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  1. (Electrical and Signaling Division, Korea Railroad Research Institute, Republic of Korea. Email: cmpark@krri.re.kr, kenlee@krri.re.kr)
  2. (Myeong-sung Rollingstock & Plant Co., Ltd., Republic of Korea. Email: sjja1120@naver.com)



rigid overhead conductor (T-bar), insulator, automated cleaning, contamination removal, traction power supply reliability

1. 서 론

도시철도는 대도시의 교통 혼잡을 완화하는 친환경 대중교통수단이지만, 지하 터널이라는 밀폐된 운행 환경 탓에 내부 공기질 관리가 중요한 과제로 대두되어 왔다 [1]. 특히 지하 터널 내 입자상물질(particulate matter, PM)은 외기보다 현저히 높은 농도로 축적되는 것으로 보고된다. 서울 지하철 터널을 대상으로 한 실측 연구에 따르면, 터널 내 PM10과 PM2.5의 평균 질량농도는 각각 213.7 μg/m³, 78.4 μg/m³로 인접 외기(각각 44.0 μg/m³, 22.2 μg/m³) 대비 약 4.8배, 2.5배 높았으며, 이는 세계보건기구(WHO)의 대기질 권고기준(PM10 50 μg/m³, PM2.5 25 μg/m³, 24시간 기준)을 크게 상회한다 [2]. 세계보건기구 산하 국제암연구소(IARC)는 2013년 대기오염을 인체 발암물질(Group 1)로 분류한 바 있어 [2], [3], 지하 터널 내 고농도 미세먼지는 승객과 유지보수 작업자의 건강 측면에서도 관리가 필요하다.

지하 터널 미세먼지의 주요 발생원은 열차 운행에 수반되는 기계적 마모이다. 선행 연구는 지하 터널 PM10의 약 67.7%가 차륜-레일-제동 계면 및 전차선 계면에서 기인함을 보고하였다 [2], [4]. 성분 측면에서 지하 터널 분진의 주 구성원소는 철(Fe)로, 이는 차륜-레일-제동 계면의 마모에서 발생하는 산화철 형태가 지배적이다. 구리(Cu)는 전차선의 아크 방전을 통해 배출되는 것으로 추정되며 나노 크기(약 96-150 nm)의 입자로 관찰된다 [2]. 이 밖에 시멘트 구조물에서 기인하는 칼슘(Ca, 탄산칼슘)과 규소(Si, 석영)가 검출된다 [2], [5]. 이처럼 지하 터널의 오염물질은 상당 부분이 철·구리 등 금속 성분으로 구성되며, 이는 전기 절연 대상 표면에 도전성 오손층을 형성한다는 점에서 전기설비 유지관리 관점에서 특별한 주의를 요한다.

강체전차선(rigid overhead conductor)은 지하 터널과 같이 가공 조가선을 설치하기 어려운 구간에서 채택되는 급전 방식으로, 알루미늄 합금 형재에 전차선(contact wire)을 물려 강성을 확보한 구조이다. 그중 T-bar형 강체전차선은 국내 도시철도 지하 구간에 널리 적용되어 있으며, 애자로 터널 상부 구조물에 지지된다 [7], [8]. 터널 내에 부유·재비산하는 금속성 미세먼지는 시간이 경과함에 따라 강체전차선 상부와 지지 애자 표면에 적치되어 오손층을 형성한다. 애자 표면에 도전성 오손층이 형성되면 표면 누설전류가 증가하고, 습기가 결합될 경우 섬락(flashover) 위험이 높아지는 등 절연성능 저하로 이어질 수 있다 [9]. 이에 국토교통부는 「철도시설의 기술기준」(고시 제2018-27호) 제89조에서 전력설비의 절연물이 오염될 가능성이 있는 곳에 대해 오염을 최소화하는 대책을 마련하도록 규정하고 있다 [10].

애자 오손 관리는 전통적으로 고압수를 이용한 세척에 의존해 왔다. 국내에서는 일부 도시철도 운영기관이 강체전차선 및 애자에 대한 고압세척 장비를 자체적으로 제작하여 현장에 적용한 사례가 있으나, 전차선의 편위를 추종하는 기능이 없어 작업자가 모터카 상부에 탑승하여 육안으로 세척 위치를 확인하고 수동으로 조작하는 방식에 머물러 있었다. 이러한 수동 방식은 작업자 안전 확보와 세척 균일성 측면에서 한계가 있으며, 전차선의 좌우 편위와 높이 변화를 실시간으로 반영하지 못한다.

해외의 경우 애자 청소는 노선 특성과 오손 정도에 따라 주기적으로 시행되고 있으나, 대체로 인력 또는 반자동 고압 살수에 의존하며, 지하 터널 상부 강체전차선의 편위를 자동으로 추종하여 무인 세척을 수행하는 기술은 정립되어 있지 않다. 지하 터널 미세먼지 자체에 관한 연구는 발생원 규명, 화학성분 분석, 저감 방안 평가 등을 중심으로 상당히 축적되어 있으나 [2], [11], [12], 이들 연구는 주로 공기질·보건 관점에서 수행되었으며, 터널 상부에 적치된 오손을 물리적으로 제거하여 전차선 애자의 절연성능을 확보하는 유지보수 장비 관점의 연구는 상대적으로 미흡하다.

