도카이도 신칸센, 회전형 주파수 변환 장치 전체를 정지형화

2037년까지 도카이도 신칸센의 주파수 변환 장치(FC)가 모두 정지형으로 바뀌게 됩니다. 일본의 전기는 동쪽은 50Hz, 서쪽은 60Hz인데 이에 맞춰 도쿄-후지카와 구간은 50Hz를 60Hz로 바꾸는 주파수 변환 장치가 설치되어 있습니다. 지금은 순간적인 대전류나 과부하에 대응하기 위해 회전형 FC를 일부 남기고 있었으나, 기술 개발의 성과에 따라 모든 FC를 고정형 FC로 전환합니다. 이를 통해 도카이도 신칸센은 에너지 절약과 유지보수 간소화를 실현합니다.

[자료사진] 츠나시마 주파수 변환 변전소 전경.
(c) Dr.yellow, CC-BY-SA 4.0 (link)

회전형 FC는 대형 모터와 발전기를 조합하여 주파수 변환을 합니다. 50Hz 모터를 이용해 60Hz 발전기를 돌리는 방식입니다. 도카이도 신칸센 개통 초기부터 사용되었습니다. 단락으로 인한 순간적인 대전류, 구간 내 열차가 너무 많이 들어와서 발생하는 과부하가 발생하더라도 전류 공급을 계속할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 가동시 에너지 손실이 크고 유지보수가 어렵습니다.

정지형 FC는 반도체를 이용하여 주파수 변환을 수행합니다. 50Hz 전기를 반도체를 이용해 직류로 바꾼 뒤, 반도체를 이용해 다시 60Hz 전기로 바꾸는방식입니다. 에너지 절약도 되고 유지보수도 쉽습니다. 하지만 대전류나 과부하가 발생하면 기기 보호를 위해 전력 공급이 자동으로 중지되는 특징이 있습니다.

따라서 순간적인 대전류나 과부하에 대응하기 위해 회전형 FC를 일부 남겨야 할 필요가 있었습니다. 2021년 기술 발전으로 니시사가미/츠나시마 변전소의 FC들을 연계하는 기술을 개발하였습니다. 따라서 2027년까지 니시사가미의 FC를 전부 다 정지형으로 바꿀 예정입니다. 그러나 여전히 회전형 FC는 있어야 했기에, 츠나시마 변전소에 회전형 FC를 남겨야 할 필요가 있었습니다.

참고: 도카이도 신칸센 니시사가미 주파수 변환 변전소의 정지형화 (2021년 6월)

 

하지만 회전형 FC를 모두 정지형 FC로 바꾸기 위한 기술 개발이 계속되었고, 이번에 고정형 FC만으로도 문제를 대응할 수 있는 두 가지 기술이 개발되었습니다.

첫 번째, 가선의 지락 등이 발생했을 때에도 전력 공급을 계속할 수 있도록 정지형 FC를 제어하여 해당 회선의 전압을 급격히 낮춰 전류를 억제하는 기술입니다. 송전선에 새집 등이 접촉할 수 있는데 이 경우 전류가 지면으로 크게 흘러가게 됩니다. 이 것을 '지락'이라고 부릅니다.

두 번째, 열차가 일정 구간에 집중 운행할 경우 발생할 수 있는 과부하를 사전에 예상하고, 과부하를 회피하기 위해 필요한 열차 가속 제한을 자동으로 계산하는 기술입니다. 이 두 기술 모두 세계 최초로 개발한 기술이며 특허 출원도 완료되었습니다.

이 기술 개발이 완료되면서 츠나시마에 남아 있는 회전형 FC 2기까지 전부 정지형 FC로 교체합니다. 2032년 말에 츠나시마의 제3호 FC를 정지형으로 교체 완료합니다. 2037년 말에는 츠나시마의 제2호 FC를 정지형으로 교체 완료하면서, 모든 FC의 정지형화를 완료합니다. 이를 통해 연간 4천만 kWh의 전기 사용량과 2만 톤의 이산화탄소 배출을 절감합니다. 또한 정지형 FC는 유지보수가 간단하여 노동 인구 감소에도 유지보수 체계를 유지할 수 있습니다. 이를 통해 연간 약 9.8억엔의 비용 절감도 기대됩니다.

 

출처: https://jr-central.co.jp/news/release/_pdf/000042735.pdf