전압 강하
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1. 개요
전압 강하는 회로 내에서 전압이 감소하는 현상을 의미하며, 직류(DC) 및 교류(AC) 회로에서 각각 다른 요인에 의해 발생한다. 직류 회로에서는 옴의 법칙에 따라 저항에 의해 전압이 감소하며, 교류 회로에서는 임피던스, 즉 저항과 리액턴스에 의해 전압 강하가 일어난다. 다이오드와 같은 반도체 소자에서도 순방향 바이어스 시 전압 강하가 발생하며, 전력 전송선에서도 내부 저항에 의해 전압 강하가 발생하여 전력 효율을 감소시킨다. 대한민국 내선 규정은 전압 강하 계산식을 전선 길이에 따라 다르게 적용하며, 공연 공간 임시 전기 설비 지침은 특수한 부하 특성을 고려한 별도의 계산식을 사용한다. 전압 강하는 전기 설비 설계 및 안전과 관련된 중요한 요소이며, 전압 강하를 이용한 저항 측정 방법인 전압 강하법도 존재한다.
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| 전압 강하 | |
|---|---|
| 정의 | |
| 설명 | 회로에서 전류의 흐름에 따른 전기 퍼텐셜의 감소 |
| 영어 | Voltage drop (볼티지 드롭) |
| 관련 항목 | |
| 관련 용어 | 전압 강하 |
2. 저항성 DC 전압 강하
옴의 법칙에 따라 DC 전압 강하는 전류에 저항을 곱하여 구할 수 있다. 또한 키르히호프의 회로 법칙에 따르면, 모든 DC 회로에서 각 구성 요소에 걸리는 전압 강하의 합은 공급 전압과 같다.
교류 전압은 전류 흐름에 대한 두 번째 종류의 반대 작용인 리액턴스를 갖는다. 저항과 리액턴스의 합을 임피던스라고 한다.
P-n 접합은 다이오드와 트랜지스터에서 순방향 바이어스 시 특정한 전압 강하를 경험한다(다양한 반도체의 순방향 임계 전압 값은 Forward threshold voltage for various semiconductors 참조). 에너지는 광자를 통해 소산되는데, 발광 다이오드의 경우 방출되어 시각적으로 나타난다.[1]
옴의 법칙에 따르면 전류에 저항을 곱하면 직류(DC) 전압 강하를 계산할 수 있다. 또한 키르히호프의 회로 법칙에 따르면 모든 DC 회로에서 각 구성 요소에 걸리는 전압 강하의 합은 공급 전압과 같다.
내선 규정에서는 전압 강하 계산식을 제공하며, 간선 및 분기 회로에서 표준 전압의 2% 이하를 권고한다. 다만, 예외 규정이 존재한다.[1] 공연 공간 임시 전기 설비 지침에서는 내선 규정의 식과 다른 별도의 식을 제시하고 있으며, 전압 강하가 5%를 초과하는 경우 보정 대책을 취해야 한다고 명시되어 있다.
9볼트의 직류 전원을 가진 직류 회로를 생각해 보자. 67 옴, 100 옴, 470 옴의 저항 3개와 직렬 회로로 연결된 전구(부하)가 있다. DC 전원, 전선, 저항, 전구(부하)는 모두 저항을 가지며, 모두 공급된 에너지를 어느 정도 사용하고 소모한다. 이들의 물리적 특성이 얼마나 많은 에너지를 결정한다. 예를 들어, 도체의 DC 저항은 도체의 길이, 단면적, 재료 유형 및 온도에 따라 달라진다.
DC 전원과 첫 번째 저항(67옴) 사이의 전압을 측정하면, 첫 번째 저항의 전압 전위는 9볼트보다 약간 낮을 것이다. 전류는 DC 전원에서 첫 번째 저항으로 가는 도선(전선)을 통과한다. 이 과정에서 도선의 저항으로 인해 공급된 에너지의 일부가 "손실"(부하에 사용할 수 없음)된다. 전압 강하는 회로의 공급선과 리턴선 모두에 존재한다. 각 저항에 걸리는 전압 강하를 측정하면 측정값은 상당한 숫자가 될 것이다. 이는 저항이 사용하는 에너지를 나타낸다. 저항이 클수록 해당 저항이 사용하는 에너지가 많아지고 해당 저항에 걸리는 전압 강하가 커진다.[1]
3. 반응성 AC 전압 강하
전기 임피던스는 일반적으로 변수 ''Z''로 표시되며 특정 주파수에서 옴 단위로 측정된다. 전기 임피던스는 벡터 전기 저항, 커패시턴스 리액턴스, 인덕턴스 리액턴스의 합으로 계산된다.
교류 회로의 임피던스 양은 교류의 주파수와 전기 도체 및 전기적으로 절연된 요소(주변 요소 포함)의 자기 투자율에 따라 달라지며, 이는 크기 및 간격에 따라 달라진다.
직류 회로에 대한 옴의 법칙과 유사하게 전기 임피던스는 ''E'' = ''I'' ''Z''로 표현할 수 있다. 따라서 AC 회로의 전압 강하는 전류와 회로의 임피던스의 곱이다.
