전봇대 위 쓰레기통? 깡통? 정체 | AI 시대, 변압기가 주목받는 이유

Video: 전봇대 위 쓰레기통? 깡통? 정체 | AI 시대, 변압기가 주목받는 이유
Channel: 안될공학 - IT 테크 신기술
Duration: 10m 51s
Source: subtitle (auto, ko)
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길을 걷다 보면 전보대 위에 이상한 물체가 하나 보입니다. 회색이고 둥글고 금속 통처럼 생겼는데요. 멀리서 보면 진짜 쓰레기통 같기도 하고 커다란 페인트통 같기도 하고 드럼통을 매달아 놓은 것처럼 보이기도 합니다. 왜 저런 물체가 전보대 위에 매달려 있을까요? [음악] 사실이 물체의 정체는 대부분 주상 변합기입니다. 말 그대로 전보대 위에 설치된 변합기라는 말이죠. 그런데 이게 없다면 휴대폰 충전도, 에어컨도 컴퓨터도 냉장도, 냉동도 세탁도 제대로 할 수 없습니다. 우리는 보통 전기가 콘센트에서 나온다고 생각하죠. 스위치를 누르면 불이 켜지고 충전기를 꽂으면 휴대폰이 충전되고 에어컨을 켜면 시원한 바람이 나옵니다. 하지만 그 전기는 처음부터 우리 집에 딱 맞는 형태로 오는게 아닙니다. 발전소에서 만들어진 전기는 먼 거리를 이동해야 하기 때문에 아주 높은 전압으로 이동하는데요. 그 상태 그대로 우리 집에 들어오면 너무 위험하죠. 그래서 집 근처까지 온 고압 전기를 우리가 쓸 수 있는 전기로 낮춰 주는 장치가 필요한데요.

바로 그 역할을 하는 것이 전보대 위에 주상 변합기인 것이죠. 쉽게 말해 저 강통은 전기를 담아두는 통이 아니라 전기의 압력을 낮춰 주는 장치입니다. 아주 강한 압력으로 물이 지나가는 대형 수도관의 물을 그대로 집안 수도꼭지에 연결하면 물이 너무 세게 나와서 수도꼭지가 망가지거나 배관이 터질 수 있듯이 전기 역시 멀리 보낼 때는 높은 전압으로 보냈지만 집에서 쓸 때는 적당한 수준으로 낮춰야 하는 형태인 거죠. 주상 변합기는 바로 그 마지막 조절 장치라고 볼 수 있습니다. 여기서 자연스럽게 이런 질문이 생깁니다. 그럼 애초에 처음부터 220V로 보내면 되는 거 아닌가? 우리 집에서 220V를 쓰니까 발전소에서부터 220V로 만들어서 보내면 더 간단하지 않을까요? 그런데 그렇게 하면 전기 손실이 너무 커집니다.이 전기 손실이 너무나도 커지는 이유가 수학적으로 아주 깔끔하게 나와 있는데 잠깐만 참고 들어보세요. 중학교 과학 시간에 배웠던 오매 법칙에서는 전압은 전류 곱하기 저항이라고 말하죠. 전압은 전기를 밀어주는 힘이고 전류는 실제로 흐르는 전기의 양이고 저항은 그 흐름을 방해하는 정도이죠.

전선은 전기가 지나가는 길이지만 완전히 미끄러운 길은 아니기에 전선 안에도 아주 작은 저항이 있고 전류가 많이 흐를수록 그 저항 때문에 자연스럽게 열이 나기 마련입니다.이 열이 바로 전력 손실과 대응하는 것이며 최근 AI 데이터 센터를 비롯하여 GPU, CPU, HBM, LPDDR 등 수많은 전자 제품에서 열이 펄펄 끓는 이유가 다 전류가 흐르면서 저항에 따른 전력 손실이 발생하기 때문이죠. 전선에서 열로 사라지는 손실은 전력 손실이 저항에다가 전류의 제곱을 곱한 것과 같은데 여기서 중요한 건 전류가 그냥 한 번 들어가는게 아니라 제곱으로 들어간다는 점이죠. 전류가 두 배가 되면 손실은 두 배가 아니라네 배가 됩니다. 전류가 세 배가 되면 손실은 아홉 배가 되는 거죠. 그러니까 전기를 멀리 보낼 때 가장 무서운 건 전류인 것인데요. 전류가 많이 흐르면 전선이 뜨거워지고 그만큼 전기가 열로 낭비됩니다. 그래서 전력망은 먼 거리를 보낼 때 전압을 높이고 전류를 줄입으로써 전류에 의한 손실이 제곱으로 줄어들게끔 하는 거죠.