요약하면, (i) 지하 터널 미세먼지의 발생원과 성분은 비교적 잘 규명되어 있으나, (ii) 그 미세먼지가 강체전차선 애자에 적치되어 발생하는 절연 문제를 무인·자동으로 해소하는 장비 기술, 특히 상부 강체전차선의 편위·높이를 자동 추종하면서 일정한 압상력으로 세척하는 기술은 부재하다는 것이 본 연구의 출발점이다.

급전설비의 절연 신뢰성은 전기철도의 안정적 운행을 좌우하는 요소이며, 강체전차선 애자의 오손을 주기적으로 제거하는 것은 이 절연 신뢰성을 유지하는 예방정비에 해당한다. 그러나 이 예방정비가 인력에 의존할 경우 고소 작업에 따른 안전 위험과 낮은 효율이라는 한계가 있어, 세척 작업의 무인·자동화가 요구된다.

본 연구의 목적은 지하 터널 구간 강체전차선(T-bar) 애자를 무인·자동으로 세척하는 시스템을 개발하고, 실증을 통해 그 세척 성능을 정량적으로 평가함으로써, 급전설비의 절연 신뢰성 유지를 위한 자동 예방정비의 가능성을 확인하는 데 있다. 구체적인 연구 범위는 다음과 같다. 첫째, 지하 터널 미세먼지 특성과 강체전차선 애자 오손 기구를 분석하여 세척 시스템의 설계 요구조건을 도출한다. 둘째, 전차선 편위·높이 자동 추종, 능동 압상력 제어, 고압 세척, 세척 후 건조, 오염수 회수, 원격 모니터링·제어를 포함하는 자동세척 시스템을 설계·구현한다. 셋째, 서울교통공사 지하 영업선 구간에서 실증 시험을 수행하고, 공인시험기관의 정량분석을 통해 세척 전후 오손 제거율, 건조 성능, 세척 작업 효율을 평가한다.

2. 강체전차선 애자 오손 특성 및 세척 요구조건

2.1 강체전차선(T-bar) 구조와 애자 배치

T-bar형 강체전차선은 알루미늄 합금 형재(T자 단면)의 하부에 전차선을 압착·고정한 구조로, 터널 천장부에 일정 간격으로 배치된 지지 애자를 통해 구조물에 절연·지지된다. 열차의 팬터그래프는 강체전차선 하면과 접촉하여 집전하며, 시공상 좌우 편위(Stagger)를 두어 팬터그래프 집전판의 편마모를 방지한다. 이러한 구조적 특성으로 인해 강체전차선과 애자는 터널 상부에 위치하고, 주행 구간에 따라 좌우로 편위가 변하며 설치 높이에도 편차가 존재한다. 따라서 상부 세척 대상을 정확히 겨냥하기 위해서는 세척 장치가 전차선의 좌우 편위와 높이를 실시간으로 추종할 수 있어야 한다.

2.2 터널 내 적치 오염물질 특성

강체전차선 애자에 적치되는 오손은 지하 터널 미세먼지의 조성을 반영한다. 지하 터널 분진의 화학성분 분석 결과, 터널 구간 분진의 주성분은 철(Fe)로 약 43.5 wt%를 차지하며, 그 밖에 규소(Si) 약 4.1 wt%, 구리(Cu) 약 2.4 wt%, 칼슘(Ca) 약 2.1 wt%, 알루미늄(Al) 약 1.5 wt% 등이 검출된다 [12]. 철은 차륜-레일-제동 계면의 마모에서 발생하는 산화철이 주를 이루고, 구리는 전차선-집전판 계면의 아크 방전에서 배출되며, 칼슘과 규소는 각각 시멘트 구조물과 지각 광물(석영)에서 기인한다 [2], [6]. 이처럼 오손층의 상당 부분이 철·구리 등 도전성 금속으로 구성되기 때문에, 애자 표면에 오손층이 두껍게 형성될 경우 표면 저항이 감소하여 누설전류가 증가하고, 습윤 조건에서 절연 파괴로 이어질 위험이 커진다.

입자 크기 측면에서 지하 터널 미세먼지는 마모 기구에 따라 다양한 입경 분포를 보인다. 기계적 제동 시에는 대략 100 nm, 350 nm, 300-700 nm 부근에 정점을 갖는 마모 입자가 배출되고, 전기 제동 시 차륜-레일 계면에서는 수 nm~수백 nm 규모의 입자가 배출되는 것으로 보고된다 [2]. 성분별 침강 특성을 고려하면, 상대적으로 밀도가 큰 철·구리 입자는 비교적 빠르게 침강하여 터널 상부 구조물과 애자 표면에 적치되는 경향이 있다. 이러한 오손은 시간 경과에 따라 고착되어 단순 송풍으로는 제거가 어렵고, 물리적 세척(고압수)이 요구된다.

