▲ 김영창 아주대 교수

전자기에너지는 전기를 발생하기 위해서 주로 2가지 방법으로 이용된다. 태양전지는 햇빛을 비추면 전자가 흐르는 특성을 가진 물질로 만들어 진다. 가장 일반적으로 전기를 만드는 장치인 발전기는 태양전지와 다르게 전자기에너지를 이용한다. 발전기는 전자기 유도(electromagnetic induction) 현상을 이용해서 전기를 생산한다. 이때에 전자기 유도는 전압을 형성하기 위해 자기(magnetism)를 이용한다. 그림에서 보는 바와 같이 도체를 자석의 양극 사이에 놓고 화살표 방향으로 움직이면 도체의 양단에 전압이 형성된다. 이것을 전자기유도(electro-magnetic induction)라고 하며 1831년 영국의 Michael Faraday가 이 사실을 발견하였다. 자석이 있는 경우에 주위에 자력선(magnetic line of force)이 형성되며, 눈에 보이지 않지만 자력선이 있다고 한다. 도체를 상하로 움직이면 도체는 점선으로 표시된 자속(magnetic flux)을 끊는다고 말하며, 수평으로 움직이면 자력선을 끊지 않는다. 도체의 양단의 전압은 도체를 빨리 움직일수록, 그리고 도체를 여러 겹으로 할수록 커진다.

이것이 전압이 발생하는 원리이다. 물론 이 때에 도체의 양단에 전구를 연결하면 불이 켜진다. 불이 계속 켜져 있도록 하려면 에너지를 계속 공급하여야 하며 사람이 움직일 경우 사람이 에너지를 공급하는 셈이다. 이 사실을 이용하여 발전의 원리를 설명하면 아래와 같다. 전압을 발생하는 코일을 자석의 둘레에 감고, 자석에 연결된 축을 회전하기 위해 터빈을 사용하며 터빈을 회전하기 위하여 기계적 에너지를 이용한다. 이 기계적 에너지를 제공하는 것이 화석연료, 우라늄, 바람, 물 등이다. 자석이 바깥에 있고 코일이 내부에 있는 것도 동일한 작용을 한다. 코일이 회전하면 도체가 자속을 끊게 되며 A와 B 사이에 전압이 발생하고 여기에 소비자의 부하를 연결하면 전류가 흐르고 전력에너지가 전달된다.

#전기의 이용 방법=우리는 도체를 통한 전자의 흐름이 전기라는 것을 알았다. 이제부터 논의하고자 하는 것은 움직이는 전자가 유용한 일을 수행한 것의 구체적인 효과를 논의하는 것이다. 이러한 효과라는 것에는 자기, 열, 그리고 빛 등이 있다. 전기를 이해하기 위해서는, 가스, 석탄, 그리고 휘발유 등과 달리, 전자는 가치를 창조하면서 소모되지 않는 점을 알아야 한다. 전자는 소멸하는 것이 아니라 흐름을 통해서 온갖 유용한 부산물을 만들어 낸다. 예를 들면, 빛은 전구의 텅스텐 필라멘트를 통해 전자를 이동시킴으로써 만들어 질 수 있다. 전자의 이동 즉 전류는 코일을 가열해서 빛을 내게 한다. 이것이 우리 가정에서 흔히 쓰는 백열등의 원리이다. 형광등은 다른 원리에 의해서 작동한다. 전류가 특정한 가스를 통해서 흐를 때, 가스는 자외선을 방출한다. 이 눈에 보이지 않는 자외선은 형광등 튜브 내면에 발라진 형광물질(phosphor)에 부딪쳐서 빛을 내게 한다. 움직이는 전자가 자기장을 형성하는 원리로 인해서 전동기를 사용할 수 있다.

전기가 유용한 일을 하는 데 사용되는 또 다른 방법은 전자의 흐름을 제어하는 원리를 이용하는 것이다. 우리는 전자의 이동을 제어할 수 있기 때문에 전자기기를 정보의 전달에 이용할 수 있다. 이것은 현대의 정보화 사회를 가능하게 하여 준 2 가지, 즉 트랜지스터와 마이크로 칩을 가능하게 하는 원리이다. 한 예로서 우리는 전자의 흐름을 특정한 방법으로 제어함으로써 0과 1의 숫자를 표현할 수 있고 이를 통해 정보화 사회가 가능해졌다.

유용한 일을 하는 데 필요한 전기의 양은 전자를 움직이는 데 필요한 에너지에 의해서 결정된다. 전력(electrical power)은 와트라는 단위로 측정한다. 1 watt는 1 Joule이라는 에너지를 1초 동안에 사용하는 율(rate)을 나타낸다. 백열등은 100W의 전력을 사용함에 반해 형광등은 동일한 밝기에 대해 40W만 사용한다. 이것이 백열등을 형광등으로 교체하는 이유이다. 여기에서 1000 watt는 이 전구가 1초 동안에 100 Joule의 에너지를 소비한다는 것을 말한다. 우리가 흔히 에너지라고 부르는 것은 어느 기간에 걸쳐 사용된 전력량을 의미한다(에너지=전력×시간). 즉 100와트의 전구를 한 시간 동안 사용하면 100와트시의 에너지를 소비한다.

