 많지만 케이블이 긴 경우에 어떤 효과를 얻을 수 있는지 계산하기 위한 기초 데이터를 얻을 수 있다. 검증에서는 이러한 데이터의 취득과, 전차 주행에 의한 전류의 급격한 변화 등에 의해 시스템에 이상이 생기지 않는지 등을 확인하기 위한 것을 목적으로 한다.

철도총연 등은 시스템의 상태를 설명하기 위한 모니터 화면도 공개했다. 초전도 케이블 양단에서의 전류와 전압 외에 냉동기와 펌프에서 초전도 케이블로 송출되는 액체질소의 온도와 압력 등이 표시된다. 가속하는 전차가 있을 때에 전류치가 커지는 모습 등을 보여줬다.

초전도 케이블에 대한 통전(通電)은 2024년 3월 13일부터 22일까지 진행하고 일단 중지했다. 점검 후에 다시 개시해 2024년도 중에 검증할 예정이다.

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