2.3 자동세척 시스템 설계 요구조건 도출

앞서 분석한 강체전차선 구조와 오손 특성으로부터 자동세척 시스템의 설계 요구조건을 다음과 같이 도출하였다. 첫째, 상부에 위치한 전차선의 좌우 편위와 높이 변화를 실시간으로 추종하여 세척 대상을 정확히 겨냥할 수 있어야 한다(위치 검지·추종). 둘째, 고착된 금속성 오손을 제거하기 위해 고압수를 사용하되, 세척 헤드가 전차선·애자에 과도한 힘을 가하지 않으면서도 접촉이 이탈하지 않도록 압상력을 일정하게 유지해야 한다(능동 압상력 제어). 셋째, 세척 후 잔류 수분이 애자 표면에 남으면 오히려 오손·절연 문제를 유발할 수 있으므로, 세척 직후 건조가 이루어져야 한다(건조 모듈). 넷째, 세척에 사용된 오염수가 터널 하부와 주행로로 비산·유출되지 않도록 회수·처리되어야 한다(오염수 회수). 다섯째, 작업자의 고소 탑승을 최소화하고 안전을 확보하기 위해 원격 모니터링·제어가 가능해야 한다(무인화). 이들 요구조건은 이후 3장에서 각 기능 모듈의 설계로 구체화된다.

3. 자동세척 시스템 설계

지하 터널 상부의 강체전차선 애자를 무인으로 세척하기 위해서는 세 가지 공학적 과제를 해결해야 한다. 첫째는 편위와 높이가 변하는 세척 대상을 주행 중에 정확히 포착·정렬하는 대상 추적의 문제이고, 둘째는 세척 헤드가 전차선과 애자에 손상을 주지 않으면서도 접촉을 유지하도록 압상력을 조절하는 힘 제어의 문제이며, 셋째는 고착된 금속성 오손을 제거하고 세척에 수반된 잔류 수분·오염수가 절연과 환경에 미치는 영향을 억제하는 세척·후처리의 문제이다. 본 장에서는 이 세 과제를 해결하기 위한 설계 논리를 중심으로 시스템의 구성과 각 기능 요소를 기술한다.

3.1 시스템 전체 구성 및 동작 개념

개발된 자동세척 시스템은 세척 전용 대차(트레일러)에 각 기능 모듈을 통합 탑재하고, 모터카에 연결하여 2량 1편성으로 지하 터널 구간을 주행하면서 강체전차선 애자를 세척하도록 구성되었다. 전용 대차는 모터카 견인을 고려하여 총 하중 약 9 t(설계 목표 10 t 이하)으로 경량화 설계되었으며, 실증 시험에서 시간당 약 5.1 km의 세척 속도로 운용되었다. 세척 대상은 강체전차선 하부에 배치된 지지 애자로, 지지 애자를 중심으로 좌우 약 ±300 mm 구간을 세척 대상으로 설정하였다.

편성이 주행하는 동안, 위치 검지·추종부가 전차선의 편위와 높이를 실시간으로 감지하여 세척 헤드를 정렬하고, 능동 압상력 제어부가 세척 헤드의 압상력을 조절하며, 고압 세척부가 고압수로 오손을 제거한다. 세척 직후 건조부가 압축공기로 잔류 수분을 제거하고, 세척에 사용된 오염수는 회수·정수부로 수집된다. 전 과정은 원격 모니터링·제어부를 통해 제어되어, 작업자가 세척 대차 상부에 상시 탑승하지 않고도 세척 작업을 수행할 수 있다. 시스템을 구성하는 각 기능 모듈과 주요 사양은 그림 1표 1과 같다.

그림 1 자동세척 시스템 기능 구성도

Fig. 1 Functional configuration of the automated cleaning system

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3.2 전차선 편위·높이 자동 추종 기법

강체전차선의 편위와 높이가 주행 구간에 따라 변하는 조건에서 세척 헤드를 대상에 정렬하는 문제는, 대상의 현재 위치를 실시간으로 계측하고 그 오차를 구동부로 보정하는 폐루프 위치 제어로 귀착되며, 그 구성은 그림 2와 같다. 세척 헤드의 정렬에는 좌우 편위와 상하 높이의 두 자유도가 관여하므로, 이를 각각 계측하도록 위치추종 센서(그림 2-(b)의 센서 S5~S11)와 높이 제어용 전용 센서(그림 2-(c)의 D1, D2)를 두었다. 위치추종 센서는 전차선의 좌우 편위를, 높이 제어용 스위치는 전차선과 세척 헤드 사이의 높이 관계를 검출하며, 제어부는 이들 신호를 목표 위치와 비교하여 세척 헤드 구동부를 구동한다. 이러한 폐루프 추종을 통해 세척 헤드는 편위가 변하는 구간에서도 전차선을 지속적으로 추종하여 애자와 전차선 상부에 대한 정렬을 유지한다.

한편 강체전차선에는 하나의 강체전차선이 아닌 2개의 전차선이 공존하는 건넘선 구간과 Ex구간이 존재하는데, 이 구간은 전차선이 물리적으로 불연속이어서 편위·높이 추종만으로는 세척 헤드가 간섭을 일으킬 수 있다. 이를 회피하기 위해 Ex구간 전용 센서(그림 2-(b)의 센서 S1~S4)로 전차선 중심 간 최대 290 mm 간격의 전차선의 중복 구간을 검출하고, 건넘선 통과는 그림 2-(d)의 감지①·해제② 센서로 감지하여 건넘선 구간 진입 시 세척 헤드의 동작을 조정하도록 하였다. 결과적으로 본 추종부는 정상 구간의 연속 추종과 불연속 구간의 예외 처리를 분리하여 다루는 구조를 가지며, 이는 곡선·구배·건넘선 구간·Ex구간이 혼재하는 실제 지하 구간에서 추종 신뢰성을 확보하기 위한 설계 선택이다.

