헤드엔드 파워

Head-end power
미국 표준 헤드엔드 전력 연결 케이블이 장착된 MBTA 통근 레일 차량

철도 운송에서, 전기 열차 공급 (ETS)로도 알려진, 헤드엔드 동력 (HEP)은 여객 열차의 전력 분배 시스템이다. 일반적으로 전원은 열차의 앞쪽이나 '머리'에 있는 기관차(또는 발전기 자동차)로서 난방, 조명, 전기 및 기타 '호텔'의 필요성에 사용되는 전기를 제공한다. 해상 전력량은 호텔 전력이다. 1881년 10월 런던, 브라이튼, 남해안 철도의 성공적인[1] 운행 시도는 전 세계 경전철에 전기를 사용하는 시작을 알렸다.

역사

석유 램프는 1842년 경전철에 도입되었다.[2] 경제학은 1870년에 랭커셔와 요크셔 철도를 석탄 가스 조명으로 대체하도록 몰았지만, 열차에서 가스 실린더 폭발이 일어나 실험을 포기하게 만들었다.[2] 석유 가스 조명은 1870년 말에 도입되었다. 전기 조명은 1881년[1][2] 10월 32개의 퓨어 납산 충전용 셀의 언더링 배터리에 연결된 12개의 스완 탄소 필라멘트 백열등을 사용하여 재충전을 위해 제거되기 전에 약 6시간 조명에 적합하도록 하여 도입되었다.[1]

1881년 북영국철도는 후에 헤드엔드 파워라고 불렸던 개념인 열차 내 전기 조명을 제공하기 위해 형제단 증기 기관차에 발전기를 사용하여 전기를 성공적으로 발생시켰다. 증기 소비량이 많아 시스템을 포기하게 되었다. 1883년 런던, 브라이튼, 남해안 철도에 의해 세 대의 열차가 차축 중 하나에서 구동되는 발전기를 이용하여 기내에서 전기를 발생시켰다. 이는 가드 승합차에 납산 배터리를 충전했고, 가드는 장비를 작동시켜 유지했다. 그 시스템은 성공적으로 전동차에 전기 조명을 제공했다.[1]

1885년 프랑크푸르트 암 메인의 열차에서 모링형 발전기와 축전기를 이용한 전기 조명이 도입되었다. 다이너모는 18~42mph의 속도로 차축의 도르래와 벨트에 의해 구동되었고, 저속에서는 전력이 상실되었다.[3]

1887년 미국 플로리다스페셜과 시카고 리미티드 열차의 수하물차에[4] 실린 증기발생기가 전동차의 모든 자동차에 배선을 통해 전기조명을 공급해 다른 형태의 헤드엔드 파워를 도입했다.[5]

석유 가스 조명은 전기 조명에 비해 더 높은 빛의 세기를 제공했으며, 아이스길의 중부 철도에서 발생한 사고로 승객 사망자가 다수 발생한 1913년 9월까지 더 널리 사용되었다. 이 사고로 인해 철도는 열차 조명을 위한 전기를 도입하게 되었다.[1]

증기의 나머지 시대와 초기 디젤 시대에 걸쳐 승용차들은 기관차가 공급하는 저압 포화 증기에 의해 가열되었고, 자동차 조명과 환기를 위한 전기는 각 자동차의 액슬 구동 발전기가 충전한 배터리 또는 차체의 아래에 장착된 엔진 발전기 세트에서 유도되었다. 1930년대부터, 냉방 장치는 차축, 소형 전용 엔진 또는 프로판으로부터의 기계적 동력 이륙에 의해 제공되며, 이를 구동할 수 있는 에너지가 레일카에서 제공되었다.

그 결과 조명 전력, 증기 열 및 엔진 구동 에어컨의 개별 시스템은 부품 증식뿐만 아니라 유지관리 작업 부하를 증가시켰다. 헤드엔드 전력은 하나의 동력원이 전체 열차에 대해 모든 기능 및 그 이상을 처리할 수 있도록 한다.

증기시대에는 핀란드와 러시아의 모든 자동차들이 나무나 석탄연소 벽난로를 가지고 있었다. 이러한 해결책은 유럽의 대부분의 국가에서는 화재 위험으로 간주되었지만 러시아에서는 그렇지 않았다.

