1. 일본의 교류 전철의 역사
일본의 경우 교류전철의 역사는 다른 나라보다 늦은 편이었다. 전후 1953년부터 연구가 시작되어 1955년 센잔선에서 교류 전철 시험운행이 시작 1957년부터 본격적으로 교류 전철화가 시작되었다. 그 대상은 이미 전철화가 된 칸토,츄부,칸사이,산요지역을 제외한 홋카이도,도호쿠,호쿠리쿠,큐슈의 4개 지역과 이바라키현 이시오카쯤에 위치한 기상청 지자기 관측센터에 영향을 줄 수 있는 죠반선 이바라키현 이북 구간을 대상으로 하여 교류 20000V 전철화가 시작되었다. 상용 전력의 주파수를 그대로 이용하기 때문에 도쿄를 기준으로 한 동쪽 지역은 50Hz, 서쪽 지역은 60Hz가 되어있으며 이를 지원하기 위해 61년 신성능 전동차 101계의 기술을 기초로 한 근교형 전동차가 새로 개발되어 50Hz용 차량은 401계, 60Hz 지원 차량은 421계가 제작되었다.
2. 우리나라 전동차에도 영향을 준 직-교류 양용 차량 기술의 모태.
교류 전원을 사용하는 철도차량의 경우 상용 전력선을 거의 그대로 이용할 수 있는 장점 때문에 전력시설 투자비용은 감소하지만 차량의 경우 커다란 변압기가 들어가야 하기 때문에 비용이 크게 상승하는 단점이 있다. 대신 탭제어나 사이리스터 위상제어와 같이 정류기만으로도 전동기의 토크를 효율적으로 제어하여 차량의 성능을 높일 수 있는 장점이 있다. 하지만 직류구간에서는 사용할 수 없기 때문에 직류와 교류를 모두 오갈 수 있는 차량은 기본적으로 직류차량의 제어방식을 바탕으로 하여 교류일 경우 변압기와 정류기를 거치고 직류일 경우 이를 거치지 않고 바로 필터리액터를 거쳐 제어장치로 전류를 보내며 중간에 이 두 전력방식을 나누는 스위치를 두어 구분하기로 했다.
팬터그래프에서 받은 전력은 주차단기(MCB)를 거친 후 직류와 교류 모드를 나누는 직교류전환장치(ADCg)를 거친다. 교류는 주변압기(MT), 주정류기(RF)를 거쳐 직류전원으로 바꿔 제어장치로, 직류는 바로 필터리액터를 거쳐 제어장치로 가는데 직류-교류가 바뀌는 절연구간에서 운전사가 직교류 전환 스위치를 돌리면 MCB를 자동으로 차단시켜 전원공급을 차단한 상태로 하면 자동으로 직교류전환장치를 돌려 운행할 구간에 알맞는 전원모드 상태에서 타력으로 주행하고 다른 전력구간으로 진입하면 차단기가 자동으로 투입되어 다시 주행을 할 수 있도록 하고 있다. 전환 스위치의 위치와 전력방식이 일치하지 않으면 주차단기가 투입되지 않으며 만약 다른 전력방식임에도 주차단기의 고장등으로 전류가 그대로 들어오는 모진 현상이 발생할 경우 전원장치의 보호를 위해 자동으로 차단하는 퓨즈나 피뢰기 등을 갖춰 만일의 사태에 대비했다.
401/421계는 101계의 기술을 활용해 100kW급 직류전동기와 저항제어, 발전제동을 사용하는 전자직통제동, 용접대차 등의 신기술이 많이 채용되었으며 이 방식은 이후 제작되는 모든 직교류 양용 전동차에 채택되면서 직교양용전동차의 기초를 닦아 1962년 2회 로렐상을 수상했다.
뿐만 아니라 이 기술은 바다건너 직류와 교류를 모두 사용하는 우리나라 서울지하철에도 이 방식을 사용하고 있다.
- 415계의 운전대. 제어대 가운데 스위치함 왼쪽 위에 있는 레버같은것(빨간 동그라미)이 직교류 전환 스위치다. 직-교만 선택이 가능하며 그 위에 있는 4개의 등이 직류-교류-MCB투입/차단 여부를 알려주는 표시등이다.
- 403계의 위에 있는 팬터그래프와 그 주변 기기가 복잡하다. 직교류전환장치, 주차단기, 퓨즈/피뢰기는 모두 여기에 몰려있다.