4. 다이오드 전압 강하
5. 전력 전송로에서의 전압 강하
전력 전송로(전등선)나 배터리 등의 전원에 존재하는 내부 저항에 의한 전압 강하는, 실제로 사용 가능한 전원 전압을 낮춘다. 이는 전력 기기의 안정적인 동작을 방해하고, 전력의 효율적인 사용을 저해하는 요인이 된다. 송전에서 매우 높은 전압을 사용하는 이유는, 전송로에서의 전압 강하가 흐르는 전류에 비례하고, 운반하는 전력은 전압과 전류의 곱에 비례하기 때문이다. 따라서 같은 전력을 운반한다면 전압이 높을수록 효율이 좋아진다.
6. 대한민국의 전압 강하 규정
6. 1. 내선 규정
내선 규정에서는 전압 강하 계산식을 다음과 같이 제시한다.
(1) 집합 주택의 간선 등, 전선 길이가 길고 대전류를 취급할 때 사용하는 식
: 전압 강하 e영어 = K1I(Rcosθr + Xsinθr)L
| 배선 방식 | K1 | 대상 전압 강하 |
|---|---|---|
| 단상 2선식 | 2 | 선간 |
| 단상 3선식 | 1 | 전압선－중성선 간 |
| 3상 3선식 | 선간 | |
| 3상 4선식 | 1 | 전압선－중성선 간 |
(2) 옥내 배선 등 비교적 전선 길이가 짧고, 전선이 가는 경우 등, 표피 효과나 근접 효과에 의한 도체 저항 값 증가분이나 리액턴스분을 무시해도 지장이 없는 경우에 사용하는 식
| 배선 방식 | 전압 강하 | 대상 전압 강하 |
|---|---|---|
| 단상 2선식 | 선간 | |
| 3상 3선식 | 선간 | |
| 단상 3선식 3상 4선식 | 전압선－중성선 간 |
- e영어: 전압 강하(V)
- I영어: 부하 전류(A)
- L영어: 선로 길이(m)
- A영어: 사용 전선의 단면적(mm2)
(각 상 평형의 경우, 전선의 전도율은 97%로 한다. 도체 온도 30℃)
이 식은 (1)에서 역률을 100%로 하고, 교류 도체 저항으로 17.241Ω·mm2/km (IACS: 국제 연동선 표준) × 97%를 대입하여, 3자리에 맞춰 반올림한 것에 해당한다.
저압 배선의 전압 강하는 권고치로, 간선, 분기 회로 각각 표준 전압의 2% 이하로 되어 있다. (예외 있음)
6. 2. 공연 공간 임시 전기 설비 지침
공연 공간 임시 전기 설비 지침에서는 공연 공간의 전기 설비가 내선 규정의 전압 강하 식의 전제가 성립하지 않는다고 보아, 별도의 식을 제시하고 있다. 그 이유는 다음과 같다.- 내선 규정은 IV선을 전제로 하지만, 공연 공간에서는 캡타이어 케이블을 사용한다. 캡타이어 케이블의 저항률은 21.25Ω·mm2/km (전도율 약 81.1%)이다.
- SCR 조광 회로나 컨덴서 입력 정류 회로에서는 파형이 정현파가 아니므로, 실제 부하에서 중성선 전류가 흐른다. 특히 삼상 4선식의 경우, 중성선 전류가 전압선의 전류를 초과하는 경우도 있어, 단상 3선식, 삼상 4선식도 단상 2선식과 같은 계수를 곱한다.
이러한 이유로 상설 설비에서도 문제가 되는데, 내선 규정에 따라 설치해도 예상보다 부하가 적어 전압 강하가 규정을 초과할 수 있다.
전압 강하(e) 계산식은 다음과 같다. (도체 온도 30℃ 기준)
- e: 전압 강하 (V)
- L: 선로의 길이 (m)
- A: 사용 전선의 단면적 (mm2)
- I: 부하 전류 (A)
| 배전 방식 | 전압 강하 (e) | 전압 강하가 5V가 되는 선로 길이 (L) |
|---|---|---|
| 단상 2선식, 단상 3선식, 삼상 4선식 | (e = 42.5 * L * I) / (1000 * A) | L = (117.5 * A) / I |
| 삼상 3선식 | (e = 36.8 * L * I) / (1000 * A) | L = (135.7 * A) / I |
공연 공간 임시 전기 설비에서는 전압 강하가 5%를 초과하는 경우 보정 대책을 세워야 한다. 단, 전원 전압 승압은 보정 대책에 포함되지 않는다.
7. 전압 강하법
전압 강하법은 전기 사업법 시행 규칙 제73조의 4에 규정된 사용 전 자체 검사 방법의 해석에 기재되어 있는 전압 강하를 이용한 저항 측정법이다.
접지 저항을 정확하게 측정할 때, 측정 보조 접지극(전류극, 전위극)의 간격을 크게 확보해야 한다. 그러나 접지 저항계로 간격을 너무 크게 잡으면 정확하게 측정할 수 없는 경우가 있는데, 이 경우 저항을 정확하게 측정할 때 사용된다.
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