전류

전류(electric current)는 도체 단면을 단위시간당 통과하는 전하량으로 정의한다. 식으로는 I = Q/t (Q: 전하량[C], t: 시간[s])이며, 1초에 1쿨롬(C)의 전하가 흐르면 1암페어(A)다. 1A는 약 6.24×10^18개 전자의 흐름에 해당한다.

전류의 크기를 지배하는 가장 기본 법칙이 옴의 법칙 I = V/R 이다. 전압 V[V]가 일정할 때 저항 R[Ω]이 커지면 전류 I는 작아지고, 저항이 작아지면 전류는 커진다. 이 반비례 관계는 실무 진단의 토대다. 예를 들어 접속부 접촉저항이 늘면 그 지점 전류가 줄고 전압강하·발열이 생기며, 절연이 깨져 저항이 급감하면 누설·지락전류가 흐른다.

관례상 전류의 방향은 (+)에서 (-)로 흐르는 것으로 잡는데, 이는 전자의 실제 이동방향(- → +)과 반대다. 전류를 '관성을 가진 물의 흐름'에 비유하면, 전압은 '수압(밀어주는 힘)', 저항은 '관의 좁아짐'에 해당한다.

직류(DC)는 크기와 방향이 시간에 따라 일정한 전류로, 배터리·태양광·통신설비 등에 쓰인다. 교류(AC)는 방향과 크기가 주기적으로 바뀌는 전류로, 우리나라 상용주파수는 60Hz(1초에 60회 극성 반전)다. AC에서 우리가 계기로 읽는 값은 실효값(RMS)으로, 같은 발열을 내는 DC 환산값이다. 정현파의 최댓값은 실효값의 √2(약 1.414)배다.

3상 회로에서는 상전류(phase current)와 선전류(line current)를 구분해야 한다. Y(스타)결선에서는 선전류 = 상전류, 선간전압 = 상전압의 √3배다. Δ(델타)결선에서는 반대로 선간전압 = 상전압, 선전류 = 상전류의 √3배다. 이 √3 관계는 상전압·상전류를 선간전압·선전류로 환산할 때 필요한 결선별 변환 관계이며, 결선을 헷갈리면 권선 전압·권선 전류를 잘못 잡게 된다.

3상 전력 공식: 유효전력 P = √3 × 선간전압(V_line) × 선전류(I_line) × 역률(cosθ) [W]. 여기서 V는 반드시 '선간전압', I는 '선전류'다. 이 공식은 Y결선이든 Δ결선이든 결선 종류와 무관하게 '선간전압×선전류'로 항상 동일하게 성립한다. 즉 위의 √3(상↔선) 관계와 P 공식의 성립 여부는 서로 별개다 — √3 관계는 상값·선값 사이를 환산할 때 쓰는 것일 뿐, P=√3·V_line·I_line·cosθ 자체에 결선별로 √3이 더 붙거나 빠지는 것이 아니다. 따라서 계측·계산 시에는 항상 '선간전압과 선전류'를 대입하면 되고, 단상은 P = V × I × cosθ 이다.

현장에서 가장 자주 혼동되는 네 가지 전류를 명확히 구분해야 한다. ①정격전류(rated current): 기기 명판에 적힌, 정상 연속운전 시 흘러도 되는 설계 전류다. ②부하전류(load current): 실제 운전 중 흐르는 전류로, 후크메타로 실측하는 값이다. 정상이라면 부하전류 ≤ 정격전류여야 한다. ③허용전류(ampacity): 전선·케이블이 절연 손상 없이 연속으로 흘릴 수 있는 한계 전류로, KEC의 허용전류표(도체 종류·절연·포설방법·주위온도·집합계수 보정)로 정한다. ④기동전류(돌입전류, inrush current): 전동기·변압기를 투입하는 순간 흐르는 큰 과도전류다.

농형 유도전동기의 기동전류는 정격전류의 약 5~7배가 정상이며, 수 초 내로 정상운전전류로 떨어진다. 변압기 여자돌입전류는 정격의 수~십수 배까지 순간적으로 치솟을 수 있다. 이 짧은 돌입을 '과부하'로 오인해 보호값을 무작정 키우면 정작 진짜 과부하를 못 잡으므로, 돌입은 '시간특성'으로 회피하고 연속 과부하는 '전류값'으로 잡는 것이 원칙이다.

기동전류 5~7배는 계통 전압강하와 차단기 오트립을 유발하므로, 일정 용량 이상(통상 5.5kW~15kW 이상)의 전동기는 감압기동을 쓴다. 대표적인 것이 Y-Δ(스타-델타) 기동이다.

