전압

전압(voltage)은 전기장 안에서 단위 전하가 갖는 전기적 위치에너지의 차이, 즉 두 지점 사이의 '전위차(potential difference)'다. 정의식으로는 1쿨롱(C)의 전하를 옮기는 데 1줄(J)의 일이 필요할 때 두 점 사이 전압이 1볼트(V)이며, V = W/Q (J/C)로 표현한다. 물에 비유하면 전위는 '수위(높이)', 전압은 '수위 차', 전류는 '흐르는 물의 양'이다. 높이가 같으면 물이 흐르지 않듯, 전위차가 0이면 전류도 흐르지 않는다.

실무에서 자주 혼동되는 세 용어를 구분하면 다음과 같다. (1) 전위(potential)는 기준점(보통 대지=0V) 대비 한 지점의 절대적 높이다. (2) 전위차(전압)는 두 지점의 전위를 뺀 값이며, 우리가 테스터로 '두 점을 찍어' 재는 값이 바로 이것이다. (3) 기전력(EMF)은 발전기·전지처럼 전위차를 만들어 유지시키는 '원천 능력'으로, 부하 전류가 흐를 때 내부 임피던스 강하만큼 단자전압보다 약간 크다.

전압은 항상 '두 점 사이'에서 정의된다는 점이 핵심이다. 그래서 '이 선의 전압이 몇 V냐'는 질문은 엄밀히는 불완전하며, 반드시 '무엇을 기준(대지인지 다른 상인지)'으로 잰 값인지를 함께 말해야 한다. 같은 전선이라도 대지 기준(대지전압)과 다른 상 기준(선간전압)이 전혀 다른 값으로 나오는 이유가 바로 이것이다.

3상 계통에서 가장 많이 묻는 것이 상전압과 선간전압의 관계다. 상전압(phase voltage)은 한 상의 권선 양단(또는 상-중성선) 전압이고, 선간전압(line-to-line voltage)은 서로 다른 두 선(상선) 사이의 전압이다. 3상은 각 상의 위상이 120도씩 어긋나 있어, 두 상전압을 벡터로 합성하면 √3배가 된다.

Y(스타)결선: 선간전압 = √3 × 상전압, 선전류 = 상전류. 예를 들어 상-중성선 전압이 220V면 선간전압은 220×√3 ≈ 380V가 된다. 그래서 3상4선식 '380/220V'라는 표기가 나오며, 380은 선간(상-상), 220은 상-중성선 전압이다(√3 ≈ 1.732). 여기서 반드시 구분할 점은, 380/220Y 계통에서 임의의 '두 상선'만 따면 그 사이 전압은 선간전압인 380V이지 220V가 아니라는 것이다. 220V는 어디까지나 상선과 중성선(N) 사이에서만 나온다.

델타(△, 삼각)결선: 선간전압 = 상전압, 선전류 = √3 × 상전류. 델타는 권선이 폐루프를 이루므로 권선 양단 전압이 곧 선간전압이고, 대신 선전류가 상전류의 √3배가 된다. 따라서 선간 220V인 델타220 계통에서는 두 상선 사이가 220V로 나온다.

결선이 달라도 3상 전력은 같은 식 P = √3 · V_L · I_L · cosθ (V_L=선간전압, I_L=선전류)로 계산되어 동일하다. 이는 결선에 따라 V와 I의 분배만 바뀔 뿐 전력(에너지)은 보존되기 때문이다. 현장에서 'Y면 전압이 크고 델타면 전류가 크다'고 외우되, 두 상선 사이가 몇 V인지는 그 계통의 선간전압이 220인지 380인지에 달려 있으므로, 실제 결선과 전압은 반드시 변압기·전동기 명판으로 확인해야 한다.

전기에서 '상(phase)'은 전선의 개수가 아니라 '서로 위상이 다른 교류 파형의 묶음'을 뜻한다. 단상은 위상이 하나인 교류, 3상은 120도씩 어긋난 세 개의 교류 묶음이다. 따라서 어떤 3상 계통에서든 임의의 두 상선을 빼서 단상 부하에 쓰면, 그 부하에 걸리는 것은 '위상이 하나뿐인 교류' 즉 단상이다. 두 선을 썼다고 '2상'이 되는 것이 아니다. '2상 교류'는 일반 배전에서 쓰는 정식 분류가 아니며(과거 일부 특수 전동기에서만 존재), 우리나라 배전은 단상/3상으로 구분한다.

다만 그 단상 부하에 걸리는 '전압값'은 계통의 선간전압에 따라 달라진다는 점을 혼동하면 안 된다. 선간 220V 계통(델타220 등)에서 두 상선을 따면 220V 단상이지만, 선간 380V 계통(380/220Y)에서 두 상선을 따면 380V 단상이 된다. 380/220Y에서 220V 단상을 쓰려면 상선과 중성선을 함께 따야 한다.