3.3 능동 압상력 제어

세척 헤드가 전차선·애자에 접촉하여 세척할 때, 세척 헤드가 대상에 가하는 접촉력, 즉 압상력(uplift force)이 과도하면 전차선과 세척 헤드의 손상을 유발하고, 압상력이 부족하면 세척 헤드가 대상에서 이탈하거나 오손 제거가 불완전해진다. 본 시스템은 세척 헤드의 압상력을 감지하여 목표 범위 내로 유지하는 능동 압상력 제어를 적용하였다. 압상력 감지 신호를 피드백으로 활용하여 세척 헤드의 상하 위치를 능동적으로 조절함으로써, 전차선 높이 편차와 주행 진동에도 불구하고 세척 헤드가 일정한 압상력으로 대상을 세척하도록 하였다. 이 능동 제어는 앞서의 편위·높이 추종과 결합되어, 상부 강체전차선을 대상으로 한 안정적 세척을 가능하게 한다.

3.4 고압 세척 모듈

고압 세척 모듈은 고압수를 사용하여 그림 3과 같이 전차선 자동세척시스템으로 애자와 전차선 상부에 고착된 금속성 오손을 물리적으로 제거한다. 각각의 세척 노즐은 전차선 편위를 따라 일정한 거리를 유지하며, 약 200~250 bar급의 고압수를 분사하여 오손을 씻어낸다. 세척액으로는 물을 사용하며, 실증 시험에서는 시간당 약 2,300 L의 세척수를 사용하여 5.1 km 구간을 세척하였다. 이는 단위길이당 약 0.45 L/m에 해당하는 세척수 사용량으로, 고압 분사를 통해 제한된 수량으로도 고착 오손을 제거하도록 설계된 결과이다. 노즐은 애자와 T-bar 형상에 맞추어 분사 각도와 형상을 미세 조정할 수 있도록 설계되었으며, 세척의 균일도와 세척력 향상을 위해 노즐 형상을 반복 개선하였다. 고압 분사 방식은 애자뿐 아니라 강체전차선 상부에 적치된 분진 제거에도 효과적이어서, 터널 상부 구조물의 오염물질을 함께 제거하는 부수적 효과를 갖는다.

표 1 자동세척 시스템 모듈 구성 및 주요 사양

Table 1 Module configuration and main specifications of the automated cleaning system

모듈 기능 주요 사양·구성
위치 검지·추종 전차선 편위·높이 추종, 건넘선 검지 위치추종 센서, 높이제어 스위치, 건넘선(Ex) 통과 감지 센서
능동 압상력 제어 세척 헤드 압상력 일정 유지 압상력 피드백 기반 상하 위치 능동 조절
고압 세척 애자·전차선 상부 오손 제거 고압수 약 200~250 bar급, 세척수 약 2,300 L/h
압축공기 건조 세척 후 잔류 수분 제거 압축공기 분사, 2단계(장치+자연) 건조
오염수 회수·정수 오염수 집수·여과 약 1.5 t 회수, 1 μm 정화 필터
원격 모니터링·제어 무인 운용·안전 상부·전후방 카메라, 비상 정지 기능
세척 전용 대차 모듈 통합·주행 총 하중 약 9 t, 최고속도 60 km/h, 제동력 약 70%, 탈선 복구

그림 2 세척 헤드 구성 및 센서 배치: (a) 세척 장치 3차원 형상 (b) 센서 배치(평 면) (c) 센서 배치(측면) (d) 대차 상부 세척 장치 설치 상태

Fig. 2 Configuration of the cleaning head and sensor arrangement: (a) 3D view of the cleaning unit, (b) sensor arrangement (plan view), (c) sensor arrangement (side view), (d) cleaning unit installed on the trailer

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3.5 세척 후 건조 시스템

고압 세척 후 애자 표면에 잔류하는 수분은 오손 재부착과 절연 저하를 유발할 수 있으므로, 세척 모듈 후방에 압축공기를 이용한 건조 시스템을 배치하였다. 건조 노즐이 설계된 이격 거리에서 세척된 애자 표면에 압축공기를 분사하여 잔류 수분을 제거하며, 세척과 건조가 하나의 편성 이동 과정에서 연속적으로 이루어진다. 건조 시스템은 세척 직후 잔류 수분을 1차적으로 감소시키고, 이후 터널 내 대기 조건에서 잔여 수분이 자연 건조되도록 하는 2단계 건조 개념으로 설계되었다. 건조 성능은 세척 후 흡수제를 이용해 애자 표면 잔류 수분의 질량을 측정하는 방식으로 검증하였으며, 그 정량 결과는 5.2절에 제시하였다.

