[스크랩] 전기, 전압과 전류, 직류와 교류

전기, 전압과 전류, 직류와 교류

우리가 일상생활에서 가장 쉽게 접하는 전기의 크기는 전압과 전류라는 방법으로 편리하게 표현 가능하다.

영국의 물리학자 톰슨은 여러 가지 실험 끝에 전기라는 것은 아주 미세한 입자라는 것을 알아냈다.

그는 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 한다는 것을 알고 전자(Electron)라고 이름을 붙였다.

전압은 전자를 밀어내는 압력으로 단위는 볼트[V]로 표시하고, 전류는 전자의 흐름에 대한 양이며

 단위는 암페어[A]로 표시한다. 이를 수도관의 물로 비유하자면, 전자는 물이고, 전압은 물을 밀어내는 압력이고,

 전류는 흘러가는 물의 흐름으로 비유될 수 있다.

전압과 전류는 사용 방식에 따라 휴대폰 배터리로 대표되는 직류와 일반 가정의 콘센트로 공급되는

 교류로 나눌 수 있다. 직류(DC, Direct Current)는 시간에 따라 전류의 방향이나 전압의 극성의 변화가

없는 것을 의미하며, 교류(AC, Alternating Current)는 시간에 따라 전압의 크기와 전류 방향이 주기적으로

 변화하는 전기이다. 그러면 왜 한가지 방식의 전기만을 사용하지 않고 교류와 직류라는 두 방식의

전기가 사용되고 있을까? 그것은 첫 번째, 전기를 얻어내는 방법이 화학 에너지를 전기 에너지로 직접

바꾸는 경우 (건전지, 축전지, 연료전지)에는 직류만 가능하고 휴대하기 편리하다는 장점이 있고, 운동 에너지를

 전기로 직접 바꾸는 경우에는 교류가 편리하고 대용량화가 가능하기 때문이다. 두 번째는, 발생된 전기를

저장하였다가 다시 사용하는 경우 (축전지)에는 직류가 편리하며, 교류에너지를 저장하기 위해서는

교류를 직류로 바꾸어 저장하거나, 아니면 교류를 운동 에너지 형태로 바꾸어 저장해야 하기 때문에 손실이

 커지게 된다. 셋째는 발생된 전기를 먼 거리로 전송해야 하는데 초창기는 기술의 한계로 인하여 직류보다

교류가 우세하였으나, 현대에 와서는 교류보다 직류가 유리한 점이 많이 있어서 세계 각국에서 직류를 채택하는

경향이 커지고 있다.

 

 

직류방식과 교류방식의 대립

현재 우리나라 가정에 공급되는 전기는 교류로써 주파수 60Hz, 즉 1초에 전압, 전류의 방향이 교대로 60번씩 바뀐다.

그리고 오늘날 전 세계 일반 가정의 콘센트에서 사용하는 전기는 현재 모두 교류방식으로 공급되고 있다.

그렇다면 왜 교류 방식이 전 세계적으로 사용되고 있는 것일까?전기가 일반 가정에 본격적으로 공급되기

시작하던 19세기 말에 미국에서는 전기의 공급방식으로 직류가 좋은가, 교류가 좋은가에 대한 논란이 오랫동안

 이어져 왔다. 직류 송전방식을 도입했던 발명왕 에디슨과 교류송전 방식을 주장한 천재 과학자 테슬라가 그

 논란의 중심에 있었다.

먼저 에디슨은 전구의 발명과 보급을 계기로 전기공급 체계를 수립하기 위하여 송·배전 부품을 발명하여 여러 곳에

 발전소를 세워 1881년 각 가정에 전력을 공급하였다. 그러나 에디슨은 전기의 운반(송전)과 판매(배전)에 110V의

직류 전류를 썼기 때문에 낮은 전압과 전선의 저항으로 인한 손실이 매우 컸다. 이로 인하여 발전소에서 멀리 떨어진

 곳을 제대로 전기를 보낼 수 없었다. 물론 에디슨도 전압을 더 높이면 손실이 줄어 효율이 좋아진다는 점을 알고

있었지만 당시에는 직류전압을 자유롭게 변화시킬 수 있는 방법이 없었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 테슬라는 변압기를 사용한 교류송전 방식을 추진하였다. 테슬라는 에디슨의