전력은 실제로 일을 하는 전기의 양인데 힘이 얼마나 세냐에 따라 전구만 겨우 켤 수도 있고 에어컨을 돌릴 수도 있겠죠. 전력이 전압 곱하기 전류로 표현되는데 예를 들어 1천이라는 전력을 보낸다고 하면 전압 100의 전류를 10을 보낼 수도 있고 전압 1천에 전류를 1을 보낼 수도 있는 겁니다. 둘 다 전력은 1천이죠. 하지만 전선에서 생기는 열 손실은 완전히 달라집니다. 왜냐하면 손실은 앞서 말씀드린 바와 같이 전류의 제곱에 비례하기 때문이죠. 전류 10이 흐르면 손실은 10의 제곱 즉 100에 비례합니다. 그런데 전류 1이 흐르면 손실은 1의 제곱 즉 1에 비례하죠. 같은 전력을 보내도 전압을 높이고 전류를 낮추면 전선에서 버리는 에너지가 확 줄어드는 겁니다. 이게 바로 전기를 멀리 보낼 때 높은 전압을 사용하는 이유 승합을 하는 이유입니다. 고압 송전은 위험해 보이지만 비효율적인 방식이 아니라 오히려 전기를 멀리 보내기 위한 가장 현실적이고 효율적인 방식이라는 거죠. 그러니까 발전소에서 만들어진 전기는 처음부터 우리 집 전압으로 오는게 아니라 먼거리로 보낼 때는 전압을 크게 올린 후 도시 근처로 오면 조금씩 낮추고 동네 근처로 오면 또 낮추고 그리고 마지막으로 우리 집 앞에서 한 번 더 낮추게 되는 거죠.

그 마지막 단계에 있는 대표적인 장치가 바로 전보대위 주상 변합기입니다. 그래서 저 깡통이 중요하다는 거죠. 변합기의 진짜 역할을 조금 더 정확히 말하면 전압과 전류의 비율을 바꾸는 장치라고 표현할 수 있는데요. 동일한 전력에서 전압을 올리면 전류는 줄어들고 전압을 낮추면 전류는 늘어나죠. 물론 실제 장비는 손실이 있겠지만 예를 들어 변합기에 들어오는 쪽에서 높은 전압과 낮은 전류로 전기가 들어왔다고 해보겠습니다. 변합기를 거쳐 나가는 쪽에서는 낮은 전압과 높은 전류의 형태가 됩니다. 그러니까 변합기는 전기를 없애거나 만들어내는 장치가 아닙니다. 전기의 총량을 크게 바꾸는게 아니라 전압가 전류의 조합을 바꿔 주는 장치라는 거죠. 마치 같은도 10만 원을 만 원짜리 열장으로 가지고 있을 수도 있고 1천짜리 100장으로 가지고 있을 수 있는 것처럼요. 그럼 저 깡통 안에는 뭐가 들어 있을까요? 겉으로 보면 그냥 금속 통입니다. 뚜껑이 있고 통이 있고 옆에는 이상한 부품들이 붙어 있습니다. 하지만 안쪽 구조를 보면 꽤 흥미로운데 주상 변합기 안에는 기본적으로 철심, 코일 절연류가 들어 있죠.

철심은 자기장이 지나가는 길이며 코일은 전압을 바꾸는 핵심 부품. 절연은 내부에서 전기가 세지 않게 봐주고 열을 시켜 주는 역할을 하는데요. 여기서 중요한 건 변합기가 전기를 무슨 칼로 잘라서 낮추는 장치가 아니라는 점입니다. 전압을 바꾸는 원리는 전작기 유도라고 부르는 분리 시간을 배운 현상을 이용한 것인데 고압 쪽 코일에 전기가 흐르면 자기장이 생기고 그 자기장이 철심을 타고 이동하면서 다른 쪽 코일에 영향을 주고 그러면 낮은 전압의 전기가 만들어집니다. 코일을 몇 번 감았는지에 따라 전압이 달라지죠. 그러니까 변합기는 아주 단순하게 말하면 감긴 횟수가 다른 코일 두 개를 이용해 전압과 전류의 비율을 바꾸는 장치인데 실제 변합기는 훨씬 복잡하고 정교해야 하는 것이 절연도 해야 하고 열도 관리해야 하고 비가 오고 눈이 와도 버텨야 하고 여름 폭염에도 견뎌야 하기 때문이죠. 그런데 왜 변악기는 네모난 박스가 아니라 둥근 깡통처럼 생긴 경우가 많을까요?이는 이는 내부에 절류가 들어가고 코일과 철심이 들어가야 하는데이 장치들을 안정적으로 담으면서 외부 환경을 견디려면 단단한 금속 외함이 필요한 것이죠.

