최근 알게 된 전기에 대한 상식

일상에서 사용하는 전력의 원천은 대부분 교류전압이다. 그러나 초중고 과학 교과과정에서는 전기에 대한 지식을 대부분 직류에 한정해서 배우는 경향이 있다. 교류와 직류는 실제 사용 시 꽤 큰 차이가 있는데 제대로 배울 기회가 없다 보니 일상생활에서 교류를 직류처럼 대하다가 위험한 일을 겪을 수 있다.

 

최근에 교류전압에 대해 복잡한 전기 이론을 제외한 생활 밀접형 지식을 접하게 되어서 내가 알게 된 사실을 기록으로 남겨본다.

교류전압에 대해 호기심을 느끼게 된 계기는 이렇다.

얼마 전 방에서 쓰는 조명 램프 하나를 led로 교체하기로 했다. led제조사의 설명을 보니 호환되는 안정기를 사용해야 한다고 해서 안정기도 따로 구했다. 물건을 배송받고서 설치하기 전에 물건이 정상인지를 테스트하기 위해서 중간스위치를 넣은 전선에 안정기와 led램프를 연결한 후 콘센트에 플러그를 꽂았다. 스위치를 켜지 않았는데 led램프에 미세한 불빛이 보였다. 플러그를 반대로 꽂으니 미세한 불빛이 없어졌다. 콘센트는 교류전압인데 방향성이 있는 것이었다. 방에 안정기와 램프를 설치해 보니 스위치를 꺼도 미세한 불빛이 나왔다. 콘센트를 꽂는 방향에 따라 잔광 발생 여부가 결정되는 걸 확인했기 때문에 방의 전기공사가 잘못되었다는 사실을 알게 되었다. 그래서 교류전압에 대해 더 알고 싶다는 생각을 하게 되었다.

 

정보의 원천은 전기에 대한 지식을 쉽게 설명한 유튜브 영상과 인공지능 챗봇이다. 챗봇이 가끔 헛소리를 너무 그럴듯하게 해서 속기도 했지만 지금은 어느 정도 바로잡았다고 생각한다.

 

가장 중요한 것을 우선 말하겠다.

교류는 플러스 마이너스가 1초에 120번씩 바뀌고 (1 헤르츠당 2번 바뀜) 플러그를 아무 방향이나 꽂아도 기기는 잘 작동한다. 하지만 앞서 보았듯 전기 콘센트에는 엄연히 방향성이 있다.

전압이 있는 쪽을 활성선, 핫라인이라고 부르고 전압이 0인 쪽은 중성선, 콜드라인이라고 한다. 전기는 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흘러가기 때문에 전류는 활성선에서 중성선으로 흘러간다. 가정용 전기의 활성선은 220~230 볼트인데 사람의 몸과 사람의 발바닥이 접한 바닥은 0 볼트이기 때문에 활성선과 접촉하면 220 볼트의 전기는 사람의 손을 타고 0 볼트인 바닥으로 흘러간다. 사람의 몸에 전류가 흐르므로 감전이 된다. 직류전압과 비슷할 것으로 생각하고 양과 음이 만나지 않았으니 전류가 흐르지 않는다고 짐작하면서 활성선을 만지면 220 볼트가 사람 몸에는 꽤 아프다는 사실을 알게 된다. 반면 중성선은 0 볼트이므로 활성선과 연결이 끊어져 있는 상태에서는 만져도 감전이 되지 않는다.

그러므로 조명용 벽스위치를 시공할 때는 반드시 활성선에 스위치를 설치해야 한다. 만약 중성선에 스위치를 연결하면 등기구는 항상 활성선과 연결되어 스위치를 꺼도 잔광이 발생한다. 그리고 그런 상황에서 차단기를 내리지 않은 상태에서 등기구 교체를 시도하면 감전을 당하게 된다.

 

이런 지식을 몰랐을 때는 때때로 아무 문제도 안생겼었던 그 이전의 비슷한 상황을 떠올리면서 전깃줄을 만지다가 영문도 모르고 감전을 당하곤 했다. 그러면서 감전은 복불복이고 전기는 알 수 없는 무서운 것이라는 막연한 공포가 생겼다.