그림 3 고압 세척 계통도

Fig. 3 Piping diagram of the high-pressure cleaning system

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3.6 오염수 회수 및 정수

세척에 사용된 물은 제거된 오손과 함께 오염수가 되며, 이를 방치하면 터널 하부와 주행로로 비산·유출되어 2차 오염을 유발할 수 있다. 본 시스템은 세척 대차에 오염수를 수집·저장하는 약 1.5 t 규모의 회수부와, 회수된 오염수를 1 μm 정화 필터로 여과하는 정수부를 구비하였다. 지하 터널 강체전차선 상부 및 애자표면에는 세척 전 기준으로 단위길이당 약 11.7 g/m 수준의 적치먼지가 존재하므로, 세척 시 발생하는 고농도 오염수를 대차 내부에서 집수·여과하여 터널 환경으로의 유출을 억제하도록 설계하였다. 이로써 제거된 오손이 재비산·재퇴적되는 것을 방지하고, 세척 작업의 환경 영향을 저감하였다.

3.7 원격 모니터링·제어 시스템

무인화의 목적은 인력 절감 자체보다 세척 품질과 작업 안전을 동시에 확보하는 데 있다. 종래 인력 세척은 작업자가 모터카 상부에 탑승해 육안으로 대상을 확인하며 조작하므로 세척 균일성이 작업자 숙련도에 좌우되고, 터널 상부에서의 고소 작업에 따른 안전 위험이 상존한다. 이를 해소하기 위해 상부 세척부와 전·후방을 감시하는 카메라 영상을 관제부로 전송하여, 작업자가 대차 상부에 상시 탑승하지 않고도 세척 상태와 주변 상황을 원격으로 확인·제어하도록 하였다. 아울러 터널 내 돌발 상황에 대응하기 위한 비상 정지 기능을 두어, 원격 운용 중에도 즉각적인 안전 조치가 가능하도록 하였다. 원격 감시·제어는 앞서의 추종·압상력 제어가 산출하는 세척 상태를 사람이 확인·개입할 수 있는 통로를 제공한다는 점에서, 자동 제어와 인적 감독을 잇는 요소로 기능한다.

그림 4 세척 전용 대차 개념도

Fig. 4 Conceptual diagram of the dedicated cleaning trailer

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3.8 세척 전용차량 제작

자동세척 모듈을 지하 영업선에서 운용하려면, 모듈을 탑재하는 차량 자체가 영업선 주행에 요구되는 안전 조건을 충족해야 한다. 이 요구는 서로 상충하는 두 제약, 즉 모터카 견인을 위한 경량화와 영업선 주행을 위한 안전 성능 사이의 균형으로 귀결된다. 전용 대차는 세척·건조·회수 모듈과 약 1.5 t의 세척수 처리 용량을 수용하면서도 총 하중을 약 9 t(설계 목표 10 t 이하)으로 억제하도록 경량 설계되었으며, 영업선 주행 안전을 위해 최고속도 60 km/h 기준의 제동장치(제동력 약 70% 효율)와 탈선 복구 장치를 갖추었다. 세척·건조·회수 모듈은 차체 상·하부로 구획하여 세척 동선과 오염수 처리 계통을 분리하였다. 요컨대 전용 대차는 그 자체가 본 연구의 핵심 기여라기보다, 앞서 기술한 세척 기능을 지하 영업선이라는 실제 환경에서 검증할 수 있게 하는 운용 플랫폼으로서 설계되었다.(그림 4)

4. 세척 성능 검증 방법

4.1 실증 환경

개발 시스템의 세척 성능을 검증하기 위해, 서울교통공사의 지하 영업선 구간에서 실증 시험을 수행하였다. 세척 전용 대차를 모터카에 연결한 2량 1편성으로 지하 터널 구간을 주행하며 강체전차선 애자를 세척하고, 세척 전후의 오손 상태를 정량적으로 비교하였다. 실증 시험은 운영기관 관계자의 입회하에 수행되었다.

4.2 오염도 정량분석 방법

세척 성능은 세척 전후 적치 오손의 질량과 성분을 정량 비교하여 평가하였다. 적치 오손의 절대적 기준을 규정할 표준이 없으므로, 운영기관 담당자 입회하에 세척 전 일정 구간(약 1 m)의 2개소에서 포집한 오손의 총량을 기준(100%)으로 삼고, 세척 후 인접 구간의 동일 지점 2개소에서 동일한 방법으로 오손을 포집하여 제거율을 산정하는 상대 비교 방식을 채택하였다. 포집 구간은 지지 애자를 중심으로 좌우 각 500 mm, 즉 강체전차선(T-bar)과 지지 애자를 포함하는 1 m 구간으로 정의하였다. 오손 포집에는 브러시와 물(약 5 L)이 사용되었으며, 포집된 오염수는 외부 공인시험기관에 의뢰하여 분석하였다.

공인시험기관에서는 포집된 오염수를 건조 오븐으로 건조하여 오손의 질량을 측정하고, 성분 분석은 유도결합플라즈마 발광분광분석법(ICP-OES)으로 수행하였다. 시료 전처리는 US EPA 3052 방법을 적용하였으며, 성분별 검출한계(MDL)는 1.0~5.0 mg/kg 수준이었다. 성분 분석 결과는 시험성적서에 mg/kg 단위로 보고되었으며, 표 3에는 이를 조성비로 환산하여 제시하였다(10,000 mg/kg = 1 wt%). 이를 통해 세척 전후 오손의 총질량(표 2)과 주요 금속 성분(Fe, Si, Ca, Cu, Al 등)의 성분 조성비 변화(표 3)를 정량적으로 확인하였다.

