교류(전기)
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전하의 방향이 주기적으로 바뀌는 전력.
'''초록색''' 선인 Alternating이 교류이다. 한마디로 +-로 전하의 극이 주기적으로 바뀌는 전력을 말한다. 나머지는 극이 바뀌지 않거나 주기가 없으므로 교류가 아니다.
1. 개요
'''교류'''(交流)란 전류 방식 중 하나로, 영어로는 '''A'''lternating '''C'''urrent 줄여서 '''"AC"'''라고 부른다. 교류 현상을 처음으로 발견한 것은 마이클 패러데이이며, 교류 발전기 고안자는 니콜라 테슬라가 아니라 그에 비해 잘 알려지지 않은 프랑스의 과학자 루시앙 골라르드(Lucien Gaulard)와 영국의 존 기브스(John Gibbs). 테슬라는 조지 웨스팅하우스와 함께 이걸 '''실용적인 목적으로 발전시키는 데 지대한 공헌을 했다.'''
회전운동으로 생산되는 전기는 전부 교류라고 보면 된다. 직류 발전기의 경우도 일단 교류를 출력시킨 다음 그 교류 전기의 한쪽의 방향을 바꾸어 직류로 변환하는 구조이다.
2. 장점
'''변압기를 통해 쉽게 전압을 바꿀 수 있다는 엄청난 장점이 있다.''' 덤으로 직류에 비해서 도선의 전기적 부식이 적다. 이는 도선 전체에서 전하가 흐르는 직류와 달리 교류는 후술될 주파수가 높아질수록 전선의 가장자리로만 흐르려는 특성이 있기 때문. 때문에 도선의 중심을 철로 보강하고 가장자리만 구리나 알루미늄과 같이 전도도가 높은 소재로 도선을 만드는 방식인 ACSR(Aluminium Conductor Steel Reinforced, 강심 연알루미늄선)이라는 방식이 사용되기도 한다. 이 동일 단면적의 전선에서 직류보다 송전용량이 많이 줄어드는 단점도 동시에 가진다.
또한 열의 형태로 전력을 낭비하는 저항기 대신 인덕터를 이용해 전류를 제한 가능하며 같은 전압일 때 아크가 쉽게 생성되지 않아 작은 스위치로도 회로 차단이 용이하다. 반면 직류의 경우 전압이 0이 되는 부분이 없어 전류가 끊기지 않기 때문에 아크가 쉽게 발생한다.
2.1. 고효율 송전
우리가 사용하는 각종 전자기기가 대부분 직류 전기를 사용하지만, 정작 공급받는 전기가 교류인 가장 큰 이유는 송전 효율 때문이다. 더 정확하게 말하자면, 직류 대비 변압 효율이 굉장히 좋기 때문.
매우 먼 거리로 전기를 보내야 하는 경우, 전선도 수백 km 단위로 엄청나게 길어지며 자연스럽게 저항도 늘어나게 된다. 저항이 커지면 줄의 법칙[1]에 의해 전력 손실이 커지고 전선 저항이 워낙에 크다 보니 전압 강하[2]가 너무 극심해서 220V로는 송전은 커녕 1A도 흘리기가 어려워진다. 이는 교류, 직류 무관하게 어떤 형태의 송전이든 일어나는 현상이다. 직류로 송전으로 해도 똑같이 초고압 송전이 필요하다. 줄의 법칙에 나와있듯, 전기가 열로 손실되는 과정에는 전류와 저항만 관여한다. 여기서 엔지니어들은 고민에 빠지게 된다. 저항을 줄이려면 전선의 재질을 저항이 더 낮은 재질로 교체하거나, 더 두꺼운 전선을 써야 하는데 저저항 물질은 대체로 고가(은, 금 등)라 교체비용이 부담스럽고, 길이가 길이다 보니 강도 문제 때문에 재질도 원하는 대로 선정할 수가 없다. 또 더 두꺼운 전선을 쓰기에는 중량 증가로 인해 전신주 부담이 너무 컸다. 때문에 전류를 줄이는 쪽으로 가게 되었는데, 그렇다고 쓰는 전기량을 줄일 수는 없으니 전류를 줄이는 대신 전압을 올리게 되었다. 전력(P) = 전압(V) x 전류(I)이므로 전류가 반으로 줄어도 전압이 2배로 커지면 전력은 같다. 전압을 2배로 올리면, 전류는 반으로 줄여도 같은 양의 전력을 보낼 수 있으며, 줄의 법칙에 의해 손실전력은 4분의 1로 줄어들고 당연히 전압 강하도 감소한다. 이 때문에 장거리 송전은 기본적으로 고전압으로 이루어지게 되었다.
