TGV/최고속도 실험

< TGV

1 1차 최고속도 실험(1981년)

1981년, 최초의 상업운행용 TGV 차량이었던 TGV 쉬드-이스트를 이용해 초속 100m(시속 360km) 주행을 목표로 하는 TGV 100이라는 이름의 실험이 진행되었다. 이 시험은 LGV 쉬드-이스트 노선 운행 개시 직전 TGV 쉬드-이스트 16번 열차를 이용해 진행되었으며, 시속 380km로 목표를 초과 달성하였다.

2 2차 최고속도 실험(1990년)

이 실험부터 프랑스가 본격적으로 약을 빨기 시작한다.

2.1 개요

프랑스에서는 1989년 11월부터 1990년 5월에 걸쳐 TGV 117과 TGV 140[1]이라 명명된 프로젝트를 진행하기 시작하였으며, 결과적으로 1990년 5월 18일 515.3km/h(143.1m/s)의 속도를 기록한다.

실험을 위해서 먼저 TGV #325 열차는 #308열차에 의해 타력회송[2]되어 실험 구간까지 이동하였다. 실험은 영엽 운행 직전의 TGV 대서양선에서 진행되었으며, TGV 대서양선은 호남고속선[3]과 같이 건설 당시부터 초고속 주행 실험을 위한 구간을 여러 곳 마련했기 때문에 선로와 전차선에 별다른 큰 조작은 가해지지 않았다. 사실 차량에 가해진 조작을 생각하면 선로와 전차선에 조작이 가해지지 않은 게 신기할 정도다.

1990년 최고속도 실험은 기존 TGV의 한계를 극복하고 초고속 주행에서의 유체역학적, 전기적 특성 등 물리적 특성과, 레일 및 전차선에 대한 점착력, 제동력 등 각종 특성을 정확히 계측하여 장기적으로는 TGV의 영업 운행 속도의 증속을 목표로 하였다. 때문에 차량은 증속을 위한 조작 외에는 가능한 한 TGV 대서양선 운행용 차량을 그대로 사용하는 것을 기본으로 하였다.[4]

실험에는 TGV #325열차가 사용되었고, 실험 이후에는 다시 원래의 모습으로 개조되어 영업 운행에 투입되었다. 현재 TGV #325열차는 전두부의 파란 줄무늬와 최고속도 달성을 기념하기 위한 측면의 구리 패찰 외에는 다른 열차와 외형상, 스펙상 차이는 없다.

2.2 실험 구간

실험은 TGV 대서양선의 기점으로부터 114km 지점인 Dangeau동대구에서 시작하여, Courtalain을 지나 160km지점에서 Vendôme역을 통과해, 166km지점부터 2.5%의 급한 내리막길을 통과하는 구간에서 진행되었다. 내리막길 구간 위에 있던 한 다리는 전체 구간 중 가장 빠른 속도가 나올 것으로 예상된 구간이었기 때문에 많은 취재진들이 몰려들었다.

2.3 선로

선로는 다른 모든 TGV 운행 구간과 같이(!) 계획된 노선에서 1mm 이하로만 벗어나도록 조절되었으며, 자갈 도상에서는 미리 작은 조각들이 제거되었다. 건설 노동자들이 갈려나가는 소리가 들린다. 또한 선로에는 일정 간격으로 선로에 가해지는 힘을 측정하기 위한 기구가 설치되었고, 팽창 대비 선로 틈새[5][6]에는 특히 집중적으로 모니터링 장치가 배치되었다. 1955년에 BB9004 기관차를 이용해 프랑스에서 진행되었던 331km/h 달성 실험 당시 선로가 심각하게 뒤틀리고 손상되었으며, 팬터그래프가 녹아내렸던[7] 것과는 달리 이 실험에서는 시속 500km가 넘는 운행 실험 이후에도 선로는 거의 영향을 받지 않았으며 미세한 위치 조정만 다시 이루어졌다.

