전압 강하 원인과 영향 (Feat. IEEE Red Book)

전압 강하란 저항을 직렬로 연결했을 때, 저항으로 전류가 흐를 때 전압이 감소하는 현상을 의미합니다. 따라서 저항이 있는 곳이면 전압 강하는 항상 발생하는데요. 오늘은 전압 강하의 원인과 전압 강하가 전력 기기에 미치는 영향에 대해 알아봅니다.

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전압 강하 원인

전압 강하는 저항에 전류가 흐르면 전압이 감소하는 현상입니다.

쉽게 이해하기 위해 예시를 하나 들어볼게요. 저는 빵을 만들어서 파는 사람입니다. 오늘 세 곳에서 제 빵을 주문했습니다. 첫 번째 집은 1개, 두 번째 집은 1개, 세 번째 집은 2개를 주문했네요. 총 4개의 빵을 만들어서 배달원에게 주었습니다. 배달원이 첫 번째 집과 두 번째 집까지는 무사히 배달을 마쳤는데요. 세 번째 집에 가는 도중에 너무 배가 고파서 걸을 수 없는 상황이 되었습니다. 그래서 배달원은 빵 1개를 먹었습니다. 결국 세 번째 집에서는 빵을 1개밖에 받을 수 없게 되었습니다. 세 번째 집에서 빵을 2개 받으려고 했으면, 제가 빵을 5개 만들었어야 했네요. 상식적이죠? 이게 전압 강하 설명의 전부입니다.

배달원이 배달을 하듯이 저항도 일을 합니다. 전기를 먹고 열을 내든 회전을 하든 어떤 형태의 일을 하게 되는데요. 배달원이 빵을 먹고 일을 했듯이, 저항은 전기를 먹고 일을 하는 것입니다. 여기서 전기를 먹는다는 표현을 사용했지만, 이걸 조금만 똑똑하게 표현하면 저항에 전류가 흐르면 전압을 사용하여 일을 하기 때문에 전압 강하가 발생한다고 하는 것입니다.

마지막 집까지 원하는 전압이 도달하기 위해서는, 전기를 보낼 때부터 전압이 떨어지는 것의 영향을 잘 고려해야 합니다. 전압을 더 크게 해서 전기를 보내면 마지막에 연결된 부하까지 전압이 충분히 걸릴 수 있다는 것입니다.

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전압 강하가 전력 기기에 미치는 영향

전기 기기의 단자 전압, 쉽게 말하면 부하(전기 기기)에서 측정 할 수 있는 말단 전압이 이 기기의 명판에 표시된 정격 전압과 차이가 나면 해당 기기의 성능, 수명에 좋지 않은 영향을 주게 됩니다. 그 영향은 기기의 종류와 특성, 명판에 표시된 정격과 얼마나 큰 차이가 나느냐에 따라 달라지게 됩니다. 기기를 만드는 제작자의 입장에서 기기의 성능 보장은 계통 자체의 정격 전압이 아닌 명판 전압을 기준으로 하고 있습니다.

1) 유도 전동기

전압 강하로 인해 유도 전동기, 모터에 정격 전압보다 낮은 전압이 걸리면 어떤 현상이 일어날까요? 명판에 표시된 전압보다 모터에 가해진 전압이 낮으면 기동 토크가 감소하고, 부하가 모두 걸렸을 때에는 전류가 증가하여 모터의 온도가 상승하게 됩니다.

반면, 명판에 표시된 정격 전압보다 모터에 인가된 전압이 높을 때에는 기동 토크와 기동 전류가 증가하고, 역률은 감소합니다. 기동 토크가 증가한다는 것은 기계적인 가속력을 증가 시키고, 기동 전류의 증가는 선로(케이블 등)의 전압 강하를 크게 만듭니다. 선로의 전압 강하가 크게 발생하면, 같은 선로에 연결되어 있던 다른 기기나 전등의 순간적인 전압 강하로 플리커 현상의 원인이 되기도 합니다. 일반적으로 모터에 인가된 전압이 명판에 표시된 전압보다 약간 높은 것이 모터 성능에 미치는 영향이 좋은 편입니다.

2) 형광등

형광등의 밝기는 대체로 형광등에 인가된 전압과 비례하는 모습을 보입니다. 전압이 1% 증가하면 밝기도 1% 증가하고, 전압이 1% 낮아지면 밝기도 1% 감소한다는 의미입니다. 발라스트가 전자로 된 형광등의 경우는, 전압 변동의 영향을 적게 받습니다. 그리고 일반적으로 형광등은 백열등에 비해 전압 변동에 대한 영향이 적습니다.

3) 캐패시터 (Capacitor)

캐패시터의 무효전력 출력은 전압의 제곱에 비례합니다. 즉, 전압이 10% 강하하면 무효전력은 19% 감소하고, 전압이 10% 상승하면 무효전력은 21% 증가합니다.

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결론

전압강하에 대한 내용은 IEEE Red Book에 자세하게 명기되어 있습니다. 전압강하가 전기기기에 미치는 영향에 대한 내용은 IEEE Red Book Chapter 3.5 Effect of voltage variations on low-voltage and medium-voltage utilization equipment의 내용을 요약한 것입니다. IEEE Red Book에는 유도 전동기, 형광등, 캐패시터 뿐만 아니라 동기 전동기, 백열등, HID 램프 등 다양한 저항 성분에 대한 내용이 포함되어 있습니다. 하지만 이번에는 우리가 주로 만나볼 수 있는 저항에 대해서만 설명 해 보았습니다.

중요한 저항 하나를 소개하지 않았는데요. 바로 케이블입니다. 케이블도 저항이기 때문에 전압강하가 발생합니다. 그래서 케이블 사이즈를 고려 할 때 허용전류 뿐만 아니라 전압강하도 고려해야 하는 것 중 하나입니다. 이 부분은 별도의 포스팅에서 더 자세하게 다루도록 하겠습니다.