영국

원래 증기 기관차에 의해 운반되는 열차는 객차를 가열하기 위해 기관차로부터 증기를 공급받을 수 있었다.[1] 디젤 기관차와 전기 기관차가 증기를 대체하자 증기 가열기는 증기 열 보일러에 의해 공급되었다. 이것은 석유로 연소되거나(디젤 기관차에서), 또는 전기 원소에 의해 가열되었다(전기 기관차에서). 기름에 의한 증기 열 보일러는 신뢰할 수 없었다. 그들은 어떤 등급에서든 기관차의 다른 시스템이나 구성품보다 더 많은 기관차 고장을 일으켰고,[citation needed] 이는 보다 신뢰할 수 있는 운송 난방 방법을 채택하기 위한 주요한 동기였다.

이때 조명은 열차가 운행할 때 각 마차 밑에 있는 다이너모로 충전된 배터리에 의해 구동되었고, 뷔페 자동차들은 요리와 수온난방에 생가스를 사용하게 되었다.[1]

전동차 열(ETH) 및 전동차 공급(ETS)

이후 다이젤과 전기 기관차에 전기열차 난방(ETH) 장치가 장착되었는데, 이 기구는 객차에 전력을 공급하여 증기 열기구와 나란히 설치된 전기 난방 소자를 작동시켰고, 이 기구는 오래된 기관차와 함께 사용하기 위해 유지되었다. 이후 캐리지 설계는 증기 열 장치를 폐지하고 열차의 난방, 조명, 환기, 에어컨, 팬, 소켓 및 주방 장비에 ETH 공급을 사용했다. 이 ETH를 인정받아 결국 전기 열차 공급(ETS)으로 개칭되었다.

각 코치는 사용할 수 있는 최대 전력 소비량과 관련된 지수를 가지고 있다. 모든 지수의 합계가 기관차의 지수를 초과해서는 안 된다. 1개의 "ETH 지수 유닛"은 5 kW와 같으며, ETH 지수가 95인 기관차는 475 kW의 전력을 열차에 공급할 수 있다.

북아메리카

낡은 차축 발전기 시스템에 대한 최초의 진전은 보스턴과 메인 철도에서 개발되었는데, 이 철도에서는 다수의 증기 기관차와 승용차를 보스턴의 전용 통근 서비스에 투입하였다. 통근 운전의 특성상 평균 속도가 낮고 잦은 정지로 인해 차축 발전기의 출력이 배터리를 충전 상태로 유지하기에 부족하여 조명 및 환기 고장에 대한 승객 불만이 제기되었다. 이에 철도는 이들 열차에 배정된 기관차에 더 큰 용량의 발전기를 설치하여 차와 연결을 제공하였다. 그 차들은 기관차에서 나오는 증기를 난방용으로 사용했다.


일부 초기 디젤 스트림라이너들은 고정식 콘센서 구조를 이용해 전기로 구동되는 조명, 에어컨, 난방을 이용했다. 기존 여객재고와의 결합을 의미하는 것이 아니었기 때문에 이들 시스템의 호환성은 문제가 되지 않았다. 예를 들어, 네브라스카 제피르 기차 세트는 첫 번째 차량에 탑재된 장비에 동력을 공급하기 위한 디젤 발전기 세트가 있다.

디젤 기관차가 여객 서비스에 도입되자 증기발생기를 장착해 자동차 난방에 증기를 공급했다. 그러나 액슬 발전기와 배터리의 사용은 여러 해 동안 지속되었다. 이는 1950년대 후반 시카고와 노스웨스턴 철도가 통근 서비스에서 EMD F7과 E8 기관차에서 증기발생기를 제거하고 디젤발전기 세트를 설치하면서 바뀌기 시작했다(반도 400 참조). 이는 그들의 통근 열차가 이미 기관차로부터 저전압, 저전류 전력을 공급받아 차축 발전기가 배터리 충전 상태를 유지하는 것을 돕고 있었기 때문에 자연스러운 진화였다.

많은 통근용 비행단이 HEP로 빠르게 전환되는 동안 장거리 열차는 증기 발열과 배터리로 작동하는 전기 시스템으로 계속 운행되었다. 이는 암트랙과 비아레일로 시외 여객철도 서비스가 이전되면서 점차 바뀌었고, 결국 미국과 캐나다에서 HEP가 전면 채택되고 구 시스템이 중단되는 결과를 낳았다.