따라서 가정까지 송전되는 전기는 기본적으로 초고압 전기이다. 직류 대비 교류 변압기는 구조가 간단하며, 신뢰도도 높고 고용량으로 변전할 수 있다. 교류 변압기의 기본 구조는 막말로 그냥 말아놓은 코일 두개만 붙여놓으면 될 정도로 매우 간단한 구조를 띄고 있다. 따라서 고전압 송전을 위해 교류 전력 송전을 택하게 되었다. 더 높은 전압으로 송전할수록 효율이 좋기 때문에 국내에서는 장거리 송전 시 최대 '''765kV(765,000V)'''까지 승압시켜 송전하고 있으며, 손실률은 불과 3% 전후라고 한다.
현재 각종 소자의 발달로 직류도 승압이 비교적 쉬워짐에 따라 교류처럼 무효전류와 각종 거지같은 비효율성으로 고통을 겪지 않는 HVDC(초고압직류송전)가 주목받고 있다. 그러나 아직은 초기 비용이 커서 송전거리가 어느 정도 있어야 교류 송전보다 이익이 있다.
2.2. 변압의 용이성
높은 전압이 송전에 유리하다 하더라도 변압이 어렵다면 상당히 곤란하다. 왜냐하면 송전시에 필요한 전압이 무지막지하게 높은 데다가 가정에다가 수십만볼트의 고압을 그냥 공급할 수는 없는 노릇이니 강압도 필요하기 때문이다. 그것도 그냥 강압만 되면 되는 게 아니다. 변전소 거쳐서 전봇대까지 내려왔다고 해서 전선저항이 어디 가는 게 아니기 때문에 최대한 집 앞까지 끌고 와서 강압을 해야 한다. 기껏 초고압으로 송전해 왔더니 배전하다가 다 날려먹을 수는 없는 노릇이니까. 전봇대 전압은 이런 현실적인 타협의 산물이다.
교류는 이런 송배전 시의 변압을 굉장히 쉽게 할 수 있는데 이 분야의 최고존엄인 교류 변압기가 있기 때문이다. 구조가 단순해서 값도 싸고 절연만 안 깨지면 거의 반영구적으로 써먹을 수 있을 뿐더러 과부하도 잘 버티고 외부 환경에도 강하다.
가정에서 받을 때에는 교류나 직류나 특별히 어느 쪽이 이득을 본다고 하긴 어렵다. 요즘은 전력소자가 발달해서 DC로 220V가 들어오더라도 원하는 전압으로 변압하는 건 초퍼제어 등을 통해 별 어려움 없이 할 수 있으므로 직류 가전제품도 만들려면 만들 수는 있기 때문이다. 대부분의 가전제품들이 교류를 요구하고 전봇대로 들어오는 전력도 교류이기 때문에 교류를 받을 뿐이다. 하지만 변압을 위해서는 어차피 한번 교류를 거치게 되긴 하므로 그냥 처음부터 전원이 교류로 와 주는 것이 부피를 줄이는데 더 유리하기도 하다.