감전을 당하지 않기 위해서는 어떤 선이 활성선인지 알아야 한다. 검전기를 찍어서 알아보는 방법과 멀티테스터의 한쪽 전극을 손으로 잡고 다른 쪽 전극을 전선이나 콘센트에 대보고 측정된 전압을 보는 방법이 있다.

 

 

 

 

가장 중요한 설명은 끝났으니 그 원리를 내가 이해한 대로 정리해 보겠다.

발전소에서는 3상의 전류를 만들어낸다. 그 이유는 발전기의 회전축을 3방향의 코일이 둘러싸고 있기 때문이다. 하나의 코일에서 만들어내는 전류를 상이라고 한다. 정확한 설명은 아닐 수 있지만 내가 대략적으로 이해한 바로는 이렇게 표현하기로 하겠다.

 

교류전압은 코일에 자석이 붙었다 떨어질 때 오르내리는데 전압을 세로축 시간을 가로축으로 잡으면 사인곡선이다.

각각의 코일은 120도의 차이가 있고 자석이 붙었다 떨어지는 시간이 코일마다 각각 다르기 때문에 각각 상들은 회전속도의 1/3만큼 시차가 생긴다. 그래서 각 상들의 전압은 120도만큼 시차를 둔 3개의 사인곡선들로 표현할 수 있고 각 상들은 전위차가 생긴다.

 

전신주 최상단의 3개의 고압선에는 각각 22,900 볼트의 전기가 흐른다. 그것을 전신주 중간에 매달린 변압기에서 일반 용도로 전압을 강하하면 각 상은 220 볼트의 전위를 가진다. 따라서 0 볼트인 중성선과 하나의 상을 연결하면 220 볼트의 전압이 생긴다.

2개의 상은 220 볼트에 루트 3을 곱한 값인 380 볼트만큼 전위차가 있고 3상 전기의 전압은 380 볼트이다. 왜 루트 3만큼 전위차가 있는지를 설명하려면 벡터값 계산과 간단한 삼각형 그림이 몇개 필요한데 어떤 원리인지 알아듣기는 했지만 자신있게 설명하기는 어려워서 생략한다.

 

발전소의 전기는 3상으로 생산되어 3개의 고압선으로 송전되기 때문에 전신주에 매달려있는 변압기도 3개로 구성되어 있다. 그 변압기 중 하나의 상과 중성선을 연결하면 단상 2선식 전기가 되고 3상을 모두 사용하면 3상식 전기가 된다. 3선만 사용하면 3상 3선식 중성선까지 사용하면 3상 4선식 전기가 된다. 3상 3선식 전기는 380 볼트이고 3상 4선식은 각 상끼리 연결하면 380 볼트이고 하나의 상과 중성선을 연결하면 220 볼트가 된다.

 

일상에서 접하는 전기인 단상 2선을 기준으로 설명한다면, 하나의 상에서 출발해서 활성선을 거쳐 전기기구를 작동시킨 뒤 중성선으로 빠져나간 전류는 변압기의 중성점으로 돌아간다. 중성선이 0 볼트인 이유는 중성점이 0 볼트이기 때문이다.

 

중성점의 개념에 대해 인공지능이 헛소리를 해서 상당히 큰 오해를 했다. 인공지능이 설명하기로 중성점은 0 볼트인 땅으로 접지가 되어있어 전기에너지로 사용된 전류를 땅으로 흘려보낸다고 한다. 그러면 중성선을 중성점까지 연결할 것 없이 0 볼트인 접지봉으로 흘려버려도 괜찮지 않는가라고 물어보니 위험하니까 절대로 해서는 안된다고 말린다. 그래서 중성점이란 것을 전기회사가 안전을 위해 서비스차원에서 만들어준 엄청나게 거대하고 튼튼한 접지봉 같은 걸로 오해했었다. 그래서 인류는 엄청난 양의 전기를 사용하고 있는데 그 많은 전류들을 전부 지구가 받아내주는 것인지 물어보니 그렇다고 답한다. 그래서 그런 전류가 오랜 세월 누적되면 지구의 전위에 영향이 있는가를 물어보니 그런 전류는 열에너지가 되어서 소멸한다고 답했다. 중성점 근처의 토지에서는 감전 사고 우려가 있지 않을까라고 물어보니 중성점은 0 볼트니까 괜찮다고 답한다. 뭔가 찜찜한 구석이 있는 대답이었는데 그러려니 받아들이다가 다른 영상을 보고 그 답이 사실이 아닌 것을 알게 되었다.