2.4 전차선

전차선은 다른 TGV 구간의 것과 완전히 동일한 현수식 전차선이 그대로 사용되었으며, 열차의 속도가 전차선의 진동수와 일치하여 진동이 증폭되는 것을 막기 위해 장력만이 조절되었다. 사실 전차선의 고유 진동수는 장력이 아니라 전차선의 중량에도 영향을 받기 때문에 SNCF에선 구리 전차선을 모조리 카드뮴 합금으로 교체해 버릴 생각을 했으나(...) 그 만큼의 돈지랄은 버틸 수가 없었는지 결국 장력만 기존의 20kN에서 최대 32kN으로 올렸다.[8] 또한 전차선에 공급되는 전압도 기존의 25kV에서 29.5kV까지 올려 같은 전류(A)에서 더 많은 전력을 열차에 공급할 수 있도록 했다.

또한 166km 지점부터는 전철주에 센서를 부착해 전차선의 위치를 측정하도록 하였으며, 1990년 5월 18일 실험에서 515.3km/h로 주행 중 측정 결과 전차선은 컴퓨터 시뮬레이션으로 예상된 1~2cm와는 달리 최대 30cm나 들렸다고 한다. 이 상태에서 전차선의 파동 진행 속도는 532km/h로 조금만 빨리 달렸으면 진동이 훨씬 크게 증폭되어 전차선이 끊기거나 제 자리에서 이탈되어 누전이 일어나는 등 초대형 사고로 이어질 수 있는 상황이었다.

2.5 열차(TGV 117 실험용)

TGV 대서양선용 차량은 원래 2대의 기관차 사이에 10대의 객차가 있는 형태였지만, 객차 6대는 제거되어 전체 편성 중량은 490톤에서 300톤까지 줄어들었다. TGV 대서양선 차량은 이미 유체역학적으로 더는 개선시킬 수 없는 수준으로 뛰어났기 때문에(...) 기술진들은 하나의 팬터그래프만 남기고 모든 팬터그래프를 떼어버리는 짓까지 행한다(...) 때문에 선두 기관차는 후미의 기관차로부터 지붕의 전력선을 통해 먹이 전원을 공급받도록 하였다. 그리고 객차 사이의 틈새는 모조리 고무막으로 덮어씌워 공기 저항을 줄였다. 사실 F-1 차량과 같이 다운포스를 증가시켜 레일과의 점착력을 향상시키기 위해 스포일러(...)를 장착하는 방안까지도 검토되었으나 다행히 실현되지는 않았다.

TGV 대서양선 차량의 동기전동기는 인버터의 스위칭 속도의 한계로[9] 실험에서 목표로 하는 고속으로 회전할 수 없었기 때문에 기술진들은 대신 기어비를 조정하고 920mm 지름의 기관차 차륜을 1050mm 지름의 차륜으로 교체하였다. 인버터의 사이리스터를 포함한 제어 장치에 쓰이는 전자 부품은 미리 충분한 성능이 보장된 제품이 선정되었고, 주변압기는 정상 출력의 2배 이상을 오버클럭 감당할 수 있는 제품으로 교체되었다. 전자 제어 시스템은 장착 전 극한까지의 부하를 가하는 실험이 진행되었고, 온도가 정상 범위로 유지되는 것을 확인하였다.

베어링에는 별다른 조작이 가해지지 않았으나, 요댐퍼는 원래 장착된 것을 2배로 늘려 각 대차의 한 방향(왼쪽과 오른쪽)마다 4개가 장착되어 고속 주행시의 사행동을 줄일 수 있도록 하였다.

5월 18일의 실험에서 전차선이 원래 위치에서 30cm까지 벗어나는 것을 관찰한 기술진은 이 현상을 전차선의 개선만으로는 막을 수 없다고 생각해 팬터그래프에도 마개조가 거행되었다. 팬터그래프는 습판을 지탱하는 공기 댐퍼의 압력을 높여 양력[10][11]의 영향을 줄였다.