한 회로 내에서 전압, 전류 및 전력의 관계는 다음의 수식과 같다.

1 와트 = 1 볼트×1 암페어

따라서 120V의 전압으로 200A의 전류가 가정으로 공급되는 경우 사용 가능한 전력은 다음과 같다.
전력(와트) = 120 V×200 A = 24,000 W = 24 kW

이 가정에 한 시간 동안 일정하게 200A의 전류가 흘렀다면 시간 당 24 kWh의 에너지를 사용한 것이며 1 kWh는 860 kcal이므로 860×24 = 20,640 kcal 의 에너지를 사용한 것이다.

여러분이 이미 알고 있듯이, 전기는 회로를 통해서 그것을 이용하는 장치로 전달된다. 만약 회로가 완성되지 않으면, 전자의 흐름은 중단된다. 따라서 배전계통 등의 모든 전기회로에서 전자는 발전기에서 출발해서 도체를 통하여 전기기기를 거쳐 다시 발전기로 돌아온다.

이제 여러분은 전류가 회로를 통해서 어떻게 흐르는지를 이해하고 있으므로 좀 더 복잡한 문제로 접근해 보자. 전류는 직류(Direct Current)와 교류(Alternating Current) 2 종류가 있다. 직류회로에서 전자는 한쪽 방향으로만 흐른다. 언제나 ?극에서 +극으로 흐른다. 교류회로에서는 전자가 한 극에서 다른 극으로 이동을 하고 다시 반대 방향으로 이동해서 원점으로 돌아옴으로써 1회의 운동을 완성한다.

이 1회의 운동을 사이클이라고 한다. 헤르츠(Hz)는 주파수(1 초 당 전압의 방향이 60번 바뀜을 의미함)를 측정하는 단위이다. 미국 전력계통의 정격 주파수는 60Hz이다. 하지만 모든 나라가 60Hz를 표준으로 삼고 있지는 않다. 유럽의 전력계통은 주파수가 50Hz이다. 주파수가 서로 다르기 때문에 미국에서 사용하던 회전기기(예: 전동기)를 영국에서 사용할 수 없으며 꼭 필요하다면 주파수를 변환하는 장치를 이용하여야 한다.

1)전기 운송계통의 주요 구성요소
이제는 여러분이 간단한 회로를 통해서 배운 것 가지고 전기가 어떻게 생산되어 소비자에게 전달되는지에 대해 알아보자. 전기의 운송계통은 기본적인 의미에서 크기가 매우 큰 회로일 뿐이다. 전자의 흐름(전류)은 발전기에서 시작된다. 전자는 송전선과 배전선의 도체를 통해서 소비자로 전송되고 다시 발전기로 반송된다. 그리고 회로를 완성하는 것은 에너지를 소비하는 수많은 전기기기들이다.

발전기에 의해서 만들어지는 전압은 일반적으로 수 천 볼트이다. 이 전압은 변압기에 의해서 송전을 위한 전압으로 승압된다. 일반적으로 전압을 높이는 변압기는 발전소에 위치한다. 높은 전압은 전기를 먼 거리에 전송하는 데 훨씬 더 효과적이기 때문에 승압변압기는 효율적인 송전에 도움이 된다. 그러나 높은 전압에서 흐르는 전류는 스파크를 발생하기 쉬우며, 인간에게 치명적으로 위험하다. 이 때문에 고압의 송전선은 높은 탑 위에 설치된다.

이렇게 고압으로 송전된 전기가 소비자의 전기사용 장소에 도달하면 보다 안전한 전압으로 낮추어진다. 이것은 배전 변전소에 있는 변압기에 의해 이루어진다. 그 다음에 전기는 가정의 배선에 도착할 때까지 낮은 전압으로 된 배전선로를 타고 여행을 계속한다. 전압은 종종 소비자 구내와 연결되는 지점에서 필요한 크기로  변환된다. 전자는 계량기를 통과하여 소비자의 옥내 배선을 거쳐 전기기기에서 에너지를 소비하고 다시 발전기로 돌아옴으로써 회로가 완성된다.

어떤 전기회로에서나 전자는 항상 근원인 발전기로 다시 돌아온다. 그래서 전자 자체는 소모되지 않는다. 전력계통에 에너지(천연가스, 석탄, 수력)를 계속 투입하는 이유는 전자의 이동을 계속 유지하기 위한 것이다.

(5회) 2) 전기의 운송계통의 물리적 성질
전기에 독특하게 존재하는 여러 가지 물리적 특성이 있다. 전기는 어느 것과도 유사하지 않는 매우 독특한 상품이다. 이러한 고유 특성을 이해하는 것이 왜 전력사업이 오늘날의 형태를 가지게 되었는지를 이해하는데 도움이 될 것이다.

