우리는 어딘가에서 전기를 사용하고자 한다면

가장 먼저 찾게 되는 것이 콘센트이다.

전기기구의 두 막대기를 콘센트 구멍에 꽂음으로써 전기기구를 동작시킬 수 있다.

이렇게 생긴 플러그의 경우 위 플러그와 비교하면 그 모양새가 좀 더 뚱뚱함을 알 수 있다.

이는 접지를 시키기 위해 빨간 동그라미 부분에 전기가 잘 통하는 금속 도체를 추가로 삽입했기 때문이다.

플러그의 접지 도체를

콘센트의 접지 도체에 연결시키고

콘센트의 접지 도체는

두꺼비집(분전반)에 있는 별도의 도체와 연결된다.

이 별도의 도체는 건물 외부 땅에 박혀있는 접지봉과 연결되어 결과적으로 땅과 연결된다.

접지는 접할 접, 땅 지의 한자로부터 땅과 접함, 즉 지구와 연결시키는 것이기 때문에 영어로는 ground, earth 라고 부른다.

땅은 0[V]로 기준이 되기에 좋기 때문에 누전이 일어날 경우 땅으로 흘러나갈 수 있다.

그래서 플러그와 콘센트의 접지 단자, 두꺼비집의 접지 도체, 땅과 연결되는 접지봉이 반드시 모두 있어야만 인간은 누전으로부터 보호될 수 있다.

도체에 전류가 들어오면 반드시 같은 양의 전류가 나가야 한다.

(키르히호프의 전류 법칙)

누전으로 인해 들어온 전류의 일부가 세어나가면 나가는 전류와 들어오는 전류가 달라지면서 두꺼비집에 있는 차단기가 동작된다.

결국 접지가 되어 있지 않으면 누전차단기의 존재도 무의미함을 뜻한다.

두꺼비집에 있는 녹색의 접지선이 하는 역할은 알겠는데 전기선은 어떨까?

우리가 건전지를 사용할 때면 초등학교 과학시간에도 배우듯이

건전지 양쪽 선이 반드시 존재해야 한다.

건전지에 양쪽 선이 있는 이유는 전자가 쉽게 이동하기 위함이다. 전자가 이동하면서 에너지를 방출한다.

왼쪽에 주황색과 파란색 도체가 건전지의 두 선이다.

그 두 선 사이에 차단기가 있고 오른쪽의 두 선이 건전지를 연결하게 하는 선이 된다고 볼 수 있다. 오른쪽의 두 선은 결국

콘센트의 양쪽 구멍이다.

이 양쪽 구멍 사이에 전구같은 것을 연결하면 전자가 이동할 수 있는 경로가 생기는 것이므로

플러그를 두 구멍에 넣음으로써 완성된다.

플러그가 아닌 젓가락을 꽂으면 죽어버리는 이유가 여기에서 알 수 있듯, 전자의 이동경로 자체가 젓가락을 꽂은 인간이 되어버리기 때문에 전자가 방출하는 에너지를 인간이 받게 된다.

그렇다면 차단기의 왼쪽 두 도체는 어디서 오는 것일까?

그것은 전봇대에 매달려 있는 변압기에서 온다.

변압기에서 나온 두 도체가 사실상 차단기 왼쪽의 두 도체가 된다.

변압기는 이름에서 알 수 있듯 전압을 변화시켜준다.

변압기는 차단기처럼 차단기의 왼쪽(입력)과 오른쪽(출력)이 있다. 입력의 전압과 출력의 전압을 바꿔준다.

지나가다 보이는 전봇대 가장 맨 위를 보면 빨간색처럼 거의 대부분 3개의 선이 나란히 가는데 이것이 변압기의 입력 역할이다. 빨간색 선을 변압기와 연결시켜주는 선이 주황색 선이다.

반면 전봇대의 아랫부분을 보면 파란색처럼 또 3개의 선이 나란히 가는데 이것이 변압기의 출력 역할이다. 파란색 선을 변압기와 연결시켜주는 선이 청록색 선이다.

아까 차단기의 입력 도체 2개가 변압기에서 온다고 했는데, 이 변압기의 출력 전선이 곧 차단기의 입력 도체가 된다.

그리고 빨간색 선과 파란색 선 사이에 연한 초록색 선 하나가 더 있는데 이것은 전압을 자유자재로 바꾸기 위한 선이다.

콘센트의 두 구멍 사이의 전압은 220V로 알고 있다.

위에서 전압을 자유자재로 바꾸기 위한 선이 있다고 했는데

사실 저 초록색 선과 파란선 3개 중 하나로부터 220V를 만든다.