밑에서 일하던 과학자였으나 에디슨이 자신이 고안한 교류송전 방식에 대한 사용의지가 없는 것을 알고 이 후

에디슨과 결별하게 되었다. 테슬러는 교류 변압기를 통하여 발전소에서 송전할 때에는 전압을 크게 하여 송전

손실을 줄이고 일반 가정에서는 전압을 낮추어 안전한 낮은 전압을 쓰도록 하는 오늘날과 같은 송전방식을

이용한 것이다. 이러한 교류송전 방식에도 약점이 있었는데, 그 당시에는 효율이 좋은 교류전동기가 없었다는

점 이였다. 이로 인하여 당시의 전기업계 학계에서는 교류가 좋은가 직류가 좋은가를 둘러싸고 상당한 논란이

이어지게 되었다. 이에 테슬라가 1888년 교류방식에 매우 적합한 전동기를 발명하여 특허를 취득했고, 웨스팅하우스사가

교류송전방식과 전동기에 대한 특허를 구입하여 교류 전력 망을 설계하여 교류 송전 사업에 뛰어들었다.

결국 웨스팅하우스사의 교류 송전 방식은 진전을 거듭하여 송전방식을 둘러싼 교류방식과 직류방식의 대결은

 교류가 직류를 누르고 지난 100년 동안 표준이 되어 사용되었다.

결국, 직류보다 교류를 사용하는 이유는 여러 가지가 있지만 가장 큰 이유는 생산(발전)이나 운반(송전),

판매(배전)에서 전압을 바꾸는 변압이 용이하기 때문에 효율적으로 전기를 사용할 수 있기 때문이다.

처음 발전소의 발전기에서 나온 전압을 다른 곳으로 보내기 위해서는 높은 전압이 필요하다. 전압이 낮으면

이동 중에 손실이 많이 발생하기 때문이다. 그래서 송전선로는 154kV, 345kV 또는 경우에 따라서 765kV의

아주 높은 전압을 사용한다. 이것을 변전소에서 22.9kV로 낮추어 집 근처까지 오고 이를 다시 220V나 380V로

낮추어 일반 가정에 공급하게 된다.

 

 

HVDC (High Voltage Direct Current) 송전 방식

100여년 전 교류 송전 방식의 승리에도 불구하고 직류송전 방식은 교류송전 방식을 보완해주는 형식으로 존재해 왔다.

그 동안은 대용량 직류전동기를 구동하기 위하여 제한적으로 사용되어 왔으나 최근 반도체 스위칭 소자의 발달로

인하여 고압의 교류를 직류로 바꿀 수 있는 변환장치가 개발되면서부터 직류송전 방식에 대한 연구가 다시

활발하게 이루어 지고 있다. 특히 기존의 직류발전기를 사용하여 직류전기를 생산하여 공급하는 방식이 아닌,

고압의 교류전기를 반도체 스위칭 소자를 이용한 변환장치를 사용하여 고압의 직류로 변환하여 송전하는

 방식(HVDC)이 개발된 것이다. 이러한 직류송전방식이 가능해지므로 인하여 기존의 직류송전 방식의 장해물이었던

고압송전이 가능하게 되었으며 1954년 ASEA에 의해 스웨덴 본토와 Gorland의 섬 사이를 직류송전의 방식인

 HVDC시스템을 건설하여 상용으로 운전하게 되면서 세계각국에서도 HVDC시스템에 대한 연구와 상용화를

진행해 왔다.

 HVDC(High Voltage Direct Current)는 발전소에서 발전되는 고압의 교류전력을 전력 변환기를 이용하여

고압의 직류전력으로 변환시켜 송전한 후 원하는 수전(受電)지역에서 다시 전력 변환기를 이용하여 교류전력으로

 재 변환시켜 공급하는 고압직류송전 방식이다.

그렇다면 기존 교류송전을 대신하여 직류송전 방식이 다시 각광 받게 된 이유는 무엇일까? 이는 교류송전 방식이

가질 수 없는 직류송전 방식의 장점이 존재하기 때문이다. 교류송전에 대한 직류송전의 장점은 다음과 같다.