1971년 형성에 이어 암트랙의 초기 기관차 구매는 널리 사용되는 SD40-2 3000마력 화물 기관차를 개조한 전기-모티브(EMD) SDP40F로, 승객 스타일의 카바디와 증기 발생 능력을 갖추고 있었다. SDP40F는 기존 철도에서 취득한 구형 증기 난방 승용차와 연계해 현대식 전동기를 사용할 수 있도록 해 암트랙이 특별 제작 자동차와 기관차를 조달할 수 있도록 했다.

1975년 암트랙은 제너럴 일렉트릭(GE) P30CH와 E60CH 기관차가 운송한 전전기 암플릿 승용차를 납품하기 시작했고, 이후 EMD F40PH와 AEM-7 기관차가 증차하여 모두 HEP를 공급하기 위해 장착되었다. 이를 위해 암트랙 E8 5대를 HEP 발전기로 재건했다. 또한, 15대의 수하물을 HEP 발전기 자동차로 개조하여 비 HEP 동력으로 암플릿을 운반할 수 있게 하였다(신뢰할 수 없는 메트로라이너 EMU를 대체하는 GG1 등). 암플레트의 도입에 따라 서부 원거리 장거리 노선에 (전동) 슈퍼라이너 레일카가 운행되었다. 암트랙은 이후 증기를 가열한 함대의 일부를 HEP를 이용한 전전기운전으로 전환했고, 1980년대 중반까지 남아 있는 비역전차들을 퇴역시켰다.[6]

엔진

HEP 발전기는 기관차나 발전기 자동차에 장착된 별도의 엔진 또는 기관차의 초기 이동기에 의해 구동될 수 있다.

별도엔진

주요 기사: 보조 동력 장치

겐셋 공급 HEP는 보통 주 추진력(Prime Mover) 엔진으로부터 독립된 보조 디젤 유닛을 통해 공급된다. 이러한 엔진/제너레이터 세트는 일반적으로 기관차 후면의 구획에 설치된다. Prime mover와 HEP genset은 연료 공급을 공유한다.

짧은 열차에 전기를 공급하기 위한 소형 자동차 엔진/발전기 세트도 제조된다.

기관차 프라임 무버

많은 응용 분야에서, 기관차의 프라임 무버는 추진력과 헤드엔드 동력을 모두 제공한다. HEP 발생기가 엔진에 의해 구동되는 경우 필요한 50Hz 또는 60Hz AC 라인 주파수를 유지하기 위해 반드시 일정한 속도(RPM)로 구동되어야 한다. 탑재된 전자 장치가 설정된 주파수를 유지하기 위해 엔진 속도를 제어하기 때문에 엔지니어는 스로틀을 더 높은 작동 위치로 유지할 필요가 없다.[7]

보다 최근에, 기관차는 견인 발전기로부터 구동되는 정적 인버터의 사용을 채택하여 프라임 모버가 더 큰 RPM 범위를 가질 수 있게 했다.

Prime Mover에서 파생된 경우, HEP는 견인력을 희생하여 생성된다. 예를 들어 General Electric 3,200 hp(2.4 MW) P32와 4000 hp(3.0 MW) P40 기관차는 HEP를 공급할 때 각각 2,900 hp와 3,650 hp(2.16 MW, 2.72 MW)로 감산된다. Fairbanks-Morse P-12-42는 다양한 흥분 전압만으로 트랙션 발생기 출력을 조절하고 일정 속도로 주행하도록 구성된 최초의 HP 장착 기관차 중 하나이다.