#전기는 저장이 불가능하다=흐르는 전자를 저장하는 것은 쉽지 않다. 이는 곧 전력계통이 공급과 수요가 항상 일치하도록 운영되어야 한다는 것을 의미한다. 이것은 전기의 전파 속도가 빛의 속도와 같다는 것에도 기인한다. 현재 대규모의 전기 저장방법 중의 하나는 양수발전을 이용하는 것이다. 양수발전기는 낮은 곳에 있는 저수지의 물을 전기수요가 낮은 시간(주로 심야)에 높은 곳의 저수지에 펌핑하여 놓은 다음에, 전력수요가 많은 시간에 발전하는 방식이다. 이 방법은 첨두부하를 공급하는데 있어서 가스터빈과 같은 기동 정지가 용이한 발전기를 사용할 것인가 아니면 수요가 낮은 시간에 변동비가 낮은 기저부하용 발전기를 이용하여 물을 펌핑하여 놓고 부하가 높은 시간에 사용할 것인가에 대하여 비용을 비교하여 운전하는 것이다. 이와 유사한 전기 저장 방법은 전기를 이용하여 공기를 압축하여 저장하였다가 필요할 때에 발전에 사용하는 것이다. 전지도 전기를 저장하는 장치이지만 전력회사의 규모에 맞게 사용하는 데에는 아직 너무나 크기가 작다고 말할 수 있다.

만약 발전기의 출력의 합과 전력수요를 일치시키지 못하는 정도가 심하면, 즉 너무 급격하게 수요가 변동하거나 발전출력의 합계가 변화하면, 전체 전력계통이 붕괴(모든 발전기가 일시에 정지함)하여서 정전으로 이어질 수도 있다. 따라서 항상 수요와 공급을 일치하도록 하기 위해서 지속적인 감시와 조절이 필요하다.

#전기가 이동하는 경로를 통제하기 어렵다=전자는 물리학의 법칙에 따라서 저항이 가장 작은 경로를 스스로 찾아서 움직인다. 만약 저항이 가장 작은 경로가 송전선에서 비에 젖은 나뭇가지를 거쳐 땅에 이르는 경로라면 전류는 정확하게 땅으로 흘러 버리게 된다. 유사한 예로서 한 전력회사의 송전계통에서 다른 전력회사의 송전계통으로 연결된 경로가 저항이 가장 작은 경우, 전자는 이 경로를 통해서 더 많이 흐른다. 따라서 한 회사의 활동이 전자를 다른 회사의 송전계통으로 들어가게 하거나 반대로 다른 회사의 송전계통에서 나오게 하기 때문에 송전계통이 서로 연결된 전력회사는 전력계통을 운영할 때 긴밀하게 협조해야 한다.

#외부로부터 교란이 생기면 급속히 전파되고 통제하기 어렵다=전선에서 전류의 흐름은 빛의 속도인 1 초당 30만km로 이동한다. 그래서 비정상적 고전압의 갑작스런 발생이나 주파수가 정상 범위를 벗어나는 등의 어떠한 외란이 생기면 이것 역시 매우 빠른 속도로 전달된다. 이것이 오레곤 주에 있는 송전선로에 나무가 닿아서 전류가 땅으로 누전이 되면 순식간에 로스엔젤레스에서 정전 사태를 유발할 수도 있는 이유이다. 따라서 계통운영자는 서로 협조해야 할 뿐 아니라 상대방 전력회사의 계통운영에 관한 조치나 문제에 대해서도 즉각 대응할 수 있는 준비를 갖추어야 한다.

#정전, 전압이나 주파수의 심각한 변동은 허용되지 않는다=현대적인 전기적 제어와 마이크로 칩을 기반으로 한 장치의 출현으로 오늘날 전기소비는 순간적인 정전 또는 전압이나 주파수의 변동에 관대할 수 없다. 따라서 수요와 공급의 일치를 책임지고 있는 전력회사는 매일 시시각각 이것을 유지해야 하고 게다가 오차에 대한 허용범위를 준수해야 한다. 이상의 4 가지 물리적인 성질이 다른 형태의 에너지와 다른 점이다. 이러한 특성으로 인해서 전력사업은 중앙 집중적인 협조 기능(전력계통 운영)을 필수적으로 필요로 하며, 또한 다른 사업과 달리 복잡한 특성을 띠고 있다.

3) 전력사업의 주요 분야
지금까지 우리는 전기가 어떻게 생산되어 전달되고, 전기의 주요한 물리적 특성은 무엇인지에 대해서 살펴보았다. 우리는 이제 전력사업의 4개 분야에 대해 알아보기로 한다.

4 개 분야는 발전, 송전, 배전, 그리고 소비를 말한다. 이들은 또한 전력계통이라는 회로를 구성하는 4개의 구성요소이기도 하다. 발전, 송전 및 배전은 특정한 소비자에게 전력을 공급하기 위한 것이기 때문에 우선 전기 소비자에 대해서 논의할 것이다. 이어서 발전, 송전 그리고 배전 분야에 대해서 설명할 것이다.