테슬라와 에디슨의 전쟁이라고 볼 수 있는 '교류'와 '직류'방식, 사실 전기공학을 전공하신 분들 중에서도 간혹 교류와 직류를 명확히 구별해서 설명 못하는 경우가 왕왕 있습니다. 근데 절대 어렵게 생각할 필요 없이 이 사실 하나만 기억해두세요!
- 교류는 (+)와 (-)가 교번 하여 존재한다.
- 직류는 (+)뿐이거나 (-)뿐이다.※ (+) 와 (-)는 단지 방향을 나타낸다고 생각하면 될 것 같습니다.
(+)를 위라고 생각하고, (-)를 아래라고 생각한다면 교류는 양쪽 방향으로 모두 전기를 흘려보내고요. 직류는 한쪽 방향으로만 전기를 흘려보냅니다. 그래서 보통 배터리(Battery), 건전지 같은 경우가 대표적인 직류 에너지를 공급하는 전원인데요. 교류와 직류의 가장 일반적인 그래프를 보면 다음과 같습니다.
교류와 직류에 대한 기본적인 내용부터 살펴본 이유는요, 앞으로 다루게 될 송전방식에 있어서 기본이 되는 내용이기 때문입니다. 우리가 일반 가정집에서 콘센트로부터 사용하는 전기는 AC 전력(교류전력)입니다. 가정에서는 220V에 60Hz의 전기를 사용하고 있죠.
사실 거대한 시스템 중 하나인 전력계통을 운영함에 있어서 교류방식이 편리한 점이 많은 것은 사실입니다. 그래서 과거부터 AC계통을 주로 활용한 것이구요. 하지만 시대가 급변하고 있으며 전력계통에서 DC계통을 이용함에 따른 장점들이 부각되고 있습니다. 우리나라도 육지 전력계통과 제주 전력계통을 잇는 HVDC(High Voltage Direct Current) 선로가 있고, 곧 건설되어 운용하게 될 평택의 삼성 고덕단지도 당진화력발전단지로부터 HVDC를 통해 공급을 받게 될 겁니다.
그렇다면 교류방식과 직류방식에서의 각각의 장·단점이 있을테니 한 번 살펴보도록 하겠습니다.
◎ 교류 송전방식의 장점
- 변압기를 이용하여 전압의 변성이 쉽다.
변압기는 '렌츠의 법칙'과 '패러데이의 법칙'을 이용하여 만들어진 대표적인 전력설비 중 하나입니다. 자기장은 전류가 흐를 때에 전류 주변에 생성이 되는 것이며 이 자기장은 자속(Φ)이라고도 불립니다. 우리가 학창시절 물리시간이나 대학 전공에서 물리학, 전자기학을 배우면 가장 기본적으로 배우는 내용인 '플레밍의 오른나사법칙' 기억나시죠?
왼쪽의 그림과 같이 전류의 방향에 따라 자기장이 형성이 됩니다. 변압기 역시 이러한 원리를 이용하여 철심에 권선을 감아서 1차 권선에 전류(i1)가 흐르게 되면 권선에서 자기장이 형성이 되고, 철심(자속이 통과할 수 있는 통로 역할)을 통해서 2차 권선으로 자속이 유입이 되면서 렌츠의 법칙과 패러데이의 법칙을 통해 그림과 같이 전류(i2)가 흐르도록 기전력(e2)을 유기하게 되는 것입니다.
※ 추후 변압기에 대한 포스트를 따로 작성하여 게시해보도록 하겠습니다.
따라서 전압의 변성이 쉽다는 것은 결국 교류전기는 시간에 따라 값이 변하기 때문에 자속(Φ) 역시 시간에 따라 변화하는 값을 가지게 됩니다. 패러데이의 법칙은 자속이 시간에 따라 변화할 때에 전압이 유기된다는 것이기 때문에 변압기는 교류방식에서 전압의 변성이 쉽다는 장점이 있는 것이 되겠습니다.
- 3상 교류방식으로 3상 회전자계를 얻기 쉽다.
3상 회전자계의 원리는 글보다는 영상을 통해 이해하는 것이 빠르다고 생각이 됩니다. 제가 링크를 아래에 첨부해드리겠습니다. 대부분의 공장 및 가정집 등에서는 전등부하도 많지만 유도성부하 즉, 모터를 이용하는 곳도 상당히 많은데요. 유도전동기를 사용하기도 하고, 동기전동기를 사용하기도 하는데 이는 3상 교류전류로부터 얻을 수 있는 3상 회전자계를 통해서 전동기를 회전시킬 수 있기 때문에 교류방식은 이러한 점에서도 장점을 가지고 있습니다.
※ Rotating Magnetic Field & Synchronous Speed https://youtu.be/8XF-11MQGQ0
- 차단기의 영점 차단이 용이하다.
Circuit Breaker라고 하고 줄여서 CB라고 하는 차단기는 전력계통에서 아주 아주 중요한 역할을 하고 있습니다. 회로를 폐로(Close)하고 개로(Open)하는 역할을 하는데요. 가장 큰 기능은 바로 전력계통 고장 발생 시 차단기의 빠른 차단으로 인해 신속한 고장해소를 할 수 있다는 것이죠.