EMD 기관차의 Prime Mover에 의해 구동되는 HEP에 대한 첫 번째 테스트 중 하나는 1969년 밀워키 로드 EMD E9 #33C로, 이 테스트는 일정한 속도 후방 엔진을 갖도록 변환되었다.[8]

전기적재량

HEP 전원은 조명, HVAC, 식당, 배터리 충전 부하를 공급한다. 개별 자동차 전기 부하는 알래스카에서 운행하는 프린세스 투어 울트라 돔 자동차와 같이 부엌과 식당 공간이 있는 돔 자동차의 경우 20kW에서 150kW 이상이다. [9]

전압

두 중국 철도 25T 코치의 연결 케이블

북아메리카

북미 지역의 열차 길이와 높은 전력 요구 조건 때문에 HEP는 480V(미국 표준), 575V 또는 600V에서 3상 AC로 공급된다. 트랜스포머는 낮은 전압으로 줄이기 위해 각 자동차에 장착된다.[9]

영국

영국에서는 ETS가 800V~1000V AC/DC 2극(400 또는 600A), 1500V AC 2극(800A) 또는 HST의 415V 3상에서 공급된다. 구 남부 지방에서는 Mk I 마차가 750 V DC 공급을 위해 유선 연결되어 있었다. 이는 제3철도망에서의 회선 전압에 해당한다. 등급 73 기관차는 ETS 점프 선수에게 이 라인 전압을 직접 공급하기만 하면 되며, 등급 33 디젤 전기 기관차는 별도의 엔진 구동식 열차 난방 발전기가 있어 열차 난방 연결부에 750 V DC를 공급한다.

아일랜드

아일랜드에서 HEP는 유럽/IEC 표준 230/400 V 50 Hz(원래 220/380 V 50 Hz)로 제공된다. 이는 아일랜드 및 EU의 국내 및 상업용 건물과 산업에서 사용되는 전력 시스템과 동일한 규격에 해당된다.

Cork-Dublin CAF MK4 세트에서는 주행 트레일러 밴과 푸시 풀 엔터프라이즈 세트에 위치한 두 개의 발전기가 이 기능을 제공하며 전용 테일링 밴의 발전기가 이 기능을 제공한다. 함대의 대부분을 차지하는 아일랜드 DMU 열차는 각 코치 밑에 위치한 소형 발전기를 사용한다.

역사적으로, HEP와 구형 차량에서는 발전기와 증기 보일러가 포함된 발전기 밴을 추적하여 증기 난방을 제공했다. 이것들은 보통 기차 세트의 뒤쪽에 위치해 있었다. Enterprise Dublin-Belfast 열차 세트는 처음에는 GM 201 디젤 전기 기관차의 HEP를 사용했지만, 신뢰성 문제와 기관차 시스템의 과도한 마모로 인해 제너레이터 밴(퇴역 아일랜드 레일 MK3 세트에서 공급되어 푸시풀 사용에 맞게 개조됨)이 추가되었다. IE 201 등급 기관차에 불이 붙으면서 HEP 모드는 폐기되었다.

러시아

러시아 자동차들은 기관차의 주 변압기가 제공하는 DC 라인에 3kV DC 전압 또는 AC 라인에 3kV AC 전압의 전기 난방을 사용한다. 신차들은 대부분 서유럽 제조업자들에 의해 만들어지며 RIC 자동차와 유사하게 장착된다.

유럽(러시아 및 영국 제외)

RIC 자동차는 다음 4개의 전압 모두 공급될 수 있어야 한다: 1,000V 16+2⁄3 Hz AC, 1,500 V 50 Hz AC, 1,500 V DC 및 3,000 V DC. 첫 번째 것은 오스트리아, 독일, 노르웨이, 스웨덴, 스위스에서 사용되며, 15 kV 16.7 Hz ACcatalinary 시스템이 사용된다. 두 번째(1.5 kV AC)는 25 kV 50 Hz AC 카타리네이션 시스템(크로아티아, 덴마크, 핀란드, 헝가리, 포르투갈, 세르비아 및 영국)을 사용하는 국가 및 프랑스, 이탈리아 및 러시아의 일부 라인에서 사용된다. 두 경우 모두 디젤 기관차의 주 변압기 또는 교류 교류 교류 발전기가 적절한 전압을 제공한다. In countries using DC power (either 1.5 kV or 3 kV DC), the voltage collected by the pantograph is supplied directly to the cars. (Belgium, Poland and Spain, and some lines in Russia and Italy use 3 kV, and the Netherlands, and some lines in France use 1.5 kV; see more detailed information in the List of railway electrification systems article.)

현대 자동차는 종종 1,000 V 50 Hz AC도 지원하는데, 이 종류는 때때로 디포와 주차장에서 발견된다.