첫째, 직류전압은 교류전압의 최대값에 비해 크기가 약 70%에 불과하여 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기

 때문에 각 기기에 설치되어 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다.

둘째, 동일한 전력을 보내는 경우 교류방식에 비하여 직류방식이 송전 손실이 적기 때문에 송전 효율이 좋아진다.

기존 직류송전 시 전압을 크게 변화시킬 수 없어 송전손실이 증가하였으나 HVDC시스템의 개발로 인하여 고압의

직류전압을 만들 수 있기 때문에 송전효율이 좋아진다.

셋째, 교류 송전은 최소 3가닥이 전선이 사용되지만 직류 송전은 최소 1가닥의 전선만으로도 전기를 송전할 수

있으므로 전선의 사용량을 줄일 수 있고, 송전선로의 면적을 줄일 수 있어 효과적으로 송전할 수 있다. 특히

교류의 경우에는 전류가 송전선의 표면으로만 집중해서 흐르게 되어 전선이 굵어지는 단점이 있지만, 직류의

경우에는 송전선에 고루 분포되므로 같은 크기의 전선에서 직류가 교류에 비해서 2배 이상의 전류를 흘릴 수

있게 된다.

넷째, 전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통 사이를 연결하여 계통의 안정도를 향상 시킬 수 있고 교류계통 고장 시

 인접 연결 계통으로 사고가 확산되는 것을 막을 수 있다. 최근에 미국 동부에서 발생했던 대규모 정전 사태는

HVDC를 사용하게 되면 한쪽 편의 사고가 다른 편으로 전전파 되는 것을 막을 수 있게 된다. 예를 들어서 미국 텍사스

주는 미국의 다른 지역과 HVDC를 통해서 연결 되기 때문에 다른 지역의 사고나 고장으로부터 자유로운 상황이 된다.

우리 나라의 경우에는 남한에서 북한에 전기를 공급하는 경우에는 전압, 주파수가 모두 다르고 북한의 전기 품질이

 좋지 않기 때문에 남한의 전기 품질을 유지 시키면서 북한에 전기를 공급할 수 있는 최상의 방안은 HVDC를

사용하는 것이다.

다섯째, 송전거리에 대한 제약이 없고, 특히 500km가 넘는 육지 전력전송이나 40km가 넘는 해저를 통한 전력전송에

있어서 교류송전에 비해 직류송전 방식이 건설비가 저렴하다. 최근의 중국, 인도 등의 경우에는 발전소와 전기 사용자

사이의 거리가 1000km 이상이 되기 때문에 HVDC 보급이 급속하게 확장되고 있는 실정이다.

여섯째, 교류송전 방식에 비해 송전선로의 전자파 발생이 줄어 통신선 및 각종 기기에 발생하는 오 동작 및 잡음을

줄일 수 있다.

현재는 독일의 지멘스나 스웨덴의 ABB사가 전세계 HVDC시장의 대부분을 장악하고 있으며 이들 회사는 이미

40~50년 전부터 HVDC기술을 상용화하여 세계 각국에 시스템을 건설해 왔다. 우리나라는 1998년

AREVA(구 ALSTOM)사를 통하여 제주와 해남 사이에 30만 kW급 HVDC를 설치하여 현재 운영 중에 있다.

또한 AREVA사를 통하여 올해 초 제주-진도간 20만kW급 HVDC시스템 건설을 시작하여 2011년 준공을 목표로

진행 중에 있다. 그러나 아직까지 국내의 자체 기술로 HVDC 시스템을 설계하여 건설한 경험은

전혀 없는 상태이다.

