우리가 교류를 사용하는 이유

길을 가다보면 전깃줄을 보기도 하고 도심 중심지에는 전깃줄을 못보는 경우도 있다.

 

길에서 보이는 전깃줄을 기중전선로라고 하고, 도심 중심지에는 이런 전깃줄을 땅에 묻었다. 이를 지중전선로 등의 이름으로 부른다.

 

만약 이 전깃줄을 우리가 잡으면 어떻게 될까?

 

바로 죽을 수도 있다. 

 

외국의 전신주

우리가 교류를 주로 사용하는 이유

우선 교류와 직류, 전압과 전위차, 교류 주파수 등에 관한 내용은 아래 글들에서 확인하면 된다.

[과학/전기] - 교류와 직류 차이 AC DC

[과학/전기] - 교류에서 직류로 바꾸기  

[과학/전기] - 직류에서 교류로 바꾸기

[과학/전기] - 전압과 전위차 차이

[과학/전기] - 전기의 주파수 헤르즈(Hz)란?

 

우리가 사용하는 자주 사용하는 전자제품인 스마트폰과 스마트워치, 컴퓨터 등의 전자기기는 다 직류로 사용된다. 하지만 이런 전자제품들을 사용하기 위해서 콘센트에 전기코드, 어뎁터 등을 사용하려고 보면 콘센트는 교류이다.

 

왜 발전소에서 직류를 보내주지 않고 교류를 보내는 것일까?

 

바로 교류는 전압의 크기를 바꿔주는 변압이 수월하기 때문이다.

 

 

에디슨이 발전기를 미국에 설치해서 가로등에 전깃불을 켤 완전 초창기에는 사실 교류가 아니라 직류로 전기를 보내줬다.

하지만 직류로 송전(전기를 보내주는 것) 할 때 전깃줄(전선로)에서 전기적인 손실이 많이 발생했기 때문에 발전소를 몇 km마다 설치를 해야 했다. 

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전력 공식을 흔히 P=VI로 아는 사람들이 많다. 사실 이 공식은 직류에서만 가능한 말이다. 전기를 조금이라도 공부해 본 사람은 Pa=VI로 말한다. 여기서 P는 유효전력, Pa는 피상전력이라고 한다. 피상전력이라는 것은 교류에서 사용되는 단어 정도라고 말하겠다. 

 

피상전력, 유효전력, 무효전력 등 전기와 관련된 내용들은 앞으로도 계속 추가해 나가겠다.

https://dream-promise.tistory.com/category/%EA%B3%BC%ED%95%99/%EC%A0%84%EA%B8%B0

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여기에 계속 업데이트 해나가겠다.

 

전력을 쉽게 P=VI로 말하겠다. 그리고 일반인들에게 쉽게 설명하기 위해 임피던스 등의 내용은 빼고 단순히 저항과 전압, 전류로만 설명을 하겠다.

 

 

전력이라는 것은 전압과 전류의 곱으로 나타낸다. 전력인 P는 발전소에서 보내주는 것으로 그 수치는 정해져있다. 한정된 P 전력은 일정한데 전깃줄에서 손실은 저항과 전류의 곱이다. 저항과 전류의 곱은 전압인데 전깃줄의 저항과 전류의 곱은 전압강하라고 하겠다. 우리가 사용하는 전력은 발전소에서 보내주고 전기를 보내주는 과정 중에서 전깃줄에 전류가 흐르고 여러 과정 등을 거쳐서 우리가 콘센트에서 220V의 전압을 사용할 수 있게 해준다.

 

그 과정중에서 전력이 전깃줄의 저항으로 인해 일부 손실이 발생하게 된다.

 

 

 

전깃줄에서의 전력손실 즉 전압강하는 전류와 저항의 곱으로 결정되는데 전압강하라는 전력손실을 줄이는 방법 중 가장 쉽고 우선적으로 할 수 있는 방법은 바로 전류의 값을 낮추는 것이다. 물론 전깃줄의 저항을 낮추는 방법도 있기는 한데 그러기 위해서는 초전도체나 금으로 전깃줄을 바꿔야 하는데 유지 보수 비용 뿐만 아니라 구매비용도 너무 비싸서 그냥 전류 값을 낮추는 것이 경제적인 측면에서 옳은 방법이다.

 

전류의 크기를 낮추는 방법은 전압을 높이는 방법이 있다. 흔히 전압은 전류와 저항의 곱으로 알고 있다. V=IR이라는 공식을 알 것이다. 그런데 저항은 일정하고, 전압이 높아지면 당연히 전류가 커지지 않나고 반문할 수 있다.

 

우선 전기가 우리 집에 오는 과정을 살펴보자. 우리가 전기를 사용하기 위해서 발전소에서 전기를 생산하고 전압을 높은 전압으로 변환하는 변압을 해서 전깃줄로 전기를 보내면 중간에 있는 변전소에서 상대적으로 낮은 전압으로 바꾸고, 우리가 흔히 보는 전봇대 등에 있는 변압기에서 220V로 전압을 바꾸어서 각각의 집으로 전기를 보내준다.