그러니까 이 초록선과 파란선이 두꺼비집 차단기의 입력으로 간다. 파란선 두 선끼리는 380V이다. 220V보다 더 많은 전기를 필요로 하는 기계를 위한 것이다.

초록선과 파란선처럼 초록선과 빨간선도 구성할 수 있다.

초록선과 빨간선끼리는 13200V이고

빨간선끼리 두 선은 22900V이다. (전문용어로 소위 투투나인이라고 부른다)

초록선과 빨간선 및 빨간선과 빨간선이 변압기의 입력이 되고

초록선과 파란선 및 파란선과 파란선이 변압기의 출력이자 차단기의 입력이 된다.

요컨대 22900V 혹은 13200V를 대용량 전동기를 위한 380V 혹은 가정집을 위한 220V로 바꾸어주는 것이 변압기의 역할이 된다.

전봇대에 변압기를 메달아 놓기도 하지만 보다시피 선이 비교적 많기 때문에 하늘이 더러워보인다.

그래서 신도시의 경우

변압기를 땅 위에 올리고 전봇대 자체를 없애버린다.

그러면 일단 깔끔하다(?)

여기서 변압기 입출력선은 별 수 없이 땅에 묻게 된다.

미관상의 이유도 있지만 전력공급이 중요해서 보안을 필요로 하는 공공기관이나 군사시설에 쓰인다. 낙뢰로부터 비교적 보호되고 전력공급의 원천이 어디인지 파악하기 힘들기 때문이다.

전봇대나 땅 위에 올린 변압기나 분명히 인도에 있기 때문에 가령 차로 쳐버릴 수도 있다.

위에서 변압기의 출력이 두꺼비집의 입력으로 간다고 했는데

전봇대나 지상변압기를 차로 쳐버려서 변압기가 제 역할을 하지 못 하게 된다면 어떻게 될까?

당연하게도 변압기의 출력으로부터 전기를 공급받는 상가와 가정, 신호등마저 모두 정전이 된다.

마치 플러그를 뽑으면 선풍기가 돌아가지 않는 단순한 이유와 같다.

여기서 의문이 하나 든다.

변압기가 22900V -> 220V로 바꿔준다고 했는데

그냥 애초에 220V를 보내면 안 되느냐, 하는 것이다.

그럼 변압기도 쓸 필요 없지 않는가.

결론만 말하면 여기서 공학자들이 수학을 이용해 열로 빠져나가는 에너지를 최소화 시키는 방법으로서 전압을 높히면 된다는 것을 알게 된다.

즉 전력손실을 줄이기 위해 전압을 높히도록 변압기를 쓴다는 것이다.

수학은 노잼(?)이니 넘어가도록 한다.

변압기부터 가정으로 들어오는 전기의 흐름은 알게 됐다.

그럼 변압기의 입력(빨간선 3개)은 어디서 오는 것일까?

그것은 도시 외곽에 위치한 변전소로부터 온다.

그러니까 변전소의 출력이 곧 변압기의 입력이라고 볼 수 있다.

변전소가 하는 역할은 많지만 가장 핵심적인 것은 결국 변압기와 다름없다.

아까 전압을 높히면 열로 빠져나가는 에너지가 최소화 된다고 했기 때문에 높히면 높힐수록 좋다는 것을 알 수 있다.

따라서 변전소의 입력도 아까와 마찬가지로 굉장히 높은 전압, 소위 초고압이라고 부르는 765000V, 345000V, 154000V를 지닌다.

그러니까 변전소에 있는 변압기가 전압을 바꾸어 765kV, 345kV, 154kV -> 22.9kV가 되고

22.9kV의 전력선이 도시 한복판을 쭉 뻗어나가 변압기와 연결되는 셈이다.

220V도 충분히 죽어버릴 수 있는 전압이므로 그에 몇백배 되는 전압을 다루려면 각종 안전설비와 대정전(Black-out)을 최소화 하기 위한 대용량 차단기들, 전압과 주파수를 조절하기 위한 각종 장치들이 필요하다.

아까 전봇대와 지상변압기로부터 정전이 날 수 있다고 했는데

변전소도 마찬가지일까?

우리가 감명깊게 보았던 영화 너의 이름은, 의 하이라이트 장면이다.

여주인공 미츠하의 남사친(?)인 빡빡머리가 사람들을 대피시키기 위한 전략 중 하나로서 변전소를 다이너마이트로 폭발시킨다.

마을 전체가 Black-out 된다.

도시 전체의 전력계통을 하나의 변전소로만 구성시키지 않기 때문에

이는 다소 과장되어 있다고 볼 수 있기는 하지만 만화적 허용으로 연출시켰다고 생각할 수 있다.