구형 유럽 자동차는 고압(또는 증기 기관차(일부 다이엘과 전기 장치에도 증기 보일러가 장착됨)을 사용했으며, 증기 발생기 자동차도 사용 중이었으며, 일부 자동차에는 석탄 또는 석유 연소 보일러가 장착됨) 전력은 난방용으로만 사용되었으며, 조명, 팬 및 기타 저전류 공급 장치(예: 욕실 내 면도 소켓) 전력은 사용하였다. 액슬 구동 발전기에 의해 제공됨. 오늘날 솔리드 스테이트 전자 장치(시리스터와 IGBT)의 발달로 대부분의 자동차에는 RIC 전압(1.0–3.0kV DC 또는 16+2⁄3/50 Hz AC)을 소비하고 필요한 모든 저전압을 공급할 수 있는 전환 전원 공급 장치가 있다. 저전압은 제조업체에 따라 다르지만 일반적인 값은 다음과 같다.

  • 온보드 전자 장치용 12–48 V DC(HEP 비활성화 시 화학적 배터리에서 공급됨)
  • 형광등 전자 밸러스트 공급 및 환기 팬용 24–110 V DC(HEP 비활성화 시 화학적 배터리에서 공급됨)
  • 승객 소켓, 냉장고 등을 위한 단상 230V AC(위처럼 화학 배터리에서 공급되기도 함)
  • 에어컨 컴프레서, 난방, 환기 팬용 3상 400V AC(현재 전력 소비로 인해 화학 배터리에서 에어컨이 공급되지 않음)

전기 난방은 통상 고전압 HEP 라인에서 공급됐지만, 특이한 전압은 시중에서 흔히 볼 수 없고 장비도 비싸다.

표준 RIC 인증 HV 히터는 직렬로 6개(3 kV DC), 직렬로 2 × 3개(1.5 kV AC 또는 DC) 또는 직렬로 3 × 2의 전압에 따라 전환되는 6개의 저항을 가지고 있다. 적절한 구성의 선택과 전환은 안전을 위해 자동으로 이루어진다. 승객은 서모스탯만 작동할 수 있다.

중국

중국 철도 여객열차의 KD제너레이터25K 차량

중국에서 HEP는 두 가지 형태로 공급된다.

On all 25A/G cars built before 2005, rebuilt and air-conditioned 22/25B cars, most 25K cars, and most BSP-built 25T cars, HEP is supplied at three-phase 380 V AC by generator cars (originally classified as TZ cars, later reclassified to KD), a small number of DF11G diesel locomotives, and very limited number of retrofitted SS9 electrics. 디젤 발전기 세트(공장구축 RZ/RW/CA22/23/25B 자동차, 일부 재구축 YZ/YW22/23/25B 자동차, 독일제 24대 자동차, 특수 용도 25G/K/T 자동차)도 이 형태로 자체 전력을 공급한다. 이 상황에서는 두 차량 모두 에어컨이나 최대 부하로 난방할 수 없지만 디젤 발전기가 설정된 차량에서 AC 전기를 이웃 일반 HEP 차량으로 배선하는 것이 가능하다. 이 디젤 자동차들은 또한 다른 곳에서 온 HEP로 달릴 수 있다. 그들만의 디젤을 사용하지 않고도. 주로 발전기 자동차가 견인력, 직원 및 연료(전기화된 회선으로 운행되는 경우)를 '마찰'하기 때문에 비효율적이고 구식이라고 여겨지지만, AC HEP를 사용하는 신차는 여전히 생산 중이며, 대부분의 중국 철도 엔진들이 전기화가 없는 지역에서 사용하기 위해 주로 새로운 발전기 자동차/세트와 함께 생산되고 있다. HEP를 공급할 수 있는 것은 전기 기관차다.

On most newer 25G cars and 25/19T cars, power is supplied at 600 V DC by electric locos such as SS7C, SS7D, SS7E, SS8, SS9, HXD1D, HXD3C, HXD3D, and some DF11G diesels (No.0041, 0042, 0047, 0048, 0053-0056, 0101-0218). 고고도 칭하이-티벳 철도에 사용하도록 지정된 소수의 특수 발전기(QZ-KD25T)도 600V DC에서 전력을 공급한다. AC를 이용한 노후장비의 노후화 및 폐기는 물론 DC가 장착된 새로운 엔진과 자동차가 빠르게 서비스를 시작함에 따라 DC HEP는 중국 철도에서 가장 두드러진 형태의 전력공급이 되었다.

