전기 기본 이론 (2) - 전압 강하, 전력 손실

전압 강하(Voltage Drop)

발전소에서 우리의 집이나 사무실과 같은 사용지점까지 전기를 전송하는 과정에서, 전기는 전선을 통해 이동한다. 전선과 같은 전도체에는 기본적으로 저항이 존재한다. 이 저항은 전류가 직렬로 연결된 저항을 통과할 때마다 옴의 법칙($ V=IR $)에 따라 전압을 감소시키는 원인이 된다. 따라서, 직류(DC) 전기가 거리를 더 많이 이동할수록 저항으로 인한 전압 감소가 발생하여, 전력을 목적지까지 전송하는 과정에서 전압을 일정하게 유지하기가 어려워진다. 이러한 현상을 전압 강하라고 하며, 전력 전송의 효율성을 떨어뜨리는 자연스러운 과정이다.

 

만약 전압 강하가 심해진다면, 전자제품이 요구하는 전압보다 작아지고, 설계된대로 작동하기 어려워진다.

전력 손실(Power Loss)

전력은 전압과 전류의 곱($ P=VI $)으로 표현된다. 따라서 전압이 감소할 경우, 전력 손실이 비례하여 발생한다는 것을 알 수 있다. 전력 손실이 증가하면, 발전소에서는 더 많은 전력을 생산해야 하며, 이는 생산 비용의 상승으로 이어진다. 이러한 비용 상승은 결국 전기를 사용하는 모든 곳에 영향을 미치게 된다.

전압 강하와 전력 손실 예시

예를 들어, $ 110V $의 전압과 $ 1A $의 전류가 있는 전자제품이 있다고 가정해 볼 때, 제품은 $ 110W $의 전력을 사용($ P=VI, 110V \times 1A = 110W $)한다. 여기서 전선의 저항이 $ 1\Omega $라고 하면, 저항에 의한 전압 강하는 $ 1V $($ V=IR $, 즉, $ 1A \times 1\Omega = 1V $)가 된다. 따라서, 전압 강하 후 전압이 $ 109V $로 감소한다. 이를 통해 전자 제품이 받는 전력은 $ P=VI=109 \times 1 = 109W $이다.

 

이제 이 상황에서 전압을 $ 220V $로 승압했다고 가정해보자. 승압 후에도 동일한 전력($ 110W $)을 사용하는 전자제품에 전력을 공급하게 되면 전류의 양을 반으로 줄여 $ 0.5A $로 만들어야 한다($ P=VI, 110W = 220W \times 0.5A $). 이 경우 저항의 의한 전압 강하는 $ 0.5V $가 된다($ V=IR, 0.5A \times 1\Omega = 0.5V $). 따라서, 전압 강하 후 전압이 $ 219.5V $로 감소한다. 이를 통해 전자 제품이 받는 전력은 $ P=VI=219.5  \times 0.5 = 109.75W $이다.

 

승압을 통해 전압을 높이면 전류가 줄어들고, 이는 전력 손실을 줄이는 효과가 있다. 전력 손실을 최소화하고, 전기 생산 비용을 절감하는 것은 중요하다. 전압을 적절히 조절하는 것은 전력 전송 효율성을 높이고, 전체적인 에너지 비용을 줄이는데 중요하다.

 

줄의 1법칙에 의해 전력은 저항과 전류의 제곱을 곱한 값($ V=IR $, $ P=VI $이니 따라서 $ P = I^2R $)에 비례한다는 것을 알 수 있으며, 이는 전압을 2배 올리게 되면, 전압 강하는 1/2배, 전력 손실은 1/4배가 된다는 것을 알 수 있다.

 

 

References.

1. https://powerzone.co.kr/pst/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=5926155&t=board