객차의 경우 공기 스프링의 압력을 조절해 높이를 20mm가량 높여 차륜의 교체로 인해 높아진 기관차와 높이가 맞도록 하였다. 또한 객차의 디스크 브레이크는 열 발산 성능을 기존의 18MJ에서 24MJ로 크게 올렸다. 이러한 모든 개조는 TGV 쉬드-이스트 #88열차에서 미리 시험되였으며, 시험 당시 관찰된 객차의 불안정한 떨림을 줄이기 위해 기술진은 연접대차의 요댐퍼에 변화를 주고자 하였으나 끝내 떨림을 잡는 것은 실패하였다.

마지막으로 첫 번째 객차는 검측실이라 하여 내부 좌석을 모조리 걷어내고 차량의 온갖 센서에서 수집된 정보를 처리하기 위한 장치들로 채워 하나의 실험실처럼 만들었다. 이러한 모든 개조에는 총 4500여 시간이 소요되었다.

1989년 11월 30일, TGV 대서양선 #308열차는 직류 장치의 제거로 인해 고자 TGV 대서양선까지 자력주행하지 못하는 #325열차를 시험선까지 옮겼다.

2.6 TGV 117 실험

TGV 117 실험은 1989년 11월 30일에서 다음 해 2월 1일까지 진행되었다. 최초의 수 차례 시험 주행 후 팬터그래프의 높이가 적절하게 조절되었고, 마침내 1989년 12월 5일에 최고속도 기록인 482.4km/h가 수립되었다. 이후 추가적인 실험이 계속 진행되었고, 두 열차를 마주오는 방향으로 합계 777.7km/h로 교행시키는 실험까지 진행되었다. 많은 실험 이후 들뜬 고속 주행에서 TGV의 안정성을 확인한 프랑스는 이후 속도를 더욱 올려 시속 500km/h를 달성시킬 원대한 꿈을 세운다.

2.7 열차 (TGV 140 실험용)

1990년 2월 1일 TGV 117실험을 성공적으로 마친 TGV #325열차는 다시 #308열차에 의해 납치 견인되어 차량기지까지 끌려온다. 기술진은 3월 1일까지 TGV 140 실험을 위한 열차 개조를 마쳐야 했다. 공돌이 살려! 우선 기관차에서 대차가 분리되었고, 차륜은 TGV 117 실험보다도 큰 1090mm크기의 제품으로 다시 교체되어 2월 22일EE 다시 조립되었다. 하지만 커진 차륜으로 인해 답면 제동 장치의 브레이크 슈(패드)는 작아질수밖에 없었고, 비상 제동을 2회 체결하고 나면 못 쓰는 상태까지 갔다.

또한 제거할 수 있는 한계인 6번째 객차까지 제거되어 전체 편성 중량은 250톤까지 줄어들었고, 공기 저항을 줄이기 위해 열차 지붕 위에 설치된 열차간 고압 급전선도 단선으로 교체되었다. 객차 사이에는 다시 고무막이 설치되었고, 차륜이 더욱 커진 만큼 객차와 기관차의 높이 차이를 보상하기 위해 객차의 공기 스프링은 정상보다 40mm정도 높게 조절되었다. 또한 기관차와 객차 사이 연결기 부분에는 공기 차단벽이 설치되어 첫 번째 실험에서 강한 저항을 일으키는 원인이었던 연결 부위에서의 난류가 형성되는 것을 원천 봉쇄하였다. 또한 후미 기관차는 선두부에 스포일러가 드디어 설치되었다. 결과적으로 전체 공기 저항은 10%정도 줄어들어, 기존에 460km/h정도로 달리면 총 9000kgf의 공기 저항력이 열차에 가해졌지만 추가 개조 후에는 500km/h로 달려야 공기 저항력이 비로소 9000kgf에 달하게 되었다.

1990년 2월 27일 마개조가 완료된 #325열차는 다시 시험선으로 옮겨졌다.