배선방식을 나타내는 '선 수'와 '상 수'도 구별해야 한다. 단상2선식, 단상3선식, 3상3선식, 3상4선식은 모두 '배선 방식(전선 가닥 수)'을 나타내는 표현일 뿐이다. 단상3선식은 선이 3가닥이지만 여전히 단상이고(110/220V 동시 인출용), 3상4선식은 3상에 중성선 1가닥을 더한 것이다. 즉 '두 선=단상, 세 선=3상, 네 선=4상'이라는 식의 설명은 잘못이다.

정리하면, 부하에 인가되는 위상의 개수로 단상/3상을 판단하고, 전선 가닥 수는 그 계통에서 어떤 전압을 함께 뽑아 쓰는가(중성선 유무 등)를 나타내는 별개의 개념이며, 두 상선 사이 전압값은 계통의 선간전압으로 결정된다.

우리나라 저압 표준전압은 단상 220V, 3상 220V, 3상4선식 380/220V가 대표적이며, 큰 동력 설비에는 440V도 쓰인다. 고압·특고압으로는 배전에 22.9kV(다중접지 3상4선), 6.6kV, 송전에 154kV·345kV·765kV 체계가 있다. (현행 전기설비기술기준상 저압은 교류 1kV 이하, 고압은 1kV 초과 7kV 이하, 특고압은 7kV 초과로 구분되며, 직류는 1.5kV 기준이 적용된다 — 2021년 KEC 시행 이후 기준.)

3상 220V 계통의 결선 형태는 한 가지로 단정할 수 없다. 변압기 결선에 따라 델타(△), V결선(2대 변압기로 3상 구성), 또는 중성점을 인출하지 않은 Y 등 여러 형태가 있을 수 있다. '3상3선이면 무조건 델타'로 외우지 말고, 실제 결선과 전압은 변압기 명판으로 확인해야 한다. 어느 결선이든 '선간전압이 220V인 계통'이라면 두 상선 사이가 220V로 나온다는 점이 공통이다.

380/220V(Y결선)는 상-중성선 220V 단상을 함께 뽑을 수 있어, 동력(상-상 380V)과 전등·전열(상-중성선 220V)을 한 계통에서 모두 쓸 수 있다는 점에서 일반 건물에 편리하다. 반면 440V는 전압이 높아 같은 출력에서 전류가 작아진다(3상에서 I = P / (√3·V·cosθ)). 전류가 작으면 전선 굵기와 도체 손실(I²R)이 줄어 대용량 동력·용접기·대형 공장에 유리하다. 다만 440V 계통은 상-중성선 단상 220V를 그대로 뽑기 어려워, 단상 부하용으로는 별도 변압기가 필요할 수 있다.

송전을 고전압으로 하는 이유도 같은 원리다. 송전전력 P = √3·V·I·cosθ가 일정할 때 전압 V를 높이면 전류 I가 줄고, 선로손실은 I²R이므로 전류가 절반이면 손실은 1/4로 준다. 그래서 발전소에서 멀리 보낼 때 154kV·345kV 등으로 승압해 보내고, 수용가 근처에서 변압기로 강압한다. 110V를 220V로 승압한 정책도 같은 효율(손실·전선비 절감) 목적이었다.

대지전압(line-to-earth voltage)은 충전부와 대지 사이의 전압이다. 선간전압과 별개로, 한 상을 만졌을 때 대지를 통해 인체에 걸리는 전압이 바로 이 값이라 감전 위험 판단에 직결된다.

Y결선 중성점 접지 계통에서는 각 상-대지 전압이 상전압과 같다. 예를 들어 380/220V(Y)면 상-대지는 220V, 440/254V(Y)면 상-대지는 254V다. 즉 '선간 440V인데 대지전압이 254V'로 측정되는 것은 정상이다.

반면 비접지 델타 계통이나 한 상을 접지한 계통에서는 양상이 달라진다. 한 상이 대지로 지락(접지)되면 그 상의 대지전압은 0V가 되고, 나머지 두 상의 대지전압은 선간전압 수준(예: 델타 380이면 380V, 440이면 440V)까지 상승할 수 있다. 그래서 비접지·고저항접지 계통에서는 1선 지락 시 건전상 대지전압 상승을 GPT(접지형 계기용 변압기)로 감시하고, NGR·CLR(한류저항)로 지락전류를 제한한다. 다만 CLR 저항값은 계통 영상전류와 GPT 사양에 맞춰 설계하는 값이므로 '몇 옴'으로 일률 암기해서는 안 된다.

실무 결론: 같은 설비라도 결선과 접지방식에 따라 대지전압이 달라지므로, 작업 전 변압기 2차 결선과 접지방식을 반드시 확인해야 한다. 접지방식은 현행 KEC에서 TN(TN-S/TN-C/TN-C-S)·TT·IT 계통접지로 분류되며, 과거의 1종/2종/3종 접지 용어는 구 규정 기준임에 유의한다.