2.3. 동력부하 사용의 용이성
회전운동에 의해 만들어진 전기이므로 회전운동을 하는 전동기를 돌리는 데 유용하다. 한 나라에서 사용하는 전기의 60% 정도가 동력 부하이다. 현대에는 인버터를 통한 주파수 제어가 가능하므로 저항으로 전기를 갖다 버리면서 속도 제어를 하는 직류 전동기보다는 효율이 좋다. 또한 3상 전동기의 경우 회전 자계를 얻기가 쉽기 때문에 기동기 없이도 쉽게 회전자계를 형성시킬 수 있다. 그리고 직류 전동기에 비해 교류를 사용하는 유도 전동기의 구조가 더 간단하다. 구조가 간단하다는 것은 그만큼 제작에 용이하며, 유지비가 적게 든다는 것을 의미한다. 그래서인지 전동차의 경우 (주파수 제어가 거의 불가능했던) 과거에는 저항 제어의 직류 전동차가 많이 생산되었지만, 요즘은 주로 유도전동기로 움직이는 전동차들이 생산된다. 심지어 직류를 수전받는 전동차도 인버터를 통해 교류로 변환한 다음 유도 전동기로 움직인다.
2.4. 간단한 발전기 구조
대부분의 발전기는 회전운동을 발전기에 이어서 발전한다. 화력발전소/원자력발전소는 증기로 터빈을 돌리고, 수력발전소는 물을 이용해서 수차를 돌리며, 풍력발전기는 바람으로 프로펠러를 돌린다. 이 모든 방법은 모두 회전 운동이 만들어 진다. 그리고, 이 회전축에 영구자석을 달고, 코일 속에서 회전시키면 그대로 교류 발전기가 만들어 진다. 직류 발전기 보다 훨씬 구조가 간단하며, 대형화하기가 쉽다. 간단하다는 것은 (상대적으로) 가격이 저렴하다는 것이며, 유지보수가 쉽다는 것을 의미한다.
3. 단점
교류가 흐르게 되면 도선 주위에 전자기장이 발생하여 유도 장애를 일으키게 되며 표피효과가 발생해 실제 저항이 커지면서 손실이 커지고 특히 리액턴스가 발생한다는 큰 문제점이 있다. 흔히 말하는 전자파가 전자기 유도 때문에 그렇다.
리액턴스는 교류에서 전압과 전류의 변화를 방해하는 현상인데 이로 인해 직류와는 달리 전압과 전류의 비례 관계가 깨진다. 교류에서는 이 문제가 크게 다가오는데 왜냐하면 전압이 항상 움직이고 있기 때문이다. 만약 전압에 비해 전류가 느리게 따라오게 되면 필요한 만큼의 전류를 끌어오기도 전에 전압의 극성이 바뀌어버려 원하는 만큼의 전력을 얻을 수 없게 되며, 결과적으로 가용 전력도 그만큼 줄어들게 된다.
그 밖의 단점으로는
- 교류는 주파수가 존재하기 때문에, 주파수가 다른 기기를 연결할 경우 출력 저하 또는 기기 수명에 영향을 줄 수 있다.
- 통신선에 유도장애를 불러 일으킬 수 있다.
- 무부하인 경우 정전용량의 증가로 전류가 역류하게 되는 패런티 현상을 일으킬 수 있다.
- 직류에는 없는 무효전력이란 존재 때문에 역률 개선 장치를 만들어야 한다. 한전에서도 역률 90%를 넘기는 조건으로 전기요금을 절감해 주고 있다.
- 역률을 과다 보상했을 경우 모선전압이 상승하는데, 이때 전압 상승으로 인해 이와 연결된 전기 기기들을 다 박살낼 우려가 있다. 잘못하면 고액의 소송사건에 휘말릴 수도 있다.
- 전기 저장(축적)이 불가능하다. 방향이 1초에 약 50 ~ 60번(100 ~ 120번)은 바뀌므로, 축전지 안으로 들어간 전류만큼 밖으로 나와버리기 때문이다! 저장하려면 정류하여 직류로 바꿔야 한다.
