송전 — 전기는 왜 높은 전압으로 보낼까

집의 콘센트에는 220 V 가 옵니다. 그런데 들판을 가로지르는 송전탑의 전선에는 수십만 V 가 걸려 있습니다. 발전소가 처음부터 220 V 로 만들어 보내면 변압기도 거대한 철탑도 필요 없을 텐데, 왜 굳이 위험할 만큼 높은 전압으로 올렸다가 다시 내릴까요. 답은 전선이 전기를 먹기 때문입니다. 송전은 그 손실과의 싸움이고, 전압을 올리는 것이 가장 싼 무기입니다.

전선은 전류의 제곱으로 열을 냅니다

발전소는 강과 바다 곁, 도시에서 멀리 있습니다. 전기는 수백 km 의 전선을 지나 오는데, 전선도 도체라 저항이 있습니다. 전류가 저항을 지나면 열이 나고, 그 열은 아무도 쓰지 못한 채 공기로 흩어집니다. 전선에서 잃는 전력은 전류의 제곱에 저항을 곱한 값입니다.

제곱이 핵심입니다. 전류가 2배면 손실은 4배, 10배면 100배입니다. 거꾸로 전류를 10분의 1 로 줄일 수 있으면 손실은 100분의 1 이 됩니다. 그런데 보내야 할 전력은 정해져 있습니다. 전력은 전압과 전류의 곱 $P = VI$ 이므로, 같은 전력을 보내면서 전류를 줄이려면 전압을 올리는 수밖에 없습니다.

전압을 10배로 올리면 전류는 10분의 1, 손실은 100분의 1 입니다. 전선을 굵게 해 저항을 줄이는 길도 있지만 저항은 굵기에 비례해 줄 뿐이고, 굵은 구리선은 비싸고 무거워 철탑이 더 커집니다. 전압을 올리는 쪽이 훨씬 싸게 손실을 줄입니다. 그래서 발전소에서 나온 전기는 바로 승압해 수십만 V 로 보내고, 도시에 와서 몇 단계로 강압해 220 V 로 내립니다.

변압기가 전압을 올리고 내립니다

전압을 바꾸는 장치가 변압기입니다. 철심에 코일 두 개를 감은 것인데, 1차 코일에 교류를 흘리면 철심 속 자기장이 쉬지 않고 바뀌고, 그 변화가 2차 코일에 전압을 유도합니다(전자기 유도). 두 코일의 감은 수의 비가 곧 전압의 비입니다.

2차 코일을 1차보다 10배 많이 감으면 전압은 10배가 되고, 전력이 같아야 하니 전류는 10분의 1 이 됩니다. 변압기는 전압을 올려 주지만 전력을 늘려 주지는 않습니다 — 에너지를 만드는 장치가 아니라 전압과 전류를 맞바꾸는 장치입니다. 자기장이 변해야 유도가 일어나므로 변압기는 교류에서만 작동하고, 우리가 교류로 발전하고 송전하는 큰 이유가 이것입니다(발전).

그래도 손실은 남습니다

전압을 아무리 올려도 전류가 0 이 되지는 않으니 손실은 남고, 전압이 너무 높으면 전선 둘레의 공기로 전기가 새어 나가는 손실이 늘어 무한정 올릴 수도 없습니다. 그래서 여러 길을 함께 씁니다. 전선을 알루미늄 합금으로 굵고 가볍게 만들고, 송전망을 거미줄처럼 얽어 한 길이 끊겨도 돌아가게 하며, 저항이 0 인 초전도 전선을 도시의 짧은 구간에 쓰기도 합니다. 가장 확실한 길은 발전소를 쓰는 곳 가까이 두어 거리 자체를 줄이는 것이고, 지붕 위 태양광이 그런 예입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 손실 전력 $P_{손실} = I^{2}R$. 전선의 전류 $I = P/V$ 이므로 $P_{손실} = \left(\dfrac{P}{V}\right)^{2} R$ — 송전 전압 $n$ 배 → 손실 $\dfrac{1}{n^{2}}$ 배.
• 전압을 올려도 보내는 전력은 그대로이고 전류가 줄어듭니다. 전류가 줄어 손실이 주는 것입니다.
• 변압기: $V_1 : V_2 = N_1 : N_2$, $I_1 : I_2 = N_2 : N_1$. 승압이면 2차 감은 수가 많고 전류는 작습니다.
• 변압기는 교류에서만. 전력을 늘리지 못하고, 실제로는 철심의 열로 조금 잃습니다.
• 전선을 굵게 하면 저항이 줄어 손실이 줄지만 굵기에 비례해서만 줄어듭니다. 전압은 제곱으로 듣습니다.
• 송전 과정 순서 — 발전소 → 승압 변압기 → 송전선 → 변전소(강압) → 배전선 → 주상 변압기 → 가정 220 V.

자주 헷갈리는 것

• "전압이 높으면 전력이 크다" — 보내는 전력은 발전소가 정합니다. 전압을 올리면 그만큼 전류가 줄 뿐입니다.
• "전압이 높으면 전선에서 열이 더 난다" — 전선의 열은 전선에 걸린 전압이 아니라 전선을 지나는 전류가 만듭니다. 송전 전압이 높을수록 전류가 작아 열이 줄어듭니다.
• "변압기로 전압을 올리면 에너지를 번다" — 전압이 오른 만큼 전류가 내려 전력은 같습니다. 공짜 에너지는 없습니다.
• "집까지 수십만 V 가 온다" — 집 앞 전봇대의 주상 변압기가 마지막으로 220 V 로 내립니다. 높은 전압은 송전탑 구간뿐입니다.

정리합니다. 전선은 저항이 있어 전류의 제곱에 비례해 전력을 열로 잃습니다. 같은 전력을 보낼 때 전압을 올리면 전류가 그만큼 줄어 손실이 제곱으로 줄기 때문에, 발전소는 변압기로 전압을 수십만 V 로 올려 보내고 도시에서 다시 220 V 로 내립니다. 변압기는 코일의 감은 수 비로 전압과 전류를 맞바꾸는 장치이지 전력을 늘리는 장치가 아닙니다.