 

중성점이란 전기회사가 안전을 위해 서비스차원에서 만들어준 엄청 큰 접지봉이 아니다. 3개의 상을 합치면 각각의 위상차가 평형을 이루어서 0 볼트가 되는데 그런 결선점이 중성점이다. 인공지능의 답변과 달리, 사용된 전류는 중성선을 타고 땅속으로 들어가서 열로 소멸되는 게 아니라 중성점에서 다시 각각의 상으로 돌아가서 활성선으로 흘러가게 된다.

이런 내용을 프롬프트에 입력하고 맞는가라고 물어보니 맞는다고 답한다. 한편 중성선에서 중성점으로 이끌려온 전류가 땅속으로 들어가서 열로 없어지는가라고 물으니 또 맞는다고 답한다. 왜 둘의 답변이 서로 다르냐 어떤게 맞느냐고 물으니 둘다 맞는다고 답한다. 이렇듯 인공지능에 의한 지식 습득은 아직 위험한 측면이 크다.

 

 

 

 

 

그 외에 부가적으로 알게 된 것들을 몇 가지 적어보겠다.

 

도체와 부도체는 상대적인 것이다. 부도체로 알려진 플라스틱도 초고전압에서는 도체처럼 될 수 있다. 예를 들어 220볼트 전압을 절연하는데 사용하는 피복으로는 수십만 볼트 고압선의 절연을 할 수 없다. 그런 경우 그 피복은 도체가 되어서 전류를 흘린다. 이는 옴의 법칙에 따른 것인데 저항이 고정되어 있다면 전압이 높을수록 전류도 커지기 때문이다. 초고압선과 가까운 거리에서 비접촉 감전이 될 수 있는 이유는 전압이 너무 높아서 일정 거리 내에서는 공기가 절연체에서 도체로 변하기 때문이다.

 

접지란 누설전류에 의한 감전을 막기 위한 것이다. 누설전류가 있는 기기를 사람이 만지게 되면 전류가 사람을 통해서 땅으로 흘러서 감전이 일어나게 된다. 접지선의 저항은 사람의 저항보다 작기 때문에 접지가 되어있다면 전기가 사람이 아닌 접지선을 타고 땅으로 흐르게 되어 사람은 감전을 당하지 않게 된다. 접지선은 구리나 스텐 아연으로 만든 접지봉에 연결하고 그 접지봉은 최소 0.75미터보다 깊은 땅속에 박아서 넣어야 한다. 집에 접지공사가 제대로 되어있는지를 쉽게 알 수 있는 방법은 다음과 같다. 컴퓨터 파워서플라이에 연결하는 선에는 구멍이 3개 있는데 가운데가 접지선이다. 멀티테스터를 AC로 설정하고 한쪽 전극을 가운데에 꽂는다. 그리고 나머지 선을 한 번씩 나머지 구멍에 번갈아서 꽂아본다. 수치가 크게 나온 쪽이 활성선이고 작게 나온 쪽이 중성선이다. 수치가 낮게 나온 쪽이 5 볼트가 넘는다면 접지가 제대로 되어있지 않는다고 보면 된다.