- 우리나라 코레일/서울메트로 전동차도 동일한 직교류 전환방식을 쓰고있다. 사진의 하늘색 동그라미가 주차단기(MCB)이며 빨간 동그라미가 직교류전환장치(ADCg)이다. 직교류절환스위치를 돌리면 MCB가 차단되어 전력공급을 끊고 그 사이에 직교류절환장치가 돌아가도록 되어있다. 이 기기들의 동작에는 압축공기를 사용한다.
- 415계가 직교류전환장치를 돌리는 모습. 첫화면 우측의 주차단기(MCB)가 먼저 떨어진 후 좌측의 직교류전환장치가 돌아가는것을 알 수 있다. 이 당시에만 해도 진공식 차단기가 아닌 공기식 차단기(ABB)라 차단되는 모습을 그냥 볼 수 있다.
3. 근교형 전동차의 표준적 사양을 제안
401/421계는 1961년 제작되었기 때문에 1962년 제작된 111계보다 시기상 더 빠르므로 사실상 신성능 근교전동차의 표준적 사양을 제시한 차량이다. 153계와 같은 마일드스틸을 사용한 세미모노콕크 차체로 윗부분이 살짝 넓되 폭 2.9미터 길이 19.5미터의 차체를 가지고 기존 70계 전동차 처럼 3도어를 사용하되 101계와 같은 1300mm 양미닫이 포켓슬라이딩 도어를 사용하고 실내는 도어와 도어사이 공간 가운데에 4인 박스시트를 2열씩 배치하고 도어 옆에는 2줄짜리 롱시트를 배치한 세미크로스시트를 채택했다. 박스시트는 기본적으로 급행형 차량에서 사용하는것과 동일하지만 통로 폭을 넓히기 위해 창문쪽 팔걸이를 제거하고 폭을 줄인 간이형이며 4량 기준 1개 정도의 화장실을 설치했다. 이런 구성은 111~115계와 같은 근교형 전동차나 디젤동차 실내 스타일의 표준이 되었다.
4. 30년 가까이 장수를 누리다.
401/421계는 MM'구조로 되어있어 양쪽에 부수제어차를 붙여 4량편성으로 운행되는것이 기본이었다. 최초 50Hz 전철화가 된 죠반선에 401계가, 60Hz 전철화가 된 가고시마본선에 421계가 투입되었으며 당시 직교류차량은 적13호라고 불리는 핑크색에 가까운 빨강(로즈핑크, 팥색?)도색으로 하는 기본 방침이 있어서 로즈핑크 기본에 아이보리색을 가운데에 붙이는 특이한 도색이 특징이었다. 당시 사람들은 "아카덴"이라고 불렀으며 이 도색은 1985년 국제과학기술박람회 때문에 현재의 백색-청색 띄 도장으로 바뀔때까지 사용되었다. 1966년까지 401계는 100량(25개 편성), 421계는 92량(23개 편성)이 제작되었으며 1962년부터는 건널목 사고에 대비해 운전대 높이를 높인 고운전대 타입 선두부로 제작되었다. 401/421계는 죠반선과 가고시마본선에서 지속적으로 활약했으며 1968년부터는 103계의 전장품을 기초로 하는 403/423계가 제작되기 시작 1968년까지 403계 80량, 423계 120량이 제작되었다. 421계의 경우 151계로 운행되는 특급 "츠바메" 등이 큐슈지역에 들어올 경우 객실에 전원을 공급하기 위해 사야420형으로 3량을 개조해 1964~5년까지 운용된 적이 있었다.
직교류 양용 차량의 경우 제작비용이 매우 비싸기 때문에 1987년까지 401/421계 선행양산차와 저운전대 타입이 폐차된것 외에는 대부분이 민영화 이후에도 운용되어 오다가 401계는 1991년, 421계는 1996년에 모두 퇴역하였으며 423계는 2001년, 403계는 2008년까지 운용되었다.
- 초기에는 직교 양용이라고 이런 도색을 하고 다녔다. EF81등의 기관차는 현재도 이런 도색이므로 알기 쉽다.
- 후기에 생산된 고운전대 타입은 민영화 후에도 2000년대 초반까지 운행되었다.
- 글 : 787-ARIAKE
- 사진 : Wikipedia, 14.8km님