4.3 세척거리·건조 성능 평가 방법

세척 작업 효율은 실증 시험에서 단위 시간당 세척 가능한 주행 거리로 평가하였으며, 운영기관 입회 확인 하에 측정하였다. 세척 후 건조 성능은 애자 표면의 잔류 수분을 흡수제로 포집한 뒤, 흡수 전후 흡수제의 질량 차이를 정밀 저울(분해능 0.01 g)로 측정하여 정량화하였다. 시험은 실증 대상 노선(서울교통공사 7호선)의 지하 터널 대기 조건(평균 온도 19.5 ℃, 평균 상대습도 64.5% R.H.)을 항온항습 챔버로 모사한 상태에서 3회 반복 수행하였으며, (i) 세척 직후, (ii) 압축공기 건조 장치 통과 직후, (iii) 터널 대기 조건 2시간 경과 후의 세 단계에서 잔류 수분 질량을 측정하였다. 표 4에 제시한 값은 3회 측정의 범위이다.

5. 결과 및 고찰

5.1 오손 제거율

서울교통공사 지하 영업선 구간의 실증 시험 결과(표 2, 그림 5), 세척 전 적치먼지의 단위길이당(지지 애자를 포함한 강체전차선 1 m 구간 기준) 평균 질량은 11.7 g/m였으며, 세척 후 0.527 g/m로 감소하여 질량 기준 평균 약 95.5%의 오손 제거율을 나타냈다. 성분 분석 결과에서도 세척 전 오손의 주성분이었던 철(Fe)을 비롯한 금속 성분이 세척 후 현저히 감소(표 3)하여, 도전성 오손층이 효과적으로 제거되었음을 확인하였다. 표 3은 포집 시료 내 성분의 조성비(wt%)를 나타낸 것으로, 총질량을 제시한 표 2와는 산정 기준이 다르다. 두 표는 동일한 시료에 대한 분석 결과이며, 성분별 절대 질량은 표 2의 총질량에 표 3의 조성비를 곱하여 환산할 수 있다. 이러한 높은 제거율은 3장에서 기술한 편위·높이 자동 추종과 능동 압상력 제어의 결합에 기인한 것으로 판단된다. 세척 헤드가 편위가 변하는 구간에서도 전차선·애자를 벗어나지 않고 세척을 수행함으로써, 고착된 금속성 오손을 균일하게 제거할 수 있었던 것으로 보인다.

그림 5 세척 전/후 사진

Fig. 5 Photographs of the insulator before and after cleaning

../../Resources/kiee/KIEE.2026.75.9.2254/fig5.png

표 2 세척 전/후 적치 오손 질량 및 제거율(각 2개 지점 측정)

Table 2 Mass of accumulated contamination and removal rate before and after cleaning (two measurement points each)

구분 측정 구간 질량 (g/m) 평균 (g/m) 제거율
세척 전 1 m 10.5 11.7 약 95.5%
12.9
세척 후 0.511 0.527
0.542

표 3 세척 전/후 적치 오손의 성분 조성(각 2개 지점 측정, 소수점 둘째자리까지 표기)

Table 3 Elemental composition of accumulated contamination before and after cleaning (two measurement points each, rounded to two decimal places)

구분 세척 전/후 성분 조성 (wt%)
Fe Cu Si Ca Al Ti Mg Mn Ba Zn 기타
세척 전 23 6.10 0.10 2.90 1.50 0.07 0.29 0.19 44 3.00 18.85
24 6.60 0.84 2.20 1.70 0.09 0.30 0.29 49 2.60 12.30
세척 후 0.28 0.01 0.01 0.16 0.05 - 0.22 0.25 0.09 0.11 -
0.15 0.02 0.02 0.08 0.29 - 0.22 0.13 0.07 0.14 -

※ ICP-OES, 전처리 US EPA 3052

5.2 세척 후 건조 성능

세척 후 건조 성능은 서울교통공사 7호선 지하 터널 대기 조건(평균 온도 19.5 ℃, 평균 상대습도 64.5% R.H.)을 모사한 환경에서, 애자 표면 잔류 수분을 흡수제로 포집·질량 측정하여 3회 반복 검증하였다. 세척 직후 애자 표면의 잔류 수분은 회당 약 45~47 g 수준이었으며, 압축공기 건조 장치를 통과한 직후에는 약 15~18 g으로 감소하여 건조 장치 자체에 의한 1차 제거율이 약 65%로 나타났다. 이후 터널 대기 조건에서 2시간이 경과한 시점의 잔류 수분은 약 0.3~0.4 g으로 감소하여, 세척 후 2시간 이내에 약 99% 수준의 건조 상태에 도달하였다(표 4). 이는 세척 후 잔류 수분으로 인한 오손 재부착과 절연 저하 우려를 실용적 수준에서 해소할 수 있음을 의미한다. 세척과 1차 건조를 하나의 편성 이동 과정에서 연속 수행하고 잔여 수분은 터널 자연 건조에 의존하는 2단계 건조 전략을 통해, 별도의 장시간 건조 대기 없이 세척 작업을 완결할 수 있었다.