기동 시 권선을 Y로 결선하면 각 상 권선에 걸리는 전압이 선간전압의 1/√3로 낮아진다. 전류는 전압에 비례하고 Y/Δ 사이 선전류 관계까지 겹쳐, 결과적으로 기동전류와 기동토크가 모두 직입기동(DOL) 대비 약 1/3로 줄어든다. 회전수가 올라 정격 부근에 이르면 Δ로 전환해 전압을 100% 걸어 정상운전한다.

주의할 점은 Y→Δ 전환 타이밍이다. 전환 타이머가 너무 길면 Y 상태로 부하를 못 끌어 기동 실패, 너무 짧거나 전환 시점이 나쁘면 전환 순간 오히려 큰 과도전류가 튀어 트립이 난다. 토크가 1/3로 줄므로 부하토크가 큰 기동(컨베이어·관성 큰 송풍기)에는 부적합할 수 있고, 이때는 리액터기동·소프트스타터·인버터를 검토한다.

3상 전동기에서 한 상이 끊기는 결상(단상운전)은 가장 흔한 소손 원인이다. 한 상이 살아진 뒤에도 전동기는 같은 기계출력을 내려 하므로, 남은 두 상이 떠난 상의 부담까지 짊어진다. 그 결과 두 상의 전류가 약 √3(1.73)배까지 증가한다. 이때 증가하는 것은 전류이지 전압이 아니다 — 전동기 정격출력(P)은 고정이므로 전압이 √3배 오르는 일은 없다.

이 과전류로 권선이 급속히 과열·소손되므로 결상보호가 필수다. 단, '√3배'는 부하율·결선(Y/Δ)에 따른 근사치이며, 무부하에 가까우면 덜 오르고 부하가 무거우면 더 위험하다. 실제 단상운전에서는 상황에 따라 더 큰 배수가 나오기도 한다.

보호기로는 결상감지(phase loss / Fault) 기능이 내장된 EOCR(전자식 과부하계전기)을 써야 한다. 과전류만 보는 SS타입은 결상 초기에 전류 불평형을 놓칠 수 있다. 결상은 전원측 휴즈 1선 용단, MC 접점 1상 불량, 단자 접촉불량에서 흔히 발생하므로 단자대 변색·발열 점검을 병행한다.

3상 4선식에서 부하가 완전 평형이고 모두 선형(저항·전동기)이라면 세 상전류의 순시 벡터합이 0이 되어 중성선 전류는 이론상 0이다. 그러나 LED조명·인버터·컴퓨터·서버·UPS 같은 단상 비선형 부하가 많으면 이야기가 달라진다.

이런 부하는 전류 파형을 일그러뜨려 고조파를 만드는데, 특히 제3고조파(180Hz)는 세 상의 위상이 모두 같은 영상분(zero-sequence)이다. 정상분·역상분 전류는 중성선에서 상쇄되지만, 3·9·15차 등 영상고조파는 상쇄되지 않고 중성선에 그대로 산술 합산된다. 그래서 3상 전류가 평형이어도 중성선 전류가 상전류에 육박하거나, 심하면 상전류를 초과할 수 있다.

흔한 오해와 달리 5·7차 고조파는 역상/정상분이라 중성선에 단순 누적되지 않는다. 중성선 과전류는 N상 과열·소손·화재의 주원인이므로, 비선형 부하 비중이 큰 분전반은 중성선을 상선과 동일 굵기 이상으로 키우거나(가중 중성선) 별도 검토하고, 중성선 전류를 정기 측정한다.

누설전류(leakage current)는 절연이 열화된 부위에서 의도치 않게 흐르는 전류로, 정상 부하회로를 벗어나 대지(접지)를 거쳐 전원(변압기 중성점)으로 되돌아가는 폐회로를 형성한다. 흔한 오해처럼 접지선을 타고 '다시 부하로 순환 공급'되는 것이 아니다. 지락전류는 충전부가 대지와 직접 또는 저저항으로 연결되어 흐르는, 누설보다 큰 고장전류다.

전기설비기술기준상 저압 전로의 누설전류는 최대공급전류의 1/2000 이하로 관리하는 것이 기준이다(절연저항 측정이 곤란할 때의 대체 판정 기준). 측정은 누설전류계(클램프형)로 3상+N을 한꺼번에 물어 벡터합(불평형분=누설분)을 본다. 정상이면 합이 0에 가깝고, 누설이 있으면 그만큼 합이 남는다. 한 상씩 따로 재면 정상 부하전류가 잡혀 의미가 없다.

보호도체(접지선) 단면적은 '사고전류만 잠깐 흐르니 가늘어도 된다'는 통념과 달리, 예상 고장전류와 열적 내량을 견디도록 KEC 보호도체 단면적 규정(상도체 단면적 대비 표 또는 계산식 S = √(I²t)/k)을 따라 산정해야 한다. 또한 활선 상태에서의 접지선·중성선 분리는 누전·유도전위·TN-C 겸용 시 감전·아크 위험이 있어 원칙적으로 금지한다.