대부분 25Ts인 매우 제한된 수의 자동차들은 두 형태의 HEP에서 달릴 수 있다.

대안

주요 기사: 헤드엔드 파워카
2006년 아일랜드 리머릭의 콜버트 역에서 쌍둥이 HEP 발전기가 설치된 CAF DVT

대부분의 기관차가 기관차에서 직접 동력을 얻지만, (주로 유럽 대륙에서는) 열차가 서 있고 헤드엔드 전원에 연결되지 않은 상태에서 식당차가 오버헤드 전선으로부터 직접 동력을 얻을 수 있는 예가 있다. 예를 들어 독일식 식당차 WRMz 135(1969), WR범즈 139(1975), ARMz 211(1971) 등은 모두 팬터그래프를 장착했다.

일부 핀란드 식당·캐터링카에는 기관차 공급 전원이 공급될 때도 사용하는 디젤 발전기 세트가 내장돼 있다.

코네티컷 주 정부가 쇼어라인 동부 서비스를 시작했을 때, 그들은 많은 경우에 HEP를 공급할 수 없는 오래된 화물 다이스엘을 장착한 새로운 승용차를 사용하고 있었기 때문에, 일부 코치들은 HEP 발전기가 설치된 채로 배달되었다. HEP와 함께 기관차를 획득하면서 이것들은 그 이후로 제거되었다.

Where a passenger train must be hauled by a locomotive with no HEP supply (or an incompatible HEP supply) a separate generator van may be used [10] such as on the Amtrak Cascades train or Iarnród Éireann's CAF Mark 4 Driving Van Trailer (with twin MAN 2846 LE 202 (320 kW) / Letag (330 kVA) engine / generator sets, assembled by GESAN). 키위레일(뉴질랜드)은 트란즈 비주얼 여객 서비스를 위해 AG급 짐-제너레이터 승합차를 이용하고, 와이라라파 노선의 트란즈 메트로(Tranz Metro)는 발전기를 수용하도록 실내의 일부가 개조된 SWG급 객차를 이용한다. 링링 브라더스와 바넘 & 베일리 서커스 열차는 열차를 운반하는 호스트 철도 기관차에 의존하지 않기 위해 승객 코치에게 HEP를 공급하는 적어도 하나의 맞춤 제작 동력차를 사용했다.

영국과 스웨덴의 고속 열차 IC125와 X2000은 50Hz 3상 전력 버스를 가지고 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Jump up to: a b c d e f g JFL (1914). Train lighting by electricity. London and York: Ben Johnson & Co. Retrieved 17 March 2013.
  2. ^ Jump up to: a b c Jack Simmons; A. K. B. Evans; John V. Gough (2003). The Impact of the Railway on Society in Britain: Essays in Honour of Jack Simmons. Ashgate Publishing, Ltd. pp. 49–. ISBN 978-0-7546-0949-0. Retrieved 17 March 2013.
  3. ^ Scientific American. Munn & Company. 4 July 1885. p. 7.
  4. ^ Stuart, Charles W. T. (May 1919). "A Few Points in the History of Car Lighting". Railway Electrical Engineer. 10 (5): 158. Retrieved 26 August 2014.
  5. ^ White, John H. (1985) [1978]. The American Railroad Passenger Car. Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-2743-3.
  6. ^ Johnson, Bob (1 May 2006). "Head-end power". ABCs of Railroading. Retrieved 9 November 2014.
  7. ^ "Head-end power - TRAINS magazine". Kalmbach Publishing Co. 1 May 2006. Retrieved 9 November 2014.
  8. ^ "Milwaukee Road Commuter Locomotives".[데드링크]
  9. ^ Jump up to: a b "HEP Trainline Configurations in North America". Northwest Rail. Retrieved 29 January 2011.
  10. ^ "a generator van converted from a Mk.1 BG". Phil Trotter. 19 March 2007. Retrieved 29 January 2011. During the 1980s, during low HST power car availability, a generator van converted from a Mk.1 BG was used to provide three-phase power to HST rakes so that they could be locomotive hauled. ADB975325 (later renumbered 6310) is seen at Bristol Temple Meads on 4th October 1980[영구적 데드링크]