표 4 세척 후 건조 단계별 애자 표면 잔류 수분 질량

Table 4 Residual moisture mass on the insulator surface at each drying stage

단계 잔류 수분 질량 누적 제거율
세척 직후 약 45~47 g
건조 장치 통과 직후 약 15~18 g 약 65%
터널 대기 2시간 후 약 0.3~0.4 g 약 99%

5.3 인력 세척 대비 유지보수 효율성 정량 분석

자동세척 시스템 도입의 유지보수 효율성을 정량적으로 평가하기 위해, 실증 데이터를 바탕으로 기존 인력 세척과 비교하였다(표 5). 세척 처리 속도 측면에서 인력 세척은 현장 기준 약 1~2 km/일 수준인 반면, 자동세척 편성은 시간당 약 5.1 km를 처리하였다. 이를 동일 세척 연장(122 km 기준)으로 환산하면 인력 세척은 약 150일이 소요되는 데 비해 자동세척은 약 50일로 단축되어, 소요 기간이 약 1/3 수준으로 감소한다. 운영기관 산정 기준의 유지보수 비용 역시 인력 세척 대비 약 42% 절감되는 것으로 추정되었다. 표 5의 소요 기간과 비용은 실증 대상 운영기관인 서울교통공사가 세척 연장 122 km를 기준으로 자체 산정한 추정치이다.

표 5 인력 세척 대비 자동세척 시스템 유지보수 효율성 분석

Table 5 Maintenance efficiency of the automated cleaning system compared with manual cleaning

구분 인력 세척 자동세척 시스템
세척 처리 속도 약 1~2 km/일 약 5.1 km/h
소요 기간 (122 km 기준) 약 150일 약 50일 (약 1/3)
유지보수 비용 (122 km 기준) 약 3.17억 원 약 1.85억 원 (약 42% 절감)
세척수 사용 약 2,300 L/h (약 0.45 L/m)
작업 방식·안전 고소 탑승·수동 조작 무인·원격 제어

또한 자동세척은 시간당 약 2,300 L(단위길이당 약 0.45 L/m)의 제한된 세척수로 고착 오손을 제거하며, 무인·원격 제어로 수행되어 작업자의 고소 탑승과 수동 조작을 최소화한다. 이러한 결과는 자동세척 시스템이 처리 속도·소요 기간·작업 안전성의 세 측면에서 인력 세척을 정량적으로 대체·개선할 수 있음을 보여준다. 다만 표 5의 비용 항목은 운영기관의 산정 추정치이므로, 향후 다수 노선·다년 운용 데이터를 통한 생애주기 비용(LCC) 관점의 정밀 분석을 통해 보다 정밀한 효용성 분석이 가능할 것으로 판단한다.

5.4 종합 고찰

본 연구에서 개발한 자동세척 시스템은 지하 터널 상부에 위치한 강체전차선 애자를, 편위·높이를 자동 추종하면서 일정한 압상력으로 무인 세척할 수 있음을 실증하였다. 세척 결과 애자 표면의 도전성 금속 오손층이 95.5% 수준으로 제거되어, 도전성 오손의 물리적 제거 측면에서 유의미한 결과를 확인하였다. 특히 오손의 주성분이 전차선 아크 방전에서 기인하는 구리와 마모에서 기인하는 철 등 도전성 금속이라는 점을 고려하면, 이들 성분의 제거는 강체전차선 계통의 절연 관리 측면에서 의미를 갖는다.

절연 관점에서 이 결과의 의미는 오손층의 조성과 연관지어 해석할 수 있다. 애자 표면 오손층은 철(약 43.5 wt%)·구리 등 도전성 금속이 큰 비중을 차지하므로, 오손층이 두꺼워질수록 표면 도전 경로가 형성되어 표면저항이 감소하고, 습윤 조건에서는 누설전류 증가와 섬락으로 이어질 수 있다. 따라서 도전성 오손을 물리적으로 제거하는 것은 절연성능을 유지하기 위한 예방정비의 전제 조건에 해당한다. 다만 애자 표면의 도전 특성은 잔류 오손층이 연속된 도전 경로를 형성하는지 여부와 표면 습윤 상태에 좌우되므로 오손의 총질량과 단조 관계에 있지 않으며, 본 연구에서는 세척 전후의 절연저항이나 표면 누설전류를 직접 측정하지 않았다. 따라서 본 결과는 절연 회복량을 정량적으로 제시하는 것이 아니라, 도전성 오손층을 질량 기준 약 95.5% 제거할 수 있음을 실증한 것으로 한정하여 해석되어야 한다.

또한 본 시스템은 애자뿐 아니라 강체전차선 상부에 적치된 분진까지 제거하므로, 재비산 오염원을 물리적으로 저감하여 터널 공기질 개선에도 부수적으로 기여할 수 있다. 지하 터널 미세먼지의 상당 부분이 운행에 수반된 마모·아크 방전에서 발생하여 상부 구조물에 적치·재비산됨을 고려하면, 상부 오손의 주기적 제거는 유지보수와 공기질 관리를 연계하는 접근으로 확장될 여지가 있다.