2.8 TGV 140 실험

TGV 140실험은 1990년 3월 5일에서 1990년 5월 18일까지 진행되었다. 하지만 최초의 고속 실험에서 후미 기관차의 주변압기의 오작동으로 수많은 저전압용 회로 및 제어 장치들이 모조리 파손되어 #325열차는 다시 약 1개월간의 정비에 들어갔다. #325열차는 5월 4일에서야 다시 실험에 들어갔고 당일 1989년 12월 5일에 세웠던 종전의 속도 기록을 갱신하였다. 이후 1990년 5월 9일 506.5km/h와 510.6km/h로 500km/h의 벽을 돌파하였다. 하지만 이후 팬터그래프와 전차선의 접촉불량 문제가 다시 발생해 다음 실험이 지연되었다. 문제가 해결된 이후 #325열차는 1990년 5월 18일 기자들을 태운 채 9시 51분 Dangeau를 출발하여 15분동안 가속해 166.8km지점의 내리막 끝에서 515.3km/h를 달성하는 데 성공한다. 실험 중 열차는 500km/h를 총 9회 돌파하였다.

3 3차 최고속도 실험(2007년)

3.1 개요

파일:Attachment/TGV-V150.jpg

현재의 TGV #4402열차. 위와 같은 랩핑으로 구분할 수 있다.

TGV #4402열차는 2007년 4월 3일 프랑스의 Le Chemin 부근에서 574.8km/h를 기록하였다. 3차 실험은 V150 운행(Operation V150) 이라고도 한다. 여기서도 150이라는 숫자는 m/s단위의 목표 속도를 의미한다. 실험은 LGV Est에서 2007년 1월 15일부터 동년 4월 15일까지 진행되었고, 결과적으로 4월 3일 191km지점에서 574.8km/h(159.6m/s)를 달성하였다.

3.2 선로

시험 주행은 LGV Est 중 특히 커브가 적은 서쪽 방향 선로의 264km지점부터 120km지점까지 약 140km구간에서 이루어졌다. 특히 195km에서 191km지점까지는 급한 내리막길이 있기 때문에 이 구간에서 최대 속도가 측정될 것으로 예상되었다. 해당 구간에서는 선로의 캔트를 높여 엄청난 고속 주행을 버틸 수 있도록 하였으며 전차선의 전압도 원래의 25kV에서 31kV[12]로 상향 조정되었다. 또한 전차선의 장력도 이전 실험과 같이 진동의 증폭을 막기 위해 25kN에서 40kN으로 상햠 조정되었고, 이에 따라 전차선의 진동이 증폭되는 속도[13]는 610km/h까지 올라갔다. 또한 이 실험에서도 선로와 자갈 도상에 일정 간격으로 부하, 소음, 공기저항을 측정하기 위한 각종 계측 기기들이 부착되었다. 그리고 속도가 500km/h를 넘길 것으로 예정되던 223km에서 167km까지의 구간은 완전히 통제되고 철저한 감시가 이루어졌다.

3.3 열차

2007년의 실험은 1990년 실험에 비해 열차에 몇 배는 더한 마개조가 행해졌다. 시험 주행에 쓰인 차량은 흔히 V150이라고 불리는 TGV 듀플렉스 차량인 TGV POS #4402열차로 원래 있던 객차 8개 중 5개를 제거하여 기관차-객차3개-기관차와 같은 편성을 만들었으며, 중간의 연접대차를 모두 AGV에서 쓰이는 동력대차로 바꾸었다. UIC식 차륜 배치 표기법으로는 Bo'Bo'+2'Bo'Bo'2'+Bo'Bo'. 때문에 이 열차는 1990년 실험에 사용된 #325열차에 비해 4개 많은 구동축을 가지고 있었으며, 전동기도 갓 개발되어 시험 단계에 있던 동기전동기를 탑재하여 출력은 일반적인 TGV POS열차의 9.3MW의 2배에 해당하는 19.6MW(26,800마력)으로 상향 조절되었다.[14] 이 실험에서는 경량 영구자석 유도전동기(PMIM, Permanent Magnet Induction Motor)와 능동 제어 팬터그래프 등 새로운 장비들이 여럿 시험되었다.

