전압강하 계산

왜 배우는가: 전압강하는 간선·분기회로의 전선 굵기를 정할 때 허용전류와 함께 반드시 검토하는 기준이다. 소방설비는 전동기·경보장치처럼 말단 전압이 낮으면 동작하지 않으므로 실무 설계와 현장 점검에서 매번 확인해야 한다. 기술사 시험에서는 계산식 유도와 화재안전기준 허용치를 함께 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제121회 1교시 8번, 제95회 3교시 3번, 제94회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전압강하는 전선의 저항과 리액턴스에 전류가 흘러 발생하는 송전단 전압과 수전단 전압의 차이다

• 전압강하
• 전선 저항
• 부하전류
• 회로 길이
• 단면적(굵기)
• 허용 전압강하
• 말단 전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전선이 길수록, 가늘수록, 전류가 클수록 끝에 도달하는 전압이 낮아진다는 뜻이다. 전기 기기는 정격전압 근처에서 설계되므로 말단 전압이 너무 낮으면 모터는 토크가 부족하고, 경보장치는 소리나 빛이 기준에 미치지 못한다.

정식 정의는 다음과 같다. 전압강하(Voltage Drop)는 회로에 전류가 흐를 때 전선의 임피던스에 의해 발생하는 전압의 감소량이며, 송전단 전압과 수전단 전압의 차로 정의한다. 단위는 V이며 보통 정격전압에 대한 백분율(%)로 표시한다.

핵심 용어는 다음과 같다. 전선 저항은 도체의 저항률과 길이, 단면적으로 결정된다. 부하전류는 전선을 통해 기기에 공급되는 전류이며 전압강하의 크기를 좌우한다. 단상 2선식은 왕복 2가닥 도체를 가진 회로로, 전류가 두 전선을 따라 흐르므로 전압강하 계산에서 왕복 길이를 2배로 본다.

단상 2선식 계산식의 유도 원리는 다음과 같다. 전선 1가닥의 저항을 R (Ω), 편도 길이를 L (m), 도체 단면적을 A (㎟), 저항률을 \rho (Ω·㎟/m)라 하면 R=\rho L/A 이다. 왕복 2가닥을 흐르는 전류 I (A)에 의한 전압강하는 e=2IR 이 된다. 이를 정리하면 e=\frac{2\rho LI}{A} 이다. 실무에서는 역률을 고려해 e=2I(R\cos\theta+X\sin\theta) 를 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 배전은 직류 저압 방식이 많았고, 같은 전력을 보내면 전압이 낮을수록 전류가 커져 전선 손실과 전압강하가 커졌다. 이 때문에 전압을 높이거나 전선 굵기를 늘리는 설계 기준이 필요해졌다. 현재는 교류 배선에서도 허용전류와 함께 전압강하를 검토하는 것이 설계 기본 절차다.

소방 분야에서는 화재 시 설비가 반드시 작동해야 하므로 전압강하 기준이 더 엄격하게 관리된다. 자동화재탐지설비의 감지기 회로는 말단 전압이 정격전압의 80% 이상이어야 하며, 음향장치는 정격전압의 80% 전압에서 음향을 발할 수 있을 것을 요구한다. 이 기준은 전압강하를 설계 단계에서 계산해야 하는 근거가 된다.

또한 화재 시 전선의 온도가 올라가면 저항이 커지므로 전압강하가 더 커질 수 있다. 따라서 여유를 두고 설계해야 한다는 점을 함께 이해해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

전압강하(Voltage Drop)는 전선의 저항과 리액턴스에 전류가 흐르면서 전원단과 부하단 사이에 생기는 전압 차이다. 계산에 쓰는 구성요소는 다음과 같다.