변전소에서 전력공급이 중단되면 변압기보다 정전 범위가 분명히 확대될 것이므로

실제 여러 곳의 변전소는 서로 유기적으로 연결되어 있다.

하나의 변전소가 문제되면 다른 변전소에서 지장없이 공급하게 한다.

가정으로 보내는 변압기는 전봇대 위에서 선으로 대충 뻗어나간다.

이는 거리가 비교적 가깝기 때문에 가능하다.

그러나 변전소에서 나가는 전력선들은 그 범위가 도시 전체이므로 전력선이 굉장히 길어져야 한다.

또한 많은 양의 전력을 공급해야 하므로 수도관처럼 전선의 두께도 두꺼워진다.

곧 전선이 무거워 질 것이므로 중력에 의해 처지게 되고

바람, 눈, 비 등 기상상태로 전력선이 진동하거나 덥고 추워지는 기온에 의해 전선이 수축팽창하는 과정에서

드디어는 전력선 자체가 끊어져버릴 수도 있다.

따라서 적정한 전력선의 처짐(이도, Dip)을 지녀야 하는데

여러 요소들을 고안한 방법으로

송전탑(보낼 송)을 이용하게 된다.

즉 도시 외부에서 도시 외곽의 변전소까지 대부분 송전탑을 이용하게 된다. (대부분으로 표현한 이유는 아까 지상변압기처럼 애초에 송전 때부터 땅에 묻는 경우도 있기 때문이다. 서울과 부산같은 대도시가 345kV 지중송전선로의 그 예이다.)

그러니까 송전탑의 전력선은 우리 가정의 전선 220V와 달리 765kV, 345kV, 154kV를 지니고 있는 것이다.

일반적으로 전압이 높을수록 송전탑의 크기가 커져야 해서

(중력에 의한 전선의 장력, 높은 전압으로부터의 전기장에 의한 전력선 간의 합선 등을 극복해야 해서)

765kV의 송전선이 위치한 충청남도쪽 고속도로를 타면 보이는 송전탑의 경우

무시무시하다.

여기서 흥미로운 점은 전력선의 전압이 높기 때문에 그 근처의 전기장과 그에 따른 자기장도 강하다.

자기장은 다시 전기장을 유도한다.

이는 패러데이 법칙과 맥스웰 방정식으로부터 자기장을 매개로 하면 전력전달이 이루어 질 수 있음을 의미한다.

따라서 송전탑 아래에 형광등을 위치시키면

켜진다.

전력선에서 나오는 전자기장 때문에 통신선에 장해를 일으키고 통신선의 장해로부터 가정집의 가전제품까지 오동작이 발생할 수도 있다.

이때, 전자기장을 막기 위한 차폐선을 송전탑에 설치한다.

차폐선을 접지시켜 차폐선에 유도되는 전력을 아까의 누전처럼 대지로 흘려보내준다.

이쯤되면 떠오르는 이슈가 하나 있다.

송전탑의 전자기장으로부터 암이 유발된다는 논쟁이다.

결과적으로는 세계보건기구 WHO로부터 발표된 송전탑 자기장의 위험성이 인체에는 유의미한 영향을 끼치지 않는 것으로 학계에 알려져있다. 일반인 입장에서 봤을 때 자기장이 인체에 유해한지 입증하는 것은 사실상 매우 어려운 일이기 때문에 이들의 논쟁은 아직까지 해결되지 않고 있는 실정이다.

대한민국의 전력선 현황은 수 년마다 변화될 수 있지만 다음과 같다.

보라색 선이 765kV 송전선으로서 2002년에 한국전력과 효성중공업 등으로부터 첫 운전에 성공했다.

그림은 765와 345만 있지만 154까지 추가하면 전력망은 더욱 복잡하다.

참고로 제주도에도 전력을 공급해야 하므로 대륙과 섬 사이에 전력선이 있어야 하는데,

이 부분은 해저케이블로 깔았고

(송전선은 그 무게와 절연의 비용으로부터 벗어나기 위해 피복이 되지 않은 나전선을 이용한다. 하지만 바다에서 나전선을 이용한다는 것은 미친짓일 수밖에 없기 때문에 피복이 되어있는 케이블 사용이 불가피하다)

송전선이 매우 길기 때문에 전력손실을 최소화하는 방법으로서 교류방식이 아닌 직류방식을 택했다.

