발전소에서 콘센트까지

발전소는 전기를 사용하는 사람들과 멀리 떨어져 있는 경우가 많습니다. 수력 댐은 산에 있고, 풍력 발전 단지는 바람이 많이 부는 곳에 있으며, 대형 발전소는 냉각을 위해 물이 있는 곳에 세워집니다. 수십 또는 수백 킬로미터에 걸쳐 전력을 전달할 무언가가 필요하고, 전선에서는 그중 일부가 열로 손실됩니다.

핵심 공식. 전력은 P = V × I, 즉 전압 곱하기 전류입니다. 전선에는 작은 저항 R이 있고, 그 전선을 흐르는 전류 I는 열로 전력을 손실시킵니다:

P_loss = I² × R

이제 중요한 방법을 알아봅시다. 일정한 전력 P를 전달하려면 높은 전압과 작은 전류를 사용하거나, 낮은 전압과 큰 전류를 사용할 수 있습니다. 손실은 I의 제곱에 따라 커지므로 전류가 작을 때 손실이 훨씬 줄어듭니다. 전압을 10배 높이면 같은 전력에서 전류는 10분의 1로 줄어들고, 손실은 100분의 1로 줄어듭니다.

계산 예시(가정한 직선). 총 저항이 10 Ω인 직선을 따라 100 MW를 보낸다고 합시다. 이는 단순화한 단일 회로 모델이며, 학습을 위한 수치입니다. 실제 3상 직선은 더 복잡합니다.

• 11 kV일 때: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9,091 A. 손실 = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW입니다. 보내려던 100 MW보다 더 많으므로 작동할 수 없습니다.
• 110 kV일 때: I ≈ 909 A. 손실 ≈ 909² × 10 ≈ 8.3 MW로, 약 8퍼센트입니다.
• 400 kV일 때: I = 250 A. 손실 = 250² × 10 = 0.625 MW로, 약 0.6퍼센트입니다.

그래서 긴 직선은 수백 킬로볼트의 전압으로 전력을 보냅니다.

전압은 어떻게 바꿀까요? 변압기를 사용합니다. 변압기는 하나의 철심에 감은 두 개의 전선 코일로 이루어져 있습니다. 첫 번째 코일에 흐르는 교류는 변화하는 자기 선속을 만들고, 이로 인해 두 번째 코일에 기전력(EMF)이 유도됩니다. 전압의 비는 코일 감은 수의 비와 같습니다: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. 변압기는 변화하는 선속이 있을 때만 작동하므로, 전력망에서는 교류(AC)를 사용합니다. (아주 길거나 해저에 설치된 일부 선로에는 전자 변환기를 사용하는 HVDC가 대신 쓰이기도 합니다.) 직접 코일을 감아 보고 싶다면 Field Lab에 변압기 실험대가 있습니다.

일반적인 단계 (전압은 국가마다 다릅니다):

• 발전기: 약 11~25 kV.
• 약 110~400 kV 이상인 송전 전압으로 높입니다.
• 배전 전압으로 낮춥니다. 보통 11~33 kV입니다.
• 다시 콘센트 전압으로 낮춥니다. 세계 여러 지역에서는 230 V, 북아메리카에서는 120 V입니다.

무엇이 손실될까요? 발전소 울타리에서 여러분의 콘센트까지 전체 경로를 따라 이동하는 동안, 많은 국가에서 전기의 약 5~10%가 손실되며 일부 지역에서는 더 많이 손실됩니다. 손실의 상당 부분은 고전압 선로가 아니라 저전압 지역 전선에서 발생합니다.