오늘은 전기의 생산부터 우리들이 사용하는 콘센트까지 전기가 전달되는 과정에 대해 알아보도록 하겠다. 그 과정은 발전 → 송전 → 배전으로 불리며 아래에서 하나씩 원리를 알아보도록 하겠다.
1. 발전
발전은 전기를 생산하는 것이다. 흔히 말하는 발전소에서 이루어진다. 화력발전소는 석탄을 떼서 나오는 열로 물을 수증기로 만들면 그 수증기가 이동하는 힘으로 터빈을 돌린다. 그러면 터빈에 연결된 계자(전자석)도 동일하게 회전을 한다. 전자석이란 원통형의 철심에 전선을 바깥으로 감은 것을 말하는데, 여기에 전류를 흘리면 그 철심이 자석이 되어서 전자석이라고 불린다. 이렇게 만들어진 전자석이 터빈에 연결되어 회전을 하면 회전하는 자기장이 생성되는 것인데, 그렇게 되면 그 주변의 전선(전기자)에 기전력이 발생하여 전류가 흐른다. 패러데이의 전자유도 법칙이라고 한다. 전선이 폐회로를 이루고 있고, 그 폐회로 안의 자속밀도가 시간에 따라 변하면 전선 폐회로에 기전력이 발생하여 전류가 흐른다는 법칙이다. 이러한 과정으로 전기가 생성되는 것이다. 원자력발전도 동일한 원리이다. 핵분열 반응으로 발생한 열로 물을 수증기로 만들고, 그 후의 내용은 화력발전소와 동일하다. 수력발전소는 물이 위에서 아래로 떨어지는 힘을 이용해 터빈을 돌리는 것이다. 마찬가지로 터빈에 연결된 계자(전자석)가 회전하며 전자유도 법칙에 의해 기전력이 생성된다. 우리나라 화력발전소를 기준으로 생성된 전압(기전력)은 11kV 정도이다.
2. 송전
생성된 전기를 멀리 보내는 과정이다. 위의 발전 과정에서 보았듯이, 전기를 생성하려면 물이 많이 필요하다. 따라서 발전소는 주로 해안가 주변으로 많다. 여기서 생성된 전기를 전기 사용량이 많은 도심으로 보내야 하는데, 전압의 크기가 클수록 전력손실이 줄어든다. 따라서 위의 11kV를 먼저 변압기를 통해 765kV로 승압을 한다. 765kV를 장거리로 보낸 후 1차 변전소에서 먼저 345kV 혹은 154kV로 강압을 하고, 2차 변전소에서 22.9kV로 강압을 한다.
3. 배전
22.9kV로 강압되는 2차 변전소부터 배전선로라고 불린다. 아파트와 같은 큰 건물은 22.9kV를 건물 지하 전기실로 받아서 사용하고, 우리와 같은 가정집에는 22.9kV가 전봇대에 있는 주상변압기를 통해 220V로 변환되어 들어온다. 동네를 돌아다니면 전봇대와 전봇대를 잇는 전선들이 보이는데, 거기에 22.9kV의 전기가 통하고 있다고 보면 된다.
4. 콘센트
집에 있는 콘센트에는 220V의 전기가 형성되어 있다. 이것은 교류전원인데, 교류전원이란 시간에 따라 전압의 크기가 달라지는 것이다. 콘센트에 있는 하나의 구멍(A라고 하자.)은 접지가 되어 전위가 0V이다. 다른 구멍(B)의 전위가 -220V와 +220V 사이 값으로 계속적으로 변하는 것이다. 땅은 0V이다. 따라서 A에 손을 댔을 때는 내 몸을 사이에 두고 양 측의 전위차가 없기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 반면에 B에 손을 댔을 때는 B와 땅 사이에 전위차가 있기 때문에 내 몸을 통해 전류가 흐른다. 여기서 A를 중성선, B를 전력선(핫라인)이라고 한다. 하지만 어떠한 구멍이 0V 전위인지 알 수 없으니 절대로 손을 대서는 안 된다. 또한 접지가 제대로 되지 않아서 0V가 아닐 수도 있으니 절대로 손을 대서는 안 된다. 다른 이야기로는 요즘 나오는 콘센트에는 접지극이 있다. 또한 우리가 사용하는 제품의 플러그에도 기기 외함과 연결된 접지극이 있다. 따라서 제품 플러그를 콘센트에 연결하여 사용 중 문제가 생겨서 제품 외함에 전기가 흘렀을 때, 손으로 제품 외함을 만지면 다행히 내 몸으로 전류가 흐르지 않고, 플러그 접지극 → 콘센트 접지극 → 건물 밑에 연결된 접지봉을 통해 대지로 전류가 흐르게 된다.
※ 참고사항
1) 발전은 3상 동기발전기로, 3상 4 선식 Y 결선을 이용한다. → 절연 용이, 이상전압 대책 용이, 고조파 발생 차단
2) 송전은 전력손실을 최소화하기 위해 3상 3 선식 델타 결선을 이용한다.
3) 위의 22.9kV는 선간전압이다. 배전선로에서는 경제성(전선 사용량)을 위해 3상 4 선식 Y 결선을 이용한다.
4) 수용가에서 전기기기를 많이 사용하면 부하전류가 증가한다. 그러면 변압기에서 에너지보존법칙에 의해 1차 측에도 더 큰 전류가 흐른다. 결국에 발전기에서 더 많은 전류가 흐르게 되며 이를 막기 위한 방향으로 역기전력이 발생하여 회전속도가 줄어든다. 하지만 회전속도를 유지해야 동일한 60Hz의 전기를 생산하기 때문에 외부의 힘을 가해 터빈의 속도를 일정하게 유지시킨다.