11. 전압을 높이면 어떤 장점이 있는가?

11. 전압을 높이면 어떤 장점이 있는가?

전압을 높이면 더 효과적이라고 이야기한다.
어떤 점에서 효과적인지 확인해보자.

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(1) 전압을 높이면 전기를 더 많이, 멀리 보낼 수 있다.
(2) 전압을 높이면 손실을 줄일 수 있다.
(3) 단상전기에서 손실을 줄이는 추가적 방법
(4) 정리

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(1) 전압을 높이면 전기를 더 많이, 멀리 보낼 수 있다.

'전기'를 더 직관적으로 이해하기 위해서 '물'에 자주 비유한다.

전압은 수압에 비유할 수 있고
전류는 흐르는 물에 비유할 수 있다.

전선에서 전압, 전류 / 수도배관에서 수압, 물

수도배관의 입력부분에서 더 강한 수압으로 물을 밀어줄수록 더 많은 양의 물이 더 멀리 이동할 수 있다.

전선에서도 마찬가지이다. 더 강한 전압으로 전류를 밀어줄수록 더 많은 전류가 더 멀리 이동할 수 있다.

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(2) 전압을 높이면 손실을 줄일 수 있다.

전기압력이 높으면 전압이 높다라고 얘기하고
전압이 높으면 전기를 멀리, 많이 보낼 수 있다.

그런데 전압을 높이면 좋은 이유에는 물과 다른 개념이 하나 더 추가된다.

수도배관에서 물이 지나다니는 경우에는 수압이 낮더라도 배관에 구멍이 나지 않는 이상 손실이 거의 없다고 볼 수 있다.
그런데 전기는 전압의 크기가 전기의 손실과 직접적으로 연관되어 있다.
- 전압을 높이면 손실이 줄어든다.

왜 전압을 높이면 전기의 손실이 줄어들까?
아래의 예시를 통해서 확인해보자.

우리나라에서 1980년대까지 교류 110V 전기를 사용했다.
그리고 요즘에는 교류 220V 전기를 사용한다.
이 두 경우에서 발생하는 전기 손실의 차이를 확인해보면
전압이 높을수록 손실이 줄어듦을 확인할 수 있다.


아래 두 가정집은 전봇대의 주상변압기를 통해 낮춰진 전압의 전기를 받아 사용하고 있다.

교류 110V 전원 사용하는 가정집 / 교류 220V 전원 사용하는 가정집

왼쪽의 가정집은 110V 교류전기를 사용하기 때문에 주상변압기가 낮춘 110V의 전기를 받아서 사용하고 있고
오른쪽의 가정집은 220V 교류전기를 사용하기 때문에 주상변압기가 낮춘 220V의 전기를 받아 사용하고 있다.

두 가정집에는 TV, 에어컨 등의 부하에서 전력을 사용하고 있다.
이때 부하에서 사용하는 전력이 1000W로 동일하다고 해보자
그러면 AC 110V를 사용하는 가정집과 AC 220V를 사용하는 가정집에는 각각 몇 [A]의 전류가 흐르게 될까?

소비전력 공식에 따르면
소비전력(P) = 전압(V) x 전류(I)이다.

소비전력(P) = V x I 

흐르는 전류를 알기 위해서 이 식을 조금 바꿔보면
전류(I) = 소비전력(P) / 전압(V)이다.

그러면
왼쪽 집에 흐르는 전류는?
전류(I) = 1000 / 110 = 약 10[A] 전류

공급 전압이 110V이고 사용전력이 1000W일 때 흐르는 전류

오른쪽 집에 흐르는 전류는?
전류(I) = 1000 / 220 = 약 5[A] 전류

공급 전압이 220V이고 사용전력이 1000W일 때 흐르는 전류

교류 110V 에서는 1000W의 소비전력을 만들기 위해 10[A]의 전류가 흐르게 되고
교류 220V 에서는 1000W의 소비전력을 만들기 위해 5[A]의 전류가 흐른다.
즉, 같은 전력을 사용하는 상황에서
전압을 낮게하면 전류가 많이 흐르고
전압을 높게하면 전류가 덜 흐른다.