중성선(N상)은 3상4선식·단상3선식에서 불평형 전류의 귀로(돌아오는 길)이자 단상 220V를 인출하는 기준선이다. '중성선은 전기가 안 흐른다'는 말은 오해다. 3상 부하가 완전히 평형이면 중성선 전류가 0에 가깝지만, 실제로는 불평형 전류와 3배수 고조파(영상분, 특히 제3고조파)가 합쳐져 흐르므로 중성선이 상선보다 더 뜨거워지는 경우도 있다.

중성선 단선은 가장 위험한 고장 중 하나다. 3상4선식에서 중성선이 끊기면, 220V로 설계된 단상 부하들이 두 상 사이(선간 380V)에 직렬로 연결되는 상태가 된다. 직렬 회로에서는 임피던스가 큰(부하가 가벼운) 쪽에 전압이 더 많이 분배되므로, 부하가 적게 걸린 쪽 세대에는 220V를 훨씬 초과하는 과전압이, 부하가 많은 쪽에는 저전압이 인가된다. 그 결과 '한쪽 집은 전자제품이 타고, 다른 쪽 집은 불이 어둡다'는 전형적 증상이 나타난다.

따라서 한쪽 과전압·한쪽 저전압이 동시에 관찰되면 중성선 단선·접촉불량을 최우선으로 의심해야 한다. 단자대 조임 불량, N상 단자 열화·발열이 흔한 원인이며, 계량기 2차측 차단기 설치 등으로 단선 시 부하를 보호한다. 측정 시에는 중성선도 불평형·고조파로 전위가 떠 있을 수 있으므로 '0V 가정'으로 함부로 분리하지 않는다.

전선에는 저항과 리액턴스가 있어 전류가 흐르면 전압이 떨어진다. 이 전압강하가 크면 말단 기기에 정격전압이 못 미쳐 조명이 어두워지고 전동기 토크가 떨어진다. 실무에서는 회로방식별 약산식을 쓴다(e=전압강하(V), L=전선 길이(m), I=전류(A), A=전선 단면적(㎟)).

- 단상 2선식: e = 35.6 · L · I / (1000 · A) - 3상 3선식: e = 30.8 · L · I / (1000 · A) - 3상 4선식 / 단상 3선식(상-중성선 기준): e = 17.8 · L · I / (1000 · A)

계수가 다른 이유는 회로의 왕복 도체 수와 √3 관계 때문이다. 단상2선은 왕복 2가닥이라 계수가 가장 크고, 3상4선·단상3선은 중성선 기준 한 도체분만 따지므로 계수가 절반 수준이다. 회로방식에 맞는 계수를 쓰지 않으면 전선 굵기 선정이 틀어진다.

허용 기준은 설계 관행상 간선·분기를 합쳐 수용가 인입점에서 부하까지 일반적으로 표준전압의 약 3% 이내(긴 선로·특수 부하는 합산 5~7% 범위 내 관리)를 권장한다. 전압강하가 크면 전선 단면적을 키우거나(저항↓), 역률을 개선하거나, 전압을 승압하는 방법으로 대응한다.

감전은 '전압이 있다'가 아니라 '인체를 통해 전류가 흐른다'에서 일어난다. 인체에 흐르는 전류는 I = V / R_body로, 인가 전압과 인체저항(대략 건조 시 수천 Ω, 땀·습기 시 1kΩ 이하로 급감)에 좌우된다. 한 상만 만졌더라도 사람이 대지에 연결돼 있으면 '충전부→인체→대지→전원'으로 회로가 닫혀 전류가 흐른다. '공중의 새가 한 선만 잡아 안전하다'는 비유는 새가 대지·다른 상과 완전히 절연돼 회로가 구성되지 않을 때만 성립하며, 대지에 발을 딛고 선 작업자에게는 적용되지 않는다.

'유령전압(ghost voltage)'은 차단기를 내렸는데도 디지털 테스터에 전압이 뜨는 현상이다. 디지털 멀티미터의 입력 임피던스가 수 MΩ로 매우 높아, 인접 활선과의 정전결합·유도전압이 만든 미세전위를 미세전류로 잡아 표시하기 때문이다. 이는 실제 부하를 구동할 능력이 없는 '겉보기 전압'인 경우가 많다. 구별법은 (1) 저임피던스(LoZ, 로우즈) 모드로 재측정하거나, (2) 부하(전구 등)를 걸어보는 것이다. 부하를 걸면 유령전압은 즉시 사라지고, 진짜 활선이면 전압이 유지된다.

다만 차단기 OFF 후 전압이 뜬다고 무조건 유령전압으로 단정해서도 안 된다. 다른 상·부하를 경유한 우회 회로, 역가압, 리드선 피복 손상·측정봉 균열에 의한 직접 접촉 등 '진짜 위험한' 원인일 수도 있으므로, 검전기·접지·우회경로를 함께 점검해 판단해야 한다.