 

누설전류가 있는지를 알기 위해서는 메거(megger) 테스터가 필요하다. 절연저항 테스터라고도 한다. 누설전류가 있으면 배선의 저항이 엄청나게 커지기 때문에 200메가옴까지 측정할 수 있는 메거(메가라고 표시하기도 함) 테스터로 측정을 해야 한다고 한다. 메거테스터를 다룰 때 주의점은 리드선 전극에는 1000 볼트 전압이 있기 때문에 절대로 맨손으로 만져서는 안 된다는 점과 반드시 누전 감지는 반드시 차단기를 내리고 해야 한다는 점이다. 사용 방법과 그 원리를 이해한대로(틀릴 수도 있음) 설명하겠다. 누전 차단기를 내리고 메거 테스터의 검정색 리드선 전극을 접지선에 물린다. 빨간 리드선을 누전차단기의 각 선에 연결해본다. 메가 테스터는 고압의 전류를 흘려주는데 높은 전압 앞에서는 평소에는 부도체였던 절연제가 전류를 통과시킨다. 그렇게 누설된 전류는 접지선에서 감지된다. 절연이 잘 되어있다면 저항값이 아주 크게 측정되고 절연에 문제가 있거나 누전이 발생한다면 저항값이 낮게 측정된다.

 

누전차단기는 활선의 전류와 중성선의 전류의 차이를 자기장 강도로 비교해서 그 차이가 30밀리 암페어가 넘는 상황이 0.03초가 넘으면 누전으로 보고 차단을 한다. 30밀리 암페어로 설정되어 있는 이유는 30밀리 암페어가 인체로 흐르면 심장 마비로 죽을 수 있기 때문이라고 한다. 누전차단기는 누전을 차단할 뿐만 아니라 용량을 넘는 과전류를 차단하기도 한다.

 

전선이 끊어져서 땅에 닿는 것을 지락이라고 한다. 지락이 생기면 지표의 전위가 올라간다. 전선과 가까이 접한 지표의 전위가 높고 멀어질수록 전위가 낮아진다. 그래서 지락이 생긴 땅을 걸을 때 보폭을 너무 크게 하면 앞발과 뒷발의 전위차가 커져서 감전이 될 수 있다. 따라서 보폭을 줄여서 종종걸음으로 이동해야 한다.

 

활성선은 멀티테스터의 한쪽 전극으로 찍고 다른 쪽 전극을 손으로 잡거나 땅에 접촉시키면 쉽게 구별할 수 있다. 중성선과 접지선은 0 볼트이기 때문에 이론적으로는 그런 방법으로 둘을 구별할 수 없다. 하지만 현실에서는 다르다고 한다. 일단 접지선은 테스터 한쪽을 대고 나머지 한쪽을 땅에 접촉하면 0 볼트가 나온다. 반면에 같은 방법으로 중성선을 테스트하면 1 볼트 미만의 미세한 전압이 측정된다고 한다. 왜냐하면 중성선에도 전류가 존재하고 전선에는 저항이 존재하기 때문이다.

옴의 법칙에 따라 전류 = 전압 /  저항이다. 이 공식에 따르면 전류 > 0, 저항 > 0 인 상황에서 전압은 0보다 커야 한다.

 

오래된 건물은 단상인데 활성선이 2개인 곳도 있다. 이는 과거 110볼트에서 220볼트로 넘어가던 시절에 공사를 한 것인데 활성선1개와 중성선 1개를 연결하면 110볼트이고 활성선 2개를 연결하면 220볼트가 된다. 이를 단상 3선식이라고 한다. 활성선이 2개니까 2상이 아닌가 싶은데 인공지능에게 활인해보니 위상이 180도 차이가 나는 것은 직선이므로 같은 상으로보기 때문에 단상이라고 한다. 그렇다면 어떻게 위상이 180도 다른 전류를 만들어내는지 질문하니 변압기의 코일을 반대쪽으로 감으면 된다고 한다. 인공지능의 답변이기 때문에 맞는지 확신할 수는 없는데 검색해봐도 마땅히 검증할만한 지식을 찾지는 못했다. 단상3선식에서는 중성선이 끊어지면 활성선과 중성선으로 연결했던 라인에 활성선끼리 전류가 통하게 된다. 그러면 중성선과 활성선 사이에 물려놓은 110볼트짜리 기기에 220볼트가 흘러서 고장나기 때문에 중성선이 손상되지 않도록 특히 관리를 잘 해야 한다.