 

향후 DC송·배전 활용 전망

 

l 일반 가정과 사무실로의 직류 송전

최근 반도체 소자의 눈부신 발전으로 인하여 우리가 가정이나 사무실에 사용하는 대부분의 가전기기나 설비들이

교류를 공급 받아서 직류로 만든 다음에 다양한 형태의 교류로 만들어 주는 인버터를 사용하고 있다. 특히 디지털

사회로의 변화된 환경에 의해 우리가 일반적으로 생활에 쓰고 있는 오디오, TV, 컴퓨터 등 대부분의 전기

제품이 제품 내에서 직류를 사용하고 있고, 또한 최근에는 세탁기, 냉장고, 에어컨, 전기밥솥, 조명 등도 제품

 내부에서는 직류전원을 사용하여 고효율화를 추진하고 있는 추세이다. 현재 교류전용으로 분류되는 가전제품은

헤어드라이어, 선풍기, 기존 형광등, 백열전구 정도라 할 수 있을 정로로 우리 주변에는 직류가 교류보다

가까이 있다. 단지 100년 가까이 사용되어온 교류전기라는 습관에 갇혀 있어서 우리가 인식을 못하고 있을 뿐이다.

 현재의 교류 전기 공급 시스템을 계속하여 사용하였을 경우에는, 거의 모든 기기가 교류를 직류로 변환하는

장치들을 각 기기 내부에 장착하여 사용해야 하므로 이에 따른 에너지 손실 및 기기의 단가 상승이 발생하게 된다.

또한 전기 자동차의 보급 확대로 인하여 직류 충전 설비의 수요 증가가 예상되고 있으며, 일반 가정이나 사무실

또는 공장에 직접적으로 직류전원을 공급하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며 현재 일부 대용량

 데이터 컴퓨터 서버가 설치되어 있는 빌딩에서는 직류전기를 주 전원으로 사용한 배전이 이루어지고 있으며,

이러한 지역에서는 에너지 절약이 대규모로 이루어 지고 있는 상황이다. 이는 기존 직류 송전/배전의 한계이었던

직류전압의 크기를 높은 효율로 자유롭게 조정할 수 있는 기술들이 계속하여 개발되고 있기 때문이며, 향 후

디지털 사회로의 전이가 빠를수록 직류 송전/배전에 대한 수요가 폭발적으로 증가할 것이라 예상된다.

 

l 신재생 에너지 연계 대안

녹색성장을 위한 신재생에너지원의 보급 확대는 송전 과 배전 시스템의 안정성 확보를 필요로 하며,

최근 논의되고 있는 스마트 그리드의 필요 이유도 풍력발전을 비롯한 신재생에너지원의 가변적인

발전출력 문제를 전력망 차원에서 해결해 신재생 에너지원의 전력시스템 연계를 원활하게 하는 것이다.

HVDC를 통한 연계는 대규모 신재생 에너지원의 유연한 전력시스템 연계를 위한 현실적인 대안으로도

활용되고 있다. 예를 들어서 한국에서 풍력 자원이 가장 풍부한 제주도의 경에는 제주도에서 발전한

풍력 에너지를 육지로 송전하지 않으면 제주 계통에 문제가 생기기 때문에 제주에 세울 수 있는 풍력

단지의 규모가 제한을 받게 되기 때문에 이러한 경우에 제주와 육지를 연결하는 제3의 HVDC에 대한

 필요성이 크게 대두된다. 또한 육지에 비해서 상대적으로 풍력 에너지가 풍부한 해상 풍력발전단지는

점차 대형화되고 육지에서의 거리도 증가하는 추세에 있기 때문에 향후 해상 풍력발전단지의 전력전송을

위한 HVDC의 수요는 더욱 높아질 것으로 예상된다.

이와는 별도로 태양전지, 연료전지등과 같은 신 재생 에너지원은 발전 출력이 처음부터 직류이기 때문에

이러한 경우에 에너지 저장도 편리한 소규모 직류 배전 시스템이 주목을 받고 있다. 전기 사용자 근처에서

 발생한 직류를 사용자가 원하는 크기의 직류로 바꾸어서 직접 사용자에게 공급하게 되면 송전 관련 손실도

줄어들고 한전과 같은 전기 공급업자에 문제가 생겨도 사용자 자체로 전기를 조달하는 방안이 확보되는

 마이크로그리드에 관한 관심이 크게 고조되고 있는 상황이다.