그러면 이때 두 가정집에서 발생하는 손실을 확인해보자.

전력손실공식에 따르면
전력손실P(loss) = (i^2) x R 이다.
공식을 보면 알 수 있듯이 전력손실은 전류의 제곱에 비례한다.

두 집이 사용하는 전압이 교류 110V, 220V라는 점 이외에는 같은 조건이라고 하기 위해
저항(R)을 1로 가정해보자.

110V 사용하는 집과 220V 사용하는 집의 손실전력 차이

그러면 두 집의 손실전력은
110V 집의 손실전력 = 10^2 x 1 = 100[W]
220V 집의 손실전력 = 5^2 x 1 = 25[W] 가 된다.

사용하는 전압이 110V -> 220V 로 높아졌더니
발생하는 전력손실은 100W -> 25W로 작아졌다.
즉, 더 높은 전압을 사용할수록 전력손실이 줄어든다.

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(3) 단상전기에서 손실을 줄이는 추가적 방법

단상 전기를 사용하고 있다고 할 때 전압 높이기 외에 손실을 줄일 수 있는 방법이 어떤 것이 있을까?
-> 역률인 cosθ를 개선하면 된다.
https://yyxx.tistory.com/197

6. 역률(Power Factor)이란 무엇인가?

단상전기를 사용한다고 하면
소비전력(P) = 전압(V) x 전류(I) x 역률(cosθ)
로 소비전력공식에 역률이 추가된다.

흐르는 전류를 확인하기 위해 식을 조금 바꿔보면
P = V·I·cosθ
-> I = P/ (V·cosθ)
단상일 때 흐르는 전류(I) = P/ (V·cosθ) 임을 알 수 있다.

단상전기에서 소비전력 P = VIcos세타

앞에서 봤던 손실전력 공식.
손실전력 P(loss) = (i^2) x R 이다.
이 식에 단상일 때 흐르는 전류 I = P/ (V·cosθ)를 대입하게 되면

단상전기에서 손실전력 P = (i^2)xR

손실전력 P(loss) = {(P^2)/((V·cosθ)^2)} x R 이다.

식을 보면 전기손실은 전압(V)의 제곱에 반비례해서 전압을 높이면 손실전력이 줄어든다.
또한 역률(cosθ)의 제곱에 반비례해서 역률을 높이면 손실전력이 줄어든다.

단상전기에서 전압을 높이면 손실전력이 줄어든다. / 단상전기에서 역률을 높이면 손실전력이 줄어든다. 

그러므로 손실전력을 줄이기 위해서는 전압을 높이고 역률을 크게 해야 함을 알 수 있다.

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(4) 정리

전압을 높인다고 무조건적으로 이득만 있지는 않다.
높아진 전압에 따라 더 많은 전자장이 인체에 해를 끼칠 수도 있고 절연계급도 높여야 하는 상황이 발생할 수 있다.
하지만 전압을 높이면 전류를 더 멀리 많이 보낼 수 있다. 특히 전력손실을 줄일 수 있다는 큰 장점이 있다.
전력손실을 줄이기 위해서는 전압을 높이거나 역률을 개선하면 된다.


※참고
소비전력(P) = 전압(V) x 전류(I)
손실전력 P(loss) = 전압(V) x 전류(I) = (I^2) x R

소비전력(P)과 손실전력P(loss) 식에서 전류(I)는 같은 값이고
소비전력(P)의 전압(V)은 송전단의 전압으로 보면 되고
손실전력P(loss)의 전압(V)은 손실부분(저항,리액턴스)의 전압이다. 저항, 리액턴스 각각의 전압을 구해서 손실전력을 계산하는 게 귀찮기 때문에 옴의 법칙 V = I x R을 P(loss) = 전압(V) x 전류(I)에 넣어서 (I^2) x R로 만들어줘서 계산.