 

멀티테스터의 전류 측정 기능은 굳이 쓸 필요가 없다. 전류를 측정하기 위해서는 회로를 끊고 그 사이에 테스터를 끼워넣어야 하는데 그러려면 전선이나 부품의 파괴가 필요하다. 하지만 전압과 저항을 알고 있다면 옴의 법칙에 의해 굳이 측정을 하지 않아도 전류값을 계산해 낼 수 있기 때문에 회로의 파괴를 감수해야 하는 전류 측정기능은 필요가 없다.

 

3로 스위치와 4로 스위치에 대한 작동원리도 배웠는데 어떤 기능인지에 대해서만 설명하고 원리는 생략한다.

계단이나 복도에는 전등을 컨트롤할 수 있는 스위치가 여러 개 있다. 여러 개의 스위치 중에서 하나의 스위치만 조작하는 것으로 전등을 끄거나 켤 수 있는 곳이 있는데 그런 기능을 구현하기 위해서는 3로 스위치가 필요하다. 스위치의 개수가 2개라면 3로 스위치 2개, 스위치가 3개 이상이라면 3로 스위치 2개와 원하는 스위치 개수만큼 4로 스위치를 추가하면 된다. 평소에 그런 스위치들을 보면서 신기하다는 생각이 들고 그 작동 원리가 궁금했었는데 일반적인 스위치가 아니라 완전히 원리가 다른 부품을 사용했기 때문이라는 점을 알게 되었다.

 

 

 

 

 

 

마지막으로 인공지능에게 물어봤던 것들을 몇 가지 남겨본다.

Q. 땅의 전위가 0 볼트인 것은 우주의 표준인가 아니면 행성마다 다른데 지구의 전위를 0 볼트라고 사람이 임의적으로 정한 것인가?

A. 0 볼트는 지구의 전위가 0 볼트라고 사람이 정한 것이고 행성마다 차이가 있다. 행성의 자기력과 태양의 우주선에 의해서 목성의 전위는 400 볼트이고 화성의 전위는 마이너스 10 볼트이다.

 

Q. 지구에 있던 사람이 목성으로 순간이동하면 다른 위험성은 배제하기로 하고 400 볼트에 감전되나?

A. 목성으로 순간이동하면 400볼트에 감전된다.

 

Q. 지구와 같은 크기와 같은 질량인데 전위가 100볼트인 행성이 있다고 하자. 그 행성과 지구가 충돌하여 한덩어리가 되면 그 전위는 몇볼트가 되나?

A. 그런 건 다양한 요소들이 작용하기 때문에 복잡한 계산이 필요하고 구체적인 값을 알려줄 수 없다. 그러나 임의적으로 답하자면 엄청난 에너지가 발생했기 때문에 전위는 수백만 볼트 이상이 될 것이다.

 

Q. 지구의 자전속도가 느려지면 지구의 전위는 0볼트 아래로 내려가서 마이너스 볼트가 되나?

A. 지구의 전위에는 다양한 요소들이 작용해서 확답하기는 어렵지만 아마도 그럴 것이다.

 

Q. 송전용 고압선은 3상만 있고 중성선이 없나?

A. 그렇다.

 

Q. 새가 고압선에 앉아 있어도 감전되지 않는 것은 새의 몸이 0 볼트인 땅에 닿아있지 않기 때문인가?

A. 그렇다.

 

Q. 고압선에 앉아있는 새의 전위는 고압선의 전위와 같은가?

A. 그렇다.

 

Q. 사람이 사다리차를 타고 올라가서 고압선에 앉은 새를 붙잡으면 고압선과 새의 전위가 사람과 사다리의 전위인 0 볼트로 전류가 흘러서 새는 감전되나?

A. 그렇다. 하지 마라.

 

Q. 만약 사다리차를 타고 올라간 사람이 점프해서 새를 잡고 사다리차로 착지하지 않고 고압선에 매달리면 새도 사람도 감전을 당하지 않는가?

A. 그렇다. 그러나 하지 마라.

 

Q. 사다리차를 타고 올라간 사람이 점프해서 새를 잡고 나서 고압선과 접촉하지 않은 채로 사다리차로 착지하면 새도 사람도 감전을 당하지 않는가?

A.  그렇다. 그러나 하지 마라.