(범례에 DC ~ Cable이 그것을 의미한다. 전력선에 시간에 따라 삼각함수 형태로 계속해서 그 크기가 변하는 교류전류를 흘릴 경우 교류전류가 만드는 자기장이 교류전류를 만드는 교류전압을 방해함으로써 교류전압이 감소된다. 크기가 일정한 직류에서는 전압이 감소하지 않는다. 그럼에도 모든 전력선을 직류방식으로 택하지 않는 이유는 직류송전을 할 경우 교류를 직류로, 직류를 다시 교류로 변환해야 하는 장치가 별도로 필요하기 때문이다)

요컨대 송전탑(765,345) - 변전소 - 송전탑(345,154) - 변전소 - 배전선로(22.9) - 변압기 - 220V - 가정

(일반적으로 변전소를 2차까지 이용한다)

이라고 볼 수 있다.

변전소의 입력인 송전탑의 전력선으로부터 가정까지의 과정을 알게 됐다.

그렇다면 송전탑의 전력선은 어디서 오는 것일까?

독자들은 눈치챘겠지만 전력 생산의 근원인 발전소다.

(당진화력발전소)

자기장이 존재하는 곳에서 도체를 이동시키면 전기가 발생한다.

정지해 있는 도체에 자기장을 변화시키면 전기가 발생한다.

도체를 이동시키나 자기장을 변화시키나 동일하게 전기가 발생하는 것은 아인슈타인의 상대성 이론과도 관련이 깊다.

(실제로 아인슈타인의 특수상대성 이론 논문 맨 첫장에 맥스웰 방정식의 전자기학을 언급하기도 한다)

전기는 위에서 언급한 물리적 현상으로부터 여러가지 방식으로 만들어 질 수 있지만 현재 대한민국의 주축을 이루는 발전소에서 사용하는 발전기는 '동기발전기'로서

정지해 있는 도체에 자기장을 변화시키는 두번째 방식을 택했다.

(도체를 이동시키는 것보다 자기장을 변화시키는 것이 현실적으로 가능하기 때문이다. 도체나 자기장이나 초당 30~120번을 회전시켜야 하는 우리나라 전력 특성상 도체를 이동시키는 것은 기계적 응력, 구심력에 제약이 있기 때문이다)

A도체(이 도체는 위에서 언급한 도체가 아닌 순수하게 자기장을 만들기 위한 도체다. 영구자석은 비싸고 무겁기 때문에 도체에 전류를 흘림으로써 자기장이 만들어지는 소위 전자석을 이용한다)에 전류를 흘려 자기장이 만들어 진 상태에서 어떤 외부의 힘으로부터 A도체를 회전시키면 사실상 자기장이 회전한 것과 같고 자기장이 회전한다는 것은 자기장이 변화한다는 것을 의미하므로 이로부터 정지해 있는 또다른 B도체(이 도체가 위에서 언급한 정지해 있는 도체다)에 전기를 유도하는 방식이다.

여기서 말하는 '어떤 외부의 힘으로부터 회전'은 그 어떤 모든 것이 될 수 있는데 주로 물과 수증기를 이용한다.

물을 낙하시켜 물이 가진 위치에너지를 운동에너지로서 A도체를 회전시키면 수력발전이 되는 것이고

물을 끓여 얻은 증기가 고온고압에서 저온저압으로 이동하는 에너지(엔트로피)를 이용하여 A도체를 회전시키면 원자력과 화력발전이 된다.

(엄밀히는 기력발전이다. 증기를 이용하면 기력발전이고 가스를 이용하면 가스터빈발전이 된다. 이들을 합하여 화력발전으로 부른다)

위 두 그림에서 알 수 있듯, 발전기에서 만들어지는 전력을 송전탑에 보낸다.

그러나 발전기에서 만들어지는 전압은 23kV로 송전전압으로 이용하기에 비교적 낮아서 지금껏 말해왔던 변압기를 통해 전압을 매우 크게 상승시켜 송전한다. 따라서 발전소에는 발전기뿐만 아니라 승압용 변압기도 필수적으로 구비한다.

23kV -> 765,345kV

요컨대 이로부터

발전소(23), 변압기(765,345) - 송전선(765,345)

- 1차 변전소 - 송전선(345,154) - 2차 변전소 - 배전선로(22.9) - 변압기 - 인입선(220) - 가정

이라고 최종적으로 정리할 수 있겠다.

우리나라는 현재 원자력발전소와 화력발전소, 수력발전소가 주 축을 이루고 있다.

원자력발전소는 한 번 가동할 때와 정지시킬 때의 손실이 크므로 1년 365일 상시 가동한다. (엄밀히는 상시 가동하나 1년 6개월 주기로 핵연료를 재장전한다. 재장전할 때에도 정지시키지는 않는다) 따라서 원자력발전소를 항상 깔려있는 전력이라고 해서, 기저부하담당이라고 한다. 우리나라 전력의 20~30% 정도를 차지한다. 원전 1호기당 1.4GW 정도 된다. 이는 선풍기 4600만대를 동시에 돌릴 수 있는 전력이다.