 

l 남북한 계통 연결 시 최적 대안

지난 2005년 대북송전 논란이 사회적 이슈로 부상한 적이 있다. 어떻게 전력을 지원할 것이냐가 가장 큰

논란거리였는데, 그 대안이 바로 HVDC 방식이었다. 이는 북한의 전력계통의 경우 시스템 주파수가 일부

지역이 60Hz로 남한과 같아 AC로 연결하는 방식도 가능한 방법으로 보였지만, 북한의 전기 품질이 매우

불안해서 남북한 직접적인 AC 연결은 차후에 발생할 전력 불안정의 문제점을 사전에 차단하기 위해서는

 DC 전송이 최적 대안이었던 것이다. 특히 북한의 전력계통이 극심하게 불안한 상태에서 북한에서 전력계동

문제가 발생시 남한으로 파급될 수 있어 이에 대한 대비책이 반드시 필요하다. 따라서 일정한 전력을 공급할

수 있는 변환소를 설치, HVDC 방식으로 평양 또는 일정지역까지 전송하는 방안이 최적안으로 떠오르고 있다.

 

l 동북아 계통 연계 시 최적의 효과

전력수요는 세계적으로 증가하고 있다. 이러한 수요에 맞춰 전력을 안정적으로 공급하기 위해서는 저렴한 가격에

의한 1차 에너지원의 안정적 확보, 설비 예비력 및 운전 예비력을 확보할 수 있는 신규발전설비 건설, 적정한 수송과

배전 능력을 확보하기 위한 송·변·배전설비의 건설 등이 적기에 이뤄져야 하며, 이러한 과정에서 수반되는 생태계와

환경의 파괴 및 대기오염물질 배출을 최소화시킬 수 있는 방안을 강구해야 한다. 이 문제는 매우 해결하기 어려운

숙제이다. 그런데 국가간계통연계에 의해 전력을 융통함으로써 상호 호혜적으로 협력하는 것이 이 문제를 풀 수 있는

유력한 수단의 하나로 인식되고 있다.

러시아 ESI 및 미국 Nautilus Institute가 발표한 자료에서 보면 동북아시아의 국가간계통연계 시나리오에 대해

경제성과 환경측면의 효용성에 대해 고찰한 결과, 동북아시아 지역에서 ‘극동러시아∼북한∼남한’을 연결하는

연계계통이 이뤄질 경우 총 연간 23억 달러의 경제적 이득이 발생할 것으로 예상했다. 문제는 이를 연계할 기술인데,

 동북아시아지역의 국가간 계통연계를 고려하는 경우에 러시아와 중국의 계통주파수(50Hz)가 우리의

계통주파수(60Hz)와 다르고, 거리도 상당히 멀기 때문에 HVDC 송전방식이 최적의 대안으로 떠오르고 있다.

 

국내 HVDC기술의 개발이 필요성

전세계뿐만 아니라 지금까지 우리나라를 둘러싸고 있는 러시아, 중국 및 일본에 비하여 우리나라는 상대적으로

DC 송전분야의 기술수준이 매우 취약한 상태였으며, 이러한 상태에서 신재생 에너지 연계사업이나 동북아국가간

HVDC연계사업 등을 추진하게 되면 설계, 건설 및 운영 단계에서 우리의 입장은 치명적으로 약화될 수밖에 없는

실정이다. 이러한 상태가 지속될 경우, 세계적으로 시장이 빠른 속도로 신장되고 있는 HVDC 송전 관련기술을

개발할 수 있는 기회를 상실하게 될 것이 우려된다. 이에 2009년 11월30일 한국전력, LS산전, LS전선, 대한전선이

공동으로HVDC 국산화 기술개발 협동연구를 위한 양해각서(MOU)를 체결하고 HVDC핵심기술 개발과 사업화에

공동으로 노력하기로 하였다. 또한 2011년 12월까지 제주특별자치도내 ±80kV 60MW급 HVDC 실증단지를

구축하는 프로젝트를 착수하고, 변환 및 송전설비의 국산기자재 개발을 위한 협동연구를 진행하여 HVDC 기반

기술을 확보하여 독자적인 직류송전기술을 확보할 예정이다. 이를 계기로 하여 세계 HVDC시장으로 진출할 수 있는

교두보를 마련할 계획이다.

 

출처 : 엘지에프에이(주) DC Relay, LS산전, 태양광인버터,PLC,INVERTER

글쓴이 : 백인구 원글보기

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