또 원통형 구조는 압력이나 외부 충격을 비교적 고르게 분산하기 좋은데요. 비바람 온도 변화에도 버티면서 전보대 위에 오랫동안 매달려 있어야 하니까 구조적으로도 안정적이어야 하죠. 그리고 멀리서 보면 단순한 깡통 같지만 위쪽과 옆쪽에는 전선이 연결되는 단자, 절연체, 보호 장치들이 붙어 있습니다. 그냥 통하나가 아니라 고압 전기와 저압 전기가 만나는 아주 민감한 장치입니다. 길을 가다 보면 어떤 전보대에는 작은 변합기 하나가 달려 있고 어떤 전보대에는 더 큰 변합기가 달려 있습니다. 또 어떤 곳에는 비슷한 통이 여러 개 붙어 있기도 한데 이건 그 지역에서 필요한 전기량과 전기의 종류가 다르기 때문이죠. 작은 주택가에서는 비교적 작은 용량의 변합기 하나로 충분할 수가 있는데 상가가 많거나 전기를 많이 쓰는 건물 있거나 공장 같은 시설이 있으면 더 큰 영향이 필요합니다. 그러니까 전보대 위 변화기를 보면 그 동네의 전기 사용량을 어느 정도 상상해 볼 수가 있는데 작은 주택가인지 상가 밀집 지역인지 공장 근처인지에 따라 전보대 위 장비의 모습도 달라집니다.

전보대는 그냥 길가의 기둥이 아니라 그 지역의 전기 수요를 보여주는 작은 단서였던 것이죠. 그런데 여름철이 되면 가끔 이런 뉴스가 나옵니다. 복염으로 변합기 고장, 아파트 정전, 상가일대 전력 공급 중단, 전보대 변악기 폭발. 왜 이런 일이 생길까요? 핵심은 열입니다. 전선에서 생기는 손실은 전류의 제곱에 비례한다고 했죠. 변악기 내부의 코일도 결국 전류가 흐르는 금속 도체입니다. 전류가 많이 흐르면 코일에서 열이 발생하고 여름철의 에어컨 사용량이 갑자기 늘어나면 특정 지역의 전력 수요가 화학 올라갑니다. 전력 수요가 올라간다는 건 변합기를 통과해야 하는 전류가 많아진다는 뜻이기도 하죠. 전류가 늘어나면 열은 더 빠르게 증가하죠. 특히 손실이 전류의 제곱에 비례하기 때문에 부하가 조금만 늘어도 열부담은 훨씬 민감하게 거질 수가 있죠. 예를 들어 전류가 20% 늘었다고 하면 열 손실은 20%만 늘어나는게 아니라 1.2의 제곱, 즉 1.44배 44%가 늘어나는 거죠. 그리고 전류가 40% 늘면 약 96%가 늘어나는 거죠.

거의 두 배가 된다는 말입니다. 그래서 여름철 변합기 문제는 단순히 전기를 많이 썼다가 아니라 정확히는 전류가 많이 흐르고 그 전류 때문에 내부 열이 커진 것입니다. 변악기 안에서는 계속 열이 발생하는데 바깥 날씨까지 뜨거우니까 게다가 장비가 오래되었거나 절연 상태가 좋지 않거나 냉각 성능이 떨어졌거나 원래 용량에 비해 부하가 너무 커지면 문제가 생길 수 있는 거죠. 사실 변합기는 굉장히 오래된 전기 기술이죠. 원리는 아주 오래 전부터 알려져 있었고 전력망의 기본 장비로 계속 쓰여 왔습니다. 그런데 오래된 기술이라고 해서 덜 중요한 건 아닌데요. 오히려 전기 문명이 커질수록 변합기의 중요성은 계속 유지되는 거죠. AI 데이터 센터가 늘어나도 전기차 충전소가 늘어나도 공장이 늘어나도 결국 전기는 적절한 전압으로 바뀌어야 합니다. 최첨단 반도체를 돌리는 데이터 센터도 집안의 작은 충전기도 결국 전력망 안에서는 변합기를 거친다라는 거죠. 최근 국내외의 변화기와 전력 기기들이 조목받는 이유도 여기에 있습니다.

AI 데이터 센터, 반도체 공장, 전기차 충전 인프라 재생 에너지 확대가 모두 전력망 투자를 요구하고 있기 때문이죠. 전기를 많이 쓰는 시설이 늘어나면 단순히 발전소만 더 지으면 끝나는게 아니라는 겁니다. 그 전기를 옮기고 나누고 바꾸고 보호하는 장비가 필요한 것인데 그 중심에 변합기, 차단기, 대전방 같은 전력 기기들이 있는 거죠. 그래서 예전에는 상대적으로 조용한 산업자로 여겨졌던 전력 기기들이 최근에는 AI 시대의 숨은 인프라 기업으로 다시 평가받고 있습니다. 전보대 위에 작은 깡통 그 안에는 생각보다 거대한 전력망의 마지막 단계가 들어 있다라는 것인데 결국 전력망은 거대한 오매 법칙 위에서 움직인다라는 거죠. 전압을 어떻게 조절할 것인가? 전류를 어떻게 줄일 것인가? 전에서 생기는 열 손실을 어떻게 줄일 것인가? 전보대 위에 저 작은 깡통은 바로 그 계산의 마지막 현장이라는 점을 전달하며 지증화 공사에 따라 이제는 만나보기 힘들어진 전보때들을 다시금 찾아보며 전보대와 전보대를 사이로 무궁아 꽃이 피었습니다와 도둑과 경찰을 하던 어린 시절을 떠올리며 한껏 감상에 젖은 상태로 젊은 날을 회고하고 있는 안대고 에로였습니다.

니다.