원자력발전소의 상징처럼 보이는 그림의 원기둥 같은 곳은 핵분열이 일어나는 곳이 아닌 냉각탑이다.

실제 핵분열이 일어나는 곳은 옆에 있는 둥그런 돔 모양의 건물이다.

돔 모양인 이유는 혹시라도 발생할 방사능 유출을 막기 위한 5겹이자 120cm정도 되는 두께의 벽과 지진 및 쓰나미로부터 보호하기 위한 내진설계에 의한 것이다.

아치형태가 기하학적으로 가장 고강도를 지닐 수 있기 때문이다.

전시 상황 중 북 전투기가 들이받아도 돔에는 기스조차 나지 않는다.

화력발전소는 석탄, 석유, 천연가스를 산소로 태워서 얻는 열로 물을 끓이는 데에 이용하고 우리나라의 60~70% 전력을 차지하고 있다. 미들부하담당이라고 한다.

물을 끓여야 하므로 보일러설비가 필수적이다.

배기가스가 필연적으로 발생해서 이산화탄소가 배출될 수밖에 없고 알다시피 지구온난화의 주범이 된다.

따라서 배기가스에 내포되어 있는 기타 성분들은 집진장치로 포집하고 먼지가 제거된 순수 이산화탄소는 고체상태로 만들어 저장한다.

앞서 증기를 이용하면 기력발전(증기터빈발전), 가스를 이용하면 가스터빈발전이라고 해서 이 둘을 합해 화력발전이라고 한 바있다. 합 한다는 것은 포괄적으로 부르는 의미도 있지만 실제로 기력발전과 가스터빈발전을 결합하는 복합화력발전으로 주로 쓴다. 기력발전과 가스터빈발전을 각각으로 쓰면 효율이 떨어지기 때문이다. (화력발전은 기본적으로 효율이 좋지 않지만 그 자원이 비교적 저렴하기 때문에 이용한다)

물을 데우고 남는 열이 지역난방에 더러 이용되기도 한다.

(효율이 좋지 않기 때문에 어떻게든 악착같이 이용하려 한다)

수력발전소도 역시 아치형일수록 좋다. 물의 위치에너지를 사실상 그대로 발전기 돌리는 데에 사용하기 때문에 효율이 상당히 좋다. 수문을 열자마자 발전기가 즉각적으로 돌아가므로 여름철 전력사용량이 급증할 때 빠르게 대응이 가능해서 첨두부하담당이라고 부른다.

밤에는 낮보다 전력사용량이 현저히 적기 때문에 남는 전기로 물을 다시 끌어올린다. 끌어올릴 양, 물 수, 양수발전이라고 부르는 명칭이 여기서 왔다.

발전기가 밤에는 전동기 역할을 할 수 있게 설계된 것이다.

원자력발전과 화력발전을 제외한 신재생에너지와 수력발전이 전체 전력의 10% 정도를 차지한다.

이는 수력발전소를 건설할 부지가 이제는 대한민국에 많이 없기 때문이다. 앞으로도 증설될 가능성은 낮다.

그밖의 수소와 전자를 이온단위로 분리시키는 연료전지와 화력발전에 사용되는 석탄을 더 잘 연소시킬 수 있도록 다른형태로 바꾼 석탄액화, 석탄가스화 그리고 수소에너지를 이용한 신에너지발전과

태양의 직사광선을 반사판으로 한데 모아 물을 끓이는 태양열,

빛을 쏘아 전자가 튕겨나가는 광전효과를 이용한 태양광,

바람의 힘으로 블레이드를 회전시키는 풍력,

달과 지구의 만유인력으로 밀물과 썰물을 이용한 조류, 조력, 파력,

바다의 표층과 심층의 수온 차이로 끓는점이 낮은 암모니아와 프레온을 끓여 얻은 가스를 이용한 해양온도차,

바다의 염도에 따른 삼투압을 이용한 해양염분차를 비롯한

소수력, 지열, 해수양수, 해상풍력, 바이오매스, 폐기물에너지를 이용한 재생에너지발전이 있다.

이들을 합해 신재생에너지로 부르고 현재 정권의 결정으로부터 탄소저감을 위해 이산화탄소를 야기하는 화력발전의 비중을 줄이고 신재생에너지의 비중을 상승시키고자 한다.

이상으로 우리가 사용하는 콘센트 전기의 전 과정을 간단히 알아볼 수 있었다!