전동기·간선 보호의 핵심은 '연속 과부하는 전류값으로, 짧은 기동전류는 시간으로' 거른다는 원칙이다. EOCR/열동계전기의 한시(과부하) 트립은 모터 정격전류 기준 약 1.0~1.2배에서 동작하도록 정정한다. 현장에서 도는 '정격×2.5배 셋팅'은 위험한 잘못된 통념으로, 2.5배에서는 과부하·결상보호가 사실상 작동하지 않고 결상 시 √3(1.73)배 과전류조차 못 잡는다. 기동전류를 견디게 하려면 배수를 키우는 게 아니라 순시(instantaneous) 동작시간 지연을 기동시간보다 약간 길게 잡는다. 빈번한 트립의 근본 대책은 인버터·소프트스타터다.

CT(변류기)는 대전류를 계측·보호용 소전류(보통 2차 정격 5A 또는 1A)로 변환한다. 극성단자 K(1차)·k(2차)와 L·l이 있는데, K·L은 단순한 1차 극성 표기일 뿐 'KEPCO/Load'의 약자가 아니다. 전류계·전력계 같은 계측용은 1·2차가 함께 뒤집히면 정상이지만, 방향성 계전기(DOCR·DOCGR·거리·비율차동·SGR 등)는 극성이 틀리면 부동작·오동작하고 디지털 계량기는 역계량(-표시)이 난다. 안전공사 검사 지적 대상이므로 시공 후 방향 테스트로 확인한다. CT 2차는 운전 중 절대 개방 금지 — 고전압이 유기되어 감전·소손 위험이 있다.

전선 굵기(케이블 단면적) 선정은 두 조건을 모두 만족해야 한다. ①허용전류 조건: 부하전류 ≤ 케이블 허용전류가 되도록 KEC 허용전류표에서 선정하고, 주위온도·포설방법·다회로 집합에 따른 보정계수를 곱해 감하여 적용한다. ②전압강하 조건: 긴 선로는 전압강하 한도(설비 기준 통상 2~5%) 내에 들도록 단면적을 키운다.

3상 전압강하 약식: e = (30.8 × L × I) / (1000 × A) [V] (L: 거리[m], I: 전류[A], A: 단면적[mm²]). 단상 2선식은 e = (35.6 × L × I)/(1000 × A)를 쓴다. 이 식으로 A를 역산해 두 조건 중 더 굵은 쪽을 채택한다. 장거리·대용량 급전선에서는 허용전류보다 전압강하가 굵기를 지배하는 경우가 많다.

전류는 도체 저항에서 열을 만든다(줄열 P = I²R). 정상 도체에서는 무시할 수준이지만, 단자대·부스바 접속부가 헐거워지거나 산화하면 접촉저항이 커지고 그 지점에서 I²R 발열이 집중돼 변색·소손으로 이어진다. 단자 변색·발열은 접촉불량의 1순위 신호이며, 열화상카메라로 상별 온도차를 보면 결상·접촉불량을 빠르게 잡는다. 같은 굵기라도 접속이 부실하면 화재로 직결된다.

단락전류(short-circuit current)는 선간 또는 상-대지가 거의 0Ω으로 직결될 때 흐르는 극대 전류로, 정상전류의 수십~수백 배에 달한다. 차단기는 이 단락전류를 안전하게 끊을 수 있어야 하며, 그 능력을 차단용량(정격차단전류, 단위 kA)으로 표기한다. 설치점의 예상 단락전류보다 차단용량이 큰 차단기를 선정해야 하고, 한류형(current-limiting) 차단기는 전류가 최고점에 이르기 전에 끊어 통과 에너지(I²t)를 줄인다.

교류에서 전체 전류(피상전류)는 유효전류(부하와 동상, 실제 일을 하는 성분)와 무효전류(위상 90° 차, 자속·정전계를 만드는 성분)의 벡터합이다. 역률(cosθ)이 낮을수록 같은 유효전력을 보내는 데 더 큰 피상전류가 흘러 전선·변압기 용량을 잡아먹고 손실이 는다. 지상(유도성) 부하의 무효전류를 진상 콘덴서로 보상하면 역률이 개선돼 선전류가 줄어든다. 다만 과보상은 진상·무효순환전류를 유발하므로 주의한다.

끝으로 '전기는 빛의 속도로 흐른다'는 표현은 절반만 맞다. 전기에너지·신호(전자기파)의 전파속도는 광속의 약 50~99%에 이르지만, 실제 전자(전하 입자) 자체의 평균 이동속도(드리프트 속도)는 초당 수 mm 수준으로 매우 느리다. 스위치를 켜면 곧바로 불이 켜지는 건 전자가 빨라서가 아니라 에너지 전달(전계 형성)이 빠르기 때문이다.