세척 주기 설계 관점에서도 본 결과는 시사점을 제공한다. 오손은 입자의 침강·재비산에 의해 시간에 따라 재축적되므로, 애자 표면의 오손 상태를 일정 수준 이하로 유지하려면 오손 재축적 속도에 맞춘 세척 주기 설정이 필요하다. 본 시스템은 인력 세척 대비 처리 속도가 높아(표 5) 동일 주기 내 더 넓은 구간을 세척하거나 세척 주기를 단축할 수 있으므로, 오손이 임계 수준에 도달하기 전에 선제적으로 제거하는 예방적 유지보수 전략에 유리하다. 다만 최적 세척 주기를 정량적으로 결정하려면 노선별 오손 재축적 속도와 그에 따른 절연 특성 변화에 대한 추가 데이터가 필요하다.

한편 본 연구의 제거율은 세척으로 해당 지점의 오손이 제거되는 특성상 세척 전후 인접 구간의 상대 비교로 산정되었으며, 적치 오손의 공간적 편차가 결과에 일부 영향을 줄 수 있다. 향후 다수 구간에 걸친 반복 세척 데이터가 축적되면, 노선별 오손 재축적 속도에 맞춘 최적 세척 주기 설계로 확장될 수 있을 것이다.

6. 결 론

본 연구에서는 지하 터널 구간 강체전차선(T-bar) 애자를 무인·자동으로 세척하는 시스템을 개발하고, 서울교통공사 지하 영업선 구간에서 실증하여 세척 성능을 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

첫째, 지하 터널 미세먼지의 발생원과 성분 분석으로부터, 강체전차선 애자 오손층이 철·구리 등 도전성 금속을 다량 포함하여 절연성능 저하를 유발할 수 있음을 확인하고, 이로부터 편위·높이 추종, 능동 압상력 제어, 고압 세척, 건조, 오염수 회수, 원격 제어를 포함하는 세척 시스템의 설계 요구조건을 도출하였다.

둘째, 상부 강체전차선의 좌우 편위와 높이를 실시간으로 추종하고, 세척 헤드의 압상력을 일정하게 유지하는 능동 압상력 제어를 결합한 무인 자동세척 시스템을 설계·구현하였다.

셋째, 실증 시험에서 세척 전후 적치먼지의 단위길이당 질량이 11.7 g/m에서 0.527 g/m로 감소하여 평균 약 95.5%의 오손 제거율이 확인되었으며, 세척 후 2시간 이내 약 99%의 건조 상태에 도달하였다. 시간당 약 5.1 km의 세척 속도는 인력 세척 대비 처리 효율의 개선 가능성을 정량적으로 뒷받침한다.

본 연구는 지하 터널 상부 강체전차선을 대상으로 편위 추종과 능동 압상력 제어를 결합한 무인 세척을 실증한 것으로, 애자 오손의 물리적 제거와 터널 공기질 개선에 기여할 수 있다. 다만 본 연구에서는 절연저항, 표면 누설전류 등 전기적 특성을 직접 측정하지 않았으므로, 세척에 따른 절연성능 회복 효과의 정량적 검증은 후속 연구가 필요하다. 향후 다수 구간에 대한 반복 실증과 세척 주기별 절연 특성의 정량적 측정을 통해 세척의 절연 개선 효과를 직접적으로 검증하고, R-bar 등 타 형식의 강체전차선 및 제3궤조로 적용 대상을 확장하는 연구가 필요하다.

Acknowledgements

This research was supported by a grant from R&D Program (A study on Enhancement of Pantograph - OCS Dynamic Interaction Measurement Technology, PK26025A0) of the Korea Railroad Research Institute.

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저자소개

박철민 (Chulmin Park)
../../Resources/kiee/KIEE.2026.75.9.2254/au1.png

He received a Ph.D. degree from Transportation Systems Engineering at Korea National University of Transportation in 2016. He is currently a principal researcher with the Electrical & Signaling Division, Korea Railroad Research Institute, Uiwang, South Korea. His research interests are OCS maintenance and monitoring system.

이기원 (Kiwon Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2026.75.9.2254/au2.png

He received a Ph.D. degree from mechanical engineering at Sungkyunkwan University in 2009. He is currently a chief researcher with the Electrical & Signaling Division, Korea Railroad Research Institute, Uiwang, South Korea. His research interests are OCS design/maintenance and pantograph system.

손상진 (Sangjin Son)
../../Resources/kiee/KIEE.2026.75.9.2254/au3.png

He received his degree in mechanical engineering and has been working at Myeong-sung Rollingstock & Plant Co., Ltd. His research interests include the design and manufacture of railway rolling stock and maintenance equipment for electric railway systems.

김용석 (Yongseok Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2026.75.9.2254/au4.png

He received a Ph.D. degree from mechanical engineering at Sungkyunkwan University in 2015. He is currently a senior researcher with the Electrical & Signaling Division, Korea Railroad Research Institute, Uiwang, South Korea. His research interests are OCS design/maintenance and pantograph system.