 

자! 발전소에서 보내주는 전력을 생각해보자. 발전소에서 생산하는 전력 P=VI에서 P는 일정하다. 물론 때에 따라 변동이 있을 수는 있다. 낮에 사용하는 전력 사용량과 심야의 전력 사용량이 다르기 때문이기도 하고 여름철과 겨울철의 전력 사용량이 다르기 때문에 발전소에서 생산하는 전력량은 다르지만 설명하기 위해 우선 전력 P를 고정하겠다.

 

P는 일정하고 여기서 전압의 크기를 고전압으로 변압했다고 가정하자. 그러면 P=VI 공식에 의해 전류 I는 낮아진다. 그리고 전선로의 저항은 일정하고, 전류의 값은 당연히 고전압으로 변압하기 전보다는 낮은 값을 가진다.

 

그렇기 때문에 전깃줄에서 발생하는 전력 손실은 작아진다. 앞서 말한 전압강하는 V=IR 식이고, R은 전깃줄 저항으로 일정하고, I인 전류는 작아졌기 때문이다.

 

P=VI에서 V는 쉽게 설명하면 발전소에서 보내주는 전압을 말하는 것이고 V=IR에서 말하는 V는 전깃줄의 특정 부분에서 부분까지의 전압 등을 말한다. 

 

발전소에서 전기를 보내줄 때 정말 높은 값의 전압을 보내준다. 765kV, 345kV 등으로 전기를 보내주는데 이렇게 특고압의 전기를 보내주면 그만큼 전력 손실이 적어진다. 물론 발전소에서 발전하는 전압은 이보다 낮다.

 

앞서 설명한 것처럼 큰 전압으로 전기를 보내야 전력 손실이 적기 때문에 큰 전압으로 변압한다.

 

교류와 직류 중 전기를 보낼 때 누가 손실이 더 적을까?

결론부터 말하자면 직류로 전기를 보내는 것이 전력 손실이 더 적다.

 

그런데 왜 앞서는 에디슨 발전기 이야기 하면서 직류로 송전할 때 전기 손실이 많다고 했는지 궁금할 것이다.

 

에디슨 당시에는 직류를 변압하는 쉽게 말하면 직류 전압의 크기를 바꾸는 기술이 부족했고 거의 그런 기술이 없다시피 했다. 그래서 발전소에서 보내주는 직류 전압은 그 크기를 바꿀 수가 없었다. 

 

전기를 보내주는 송전을 할 때 전압이 클 수록 전력 손실이 적다고 말했다. 그런데 에디슨 당시에는 직류 전기를 송전 할 때 너무 큰 전압으로 보내주면 그 전압의 크기를 바꿀 수가 없고, 그 전압 그대로 사용한다면 정말 위험한 상황이 발생한다. 그렇기 때문에 그냥 낮은 크기의 직류전압을 보낼 수 밖에 없었고, 그 결과 전력 손실이 엄청 날 수 밖에 없었다.

 

반면 교류는 변압기를 사용할 수 있어서 상대적으로 쉽게 전압의 크기를 바꿔가며 전기를 보낼 수 있었고, 그 결과 아직까지 교류로 전기를 보내주고, 우리가 사용하는 전자기기에 맞게 교류에서 직류로 전기를 바꾸어서 사용할 수 있게 되었다.

 

같은 값의 직류와 교류 전압 중 교류로 전기를 보낼 때 손실이 큰 이유는 임피던스가 교류가 더 크기 때문인데 이 임피던스 이야기는 다른 글에서 설명하겠다.

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직류 송전은 불가능 한 것인가?

결론부터 말하자면 가능하다. 실제 우리나라는 육지에서 제주도로 아주 큰 직류 전압으로 전기를 보낸다. 그리고 제주도에서 다시 교류로 바꿔서 전기를 공급한다.

 

품질 좋은 직류를 품질좋은 다른 크기의 직류로 바꿔주는 변압 기술은 비용이 많이 들 뿐만 아니라 아직 상용화 단계가 되지 않았다.

 

그리고 집 콘센트에 교류가 아닌 직류가 나온다면 문제가 생긴다. 바로 직류 콘센트와 우리가 사용하는 기기의 전압이 다르기 때문에 그 크기를 바꿔주는 별도의 장비들이 다 있어야 한다. 예를 들어 일반적으로 고속충전이 가능한 스마트폰의 경우 직류 12V로 전기를 공급받지만 스마트워치들은 12V가 아니다. 컴퓨터도 내부에서 교류를 직류로 바꾸주는 장치를 통해 직류로 작동하지만 사실 12V로 작동하지 않는다.

 

교류는 변압기를 통해서 그 크기를 쉽게 바꿀 수 있고 그 비용도 상당히 싸지만 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 바꾸려면 비용이 많이 들고, 각각의 전압 마다 그 장치들이 필요하는 등 경제적인 이유가 아직 있다. 육지에서 제주도로 송전하듯이 우리나라 송전과 배전 체계를 바꾸기 위해서는 그에 수반하는 여러 장비들을 추가해야 하는 등 여러 경제적인 이유와 기술적인 이유들이 있어서 당장 직류로만 송전하는 것은 불가능하다.