하지만 주목할 점은 이 차단기도 그냥 개방하고 싶을 때 개방하는 것이 아닌 전류가 가장 작은 지점에 도달했을 때에 개방을 한다는 점입니다. 이유는 전력계통에 흐르는 전류는 아주 큰 값이며 전류는 회로가 서로 연결되어 있지 않다고 해서 흐르지 않는 것이 아닙니다. 충분한 절연거리를 확보해야하는 것도 이러한 점 때문인데요. 즉, 개방이 되어도 충분한 거리가 확보되지 않는다면 주변공기들도 유도가 되면서 일종의 회로역할을 하게 되어 전류가 흐르게 되는 것이죠.
따라서 아무래도 빠른 시간에 가장 효율적으로 그리고 가장 안전하게 개방하기 위해서는 전류가 0인 지점에 가까워졌을 때에 개방하는 것이 이상적이겠죠. 따라서 영점 차단을 하게 되는 것입니다. 교류방식은 우리나라의 경우 60Hz의 주파수를 가지고 정현파의 형태를 그리며 전력이 공급되고 있기 때문에 영점 차단이 용이하다는 것입니다.
- 직류발전기보다 교류발전기의 구조가 간단하고 유지보수도 쉽다.
직류발전과 교류발전은 계자가 회전하느냐 전기자가 회전하느냐의 차이라고 볼 수 있겠습니다. 일반적으로 전력계통의 대부분의 발전소의 경우 교류발전을 채택하고 있는데요. 교류발전의 경우는 여자기(Exciter)로부터 계자전류를 공급받아서 전자석이 된 회전자를 연료를 태워서 보일러에서 물을 끓여 발생한 증기를 이용하여 터빈을 회전시켜 회전자가 회전하면 고정자에 있는 전기자권선에서 전류가 발생하고 계통에 전력공급이 됩니다. 직류발전의 경우 연료를 태워 얻은 증기로 터빈을 회전시켜 회전자가 회전할 때 이 회전자는 전기자권선이 회전하게 됩니다. 즉, 자기장을 제공하는 계자는 고정이 되어 있다는 것이죠. 하지만 전기자를 회전시키면 결국은 전류가 +와 -를 교번하는 전류가 생성이 될텐데 이러한 문제는 정류자(Commutator)가 해결해줍니다.
왼쪽의 그림을 봅시다. 정류자는 그림과 같이 두개의 반원으로 이루어져 있고, 정류자에는 전기자권선이 연결이 되어 있습니다. 연료를 태워서 터빈을 회전시키면 축이 회전하면서 정류자와 전기자권선이 자기장 내에서 회전하게 됩니다. 이 때 정류자가 잠시 끊기는 부분이 있는데 이 부분으로 인해 직류를 발생시킬 수 있게 되는 것입니다. 아래의 영상을 참고자료로 올려드립니다.
DC Motor의 원리에 관련된 영상이지만 반대로 생각해서 DC Motor에서는 전원을 공급하는 배터리가 직류발전에서는 전기자가 회전함으로써 전류를 얻게 된다고 생각하시면 될 것 같습니다.
※ DC Motor, How it works? https://youtu.be/LAtPHANEfQo
교류발전기의 경우에는 계자에 어떻게 직류인 계자전류가 공급이 되는지 간단히 살펴보도록 하겠습니다.
그림이 많이 허접합니다만 손으로 그린거라 양해부탁드립니다..^^;;
교류발전, 직류발전 모두 회전시키고 설비가 마모되는 것은 마찬가지일텐데 왜 교류발전이 유지보수가 용이할까? 이 부분에 대해서 저도 고민을 많이 해봤는데요. 더 정확한 답이 나오면 수정하거나 다시 포스트를 해서 작성할 수 있도록 하겠습니다.
우선 제가 도달한 답변은 아까 직류발전과 교류발전의 핵심 차이였던 전기자가 회전하느냐 계자가 회전하느냐의 차이라고 했습니다. 교류발전기의 경우에는 계자를 회전시키고, 계자에 공급되는 계자전류는 슬립링을 통해서 (+)에 대한 슬립링과 (-)에 대한 슬립링으로 구성되어 회전을 해도 직류인 계자전류를 공급할 수 있도록 구성되어 있습니다. 만약 발전기를 정밀점검하고 부품을 교체한다면 아무래도 교류발전기의 슬립링이 직류발전기의 정류자보다는 유지보수하기가 더 쉽고 구조적으로 간단해보이기 때문인 것 같습니다.
- 계통의 합리적인 운용이 가능하다.
이는 우리가 가정에서 사용하는 제품들과 공장에서 사용하는 설비들 대부분 교류전력을 이용하는 설비들이 많고, 발전에서부터 수용가까지 전과정을 교류방식으로 통일하면 전압의 변성이라던지 설비들의 사양 등 여러방면에서 일관적이고 경제적으로 계통을 운용할 수 있는 장점이 있습니다.
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