- 분명 극성은 없는데 실제 배전의 영역에선 사실 방향성이 있다. (...) 보통 상전압이 걸리는 활선과 상전압이 걸리지 않는 중성선으로 구분된다. 3상 전력을 쓴다면 R/S/T (퉁쳐서 하트라인), 그리고 N(중성선)으로 구분된다. 국가별 표준에 의하면 전선 색상으로 상을 구분하도록 되어 있지만, 이건 회로도를 봐도 헷갈리는 문제라서 뛰어난 전력기사들도 툭 하면 활선과 중성선을 바꿔먹기 일쑤. 당장 검상기를 하나 사다가 꽂아보면 역상으로 뜨는 곳이 한두곳이 아닐 것이다. 그 어떤 건물에서도 예외가 아니다. (...) 하지만 교류에 극성은 없는지라 보통은 별 문제가 없다. 보통은 문제가 생기더라도 간단히 해결되는 사소한 경우들이고 이것 이상의 문제가 생기면 그건 이미 정상적으로 전력을 쓸 수 없는 매우 심각한 문제. 활선을 중성선으로 착각하여 잘못 연결한 후 중성선 접지를 시행하면 큰 사고가 발생할 수 있다... 이건 교류의 특성 자체 때문. 실제로 220V 콘센트에 두 구멍 중 한 구멍에만 손가락만 집어넣으면 50% 확률로 감전된다. 활선은 +220V 전위를 가지고 있고, 중성선은 0V 전위를 가지고 있기 때문이다. 때문에 활선에 손가락을 집어넣는다면 감전되어 사망할 수 있다. 50% 확률이라도 절대 하지 말자. 다만 단상3선식 선로의 경우 양쪽 구멍과 접지부의 전압을 측정하면 모두 110V가 나오는 경우도 있다. 이 경우 100% 확률로 감전되긴 하지만, 상대적으로 전기충격의 강도가 덜하긴 하다. 이러한 형태는 주로 오래된 건물에서 볼 수 있는데, 과거 110V였던 곳에서 승압공사를 한 오래된 아파트나 주택에서 볼 수 있다. 단상3선식 선로의 경우 중성선을 접지하는데, 양쪽 활선간 전압은 220V이지만 각 활선과 중성 선간의 전압은 110V가 되기 때문이다. 단상3선식 선로는 센터탭이 있는 양파트랜스와 구조적으로 동일하다. 12-0-12 양파트랜스의 경우 12-0 간의 전압은 12V지만 12-12 간의 전압은 24V가 된다.
- 송전선 자체의 인덕턴스와 송전선과 대지 사이의 캐퍼시턴스의 영향으로 인해 수천 km 이상의 초장거리 송전이 어렵다. 특히 해저/지하 케이블의 경우 캐퍼시턴스가 일반 송전선에 비해 매우 커 송전 거리가 수십 km 이상 되면 무효 전력이 극심해진다. 이는 장거리 해저 송전이 대부분 직류 방식인 이유이다.
- 초전도 전선에서도 임피던스로 인한 저항을 받는다.
4. 사용
단점만 보면 쓸 이유가 없는 폐급 방식처럼 보이지만 대규모 송전에서 효율이 높기 때문에 이 분야에서는 거의 교류가 쓰인다.