2007년 실험에서도 1990년 실험과 같이 선두 기관차에는 에어가이드를 탑재하고, 팬터그래프를 전부 덮었으며 기관차 및 객차 사이를 모조리 고무막으로 막아 공기 저항을 원래 열차에 비해 15%가량 줄였다. 또한 이번에도 전동기의 회전수 한계를 극복하기 위해 기존의 920mm 차륜은 1092mm의 제품으로 교체되었다. 열차에는 총 600여개의 센서가 구석구석 탑재되어 많은 데이터를 수집하도록 했다.

3.4 기록

파일:Attachment/800px-TGV World Speed Record 574 km per hour.jpg
사진 원 저작자(CCL-BY)
574km/h로 주행하는 #4402열차.


2007년 1월 15일부터 4월 15일까지 #4402열차는 500km/h 이상으로 주행한 구간이 총 728km였다. 모든 주행 이전에는 일반적인 8량 편성의 TGV POS #4404열차가 380km/h로 베타 테스트 미리 선로를 지나갔으며, 그 이후 #4402열차는 총 70km의 구간에서 계속 가속하여 최종적으로 시속 574.8km로 주행하는데 성공하였고, 이는 TV로 생중계되었다.
  1. ↑ 각 숫자는 m/s를 나타낸다
  2. ↑ #325열차는 경량화를 위해 1500V 직류용 부품이 모조리 적출(...)된 상태였기 때문에 직류 구간에서 자력 주행이 불가능했다.
  3. ↑ 익산에 HEMU-430X와 같은 초고속 열차를 시험하기 위한 34km의 시험선이 마련되어 있다.
  4. ↑ 사실 차량을 따로 제작하지만 않았을 뿐 새로 제작한 수준이다(...)
  5. ↑ 선로가 열팽창으로 휘어지는 것을 막기 위해 두 개의 레일을 대각선으로 겹쳐 만든 틈새로, 선로 전체에서 분기기 다음으로 빠르게 마모된다.
  6. ↑ [1]
  7. ↑ 비유하는 것이 아니라, 말 그대로 녹아 내렸다. 마찰열도 원인이 될수 있지만 전차선과 연결된 팬터그래프를 접거나 이선 발생시 아크현상이 일어나는데 이때 아크로 인해 팬터그래프 집전판이 녹는 경우가 생기기도 한다.
  8. ↑ HEMU-430X 역시 430km/h 달성 실험 당시 경부고속선 2단계 구간에서 전차선 장력만 32kN으로 조절하였다.
  9. ↑ 동기전동기는 구동을 위해 인버터가 적절한 진동수의 교류(빠른 속도일수록 높은 진동수)를 넣어줘야 하는데, 고속열차 등 대용량 장치는 GTO, 또는 IGBT의 베이스 부위의 캐패시턴스로 인해 빠른 스위칭이 어렵기 때문에 스위칭 속도에 한계가 존재한다.
  10. ↑ 고속 주행시 팬터그래프가 양력(...)을 받아 떠올랐다.
  11. ↑ HEMU-430X의 팬터그래프에는 에어포일이 붙어 있어 양력을 이용한다(!)
  12. ↑ 사실 웬만한 일반 철도에서도 기준 전압은 19.5~29kV이지만 변전소와 가까운 곳에서는 30kV정도의 전압이 나오기는 한다.
  13. ↑ 이 속도에 가까워지면 전차선을 통해 전해지는 파가 계속 누적되어 증폭되기 때문에 버틸 수가 없다! 정상적인 주행이 불가능하다.
  14. ↑ 객차가 제거된 만큼 말 그대로 사기 수준의 출력이다.