교류는 왜 사용할까?

교류는 유도와전류로 인한 표피효과가 발생하여 열손실 등의 단점이 있는데 왜 사용할까?

전력 전송 시스템에서 직류($DC$) 대신 교류($AC$)를 주로 사용하는 가장 큰 이유는

전압 변환의 용이성과 송전 효율성 때문이다.

 

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전압 변압의 용이성 (Ease of Voltage Transformation)

 

교류는 변압기를 사용하여 전압을 아주 쉽게 높이거나 낮출 수 있다.

전자기 유도 원리를 이용하면 회전하는 기계적 장치 없이도 전압 조절이 가능하다.

가정용 변압기를 사용하도 220V를 110V로 낮추거나(강압), 반대로 110V를 220V로 높이는(승압) 것이 가능하다.

이는 교류 전기가 가진 '변압의 용이성' 때문으로 아주 간단한 구조의 장치만으로도 구현가능하다.

 

송전 효율과 에너지 손실 감소 (Transmission Efficiency and Reduced Energy Loss)

 

발전소에서 만든 전기를 아주 멀리 보낼 때, 전압이 높을수록 전선에서 열로 사라지는 에너지 손실이 줄어든다.

교류는 변압기를 통해 전압을 초고압으로 높여 멀리 보낸 뒤, 가정 근처에서 다시 안전한 전압으로 낮추기에 매우 유리하다.

 

발전기 및 모터의 구조 (Generator and Motor Design)

 

교류 발전기와 교류 모터는 직류 장치에 비해 구조가 더 단순하고 내구성이 뛰어나다.

특히 브러시가 없는 구조로 제작이 가능해 유지보수가 쉽고 수명이 길다.

 

현재 전력망의 표준은 교류이다. 이는 교류와 직류의 대중화를 놓고 대립할 당시 기술력으로 직류를 고압으로 변환하는 것이 매우 어려웠기 때문인 탓도 있다. 전선에서 사라지는 에너지 손실을 줄이려면 전압을 수만 볼트로 높여야 하는데, 과거에는 직류 전압을 높이거나 낮출 수 있는 효율적인 방법이 없었다.

 

최근에는 고압 직류 송전 기술이 발달하여 전력 손실을 더 줄여야 하는 특수 상황에서 직류를 사용하기도 한다. 약 400km 이상의 아주 먼 거리나 바다 밑 해저 케이블을 통해 전기를 보낼 때는 직류가 교류보다 에너지 손실이 적다. 국가 간 또는 지역 간에 서로 다른 주파수를 사용하는 전력망을 연결할 때* 직류 방식을 사용한다. 

 

* 전력망이 서로 연결되려면 마치 두 톱니바퀴가 맞물려 돌아가듯 주파수가 정확히 일치해야 한다. 만약 한국과 다른 주파수를 쓰는 지역을 그대로 연결하면, 위상 차이로 인해 거대한 단락(Short circuit) 사고가 발생하거나 발전기가 멈춰버릴 수 있다.

 

기술적으로 직류를 가정까지 보낼 수는 있지만, 전 세계 대부분의 가전제품, 전봇대, 변압기가 교류 시스템에 맞춰져 있어 이를 전부 바꾸는 데 막대한 비용이 들기 때문에 여전히 교류를 사용한다. 직류는 주파수가 0 Hz 이다. 방향이 바뀌지 않고 일정하게 흐르기 때문에 이를 이용해 일종의 변환 통로를 만들 수 있다.

 

그러나 전 세계의 전력망은 지난 100년 넘게 교류를 기준으로 설계되고 건설되어왔다. 전봇대, 변압기, 집안의 벽면 콘센트, 그리고 차단기 함까지 모두 교류 전용이므로 이를 직류로 바꾸려면 도시 전체의 전기 설비를 통째로 뜯어고쳐야 하는데, 그 비용과 혼란이 너무 크다. 또한 직류는 사고시 차단기를 만드는 것이 훨씬 복잡하기 때문에 현재 직류는 대규모 장거리 송전에서만 제한적으로 활용되고 있다.