전기철도는 직류가 쓰이기도 하고 교류가 쓰이기도 하는데, 직류 전기철도는 1880년대, 교류 전기철도는 1900년대에 처음 개발되었고, 서로 특징이 달라서 경우에 따라 직류전철화가 이루어지기도 하고 교류전철화가 이루어지기도 한다. 교류는 대규모 송전에 유리하므로 변전소를 많이 설치할 필요가 없고 대출력을 내기 유리하며 같은 출력에서라면 직류 모터보다 교류 모터가 효율이 높기에 배차간격이 길고 화물열차나 장거리 열차가 많은 노선과 고속철도에서는 교류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다. 반면 직류철도는 송전 문제로 변전소가 상대적으로 많이 필요하지만 직류 전동차가 교류 전동차에 비해 저렴하고, 교류 전기철도는 대체로 전압이 높아 절연 문제로 인해 터널이 직류 전기철도에 비해 커야 하기 때문에 배차간격이 짧은 도시철도 노선과 지하철에서 직류 전철화가 이루어지는 경향이 강하다. 분당선이나 과천선, 신분당선같이 지하 구간이 대부분임에도 교류 전철화된 경우는 고속철도를 빼면 전세계적으로도 찾기 힘들다. 하지만 요즈음에는 직류를 송전받는 전철이라 하더라도 (굳이 변환해서) 교류 농형 유도전동기를 사용한 VVVF 방식을 채용한다.
직류와 달리 시간에 따라 전류값이 변하므로 주파수로 이를 나타내는 표시를 해 주어야 한다. 전세계적으로는 50Hz가 대세이지만, 미국의 영향을 받은 나라들은 60Hz를 사용한다. 한국은 110V 60Hz에서 승압하여 220V 60Hz를 사용한다. 일본은 동부는 50Hz, 서부는 60Hz를 사용한다. 북한은 명목상 220V 60Hz를 사용하지만 실제 공급은 50Hz로 하는 곳이 많다.
5. 기타
직류와 교류가 동시기에 시장에 출시되었기 때문에 시장 주도권을 놓고 경쟁을 벌였다. 직류는 안전성을, 교류는 경제성을 강조했으며, 에디슨은 교류 방식의 전기는 위험하다고 선전하기 위해 '''최초로 교류식 사형의자를 발명했다.''' 그러나 사형수가 즉사하는 걸 보여주어 교류는 역시 위험하다고 선전하려던 에디슨의 기대에 어긋나게, 사형수는 쉽게 죽지 않았고 오히려 교류로 사람이 쉽게 죽지는 않는다는 걸 보여줬다.
다만 이것이 교류가 더 안전하다는 의미는 아니다. 사형수가 죽지 않은 이유는 에디슨의 사형 방식에 문제가 있었기 때문이다. 사형수의 손을 소금물에 담그고 그 소금물에 전류를 흘렸는데 당연히 소금물보다 인체의 저항이 더 크니 인체에 효과적으로 전류가 많이 흐를 수 있는 조건이 아니었던 것. 이후에는 제대로 인체 자체를 도선으로 쓰게끔 머리와 다리에 전극을 꽂았다고... 오히려 같은 조건에서는 교류가 더 위험하다. 왜냐하면 직류는 전류의 방향이 일정하므로 인체에 닿으면 근육이 수축만 하던지 이완만 하던지 둘 중 하나겠지만 교류의 경우는 계속 극을 바꿔 가면서 지져버리는 꼴이 되기 때문이다.
게다가 교류의 전압은 실효치(rms)로 계산되므로 최고 전압은 표기값(rms)보다 약 루트2배만큼 더 크다. 이런 위험성 때문에 교류의 고전압 기준은 직류에 비해서 약 100V 가량 더 낮다.
흔히들 실험에서 교류의 고통의 세기가 약하고 직류의 고통이 강한 이유는 표피효과 때문으로 교류의 경우 표피효과에 의해 주파수가 올라갈수록 몸 전체에서 피부쪽을 통해 전력이 전송되고 직류일경우는 표피효과가 없으므로 다이렉트로 근육을 표함은 전방위적으로 전력이 흘러 고통이 큰것이다 약 수메가이상의 주파수부터는 표피효과로 인해 심장으로 전류가 흐르지 않아서 큰 문제가 발생하지는 않으나 화상의 우려가 크므로 철저히 통제된 환경이 아니라면 절대 실험은 하지 말아야 한다